FORMULAS PARA CALCULAR LA GANANCIA (Tres configuraciones)

Emisor Comun

La configuración de transistores que se encuentra con mayor frecuencia se muestra en la figura 2.13 para los transistores pnp y npn. Se denomina configuración de emisor común porque el emisor es común tanto a las terminales de entrada como a las de salida (en este caso, es también común a las terminales de la base y del colector). De nuevo se necesitan dos conjuntos de características para describir en forma completa el comportamiento de la configuración de emisor común: una para la entrada o circuito de la base y una para la salida o circuito del colector.

Símbolo y notación del transistor NPN en configuración de Emisor común.

  Símbolo y notación del transistor PNP en configuración de Emisor común.

  Características del colector  un transistor BJT de Silicio en la configuración de emisor común.

  Características de la base un transistor BJT de Silicio en la configuración de emisor común.

Las corrientes del emisor, colector y la base se muestran en su dirección de comente convencional real. Aun cuando la configuración del transistor ha cambiado, siguen siendo aplicables las relaciones de comentes desarrolladas antes para la configuración de base común.

En la configuración de emisor común las características de la salida serán una gráfica de la corriente de salida (I_C) versus el voltaje de salida (V_CE) para un rango de valores de la corriente de entrada (I_B). Las características de la entrada son una gráfica de la comente de entrada (I_B) versus el voltaje de entrada (V_BE ) para un rango de valores del voltaje de salida (V_CE).

Obsérvese que en las características  la magnitud de I_B es del orden de microamperes comparada con los miliamperes de I_C. Nótese también que las curvas de I_B no son tan horizontales como las que se obtuvieron para I_E en la configuración de base común, lo que indica que el voltaje de colector a emisor afectará la magnitud de la corriente de colector.

La región activa en la configuración de emisor común es aquella parte del cuadrante superior derecho que tiene la linealidad mayor, esto es, la región en la que las curvas correspondientes a I_B son casi líneas rectas y se encuentran igualmente espaciadas. En la figura 3.14a esta región se localiza a la derecha de la línea sombreada vertical en V_CEsat por encima de la curva para I_B igual a cero. La región a la izquierda de V_CEsat se denomina región de saturación. En la región activa de un amplificador emisor común la unión colector-base está polarizada inversamente, en tanto que la unión base-emisor está polarizada directamente.

Se recordará que éstas fueron las mismas condiciones que existieron en la región activa de la configuración de base común. La región activa de la configuración de emisor común puede emplearse en la amplificación de voltaje, corriente o potencia.

La región de corte en la configuración de emisor común no está tan bien definida como en la configuración de base común. Nótese, en las características de colector de la figura 3.14a que I_C no es igual a cero cuando I_B = 0. En la configuración de base común, cuando la corriente de entrada I_E = 0, la corriente de colector fue sólo igual a la corriente de saturación inversa I_CO, por lo que la curva I_E = 0 y el eje de voltaje fueron (para todos los propósitos prácticos) uno.

La razón de esta diferencia en las características del colector puede obtenerse mediante la manipulación adecuada de las ecuaciones (2.3) y (2.6). Es decir:

Ecuación (2.6): I_C = a I_E + I_CBO   

La sustitución de la  Ecuación (2.3): I_C = a ( I_C + I_B) + I_CBO  

Reordenando obtenemos:

     

Si consideramos el caso discutido anteriormente, donde I_B = 0 A, y sustituimos un valor típico de a tal como 0.996, la corriente de colector resultante es la siguiente:

  

Si I_CBO fuera de 1 mA, la corriente de colector resultante con I_B = 0 Amp sería de 250(1 mA) = 0.25 mA, .

Para referencia futura, a la corriente de colector definida por la condición I_B = 0 mA se le asignará la notación indicada por la ecuación:

   

Las condiciones que envuelven a esta corriente definida nuevamente se muestran con su dirección de referencia asignada.

Condiciones del circuito relativas a I_CEO.

Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión) el corte para la configuración de emisor común se determinará mediante I_C = I_CEO.

En otras palabras, la región por debajo de I_B = 0 uA deberá evitarse si se requiere una señal de salida sin distorsión.

