CH_04_Polarización de CD de BJTs

8/18/2019 CH_04_Polarización de CD de BJTs

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2014-0

Circuitos Analógicos

Prof. Ricardo López

(Basado en material del Prof. Abraham Kizner)


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Polarización en CD de los BJT

(Capítulo 4 – Boylestad)

Circuitos Analógicos


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Polarización en CD

Objetivos:

Habilidad de identificar los distintos tipos de

polarización en CD que se pueden usar para

configurar un transistor como un amplificador de

señales de CD.

Capacidad de determinar el punto Q de operación

de un transistor bipolar polarizado en CD.

Identificar las diferentes regiones de operación del

transistor y configurar la red de polarización demanera que el transistor trabaje siempre en la

región activa, para el rango de la señal de CA a

usar.

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Polarización en CD

Polarización: Consiste en la aplicación de voltajes

DC de manera que se fijen valores deseados de

voltajes y corrientes en un circuito y/o dispositivo.

En el caso de amplificadores con BJT, esto

normalmente significa fijar I C y V CE .

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Punto de Operación (Q)

Los voltajes DC

usados (usando

principalmente

resistencias, perotambién

condensadores e

inductores) fija un

punto estable de

operación llamado elpunto Q (quiescent

point ) o punto de

operación .

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Las Tres Regiones de Operación

Región activa (o lineal) de operación

• Unión Base-Emisor (BE) polarizada en directa.

• Unión Base –Colector (BC) polarizada en reversa.

Operación en la región de corte

• La unión BE es polarizada en reversa

Operación en la región de saturación• La unión BE es polarizada en directa

• La unión BC es polarizada en directa

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Polarización Fija

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Análisis del Lazo Base-Emisor Utilizando la Ley de Voltaje

de Kirchhoff:

Resolviendo para la corriente

de base:

+V CC – I BR B – V BE = 0

B

BE CC

BR

V V I

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Análisis del Lazo Colector-Emisor

Corriente de Colector:

Aplicando la Ley de Voltaje de

Kirchhoff:

BC I I

C C CC CE R I V V

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Saturación

Saturación es cuando un sistema ha alcanzado su(s)

valor(es) máximo(s).

Cuando el BJT está operando en saturación, la corriente

que pasa por el transistor es la máxima posible (sólolimitada por los componentes en la malla de colector –

emisor CE).

C R CC

V

Csat I

V CE

V 0

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Nivel de Saturación

VCEcorte: ICsat:

Los puntos terminales de la línea de carga se determinanasí:

mA0 I

V V

C

CC CE

E R

C R

CC V

C I

V CE

V0

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Análisis de la Línea de Carga

ICsat

I C = V CC / R CV CE = 0 V

VCEcorteV CE = V CC

I C = 0 mA

El punto Q de operación está determinado por el valor del resistor

R B, que a su vez define el valor de I BQ, la cual controla los valores de

V CEQ é I CQ (las coordenadas del punto Q) .

Los puntos terminales de la

línea de carga son:

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Efecto de V CC en la posición del punto Q

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Efecto de R C en el punto Q

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Efecto de I B en el punto Q

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Polarización de Emisor Estabilizado En este caso, se

agrega un resistor

(R E ) al circuito delemisor que estabiliza

el circuito de

polarización.

Se le conoce tambiéncomo resistor

degenerativo de

emisor.

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Malla Base-Emisor

Utilizando la Ley de Voltaje

de Kirchhoff:

01 E B BE B BCC R )I ( β V R I V

0R I V R I V E E BE E E CC

E B

BE CC B

)R( β R

V V I

1

Dado que I E = ( + 1)I B:

Resolviendo para I B:

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Principio de Reflexión de Impedancias

La ecuación del slide anterior,

se puede representar como el

circuito de la derecha:

01 E B BE B BCC R )I ( β V R I V


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Principio de Reflexión de Impedancias

La resistencia vista desde labase es ( +1) veces la

resistencia total de emisor.

En nuestro caso, R E , vista desde

la base, es igual a ( +1)R E .

IMPORTANTE: los voltajes se

conservan iguales. 20

( +1)I B


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Malla Colector-Emisor

Utilizando la Ley de Voltaje

de Kirchhoff (LVK):

0V R I V R I CC C C CE E E

Dado que: I E I C :

)R (R – I V V E C C CC CE

También:

E BE B RCC B

C C CC E CE C

E E E

C C

V V R – I V V

R I V V V V

R I V

I I

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Mejora de Estabilidad con la

Polarización Usada

La Estabilidad se refiere en este caso a la condición en la

que las corrientes y voltajes se mantienen relativamente

constantes en un rango amplio de temperaturas y valoresde beta del transistor ( ).

