El transistor como amplificador

Introducción

La necesidad de amplificar las señales es casi una necesidad constante en la mayoría de los sistemas electrónicos. En este proceso, los transistores desarrollan un papel fundamental, pues bajo ciertas condiciones, pueden entregar a una determinada carga una potencia de señal mayor de la que absorben.

El análisis de un amplificador mediante su asimilación a un cuadrípolo (red de dos puertas), resulta interesante ya que permite caracterizarlo mediante una serie de parámetros relativamente simples que nos proporcionan información sobre su comportamiento.

señales entrada y salida.

En los amplificadores, gracias a los transistores se consigue la intensidad de los sonidos y de las señales en general. El amplificador posee una entrada por donde se introduce la señal débil y otra por donde se alimenta con C.C. La señal de salida se ve aumentada gracias a la aportación de esta alimentación, siguiendo las mismas variaciones de onda que la de entrada.

La señal de entrada, de bajo nivel, del orden de unos pocos milivotios, la aportan dispositivos como el micrófono (transforman ondas sonoras en señales eléctricas que siguen las mismas variaciones que las primeras), sensores térmicos, luminosos, etc.

señales entrada y salida.

Cuando un amplificador realiza la función de elevar la señal que ha sido aplicada a su entrada, se dice que ha producido una determinada ganancia. Se puede decir que la ganancia de un amplificador es la relación que existe entre el valor de la señal obtenida a la salida y el de la entrada. Dependiendo de la magnitud eléctrica que estemos tratando, se pueden observar tres tipos de ganancia: ganancia en tensión, ganancia en corriente y ganancia en potencia.

De esta forma podemos definir los siguienteas parámetros:

  1. Ganancia de tensión (normalmente en decibelios): Av = Vo / Vi
  2. Impedancia de entrada (ohmnios): Zi = Vi / Ii
  3. Impedancia de salida (ohmnios): Zo = Vo / Io (para Vg = 0)
  4. Ganancia de corriente (normalmente en decibelios): Ai = Io / Ii
  5. Ganancia de potencia (normalmente en decibelios): Ap = Po / Pi
Respuesta de frecuencia genérica

Un amplificador será tanto mejor cuanto mayor sea su ganancia y menor sea su impedancia de entrada y salida.

En cuanto a la frecuencia, los amplificadores dependen de esta, de forma que lo que es válido para un margen de frecuencias no tiene porqué serlo necesariamente para otro. De todas formas, en todo amplificador existe un margen de frecuencias en el que la ganancia permanece prácticamente constante (banda de paso del amplificador). El margen dinámico de un amplificador es la mayor variación simétrica de la señal que es capaz de presentar sin distorsión a la salida; normalmente expresado en voltios de pico (Vp) o Voltios pico-pico (Vpp).

Ampliación

Para comprender el funcionamiento del transistor como amplificador, se partirá del circuito de la figura, en el que el transistor se conecta en la configuración denominada de emisor común.

transistor emisor común.

El generador Veb asegura que la unión base-emisor esté polarizada en sentido directo. Una batería Vc (Vc >> Vbe) proporciona la tensión de polarización inversa a la unión del emisor.

El circuito de entrada, en el que se aplicará la señal que se desea amplificar, es el que contiene a la base y el emisor. El circuito de salida está conectado a las terminales del colector y del emisor. Rc es la resistencia de carga del circuito de salida.

Supondremos que, cuando la tensión de entrada es nula (terminales de entrada cortocircuitadas), las corrientes que circulan por cada terminal son Ie, Ib e I0, con los sentidos indicados en la figura.

A continuación, se calcularán cuales son los incrementos que se producen en dichas intensidades si se modifica ligeramente la tensión Web, aplicando una ddp adicional a la entrada.

En este desarrollo, se admitirá que el incremento de tensión aplicado, es lo suficientemente pequeño para que las variaciones de intensidad que provoca estén relacionadas linealmente con él.

Asimismo, se despreciarán los efectos dinámicos producidos por la aplicación de una diferencia de potencial, aplicada muy lentamente.

