Funcionamiento del circuito amplificador de emisor común y sus características

Hay diferentes tipos de amplificadores de transistores funcionan utilizando una entrada de señal de corriente alterna. Ésta se intercambia entre el valor positivo y el valor negativo, por lo que es la única forma de presentar el circuito amplificador de emisor común para que funcione entre dos valores de pico. Este proceso se conoce como amplificador de polarización y es un diseño de amplificador importante para establecer el punto de funcionamiento exacto de un amplificador de transistores que está preparado para recibir las señales, por lo que puede reducir cualquier distorsión en la señal de salida. En este artículo, hablaremos del análisis del amplificador de emisor común.

¿Qué es un amplificador?

El Amplificador es un circuito electrónico que se utiliza para aumentar la fuerza de una señal de entrada débil en términos de tensión, corriente o potencia. El proceso de aumentar la fuerza de una señal débil se conoce como Amplificación. Una de las restricciones más importantes durante la amplificación es que sólo debe aumentar la magnitud de la señal y no debe haber cambios en la forma de la señal original. El transistor (BJT, FET) es un componente principal en un sistema de amplificación. Cuando se utiliza un transistor como amplificador, el primer paso es elegir una configuración adecuada, en la que se vaya a utilizar el dispositivo. Después, hay que polarizar el transistor para obtener el punto Q deseado. Se aplica la señal a la entrada del amplificador y se consigue la ganancia de salida.

¿Qué es un amplificador de emisor común?

El amplificador de emisor común es un transistor de unión bipolar de tres etapas básicas y se utiliza como amplificador de tensión. La entrada de este amplificador se toma del terminal base, la salida se recoge del terminal colector y el terminal emisor es común para ambos terminales. El símbolo básico del amplificador de emisor común se muestra a continuación.

Configuración del amplificador emisor común

En el diseño de circuitos electrónicos, se utilizan tres tipos de configuraciones de transistores: emisor común, base común y colector común.

Este tipo de amplificador incluye la señal que se da al terminal de la base y luego se recibe la salida del terminal del colector del circuito. Pero, como su nombre indica, el atributo principal del circuito emisor es conocido tanto para la entrada como para la salida.

La configuración de un transistor emisor común se utiliza ampliamente en la mayoría de los diseños de circuitos electrónicos. Esta configuración es apropiada por igual para ambos transistores, como los PNP y los NPN, pero los transistores NPN son los que se utilizan con más frecuencia debido al uso generalizado de estos transistores.

En la configuración del amplificador de emisor común, el emisor de un BJT es común a la señal de entrada y de salida, como se muestra a continuación. La disposición es la misma para un transistor PNP, pero la polarización será opuesta con respecto al transistor NPN.

Funcionamiento del Amplificador de Emisor Común

Cuando se aplica una señal a través de la unión emisor-base, el sesgo de avance a través de esta unión aumenta durante el semiciclo superior. Esto provoca un aumento del flujo de electrones del emisor al colector a través de la base, por lo que aumenta la corriente de colector. El aumento de la corriente de colector hace que haya más caídas de tensión a través de la resistencia de carga de colector RC.

El semiciclo negativo disminuye la tensión de polarización directa a través de la unión emisor-base. La disminución de la tensión colector-base disminuye la corriente de colector en toda la resistencia de colector Rc. Así, la resistencia de carga amplificada aparece a través de la resistencia de colector. El circuito amplificador de emisor común se muestra arriba.

A partir de las formas de onda de tensión del circuito CE mostradas en la Fig. (b), se observa que hay un desplazamiento de fase de 180 grados entre las formas de onda de entrada y de salida.

Funcionamiento del amplificador de emisor común

El siguiente diagrama de circuito muestra el funcionamiento del circuito amplificador de emisor común y consiste en la polarización del divisor de tensión, que se utiliza para suministrar la tensión de polarización de la base según la necesidad. La polarización del divisor de tensión tiene un divisor de potencial con dos resistencias conectadas de forma que el punto medio se utiliza para suministrar la tensión de base.