Al incluir el resistor de emisor, R E , se

mejora la estabilidad del transistorgracias a la retroalimentación

negativa introducida.

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Polarización Usando el Divisor de Voltaje

Las corrientes yvoltajes son casi

independientes de

cualquier valor de .

Este es un c ircu i to de polar ización muy estable.

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Análisis Exacto

Notar que se puede separarlas mallas de BE y de CE

En la malla BE, se calcula el

equivalente de Thévenin:

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= 2 =2

+ 2, = 2

Usar reflexión de impedanciaso mallas para resolver el ckto

de BE con V TH y R TH :

= −

+ + 1


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Análisis Exacto (cont.)

Una vez conocido I B, se halla

I C = I B

Y luego, resolviendo la malla CE para hallar V CE , se obtiene elmismo resultado que el caso anterior de emisor polarizado:

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)R (R – I V V E C C CC CE


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Análisis Aproximado

Cuando I B


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Polarización por Divisor de Voltaje

(cont.)

E C

CC Cmax Csat

R R

V I I

Corte: Saturación:

mA0 I

V V

C

CC CE

V0 V CE

E R

C R

CC V

C I

Análisis de la Línea de Carga:

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Saturación:


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Polarización de DC con Voltaje de

Retroalimentación

Otra manera de mejorar la

estabilidad de un circuito de

polarización es agregar uncircuito de retroalimentación

de colector a base.

En este circuito de

polarización, el punto-Q es

sólo ligeramente dependiente

del valor de beta del transistor

().

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Malla Base-Emisor

)R β(R R

V V I

E C B

BE CC B

Usando la Ley de Voltaje deKirchhoff:

0 E E BE F BC C CC R –I –V R –I R I –V

Donde I B


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Aplicando la Ley de Voltaje de

Kirchhoff:

I E R E + V CE + I’ C R C – V CC = 0

Dado que I C I C and I C = I B:

I C (R C + R E ) + V CE – V CC =0

Resolviendo para V CE :

V CE = V CC – I C (R C + R E )

Malla Colector-Emisor

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Análisis de la Polarización Base-Emisor

E C

CC Cmax Csat

R R

V I I

Corte Saturación

mA0I

V V

C

CC CE

V 0V CE

E R

C R

CC V

C I

Análisis de la Línea de Carga

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Saturación


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Polarización de Colector común

(seguidor emisor)

LVK en malla BE:

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0 EE E E BE B B

V R –I –V R –I

E B

BE EE B

R β R

V V I

)1(

LVK en malla CE:

0 E E EE CE R –I V V

E E EE CE R –I V V


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Polarización de Base común

LVK en malla BE:

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0 EE E E BE

V R I V

E

BE EE E

R

V V I

LVK en malla CE:

0 CC C C CE E E EE V R I V R I V

)( E C E CC EE CE R R –I V V V

LVK en malla CB:

0 CC C C EE V R I V

C C CC CB R –I V V


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Otros esquemas de polarización

En general, la receta es:

Hallar la corriente de base I B

Conocida I B, hallar la corriente de colector I C Conocida I C , calcular el voltaje de interés en la malla

de salida

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Otros esquemas de polarización

(Ejemplo)

Acá se usa una

fuente DC simétrica(positiva y negativa)

(revisar más

ejemplos en el libro

de texto)

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Otros esquemas de polarización (cont.)

Para facilitar la

aplicación de LVK

en la malla BE, se

halla el equivalentede Thévenin E TH ,

R TH :

E TH = -11,53V

R TH = 1,73kW

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Otros esquemas de polarización (cont.)

Se reemplaza el

equivalente de

Thévenin y se halla

I B:

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0)1( TH B E B BE TH EE R I R I V E V

= − −

+ + 1 = 35,39


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Diseño de redes de polarización

En la práctica, al diseñar, se conoce la I C,Q y/o V CE,Q

requeridos y se debe hallar los valores de resistores

necesarios

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Ejemplo 1: Diseño de redes de

polarización Se quiere:

I C,Q = 2mA

V CE,Q = 10V

Hallar R 1 y R C .

Pasos:1. Hallar VE2. Hallar VB3. Comparar con

fórmula simplificada

de IB. Calcular R1. 4. Hallar RC usando

LVK en malla CE

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polarización

Se quiere:

I C,Q = I sat /2

I C,sat = 8mAV C,Q = 18V

Hallar RC, RE y RB.

