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Material de Clase de la Experiencia Educativa
Sistemas de Comunicacin
M.C. Luis Hctor Porragas Beltrn 47 Ingeniera en Electrnica y Comunicaciones
AMPLIFICADOR DE POTENCIA
El propsito de un amplificador de potencia esproporcionar una tensin de salida mxima y sin
distorsin considerando normalmente una baja
resistencia de carga.
En la prctica, la etapa de potencia suele consistir envarias etapas amplificadoras en cascada sobre todo
cuando los niveles de amplificacin son muy
elevados (suele ser la ltima etapa de un
transmisor).
La carga de un amplificador de potencianormalmente es de baja impedancia, como la
entrada de un excitador, una solenoide o algn otro
dispositivo analgico (ej. antena).
AMPLIFICADOR DE POTENCIA
El amplificador de potencia debe operar en formaeficiente y debe ser capaz de manejar (disipar)
grandes valores de potencia ya que trabajan con
tensiones e intensidades de gran amplitud. Los
factores del amplificador de potencia que
normalmente presentan mayor inters son:
1. Eficiencia en el manejo de la potencia del
sistema (rendimiento).
2. Capacidad de Disipacin, es decir, la mxima
cantidad de potencia que el circuito es capaz de
manejar.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA
3. Acoplamiento debido a sus caractersticas es
crtico contar con un ptimo acoplamiento de
impedancias sobre todo en relacin con el
dispositivo de salida (mxima transferencia de
potencia).
Respecto al rendimiento este debe ser el mayorposible para que el amplificador proporcione una
seal con la mxima potencia disponible en relacin
con la potencia que toma de la fuente de
alimentacin. El rendimiento esta dado por:
100.).(min
.).(arg%
DCFuentelaporistradaSuPotencia
ACaClaaEntregadaSealladePotencia
Ejemplo 1.- La potencia de salida de un amplificador es de8w, si la fuente de alimentacin es de 16v y el amplificadorconsume 1A. Determine el rendimiento del amplificador.
La potencia de corriente continua que penetra alamplificador es P = VI = 16v*1 = 16 w, empleando
la ecuacin determinar la eficiencia se tiene:
%50%100*16
8%
w
w
Este rendimiento indica que el 50% de la potencia de cc. de
entrada alcanza la salida en forma de potencia de a.c en la
carga.
AMPLIFICADOR GENRICO DE RF DE POTENCIA
El rendimiento indica cuanta potencia de la fuente llega
a la carga como seal de C.A., y tambin indica la
cantidad que NO llega a la carga y que por lo tanto debe
disiparse en el elemento amplificador. El rendimiento
depende directamente del punto de operacin o trabajo
establecido en el elemento activo.
Fuente de R.F.
Red Acopladora de Entrada
Carga
Red Acopladora de Salida
[S]
Polarizacin DC
ROEentKrent
ROEsalKrsal
Un aspecto importante en el que difiere el diseo de losAmplificadores de RF respecto a los amplificadores
convencionales, es el hecho de que las formas de onda
de V y I afectan al dispositivo activo creando la necesidad
de implementar mtodos de acoplamiento adecuados
para reducir el coeficiente de reflexin (Kr), y evitar
oscilaciones indeseables, las cuales puedan sacar de
estabilidad al amplificador.
En base a lo anterior, el anlisis de Estabilidad esusualmente el primer paso en el proceso de diseo y en
conjunto con la Ganancia y los crculo de figura de Ruido,
es un ingrediente bsico necesario para el desarrollo de
circuito amplificadores de H.F., los cuales operen de
manera eficiente dentro de los requerimientos de
Ganancia, Linealidad, Potencia, BW y Condiciones de
Polarizacin.
METODOLOGA DE DISEODEL AMPLIFICADOR DE RF DE POTENCIA
1. Seleccin del Transistor.
En Base a la Ganancia (es suficiente?).
Es lo Suficientemente Rpido.
Cumple con las Especificaciones de Ruido.
2. Necesita Redes Externas de Acoplamiento de
Ent/Sal.
Especificacin del Coeficiente de Reflexin.
Toma en cuenta este la Estabilidad y eldesempeo del Ruido.
3. Diseo de las Redes Acopladoras de Impedancia.
CLASE A.- La seal de salida vara los 360 completosdel ciclo, requiere que el punto Q se polarice a cierto nivel,
de manera que al menos la mitad de la variacin de la
seal en su salida pueda variar arriba y abajo sin tener
que alcanzar un voltaje que sea limitado por el nivel de
voltaje de la fuente o demasiado bajo para aproximarse al
nivel inferior de la fuente.
Punto Q aproximadamente
a la mitad de la recta de Carga
CLASES DE AMPLIFICADORES
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CLASE B.- Este circuitoproporciona una seal de salida
que varia sobre la mitad del ciclo
de la seal como se aprecia en la
Figura. El punto de polarizacin de
CD para un clase B se encuentra
por lo tanto en 0v, lo que implica
una variacin de la salida desde
este punto de polarizacin para un
medio ciclo.
Obviamente, la salida no es una reproduccin fiel de laentrada si solamente se tiene presente un medio ciclo.
Son necesarias dos operaciones de clase B, una para
proporcionar la salida del medio ciclo de salida positivo y
otra para proporcionar la operacin del medio ciclo
negativo.
La combinacin proporciona entonces una salida de360 completos de operacin. Este tipo de conexin sedenomina como funcionamiento en contrafase.