Hay diferentes tipos de componentes electrónicos en el amplificador de emisor común: la resistencia R1 se utiliza para la polarización hacia delante, la resistencia R2 se utiliza para el desarrollo de la polarización, la resistencia RL se utiliza en la salida y se denomina resistencia de carga. La resistencia RE se utiliza para la estabilidad térmica. El condensador C1 se utiliza para separar las señales de CA de la tensión de polarización de CC y se conoce como condensador de acoplamiento.

La figura muestra que las características del transistor amplificador emisor común de polarización frente a la ganancia, si la resistencia R2 aumenta, se produce un aumento de la polarización hacia delante y R1 y la polarización son inversamente proporcionales entre sí. Si se aplica una corriente alterna a la base del transistor del circuito amplificador emisor común, se produce un flujo de corriente de base pequeño. Por lo tanto, hay un gran flujo de corriente a través del colector con la ayuda de la resistencia RC. La tensión cerca de la resistencia RC cambiará porque el valor es muy alto y los valores son de 4 a 10kohm. Por lo tanto, hay una gran cantidad de corriente presente en el circuito de colector que amplifica la señal débil, por lo que los transistores de emisor común funcionan como un circuito amplificador.

Ganancia de tensión del amplificador de emisor común

La ganancia de corriente del amplificador de emisor común se define como la relación entre la variación de la corriente del colector y la variación de la corriente de la base. La ganancia de tensión se define como el producto de la ganancia de corriente y la relación entre la resistencia de salida del colector y la resistencia de entrada de los circuitos de base. Las siguientes ecuaciones muestran la expresión matemática de la ganancia de tensión y la ganancia de corriente.

β = ΔIc/ ΔIb

Av = β Rc/Rb

Elementos del circuito y sus funciones

A continuación se analizan los elementos del circuito del amplificador de emisor común y sus funciones.

Circuito de polarización/divisor de tensión

Las resistencias R1, R2 y RE se utilizan para formar el circuito de polarización y estabilización de tensión. El circuito de polarización debe establecer un punto Q de funcionamiento adecuado, de lo contrario, una parte del semiciclo negativo de la señal podría cortarse en la salida.

Condensador de entrada (C1)

El condensador C1 se utiliza para acoplar la señal al terminal base del BJT. Si no está, la resistencia de la fuente de la señal, Rs, se cruzará con R2 y, por tanto, cambiará la polarización. C1 sólo permite que fluya la señal de CA, pero aísla la fuente de la señal de R2

Condensador de derivación del emisor (CE)

El condensador de derivación del emisor CE se utiliza en paralelo con RE para proporcionar una ruta de baja reactancia a la señal de CA amplificada. Si no se utiliza, la señal de CA amplificada que sigue a través de RE provocará una caída de tensión a través de él, con lo que se reducirá la tensión de salida.

Condensador de acoplamiento (C2)

El condensador de acoplamiento C2 acopla una etapa de amplificación a la siguiente. Esta técnica se utiliza para aislar los ajustes de polarización de CC de los dos circuitos acoplados.

Corrientes del circuito amplificador CE

Corriente de base iB = IB +ib donde,

IB = corriente de base de corriente continua cuando no se aplica ninguna señal.

ib = base de CA cuando se aplica la señal de CA e iB = corriente de base total.

Corriente de colector iC = IC+ic donde,

iC = corriente total del colector.

IC = corriente de colector de señal cero.

ic = corriente de colector de CA cuando se aplica la señal de CA.

Corriente del emisor iE = IE + ie donde,

IE = Corriente del emisor de señal cero.

Ie = Corriente del emisor de CA cuando se aplica la señal de CA.

iE = corriente total del emisor.

Análisis del amplificador de emisor común

El primer paso en el análisis de CA del circuito amplificador de emisor común es dibujar el circuito equivalente de CA reduciendo todas las fuentes de CC a cero y poniendo en cortocircuito todos los condensadores. La siguiente figura muestra el circuito equivalente de CA.