Pasos:1. Hallar RC2. Hallar RE a partir de fórmula para IC,sat3. Calcular IB a partir de I C = I B.

4. Calcular RB a partir de la fórmula para I B. 5. Usar los valores comerciales más

cercanos para RC, R

E y R

B.

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polarización Hay que hallar RC, RE y RB

dados el punto Q y Vcc.

Pasos:1. Hallar VE y luego RE2. Hallar RC a partir de VRC3. Calcular IB a partir de

I C = I B.

4. Calcular RB a partir de

V RB. 5. Usar los valores

comerciales más

cercanos para RC, RE y

RB.

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Circuito abierto

en DC

Circuito abierto

en DC

Circuito abierto

en DC

Criterio de diseño

Criterio de diseño:

VE = VCC/10


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polarización Hay que hallar RC, RE, R1 y

R2 dados el punto Q y VCC.

Pasos:1. Hallar VE, RE y RC como

en el ejemplo anterior

2. Hallar VB3. Usar el criterio de

simplificación R2


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Espejos de Corriente (current mirrors)

• Son circuitos en los cuales la corriente en la salida es

controlada por la corriente en otro punto del circuito.

• Se basa en que los dos transistores usados son

idénticos

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=

= −


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Fuente de Corriente Constante

Son circuitos que proveen de una corriente constante a una

carga, independientemente del valor de la carga

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= −

+ 2

= +

= − 0,7


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Fuente de Corriente Constante con

Zener Similar al anterior circuito, pero esta vez la corriente sólo

depende de RE y del voltaje zener, que es muy constante

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≈ = −

Notar que el voltaje de

alimentación, V EE , no influyesobre la corriente de salida


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Transistores PNP

El análisis para los circuitos de polarización que

usan transistores PNP es el mismo que para los

circuitos con transistores NPN.

La única diferencia es que las corrientes fluyen

en la dirección opuesta y los voltajes son de la

polaridad opuesta.

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Redes de Conmutación con Transistores

Transistores a los que se les aplica solo un voltaje CD

pueden ser usados como conmutadores electrónicos.

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Cálculos en Circuitos de Conmutación

C

CC Csat

R

V I

dc

Csat

B β

I I

Csat

CEsatONsat

I

VR R

CEO

CCoff cutoff

I

VR R

Corriente de Saturación:

Para asegurar

saturación:

Resistencia Colector-

Emisor en saturación

y en corte:

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Tiempo de Conmutación

Existen los transistores de

conmutación (switching

transistors) que pueden

cambiar sus niveles de

corriente muy rápidamente

(escala de tiempo típica: decenas de

nanosegundos)

d r on t t t

f soff t t t

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Variación del punto Q con la temperatura

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25°C 100°C


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Controlador de relé (Relay driver )

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Recordar el efecto del pico inductivo… ¡este es un caso

donde ello ocurre!

SIEMPRE usar un diodo de carrera libre (flyback diode o

snubber diode)


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Controlador de relé (Relay driver )

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Control de luz

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Cuando el foco incandescente está frío, su resistencia es

menor que cuando está caliente

Usar una resistencia que limite la corriente al encender el

foco por primera vez


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Compuertas Lógicas

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Indicador de Voltaje

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El potenciómetro se ajusta para que a 9V el zener y el BJT

conduzcan


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Conclusiones

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• El punto Q o punto de operación define la región en la

que el BJT trabajará en DC

• Para operación lineal (como amplificador), el punto Q no

debe estar cerca de los límites de la región activa

• El análisis en DC del BJT normalmente empieza porhallar I B

• Cuando se analiza un circuito en DC, los condensadores

son circuitos abiertos

• La corriente de saturación está determinada por elcircuito alrededor del BJT

• La recta de carga del BJT se halla analizando la malla de

salida (malla CE)


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Conclusiones (cont.)

• La polarización con emisor estabilizado es poco sensible

a cambios en

• La polarización con divisor de voltaje es la más común

debido a que es muy estable ante variaciones de

• La polarización con voltaje de retroalimentación puedeproveer estabilidad frente a cambios en si las

resistencias de C y E reflejadas a la base son mayores

que el resistor de retroalimentación RF

• En configuración base común, es útil hallar IE primero• En conmutación, el BJT oscila entre corte y saturación

• varía con la T°, VBE disminuye con la T° y ICBO se

duplica por cada 10°C de aumento de T°

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