Construcción del Transistor bjt

Construcción del Transistor

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas, compuesto ya sea de dos capas de material tipo N y una de tipo P o dos capas de material tipo P y una de tipo N. El primero se denomina transistor NPN, en tanto que el último recibe el nombre de transistorPNP. Ambos se muestran en la figura 2.2 con la polarización de CD adecuada. En el capítulo 3 encontraremos que la polarización de CD es necesaria para establecer una región de operación apropiada para la amplificación de CA. Las capas exteriores del transistor son materiales semiconductores con altos niveles de dopado, y que tienen anchos mucho mayores que los correspondientes al material emparedado de tipo P o N. En los transistores que se muestran en la figura 2.2, la relación entre el ancho total y el de la capa central es de 0.150/0.001 = 150:1. El dopado de la capa emparedada es también considerablemente menor que el de las capas exteriores (por lo general de 10:1 o menos). Este menor nivel de dopado reduce la conductividad (incrementa la resistencia) de este material al limitar el número de portadores "libres".

En la polarización que se muestra en la figura 2.2, las terminales se han indicado mediante letras mayúsculas, E para el emisor, C para el colector y B para la base. Una justificación respecto a la elección de esta notación se presentará cuando estudiemos la operación básica del transistor. La abreviatura BJT (bipolar junction transistor = transistor de unión bipolar) se aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si sólo uno de los portadores se emplea (electrón o hueco), se considera que el dispositivo es unipolar.


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Principios del bjt

Durante el periodo 1904-1947, el tubo de vacío fue sin duda el dispositivo electrónico de interés y desarrollo. En 1904, el diodo de tubo de vacío fue introducido por J. A. Fleming. Poco después, en 1906, Lee, De Forest agregó un tercer elemento, denominado rejilla de control, al tubo de vacío, lo que originó el primer amplificador: el triodo. En los años siguientes, la radio y la televisión brindaron un gran impulso a la industria de tubos electrónicos. La producción aumentó de cerca de 1 millón de tubos en 1922 hasta aproximadamente 100 millones en 1937. A principios de la década de los treinta el tétrodo de cuatro elementos y el péntodo de cinco elementos se distinguieron en la industria de tubos electrónicos. Durante los años subsecuentes, la industria se convirtió en una de primera importancia y se lograron avances rápidos en el diseño, las técnicas de manufactura, las aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia y la miniaturización.

Sin embargo, el 23 de diciembre de 1947 la industria electrónica atestiguó el advenimiento de una dirección de interés y desarrollo completamente nueva. Fue en el transcurso de la tarde de ese día que Walter H. Brattain y John Bardeen demostraron el efecto amplificador del primer transistor en los Bell Telephone Laboratorios. El transistor original (un transistor de punto de contacto) se muestra en la figura 3.1. De inmediato, las ventajas de este dispositivo de estado sólido de tres terminales sobre el tubo electrónico fueron evidentes: era más pequeño y ligero; no tenía requerimientos de filamentos o pérdidas térmicas; ofrecía una construcción de mayor resistencia y resultaba más eficiente porque el propio dispositivo absorbía menos potencia; instantáneamente estaba listo para utilizarse, sin requerir de un periodo de calentamiento; además, eran posibles voltajes de operación más bajos. Todos los amplificadores (dispositivos que incrementan el nivel de voltaje, corriente o potencia) tienen al menos tres terminales con una de ellas controlando el flujo entre las otras dos.


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El oscilador armónico en mecánica cuántica

El estudio del oscilador armónico tiene especial importancia en el estudio de las vibraciones de las partículas, en la Física del Láser y en el estudio de los Sólidos. La ecuación de Schrödinger unidimensional e independiente del tiempo está dada por Donde Y es la función de onda que buscamos. La energía potencial de un oscilador armónico es Ep=kx2/2, donde k es la constante elástica y m la masa de la partícula.

Debemos hacer un cambio de variables del tipo: La ecuación de Schrödinger se transforma en otra más simple. Los niveles de energía vienen dados por e =1, 3, 5,7... (2n+1) Las funciones de onda son entonces F (u)=N H(u)exp(-u2/2), siendo H(u) los polinomios de Hermite, que frecuentemente se encuentran tabulados. Un oscilador armónico de constante k y masa m, tiene una frecuencia propia de oscilación w0 Volviendo a las variables originales tenemos los niveles de energía del oscilador: Y he aquí la conclusión importante: el primer nivel energético del oscilador armónico cuántico no es cero.

La masa colgada del resorte forma un oscilador armónico.

