1 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Dispositivos Electrónicos II CURSO 2010-11 Temas Temas 4,5 4,5 AMPLIFICACIÓN: AMPLIFICACIÓN: ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS BÁSICAS BÁSICAS Miguel Ángel Domínguez Gómez Camilo Quintáns Graña DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA UNIVERSIDAD DE VIGO ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN 2 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas INDICE INDICE DEDE-II AMPLIFICACIÓN: AMPLIFICACIÓN: ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS BÁSICAS BÁSICAS 1. AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES BIPOLARES 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. El Transistor Bipolar como Amplificador. Circuitos Equivalentes de Pequeña Señal Análisis de Amplificadores. El Amplificador en Emisor Común. El Amplificador en Colector Común (Seguidor de Emisor) El Amplificador en Base Común. El Amplificador en Emisor Común con Resistencia de Emisor. 2. AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES UNIPOLARES 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. El Transistor de Efecto de Campo como Amplificador. Circuitos Equivalentes de Pequeña Señal El Amplificador en Fuente Común El Amplificador en Drenador Común (Seguidor de Fuente) 3. AMPLIFICADORES DE VARIAS ETAPAS 3.1. Optimización de la combinación de Configuraciones. 3 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1. 1. AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON CON TRANSISTORES TRANSISTORES BIPOLARES BIPOLARES 1.1 1.1EL ELTRANSISTOR TRANSISTORBIPOLAR BIPOLARCOMO COMOAMPLIFICADOR AMPLIFICADOR Veremos Veremosque queentre entreCCyy Masa Masa aparece aparece una una versión amplificada versión amplificada de de la Tensión de Entrada la Tensión de Entrada Æ ÆAMPLIFICADOR AMPLIFICADOR Entrada: VBB + vin (t ) = RB ⋅ i B (t ) + v BE (t ) Línea de carga La línea de carga pasa a ser la línea discontinua para un valor más pequeño de vin) Pendiente Salida: VCC = RC ⋅ iC (t ) + vCE (t ) Línea de carga 4 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II EJEMPLO: VCC=10V RC=2K VBB=1.6V RB=40K vin (t ) = 0.4 ⋅ sen(2 ⋅ π ⋅ 1KHz ⋅ t ) Calcular los Valores Máximo y Mínimo y el valor del Punto Q para vCE Punto Q Calcular los valores máximo y mínimo y el valor del punto Q para vCE 0,4 0,4 0 0,5 1,0 1,2 1,5 1,6 2,0 5 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II iC=3,5mA Punto Q iCQ=2,5mA Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas iC=1,5mA Si hallamos más puntos a medida que vin varía con el tiempo: Salida: Entrada: 0,8V pico a pico 4 V pico a pico GANANCIA GANANCIAEN EN TENSIÓN: 5 (el TENSIÓN:--5 (el amplif. amplif.invierte inviertelala señal señalde deentrada) entrada) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 6 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Salida para: vin (t) = 1,2 sen(2000πt), (gran distorsión) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 ••La LaAmplificación Amplificación razonablemente razonablementeLineal Lineal ocurre en la REGIÓN ocurre en la REGIÓN ACTIVA. ACTIVA ACTIVA. ••Existe ExisteRecorte Recortecuando cuando el Punto Instantáneo el Punto Instantáneode de funcionamiento entra en funcionamiento entra en Saturación Saturaciónooen enCorte. Corte. 7 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.2 1.2CIRCUITOS CIRCUITOSEQUIVALENTES EQUIVALENTESDE DEPEQUEÑA PEQUEÑASEÑAL SEÑALDEL DELTRANSISTOR TRANSISTORBIPOLAR BIPOLAR 1.2.1.