POLARIZACION EN DC -BJT

IntroduccionPara el anlisis y diseo de amplificadores a transistoresConocer respuesta DC y respuesta AC Un transistor necesita de fuentes externas para realizar el trabajo de amplificar una sealUn amplificador tiene dos componentes: AC y DCTeorema de superposicinEleccin adecuada de parmetros para en DC afecta la respuesta ACLos niveles de voltaje y de corriente establecen el punto de operacin del transistor (punto Q)

Punto de operacin (Q)Para amplificadores a transistores Polarizacin: Aplicacin de voltajes DC que ayudan a establecer un nivel fijo de corriente y de voltaje el un punto sobre la caractersticas de salida de un transistorI e V de DC resultantes de la polarizacin establecen un punto de operacinPunto de reposo (quiescent point)

Puntos de operacin de un transistorB es el mas adecuado para amplificacin lineal

Polarizacin del BJT en la region linealLa unin base emisor debe tener una polarizacin directa (voltaje de la regin p mas positivo) de aproximadamente 0.6 a 0.7 VUnin base colector polarizacin inversa (voltaje de la regin n mas positivo)Con un voltaje de polarizacin inversa resultante de cualquier valor dentro de los limites mximos del dispositivo

Circuito de polarizacin fija

Circuito equivalenteRB fija el nivel de la corriente de base para el punto de operacin

Malla colector-emisorRecuerde queNo es funcin de RC (depende de y RB en la regin activa)Aplicando SLK a la malla

Notacin de subndices sencillo y dobleRecuerde queVoltaje colector emisorVC y VE voltajes del colector y del emisor respecto a tierra, en este caso VE = 0, entoncesVCE = VC, adems Y ya que VE = 0 entonces VBE = VBTambin

EjemploDeterminar lo siguiente para la configuracin de polarizacin fija :

SolucinDe la ecuacinDe la ecuacinDe la ecuacin

significa que la unin tiene polarizacin inversa, como debe ser en amplificacin lineal

Simulacin 1

Saturacin del transistorEl termino saturacin se aplica a cualquier sistema donde los niveles han alcanzado sus mximos valores (Ej. Esponja saturada)Para un transistor que opera en la regin de saturacin la corriente es un valor mximo para el diseo en particularEl nivel mas alto de saturacin esta dado por la corriente mxima de colectorLas condiciones de saturacin se evitan normalmente porque la unin base colector ya no se encuentra con polarizacin inversa y la seal de salida amplificada se distorsionar

Regin de saturacinrealaproximadaCalculo de RCE resistencia colector emisorPonga en corto circuito EC es decir haga VCE = 0Para polarizacin fijaPara el ejemplo

SIMULACION

Analisis de recta de cargaInvestigar como las parmetros de la red definen el rango posible de puntos Q y como determinar el punto real QDe la ecuacin:Variables (IC, VCE), se puede escribir como:

Las caractersticas de salida de un transistor y esta ecuacin utilizan las mismas variables (IC, VCE)La solucin de las dos sucede cuando se satisfacen las restricciones de c/u: La del circuito y las caractersticas del dispositivoMtodo directo graficar (1) sobre las caractersticasSe toman 2 puntos :VCE = 0 y IC = 0Pendiente = 1/RCIntercepto = VCC/RC

Anlisis de recta de carga polarizacin fija

Recta de carga

Movimiento del punto Q con valores crecientes de IBSi el nivel de IB cambia a variar RB, el punto Q se desplaza hacia arriba o hacia abajo sobre la recta de carga

Movimiento del punto Q con valores crecientes de RCSi VCC se mantiene fijo y se cambia RC la recta de carga se moverSi IB se mantiene fijo el punto Q cambia

RC se mantiene cte y varia VCC

EjemploDada la recta de carga de la figura y el punto Q definido, calcule los valores de VCC, RC y RB para la configuracin de polarizacin fija

De la grafica:

Polarizacin en emisorPara mejorar la estabilidad en

Resolver el circuito

Malla emisor - baseAplicando SLKRecordar que Sustituyendo en (1)Despejando IBNote la diferencia con la ecuacin de PF

Resultado interesante de la ecuacion

Dibujar una red (circuito) que obtenga la misma ecuacin: El resistor RE que forma parte de la malla colector emisor aparece como Ri = ( + 1)RE en la malla de la base al emisorComo 50, Ri aparenta ser mucho mayor en el circuito de la baseForma nemotcnica de recordarla

