Los transistores tienen tres puertos, la base, el colector y el emisor. La corriente que pasa del colector al emisor es generalmente la corriente que uno quiere controlar. (Tenga en cuenta que la corriente en el colector es aproximadamente igual a la corriente que sale del emisor). Se puede controlar cambiando la corriente en la base, o más específicamente cambiando el voltaje de la base al emisor. En particular, no tenemos que usar la base para cambiar la corriente del colector-emisor, también podemos ajustar el voltaje aplicado al emisor (configuración de base común), y eso es útil en algunos casos, pero lo dejaremos por ahora .
En general, aplicamos una señal de entrada que controla la corriente del colector / emisor a través del transistor. Muchas veces queremos que toda la señal de entrada provoque cambios en la corriente de salida, es decir, no recorte la forma de onda. Otras veces (especialmente en amplificadores de potencia y RF) solo necesitamos tal vez la mitad o menos de la forma de onda para cambiar realmente la señal. La otra mitad puede ser captada por otro transistor, o podríamos filtrar la salida para convertir la forma de onda recortada (que tiene mucho contenido de frecuencia) en la salida deseada (que es una banda estrecha en el contenido de frecuencia). Estos tipos de amplificadores se denominan clases de amplificadores. Los amplificadores de clase A tienen un transistor que maneja la señal de entrada completa, los amplificadores de clase B dividen las mitades positivas y negativas de la señal de entrada entre dos transistores diferentes, y los amplificadores de clase C amplifican menos de la mitad de la señal, y el resto se recupera, por ejemplo, mediante un tanque resonante Por ahora, solo nos preocuparemos por los amplificadores de clase A (también conocidos como amplificadores de señal pequeña) porque son los más directos en concepto. No queremos ningún recorte.
Un transistor tiene dos requisitos para funcionar linealmente: (a) la base debe estar a aproximadamente 0.6V por encima del voltaje del emisor, y (b) la base debe estar por debajo del voltaje del colector (en realidad puede estar hasta 0.6V por encima del colector voltaje antes de que tengamos problemas). Esto a menudo se compara con tener dos diodos, uno que va de la base al emisor y otro que va de la base al colector. Queremos que el diodo emisor base conduzca, y queremos asegurarnos de que el diodo colector base no lo haga.
Ahora hay varias cosas que suceden con los transistores, pero generalmente todo se reduce a esto: la corriente del colector-emisor y el voltaje entre la base y el emisor están directamente “conectados”. Si el voltaje base-emisor es 0.3V, tal vez la corriente del colector-emisor solo puede subir hasta 0.2uA. Si la corriente del colector-emisor es realmente limitada (por ejemplo, con una resistencia), entonces quizás el voltaje del emisor base sea incluso menor a 0.3V. Pueden controlarse entre sí. La relación es exponencial, de modo que puede fluir muy poca corriente colector-emisor cuando el voltaje de la base al emisor es <0.6V, pero luego la corriente colector-emisor se disparará, por lo que el factor limitante es típicamente la resistencia conectada a la circuito que limita la tensión del emisor base. Por ejemplo, si tiene la base atada a + 4V, y el emisor conectado a tierra a través de una resistencia de 3.3k, entonces podemos suponer que el emisor estará aproximadamente a 0.65V más o menos por debajo de la base, es decir, 3.35V. Si la corriente del colector-emisor aumenta, ese voltaje aumentará levemente, tal vez a 0.7V, pero no mucho. Para crear una diferencia de voltaje desde la base hasta el emisor de más requeriría varios amperios de corriente colector-emisor, por lo que podemos asumir con seguridad que, siempre y cuando la base se mantenga por encima de 0.6V y el emisor esté conectado a tierra a través de una resistencia , el voltaje entre la base y el emisor será de aproximadamente 0.6V.