Historia: Estudios sobre el oscilador armónico Marcos Moshinsky fue un físico e investigador mexicano de origen ucraniano. Sus aplicaciones de la teoría matemática de los grupos a los problemas de la estructura nuclear le han dado fama universal. Ha publicado más de 140 escritos, entre ellos: Tablas de paréntesis de transformación (1967) y The Harmonic Oscillator in Modern Physics: from Atoms to Quarks (El oscilador armónico en la física moderna: de los átomos a los quarks, 1969).

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Oscilador Colpitts

El oscilador Colpitts es un circuito electrónico basado en un oscilador LC diseñado por Edwin H. Colpitts. Se trata de un oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia determinada sin que exista una entrada.

Oscilador Colpitts.

El oscilador Colpitts es un tipo de oscilador el cual es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1 Mhz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley. Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos condensadores: C1 y C2. De la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrán tensiones opuestas. La realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistenciay un condensador La bobina L2 (choke) se utiliza para evitar que la señal alterna pase a la fuente Vcc Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 30 Mhz a 300 Mhz. A estas frecuencias sería muy difícil utilizar el oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas. La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por:

Donde:

L = L1

Notas:
- R1 puede ser un resistor variable (potenciómetro) para ajustar la magnitud de la señal de la salida que se realimenta a la entrada.

Análisis

Apartir de los criterios de Barkhausen y del modelo equivalente del transistor se pueden obtener las siguientes expresiones:
Frecuencia de oscilación:

Condición arranque para que el circuito empiece a oscilar espontáneamente es la siguiente:


si el transistor utilizado es un BJT:

si el transistor utilizado es un FET:
                                                          gm > 0

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osciladores LC. 8va publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador RF

Es un dispositivo electrónico, el cual genera una tensión oscilante a frecuencias típicas de radiofrecuencia.

Oscilador RF

Características

Lo que se le pide a un oscilador RF es:

• 
  
  que arranque automáticamente al conectarlo.
• 
  
  que sea estable en frecuencia ante fenómenos como vibraciones, cambios de temperatura, cambios en la tensión de alimentación, etc.
• 
  
  que cuando sea de frecuencia variable, varíe su frecuencia de manera repetitiva
• que cuando sea de frecuencia variable, llegue rápidamente a la nueva frecuencia
  
• 
  
  que cuando se le conecte otro componente electrónico a la salida, la carga no genere un cambio en la frecuencia
• 
  
  que tenga poca distorsión
• 
  
  que tenga bajo ruido de fase.

Tipos de osciladores RF

Los osciladores de radiofrecuencia pueden ser de varios tipos. Los más comunes son:

Osciladores Pierce, a cuarzo o cerámicos

Osciladores LC : Hartley, Colpitts , Vackar, Seiler, Clapp

Osciladores por frecuencia sintetizada

Cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Los osciladores Pierce a cuarzo utilizan un cristal de cuarzo, el cual una vez en resonancia confiere al circuito una gran estabilidad en frecuencia, pero exactamente por ese motivo es difícil obtener osciladores de frecuencia variable: las excursiones de frecuencia son limitadas.

Cuando el oscilador Pierce usa un componente cerámico en vez de un cristal de cuarzo, entonces las excursiones de frecuencia son algo más importantes, pero eso se logra a costa de la estabilidad en frecuencia. También son más sensibles a la temperatura.

Los osciladores LC son más sencillos, y variando la capacitancia o la inductancia de algunos componentes es posible obtener osciladores variables. Sin embargo, la construcción mecánica es delicada, y más allá de los 15 MHz son bastante inestables: la frecuencia "deriva". Algunos, como el Hartley, tienen un contenido de armónicos muy rico, lo que obliga a filtrar cuidadosamente la señal para eliminar esos armónicos. El Colpitts es sumamente utilizado. El Vackar es muy estable pero requiere en su versión original algunos componentes muy caros o difíciles de obtener. El Seiler y el Clapp son mejoras del Colpitts.

Los osciladores por frecuencia sintetizada son producidos por circuitos integrados especiales. Sin embargo, esos circuitos integrados son caros y difíciles de soldar, lo que limita su uso en los proyectos del radioaficionado menos equipado. Además, codificar una frecuencia suele requerir un microprocesador para controlarlo, lo cual complica el diseño. Finalmente, estos sintetizadores de frecuencia suelen introducir un molesto ruido de fase.

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osciladores LC. 7ma publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador Pierce y oscilador de cristal

Oscilador Pierce
El oscilador Pierce es un oscilador en el cual el circuito resonante LC es reemplazado por un cristal de cuarzo, X en la figura.

