Polarización de transistores bipolares

Proceso necesario para que los amplificadores BJT funcionen correctamente

Un diagrama de líneas de carga , que ilustra un punto de funcionamiento en la región activa del transistor.

Los transistores bipolares deben estar polarizados adecuadamente para funcionar correctamente. En circuitos hechos con dispositivos individuales (circuitos discretos), comúnmente se emplean redes de polarización que consisten en resistencias . En los circuitos integrados se utilizan disposiciones de polarización mucho más elaboradas , por ejemplo, referencias de voltaje de banda prohibida y espejos de corriente . La configuración del divisor de voltaje logra los voltajes correctos mediante el uso de resistencias en ciertos patrones. Al seleccionar los valores de resistencia adecuados, se pueden lograr niveles de corriente estables que varían poco con la temperatura y con propiedades del transistor como β .

El punto de operación de un dispositivo, también conocido como punto de polarización , punto de reposo o punto Q , es el punto en las características de salida que muestra el voltaje CC colector-emisor ( V _ce ) y la corriente del colector ( I _c ) sin señal de entrada aplicada.

Requisitos del circuito de polarización

Se selecciona una red de polarización para estabilizar el punto de funcionamiento del transistor, reduciendo los siguientes efectos de la variabilidad del dispositivo, la temperatura y los cambios de voltaje: ^[1]

• La ganancia de un transistor puede variar significativamente entre diferentes lotes, lo que da lugar a puntos de funcionamiento muy diferentes para unidades secuenciales en producción en serie o después de la sustitución de un transistor.
• Debido al efecto temprano , la ganancia de corriente se ve afectada por el voltaje colector-emisor.
• Tanto la ganancia como el voltaje base-emisor dependen de la temperatura.
• La corriente de fuga también aumenta con la temperatura.

Un circuito de polarización puede estar compuesto únicamente por resistencias o puede incluir elementos como resistencias dependientes de la temperatura, diodos o fuentes de voltaje adicionales, según el rango de condiciones operativas esperadas.

Requisitos de señal

Para el funcionamiento analógico de un amplificador de clase A , el punto Q se coloca de modo que el transistor permanezca en modo activo (no cambia a funcionamiento en la región de saturación o en la región de corte) en todo el rango de la señal de entrada. A menudo, el punto Q se establece cerca del centro de la región activa de la característica de un transistor para permitir oscilaciones de señal similares en direcciones positivas y negativas.

Para el funcionamiento digital, se elige el punto Q para que el transistor cambie del estado "encendido" (saturación) al estado "apagado" (corte).

Consideraciones térmicas

A corriente constante, el voltaje a través de la unión emisor-base V _BE de un transistor bipolar disminuye en 2 mV (silicio) y 1,8 mV (germanio) por cada aumento de 1 °C en la temperatura (la referencia es 25 °C). Según el modelo de Ebers-Moll , si el voltaje base-emisor V _BE se mantiene constante y la temperatura aumenta, la corriente a través de la unión base-emisor I _B aumentará y, por lo tanto, la corriente del colector I _C también aumentará. Dependiendo del punto de polarización, la potencia disipada en el transistor también puede aumentar, lo que aumentará aún más su temperatura y agravará el problema. Esta retroalimentación positiva nociva da como resultado una fuga térmica . ^[2] Existen varios enfoques para mitigar la fuga térmica del transistor bipolar. Por ejemplo,

• Se puede incorporar retroalimentación negativa en el circuito de polarización de modo que una mayor corriente del colector conduzca a una disminución de la corriente de base. Por lo tanto, la creciente corriente del colector estrangula su fuente.
• Se pueden utilizar disipadores de calor que eliminan el calor adicional y evitan que aumente la temperatura base-emisor.
• El transistor se puede polarizar de modo que su colector sea normalmente inferior a la mitad del voltaje de la fuente de alimentación, lo que implica que la disipación de potencia colector-emisor está en su valor máximo. Entonces, la fuga es imposible porque el aumento de la corriente del colector conduce a una disminución de la potencia disipada; esta noción se conoce como principio de medio voltaje. Los circuitos siguientes demuestran principalmente el uso de retroalimentación negativa para evitar la fuga térmica.