El siguiente paso en el análisis de CA es dibujar un circuito h-paramétrico sustituyendo el transistor en el circuito equivalente de CA por su modelo h-paramétrico. La siguiente figura muestra el circuito equivalente de parámetros h para el circuito CE.

A continuación se resume el rendimiento típico del circuito CE:

• Impedancia de entrada del dispositivo, Zb = hie
• Impedancia de entrada del circuito, Zi = R1 || R2 | Zb
• Impedancia de salida del dispositivo, Zc= 1/hoe
• Impedancia de salida del circuito, Zo = RC || ZC ≈ RC
• Ganancia de tensión del circuito, Av = -hfe/hie*(Rc|| RL)
• Ganancia de corriente del circuito, AI = hfe. RC. Rb/ (Rc+RL) (Rc+hie)
• Ganancia de potencia del circuito, Ap = Av * Ai

Respuesta en frecuencia del amplificador CE

La ganancia de tensión de un amplificador CE varía con la frecuencia de la señal. Esto se debe a que la reactancia de los condensadores del circuito cambia con la frecuencia de la señal y, por tanto, afecta a la tensión de salida. La curva trazada entre la ganancia de tensión y la frecuencia de la señal de un amplificador se conoce como respuesta en frecuencia. La siguiente figura muestra la respuesta en frecuencia de un amplificador CE típico.

En el gráfico anterior, observamos que la ganancia de tensión disminuye a frecuencias bajas (< FL) y altas (> FH), mientras que es constante en el rango de frecuencias medias (FL a FH).

A bajas frecuencias (< FL) La reactancia del condensador de acoplamiento C2 es relativamente alta y, por tanto, una parte muy pequeña de la señal pasará de la etapa de amplificación a la carga.

Además, CE no puede derivar la RE de forma eficaz debido a su gran reactancia a bajas frecuencias. Estos dos factores provocan una caída de la ganancia de tensión a bajas frecuencias.

A altas frecuencias (> FH) La reactancia del condensador de acoplamiento C2 es muy pequeña y se comporta como un cortocircuito. Esto aumenta el efecto de carga de la etapa de amplificación y sirve para reducir la ganancia de tensión.

Además, a altas frecuencias, la reactancia capacitiva de la unión base-emisores es baja, lo que aumenta la corriente de la base. Esta frecuencia reduce el factor de amplificación de la corriente β. Debido a estas dos razones, la ganancia de tensión disminuye a alta frecuencia.

A frecuencias medias (FL a FH) La ganancia de tensión del amplificador es constante. El efecto del condensador de acoplamiento C2 en este rango de frecuencias es tal que mantiene una ganancia de tensión constante. Así, al aumentar la frecuencia en este rango, la reactancia de CC disminuye, lo que tiende a aumentar la ganancia.

Sin embargo, al mismo tiempo, una reactancia menor significa una mayor casi se anula, lo que da lugar a una feria uniforme a media frecuencia.

Podemos observar que la respuesta en frecuencia de cualquier circuito amplificador es la diferencia de su rendimiento a través de los cambios en la frecuencia de la señal de entrada, ya que muestra las bandas de frecuencia en las que la salida permanece bastante estable. El ancho de banda del circuito puede definirse como el rango de frecuencias pequeño o grande entre ƒH y ƒL.

Así que a partir de esto, podemos decidir la ganancia de tensión para cualquier entrada sinusoidal en un rango de frecuencia determinado. La respuesta en frecuencia de una presentación logarítmica es el diagrama de Bode. La mayoría de los amplificadores de audio tienen una respuesta en frecuencia plana que va de 20 Hz a 20 kHz. Para un amplificador de audio, el rango de frecuencias se conoce como ancho de banda.