Oscilador Pierce

El modelo de un cristal de cuarzo puede describirse por un circuito equivalente, compuesto de la conexión en paralelo entre:

una inductancia L, a su vez en serie con una resistencia R y un condensador C1, y
un condensador C2

El cristal de cuarzo tiene un factor Q (factor de mérito o factor de calidad) sumamente elevado. Con él se pueden obtener frecuencias estables del orden de las partes por millón.Sus principales ventajas radican en su capacidad de trabajo en altas frecuencias y en mantener estable su frecuencia de trabajo.

Oscilador de cristal

Un oscilador de cristal es aquel oscilador que incluye en su realimentación un resonador piezoeléctrico.

Características

El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador.

La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25 °C, en el margen de 0 a 70 °C.

Estos osciladores admiten un pequeño ajuste de frecuencia, con un condensador en serie con el resonador, que aproxima la frecuencia de este, de la resonancia serie a la paralela. Este ajuste se puede utilizar en los VCO para modular su salida.

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osciladores LC. 6ta publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador Vackar y Oscilador Seiler

Oscilador Vackar
El Oscilador Vackar es un oscilador LC mejorado y diseñado para ser estable en frecuencia. Su descripción puede encontrarse en los ARRL Handbook posteriores al año 2000.

Se parece al oscilador Colpitts o bien al oscilador Clapp en que utiliza una red complicada de circuitos LC como oscilador tanque. Difiere en que su nivel de salida es relativamente estable sobre el rango de frecuencias, y en que tiene un mayor ancho de banda, comparado con el oscilador Clapp.

Oscilador Seiler
El Oscilador Seiler es un oscilador Colpitts mejorado pero más difícil a poner a punto.

En este oscilador se agrega una capacidad en paralelo y una capacidad en serie entre la bobina y la realimentación del oscilador. Como la capacidad en serie con la bobina le substrae reactancia, por lo tanto la bobina puede tener una inductancia más alta, y por lo tanto, tener un factor Q mayor.

Con esta mejora, la estabilidad mejora un poco. El oscilador Seiler es preferible al Oscilador Clapp cuando se usan varicaps como elementos de control, porque la bobina está conectada a la masa.

Sin embargo, el bajo valor de capacidad de acople en el oscilador Seiler puede provocar una deriva en frecuencia.

Los osciladores Colpitts, Clapp y Seiler cuando usan un MOSFET o FET como elemento de ganancia, pueden requerir una bobina de reactancia suficiente en la puerta S (source).

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osciladores LC. 5ta publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador de puente de Wien

En electrónica un oscilador de puente de Wien es un tipo de oscilador que genera ondas sinusoidales sin necesidad de ninguna señal de entrada. Puede generar un amplio rangos de frecuencias. El puente está compuesto de cuatro resistencias y dos condensadores. El circuito está basado en un puente originalmente desarrollado por Max Wien en 1891. El circuito moderno está derivado de la tesis final de William Hewlett, para obtener el máster en la Universidad de Stanford. Hewlett, junto con David Packard fundaron la empresa Hewlett-Packard. Su primer producto fue el HP 200A, un oscilador de ondas sinusoidales de precisión basado en el puente de Wien. El 200A se convirtió en un instrumento electrónico clásico conocido por su baja distorsión.

Oscilador de puente de Wien clásico

La frecuencia de oscilación está dada por:

Estabilización de amplitud

La clave del oscilador de baja distorsión de Hewlett es una efectiva estabilización de amplitud. La amplitud de los osciladores electrónicos tienden a aumentar hasta que la señal es recortada o se alcanza alguna limitación de ganancia. Esto lleva a una distorsión de los armónicos de frecuencias altas, lo que en la mayoría de los casos es un efecto indeseado.

Hewlett usó una lámpara incandescente en la realimentación del oscilador para limitar la ganancia. La resistencia de las lámparas incandescentes (así como otros elementos similares que producen calor) aumenta a medida que su temperatura aumenta. Si la frecuencia de oscilación es significativamente superior que la constante térmica del elemento que produce calor, la potencia irradiada será proporcional a la potencia del oscilador. Debido a que los elementos que producen calor son cuerpos negros, estos siguen la Ley de Stefan-Boltzmann. La potencia irradiada es proporcional a T4, por lo que la resistencia aumenta a una mayor proporción que la amplitud de la señal. Si la ganancia es inversamente proporcional a la amplitud de la oscilación, la ganancia del oscilador alcanza un estado estable en dónde opera como un amplificador de clase A casi ideal, logrando de esta manera una baja distorsión.

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osciladores LC. 4ta publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador Clapp

El oscilador Clapp es similar al Seiler, con una modificación del Oscilador Colpitts, en el cual se pone un condensador en serie con la bobina del circuito resonante.

Oscilador Clapp.

La inductancia L es parcialmente compensada por la reactancia del capacitor C0. Eso permite inductancias más elevadas que elevan el factor Q (también llamado factor de calidad o factor de mérito) de la bobina, lo que permite a su vez que el oscilador sea más estable y tenga un ancho de banda más estrecho.