- Relaciones tensión corriente en pequeña señal (1) Corriente de base en función de vBE Como: Estamos interesados en las pequeñas señales para las cuales el valor de vbe(t) es mucho más pequeño que VT en cualquier instante. Por tanto, vbe(t) está relegado a un valor de unos pocos milivoltios. Para Si se llama rbe rbe 8 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Para variaciones de pequeña señal alrededor del punto Q, la unión base emisor del transistor se comporta como una resistencia que viene dada por la relación rbe rbe Como (2) 1.2.2.- Circuitos equivalentes de pequeña señal para el transistor bipolar (PNP y NPN) a) rbe rbe rbe 9 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II b) rbe Si se define la Transconductancia del BJT: rbe rbe rbe El Circuito Equivalente en Pequeña Señal de un Transistor Bipolar consiste en una Resistencia rbe y una Fuente de Corriente (β ib o gmvbe) Dadas la Corriente de Colector del punto Q, ICQ, y β, podemos calcular los Parámetros de Pequeña Señal: rbe 10 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.2.3. Parámetros Hibridos TRANSISTOR: dispositivo de 3 terminales Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Para estudiar su comportamiento en un circuito, se analiza como un CUADRIPOLO: I1 V1 I2 + + - - ENTRADA (2 terminales) V2 SALIDA (2 terminales) Uno de los 3 terminales deberá ser común a la ENTRADA y a la SALIDA 3 CONFIGURACIONES: (El terminal común a la E y a la S da el nombre al montaje) 11 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Análisis de Circuitos (1er curso) – TEORÍA DE CUADRIPOLOS Parámetros Hibridos: I2 12 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 3 Grupos de Parámetros Hibridos, uno por cada Configuracion (EC, BC, CC): Notación: para distinguirlos se agrega el subindice correspondiente al terminal común (e,b,c). veb vbc 12 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 3 Grupos de Parámetros Hibridos, uno por cada Configuracion (EC, BC, CC): Notación: para distinguirlos se agrega el subindice correspondiente al terminal común (e,b,c). + HABITUAL Además, generalmente: vebb vbc hhre≈0 ≈0 hhoere≈0 ≈0 oe 13 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Modelo simplificado: hie rbe hie≈rbe (=rbb’+rb’e) hfe=β hfeib 14 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.3 1.3ANÁLISIS ANÁLISISDE DEAMPLIFICADORES AMPLIFICADORES • Bajo la Condición de Funcionamiento en Pequeña Señal, Señal el Transistor se comportará como un Dispositivo Lineal. • Las Componentes de Señal de cada una de las Tensiones y Corrientes del Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Circuito Amplificador se superponen a los Valores Continuos de Polarización del Transistor en ausencia de señal. ANÁLISIS ANÁLISIS YY DISEÑO DISEÑO DE DE AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES BASADOS BASADOS TRANSISTORES: TRANSISTORES: PUEDE PUEDE SIMPLIFICARSE SIMPLIFICARSE ENORMEMENTE ENORMEMENTE EN EN SI SI SEPARAMOS SEPARAMOSEL ELCÁLCULO CÁLCULODE DELAS LASCOMPONENTES COMPONENTESCONTINUAS CONTINUASDE DE POLARIZACIÓN POLARIZACIÓN DE DE LOS LOS CÁLCULOS CÁLCULOS DE DE PEQUEÑA PEQUEÑA SEÑAL SEÑAL (Variaciones (Variaciones superpuestas superpuestas aa cada cada una una de de las las Tensiones Tensiones yy Corrientes Corrientes Continuas Continuas del del circuito circuito cuando cuando se se aplica aplica una una Señal Señal de de Entrada Entradade dePequeña PequeñaAmplitud). Amplitud). 15 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II ... , ... ... Para calcular las Componentes de Señal: NECESARIO OBTENER CIRCUITO EQUIVALENTE DEL AMPLIFICADOR EN PEQUEÑA SEÑAL: • Sustituir Fuentes de Tensión Continua por cortocircuitos. • Sustituir Fuentes de Corriente Continua por circuitos abiertos. • Sustituir Transistor por Circuito Equivalente. 