Por ejemplo, si está diseñando un amplificador, todo lo que realmente tiene que hacer para la base es asegurarse de que el voltaje esté por encima de 0.6V. Quizás 5V es un buen punto. Quizás 3V o 9V. El punto ideal en realidad depende del voltaje del colector, porque si el colector está a, por ejemplo, 5V, un voltaje base de 6V causará la conducción del “diodo del colector base”, lo que sabemos que es malo.
En un amplificador típico, una resistencia conecta + V al colector, y el emisor puede conectarse directamente a tierra oa través de una resistencia. Teniendo en cuenta que la teoría de circuitos requiere que la caída de voltaje a través de las resistencias esté directamente relacionada con la corriente a través de ellas, y que la corriente del colector y la corriente del emisor son iguales, la caída de voltaje a través de la resistencia del colector será igual a I * Rc donde I es la corriente del emisor / colector y Rc es la resistencia del colector. Esto establecerá el voltaje del colector en + V – V (Rc), donde V (Rc) es la caída de voltaje a través de la resistencia del colector.
Así que tenemos tantos requisitos aquí, es difícil mantenerlos todos en orden. Pero realmente es muy simple, y hay varias formas de seleccionar valores de Rc y Re para un Ie deseado (corriente del emisor, = Ic, corriente del colector). Pero en general, incluso antes de aplicar una señal de entrada, queremos asegurarnos de que nuestra señal de entrada (que debería ser <0.1Vpp por lo general) puede variar sin interrumpir el estado del transistor. Eso es bastante simple, solo necesitamos asegurarnos de tener un colchón de 0.1V para aumentos y disminuciones del voltaje base donde normalmente aplicamos la entrada. Este es el propósito de sesgo.
Tenga en cuenta que, debido a que la misma corriente fluye a través de la resistencia del colector y la resistencia del emisor, entonces el voltaje cae a través de las resistencias será diferente cuando Rc! = Re. De aquí proviene la ganancia para un amplificador de transistores . Si Rc es dos veces mayor que Re, entonces aparecerá una caída de voltaje dos veces mayor que la caída de voltaje de la resistencia del emisor a través de la resistencia del colector. Y hemos visto que el emisor y la base (entrada) tendrán una diferencia de voltaje de 0.6V, pero esto no cambia en absoluto para los cambios en la entrada, el emisor y la base están efectivamente unidos (pero separados por 0.6V ) Entonces, un cambio en el voltaje base da como resultado el mismo cambio en el voltaje del emisor, lo que provoca un cambio en la corriente del colector-emisor (que a menudo es controlada por la resistencia del emisor), lo que provoca un cambio en la corriente del colector que causa el voltaje de la resistencia del colector caer para cambiar también. Mientras Rc! = Re, y si Rc> Re realmente, la caída de voltaje a través de la resistencia del colector para una señal de entrada cambiante será mucho mayor que la señal de entrada en sí, ¡entonces tenemos ganancia!
Es mucho para asimilar, estoy seguro. Entonces aquí está desglosado. Desplace un transistor para asegurarse de que conduzca cualquier señal de entrada que planeemos suministrar. Conocemos o elegimos:
- La corriente de emisor-colector de polarización (a menudo entre 100uA y 3mA, esto realmente controla la ganancia en amplificadores de gran ganancia)
- La amplitud de la señal de entrada (generalmente alrededor de 0.1Vpp o menos pero puede ser más)
- Esquema de sesgo base
- Ganancia de voltaje deseada
- Voltaje de suministro, + V (también llamado + Vcc para voltaje de colector, pero se usa de forma bastante genérica para un voltaje de suministro positivo)
Y necesitamos determinar:
- Voltaje de polarización del colector (generalmente la mitad del voltaje de suministro)
- Voltaje de polarización de base (debe ser mucho menor que la mitad del voltaje de suministro)
- Resistencias de emisor y colector
- Resistencias de polarización de base
Digamos que vamos a tener un voltaje de suministro de 12 V, una corriente de 1 mA cuando no se aplica señal a la base para la corriente del colector-emisor (esta corriente aplicada sin señal también se conoce como corriente de reposo), un entrada de 0.1V pico a pico, usando un divisor de voltaje para polarización de base, y una ganancia de voltaje de 5.