Clase AB.- Un amplificador puede polarizarse a unnivel CD sobre el nivel de corriente de base cero de
clase B y arriba de la mitad del nivel de voltaje de fuente
de la clase A; esta condicin de polarizacin es la clase
AB. La operacin en clase AB requiere todava de una
conexin contrafase para conseguir un ciclo completo
de salida, pero el nivel de polarizacin de CD est por lo
regular cercano al nivel de corriente de base cero para
una mejor eficiencia de potencia. Para la operacin en
clase AB la oscilacin la seal de salida ocurre entre los
180 y 360, y no est en la zona de operacin de unclase A ni en la de un clase B.
CLASE C.- La salida de un amplificador de clase C sepolariza para una operacin menos de 180 del ciclo yopera solamente con un circuito sintonizador (resonante),
el cual suministra un ciclo completo de operacin para la
frecuencia de sintona o resonante. Esta clase de
operacin se emplea, por consiguiente, en aplicaciones
especiales de circuitos de sintona tales como los de radio
y comunicaciones.
CLASE D.- Esta clase de operacin es una forma deoperacin de amplificador que utiliza seales de pulso
(digitales) las cuales se activan para un intervalo corto y
se desactivan para un intervalo mas largo. La mayor
ventaja de la operacin de clase D es que el amplificador
se encuentra activado o encendido (empleando energa
solo para intervalos cortos y la eficiencia total puede ser
prcticamente muy alta.
CLASES DE AMPLIFICADORES
Diseo de un Amplificador Clase A
Un transistor sin polarizar se comporta como dosdiodos en contraposicin, y NO existen corrientes
notables circulantes por l.
Diseando Amplificadores Clase A
Si se polariza, aparecen tres corrientes distintas, lacorriente de base IB, la corriente de emisor IE, y por
ltimo la corriente de colector IC. De estas tres
corrientes, la del emisor es la ms grande, puesto
que ste se comporta como una fuente de
electrones.
La corriente de base es muy pequea, NO suelellegar al 1% de la corriente de colector. Aplicando la
ley de Kirchhoff se tiene la siguiente relacin:
IE=IC+IB
Un transistor en rgimen esttico se encuentra,solamente, bajo la accin de las voltajes continuos
que se le aplican para polarizarle con la finalidad de
ubicarlo en una regin de operacin del mismo.
Diseando Amplificadores Clase A
Una forma de resumir este funcionamiento es utilizarlas curvas caractersticas del transistor, que
relacionan las tensiones y las corrientes. Las
tensiones y corrientes que se utilizan dependen de
la configuracin del transistor, pero
independientemente de sta, se distinguen dos tipos
de curvas: Caractersticas de Entrada y las de
Caractersticas de Salida.
Ejemplos de Diferentes
Redes de Polarizacin
Polarizacin Fija o Alimentado en serie
Polarizacin Universal o pordivisor de Tensin
Polarizacin de base
Polarizacin por Retroalimentacionde Emisor
Polarizacin por Retroalimentacionde Colector
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Circuito de Polarizacin Fija o Alimentado en Serie
Es el circuito ms sencillo, pero tambin el msinestable respecto a las variaciones de la temperatura.
Del circuito es fcil obtener la relacinque existe entre la IC y el VCE del
transistor, aplicando la ley de Kirchoff
resultando:
CCCECC RIVV
Esta expresin se conoce comoEcuacin de la Recta de Carga. En
ella Vcc y RC son constantes, y VCE e
IC son las variables.
Circuito de Polarizacin Fija o Alimentado en Serie
La interseccin entre esta recta de carga con la curvacaracterstica de salida del transistor determina el punto de
reposo Q.
Para trazar la recta en elplano IC = f (VCE) es
suficiente con
establecer los puntos de
corte con los ejes de
coordenadas, es decir
cuando IC=0 (punto 1
VCE Max=VCC) ycuando VCE=0 (punto 2
IC Max=VCC/RC).
Circuito de Polarizacin Universal o Por Divisor de Tensin
El circuito con polarizacin universal capaz de compensarlos desequilibrios producidos por la ICB0 (corriente inversa desaturacin o corriente de fuga. Se duplica cada vez que la temperatura
del transistor sube 10C), y VBE.
El circuito est constituido por undivisor de tensin, formado por R1 y R2,
conectado a la base del transistor, y por
una resistencia de emisor RE empleada
para compensacin de temperatura.
Al utilizar el sistema de polarizacinuniversal, la ecuacin de la recta de
carga viene dada por:
ECCCECC RRIVV
El punto de corte con el eje de ordenadas IC, es decir cuandoVCE = 0, se define IC = Vcc /(RC+RE)
Circuito de Polarizacin Universal o Por Divisor de Tensin
En la figura se muestra la recta de carga, en color verdecuando se conecta una RE y en color azul considerando
un circuito equivalente donde la RE = 0.
La seleccin del punto de operacin para un transistor bipolar
depende de la aplicacin
Para aplicaciones de bajoruido y baja potencia se
recomienda el punto A ya que
el transistor trabaja a valores
bajos de la corriente de
colector.
Para aplicaciones de bajoruido y ganancias de
potencia altas se recomienda
el punto B.
Para gran potencia de salida, en operacin clase A, serecomienda el punto C.
Para potencia de salida alta y mejor eficiencia, eltransistor trabaja en clase AB o B usando el punto D.