Tipos de circuito de polarización para amplificadores de clase A

La siguiente discusión trata cinco circuitos de polarización comunes utilizados con amplificadores de transistores bipolares de clase A:

1. Sesgo fijo
2. Sesgo del coleccionista a la base
3. Polarización fija con resistencia de emisor
4. Polarización del divisor de voltaje o divisor de potencial
5. Sesgo del emisor

Sesgo fijo (sesgo base)

Circuito de polarización fija (polarización de base)

Esta forma de polarización también se denomina polarización de base o polarización de resistencia fija .

En el circuito de polarización fija dado,

$${\displaystyle I_{\text{b}}={\frac {V_{\text{cc}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{b}}}}\,.}$$

un transistor determinado_bebfuente de voltaje CC_ccbsesgo fijo

La ganancia de corriente de emisor común de un transistor (especificada como un rango en su hoja de datos como h _FE o β ), nos permite obtener también: ${\textstyle I_{\text{c}}}$

$${\displaystyle I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}\,.}$$

_{Vce :}

$${\displaystyle V_{\text{ce}}=V_{\text{cc}}-{I_{\text{c}}R_{\text{c}}}\,.}$$

_bc ${\textstyle (V_{\text{ce}},\ I_{\text{c}})}$

Ventajas:

• El punto de funcionamiento lo fijan dos resistencias y el cálculo es muy sencillo.

Desventajas:

• Dado que la polarización la establece la corriente de base, la corriente del colector es directamente proporcional a β. Por lo tanto, el punto de funcionamiento variará significativamente cuando se intercambian los transistores y es inestable ante cambios de temperatura.
• Para transistores de señal pequeña (por ejemplo, no transistores de potencia) con valores relativamente altos de β (es decir, entre 100 y 200), esta configuración será propensa a un descontrol térmico . En particular, el factor de estabilidad , que es una medida del cambio en la corriente del colector con cambios en la corriente de saturación inversa , es aproximadamente β+1. Para garantizar una estabilidad absoluta del amplificador, se prefiere un factor de estabilidad inferior a 25, por lo que los transistores de pequeña señal tienen factores de estabilidad grandes. ^{[ cita necesaria ]}

Uso:

Debido a los inconvenientes inherentes anteriores, la polarización fija rara vez se utiliza en circuitos lineales (es decir, aquellos circuitos que utilizan el transistor como fuente de corriente). En cambio, se utiliza a menudo en circuitos donde el transistor se utiliza como interruptor. Sin embargo, una aplicación de la polarización fija es lograr un control automático de ganancia en el transistor alimentando la resistencia base a partir de una señal de CC derivada de la salida de CA de una etapa posterior.

Sesgo de retroalimentación del coleccionista

Sesgo del coleccionista a la base

Esta configuración emplea retroalimentación negativa para evitar la fuga térmica y estabilizar el punto de operación. En esta forma de polarización, la resistencia base está conectada al colector en lugar de conectarlo a . Por lo tanto, cualquier fuga térmica inducirá una caída de voltaje a través de la resistencia que estrangulará la corriente de base del transistor. ${\displaystyle R_{\text{b}}}$ ${\displaystyle V_{\text{cc}}}$ ${\displaystyle R_{\text{c}}}$

Según la ley de voltaje de Kirchhoff , el voltaje a través de la resistencia base es ${\displaystyle V_{{\text{R}}_{\text{b}}}}$ ${\displaystyle R_{\text{b}}}$

${\displaystyle V_{{\text{R}}_{\text{b}}}=V_{\text{cc}}\,-\,{\mathord {\overbrace {(I_{\text{c}}+I_{\text{b}})R_{\text{c}}} ^{{\text{Voltage drop across }}R_{\text{c}}}}}\,-\,{\mathord {\overbrace {V_{\text{be}}} ^{\text{Voltage at base}}}}.}$

Según el modelo de Ebers-Moll , y así ${\displaystyle I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}}$