16 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Los Los MODELOS MODELOS EQUIVALENTES EQUIVALENTES DE DE PEQUEÑA PEQUEÑA SEÑAL SEÑAL HACEN HACEN QUE QUE EL EL ANÁLISIS ANÁLISISDE DEUN UNAMPLIFICADOR AMPLIFICADORBasado Basadoen enTransistores Transistoresse seconvierta convierta en enun unPROCESO PROCESOSISTEMÁTICO: SISTEMÁTICO: 1. Determinar Punto de Trabajo Q en ausencia de señal. 2. A partir de las Especificaciones del Transistor (Fabricante: hojas de Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas características) y de Q Æ Calcular el valor de los Parámetros del Modelo Equivalente de Pequeña Señal del Transistor. 3. 4. Eliminar las Fuentes de Polarización: • Sustituir Fuentes de Tensión Continua por cortocircuitos. • Sustituir Fuentes de Corriente Continua por circuitos abiertos. Reemplazar el Transistor por uno de sus Modelos Equivalentes de Pequeña Señal. 5. Analizar el Circuito Equivalente de Pequeña Señal resultante para determinar los parámetros del Amplificador (Ej: Ganancia en Tensión, Resistencia de Entrada, etc.) 17 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.4 1.4EL ELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENEMISOR EMISORCOMÚN. COMÚN. Io Nota: Circuito Básico (polarización simplificada para caracterizar el comportamiento del transistor). Ii Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Vi VBB Análisis AC: Circuito Equivalente de Pequeña Señal Vo 18 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Expresión válida ∀ transistor y ∀ montaje Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas En el caso de E.C.: 18 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Expresión válida ∀ transistor y ∀ montaje Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas En el caso de E.C.: 19 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.5 1.5EL ELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENCOLECTOR COLECTORCOMÚN COMÚN(SEGUIDOR (SEGUIDORDE DEEMISOR) EMISOR) Nota: Circuito de polarización simplificado para caracterizar únicamente el comportamiento del transistor Ii Io Vi Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Vo VBB Circuito Equivalente de pequeña señal: 20 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Circuito Equivalente de pequeña señal: Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II ≈1 Como Ro << Ri 20 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Circuito Equivalente de pequeña señal: Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II ≈1 Como Ro << Ri 21 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.6. 1.6.EL ELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENBASE BASECOMÚN COMÚN Circuito Equivalente de pequeña señal: Ejercicio 22 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.7. 1.7.EL ELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENEMISOR EMISORCOMÚN COMÚNCON CONRESISTENCIA RESISTENCIADE DEEMISOR. EMISOR. Nota: Circuito de polarización simplificado para caracterizar únicamente el comportamiento del transistor En =f(hfe hfe). ). Av Enlalaconfiguración configuraciónen enE.C., E.C.,Av=f( Av=f(hfe). Io SI SISE SEINTRODUCE INTRODUCEUNA UNARe ReEN ENEL ELEMISOR, EMISOR,AAVVPASA PASAAA SER INDEPENDIENTE DE h . fe . SER INDEPENDIENTE DE h fe Ii Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Vo ASÍ ASÍSE SECONSIGUE CONSIGUEESTABILIZAR ESTABILIZARLA LAGANANCIA GANANCIAEN EN TENSIÓN TENSIÓNDEL DELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOR Vi La ganancia en tensión es menor que en E.C. pero más estable. 