Consideraciones Iniciales de Diseo
Los datos necesarios para el diseo que se debenproponer considerando que el diseo normalmente
est orientado a ciertas necesidades de una
aplicacin, es plantear los datos o indagar los
mnimos necesarios a partir de la aplicacin del
circuito; por lo que es importante para empezar con
un diseo establecer los siguientes parmetros
mnimos:
Consideraciones Iniciales de Diseo
1. Ganancia (A).- Se refiere a la amplificacin que se
desea a la salida a partir de una seal de entrada
=Vsal/Vent. Son valores bajos y para el caso dediseo de una etapa de amplificacin se considera
como valor mximo una ganancia de 50 puesto que
cuando mayor es la ganancia la probabilidad de
inestabilidad es mayor (1 Etapa). La solucin para
niveles de amplificacin mayores, es repartir la
ganancia en etapas, es decir conectar varios
amplificadores en cascada.
Consideraciones Iniciales de Diseo
2. Voltaje de Salida (Vent).- Es el voltaje que se desea
obtener a la salida. Para amplificadores de seal se
manejan bajos voltajes (mV), es poco usual tener voltajes
en el orden de decenas e incluso centenas de voltios para
una sola etapa.
3. Impedancia de Entrada (Zent).- Es la impedancia del
amplificador que va a observar la etapa que le proveer
de la seal, es decir, el generador (por ejemplo un
micrfono). Esta impedancia debe ser mayor o igual a
ms o menos diez veces la resistencia interna del
generador para obtener todo el valor de la seal en las
terminales de entrada del circuito ya que se desea
amplificar toda la seal de entrada ms no obtener
mxima transferencia de potencia.
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Consideraciones Iniciales de Diseo
4. Carga (ZL).- Es el valor de impedancia de la etapa
siguiente la cual fungir como cara del amplificador, en
otras palabras, lo que se va a conectar al amplificador a
su salida. Esta normalmente debe manejar una
resistencia cuyo valor oscile en las decenas de ohmios o
unidades de K.
5. .- Valor caracterstico del transistor a ser utilizado
obtenido en manuales del fabricante. El valor de paraBJTs de seal es alto, por ejemplo un valor tpicoutilizado es 100 para el transistor 2N3904.
6. Frecuencia de Trabajo (f).- Valor de frecuencia a la cual
va a estar operando el circuito amplificador.
Consideraciones Iniciales de Diseo
Las posibilidades del Transistor como Amplificador
Lineal a muy Altas Frecuencias estn indicadas en parte
por FT.
7. FT.- Es la frecuencia para la cual el mdulo de la ganancia
de corriente en la configuracin emisor comn para
seales dbiles alcanza por extrapolacin la unidad. En
funcin del modelo hbrido viene dada por:
CC
gF mT
2
1
El parmetro FT depende a su vez de la intensidad de colector
y de la tensin colector base en el punto de trabajo.
Caractersticas EstticasANLISIS EN CONTINUA O EN CD
Circuito Equivalente en CD Recta de Carga en CD
Curvas Caractersticas del
BC547B
El amplificador en emisorcomn es una de las
configuraciones ms
utilizadas, debido a
sus elevadas ganancias
tanto de tensin como de
corriente, y al hecho de
tener unas impedancias
de entrada y salida con
valores intermedios, lo
que le hace ideal para
etapas intermedias.
Anlisis en CD
C1 y C2 son capacitores de Acoplo, mientras que CE es un
capacitor de desacoplo.
Por qu se usan condensadores y NO se hace la
conexin directamente?
Anlisis en CD
Los CONDENSADORES DE ACOPLO se usan paraacoplar (o sea conectar) el amplificador con las
etapas anterior y posterior.
Porque, por una conexin directa circula cualquier tipo
de seal adems de la seal a amplificar; como por
ejemplo la corriente de polarizacin que circula por R1 y
R2 la cual fija el punto de trabajo del transistor. Esto es
algo que no se puede permitir, ya que el punto de
trabajo variar en funcin de la impedancia de entrada o
salida que se establezca.
Sin embargo los condensadores, al tener unaimpedancia variable de manera decreciente con la
frecuencia ( para CD, 0 para una frecuencia lo
suficientemente alta), permitirn que la tensin en la
base (o el colector) permanezca estable y dejarn
pasar la seal a amplificar (alterna) como si de un
conductor se tratase.
Anlisis en CD
El CONDENSADOR DE DESACOPLO se usa paradesacoplar (o sea desconectar) la resistencia de
emisor (RE).
Porqu se quiere desconectar la resistencia de
emisor?
Para responder a la pregunta es necesario recordar por
qu se incluy en el montaje
Los transistores bipolares tienen una ganancia decorriente o hfe muy inestable frente avariaciones de temperatura o del componente,
pudiendo llegar a duplicarse.
Anlisis en CD
Normalmente en las hojas de datos del fabricante lonico que se especifica sobre la ganancia es que
est en un intervalo determinado por ejemplo
200 450.
La resistencia de emisor (RE) proporciona estabilidaden el punto de trabajo frente a estas variaciones,
pero limita mucho la ganancia.
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La estabilidad del punto de funcionamiento encontinua Q es mayor cuanto ms grande sea la
resistencia RE, pero un valor muy elevado de esta
reducira considerablemente la corriente de
colector IC y en consecuencia la amplitud de una
posible seal de salida del amplificador; por
esta razn es necesario encontrar un valor de
compromiso para la RE. La RE suele ser menor que la
RC, siendo algunas de las reglas prcticas vlidas
las siguientes:
1. RE 0.25 RC.
2. 10 RE > RB 5 RE (RB/RE < 10)
3. VE 10% VCC.
4. 2 > VE 4 A partir de VE y IEse puede calcular
RE.