Los puntos de frecuencia como ƒL y ƒH están relacionados con la esquina inferior y la esquina superior del amplificador, que son las caídas de ganancia de los circuitos tanto a altas como a bajas frecuencias. Estos puntos de frecuencia también se conocen como puntos de decibelios. Así que el BW puede definirse como

BW = fH - fL

El dB (decibelio) es la décima parte de un B (bel), es una unidad familiar no lineal para medir la ganancia y se define como 20log10(A). Aquí "A" es la ganancia decimal que se traza sobre el eje Y.

La salida máxima se puede obtener a través de los decibelios cero que se comunican hacia una función de magnitud de la unidad, de lo contrario se produce una vez que Vout = Vin cuando no hay reducción en este nivel de frecuencia, por lo que

VOUT/VIN = 1, por lo que 20log(1) = 0dB

Podemos observar en el gráfico anterior que la salida en los dos puntos de frecuencia de corte disminuye de 0dB a -3dB y sigue bajando a un ritmo fijo. Esta reducción dentro de la ganancia se conoce comúnmente como la sección de roll-off de la curva de respuesta en frecuencia. En todos los circuitos básicos de filtros y amplificadores, esta tasa de caída puede definirse como 20dB/década, lo que equivale a una tasa de 6dB/octava. Por tanto, el orden del circuito se multiplica por estos valores.

Estos puntos de frecuencia de corte de -3dB describirán la frecuencia en la que la ganancia o/p puede disminuir hasta el 70 % de su valor máximo. Después, podemos decir con propiedad que el punto de frecuencia es también la frecuencia en la que la ganancia del sistema se ha reducido a 0,7 de su valor máximo.

Amplificador de transistor emisor común

El diagrama del circuito del amplificador de transistor de emisor común tiene una configuración común y es un formato estándar de circuito de transistor cuando se desea una ganancia de tensión. El amplificador de emisor común también se convierte en un amplificador inversor. Los diferentes tipos de configuraciones en los amplificadores de transistor son la base común y el transistor de colector común y la figura se muestra en los siguientes circuitos.

Características del amplificador de emisor común

• La ganancia de tensión de un amplificador de emisor común es media
• La ganancia de potencia es alta en el amplificador de emisor común
• Hay una relación de fase de 180 grados en la entrada y la salida
• En el amplificador de emisor común, las resistencias de entrada y salida son medias.

El gráfico de características entre la polarización y la ganancia se muestra a continuación.

Tensión de polarización del transistor

La Vcc (tensión de alimentación) determinará la Ic (corriente de colector) máxima una vez activado el transistor. La Ib (corriente de base) del transistor se puede encontrar a partir de la Ic (corriente de colector) y la ganancia de corriente continua β (Beta) del transistor.

VB = VCC R2/R1+R2

Valor Beta

A veces, "β" se denomina "hFE", que es la ganancia de corriente de avance del transistor dentro de la configuración CE. Beta (β) es una relación fija de las dos corrientes como Ic e Ib, por lo que no contiene unidades. Así que un pequeño cambio dentro de la corriente de base supondrá un gran cambio dentro de la corriente de colector.

El mismo tipo de transistores, así como su número de pieza, contendrá enormes cambios dentro de sus valores "β". Por ejemplo, el transistor NPN como el BC107 incluye un valor Beta (ganancia de corriente continua entre 110 y 450 según la hoja de datos. Así que un transistor puede incluir un valor Beta de 110 mientras que otro puede incluir un valor Beta de 450, sin embargo, ambos transistores son transistores NPN BC107 porque Beta es una característica de la estructura del transistor pero no de su función.

Cuando la unión de la base o del emisor del transistor está conectada en polarización hacia delante, la tensión del emisor 'Ve' será una unión única en la que la caída de tensión es distinta a la tensión del terminal de la base. La corriente de emisor (Ie) no es más que la tensión a través de la resistencia de emisor. Se puede calcular simplemente mediante la Ley de Ohm. La "Ic" (corriente de colector) puede aproximarse, ya que tiene un valor aproximadamente similar al de la corriente de emisor.