Frecuencia de oscilación:

Condición arranque para que el circuito empiece a oscilar espontáneamente es la siguiente:
si el transistor utilizado es un BJT:

Se puede perfeccionar el oscilador Clapp sustituyendo la bobina L y el condensador Co por un cristal de cuarzo.
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osciladores LC. 3ra publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador Hartley

El oscilador Hartley es un circuito electrónico basado en un oscilador LC. Se trata de un oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia determinada sin que exista una entrada.

Estructura

El circuito básico usando un transistor bipolar, considerando sólo el circuito de oscilación, consta de un condensador entre la base y el colector (C) y dos bobinas (L1 y L2) entre el emisor y la base y el colector respectivamente. La carga se puede colocar entre el colector y L2.

.

Oscilador Hartley

En este tipo de osciladores, en lugar de L1 y L2 por separado, se suele utilizar una bobina con toma intermedia

Para poder ajustar la frecuencia a la que el circuito oscila, se puede usar un condensador variable, como sucede en la gran mayoría de las radios que usan este oscilador, o bien cambiando la relación entre L1 y L2 variando una de ellas como en los receptores Collins; a esta última técnica se la llama "sintonía por permeabilidad".

El circuito de polarización se diseña de tal forma que afecte lo menos posible al circuito de oscilación, para ello se pueden emplear condensadores de desacoplo, choques de radiofrecuencia, etc. Esta es la razón por la cual en la imagen no se dibujan.

Análisis

A partir de los criterios de Barkhausen y del modelo equivalente de parámetros h del transistor se pueden obtener las siguientes expresiones que describen el comportamiento de un oscilador Hartley:

Frecuencia de oscilación:

Condición arranque:

si el transistor utilizado es un BJT:

si el transistor utilizado es un FET:

gm > 0

Características

Ventajas:

• 
  
  Puede tener fácilmente una frecuencia variable.
  
  
• 
  
  Amplitud de salida constante.

Desventajas:

• Gran contenido en armónicos.
  
• No obtiene una onda senoidal pura.
  
  

Nanyoly Mendez
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osciladores LC. 2da publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador LC

Un oscilador LC está formado por una bobina y un condensador en paralelo. Su funcionamiento se basa en el almacenamiento de energía en forma de carga eléctrica en el condensador y en forma de campo magnético en la bobina.

Funcionamiento del circuito

El condensador, en un tiempo igual a cero, ofrece una impedancia cercana a cero ohmios, por lo que permite que fluya una gran corriente a través de él, la cual va disminuyendo hasta que sus placas sean llenadas de tantas cargas positivas y negativas como lo permita el tamaño de las mismas y la permitividad eléctrica del aislante que hay entre ellas.

En este instante el condensador actúa como un aislante, ya que no puede permitir más el paso de la corriente, y se crea un campo eléctrico entre las dos placas, que es el que crea la fuerza necesaria para mantener almacenadas las cargas eléctricas positivas y negativas, en sus respectivas placas.

Por otra parte, en un tiempo igual a cero la bobina posee un impedancia casi infinita, por lo que no permite el flujo de la corriente a través de ella y, a medida que pasa el tiempo, la corriente empieza a fluir, creándose entonces un campo magnético proporcional a la magnitud de la misma. Pasado un tiempo, la bobina actúa prácticamente como un conductor eléctrico, por lo que su impedancia tiende a cero.

Al estar el condensador y la bobina en paralelo, la energía almacenada por el campo eléctrico del condensador (en forma de cargas electrostáticas), es absorbida por la bobina, que la almacena en su campo magnético, pero a continuación es absorbida y almacenada por el condensador, para ser nuevamente absorbida por la bobina, y así sucesivamente. Esto crea un vaivén de la corriente entre el condensador y la bobina. Este vaivén constituye una oscilación electromagnética, en la cual el campo eléctrico y el magnético son perpendiculares entre sí, lo que significa que nunca existen los dos al mismo tiempo, ya que cuando está el campo eléctrico en el condensador no existe campo magnético en la bobina, y viceversa.

oscilador LC.

Frecuencia de la oscilación

La característica de este tipo de circuito, también conocido como circuito tanque LC, es que la velocidad con que fluye y regresa la corriente desde el condensador a la bobina o viceversa, se produce con una frecuencia (f) propia, denominada frecuencia de resonancia, que depende de los valores del condensador (C) y de la bobina (L), y viene dada por la siguiente fórmula:

donde:

f se mide en Hercios, C en Faradios y L en Henrios

Nanyoly Mendez

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osciladores LC. 1ra publicacion. nanyoly mendez. EES seccion 1

Oscilador

crear perturbaciones o cambios periódicos o cuasiperiódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo electromagnético (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos).