23 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES ALTA ALTA ALTA BAJA ≈1 MEDIA AUMENTA ALTA BAJA ALTA ESTABILIZADA BAJA ALTA ≈1 MUY ALTA MUY ALTA BAJA MUY ALTA 23 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES ALTA ALTA ALTA A BAJA ≈1 MEDIA AUMENTA ALTA A BAJA ALTA ESTABILIZADA BAJA B ALTA ≈1 MUY ALTA MUY ALTA Configuración Configuraciónen enE.C. E.C. • Amplificador inversor • Permite obtener simultáneamente Ganancias de Tensión y de Corriente superiores a la unidad. • Es la más utilizada BAJA B MUY ALTA 24 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES ALTA ALTA ALTA BAJA ≈1 MEDIA AUMENTA ALTA BAJA ALTA ESTABILIZADA BAJA ALTA ≈1 MUY ALTA MUY ALTA BAJA MUY ALTA • Configuración Configuraciónen enC.C. C.C. Amplificador no inversor • AI es aproximadamente igual que en E.C (en módulo) • AV es menor que la unidad • Ri es la mayor • Ro es la menor • BUFFER DE TENSIÓN (Adaptación de impedancias cuando RS>>RL, información en forma de tensión). 25 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II CARACTERÍSTICAS AMPLIFICADORAS DE LAS DISTINTAS CONFIGURACIONES ALTA ALTA ALTA BAJA ≈1 MEDIA AUMENTA ALTA BAJA ALTA ESTABILIZADA BAJA ALTA ≈1 MUY ALTA MUY ALTA BAJA MUY ALTA Configuración Configuraciónen enB.C. B.C. • Amplificador no inversor • AI es algo menor que la unidad • AV igual que en EC (en módulo) • Ri es la menor de las tres • Ro es ∞, como en EC • BUFFER DE CORRIENTE (Adaptación de impedancias cuando RS<<RL, información en forma de corriente) 26 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.8. 1.8.CIRCUITOS CIRCUITOSAMPLIFICADORES AMPLIFICADORES“REALES” “REALES”(con (conautopolarización) autopolarización) 1 - EMISOR COMÚN: ii Circuito equivalente en pequeña señal a frecuencias medias io hie hfeib 26 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 1.8. 1.8.CIRCUITOS CIRCUITOSAMPLIFICADORES AMPLIFICADORES“REALES” “REALES”(con (conautopolarización) autopolarización) 1 - EMISOR COMÚN: ii io EJERCICIO: obtener las expresiones de Ai, Ri, Av, Ro, Avs. Circuito equivalente en pequeña señal a frecuencias medias hie hfeib 27 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Circuito equivalente utilizado para hallar Z0 hie hfeib 28 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 2 – SEGUIDOR DE EMISOR: EJERCICIO: obtener las expresiones de Ai, Ri, Av, Ro, Avs. Circuito equivalente en pequeña señal a frecuencias medias hie ie=(1+hfe)ib hfeib 29 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II Circuito equivalente utilizado para hallar la impedancia de salida Z0 hie ie=(1+hfe)ib hfeib 30 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON BJTS BJTS CON DEDE-II 3 – BASE COMÚN: EJERCICIO: obtener las expresiones de Ai, Ri, Av, Ro, Avs. 31 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2. 2. AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON CON TRANSISTORES TRANSISTORES DE DE EFECTO EFECTO DE DE CAMPO CAMPO 2.1. 2.1. EL ELTRANSISTOR TRANSISTORDE DEEFECTO EFECTODE DE CAMPO COMO AMPLIFICADOR CAMPO COMO AMPLIFICADOR sen vGS (t ) = vin (t ) + VGG VDD = RD ⋅ i D (t ) + v DS (t ) Amplificador NMOS sencillo: Línea de carga IDmax=16mA IDQ=9mA IDmin=4mA Punto Q 32 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II Aparentemente, GANANCIA EN TENSIÓN: -6 (el 12Vpp amplif. invierte la señal de entrada) La forma de onda de salida no es senoidal simétrica como la de la entrada: VDSQ=11V, y VDSmax=16V, VDSmin=4V Salida Salidamayor mayorque que la entrada, pero la entrada, pero DISTORSIONADA DISTORSIONADA DISTORSIÓN: DISTORSIÓN: debida debida aa que que las las curvas curvas características características del del FET FET no no son son equidistantes. equidistantes. Si MENOR Sise seaplicara aplicarauna unaAMPLITUD AMPLITUDDE DEENTRADA ENTRADAMUCHO MUCHOMENOR, MENOR,tendríamos tendríamos una INAPRECIABLE una AMPLIFICACIÓN AMPLIFICACIÓN CON CON DISTORSIÓN DISTORSIÓN INAPRECIABLE, INAPRECIABLE, pues pues las las curvas curvasestán estándistanciadas distanciadasde deuna unamanera maneramás másuniforme uniformesisise seconsidera considerauna una región ÑA SE ÑAL. AL regiónmás másrestringida restringidade delas lascurvas curvascaracterísticas características⇒ ⇒PEQUE PEQUEÑA SEÑAL. 