Cuando el transistor se emplea como interruptor en la circuitería lógica de una computadora, un transistor tendrá dos puntos de operación de interés: uno en el corte y el otro en la región de saturación. La condición de corte, en el caso ideal, sería I_C = 0 mA para el voltaje V_CE elegido. Puesto que I_CEO  es por lo general de pequeña magnitud para los materiales de silicio, el corte existirá para propósitos de conmutación cuando I_B = 0 mA o I_C = I_CEO únicamente en el caso de transistores de silicio. En los transistores de germanio, sin embargo, el corte para propósitos de conmutación se definirá como aquellas condiciones que existen cuando I_C = I_CBO. Esta condición puede obtenerse normalmente en los transistores de germanio polarizando inversamente la unión de base emisor, polarizada por lo regular en forma directa a unos cuantos décimos de volt.

Recuérdese para la configuración de base común que el conjunto de características de entrada se aproximó por una línea recta equivalente que resultó en V_BE = 0.7 V para cualquier nivel de I_E mayor de 0 mA. Para la configuración de emisor común puede tomarse la misma aproximación..

Beta(b )

En el modo de cd los niveles de I_C e I_B se relacionan por una cantidad denominada beta y definida por la siguiente ecuación:

b CD = I_C / I_B   

El nombre formal para la b CA es factor de amplificación de corriente directa de emisor común. Puesto que la corriente de colector es por lo general la corriente de salida para una configuración de emisor común y la corriente de base es la corriente de entrada, el término amplificación se incluye en la nomenclatura anterior.

Aunque no son exactamente iguales, los niveles de b CA, y de b CD están por lo general razonablemente cercanos y con frecuencia se utilizan en forma intercambiable.

Se puede desarrollar una relación entre b y a empleando las relaciones básicas presentadas con anterioridad. Utilizando b = I_C /I_B obtenemos I_B = I_C / b , y de a = I_C/I_E tenemos que I_E = I_C / a Sustituyendo en:

I_E = I_C + I_B  

I_C/a = I_C + (I_C /b )  

y dividiendo ambos lados de la ecuación por I_C resultará en

I_C / a = 1 + (1 / b )   

de modo que

  

encontramos que:

I_CEO = (b + 1) I_CBO  

I_CEO ≈ b I_CBO  

 La beta es un parámetro particularmente importante porque proporciona un enlace directo entre niveles de corriente de los circuí Los de entrada y salida para una configuración de emisor común. Es decir,

I_C ≈ b I_B   

Y puesto que

I_E = I_C + I_B 

= b I_B + I_B   

I_C = (b + 1) I_B 

_{Base Comun}

La notación y símbolos que se usan en conjunto con el transistor en la mayor parte de los textos y manuales que se publican en la actualidad, para la configuración de base común con transistores PNP y NPN .  La terminología relativa a base común se desprende del hecho de que la base es común a los lados de entrada y salida de la configuración. Además, la base es usualmente la terminal más cercana o en un potencial de tierra. A lo largo de estos apuntes todas las direcciones de corriente se referirán a la convencional (flujo de huecos) en vez de la correspondiente al flujo de electrones. Esta elección se fundamenta principalmente en el hecho de que enorme cantidad de literatura disponible en las instituciones educativas y empresariales hace uso del flujo convencional, de que las flechas en todos los símbolos electrónicos tienen una dirección definida por esta convención. Recuérdese que la flecha en el símbolo del diodo define la dirección de conducción para la corriente convencional. Para el transistor:

La flecha del símbolo gráfico define la dirección de la corriente de emisor (flujo convencional) a través del dispositivo.

Notación y símbolos en la configuración de base común.

Todas las direcciones de corriente  son las direcciones reales, como se definen con base en la elección del flujo convencional. Nótese en cada caso que:

 I_E = I_C + I_B   

 También adviértase que la polarización aplicada (fuentes de voltaje) es de modo que se establezca la corriente en la dirección indicada para cada rama. Es decir, compárese la dirección de I_E con la polaridad o V_EE para cada configuración y la dirección de I_C con la polaridad de I_CC.

Para describir por completo el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, tales como los amplificadores de base común , se requiere de dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada o punto de manejo y el otro para el lado de salida. El conjunto de entrada para el amplificador de base común, relacionará una corriente de entrada (I_E) con un voltaje de entrada (V_BE ) para varios niveles de voltaje de salida (V_CB)

Características del punto de excitación para un transistor amplificador de silicio de base común.

El conjunto de salida relacionará una corriente de salida (I_C) con un voltaje de salida V_CB para diversos niveles de corriente de entrada (I_E). El conjunto de características de salida o colector tiene tres regiones básicas de interés: Las regiones Activa, de Corte y de Saturación. La región activa es la región empleada normalmente para amplificadores lineales (sin distorsión). En particular: En la región activa la unión colector-base está inversamente polarizada, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada en forma directa.