Impedancia de entrada y salida del amplificador de emisor común

En el diseño de cualquier circuito electrónico, los niveles de impedancia son uno de los principales atributos que hay que tener en cuenta. El valor de la impedancia de entrada suele estar en la región de 1kΩ, aunque puede variar significativamente en función de las condiciones y los valores del circuito. La menor impedancia de entrada se debe a que la entrada se da a través de los dos terminales de la base y el emisor del transistor, porque hay una unión polarizada hacia delante.

Además, la impedancia o/p es comparativamente alta porque varía significativamente de nuevo en los valores de los componentes electrónicos seleccionados y los niveles de corriente permitidos. La impedancia o/p es de un mínimo de 10kΩ, de lo contrario posiblemente sea alta. Pero si el drenaje de corriente permite extraer niveles altos de corriente, entonces la impedancia o/p disminuirá significativamente. El nivel de impedancia o resistencia se debe a que la salida se utiliza desde el terminal del colector porque hay una unión con polarización inversa.

Amplificador de emisor común de una etapa

A continuación se muestra el amplificador de emisor común de una etapa y se describen los diferentes elementos del circuito con sus funciones.

Circuito de polarización

Los circuitos de polarización y estabilización pueden formarse con resistencias como R1, R2 y RE

Capacitancia de entrada (Cin)

La capacitancia de entrada se puede denotar con "Cin", que se utiliza para combinar la señal hacia el terminal de base del transistor.

Si no se utiliza esta capacitancia, la resistencia de la fuente de señal se acercará a través de la resistencia 'R2' para alterar la polarización. Este condensador permitirá alimentar simplemente la señal de CA.

Condensador de derivación del emisor (CE)

La conexión del condensador de derivación del emisor puede hacerse en paralelo a RE para dar un carril de baja reactancia hacia la señal de CA amplificada. Si no se utiliza, la señal de CA amplificada fluirá a lo largo de RE para provocar una caída de tensión a través de él, por lo que la tensión o/p puede desplazarse.

Condensador de acoplamiento (C)

Este condensador de acoplamiento se utiliza principalmente para combinar la señal amplificada hacia el dispositivo o/p, de modo que permita alimentar simplemente la señal de CA.

Funcionamiento

Una vez que se da una señal de CA débil de entrada hacia el terminal de la base del transistor, entonces se suministrará una pequeña cantidad de corriente de base, debido a este acto del transistor, la corriente de CA alta fluirá a través de la carga del colector (RC), por lo que puede aparecer una tensión alta a través de la carga del colector, así como la salida. Así, se aplica una señal débil hacia el terminal de la base que aparece en forma amplificada dentro del circuito del colector. La ganancia de tensión del amplificador, como Av, es la relación entre las tensiones de entrada y salida amplificadas.

Respuesta en frecuencia y ancho de banda

Se puede concluir la ganancia de tensión del amplificador como Av para varias frecuencias de entrada. Sus características pueden dibujarse en los dos ejes, como la frecuencia en el eje X, mientras que la ganancia de tensión está en el eje Y. Se puede obtener el gráfico de la respuesta en frecuencia que se muestra en las características. Así podemos observar que la ganancia de este amplificador puede disminuir a frecuencias muy altas y bajas, sin embargo, se mantiene estable en un amplio rango de la zona de frecuencias medias.

La fL o frecuencia de corte baja puede definirse como cuando la frecuencia es inferior a 1. Se puede decidir el rango de frecuencia en el que la ganancia del amplificador es el doble de la ganancia de la frecuencia media.

La fL (frecuencia de corte superior) puede definirse como cuando la frecuencia está en el rango alto en el que la ganancia del amplificador es 1/√2 veces la ganancia de la frecuencia media.

El ancho de banda puede definirse como el intervalo de frecuencia entre las frecuencias de corte inferior y superior.

BW = fU - fL

Teoría del Experimento del Amplificador de Emisor Común

La intención principal de este amplificador de transistor CE NPN es investigar su funcionamiento.