33 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2.2. 2.2. CIRCUITOS CIRCUITOSEQUIVALENTES EQUIVALENTESDE DE PEQUEÑA PEQUEÑASEÑAL SEÑAL Análisis gráfico: difícil para amplificadores reales. A continuación desarrollaremos un circuito equivalente lineal en pequeña señal para el FET, que nos permitirá utilizar técnicas de análisis matemático en lugar del análisis gráfico. Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Transistor polarizado en zona saturación: Como: Y además estamos interesados en las condiciones de pequeña señal para las cuales vgs2(t) es muy pequeño y se puede despreciar. (Suponemos que ( v gs (t ) << VGSQ − Vto ) ) Si se define la transconductancia del transistor como: Como la corriente de puerta es despreciable: 34 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II Para Pequeña Señal los Transistores Para Pequeña Señal los Transistores Unipolares Unipolares pueden pueden modelarse modelarse como como una una Fuente Fuente de de Corriente Corriente Controlada Controlada por por Tensión entre D y S. Tensión entre D y S. 2.2.1. Dependencia de la Transconductancia respecto al Punto Q y los Parámetros del Dispositivo. Despejando en y sustituyendo los resultados en se obtiene: Se m Se puede puede incrementar incrementar gg m eligiendo un valor más eligiendo un valor más . elevado elevadode deIIDQ DQ. 35 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II ⎛ W ⎞ KP ⎟⋅ ⎝L ⎠ 2 Como K = ⎜ W = anchura del canal L = longitud del canal (valor mínimo limitado por el proceso de fabricación) KP = µn ⋅ C ox : parámetro dependiente del proceso de fabricación del transistor. (µn = movilidad superficial de los electrones en el canal; Cox= capacidad de puerta por unidad de área, que depende a su vez de la anchura del óxido tox) Se Sepuede puedeobtener obtenervalores valoresmayores mayoresde deggmmincrementando incrementandola la relación relación anchura-longitud anchura-longitud del del canal canal del del MOSFET. MOSFET. Se Se obtiene obtieneuna unatransconductancia transconductanciaalta altaaacosta costadel delárea áreadel delCI. CI. 36 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2.2.2. Circuito equivalente más complejo En el modelo anterior se supone que las características de drenador son horizontales en la región de saturación, pero eso no es del todo cierto: Las curvas características de drenador tienen una pendiente ligeramente ascendente respecto a vDS. Para tener en cuenta este efecto: AÑADIR UNA RESISTENCIA rD llamada RESISTENCIA DE DRENADOR entre D y S 37 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2.3. 2.3. EL ELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENFUENTE FUENTECOMÚN COMÚN EL AMPLIFICADOR EN DRENADOR EL AMPLIFICADOR EN DRENADORCOMÚN COMÚN(SEGUIDOR (SEGUIDORDE DEFUENTE) FUENTE) Circuito equivalente de pequeña señal Si y vo=vo1: FUENTE COMÚN SiRRs=0 s=0 y vo=vo1: FUENTE COMÚN Si SiRRdd=0 =0yyvvoo=v =vo2o2::DRENADOR DRENADORCOMÚN COMÚN 37 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2.3. 2.3. EL ELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENFUENTE FUENTECOMÚN COMÚN EL AMPLIFICADOR EN DRENADOR EL AMPLIFICADOR EN DRENADORCOMÚN COMÚN(SEGUIDOR (SEGUIDORDE DEFUENTE) FUENTE) Circuito equivalente de pequeña señal Si y vo=vo1: FUENTE COMÚN SiRRs=0 s=0 y vo=vo1: FUENTE COMÚN Si SiRRdd=0 =0yyvvoo=v =vo2o2::DRENADOR DRENADORCOMÚN COMÚN 37 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2.3. 