Al incluir el condensador de desacoplo, semantiene la estabilidad del punto de trabajo (ya que la
corriente continua seguir pasando por RE) pero se
aumenta la ganancia en alterna al comportarse el
condensador como un cortocircuito para esta seal de
haciendo desaparecer los efectos de la RE.
Lo primero que se debe hacer para analizar elcomportamiento de un amplificador, es el Anlisis en
CD.; es decir, calcular el punto de trabajo del transistor.
Se trabaja con el cto. equivalente en CD, el cual seobtiene de manera bastante simple: basta con fijarse
en que lo nico que cambia son los condensadores e
inductores que en continua se comportarn como
circuitos abiertos y cortos circuitos respectivamente
desapareciendo del circuito.
Anlisis en CD Una vez determinada la recta de carga, se debe situarsobre sta el punto de trabajo en el que estar el
transistor.
Puesto que normalmente se trabaja con un transistorde elevada ganancia, se pueden hacer ciertas
suposiciones que faciliten el anlisis de continua.
Esta elevada ganancia nos lleva a que IB seadespreciable con respecto al resto de
corrientes del circuito, por lo que se puede suponer:
1. El voltaje en la base VBB ser el fijado por el divisor de
tensin formado por R1 y R2, ya que se puede suponer
que por la base casi no circula corriente.
2. Puesto que IB es mucho menor que IC, se puede
suponer IC IE.
Anlisis en CD
De la Malla de Entrada se determina IE; mientras quela Malla de Salida establece el VCE.
El circuito, en ausencia de seal, permanecer estable ensu punto de trabajo, manteniendo en el colector una tensin
constante VCE, que no pasar el condensador de salida al
ser continua lo que har que Vo = 0V.
La corriente de colector IC (calculada en el anlisis de
CD) es independiente de la ganancia de corriente en
continua del transistor, y por lo tanto la sustitucin deun transistor por otro de la misma serie, con un valor
de distinto no perturba el punto de reposo Q.
Anlisis en CA
Al introducir una seal de CD en la entrada, el punto detrabajo variar a lo largo de la recta de carga de la
siguiente forma:
Si se alimenta una seal sinusoidal vara la tensin enla base, de tal forma que a ms tensin en la base,
ms IB y por tanto ms IC, mientras que a menos
tensin en la base, menos IB y por tanto menos IC.
Esto se traduce en que el punto de trabajo se desplazaa la izquierda (IC , VCE ) cuando la seal deentrada es mayor que cero y a la derecha (IC ,VCE ) cuando es menor que cero.
Anlisis en CA
Al decir que el punto de trabajo se desplaza a lo largo de larecta de carga, no nos referimos a la recta de carga hallada
para CD. En CA la recta de carga vara su pendiente debido
a que en la malla de salida la resistencia ahora NO es
RC + RE, ya que RE desaparece por efecto del condensador
de desacoplo quedando solo RC.
Por otra parte, en CD la salida estaba abierta debido alcondensador de acoplo de salida, pero en CA, dicho
condensador se comportar como un conductor, de tal
forma que la CA pasar por la RC y tambin por la RL,
motivando que se tenga que dividir entre las dos
resistencias, por lo que en CA la pendiente de la recta de
carga ser:
LC RR ||
1
Anlisis en CA
En caso de NO existir el capacitor de desacoplo lapendiente quedara:
LCE RRR ||
1
Caractersticas DinmicasANLISIS EN ALTERNA O EN CA
Circuito Equivalente en CA Recta de Carga en CA
Anlisis en CA Se puede observar que la pendiente es mayor, debido aque la resistencia es menor. Esto va a ocasionar que la
recta de carga NO corte al eje horizontal en VCC, si no en un
punto inferior. Este punto es fcil de hallar
geomtricamente:
)||()()()( LCQCEQCEcorteCE RRIVV
Una consecuencia relevante de esto es que ahora latensin mxima en el transistor NO ser VCC si no inferior.
Esto significa que la variacin mxima del punto de trabajo
hacia la derecha va a estar limitada a:
)()((max) QCEcorteCESal VVV
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La variacin mxima a la que puede someterse elpunto de trabajo se denomina Margen Dinmico y
representa el valor de pico mximo de la onda a la
salida.
Ntese que el hecho de incluir condensador dedesacoplo y resistencia de carga nos limita
notablemente el margen dinmico.
El margen dinmico ser un factor a tener en cuenta ala hora de calcular el valor mximo que pueden tener
las seales a la entrada para que NO SATURE el
amplificador.
Circuito Equivalente en CA
Para estudiar las variaciones del punto de trabajo frente apequeas variaciones de IB se emplea el circuito
equivalente en CA.
Este circuito usa un modelo lineal para aproximar elcomportamiento del transistor en esta situacin.
El modelo que regularmente se emplea es el Modelo T o deEbers-Moll, que consiste en cambiar el transistor por una
fuente de corriente con una resistencia como se muestra en
la figura.
Circuito Equivalente en CA
Para halla el circuito equivalente en CA se procede de lasiguiente forma:
1. Se eliminan los condensadores, ya
que si se han calculado bien, se
comportarn como un cortocircuito
permitiendo que entre la seal a
amplificar y salga la seal
amplificada. Si adems de los
condensadores de acoplo se usa un
condensador de desacoplo en
emisor, RE quedar cortocircuitada
para la CA, por lo que no aparecer
en el circuito equivalente.
