4.5: El amplificador de emisor común

Transistor como interruptor simple

Uno de los circuitos amplificadores de transistores más simples para estudiar anteriormente ilustró la capacidad de conmutación del transistor. (Figura abajo)

Transistor NPN como un simple interruptor.

Se llama configuración de emisor común porque (ignorando la batería de la fuente de alimentación) tanto la fuente de señal como la carga comparten el cable emisor como punto de conexión común que se muestra en la Figura a continuación. Esta no es la única manera en que un transistor puede ser utilizado como amplificador, como veremos en secciones posteriores de este capítulo.

Amplificador de emisor común: Las señales de entrada y salida comparten una conexión con el emisor.

Antes, una pequeña corriente de célula solar saturaba un transistor, iluminando una lámpara. Sabiendo ahora que los transistores son capaces de “estrangular” sus corrientes de colector de acuerdo con la cantidad de corriente base suministrada por una fuente de señal de entrada, deberíamos ver que el brillo de la lámpara en este circuito es controlable por la exposición a la luz de la célula solar. Cuando solo hay un poco de luz brillando en la célula solar, la lámpara brillará débilmente. El brillo de la lámpara aumentará de manera constante a medida que más luz caiga sobre la célula solar.

Supongamos que estábamos interesados en utilizar la célula solar como instrumento de intensidad de luz. Queremos medir la intensidad de la luz incidente con la célula solar mediante el uso de su corriente de salida para impulsar un movimiento de medidor. Es posible conectar directamente un movimiento de medidor a una célula solar (Figura a continuación) para este propósito. De hecho, los medidores de exposición a la luz más simples para trabajos fotográficos están diseñados así.

La luz de alta intensidad impulsa directamente el medidor de luz.

Aunque este enfoque podría funcionar para mediciones de intensidad de luz moderada, no funcionaría tan bien para mediciones de baja intensidad de luz. Debido a que la célula solar tiene que abastecer las necesidades de energía del movimiento del medidor, el sistema es necesariamente limitado en su sensibilidad. Suponiendo que nuestra necesidad aquí es medir intensidades de luz de muy bajo nivel, estamos presionados para encontrar otra solución.

Transistor como amplificador

Quizás la solución más directa a este problema de medición es usar un transistor (Figura a continuación) para amplificar la corriente de la célula solar de manera que se pueda obtener más deflexión del medidor para menos luz incidente.

La corriente celular debe amplificarse para luz de baja intensidad.

La corriente a través del movimiento del medidor en este circuito será β veces la corriente de la célula solar. Con un transistor β de 100, esto representa un aumento sustancial en la sensibilidad de medición. Es prudente señalar que la potencia adicional para mover la aguja del medidor proviene de la batería en el extremo derecho del circuito, no de la propia célula solar. Todo lo que hace la corriente de la célula solar es controlar la corriente de la batería al medidor para proporcionar una mayor lectura del medidor de la que la célula solar podría proporcionar sin ayuda.

Debido a que el transistor es un dispositivo regulador de corriente, y debido a que las indicaciones de movimiento del medidor se basan en la corriente a través de la bobina de movimiento, la indicación del medidor en este circuito debe depender únicamente de la corriente de la célula solar, no de la cantidad de voltaje proporcionado por la batería. Esto significa que la precisión del circuito será independiente del estado de la batería, ¡una característica importante! Todo lo que se requiere de la batería es una cierta capacidad mínima de salida de voltaje y corriente para conducir el medidor a gran escala.

Salida de voltaje debido a la corriente a través de una resistencia de carga

Otra forma en la que se puede usar la configuración de emisor común es producir una tensión de salida derivada de la señal de entrada, en lugar de una corriente de salida específica. Reemplacemos el movimiento del medidor con una resistencia simple y medimos el voltaje entre el colector y el emisor en la Figura siguiente

Amplificador emisor común desarrolla salida de voltaje debido a la corriente a través de la resistencia de carga.

Con la célula solar oscurecida (sin corriente), el transistor estará en modo de corte y se comportará como un interruptor abierto entre colector y emisor. Esto producirá una caída máxima de voltaje entre el colector y el emisor para una _salida máxima de V, igual al voltaje completo de la batería.