2.3. EL ELAMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENFUENTE FUENTECOMÚN COMÚN EL AMPLIFICADOR EN DRENADOR EL AMPLIFICADOR EN DRENADORCOMÚN COMÚN(SEGUIDOR (SEGUIDORDE DEFUENTE) FUENTE) Circuito equivalente de pequeña señal Si y vo=vo1: FUENTE COMÚN SiRRs=0 s=0 y vo=vo1: FUENTE COMÚN Si SiRRdd=0 =0yyvvoo=v =vo2o2::DRENADOR DRENADORCOMÚN COMÚN FACTOR DE AMPLIFICACIÓN 38 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II y vo=vo1) (1) ((Rs=0 (1)FUENTE FUENTECOMÚN COMÚN(R s=0 y vo=vo1) Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Circuito equivalente visto desde Drenador: - µ·vi Rd + Circuito equivalente de pequeña señal 39 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II y vo=vo2) (2) ((Rd=0 (2)DRENADOR DRENADORCOMÚN COMÚN(R d=0 y vo=vo2) Circuito equivalente de pequeña señal Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas Circuito equivalente visto desde Fuente: + Rs - (Si µ >> 1) Por este motivo, se denomina SEGUIDOR DE FUENTE Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON 40 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DEDE-II 41 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2.4. 2.4. AMPLIFICADOR AMPLIFICADOREN ENFUENTE FUENTECOMÚN COMÚN(con (concircuito circuitode deautopolarización) autopolarización) EJERCICIO: obtener las expresiones de Av, Ri, Ro, Ai, Avs. Circuito equivalente en pequeña señal para el amplificador en fuente común Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON 42 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DEDE-II Circuito utilizado para calcular RO 43 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II 2.5. 2.5. SEGUIDOR SEGUIDORDE DEFUENTE FUENTE(con (concircuito circuitode deautopolarización) autopolarización) EJERCICIO: obtener las expresiones de Av, Ri, Ro, Ai, Avs. 44 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES CON FETS FETS CON DEDE-II Circuito equivalente en pequeña señal alterna para el seguidor de fuente. Circuito equivalente utilizado para hallar la resistencia de salida del seguidor de fuente. 45 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES MULTIETAPA MULTIETAPA DEDE-II 3. 3. AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES DE DE VARIAS VARIAS ETAPAS ETAPAS En aplicaciones reales se hace necesario el acoplamiento de varias etapas: • Para obtener una amplificación mayor. • Para una correcta adaptación de impedancias si la impedancia de entrada o salida de una sola etapa no es la adecuada Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas De forma general: AMPLIFICADOR MULTIETAPA UTILIZANDO MODELOS EQUIVALENTES DE TENSIÓN TENSIÓN 0 0 0 0 0 0 46 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES MULTIETAPA MULTIETAPA DEDE-II AMPLIFICADOR MULTIETAPA UTILIZANDO MODELOS EQUIVALENTES DE CORRIENTE CORRIENTE 0 0 0 0 0 0 47 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES MULTIETAPA MULTIETAPA DEDE-II 3.1. 3.1. OPTIMIZACIÓN OPTIMIZACIÓNDE DELA LACOMBINACIÓN COMBINACIÓNDE DECONFIGURACIONES CONFIGURACIONES Los montajes pueden ser en EC, BC, CC o combinación. En general, al acoplar varias etapas se busca un aumento en la ganancia de tensión. En una cadena amplificadora se distinguen: • Etapa de entrada • Etapas intermedias • Etapa de salida (1) ETAPAS INTERMEDIAS • No se utiliza una configuración en CC porque Av<1. • No se utiliza una configuracíón en BC porque Av de varias etapas de este tipo acopladas es menor que la última: AV = AI ⋅ RL RL ≅ < 1 si Ri = Ri +1 ya que RL = RC //Ri Ri Ri • Por el contrario, en una etapa en EC: AV = h fe ⋅ RL > 1 porque h fe >> 1 Ri En Enun unamplificador amplificadorde devarias variasetapas etapaslas lasintermedias intermedias utilizan configuraciones en EC utilizan configuraciones en EC 48 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES MULTIETAPA MULTIETAPA DEDE-II (2) ETAPA DE