${\displaystyle V_{{\text{R}}_{\text{b}}}=V_{\text{cc}}-(\overbrace {\beta I_{\text{b}}} ^{I_{\text{c}}}+I_{\text{b}})R_{\text{c}}-V_{\text{be}}=V_{\text{cc}}-I_{\text{b}}(\beta +1)R_{\text{c}}-V_{\text{be}}.}$

De la ley de Ohm , la corriente base , etc. ${\displaystyle I_{\text{b}}=V_{{\text{R}}_{\text{b}}}/R_{\text{b}}}$

${\displaystyle \overbrace {I_{\text{b}}R_{\text{b}}} ^{V_{{\text{R}}_{\text{b}}}}=V_{\text{cc}}-I_{\text{b}}(\beta +1)R_{\text{c}}-V_{\text{be}}.}$

Por lo tanto, la corriente base es ${\displaystyle I_{\text{b}}}$

${\displaystyle I_{\text{b}}={\frac {V_{\text{cc}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{b}}+(\beta +1)R_{\text{c}}}}}$

Si se mantiene constante y la temperatura aumenta, entonces la corriente del colector aumenta. Sin embargo, un valor mayor hace que la caída de voltaje a través de la resistencia aumente, lo que a su vez reduce el voltaje a través de la resistencia base . Una caída de voltaje más baja en la resistencia de base reduce la corriente de base , lo que resulta en menos corriente de colector . Debido a que se opone un aumento en la corriente del colector con la temperatura, el punto de operación se mantiene estable. ${\displaystyle V_{\text{be}}}$ ${\displaystyle I_{\text{c}}}$ ${\displaystyle I_{\text{c}}}$ ${\displaystyle R_{\text{c}}}$ ${\displaystyle V_{{\text{R}}_{\text{b}}}}$ ${\displaystyle R_{\text{b}}}$ ${\displaystyle I_{\text{b}}}$ ${\displaystyle I_{\text{c}}}$

Ventajas:

• El circuito estabiliza el punto de funcionamiento frente a variaciones de temperatura y β (es decir, sustitución del transistor).
• El circuito estabiliza el punto de operación (como una fracción de ) contra variaciones en . ${\displaystyle V_{\text{cc}}}$ ${\displaystyle V_{\text{cc}}}$

Desventajas:

• Aunque pequeños cambios en β están bien, los cambios grandes en β cambiarán en gran medida el punto de operación. debe elegirse una vez que β se conoce con bastante precisión (quizás dentro de ~ 25%), sin embargo, la variabilidad de β entre partes "idénticas" es a menudo mayor que esto. ${\displaystyle R_{\text{b}}}$

• En este circuito, para mantenerse independiente de , se debe cumplir la siguiente condición: ${\displaystyle I_{\text{c}}}$ ${\displaystyle \beta }$
  $${\displaystyle I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}={\frac {\beta (V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{b}}+R_{\text{c}}+\beta R_{\text{c}}}}\approx {\frac {(V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{c}}}}}$$
  cual es el caso cuando
  $${\displaystyle \beta R_{\text{c}}\gg R_{\text{b}}.}$$
• Como el valor - es fijo (y generalmente desconocido) para un transistor determinado, esta relación puede satisfacerse manteniéndolo bastante grande o haciéndolo muy bajo. ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle R_{\text{c}}}$ ${\displaystyle R_{\text{b}}}$

• Si es grande, es necesaria una altura , lo que aumenta el coste y las precauciones necesarias durante su manipulación. ${\displaystyle R_{\text{c}}}$ ${\displaystyle V_{\text{cc}}}$
• Si es bajo, la polarización inversa de la región colector-base es pequeña, lo que limita el rango de oscilación del voltaje del colector que deja al transistor en modo activo. ${\displaystyle R_{\text{b}}}$

• La resistencia provoca una retroalimentación de CA , lo que reduce la ganancia de voltaje del amplificador. Este efecto indeseable es una compensación por una mayor estabilidad del punto Q. Sin embargo, se puede utilizar una red T (RCR) para reducir la retroalimentación de CA, que sin embargo plantea una carga más pesada en el colector que la simple resistencia de retroalimentación. En frecuencias más altas se puede utilizar una red de retroalimentación RL; sin embargo, introducirá picos en la respuesta de frecuencia en varios puntos. ${\displaystyle R_{\text{b}}}$