Circuito Equivalente en CA
2. Puesto que se va a hacer el anlisis solo para CA,
se elimina la fuente de continua cortocircuitndola
(recordar el teorema de superposicin). Esto hace
que las terminales de RC y R1 que estaban
conectadas a VCC queden ahora conectadas a
masa.
Circuito Equivalente en CA
3. Al quedar R1 y R2 en
paralelo, se pueden
sustituir por su resistencia
equivalente RBB = R1 // R2.
4. Se sustituye el
transistor por su
modelo equivalente
para pequea seal.
A partir del circuito de CA se puede hallar los valores ms
relevantes del amplificador: Ganancia de Tensin, Impedancia de
Entrada e Impedancia de Salida.
Determinando la Ganancia de Tensin V
Donde: sal
ent
i
O
V
V
V
VV
Eeent IrV CCsal IRV
e
C
sal
ent
Ce
CC
Ee
CC
sal
ent
r
R
V
V
Ir
IR
Ir
IR
V
V
La ganancia es negativa porque el amplificador en configuracin
de emisor comn desfasa la seal de salida 180. Recordar que
VCE disminuye al aumentar Vent y aumenta en caso contrario.
Determinando la Ganancia de Tensin V
Ee
LC
sal
ent
Rr
RR
V
V
||
En caso de que el circuito cuente con resistencia decarga (RL) y/o de Emisor (RE) la expresin de la
ganancia en tensin se modifica, siendo el caso ms
general:
Como se puede constatar , al ser mucho mayor RE que re,
el efecto sobre la ganancia va a ser drstico, de ah la
importancia de usar el capacitor de desacoplo CE.
Los valores de ganancia reales sern algo menores debido a la respuesta en frecuencia del circuito.
Todo lo que est en colector para seal dividido por todo lo que est
en emisor para seal
Impedancia de Entrada Zent
La caracterstica de entrada en un transistorrelaciona dos magnitudes de entrada con una de
salida.
En el caso de la configuracin en emisor comnse tiene la corriente de base en funcin de la
tensin base-emisor, para distintos valores de
tensin colector-emisor.
La corriente de base y la tensin base-emisor sonvariables de entrada, mientras que la tensin
colector-emisor es una magnitud de salida.
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Impedancia de Entrada Zent
Si se tiene una configuracin en base comn, sucaracterstica de entrada relacionar la corriente del
emisor con la tensin emisor-base, utilizando la
tensin colector-base como parmetro. La corriente
de emisor y la tensin emisor-base con las
magnitudes de entrada.
La figura muestra las diferentescaractersticas de entrada de dos
transistores NPN de germanio y
silicio respectivamente en funcin
del voltaje base-emisor para dos
valores del voltaje colector-
emisor.
Impedancia de Entrada Zent
A nivel circuito, la impedancia de Entrada estformada por 3 impedancia en paralelo
e
b
eb
b
ebb
b
eE
ent
entTent r
i
ri
i
rii
i
rI
i
VZ )1(
)1()(
Luego:
eent rRRZ )1(|||| 21
Impedancia de Entrada Zent
Es comn emplear para el valor intermedio delrango proporcionado por el fabricante.
Ntese que el bajo valor de re hace que laimpedancia de entrada no pueda ser todo lo elevada
que se deseara en un amplificador de tensin, Ya
que aunque aumentemos el valor de las resistencias
de la red de polarizacin, al estar re en paralelo nos
sigue bajando este valor.
En base a lo anterior, la nica manera de tener unaZent(T) elevada es sacrificando la ganancia de tensin
NO usando el capacitor CE.
)()1(|||| 21)( EeTent RrRRZ
Impedancia de Entrada Zent
Para el diseo de un circuito en configuracin emisorcomn es necesario tener muy en cuenta que se
cumpla la condicin de la Impedancia de Entrada por
lo tanto:
Analizando la expresin de la Impedancia deEntrada se puede deducir que la peor condicin
para que se cumpla esta es que Rent(T) sea al
menos Rent; remplazando esta condicin en la
ecuacin de Rent(T) se obtiene:
entTent RR )(
entEe RRr ))(1(
Impedancia de Entrada Zent
Empleando la ecuacin de la ganancia de tensin.
ent
eqR
V
R
)1(
Ee
eq
LCeq
Ee
LC
Rr
RVRRRsea
Rr
RRV
||
||
Despejando re + RE
V
RRr
eq
Ee
enteq RV
R)1(
Por lo que
Con esta ecuacin se puede obtener el valor de RC con el cual se
empieza el diseo.
Impedancia de Salida Zsal(T)
La caracterstica de salida tiene dos de las tresmagnitudes pertenecientes al circuito de salida.
Las curvas que relacionan la corriente de colector, lade base y la tensin emisor-colector son
caractersticas de salida en configuracin emisor
comn.
Las que relacionan lacorriente de emisor, la de
colector y la tensin colector-
base son las curvas
correspondientes a una
configuracin en base
comn.
Impedancia de Salida Zsal(T)
La impedancia de Salida es:
C
c
cC
sal
salTsal R
i
iR
i
VZ )(
A partir de estos datos se puede tratar al circuitodesde el exterior como un amplificador de tensin, lo
que facilitar notablemente el anlisis.
Zsal(T)
-V * Vent
Zent(T)
A
c
o
p
l
a
d
o
r
A
c
o
p
l
a
d
o
r
Redes Acopladoras
Se necesita disear los acoplamientos de entrada ysalida del dispositivo. Los acoplamientos son redesque transforman la entrada y salida del dispositivo aun valor determinado (requerido) siendo un valorcomn 50 .