Cada vez que apliquemos nuestra señal de 0.1Vpp a la base, el voltaje del colector cambiará en 0.5Vpp (medio voltio, 5x la entrada). Un aumento en el voltaje base provoca un aumento en la corriente del colector-emisor y, por lo tanto, un aumento en la caída de voltaje de la resistencia del colector, lo que en realidad aleja el voltaje del colector de + V, es decir, causa una disminución en el voltaje del colector. Debido a que queremos asegurar la mayor oscilación de voltaje posible en el colector, lo configuraremos a + 6V, o medio + Vcc (que establecemos en 12V). Esto significa que una señal de salida cambiará alrededor de 6 V, que es un buen lugar para estar porque nos da mucha sobrecarga. Ahora podemos elegir un valor de Rc basado en nuestra corriente de reposo y la caída de 6V que queremos de 12V (bajando el colector a 6V), Rc = 6V / Ic, Rc = 6k.
Ahora sabemos que Re debería ser 5 veces más pequeño que Rc para obtener una ganancia de 5, por lo que podemos decir Re = 1.2k. Ahora sabemos que la corriente de reposo es de 1 mA, por lo que el emisor se mantiene a un voltaje de Re * Ie = 1.2k * 1mA, Ve = 1.2V. Ahora sabemos que podemos suponer que Vb está 0.6V por encima de Ve, así que sabemos que tenemos que configurar Vb a 1.8V. Seleccionaremos las resistencias de polarización en función de la resistencia en paralelo con la resistencia inferior debido al transistor, pero no iré demasiado lejos en eso aquí.
Hay una cosa más que tenemos que verificar. Si el voltaje del colector llega a estar por debajo de Vb (o más bien Vb – 0.6V) entonces tendremos un problema. Con una entrada máxima de 0.1Vpp, eso es un cambio de 0.5Vpp en el colector, para un voltaje máximo de colector de 6.5V y un voltaje mínimo de colector de 5.5V. Sabemos que mientras 5.5V sea mayor que Vb – 0.6V, estaremos seguros, y Vb estará a 1.8V, así que definitivamente estamos seguros.
Si descubrimos que el voltaje del colector fue inferior a Vb – 0.6V, tendríamos que cambiar el voltaje de polarización del colector, cambiar la ganancia, cambiar el requisito de amplitud máxima de la señal de entrada o usar un + Vcc más alto y ajustar todo en consecuencia. Por ejemplo, con una entrada de 0.1Vpp y una ganancia de 50, el colector estaría a un voltaje mínimo de 6V – 50 * 0.1 = 1V. Esto es menos de 1.8V – 0.6V = 1.2V, por lo que veríamos el recorte de la forma de onda, y deberíamos cambiar parte del diseño.
Algo que no se considera aquí tanto es cómo sesgar su circuito, y no menciono la versión beta porque solo es útil para diseños y modelos simples. Aparece mucho, por ejemplo, en el modelado físico de BJT, pero depende mucho de la temperatura, por lo que es bueno diseñar sin él. Para hacer eso, asegúrese de que la ganancia sea menor que beta en una buena cantidad.
Otro problema es la respuesta de frecuencia. Cada condensador de acoplamiento forma un filtro de paso alto con la impedancia de entrada del amplificador, y cada condensador de desacoplamiento a tierra crea un filtro de paso bajo, por lo que debe tener cuidado. De nuevo, eso está fuera del alcance.
Entonces, para responder a su pregunta, se requiere polarización para asegurarse de que nuestro transistor se comporte como esperamos, manteniéndolo en la “región activa” en lugar de saturación o corte.