El amplificador CE es una de las principales configuraciones de un amplificador de transistores. En esta prueba, el alumno diseñará y examinará un amplificador de transistores NPN CE fundamental. Supongamos que el alumno tiene algunos conocimientos sobre la teoría del amplificador de transistores, como el uso de circuitos equivalentes de CA. Así que se estima que el alumno diseñe su propio proceso para realizar el experimento en el laboratorio, una vez que el análisis previo al laboratorio esté completamente hecho, entonces podrá analizar y resumir los resultados del experimento en el informe.

Los componentes necesarios son transistores NPN - 2N3904 y 2N2222), VBE = 0,7V, Beta = 100, r'e = 25mv/IE en el análisis del Prelaboratorio.

Prelaboratorio

Según el esquema del circuito, calcula los parámetros de CC como Ve, IE, VC, VB y VCE con una técnica aproximada. Esboza el circuito equivalente de corriente alterna y calcula la Av (ganancia de tensión), Zi (impedancia de entrada) y Zo (impedancia de salida). Dibuja también las formas de onda compuestas previsibles en diferentes puntos como A, B, C, D y E dentro del circuito. En el punto "A", asume Vin como 100 mv de pico, onda sinusoidal con 5 kHz.

Para un amplificador de tensión, dibuja el circuito con la impedancia de entrada, una fuente de tensión dependiente así como la impedancia o/p

Mide el valor de la impedancia de entrada como Zi mediante la inserción de una resistencia de prueba en serie a través de las señales de entrada hacia el amplificador y mide cuánto aparecerá realmente la señal del generador de corriente alterna en la entrada del amplificador.

Para determinar la impedancia de salida, retira momentáneamente la resistencia de carga y calcula la tensión de CA sin carga. A continuación, vuelve a colocar la resistencia de carga y mide de nuevo la tensión CA o/p. Para determinar la impedancia de salida, se pueden utilizar estas mediciones.

Experimento en el laboratorio

Diseña el circuito como corresponde y comprueba todos los cálculos anteriores. Utiliza el acoplamiento de CC y el doble trazado en el osciloscopio. A continuación, retira el emisor común momentáneamente y vuelve a medir la tensión o/p. Evalúa los resultados utilizando tus cálculos previos al laboratorio.

Ventajas

Las ventajas de un amplificador de emisor común son las siguientes

• El amplificador emisor común tiene una baja impedancia de entrada y es un amplificador inversor
• La impedancia de salida de este amplificador es alta
• Este amplificador tiene la mayor ganancia de potencia cuando se combina con una ganancia de tensión y corriente medias
• La ganancia de corriente del amplificador de emisor común es alta

Desventajas

Las desventajas de un amplificador de emisor común son las siguientes

• En las frecuencias altas, el amplificador emisor común no responde
• La ganancia de tensión de este amplificador es inestable
• La resistencia de salida es muy alta en estos amplificadores
• En estos amplificadores hay una gran inestabilidad térmica
• Alta resistencia de salida

Aplicaciones

Las aplicaciones de un amplificador de emisor común son las siguientes

• Los amplificadores de emisor común se utilizan en los amplificadores de tensión de baja frecuencia.
• Estos amplificadores se utilizan normalmente en los circuitos de RF.
• En general, los amplificadores se utilizan en los amplificadores de bajo ruido
• El circuito de emisor común es popular porque es muy adecuado para la amplificación de la tensión, especialmente a bajas frecuencias.
• Los amplificadores de emisor común también se utilizan en los circuitos transceptores de radiofrecuencia.
• Configuración de emisor común utilizada habitualmente en los amplificadores de bajo ruido.

En este artículo se habla de el funcionamiento del amplificador de emisor común circuito. Al leer la información anterior te has hecho una idea de este concepto. Además, si tienes alguna duda al respecto o si quieres poner en práctica proyectos eléctricos, no dudes en comentarlo en la sección de abajo. Aquí está la pregunta para ti, ¿cuál es la función del amplificador emisor común?