  1. Variación de la intensidad de salida (-I0).

    Como se muestra en la figura siguiente, la corriente de salida es -I0. Dicha intensidad tiene, tres componentes: Ipb, Ibb e Inc. Ahora bien, en un transistor polarizado en el modo activo, la corriente Ipb es muy superior a las otras dos (unas mil veces superior en el ejemplo anterior) por lo que, a efectos de cálculo de las variaciones en la intensidad del colector, es admisible suponer que:

    ecuacion I0

    Suponiendo que la variación de Veb, incremento de V, es pequeño, la variación de la corriente de salida es:

    ecuacion incremento I0

    ... y llamando transconductancia, gm, al factor I0/VT, resulta que:

    ecuacion incremento 2 I0

    La transconductancia tiene las dimensiones de una conductancia y su valor depende de la temperatura y del punto de funcionamiento. A la temperatura ambiente, gm vale unos 0.04 mOhmnios por mA de intensidad en el colector.

  2. Variación de la intensidad de entrada (-Ib)

    La corriente de base, tiene, según hemos expuesto, tres componentes: Ine, Ibb e Inc. De ellas, tan sólo las dos primeras dependen directamente de la tensión Veb. Nos limitaremos, por tanto a calcular sus variaciones.

    De las ecuaciones anteriores se deduce que:

    ecuacion incremento Ibb ecuacion incremento Ine

    Por otra parte, el término exponencial puede expresarse en función de la intentsidad del colector:

    ecuacion término exponencial

    El incremento de la corriente de base es:

    ecuacion incremento corriente base

    Denominando a todo el término entre corchetes, tendremos que:

    ecuacion incremento 2 corriente base

    El parámetro o cuantifica el efecto que, sobre la corriente de base, produce un incremento de la tensión Veb. Así al disminuir la barrera de potencial en la unión emisor-base, se produce un aumento de huecos inyectados desde el emisor, aumentando la concetración de portadores minoritarios en la base, lo que conduce a un incremento de la tasa de recombinación. Debido a ello, Ibb crece.

    Por otra parte, la disminución de la barrera de potencial antes citada, supone un incremento del número de electrones inyectados en el emisor desde la base, con lo que se produce un aumento de la corriente Ine.

  3. Variación de la tensión colector-emisor (Vce).

    La tensión colector-emisor es:

    ecuacion tensión colector-emisor

    Por tanto, si Veb se incrementa, Vce variará como:

    ecuacion incremento tensión colector-emisor

    La expresión anterior implica que el incremento de la tensión colector-emisor puede aumentar sin límite, sin más que incrementar suficientemente la resistencia de carga R0. Tal suposición no es cierta cierta ya que hay que tener presente que, en el modelo simplificado que se ha desarrollado, no se ha tenido en cuenta el efecto de la tensión de polarización inversa Vcb sobre la anchura de la base, W. Valores muy elevados de gmRm suponen una importante variación de Vcb, lo que modificaría notablemente la anchura W, no siendo válidas entonces las premisas del modelo utilizado.

  4. Ganancias de corriente y de tensión:

    Supongamos que, a la entrada del circuito de la siguiente figura, se aplica una señal alterna de pequeña amplitud, y frecuencia lo suficientemente pequeña para que puedan ser despreciados los efectos dinámicos que no han sido tenidos en cuenta en el modelo anterior.

    En estas condiciones, por el circuito de entrada circulará una corriente alterna -Ib-AIb. Es decir, sobre la corriente -Ib que existía para un incremento de tensión 0, se superpone una corriente alterna de amplitud incremento de la intensidad de base.

    De forma análoga, en el circuito de salida aparecerá una corriente alterna de amplitud igual al incremento de la intensidad de colector, superpuesta a -Ic (corriente de colector para un incremento de tensión 0).

    Se define ganancia en intensidad como:

    ecuacion ganancia en intensidad

    Obsérvese que, al ser no mucho menor que 1, la ganancia de instensidad puede tomar valores muy elevados.

    De forma análoga, se defina la ganancia de tensión como:

    ecuacion ganancia de tensión

    En definitiva, la señal de entrada, se ve amplificada tanto en intensidad como en tensión.

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Proyecto realizado por: Directoras:
Álvaro León Ruiz. Pilar Martínez Jiménez. Marta Varo Martínez.

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