ENTRADA Su elección se realiza en función del generador conectado a la entrada: • Si el generador es de tensión: (necesaria Zi alta) Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas • Si el generador es de corriente: Entrada Entradaen enCC CC Montaje Montajecon conFET FET(DC, (DC,FC) FC) Entrada Entradaen enBC BC (necesaria Zi baja) (3) ETAPA DE SALIDA Se selecciona en función de la impedancia de carga • Si RL baja impedancia, e información codificada en forma de tensión: Salida Salidaen enCC CC (necesaria Zo baja) • Si RL alta impedancia, e información codificada en forma de corriente: (necesaria Zo alta) Salida Salidaen enBC BC 49 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DEDE-II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL 4. 4. ANÁLISIS ANÁLISIS EN EN PEQUEÑA PEQUEÑA SEÑAL SEÑAL OBSERVACIONES OBSERVACIONES 1 - DIBUJO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE EN PEQUEÑA SEÑAL 1. Sustituir fuentes de tensión continua por cortocircuitos. 2. Sustituir fuentes de corriente continua por circuitos abiertos. 3. Sustituir condensadores de acoplo y de desacoplo por cortocircuitos cuando se desee un análisis a frecuencias medias. Nota: Para hallar expresiones para la ganancia o la impedancia en función de la frecuencia, o hacer un análisis en régimen transitorio, deberían incluirse los condensadores en el circuito equivalente. 4. Sustituir transistor por circuito equivalente. 5. Si circuito tiene varios transistores, se utilizarán subíndices para distinguir las corrientes y los parámetros de los diferentes transistores. 50 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL DEDE-II ••Vale Vale la la pena pena prestar prestar atención atención al al dibujar dibujar el el circuito circuito equivalente: equivalente: Analizar Analizar un un circuito circuito equivalente equivalente incorrecto incorrecto es es una una pérdida pérdidade detiempo tiempoyyde deesfuerzo. esfuerzo. COMPROBAR COMPROBAR BIEN BIEN EL EL CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTE EQUIVALENTE ANTES ANTES DE DEESCRIBIR ESCRIBIRLAS LASECUACIONES ECUACIONES¡!¡! •• Puede Puedeque queresulte resulteconveniente convenientedividir dividiren envarios variospasos pasoseleldibujo dibujo de delos loscircuitos circuitosequivalentes equivalentesen enpequeña pequeñaseñal. señal. En Enprimer primerlugar, lugar,se sehacen hacenlos loscambios cambiosnecesarios necesariosyydespués, después,sisi se se quiere, quiere, se se vuelve vuelve aa dibujar dibujar elel circuito circuito para para simplificar simplificar elel trazado. trazado. 51 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL DEDE-II 2. IDENTIFICACIÓN DE LAS VARIABLES DE INTERÉS DEL CIRCUITO Una vez finalizado el circuito equivalente en pequeña señal, trataremos de hallar expresiones para las ganancias e impedancias que sean de interés. En primer lugar, identificaremos las corrientes y tensiones pertinentes Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas y las señalaremos en el circuito equivalente. Ejemplo: • Para hallar la ganancia de tensión, las variables pertinentes son la tensión de entrada vi y la tensión de salida vo. • Para la impedancia de entrada, lo que nos interesa son vi y la corriente de entrada ii. 52 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL DEDE-II 3. CALCULO DE LA RESISTENCIA DE SALIDA La resistencia de salida es la resistencia de Thevenin del amplificador. Para hallar la resistencia de salida: • Quitamos la carga • Ponemos a cero el valor de las fuentes de señal independientes (sustituir las fuentes de tensión por cortocircuitos, y las fuentes de corriente por circuitos abiertos). Las fuentes dependientes, como la fuente controlada de corriente del transistor equivalente, no se ponen a cero. • Miramos desde los terminales de salida para hallar la resistencia. • A menudo es conveniente agregar una fuente de tensión de prueba Vx a los terminales de salida para hallar la resistencia de salida del seguidor de emisor. La resistencia de salida viene dada por la relación entre Vx e ix . 