Red Tipo L
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N O T A S
V
VV
sal
ent
(max)
(max)
Un factor importante a tener en cuenta es el valormximo de la seal a la entrada que se puede
aplicar sin que se produzca distorsin.
Este se puede hallar fcilmente con solo tener encuenta que:
Dentro del diseo tambin existen otrascondiciones para evitar recortes en la seal de
salida las cuales se pueden especificar con la
ayuda de las curvas caractersticas del transistor.
N O T A S
)(
)(
)( pkSal
eq
CRC
eq
pkSal
C
RCpkSalC V
R
RVquelopor
R
V
R
VII
Se obtiene la inecuacin que nos evite distorsionesen la seal de salida.
En la inecuacin el subndice pk indica el valor pico de la
onda.
La eleccin correcta del valor de RC nos permiteobtener valores bajos de VCC pero corrientes altas y
viceversa, por lo que de la expresin de VRC se
puede deducir de la siguiente ,manera:
Si RC > RL VRC 10 Vsal(pk) (aproximadamente 10RL)
Graficando la tabla anterior
Y como se puede observar el VSal(pk) se refiere al delciclo positivo. El eje vertical de voltajes nos va a
ayudar a la explicacin de otras condiciones para que
no exista distorsin. Por ej. para asumir el VE, se
puede observar en el eje que debe ser mayor a
Vent(pk), pero adems se debe sumar 1 V por motivos
de estabilidad trmica en el circuito. Por lo que la
expresin final queda:
La grfica nos permiteobservar lo expresado en
la inecuacin
)(1 pkentE VV
Para el caso del VCE en la grfica se puede observarque debe ser mayor a la suma de Vent(pk) y Vsal(pk),
pero adems se debe aumentar 2 V (Vact) para
garantizar que el transistor trabaje en la regin activa
como se observa en la curva caracterstica del BJT.
)()( pkentactpksalCE VVVV
Ejemplo 2Considerando los siguientes datos: V = 50. Vsal(pk) = 10 V. Rent 3 K.. RL= 2 K . f = 1 KHz y = 90.
Disee un Amplificador en Configuracin de EmisorComn.
Se puede partir el diseo determinando Req a travsde la cual se obtenga RC.
KRR
VR eqenteq 64.13000
91
50
)1(
Ejemplo 2
Considerando un valor comercial cercano el valor dequeda de RC= 10 K. Con este valor la Req=1.714 K.
KRKRRR CLCeq 1.964.1||
Es importante observar el voltaje de salida que se generara
para NO necesitar un VCC muy alto incrementando tambin el
valor de la corriente repercutiendo en una fuente de
polarizacin ms costosa.
Como las resistencias poseen una tolerancia, los valores delas mismas van a oscilar; esto puede ocasionar que se
produzca recortes en la seal de salida por lo que se
multiplican los valores de VRC y VE por un factor de
seguridad que va a depender de la tolerancia, en la
siguiente tabla se muestran algunos factores de seguridad
junto con la tolerancia:
Considerando una tolerancia del 10% (es la mscomnmente utilizada) se continua con la determinacin de
la corriente:
Tolerancia Factor de
Seguridad
1% 1.1
5% 1.15
10% 1.2
20% 1.3
VK
KVRC 011.70)10(
714.1
12
Multiplicando este valor por el factor de seguridad se tieneun VRC 84V por lo que la corriente de colector ser:
mAK
VIC 7
12
84
Se procede a determinar la Resistencia Dinmica enEmisor re.
57.325
E
eI
mVr
El valor de re vara con la temperatura por lo que esnecesaria una resistencia de Emisor (RE) para estabilizar al
circuito trmicamente. A partir de la frmula de ganancia se
despeja el termino (re+ RE).
28.3450
714.1 KRr Ee
Comparando el valor obtenido con el de re se puede concluir que es
estable trmicamente ya que es mucho mayor (aprox 10 veces).
Determinando el valor de RE= 30.71 si la aproximamos a valorescomerciales cercanos, se cuenta con 27 y 33 eligiendo el mayor ya
que ayuda aumentar la rent y la estabilidad de la re.
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Para continuar con el diseo se puede dividir el mismo encircuito de entrada y circuito de salida.
Analizando primeramente el circuito de salida se tiene:
)200(2.050
10)()( mVV
VV
pksal
pkent
Por lo que el VCE queda:
Este valor es opcional de aplicarle el factor de seguridad ya quesi se aumenta el valor de VCC el sobrante se enva a VCE el cual
ya cumple con el valor mnimo que exige la condicin.
Es importante observar el valor caracterstico del VCE deltransistor, ya que si en el clculo se supera este valor, puede
causar daos en el dispositivo. La solucin sera seleccionar otro
transistor con mayor valor de VCE.
VVVVV pkentactpksalCE 2.122.0210)()(
En este problema NO se asume el valor de VE ya que lacondicin de Rent NO se va a cumplir porque existe una
estrecha relacin en lo que tenemos en emisor y lo que hay
en base, las cuales son variables involucradas en la
ecuacin de Rent
Analizando el circuito de entrada:
Como se puede observar si IB es comparable con I2 las variaciones
de IB producirn cambios significativos en I2, haciendo que el voltaje
de base sea variable lo cual nos cambia todas las caractersticas de
la salida por lo que es necesario estabilizar este efecto haciendo
I2 >> IB (estabilidad de polarizacin).