La región activa se define por los arreglos de polarización. En el extremo más bajo de la región activa la corriente de emisor (I_E) es cero, la corriente de colector es simplemente la debida a la corriente inversa de saturación I_CO . La corriente I_CO es tan pequeña (del orden de microamperios) en magnitud comparada con la escala vertical de I_C (del orden de los miliamperios), que aparece virtualmente sobre la misma línea horizontal que I_C = 0.

Características de salida, del colector, para un amplificador de base común.

Las condiciones del circuito que existen cuando I_E = 0 para la configuración base común s. La notación usada con más frecuencia para I_CO, en hojas de datos y de especificaciones es I_CBO . A causa de las técnicas mejoradas de construcción, el nivel de I_CBO para transistores de propósito general (especialmente silicio) en los intervalos de potencia bajo y medio es por lo general tan reducido que su efecto puede ignorarse. Sin embargo, para unidades de mayor potencia I_CBO aún aparecerá en el intervalo de los microamperios. Además, recuérdese que I_CBO para el diodo (ambas corrientes inversas de fuga) es sensible a la temperatura. A mayores temperaturas el efecto de I_CBO puede llegar a ser un factor importante ya que se incrementa muy rápidamente con la temperatura.

Corriente inversa de saturación.

Nótese, que conforme la corriente del emisor aumenta sobre cero, la corriente del colector aumenta a una magnitud esencialmente igual a la corriente del emisor determinada por las relaciones básicas del transistor-corriente. Adviértase también el casi desdeñable efecto de V_CB sobre la corriente del colector para la región activa. Las curvas indican claramente que una primera aproximación a la relación entre I_E e I_C en la región activa dada:

I_C » I_E    

Como se deduce de su nombre, la región de corte se define como aquella región donde la corriente de colector es de 0 A. En suma:

En la región de corte ambas uniones, colector-base y base-emisor, de un transistor están inversamente polarizadas.

La región de saturación se define como la región de las características a la izquierda de V_CB = 0 V. La escala horizontal en esta región se amplió para mostrar claramente el gran cambio en las características de esta región. Nótese el incremento exponencial en la comente de colector a medida que el voltaje V_CB se incrementa más allá de los 0 V.

En la región de saturación las uniones colector-base y base-emisor están polarizadas directamente.

Las características de entrada  muestran que para valores fijos de voltaje de colector (V_CB), a medida que el voltaje de base a emisor aumenta, la corriente de emisor se incrementa de una manera que se asemeja mucho a las características del diodo. De hecho, los niveles de aumento de V_CB tienen un efecto tan insignificante sobre las características que, como una primera aproximación, la variación debida a los cambios en V_CB puede ignorarse y se dibujan las características.

  Modelo del diodo Base-Emisor.

Si aplicamos entonces el método del modelo de segmentos lineales del diodo ideal, se obtendrán las características. Adelantando un paso más e ignorando la pendiente de la curva y por tanto la resistencia asociada con la unión directamente polarizada, se obtendrán las características. Para los siguientes análisis en estos apuntes, el modelo equivalente de la figura 2.l0c se empleará para todos los análisis de cd para redes de transistores. Es decir, una vez que el transistor está en el estado "encendido" o de conducción, se supondrá que el voltaje de base a emisor será el siguiente:

V_BE = 0.7 V                      

 Alfa (a )

En el modo de cd los niveles de I_C e I_E debidos a los portadores mayoritarios están relacionados

por una cantidad denominada alfa y que se define por medio de la siguiente ecuación:

a cd = I_C / I_E                  

donde I_C e I_E  son los niveles de corriente al punto de operación. Aun cuando las características de la figura 2.8 parecen sugerir que a = 1, para dispositivos prácticos el nivel de alfa se extiende típicamente de 0.90 a 0.998, aproximándose la mayor parte al extremo superior del intervalo. Ya que alfa se define únicamente por los portadores mayoritarios, la ecuación se convierte en:

I_C = a I_E + I_CBO                  

Para las características cuando I_E = 0 mA, I_C es por tanto igual a I_CBO, pero como se mencionó con anterioridad el nivel de I_CBO es por 1o general tan pequeño que es virtualmente indetectable en la gráfica. En otras palabras, cuando I_E = 0 mA , I_C aparece también con 0 mA para el intervalo de valores de V_CB.

