Analógica 5: amplificador con transistores

Aquí sólo vamos a tratar con transistores BJT y JFET. ¿Sólo? El BJT va a tener algo más de miga que el JFET, pero más o menos todo funciona igual.

¿Por qué nos interesa amplificar con transistores? Pues porque mientras los amplificadores operacionales están bastante limitados en el rango de tensiones, entrega de corriente y frecuencia, un transistor puede emplearse con mucha potencia y a frecuencias de GHz (no todos, claro está)

BJT

Lo primero que hay que tener claro es la polarización en DC. Si no sabes cómo se polariza un transistor, dirígete al apartado Teoría, Transistores, BJT, ahí está explicado (o se intenta). Necesitarás saber también sobre JFET cuando llegue el momento.

El caso es que ahora iB = Ib (polarización DC) + ib (señal que amplificamos)

Lo que buscaremos será polarizar en DC el transistor más o menos a la mitad de la recta de carga, para que al introducir la señal se pueda amplificar en su totalidad sin que haya cortes a la salida por entrar en zona de saturación y/o corte. Gráficamente:

Como se ve, se polariza el transistor en una zona intermedia de forma que al introducir una alterna a la base, la corriente de colector también varíe como ésa alterna, produciendo una variación en la Vce. De ésta forma obtenemos a la salida la señal amplificada (multiplicada por una ganancia) más un nivel de continua, que se puede eliminar con un condensador de desacoplo.

Como ya dije en la introducción a transistores, es importante que nuesto circuito de polarización sea estable, pues la variación de B no debería afectarnos demasiado. Ésto da lugar a circuitos de este tipo:

No os asustéis por el condensador en el emisor (C2), en realidad es un tipo majo. Lo veremos enseguida.

Ya sabemos cómo polarizar un transistor en continua. Supongamos que sabéis, porque deberíais. ¿Qué hacemos ahora? Lo siguiente es un análisis de pequeña señal en frecuencias medias, y obtener el cuadripolo equivalente.

He dicho que C2 es un tipo majo, y no sin razón, porque a frecuencias medias se comporta como un cortocircuito. ¿Y qué ocurre con el cortocircuito? Que Re también se va. Y éso es una resistencia menos para el cálculo. Lo mismo pasa con C1 pero no afecta demasiado. Ahora lo que hacemos es hallar los parámetros híbridos del cuadripolo equivalente (hacemos una linealización).

hie = Vbe/ib cuando Vce=cte. También lo calculamos como hie = Vt/ib(Q), Vt es una constante que suele dar el fabricante, e ib(Q) es la corriente de base en la polarización continua. El resultado es una resistencia en ohmios.

hfe = ic/ib que es la ganancia en alterna, lo suele dar el fabricante.

Con ésto, el cuadripolo equivalente del transistor es éste:

Pero, como podréis deducir, el transistor no se vale de sí mismo para amplificar, hay que conectar lo que tiene a su alrededor para hacer un cuadripolo del sistema completo, que de verdad nos ayude a determinar las características. Aquí es donde pondréis a juego vuestros conocimientos electrónicos, eléctricos y matemáticos. Si seguimos con el ejemplo del circuito de polarización de 4 resistencias, y nos ponemos a analizar, lo primero será cortocircuitar la fuente de continua, de forma que R1 y R2 se quedan en paralelo y en paralelo con hie. Rc también queda entre el colector y tierra. Re ya hemos dicho antes que no juega con nosotros, así que el emisor queda puesto a tierra directamente.

La primera reacción es hacer el equivalente entre Rbb y hie, que sería hie//(R1//R2), pues muy bien. Se hace y se queda R3 para futuras referencias.

Los parámetros que hay que calcular serán:

• Impedancia de entrada: puesta de fuente a la entrada (como la que ya está), cálculo de la corriente que drena y Ze = V/I
• Impedancia de salida: abrimos la fuente de corriente, puesta de fuente a al salida, cálculo de la corriente que drena y Zs =V/I
• Ganancia: para ello necesitas Ve y Vs. Ponemos una  fuente de tensión Ve a la entrada, calculamos ib, con ib calculada, sale el producto hfe*ib, una vez sabes la corriente que recorre ésa malla, puedes calcular la tensión de salida Vs.

Cuando no tengamos C2 éste proceso va a ser un poco más complejo, porque Re afectará en prácticamente todos los valores del cuadripolo.

Por cierto, si nos damos cuenta la fuente de corriente está apuntando hacia abajo, no problem, lo único que indica es que el amplificador es inversor, ya que la ganancia en tensión será negativa. Ya que tenemos todos los parámetros, vamos a hacer el cuadripolo equivalente final:

¡Qué bonito! Pero no nos vamos a olvidar de las características de un sistema real, porque nos hemos olvidado de nuestros amigos los condensadores. Lo que hay que haces es un análisis en frecuencias bajas, para determinar la frecuencia de corte inferior del amplificador. En el caso de C1 no pasa nada, porque si nos fijamos está fuera del cuadripolo, lo ponemos y se calcula la nueva ganancia Gfb, con su frecuencia de corte. Con C2 ya está más complicado, porque habrá que tener en cuenta el efecto de Re y C2 al a vez, ya que éstos se encontrarían dentro del cuadripolo. El proceso es el mismo. Y si hubiera un condensador a la salida, al igual que con C1 no alteramos nada, pero habría que poner una carga para ver realmente su efecto.