En electrónica un oscilador es un circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador y por lo tanto, se les llama osciladores sólo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L (inductancia) y un condensador C (Capacitancia), mientras que a los demás se le asignan nombres especiales.

Un oscilador electrónico es fundamentalmente un amplificador cuya señal de entrada se toma de su propia salida a través de un circuito de realimentación. Se puede considerar que está compuesto por:

• Un circuito cuyo desfase depende de la frecuencia. Por ejemplo:
o Oscilante eléctrico (LC) o electromecánico (cuarzo).
o Retardador de fase RC o puente de Wien.
• Un elemento amplificador
• Un circuito de realimentación.

Oscilación eléctrica

A pesar de no ser un oscilador electrónico tal y como se ha definido antes, la primera oscilación a tener en cuenta es la producida por un alternador, el cual, al estar compuesto por una espira que gira alrededor de su eje longitudinal en el interior de un campo magnético, produce una corriente eléctrica inducida en los terminales de la espiral. Esta corriente eléctrica, si el campo magnético es homogéneo, tiene forma senoidal. Así, si la espira gira a 3000 rpm, la frecuencia de la corriente alterna inducida es de 50 Hz.

El circuito integrado oscilador más usado por principiantes, es el 555, también el 4069 y otros.

En un oscilador electrónico lo que se pretende es obtener un sistema de oscilación que sea estable y periódico, manteniendo una frecuencia y una forma de onda constante. Para ello se aprovecha el proceso natural de oscilación amortiguada que poseen los circuitos compuestos por elementos capacitivos o inductivos. Estos elementos tienen la capacidad de almacenar carga eléctrica en su interior (cargarse eléctricamente) y descargarse cuando la carga que los alimentaba ha desaparecido.

El ejemplo más simple de oscilador es el compuesto por una bobina, un condensador, una batería y un conmutador. Inicialmente el conmutador se halla en su posición izquierda, de forma que el condensador C se carga con la corriente que proporciona la batería V. Transcurrido cierto tiempo el conmutador se pasa a la posición derecha. Como la bobina no posee ninguna carga y el condensador está totalmente cargado, este último se descarga completamente hacia la bobina, una vez que el condensador se ha descargado completamente es ahora la bobina la que se descarga sobre el condensador, no parándose hasta que la carga en la bobina es cero y el condensador por lo tanto vuelve a estar cargado. Este proceso se repite hasta que la energía almacenada por uno y otro se consume en forma de calor.

Este proceso puede representarse gráficamente empleando un eje cartesiano X-Y en el que el eje X representa el tiempo y el eje Y el valor de la corriente eléctrica que circula por la bobina y las tensiones en los bornes del condensador. Si se lo dibuja se puede apreciar como se produce un continuo intercambio de energía entre el condensador y la bobina. La substracción de energía producida por la resistencia de la bobina y el condensador (lo que provoca el calentamiento de los componentes) es lo que hace que este proceso no sea infinito.

En la gráfica se puede apreciar cómo el defase de tensiones existente entre bornes de la bobina es siempre de sentido opuesto a la existente en el condensador. Este defase es de 180º entre tensiones, existiendo un defase de 90º entre la corriente que circula por la bobina y la tensión existente.

Esta señal se va amortiguando con el tiempo, hasta que acaba extinguiéndose transcurrido un período bastante corto. Un circuito electrónico que sea capaz de volver a cargar eléctricamente uno de los componentes permitirá hacer un proceso de oscilación constante.

Nanyoly Mendez

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seccion 1

Configuraciones del transistor bipolar

Configuraciones del transistor bipolar

Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación. y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0)

Amplificador emisor común

Para que una señal esa amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna.

No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, por que ésta no lleva ninguna información.

En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y continua).

La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación del amplificador.

Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada.

Amplificador colector común

El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.

Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en una amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar.

Amplificador base común

Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores.

ELABORADO POR:
NERWIN MORA
C.I 17557095
EES
SECCION 1

Configuraciones del transistor bipolar

Configuraciones del transistor bipolar

Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación. y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0)

Amplificador emisor común

Para que una señal esa amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna.

No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, por que ésta no lleva ninguna información.

En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y continua).

La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación del amplificador.

Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada.

Amplificador colector común

El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.

Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en una amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar.

Amplificador base común

Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores.

BJT Small Signal Analysis

BJT Small Signal Analysis

• re transistor model – employs a diode and controlled current source to duplicate the behavior of a transistor in the region of interest.
  
  
• The re and hybrid models will be used to analyze small-signal AC analysis of standard transistor network configurations.
  

