Polarización de CC en transistores - BJT

Polarización de CC en transistores - BJT

En términos simples, la polarización en BJT se puede definir como un proceso en el que un BJT se activa o enciende aplicando una magnitud menor de CC a través de sus terminales base / emisor para que pueda conducir una magnitud relativamente mayor de CC a través de sus terminales emisores colectores.

El funcionamiento de un transistor bipolar o BJT a niveles de CC se rige por varios factores, que incluyen un rango de puntos operativos sobre las características de los dispositivos.

En la sección 4.2 explicada en este artículo, verificaremos los detalles sobre esta gama de puntos operativos para amplificadores BJT. Una vez que se calculan los suministros de CC especificados, se puede crear un diseño de circuito para determinar el punto de operación requerido.



En este artículo se examinan diversas configuraciones de este tipo. Cada modelo analizado identificará además la estabilidad del enfoque, es decir, exactamente qué tan sensible podría ser el sistema a un parámetro dado.

Aunque se examinan numerosas redes en esta sección, tienen una similitud fundamental entre las evaluaciones de cada configuración, debido al siguiente uso repetido de la relación fundamental fundamental:

En la mayoría de las situaciones, la corriente base IB es la primera cantidad que debe establecerse. Una vez que se identifica IB, las relaciones de las Ecs. (4.1) vía (4.3) podría implementarse para obtener el resto de las cantidades en cuestión.

Las semejanzas en las evaluaciones se harán evidentes rápidamente a medida que avancemos en las secciones siguientes.

Las ecuaciones de IB son tan idénticas para muchos de los diseños que una fórmula podría derivarse de la otra simplemente eliminando o insertando uno o dos elementos.

El objetivo principal de este capítulo es establecer un grado de comprensión del transistor BJT que le permitiría implementar un análisis de CC de casi cualquier circuito que tenga el amplificador BJT como elemento.

4.2 PUNTO DE FUNCIONAMIENTO

La palabra sesgo que aparece en el título de este artículo es un término en profundidad que significa implementación de voltajes de CC y para determinar un nivel fijo de corriente y voltaje en BJT.

Para los amplificadores BJT, la corriente continua y el voltaje resultantes crean un punto de operación sobre las características que establecen la región que se vuelve ideal para la necesaria amplificación de la señal aplicada. Debido a que el punto de operación resulta ser un punto predeterminado según las características, también se puede denominar punto de reposo (abreviado como punto Q).

'Quiescente' por definición significa silencio, quietud, sedentarismo. La figura 4.1 muestra una característica de salida estándar de un BJT que tiene 4 puntos operativos . El circuito de polarización podría desarrollarse para establecer el BJT en uno de estos puntos u otros dentro de la región activa.

Los valores nominales máximos se señalan en las características de la Fig. 4.1 a través de una línea horizontal para la corriente de colector más alta ICmax y una línea perpendicular en la tensión de colector a emisor más alta VCEmax.

La limitación de potencia máxima se identifica a partir de la curva PCmax en la misma figura. En el extremo inferior del gráfico podemos ver la región de corte, identificada por IB ≤ 0μ, y la región de saturación, identificada por VCE ≤ VCEsat.

La unidad BJT posiblemente podría estar sesgada fuera de estos límites máximos indicados, pero la consecuencia de dicho proceso daría como resultado un deterioro significativo de la vida útil del dispositivo o una avería total del dispositivo.

Restringiendo los valores entre la región activa indicada, uno puede seleccionar una variedad de áreas o puntos de operación . El punto Q seleccionado generalmente depende de la especificación prevista del circuito.

Sin embargo, ciertamente podemos tener en cuenta algunas distinciones entre el número de puntos ilustrados en la figura 4.1 para proporcionar algunas recomendaciones fundamentales con respecto a la punto de operación , y por lo tanto, el circuito de polarización.

Si no se aplicara ningún sesgo, el dispositivo al principio permanecería completamente apagado, lo que haría que un punto Q estuviera en A, es decir, corriente cero a través del dispositivo (y 0 V a través de él). Debido a que es esencial polarizar un BJT para permitirle reaccionar para el rango completo de una señal de entrada dada, el punto A puede no parecer apropiado.

Para el punto B, cuando se conecta una señal al circuito, el dispositivo mostrará una variación en la corriente y el voltaje a través del punto de operación , permitiendo que el dispositivo responda (y quizás amplifique) las aplicaciones tanto positivas como negativas de la señal de entrada.