Malla colector emisorSustituyendo IE IC y agrupando trminosEl voltaje VE (voltaje del emisor a tierra)El voltaje VC (voltaje del colector a tierra) puede hallarse deEl voltaje en la base respecto a tierra puede determinarse a partir de oo

EjemploPara la red de polarizacin en emisor calcule:

De la ecuacin: De la ecuacin: = 2,71 V

Estabilidad de la polarizacin mejoradaLa adicin del resistor a la polarizacin en DC del BJT ofrece una mejor estabilidad, cuando cambian las condiciones externas: temperatura, B de TransistorTabla comparativa polarizacin fija para 2 betas

Poco estable

Tabla comparativa para polarizacin en el emisorPara 2 betas que varan el 100%

Mas estable que la polarizacin fija

Nivel de saturacin para polarizacin en el emisorLa corriente mxima de colectorSe determina de la misma forma que se hizo para la polarizacin fijaCorto circuito entre colector y emisor y se calcula IC sat haciendo VCE = O en la ecuacin

Al adicionar RE reduce el nivel de saturacin comparado con PF para la misma RC

EjemploDetermine la corriente se saturacin para la red del ejemplo anterior Que es mas del doble de IC

Anlisis por recta de cargaDe ecuacin

Polarizacin por divisor de voltajeObjetivo de la polarizacin DC es mantener fijo el punto QEn las dos polarizaciones anteriores ICQ y VECQ son funcin de , pero es funcin de T no es un valor bien definidoDesarrollar un circuito menos dependiente de , o idealmente independiente de El circuito propuesto

Circuito de polarizacin por divisor de voltaje PDVUn anlisis exacto la sensibilidad a los cambios en beta resulta muy pequeaSi se eligen los parmetros adecuadamente los niveles de ICQ y de VCEQ pueden casi totalmente independientes de BetaDos mtodos de anlisis : Exacto y aproximado

Anlisis exactoEl lado de entrada de la red se puede dibujar comoPara encontrar la corriente IB es necesario primero determinar el equivalente Thevenin entre B y TComo ejercicio demostrar queAplicar SLK para encontrar IB al circuito equivalente

Sustituyendo Observe la similitud con la ecuacin para la polarizacin en el emisorUna vez conocido IB , se puede hallar IC y VCEDe la malla de colector emisor se encuentra que

EjemploDe la ecuacin:De la ecuacin:De la ecuacin:De la ecuacin:De la ecuacin:

Anlisis aproximado

ContinuacionComo ( + 1)RE RE, la condicin que definir, en caso que pueda aplicarse la aproximacin la podemos definir:

Una vez determinado VB, el nivel de VE se puede calcular de:

e El voltaje VCE de la seccin de salida del circuito PDV

Pero dado que

Note que no aparece y que no es necesario calcular IBEl punto Q (ICQ , VCEQ) es independiente del valor

EjemploRepita el anlisis para el circuito PDV del ejemplo anterior y compare las soluciones para ICQ y para VCEQSolucin:Probando

De la ecuacin:

(El mismo valor que ETh)Esencialmente la principal diferencia entre las tcnicas aprox y exacta es el efecto de RTh en el anlisis exacto que separa ETh y VB:

ContinuacionDe la ecuacin:

Como hallamos ICQ?

Comparada con 0.85 mA (2% error) con el anlisis exactoFinalmente, hallemos VCE

Contra 12.22 V ( 2% error) obtenido en el ejemplo anterior

Simulacin

EjemploRepita el anlisis exacto del ejemplo anterior PDV si se reduce a 70 y compare las soluciones para ICQ y VCEQ Solucion:El objetivo es probar cuanto de mueven los puntos ICQ y VCEQ cuando se reduce a la mitadCambian los valores de RTh y ETh ?

No cambian

aumenta

ContinuacinLa corrienteEl nivel de

Al tabular los resultados de obtiene:

Los resultados muestran claramente la relativa insensibilidad del circuito PDV ante los cambios de (100%)

EjemploDetermine los niveles de y de para la PDV utilizando los mtodos exacto y aproximado para comparar las solucionesSolucionAnalisis exacto: primero probemos si la condicin RE 10RE se cumple (50)(1.2 k) 10(22 k)60 k 220 k (no satisfecha)

ContinuacionLa corriente IB

Anlisis aproximado:El nivel VB no cambiaDe la ecuacinHallamos

Como De la ecuacin

Tabulando los resultados, exacto y aproximadoNo se cumple la condicin

Saturacin del transistor en PDVEl circuito de salida de la PDV tiene la misma apariencia que la PEE, entonces la corriente de saturacin es la mismaRecordando la ecuacin Haciendo VCE = 0 (Haciendo corto entre colector y emisor)Se obtiene