Ex: Common-base, common-emitter and common-collector configurations.

• The network analyzed represent the majority of those appearing in practice today.
  

AC equivalent of a network is obtained by:

1. Setting all DC sources to zero
   
2. Replacing all capacitors by s/c equiv.
   
3. Redraw the network in more convenient and logical form

Common-Emitter (CE) Fixed-Bias Configuration

The input (Vi) is applied to the base and the output (Vo) is from the collector.
The Common-Emitter is characterized as having high input impedance and low output impedance with a high voltage and current gain.

Removing DC effects of VCC and Capacitors

re Model

Phase Relationship

The phase relationship between input and output is 180 degrees.
The negative sign used in the voltage gain formulas indicates the inversion.

CE – Voltage-Divider Bias Configuration

re Model

Phase Relationship

A CE amplifier configuration will always have a phase relationship between input and output is 180 degrees. This is independent of the DC bias.

Common-Base (CB) Configuration

The input (Vi) is applied to the emitter and the output (Vo) is from the collector.
The Common-Base is characterized as having low input impedance and high output impedance with a current gain less than 1 and a very high voltage gain.

re Model

Collector DC Feedback Configuration

The network has a dc feedback resistor for increased stability, yet the capacitor C3 will shift portions of the feedback resistance to the input and output sections of the network in the ac domain. The portion of RF shifted to the input or output side will be determined by the desired ac input and output resistance levels.

re Model

Approximate Hybrid Equivalent Circuit

The h-parameters can be derived from the re model:

hie = bre hib = re
hfe = b hfb = -a
hoe = 1/ro

The h-parameters are also found in the specification sheet for the transistor.

Approximate Common-Emitter Equivalent Circuit

Hybrid equivalent model re equivalent model

Approximate Common-Base Equivalent Circuit

Hybrid equivalent model re equivalent model

ELABORADO POR: 

NERWIN MORA 

C.I 17557095 

EES 

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h-PARAMETER MODEL

h-PARAMETER MODEL

Generalized h-parameter model of an NPN BJT.replace x with e, b or c for CE, CB and CC topologies respectively.

Another model commonly used to analyze BJT circuits is the "h-parameter" model, closely related to the hybrid-pi model and the y-parameter two-port, but using input current and output voltage as independent variables, rather than input and output voltages. This two-port network is particularly suited to BJTs as it lends itself easily to the analysis of circuit behaviour, and may be used to develop further accurate models. As shown, the term "x" in the model represents a different BJT lead depending on the topology used. For common-emitter mode the various symbols take on the specific values as:

• 
  
  x = 'e' because it is a common-emitter topology
  
  
• 
  
  Terminal 1 = Base
  
  
• 
  
  Terminal 2 = Collector
  
  
• 
  
  Terminal 3 = Emitter
  
  
• 
  
  iin = Base current (ib)
  
  
• 
  
  io = Collector current (ic)
  
  
• 
  
  Vin = Base-to-emitter voltage (VBE)
  
  
• 
  
  Vo = Collector-to-emitter voltage (VCE)

and the h-parameters are given by –

• 
  
  hix = hie – The input impedance of the transistor (corresponding to the emitter resistance re).
  
  
• 
  
  hrx = hre – Represents the dependence of the transistor's IB–VBE curve on the value of VCE. It is usually very small and is often neglected (assumed to be zero).
  
  
• 
  
  hfx = hfe – The current-gain of the transistor. This parameter is often specified as hFE or the DC current-gain (βDC) in datasheets.
  
  
• 
  
  hox = hoe – The output impedance of transistor. This term is usually specified as an admittance and has to be inverted to convert it to an impedance.

As shown, the h-parameters have lower-case subscripts and hence signify AC conditions or analyses. For DC conditions they are specified in upper-case. For the CE topology, an approximate h-parameter model is commonly used which further simplifies the circuit analysis. For this the hoe and hre parameters are neglected (that is, they are set to infinity and zero, respectively). It should also be noted that the h-parameter model as shown is suited to low-frequency, small-signal analysis. For high-frequency analyses the inter-electrode capacitances that are important at high frequencies must be added.

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Transistor DC Parameters

Transistor DC Parameters

There are some important equations we need to look at first. Recall that Kirchoffs Current Law (KCL) states that the sum of all currents entering a node (a point) must equal the sum of all currents leaving the node. By taking a look at Fig 3 we can see then that for both the NPN and PNP transistors:

Ie = Ic + Ib (1) i.e. Current flowing into the transistor (Ic and Ib) equals current flowing out of the transistor (Ie) for the NPN, and Current in (Ie) equals current out (Ic and Ib) for the PNP.