Para las situaciones de CA en donde el punto de operación se mueve sobre la curva de características, un alfa de CA se define por

             

El alfa de CA se denomina formalmente el factor de amplificación de base común en corto circuito, por razones que serán obvias cuando examinemos los circuitos equivalentes de transistor. Por el momento, admitamos que la ecuación especifica que un cambio relativamente pequeño en la corriente de colector se divide por el cambio correspondiente en I_E manteniendo constante el voltaje colector a base. Para la mayoría de las situaciones las magnitudes de a CA y de a CD se encuentran bastante cercanas, permitiendo usar la magnitud de una por otra.

Polarización

La polarización adecuada de la base común puede determinarse rápidamente empleando la aproximación I_C » I_E y suponiendo por el momento que I_B » 0 mA.   El resultado es la configuración  para el transistor PNP. La flecha del símbolo define la dirección del flujo convencional para I_C » I_E. Las alimentaciones de CD se insertan entonces con una polaridad que sostendrá la dirección de la comente resultante. En el transistor NPN las polaridades estarán invertidas.

Polarización en la región activa.

A algunos estudiantes les parece que pueden recordar si la flecha del símbolo del dispositivo apunta hacia afuera haciendo corresponder las letras del tipo de transistor con las letras apropiadas de las frases "apuntando hacia adentro" o "apuntando hacia afuera".

ACCION AMPLIFICADORA DEL TRANSISTOR

Ahora que se ha establecido la relación entre I_C e I_E, la acción básica de amplificación del transistor se puede introducir en un nivel superficial utilizando la red. La polarización de CD no aparece en la figura puesto que nuestro interés se limitará a la respuesta de CA. Para la configuración de base común, la resistencia de entrada de CA determinada por las características es bastante pequeña y varía típicamente de 10 a 100 ohms. La resistencia de salida determinada por las curvas es bastante alta (cuanto más horizontal esté la curva mayor será la resistencia) y varía normalmente de 50 Kohms a 1 Mohm, La diferencia en resistencia se debe a la unión polarizada directamente en la entrada (base a emisor) y la unión polarizada inversamente en la salida (base a colector). Usando un valor común de 20 ohms para la resistencia de entrada, encontramos que

       

Si suponemos por el momento que a CA = 1,

I_L = I_i = 10 mA   

V_L = I_LR

= (10 mA)(5 kohms)

= 50 V

Circuito de amplificación de base común.

La amplificación de voltaje es

   

Los valores típicos de amplificación de voltaje para la configuración de base común varían de 50 a 300. La amplificación de corriente (I_C/I_E) siempre es menor que 1 para la configuración de base común. Esta última característica debe ser evidente ya que I_C = a I_E y a siempre es menor que 1.

La acción básica de amplificación se produjo transfiriendo una corriente I de un circuito de baja resistencia a uno de alta. La combinación de los dos términos en cursivas produce el nombre de transistor, es decir,

transferencia + resistor —> transistor

Colector Comun 

  

La tercera y última configuración de transistores la de colector común, con las direcciones apropiadas de corriente y la notación de voltaje. La configuración de colector común se emplea fundamentalmente para propósitos de acoplamiento de impedancia ya que tiene una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, que es lo opuesto a las configuraciones de base común y de emisor común.

 Notación y símbolos en la configuración de colector común para el transistor PNP.

Notación y símbolos en la configuración de colector común para el transistor NPN.

La configuración del circuito de colector común con la resistencia de carga del emisor a tierra. Nótese que el colector está conectado a tierra aun cuando el transistor está conectado de manera similar a la configuración de emisor común. Desde el punto de vista de diseño, no es necesario elegir para un conjunto de características de colector común, los parámetros del circuito. Pueden diseñarse empleando las características de emisor común . Para todos los propósitos prácticos, las características de salida de la configuración de colector común son las mismas que las de la configuración de emisor común. En la configuración de colector común las características de salida son una gráfica de I_E versus V_EC para un intervalo de valores de I_B. Por ellos, la corriente de entrada es la misma tanto para las características de emisor común como para las de colector común. El eje de voltaje para la configuración de colector común se obtiene cambiando simplemente el signo de voltaje de colector a emisor de las características de emisor común. Por último, hay un cambio casi imperceptible en la escala vertical de I_C de las características de emisor común si I_E se reemplaza por I_E en las características de colector común (puesto que a = 1). En el circuito de entrada de la configuración de colector común, las características de la base de emisor común son suficientes para obtener la información que se requiera.

Configuración de colector común empleada para propósitos de acoplamiento de impedancia