Uso: En esta configuración, que se conoce como "retroalimentación en derivación de voltaje", se detecta el voltaje de salida y la señal de retroalimentación (una corriente) se aplica en derivación (es decir, en paralelo con la entrada). Esto significa que la impedancia de entrada "mirar hacia la base" en realidad se reduce. Esto se puede verificar fácilmente mediante la aplicación del teorema de Miller. Esta situación es similar a la de un circuito de amplificador operacional inversor donde la impedancia de entrada del amplificador en la tierra virtual es cercana a cero y la. La impedancia de entrada general está determinada por la resistencia en serie externa. Debido a la reducción de ganancia de la retroalimentación, esta forma de polarización se usa solo cuando se garantiza la compensación por la estabilidad. Agregar una resistencia de emisor a este circuito aumentará la impedancia de entrada.

Polarización fija con resistencia de emisor

Polarización fija con resistencia de emisor

El circuito de polarización fija se modifica conectando una resistencia externa al emisor. Esta resistencia introduce retroalimentación negativa que estabiliza el punto Q. Según la ley de voltaje de Kirchhoff , el voltaje a través de la resistencia base es

$${\displaystyle V_{R_{\text{b}}}=V_{\text{cc}}-I_{\text{e}}R_{\text{e}}-V_{\text{be}}}$$

la ley de Ohm

$${\displaystyle I_{\text{b}}={\frac {V_{R_{\text{b}}}}{R_{\text{b}}}}}$$

_{beSin embargo, un I e=eRbcbce}

De manera similar, si el transistor se reemplaza por otro, puede haber un cambio en I _c (correspondiente a un cambio en el valor β, por ejemplo). Mediante un proceso similar al anterior, se niega el cambio y el punto de operación se mantiene estable.

Para el circuito dado,

$${\displaystyle I_{\text{b}}={\frac {V_{\text{cc}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{b}}+(\beta +1)R_{\text{e}}}}}$$

Ventajas:

El circuito tiene tendencia a estabilizar el punto de funcionamiento frente a cambios de temperatura y valor β.

Desventajas:

• En este circuito, para mantener I _c independiente de β se debe cumplir la siguiente condición:
  $${\displaystyle I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}={\frac {\beta (V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{b}}+(\beta +1)R_{\text{e}}}}\approx {\frac {(V_{\text{cc}}-V_{\text{be}})}{R_{\text{e}}}}}$$
  que es aproximadamente el caso si
  $${\displaystyle (\beta +1)R_{\text{e}}\gg R_{\text{b}}.}$$

• Como el valor β es fijo para un transistor dado, esta relación puede satisfacerse manteniendo R _e muy grande o haciendo que R _b sea muy bajo.
  • Si Re _es de gran valor, es necesario un _Vcc alto. Esto aumenta el costo y las precauciones necesarias durante el manejo.
  • Si R _b es bajo, se debe utilizar un suministro de bajo voltaje independiente en el circuito base. No es práctico utilizar dos suministros de diferentes voltajes.
• Además de lo anterior, Re _provoca retroalimentación de CA que reduce la ganancia de voltaje del amplificador.

Uso:

La retroalimentación también aumenta la impedancia de entrada del amplificador cuando se ve desde la base, lo que puede resultar ventajoso. Debido a las desventajas anteriores, este tipo de circuito de polarización se utiliza sólo con una cuidadosa consideración de las compensaciones involucradas.

Polarización estabilizada por colector.

Polarización del divisor de voltaje o polarización del emisor

Polarización del divisor de voltaje

El divisor de tensión se forma utilizando resistencias externas R ₁ y R ₂ . El voltaje a través de R ₂ polariza directamente la unión del emisor. Mediante la selección adecuada de las resistencias R ₁ y R ₂ , el punto de funcionamiento del transistor puede hacerse independiente de β. En este circuito, el divisor de voltaje mantiene fijo el voltaje de base (independiente de la corriente de base), siempre que la corriente del divisor sea grande en comparación con la corriente de base. Sin embargo, incluso con un voltaje de base fijo, la corriente del colector varía con la temperatura (por ejemplo), por lo que se agrega una resistencia de emisor para estabilizar el punto Q, similar a los circuitos anteriores con resistencia de emisor. La configuración del divisor de voltaje logra los voltajes correctos mediante el uso de resistencias en ciertos patrones. Al manipular las resistencias de ciertas maneras, puede lograr niveles de corriente más estables sin que el valor β lo afecte demasiado.