There is a parameter called b (Beta) for every transistor, which is a constant. The value of b for transistors is normally between 50 – 500. Equation 2 states that the collector current is b times bigger than the base current. Hence b is simply a ratio between collector and base current. Recall that the base current is relatively small and the collector current is relatively large.

Ic = b.Ib (2).

For a transistor with a b =100 and Ic=1mA, then from equation 2, Ib = 10uA. Run through this in your head to make sure…

We can now substitute equation 2 into equation 1: The highlight shows the substitution

Ie = b.Ib + Ib, which simplifies to:

Ie = (b+1)Ib. (3)

We can now substitute equation (2) into equation (3) to obtain:

Ib = Ic/b (equation 2 rearranged)

Ie = (b+1).Ic/b , and rearrange to obtain:

Ic=b/(b+1).Ie

We now define a new parameter a (alpha) where

a=b/(b+1) (4)

Hence:

Ic = a.Ie. (5)

And that's it. I highly recommend you go through the mathematics yourself and verify every step that I have done. Only after you do this will you fully understand.

In summary you should definitely try to remember the first two following equations as they crop up all the time. It's also handy to remember the third one.

Ic = b.Ib
Ie = (b+1)Ib
a = b/b+1

E.g. For the transistor with b = 100, a = 100/(100+1) = 0.99
Hence from equation 5 you can see that Ic » Ie. This is true for all transistors with high b. Now take a look at the NPN transistor in Figure 3 again. The reason Ic is only approximately equal to Ie is because of the small base current that adds in to make Ie just a little bigger.

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AC Circuit Analysis

AC Circuit Analysis

AC analysis is pretty tricky to get a grasp on an first but with a good understanding of the principals and a bit of practice it's a piece of cake.

I prefer to use the Hybrid pi model for AC analysis but there are other models equally as valid. The Hybrid p model for the transistor is shown below:

rp is used to model the input resistance of the transistor. It's actually modelling the AC resistance of the forward biased Base-Emitter PN junction. vp is just the voltage across rp. Also note that the AC base current, ib, flows through rp.

Lower case letters are always used for AC signals. For example, ib is the AC signal base current whereas Ib is the DC base bias current. The exception to this is Vp, which I always seem to write using a captial V, but that's just my personal choice.

The diamond shaped box with the arrow is a 'Voltage Controlled Current Source'. It's important that you understand what this is. It is a current source, whose current is controlled by a voltage which is somewhere else in the circuit. In this case, the current is controlled by the voltage across rp, which is Vp. gm is just a constant which determines how much of a change in current is caused by a certain change of the controlling voltage. The units of gm is amps per volt or, A/V.

An example,
for the voltage controlled current source shown above, a Vp of 5V peak to peak with a gm of 0.5A/V would result in a current flow of:

0.5A/V x 5V = 2.5A peak to peak.

It's also worth mentioning that from previous subjects, you learned that the resistance of an ideal current source is infinity. Hence whilst the input resistance to the circuit is rp, the output resistance of the circuit is infinity. In practice this is not true and the output resistance is just very large. This effect is modeled by another resistor ro connected between collector and emitter at the output but is not shown on the above diagram. It can be omitted as a simplification to the model.

So if gm is a constant for a given amplifier circuit, how do you work out it's value. There is a relationship relating gm to the collector current, it is:

gm=Ic/Vt

VT is another constant which is given by:

Vt=kT/q=25mV Aprox

This equation should be familiar from diode study. Hence:

gm=Ic/Vt=40,Ic(10)

So all you have to do to find gm is to calculate the DC current Ic and multiply by 40, remembering the units should be in A/V.

rp is easy to calculate as well, it is given by:

rp=b/gm(11)

Another useful thing to mention is that the Voltage controlled current source, "gm.Vp" is sometimes expressed in another form:

gm.Vp=b/rp.Vp=b.Ib(12) , where equation 11 has been rearranged and substituted in for gm and then Vp / rp is of course just equal to ib --> You can see this from ohms law looking at figure 9. The b.ib model for the voltage controlled current source comes in useful for the 'common collector' and 'common emitter with emitter resistor' amplifiers.

So that's the Hybrid p model, all you have to do is replace the transistor in your circuit with this model, and do some analysis.

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Active-mode NPN transistors in circuits

Active-mode NPN transistors in circuits

Structure and use of NPN transistor. Arrow according to schematic.