AI
I CB
77
Determinando la Corriente que circula por R1: 21 III B
Si I2= 0.777 mA una buena consideracin es hacerIB 10 veces menor es decir IB=77 A por lo que
I1= 0.85 mA.
Para que sea estable se tiene que cumplir:
RC + RE 100 RB /
Pero el problema es que si RC y RE son muy grandes el
valor de VCE tiene que ser pequeo y puede llegar a
saturacin, por eso NO se puede hacer todo lo grande
que se quiera.
Diseo de un Amplificador de RF de Pequea Seal
Introduccin
Para el Anlisis y Diseo de los Amplificadores de RFse parte de su comportamiento en CD; se puede
cuestionar por qu se empieza justamente en el extremo
opuesto a las frecuencias de inters; la respuesta es que
la polarizacin de CD tiene un efecto importante sobre el
comportamiento en RF.
Lo anterior se debe a que los parmetros relevantes enRF de un transistor son muy dependientes de su
polarizacin de CD, en particular de su corriente de
colector; por lo que se debe conseguir una polarizacin
estable frente a cambios de temperatura.
Hay dos caractersticas importantes que tienen un
efecto profundo sobre el punto de funcionamiento en
CD del transistor: VBE y .
Introduccin
Para minimizar los efectos de estos parmetros, esnecesario recordar que el VBE baja cuando la temperatura
sube 2.5 mV/C y como se sabe, un transistor de Silicio
tiene un VBE=0.7V a 25C, por lo que si el VBE baja, se
permitir fluir ms corriente de base, lo cual ocasionar
ms corriente de colector.
Es necesario implementar mtodos que ayuden a evitar opor lo menos a reducir este comportamiento ya que es
crtico mantener estable la corriente de colector con la
finalidad de mantener estables los parmetros del
transistor aunque cambie la temperatura.
Una de las tcnicas es emplear una resistencia de emisorcuyo clculo fue analizado en el diseo de amplificadores
clase A.
Introduccin Recordando y reafirmando algunos aspectos importantes
del efecto del VE
1. Un descenso en el VBE con la temperatura causa un
aumento en la IE, y por lo tanto un aumento en VE. Este
aumento en VE constituye una retroalimentacin negativa
que tiende a polarizar en reversa la unin base-emisor,
logrando un descenso en la corriente de colector.
Es importante tener en cuenta que tampoco es deseable un
VE demasiado alto ya que puede causar prdida de potencia y
una seal en CA menor.
Puede agregarse un capacitor en paralelo con RE paraanular su comportamiento en RF y mejorando la ganancia
en CA.
Como norma general VE se puede elegir entre 2 y 4 V o como
el 10% del voltaje de polarizacin VCC.
Introduccin2. El segundo factor es la ganancia de corriente en continua
del transistor, . Se debe tener una polarizacin establefrente a los cambios de . stos pueden provenir de:
Cambios en temperatura. Puede variar alrededor de0.5% por C.
Dispersin en fabricacin. Variacin entre unidad yunidad producida del mismo modelo.
El cambio en la corriente de colector respecto de es:
E
BCC
R
RII 1
21
1
Donde:IC1= Corriente de colector en = 1,1= Valor menor de 2= Valor mayor de = 2 - 1RB = Paralelo entre R1 y R2RE= Resistencia del emisor.
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Introduccin
Se puede ver que para disminuir la influencia de sedebe mantener pequea la relacin RB/ RE.
Tambin es importante mencionar que de esta forma sedisminuye adems la ganancia de corriente del
amplificador. Una relacin prctica comnmente
adoptada es que el factor sea menor de 10.
Procedimiento en funcin al tipo de Polarizacin
Polarizacin Universal.
1. Determinar el punto de operacin o trabajo del
transistor (ej. IC,VC, VCC, Psal).
2. Asumir un Valor para VE que considere la Estabilidad
de la Polarizacin (ej. VE=10% VCC, 2< VE 4).
Procedimiento en funcin al tipo de Polarizacin
Polarizacin Universal.
3. Asumir IE IC para transistores con altas Beta.
4. IE y VE se calcula RE, y conociendo VC, VCC e IC se
calcula RC.
5. IC y se calcula IB, y con VE, VBE se calcula VBB(VTH).
6. A partir de los valores obtenidos de VBB, IB se
obtiene IBB y con VCC se calcula R2.
Ejemplo 3: Calcule la potencia de CA que se entrega auna carga de 8 conectada al amplificador de la Figura. Losvalores de las componentes del circuito dan como resultado
una corriente de base en CD de 6 mA, y la seal de entrada
(Vent) da como resultado una oscilacin de la corriente pico
de base igual a 4 mA. El voltaje de polarizacin VCC=10v y
la relacin de vueltas del Transformador es np/ns=3:1.
Calcule adems la potencia de entrada CD, la potencia
disipada por el transistor y la eficiencia del circuito.
Regin de Corte
S
a
t
u
r
a
c
i
n
Curvas Caractersticas del Transistor
IB(CD)
VCEQ(CD)
ICQ(CD)
1.7 18.3
25
255
Modelo Equivalente de un Transistor aplicado en sistemas de R.F.
El transistor, independiente de su tecnologa deoperacin, posee un Modelo de Pequea Seal
bastante distinto al modelo que se utiliza en
frecuencias medias o bajas.