En este circuito, el voltaje de base, , está dado por ${\textstyle V_{\text{b}}}$ ${\displaystyle R_{2}\ }$

$${\displaystyle V_{\text{b}}=V_{\text{cc}}{\frac {R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}-I_{\text{b}}{\frac {R_{1}R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}\approx V_{\text{cc}}{\frac {R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}}}$$

${\displaystyle I_{\text{b}}<<I_{1}=V_{\text{b}}/R_{1}}$

También se sabe que

$${\displaystyle V_{\text{b}}=V_{\text{be}}+V_{\text{e}}=V_{\text{be}}+I_{\text{e}}R_{\text{e}}.}$$

$${\displaystyle I_{\text{b}}={\frac {{\frac {V_{\text{cc}}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{\text{be}}}{(\beta +1)R_{\text{e}}+R_{1}\parallel R_{2}}}}$$

Ventajas:

• El punto de funcionamiento es casi independiente de la variación β.
• Punto de funcionamiento estabilizado contra cambios de temperatura.

Desventajas:

• En este circuito, para mantener I _c independiente de β se debe cumplir la siguiente condición:
  $${\displaystyle I_{\text{c}}=\beta I_{\text{b}}=\beta {\frac {{\frac {V_{\text{cc}}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{\text{be}}}{(\beta +1)R_{\text{e}}+R_{1}\parallel R_{2}}}\approx {\frac {{\frac {V_{\text{cc}}}{1+R_{1}/R_{2}}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{e}}}},}$$
  que es aproximadamente el caso si
  $${\displaystyle (\beta +1)R_{\text{e}}>>R_{1}\parallel R_{2}}$$
  donde R ₁ || R ₂ denota la resistencia equivalente de R ₁ y R ₂ conectados en paralelo.

• Como el valor β es fijo para un transistor dado, esta relación puede satisfacerse manteniendo R _e bastante grande o haciendo que R ₁ ||R ₂ sea muy bajo.
  • Si Re _es de gran valor, es necesario un _Vcc alto. Esto aumenta el costo y las precauciones necesarias durante el manejo.
  • Si R ₁ || R ₂ es bajo, o R ₁ es bajo, o R ₂ es bajo, o ambos son bajos. Un R ₁ bajo eleva V _b más cerca de V _c , reduciendo la oscilación disponible en el voltaje del colector y limitando qué tan grande se puede hacer R _c sin sacar el transistor del modo activo. Un _R2 bajo reduce Vbe _, reduciendo la corriente permitida del colector. Reducir ambos valores de resistencia consume más corriente de la fuente de alimentación y reduce la resistencia de entrada del amplificador visto desde la base.
• La retroalimentación de CA y CC es causada por Re _, que reduce la ganancia de voltaje de CA del amplificador. A continuación se analiza un método para evitar la retroalimentación de CA y al mismo tiempo conservar la retroalimentación de CC.

Uso:

La estabilidad del circuito y las ventajas anteriores lo hacen ampliamente utilizado para circuitos lineales.

Divisor de voltaje con condensador de derivación de CA

Divisor de voltaje con condensador

El circuito divisor de voltaje estándar discutido anteriormente enfrenta un inconveniente: la retroalimentación de CA causada por la resistencia Re _reduce la ganancia. Esto se puede evitar colocando un condensador (C _e ) en paralelo con Re _, como se muestra en el diagrama del circuito.

Ventajas:

• El resultado es que el punto de funcionamiento de CC está bien controlado.

• La ganancia de CA es mucho mayor (acercándose a β), en lugar del valor mucho más bajo (pero predecible) sin el condensador. ${\displaystyle R_{\text{c}}/R_{\text{e}}}$

Desventajas:

• Añade un componente extra.