Veremos que con el condensador C2 puesto, la ganancia aumenta considerablemente.

Por último, una vez obtenidas las frecuencias de corte inferiores, la frecuencia de corte inferior del sistema es la mayor de entre las que hemos obtenido.

Y ahora van las buenas noticias. Para el JFET la cosa funciona exactamente igual, la diferencia es que no hay una hie, por el tema de que la impedancia de puerta se puede considerar infinita, así que la consideramos un circuito abierto, y que el producto de su fuente de corriente dependiente es gm*Vgs, y gm:

gm = 2*(Idss/Vp) *(1+(Vgs(Q)/Vp))

¿A que es genial?

Por último, añadir que los transistores no son todopoderosos a alta frecuencia, sino que se crean capacidades entre sus terminales que afectan a la ganancia. Pero lo dicho, alta, muy alta frecuencia.

 

 

Diodos

Éste tema es más bien de aplicación práctica, no quiero introducir la teoría porque es  espesa e inútil en su mayoría. La estructura interna de un diodo no nos interesa.

El diodo tal como lo conocemos se conforma de dos semiconductores, uno tipo P y otro tipo N, para nosotros tiene dos partes: ánodo (A) y cátodo (K). El diodo normal conducirá de ánodo a cátodo cuando la tensión Vak sea mayor que la tensión de codo Vd. Ésta tensión la podemos encontrar fácilmente haciendo la resta Vak= Vanodo – Vcatodo.

En esquemáticos de circuitos electrónicos lo encontraremos representado de la siguiente forma:

Y su componente real es tal como se ve. Es decir, no he visto yo componente más parecido a su símbolo. Es un pequeño cilindro en cuyo cátodo (K) tiene un anillo de diferente color. Los hay de varios tipos. Por lo general los de silicio tienen la pinta de un 1n4148 o 1n4007. Dos series muy utilizadas y conocidas como diodos de propósito general. En dicho orden:

Se puede ver perfectamente la banda o anillo que distingue el ánodo del cátodo. Y luego están los diodos de germanio, cuya pinta más común es:

¿Y a qué viene ésta distinción? Bien, los diodos pueden estar mayoritariamente hechos de distintos materiales, los predominantes son de silicio y de germanio. Los de silicio tienen mayor tensión de codo que los de germanio. Ésta diferencia es útil si queremos que la caída de tensión en el circuito sea menor. También hay otros componentes, como en los diodos LED, mayoritariamente arseniuro de galio (GaAs) junto con otros con los que se dopan para cambiar la longitud de onda en la que emiten (color). Su tensión de codo es mucho más alta y va desde 1’2 a 2’2 voltios.

La definición de diodo es: dispositivo semiconductor unidireccional. Es decir, la corriente siempre va de ánodo a cátodo. ¿Qué ocurre si hay más de la que el diodo puede soportar? Se fríe. ¿Qué ocurre si va de cátodo a ánodo? La tensión máxima inversa que puede soportar un diodo varía mucho y viene en las hojas de características. Si se excede dicho valor, hay una avalancha de corriente inversa que fríe el diodo.

Luego tenemos diodos Zener, que están hechos a posta para conducir inversamente cuando la tensión Vka (fijaos que está al revés) tiene o excede determinado valor, que suele venir inscrito en su encapsulado. Su símbolo es:

También hay unos diodos llamados “diodos rápidos” o diodos Schottky, cuya tensión de codo es de entre 0’2 y 0’4 voltios y son capaces de pasar entre estado de conducción y de corte mucho más rápidamente sin problemas. Por supuesto ésta facultad les hace subir en precio y si realmente no lo necesitas, no vale la pena ni rascarse el bolsillo. Y su símbolo es:

Ahora viene una parte más densa: las especificaciones y cálculos.

El diodo común no tiene un funcionamiento completamente lineal, es decir, no pasas de la tensión de codo y empieza a conducir toda la corriente que tengas en el circuito y ya está. Presenta más bien una curva, y cada diodo tiene una curva distinta:

En la imagen se puede ver la curva y los valores de tensión de codo (Vd) y tensión de ruptura (Vr). Muy exagerados, pero efectivamente, entre el 0 y la tensión de codo hay una pequeña conducción y entre el 0 y la tensión de ruptura hay una pequeña conducción que se llama corriente de fuga o corriente inversa. Ésta corriente normalmente es del orden de los nanoamperios, despreciable respecto a los valores que un circuito normal va a mostrar.