53 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL DEDE-II 4. ESCRITURA DE LAS ECUACIONES DEL CIRCUITO Tras dibujar el circuito equivalente en pequeña señal e identificar las variables de tensión o corriente pertinentes, utilizamos el análisis de circuitos para escribir las ecuaciones. Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas • A menudo es necesario incluir corrientes o tensiones adicionales en las ecuaciones. Ejemplo: Para hallar la resistencia de salida del seguidor de emisor, queríamos calcular la relación entre Vx e ix pero al escribir las ecuaciones, incluimos una corriente adicional ib. • Tras escribir el conjunto de ecuaciones de circuito adecuadas, despejaremos para eliminar las corrientes y tensiones no deseadas, hasta que tengamos una ecuación que relacione las dos variables de interés. 54 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL DEDE-II Si el circuito es bastante complejo, es una buena idea asegurarse de que se ha escrito un conjunto de ecuaciones correcto antes de eliminar las variables que no se desean: - Supongamos que contamos las variables no deseadas, y llamamos a Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas ese numero N. Como necesitamos una ecuación para eliminar cada una de las variables no deseadas, y como necesitamos dar con una ecuación que relacione las dos variables de interés, necesitaremos un total de N + 1 ecuaciones independientes. - Hay que asegurarse de que las ecuaciones no son dependientes: a veces puede que escribamos la misma ecuación de diferente manera sin darnos cuenta. 55 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DEDE-II OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL 5. CALCULO Y COMPROBACIÓN DE LA EXPRESIÓN BUSCADA Una vez que hemos escrito un numero suficiente de ecuaciones independientes, se utilizan técnicas algebraicas simples para eliminar las variables de circuito no deseadas y hallar la expresión buscada. Si, en este proceso, la sustitución da lugar a la cancelación de todos los términos Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas (con lo que nos quedaría 0 = 0), es que hemos escrito ecuaciones dependientes y hemos de volver a escribir ecuaciones adicionales. 6. COMPROBACIÓN DE LAS UNIDADES Tras haber hallado una expresión para la ganancia o la impedancia, es buena idea comprobar si las unidades de la expresión hallada son las correctas: • Ganancia de tensión o corriente: no debería tener unidades. • Impedancia de entrada o salida: debería estar en ohmios. En el caso de que las unidades no fueran las que esperábamos, deberíamos buscar algún error al escribir la ecuación original o algún error algebraico. 56 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II Tema 4,5: Amplificación: Estructuras Básicas OBSERVACIONES OBSERVACIONES AL ANALISIS ANALISIS AC AC AL DEDE-II EL EL ANÁLISIS ANÁLISIS DEL DEL CIRCUITO CIRCUITO EQUIVALENTE EQUIVALENTE DE DE PEQUEÑA PEQUEÑA SEÑAL SEÑAL NO NO ES ES TAN TAN PROBLEMÁTICO PROBLEMÁTICO COMO COMO PARECE PARECE EN EN ESTA ESTA EXPLICACIÓN. EXPLICACIÓN. SE SE HAN HAN INTENTADO INTENTADO MENCIONAR MENCIONAR TODOS TODOS LOS LOS PROBLEMAS PROBLEMAS QUE QUE SE SE ENCUENTRAN ENCUENTRAN COMÚNMENTE COMÚNMENTE CON CON ESTA ESTA TÉCNICA, TÉCNICA, PARA PARAQUE QUENO NODESPERDICIEIS DESPERDICIEISMUCHO MUCHOTIEMPO TIEMPOSI SITROPEZAIS TROPEZAIS CON CONELLOS. ELLOS.