Anlisis por recta de cargaLa similitud con el circuito de salida de PDV con la PEE dan como resultado las mismas intersecciones para la recta de carga ya vistas

Polarizacin DC por retroalimentacin de voltajeUn nivel mejorado de estabilidad tambin se obtiene mediante la introduccin de una trayectoria de retroalimentacin entre el colector y la baseMejor estabilidad que PF y PEEAnlisis por mallasMalla base-emisor yMalla colector - emisor

Malla base-emisorAplicando SLKObserve que la corriente a travs de Rc es Ic` donde Sin embargo Sustituyendo

ContinuacionArreglando trminos y resolviendo para IB

Resultado interesanteNumerador diferencia de niveles de voltajeDenominador RB +(RC + RE) reflejados por En general la corriente IB ha tenido la forma de

Para configuracin fija R = 0Para configuracin PEE R = RE con + 1 Para Configuracin de Retro DC R = RC + REV` diferencia de 2 voltajes

ContinuacinYa que IC = IB, En general mientras mas grande sea R` comparado con RB menor sera las sensibilidad de ICQ a la variaciones de Si R >> RB y RB + R R entonces

ICQ independiente del valor de Como R > para CRetro que para CEE entonces la sensibilidad a las variaciones de ser menor R` = 0 para configuracin fija ICQ muy sensible a

Malla colector-emisorAplicando SLK

Debido a que

y que

Exactamente la misma que polarizacin en emisor y PDVse tiene

Ejemplo

Simulacion

Ejemplo Repetir el ejemplo anterior pero con = 140 (56% mayor)SolucionEs importante observar que en el eplo anterior

331 k > 250 k entre mayor sea el segundo termino menor la sensibilidad a los cambios de Ahora aumentamos a 140 Resolviendo para IB

e

Con

Simulacion

Tabla comparativaCunto hubiera sido el cambio en ICQ y VCE en Polarizacin Fija con un cambio de del 56% ?

ICQVCEQ901.07 mA3.69 V1401.2 mA2.92 V

%%%+56+12+21

Ejemplo Determine el nivel de IB y de VC para la red:Para polarizacin DC las dos resistencias R1 y R2 estn en serie, el capacitor es un circuito abiertoRB = R1 + R2Resolviendo para IB

El voltaje entre colector y tierra Vc

Simulacin

Diversas configuraciones de polarizacinNo se asemejan al modelo bsicoProcedimiento a seguir puede ser diferenteEJEMPLOPara la red determinar ICQ y VCEQEncontrar VB, VB, VE y VBC SolucionPolarizacin por retro sin resistor en emisorDe la ecuacionHaciendo RE = 0

Continuacion DeDe

Como

ComoComoDe

Simulacin

Ejemplo Configuracin colector comnDeterminar VB y VC para la redSolucionAplicando SLK a la malla base emisor

Despejando IB :Sustituyendo

Voltaje de colector a tierra VC ?

Voltaje de base a tierra VB ?

Simulacion

Ejemplo de configuracin emisor seguidorDeterminar VCEQ e IE para la red:Aplicando SLK al circuito de entrada

Pero Reemplazando IE

Despejando IB

Reemplazando valores

Aplicando SLK a l circuito de salida

Pero Reemplazando IE y despejando VCE

Reemplazando valores :

Como Continuacion

Simulacion

Ejemplo con configuracin de base comun El circuito de entrada se utiliza para encontrar la IEDetermine la corriente IE, el voltaje VCB y la corriente IBSolucinAplicando SLK al circuito de entrada

Y

Sustituyendo valores:Aplicando SLK al circuito de salida: Despejando VCB Sustituyendo valores:

Simulacin

Ejemplo de polarizacin con dos fuentesEspecifique Vc y VB para la red (sugerencia aplicar Thevenin)SolucionPara encontrar la corriente de base se necesita primero hallar el equivalente de Thevenin del circuito de la baseHallar RTh:

Para hallar Eth, hallamos primero I

ContinuacionEl voltaje de Thvenin Eth :

Luego la red se puede dibujar: Aplicando SLK

Sustituyendo Da

Despejando IB Reemplazando valores

Hallamos IC :

Hallamos Vc:

El voltaje VB:

Continuacion

simulacin

Diseo

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