The diagram opposite is a schematic representation of an NPN transistor connected to two voltage sources. To make the transistor conduct appreciable current (on the order of 1 mA) from C to E, VBE must be above a minimum value sometimes referred to as the cut-in voltage. The cut-in voltage is usually about 600 mV for silicon BJTs at room temperature but can be different depending on the type of transistor and its biasing. This applied voltage causes the lower P-N junction to 'turn-on' allowing a flow of electrons from the emitter into the base. In active mode, the electric field existing between base and collector (caused by VCE) will cause the majority of these electrons to cross the upper P-N junction into the collector to form the collector current IC. The remainder of the electrons recombine with holes, the majority carriers in the base, making a current through the base connection to form the base current, IB. As shown in the diagram, the emitter current, IE, is the total transistor current, which is the sum of the other terminal currents.

In the diagram, the arrows representing current point in the direction of conventional current – the flow of electrons is in the opposite direction of the arrows because electrons carry negative electric charge. In active mode, the ratio of the collector current to the base current is called the DC current gain. This gain is usually 100 or more, but robust circuit designs do not depend on the exact value (for example see op-amp). The value of this gain for DC signals is referred to as hFE, and the value of this gain for AC signals is referred to as hfe. However, when there is no particular frequency range of interest, the symbol β is used

It should also be noted that the emitter current is related to VBE exponentially. At room temperature, an increase in VBE by approximately 60 mV increases the emitter current by a factor of 10. Because the base current is approximately proportional to the collector and emitter currents, they vary in the same way.

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Active-mode PNP transistors in circuits

Active-mode PNP transistors in circuits

Structure and use of PNP transistor.

The diagram opposite is a schematic representation of a PNP transistor connected to two voltage sources. To make the transistor conduct appreciable current (on the order of 1 mA) from E to C, VEB must be above a minimum value sometimes referred to as the cut-in voltage. The cut-in voltage is usually about 600 mV for silicon BJTs at room temperature but can be different depending on the type of transistor and its biasing. This applied voltage causes the upper P-N junction to 'turn-on' allowing a flow of holes from the emitter into the base. In active mode, the electric field existing between the emitter and the collector (caused by VCE) causes the majority of these holes to cross the lower P-N junction into the collector to form the collector current IC. The remainder of the holes recombine with electrons, the majority carriers in the base, making a current through the base connection to form the base current, IB. As shown in the diagram, the emitter current, IE, is the total transistor current, which is the sum of the other terminal currents.

In the diagram, the arrows representing current point in the direction of conventional current – the flow of holes is in the same direction of the arrows because holes carry positive electric charge. In active mode, the ratio of the collector current to the base current is called the DC current gain. This gain is usually 100 or more, but robust circuit designs do not depend on the exact value. The value of this gain for DC signals is referred to as hFE, and the value of this gain for AC signals is referred to as hfe. However, when there is no particular frequency range of interest, the symbol β is used

It should also be noted that the emitter current is related to VEB exponentially. At room temperature, an increase in VEB by approximately 60 mV increases the emitter current by a factor of 10. Because the base current is approximately proportional to the collector and emitter currents, they vary in the same way.

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Heterojunction bipolar transistor

Heterojunction bipolar transistor

Bands in graded heterojunction NPN bipolar transistor. Barriers indicated for electrons to move from emitter to base, and for holes to be injected backward from base to emitter; Also, grading of bandgap in base assists electron transport in base region; Light colors indicate depleted regions

The heterojunction bipolar transistor (HBT) is an improvement of the BJT that can handle signals of very high frequencies up to several hundred GHz. It is common in modern ultrafast circuits, mostly RF systems Heterojunction transistors have different semiconductors for the elements of the transistor. Usually the emitter is composed of a larger bandgap material than the base. The figure shows that this difference in bandgap allows the barrier for holes to inject backward into the base, denoted in figure as Δφp, to be made large, while the barrier for electrons to inject into the base Δφn is made low. This barrier arrangement helps reduce minority carrier injection from the base when the emitter-base junction is under forward bias, and thus reduces base current and increases emitter injection efficiency.

The improved injection of carriers into the base allows the base to have a higher doping level, resulting in lower resistance to access the base electrode. In the more traditional BJT, also referred to as homojunction BJT, the efficiency of carrier injection from the emitter to the base is primarily determined by the doping ratio between the emitter and base, which means the base must be lightly doped to obtain high injection efficiency, making its resistance relatively high. In addition, higher doping in the base can improve figures of merit like the Early voltage by lessening base narrowing.

The grading of composition in the base, for example, by progressively increasing the amount of germanium in a SiGe transistor, causes a gradient in bandgap in the neutral base, denoted in the figure by ΔφG, providing a "built-in" field that assists electron transport across the base. That drift component of transport aids the normal diffusive transport, increasing the frequency response of the transistor by shortening the transit time across the base.

Two commonly used HBTs are silicon–germanium and aluminum gallium arsenide, though a wide variety of semiconductors may be used for the HBT structure. HBT structures are usually grown by epitaxy techniques like MOCVD and MBE.

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