¿Y cómo vamos a hacer cálculos con ésta curva? La respuesta es otra pregunta: ¿Quién ha dicho que los vayamos a hacer? Lo que haremos será, siempre y cuando Vak en nuestro circuito supere la tensión Vd, marcar Vak en su eje, y calcular la corriente que pasaría por nuestro circuito si el diodo no existiese, y marcar el valor en el eje de la corriente, normalmente llamado Id, aquí Ia. Trazaremos una recta que una los dos puntos y hallaremos el punto donde corta con la curva del diodo, que es el punto de polarización. Dado ése punto, trazaremos una recta hacia el eje de Id, y con ello hallaremos la corriente que realmente pasa por él. Con ésto nos damos cuenta de que tiene una pequeña resistencia. ¿Pero hasta qué punto podemos hacer ésto? Normalmente, las gráficas de los fabricantes están en intervalos pequeños, y en valores de uso normal la corriente que pasa por el diodo está en un punto en el que la curva es casi una recta vertical, por lo que no se va a poder usar casi nunca. Tomamos modelos.

El modelo más correcto de un diodo sería el de un interruptor abierto o cerrado (según esté en conducción o no), una fuente de tensión igual a la tensión de codo del diodo, con el positivo en el ánodo, y una resistencia. El modelo sencillo es interruptor y fuente, que es el que voy a usar. Voy a analizar el siguiente circuito:

Vin es positiva y la tensión del codo es… No nos importa. ¿Por qué? fijaos, la tensión de cátodo es Vin, y la de ánodo es 0. Vak = 0 – Vin < 0. El diodo no se polariza y por lo tanto no conduce hacia tierra. La tensión Vout es igual a Vin. Otro:

¡Es el mismo pero le he dado la vuelta! En éste caso, la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo y se polariza. La tensión de codo es 0.7V, vamos a sustituirlo por su equivalente:

Si medimos en Vout respecto de tierra, lo que vamos a obtener es 0.7. Es decir, la tensión de codo. Vout = Vd. Otro más:

Va > Vk, conduce. Sustituimos por equivalente. Cálculo: Vout = Vin – Vd. Y esto es todo lo que puede hacer un diodo común. No hay sustos. Otro tema es que esté acompañado.

El zener se comporta igual con la excepción del tema de la región inversa. En vez de una tensión de ruptura, en su curva se marca la tensión de zener. Voy a hacer un, y sólo un, ejercicio sobre éste, que quisiera que intentéis hacer antes de leer la respuesta. Calcular la corriente que circula por R2 dado el siguiente circuito, la tensión de zener es 8.2V y Vin son 12V.

¿Y bien? La solución es simple: las resistencias conforman un divisor de tensión, la tensión en el cátodo es de 6 voltios, no se supera la tensión de zener y no polariza como tal. La corriente es la misma en R1 que en R2, igualito que si no existiera la rama del diodo ¿Os he pillado? Si Vin fuera 20 voltios el tema ya cambia, el diodo “se traga” una parte de corriente, por lo que si medimos la tensión en el cátodo, siempre será de 8.2V.

Parece brillante y sencillo pero los diodos, más bien la gente que los utiliza, esconden maldad en sí. Es la rectificación. Si tomamos Vin como senoidal alterna en el tercer ejemplo, obtendremos sólo la parte positiva de la señal, menos (en nuestra cruda realidad) un pedacito que corresponde a la tensión de codo. Es el rectificador de media onda:

En ésta aplicación el diodo soporta toda la corriente inversa que le viene. Dato a tener en cuenta. Luego podemos hacer una combinación de los ejemplos 1 y 2, poniendo 2 diodos en antiparalelo. Es decir, uno con el cátodo al circuito y el ánodo a tierra, y el otro al revés. En distintas ramas, o no, depende del diodo. Es lo que llamamos un recortador de onda y es más útil hacerlo con zener o LED. Y obtenemos ésto:

Es igualito a una señal salida de un operacional saturado.

La maldad continuaría con la conjunción de fuentes en distintas posiciones y orientaciones. Otra aplicación es con 4 diodos, para hacer un rectificador de onda completa. Es tal que:

Como se ve, durante el semiciclo positivo de la onda conducirán 2 diodos de tal forma que en la carga veremos una tensión positiva, y durante el semiciclo negativo conducen los otros 2 diodos de tal forma que en la carga veremos una tensión positiva ¡Otra vez! Aquí la corriente inversa que soporta cada diodo es de la mitad de la total. Obtenemos la onda:

Y ésto es lo que hacemos para obtener una corriente continua con un transformador de alterna. Pero la corriente continua no tiene picos y bajadas. Añadamos un zener al circuito de carga. ¡Ups! Ahora hay llanos en vez de picos, pero los picos bajos siguen estando. Lo que hacemos es añadir un condensador de tal forma que eliminamos los picos bajos, quedando sólo los picos altos y ligeras pendientes entre ellos. El zener se añade luego, con una tensión de zener menor a la mínima de las pendientes. Con ésto obtenemos una corriente completamente contínua. Por cierto, si tenemos un transformador de dos secundarios podemos hacer lo siguiente, y ya de paso os enseño la señal tras un condensador:

Lo siguiente son los transitores…