¿Por qué los amplificadores (acoplados a RC) se basan en la polarización del divisor de voltaje? Educación te da un futuro mejor

Déjame explicarte en el orden que preguntaste.

¿Por qué están sesgados en función del uso de la división de voltaje resistivo?

La respuesta más simple es que la división de voltaje resistivo es, con mucho, la forma más fácil de polarizarlo. Para que el amplificador funcione en su región lineal, tiene que estar sesgado a un punto donde el sistema sea lineal, específicamente a donde tendrá una salida lineal en todo el rango esperado de la entrada.

Quizás las mejores preguntas serían “¿por qué no utilizar polarización capacitiva”, “por qué no utilizar una fuente de voltaje como polarización” y “por qué no utilizar un diodo regulador de voltaje para polarizarlo?”

Puede usar condensadores en serie para crear un divisor de voltaje. Revise las matemáticas desde su clase de circuitos básicos y encontrará que puede obtener una relación de división de voltaje específica basada simplemente en su relación de capacitancia, al igual que un divisor de voltaje resistivo y la relación de resistencia para obtener su polarización resistiva.

El problema más obvio surge cuando la entrada a su circuito amplificador extrae una corriente CC (dado que usted menciona el emisor, supongo que está siendo específico para los transistores de unión bipolar, pero esto se aplica a los JFET e incluso a los MOSFET en algún grado). Si la entrada consume una corriente continua, entonces el capacitor no puede mantener su polarización de voltaje, ya que el voltaje del capacitor proviene de la cantidad de carga que almacena. El sesgo se desvanece como un circuito RC paralelo típico.

Otro problema con el sesgo capacitivo es la precisión. Con las resistencias, la tolerancia de fabricación para los valores de resistencia es +/- 10% para resistencias estándar, +/- 5% para resistencias de mayor calidad y +/- 1% para resistencias de mayor precisión. La tolerancia para los condensadores es muy diferente. La tolerancia típica del condensador suele ser de -10% a + 80%, es decir, dos condensadores etiquetados de manera idéntica pueden estar en cualquier lugar desde 10% por debajo de su valor marcado hasta 80% más alto que su valor marcado y aún pasar el control de calidad. Es mucho más difícil obtener precisión del proceso de fabricación de condensadores.

A continuación, ¿por qué no usar una fuente de voltaje para polarizar su circuito?
Sencillo. Requiere otra fuente de energía, de las cuales las fuentes de energía son generalmente las piezas más grandes y pesadas de un dispositivo electrónico. Incluso una batería ocupa más espacio que los circuitos integrados y los componentes discretos. Además, la polarización generalmente requiere un voltaje bastante preciso, que es imposible de lograr de manera confiable con baterías estándar. Claro, puede obtener de forma confiable 1.15 (recargable) a 1.4 voltios (alcalinos) +/- 10%, pero su diseño probablemente no solicitará esos voltajes específicos como sesgo y, de hecho, puede ser muy sensible a los cambios en el sesgo, lo que sucede a medida que la batería se descarga con el tiempo.

Y con respecto a los diodos reguladores de voltaje, sufren el mismo problema de precisión que las fuentes de alimentación: vienen en valores específicos. Obtener un valor preciso es un gasto que honestamente no puede pagar.

¿Qué determina qué tipo de sesgo usar?

Realmente es un arte más que una ciencia. Depende de la impedancia de entrada que necesita, la respuesta de frecuencia que necesita, de dónde viene la señal y dónde va a terminar. He visto diseños que tienen una salida con una polarización DC específica que coincide con un diodo Zener para establecer la polarización de entrada en la siguiente etapa, eliminando la necesidad de una polarización resistiva o un acoplamiento RC para llevar la señal a la siguiente etapa del amplificador. He visto diseños más complejos, como los amplificadores de cascode, que utilizan los sesgos de CC de otras etapas. Hay sesgos de fuente de corriente (como la salida de un espejo de corriente, como es típico en un diseño de amplificador operacional) en lugar de sesgos de fuente de voltaje.

Un amplificador base común a menudo tendrá una configuración de polarización diferente que un amplificador emisor común. Los amplificadores cascode bien diseñados no requieren una segunda etapa de polarización, ya que la polarización DC fuera de la etapa CE es la polarización DC de la etapa CB.

Incluso he visto diseños MOSFET que, en lugar de utilizar una polarización de voltaje separada, simplemente escalarán los anchos de la puerta para establecer cuál se supone que es el punto de polarización para satisfacer las necesidades de diseño.

En su clase (supongo que a nivel medio, no a nivel senior) supongo que la mayoría de las veces tratará con un sesgo resistivo simplemente porque es más fácil de hacer.

¿Por qué usar acoplamiento capacitivo en las entradas y salidas?

Sencillo. Los condensadores parecen circuitos abiertos a CC. Sus entradas y salidas tienen una cierta cantidad de polarización DC aplicada.
En la entrada, la conexión directa de la fuente de señal a la entrada del amplificador elimina por completo su polarización, o al menos carga R2 de modo que la resistencia equivalente en R2 sea la combinación paralela de R2 con la impedancia de salida de su señal (que, nuevamente, arruinará su sesgo ya que lo diseñó como un divisor de voltaje).
En la salida, también hay un sesgo de CC. En primer lugar, lo que sea que alimente esa señal puede no ser capaz de tolerar un nivel de CC. En segundo lugar, sin acoplamiento capacitivo, lo que sea que coloque en la salida de ese amplificador eliminará parte de la corriente de CC y, por lo tanto, arruinará su polarización.
En resumen, lo que hace el acoplamiento capacitivo en las entradas y salidas es permitirle separar el problema en problemas estrictamente de CC y estrictamente de flujo de señal, que es mucho más simple que tratar de resolver todo el circuito como un sistema trascendental no lineal.

¿Qué pasa con ese condensador emisor?
Se llama condensador de derivación. Le permite tener la resistencia del emisor con el fin de hacer que el sesgo sea más fácil de resolver y hacerlo más tolerante a tener un potencial de caída de emisor diferente, pero aún así tener una ganancia alta (casi beta tiempo Rc) en la frecuencia de la señal. Funciona porque a alta frecuencia el condensador se ve como un cortocircuito, lo que hace que la resistencia del emisor parezca cero en las frecuencias amplificadas.