Cuando la señal de entrada se utiliza de manera óptima, es probable que el voltaje y la corriente del BJT cambien ..... sin embargo, puede que no sea suficiente para activar el dispositivo en corte o saturación.

El punto C puede ayudar a ciertas desviaciones positivas y negativas de la señal de salida, pero la magnitud de pico a pico podría estar restringida a la proximidad de VCE = 0V / IC = 0 mA.

Trabajar en el punto C también puede causar poca preocupación con respecto a las no linealidades debido al hecho de que la brecha entre las curvas IB podría estar cambiando rápidamente en esta área en particular.

En términos generales, es mucho mejor operar el dispositivo en el que la ganancia del dispositivo sea bastante consistente (o lineal), para garantizar que la amplificación en la oscilación general de la señal de entrada permanezca uniforme.

El punto B es una región que exhibe un mayor espaciado lineal y por esa razón una mayor actividad lineal, como se indica en la figura 4.1.

El punto D establece el dispositivo punto de operación cerca de los niveles más altos de voltaje y potencia. La oscilación de la tensión de salida en el límite positivo se restringe así cuando no se supone que se supere la tensión máxima.

Como resultado, el punto B parece perfecto punto de operación con respecto a la ganancia lineal y las mayores variaciones posibles de voltaje y corriente.

Describiremos esto idealmente para amplificadores de pequeña señal (Capítulo 8), sin embargo, no siempre para amplificadores de potencia ... hablaremos de esto más adelante.

Dentro de este discurso, me centraré principalmente en polarizar el transistor con respecto a la función de amplificación de señales pequeñas.

Hay otro factor de sesgo extremadamente crucial que debe analizarse. Habiendo determinado y sesgado el BJT con un ideal punto de operación , también deben evaluarse los efectos de la temperatura.

El rango de calor hará que los límites del dispositivo, como la ganancia de corriente del transistor (CA) y la corriente de fuga del transistor (ICEO), se desvíen. El aumento de los rangos de temperatura provocará mayores corrientes de fuga en el BJT y, por lo tanto, modificará la especificación operativa establecida por la red de polarización.

Esto implica que el patrón de la red también debe facilitar un nivel de estabilidad de temperatura para asegurar que los impactos de las variaciones de temperatura sean con cambios mínimos en el punto de operación . Este mantenimiento del punto de operación podría estar estipulado con un factor de estabilidad, S, que significa el nivel de desviaciones en el punto de operación causadas por un cambio de temperatura.

Es aconsejable un circuito estabilizado de manera óptima, y ​​aquí se evaluará la característica estable de varios circuitos de polarización esenciales. Para que el BJT esté sesgado dentro de la región operativa lineal o efectiva, se deben cumplir los siguientes puntos:

1. La unión base-emisor debe tener polarización directa (voltaje de la región p fuertemente positivo), lo que permite un voltaje de polarización directa de alrededor de 0,6 a 0,7 V.

2. La unión base-colector debe tener polarización inversa (región n fuertemente positiva), con el voltaje de polarización inversa permaneciendo en algún valor dentro de los límites máximos del BJT.

[Recuerde que para polarización directa el voltaje a través de la unión p-n será pags -positivo, y para el sesgo inverso se invierte teniendo norte -positivo. Este enfoque en la primera letra debería darle una forma de recordar fácilmente la polaridad de voltaje esencial.]

La operación en las áreas de corte, saturación y lineal de la característica BJT generalmente se presenta como se explica a continuación:

1. Operación de región lineal:

Unión base-emisor polarizada hacia adelante

Unión base-colector polarizada inversa

2. Operación de la región de corte:

Unión base-emisor polarizada inversamente

3. Operación de la región de saturación:

Unión base-emisor polarizada hacia adelante

Unión base-colector polarizada hacia adelante

4.3 CIRCUITO DE BIAS FIJO

El circuito de polarización fija de la figura 4.2 está diseñado con una descripción general bastante simple y sin complicaciones del análisis de polarización de CC del transistor.

Aunque la red implementa un transistor NPN, las fórmulas y los cálculos podrían funcionar con la misma eficacia con una configuración de transistor PNP simplemente reconfigurando las rutas de flujo de corriente y las polaridades de voltaje.

Las direcciones de corriente de la figura 4.2 son las direcciones de corriente genuinas y los voltajes se identifican mediante anotaciones universales de doble subíndice.

Para el análisis de CC, el diseño puede separarse de los niveles de CA mencionados simplemente intercambiando los capacitores con un equivalente en circuito abierto.