MODELO DEL BJT EN RF(CONFIGURACIN EMISOR COMN)
Componentes del Modelo de RF
rbb.- Resistencia de conexin de base, representa a la
unin del pin conductor a la base del BJT.
rb'e.- Resistencia de entrada, representa a la unin base
emisor, en configuracin emisor comn.
rb'c.- Resistencia de realimentacin, representa a la unin
base colector, en configuracin emisor comn.
rce.- Resistencia de salida, representa al equivalente de
Thevenin que ve la carga.
Ce.- Capacitancia de difusin, en realidad representa la
capacitancia de difusin mas la capacitancia de la
unin del emisor.
Cc.- Capacitancia de realimentacin, representa a la
capacitancia presente en la unin del colector.
Modelo del BJT en RF que incluye las Inductancias de los Conductores Asociados al
BJT, en Configuracin Emisor Comn.
Cmo se describe un Transistor?
Modelo de la Red.
Parmetros Y.
Usualmente se obtienen en transistores de UHF.
Valores medidos usualmente a una frecuencianica.
Los parmetros Y pueden encontrarse en trminos de pequea seal:
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Existe una compleja relacin entre losParmetros Y y los Parmetros S. Losparmetros S podran derivarse en trminos depequea seal, pero es mas usual derivarlos atravs de dispositivos o tcnicasexperimentales que los determinen de maneradirecta (Analizador Vectorial de Redes).
Los modelos de Pequea Seal NO toman en cuenta todos los efectos parsitos mientras que
los mtodos experimentales SI.
Que Son los Parmetros S o Parmetros de Dispersin
Son propiedades usadas en ingeniera elctrica,ingeniera electrnica, e ingeniera de sistemas decomunicacin que se utilizan para describir elcomportamiento elctrico de las redes elctricas linealescuando se someten a varios estmulos de rgimenpermanente por pequeas seales.
Son miembros de una familia de parmetros similaresusados en ingeniera electrnica denominadosparmetros de redes de 2 puertos como por ejemplo losParmetros Y, Parmetros Z y Parmetros H.
A pesar de ser aplicables a cualquier frecuencia, losparmetros-S se usan principalmente en redes queoperan en radiofrecuencia (RF) y frecuencias demicroondas, ya que representan parmetros que son deutilidad particular en RF.
Que Son los Parmetros S o Parmetros de Dispersin
En general, para redes prcticas, los parmetros-Scambian con la frecuencia a la que se miden, raznpor la cual sta debe especificarse para cualquiermedicin de estos parmetros, junto con laimpedancia caracterstica o la impedancia del sistema.
Los parmetros-S se representan en una matriz y porlo tanto obedecen las reglas del lgebra de matrices.
Muchas propiedades elctricas tiles de las redes ode componentes pueden expresarse por medio de losparmetros-S, como por ejemplo la Ganancia,Prdida por Retorno, ROEV, Coeficiente deReflexin y Estabilidad de Amplificacin.
Que Son los Parmetros S o Parmetros de Dispersin
El trmino "dispersin" (del ingls, scattering) esprobablemente ms comn en ingeniera ptica queen ingeniera de RF, pues se refiere al efecto que seobserva cuando una OEM plana incide sobre unaobstruccin o atraviesa medios dielctricos distintos.
En el contexto de los parmetros-S, dispersin serefiere a la forma en que las corrientes y tensionesque se desplazan en una lnea de transmisin sonafectadas cuando se encuentran con unadiscontinuidad debida por la introduccin de una reden una lnea de transmisin. Esto provoca que la ondase encuentre con una impedancia diferente de laimpedancia caracterstica de la lnea.
Parmetros S
Aplicando el anlisis para una red de 2 puertos enconjuncin con la Teora de Lneas de Transmisinrespecto al coeficiente de Reflexin se derivan losparmetros S siendo estos:
2 Parmetros de Reflexin S11 y S22
2 Parmetros de Transmisin S21 y S12
S11 =b1
a1
S12 =b1
a2
S21 =b2
a1
S22 =b2
a2
Transistor
Parmetros S
a1S11 + a2S12b1 =
a1S21 + a2S22b2 =
Coeficiente de Reflexin de Entrada
Coeficiente de Transferencia Inversa
Coeficiente de Reflexin de Salida
Coeficiente de Transferencia Directa
S11 =b1
a1
S12 =b1
a2
S21 =b2
a1
S22 =b2
a2
S11 S12
S21 S22
1. Para Circuitos Recprocos S es simtrica.2. Para Recprocos y de Baja Prdida (S)S* = 1
a1
b1
b2
a2S22
S21
S11
S12
Matriz S
Que se necesita en un Amplificador de RF
Se necesita que S11 sea pequeo. Para que toda lapotencia sea absorbida por el dispositivo,disminuyendo la potencia reflejada reducindose losproblemas con la etapa precedente.
Se necesita que S21 sea elevado. Para asegurar unaganancia elevada.
Se necesita que S22 sea pequeo para que la potenciagenerada en el dispositivo pueda alcanzar la carga.
Se necesita que S12 sea pequeo para que tengamosun buen aislamiento entre el circuito de salida y el deentrada. Facilitando la optimizacin.
Conocimientos Bsicos para el Ingeniero de RF
Manejo o Adaptacin de la Red.
Acoplamiento de Circuitos.
Transformacin de Z-Y y viceversa.
Conversin entre y ZL.
Despliego o Medicin de Parmetros.
VNA (Vector Network Analyzer).
CAD programa que maneje la Carta de Smith para
desplegar los parmetros S.
Conversin entre y ZL.
Que es el coeficiente complejo de reflexin y como es su
representacin vectorial en el diagrama de Argand.