Sesgo del emisor

Sesgo del emisor

Cuando se dispone de una fuente dividida (fuente de alimentación dual), este circuito de polarización es el más eficaz. Proporciona voltaje de polarización cero en el emisor o colector para la carga. ^{[ se necesita aclaración ]} El suministro negativo Vee _se utiliza para polarizar directamente la unión del emisor a través de _Re . El suministro positivo V _cc se utiliza para polarizar inversamente la unión del colector.

Si R _b es lo suficientemente pequeño, el voltaje base será aproximadamente cero. Por lo tanto, la corriente del emisor es,

$${\displaystyle I_{\text{e}}={\frac {V_{\text{ee}}-V_{\text{be}}}{R_{\text{e}}}}}$$

Ventajas:

• El punto de operación es independiente de if . ${\textstyle \beta }$ ${\textstyle R_{\text{e}}\gg R_{\text{b}}/\beta }$

• Sólo se necesitan dos resistencias para la configuración del colector común. (Y cuatro resistencias para un emisor común o una configuración de base común).

Desventajas:

• Este tipo solo se puede utilizar cuando hay disponible una fuente de alimentación dividida (doble).

Amplificadores clase B y AB

Requisitos de señal

Los amplificadores de clase B y AB emplean 2 dispositivos activos para cubrir los 360 grados completos del flujo de señal de entrada. Por lo tanto, cada transistor está polarizado para funcionar en aproximadamente 180 grados de la señal de entrada. La polarización de clase B es cuando la corriente del colector Ic _sin señal solo conduce (aproximadamente el 1% del valor máximo posible). La polarización de clase AB se produce cuando la corriente del colector I _c es aproximadamente 1 ⁄ 4 del valor máximo posible. El siguiente circuito amplificador de salida push-pull de clase AB podría ser la base para un amplificador de audio de potencia moderada.

Un circuito amplificador práctico

Q3 es una etapa de emisor común que proporciona amplificación de la señal y la corriente de polarización de CC a través de D1 y D2 para generar un voltaje de polarización para los dispositivos de salida. El par de salida está dispuesto en contrafase de clase AB, también llamado par complementario. Los diodos D1 y D2 proporcionan una pequeña cantidad de polarización de voltaje constante para el par de salida, simplemente polarizándolos al estado conductor para minimizar la distorsión cruzada. Es decir, los diodos empujan la etapa de salida al modo clase AB (suponiendo que la caída base-emisor de los transistores de salida se reduce mediante la disipación de calor).

Este diseño estabiliza automáticamente su punto de funcionamiento, ya que la retroalimentación general opera internamente desde CC hasta todo el rango de audio y más allá. El uso de polarización de diodo fija requiere que los diodos coincidan eléctrica y térmicamente con los transistores de salida. Si los transistores de salida conducen demasiado, pueden sobrecalentarse fácilmente y destruirse, ya que la corriente total de la fuente de alimentación no está limitada en esta etapa.

Una solución común para ayudar a estabilizar el punto de funcionamiento del dispositivo de salida es incluir algunas resistencias de emisor, generalmente de aproximadamente un ohmio. El cálculo de los valores de las resistencias y condensadores del circuito se realiza en función de los componentes empleados y el uso previsto del amplificador.

Ver también

• Polarización (electrónica)
• Modelo de pequeña señal
• Transistor de unión bipolar
• MOSFET

Referencias

1. Paul Horowitz, Winfield Hill, El arte de la electrónica, segunda edición , Cambridge University Press, 1989, ISBN  0-521-37095-7 , págs.
2. AS Sedra y KC Smith (2004). Circuitos microelectrónicos (5ª ed.). Nueva York: Oxford University Press. 397, Figura 5.17 y pág. 1245.ISBN​ 0-19-514251-9.

Otras lecturas

• Patil, PK; Chitnis, MM (2005). Electricidad Básica y Dispositivos Semiconductores . Phadke Prakashan.

enlaces externos

• Sesgo - de la Enciclopedia de ciencia y tecnología
• Serie de formación en ingeniería eléctrica: tipos de polarización