Además, el suministro de CC VCC podría dividirse en un par de suministros separados (solo para realizar la evaluación) como se demuestra en la Fig. 4.3 solo para permitir una ruptura de los circuitos de entrada y salida.

Lo que esto hace es minimizar el vínculo entre los dos con la corriente base IB. La separación es indudablemente legítima, como se muestra en la Fig. 4.3, donde VCC se conecta directamente a RB y RC, como en la Fig. 4.2.

circuito BJT de polarización fija

Sesgo directo de base-emisor

Sesgo directo de base-emisor

Analicemos primero el bucle del circuito base-emisor que se muestra arriba en la figura 4.4. Si implementamos la ecuación de voltaje de Kirchhoff en el sentido de las agujas del reloj para el bucle, obtenemos la siguiente ecuación:

Podemos ver que la polaridad de la caída de voltaje a través de RB se determina a través de la dirección de la corriente IB. Resolver la ecuación para el IB actual nos proporciona el siguiente resultado:

Ecuación (4.4)

La ecuación (4.4) es definitivamente una ecuación que se puede memorizar fácilmente, simplemente recordando que la corriente de base aquí se convierte en la corriente que pasa a través de RB, y aplicando la ley de Ohm según la cual la corriente es igual al voltaje en RB dividido por la resistencia RB .

El voltaje en RB es el voltaje VCC aplicado en un extremo menos la caída en la unión de base a emisor (VBE).
Además, debido al hecho de que el suministro VCC y el voltaje base-emisor VBE son cantidades fijas, la elección de la resistencia RB en la base establece la cantidad de corriente base para el nivel de conmutación.

Bucle colector-emisor

Bucle colector-emisor

La figura 4.5 muestra la etapa del circuito del emisor del colector, donde se han presentado la dirección de la corriente IC y la polaridad correspondiente a través de RC.
Se puede ver que el valor de la corriente del colector está directamente relacionado con IB a través de la ecuación:

Ecuación (4.5)

Puede que le resulte interesante ver que, dado que la corriente de base depende de las cantidades de RB, e IC está vinculado con IB a través de una β constante, la magnitud de IC no es una función de la resistencia RC.

Ajustar RC a algún otro valor no producirá ningún efecto sobre el nivel de IB o incluso IC, mientras se mantenga la región activa del BJT.
Dicho esto, encontrará que la magnitud de VCE está determinada por el nivel de RC, y esto puede ser algo crucial a considerar.

Si usamos la ley de voltaje de Kirchhoff en el sentido de las agujas del reloj a través del circuito cerrado que se muestra en la figura 4.5, se obtienen las siguientes dos ecuaciones:

Ecuación (4.6)

Esto indica que el voltaje a través del emisor del colector del BJT dentro de un circuito de polarización fija es el voltaje de suministro equivalente a la caída formada en RC
Para echar un vistazo rápido a la notación de subíndice simple y doble, recuerde que:

VCE = VC - VE -------- (4.7)

donde VCE indica el voltaje que fluye del colector al emisor, VC y VE son los voltajes que pasan del colector y el emisor hacia tierra respectivamente. Pero aquí, como VE = 0 V, tenemos

VCE = VC -------- (4.8)
También porque tenemos,
VBE = VB - Y -------- (4.9)
y como VE = 0, finalmente obtenemos:
VBE = VB -------- (4.10)

Recuerde los siguientes puntos:

Mientras mide los niveles de voltaje como VCE, asegúrese de colocar la sonda roja del voltímetro en el pin del colector y la sonda negra en el pin del emisor como se muestra en la siguiente figura.

VC significa el voltaje que pasa del colector a tierra y su procedimiento de medición también se muestra en la siguiente figura.

En el presente caso, las dos lecturas anteriores serán similares, pero para diferentes redes de circuitos podría mostrar resultados variables.

Esto implica que esta diferencia en las lecturas entre las dos mediciones podría resultar crucial al diagnosticar una posible falla en una red BJT.

medir VCE y VC en la red BJT

Resolver un ejemplo práctico de polarización de BJT

Evalúe lo siguiente para la configuración de polarización fija de la figura 4.7.

Dado:
(a) IBQ e ICQ.
(b) VCEQ.
(c) VB y VC.
(d) VBC.

resolver el problema de polarización de CC

En el próximo capítulo aprenderemos sobre Saturación de BJT.

Referencia

Polarización de transistores




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