A plena potencia (máxima exposición a la luz), la célula solar conducirá el transistor al modo de saturación, haciendo que se comporte como un interruptor cerrado entre el colector y el emisor. El resultado será una caída mínima de voltaje entre el colector y el emisor, o casi cero voltaje de salida. En la actualidad, un transistor saturado nunca puede lograr una caída de voltaje cero entre el colector y el emisor debido a las dos uniones PN a través de las cuales debe viajar la corriente del colector. Sin embargo, este “voltaje de saturación colector-emisor” será bastante bajo, alrededor de varias décimas de voltio, dependiendo del transistor específico utilizado.

Para los niveles de exposición a la luz en algún lugar entre cero y la salida máxima de la célula solar, el transistor estará en su modo activo, y el voltaje de salida estará en algún lugar entre cero y el voltaje de la batería completa. Una cualidad importante a tener en cuenta aquí sobre la configuración del emisor común es que la tensión de salida se invierte con respecto a la señal de entrada. Es decir, el voltaje de salida disminuye a medida que aumenta la señal de entrada. Por esta razón, la configuración del amplificador de emisor común se denomina amplificador inversor.

Una simulación rápida SPICE (Figura abajo) del circuito en la Figura siguiente verificará nuestras conclusiones cualitativas sobre este circuito amplificador.

Esquema de emisor común con números de nodo y lista de red SPICE correspondiente.

Emisor común: salida de voltaje de colector vs entrada de corriente base.

Al inicio de la simulación en la Figura anterior donde la fuente de corriente (célula solar) está emitiendo corriente cero, el transistor está en modo de corte y los 15 voltios completos de la batería se muestran en la salida del amplificador (entre los nodos 2 y 0). A medida que la corriente de la célula solar comienza a aumentar, el voltaje de salida disminuye proporcionalmente, hasta que el transistor alcanza la saturación a 30 µA de corriente base (3 mA de corriente de colector). Observe cómo la traza de voltaje de salida en la gráfica es perfectamente lineal (pasos de 1 voltio de 15 voltios a 1 voltio) hasta el punto de saturación, donde nunca llega del todo a cero. Este es el efecto mencionado anteriormente, donde un transistor saturado nunca puede lograr una caída de voltaje exactamente cero entre el colector y el emisor debido a los efectos de unión interna. Lo que sí vemos es una fuerte disminución del voltaje de salida de 1 voltio a 0.2261 voltios a medida que la corriente de entrada aumenta de 28 µA a 30 µA, y luego una disminución continua en el voltaje de salida a partir de entonces (aunque en pasos progresivamente más pequeños). El menor voltaje de salida jamás obtenido en esta simulación es de 0.1299 voltios, acercándose asintóticamente a cero.

Transistor como amplificador de CA

Hasta ahora, hemos visto el transistor utilizado como amplificador para señales de CC. En el ejemplo del medidor de luz de célula solar, nos interesó amplificar la salida de CC de la célula solar para impulsar un movimiento de medidor de CC, o para producir un voltaje de salida de CC. Sin embargo, esta no es la única manera en que se puede emplear un transistor como amplificador. A menudo, se desea un amplificador de CA para amplificar las señales de corriente alterna y voltaje. Una aplicación común de esto es en la electrónica de audio (radios, televisores y sistemas de megafonía). Anteriormente, vimos un ejemplo de la salida de audio de un diapasón activando un interruptor de transistor. (Figura abajo) Veamos si podemos modificar ese circuito para enviar energía a un altavoz en lugar de a una lámpara en la Figura siguiente.

Interruptor de transistor activado por audio.

En el circuito original, se utilizó un puente rectificador de onda completa para convertir la señal de salida de CA del micrófono en una tensión de CC para impulsar la entrada del transistor. Todo lo que nos importaba aquí era encender la lámpara con una señal sonora del micrófono, y esta disposición bastaba para ese propósito. Pero ahora queremos reproducir realmente la señal de CA y conducir un altavoz. Esto significa que ya no podemos rectificar la salida del micrófono, ¡porque necesitamos una señal de CA no distorsionada para accionar el transistor! Quitemos el puente rectificador y reemplacemos la lámpara con un altavoz:

Amplificador emisor común impulsa altavoz con señal de frecuencia de audio.

Dado que el micrófono puede producir voltajes que excedan la caída de voltaje directo de la unión base-emisor PN (diodo), he colocado una resistencia en serie con el micrófono. Simulemos el circuito de la Figura a continuación con SPICE. El netlist se incluye en (Figura a continuación)

Versión SPICE del amplificador de audio emisor común.

Señal recortada en el colector debido a la falta de polarización de la base de CC.

La simulación traza (Figura anterior) tanto el voltaje de entrada (una señal de CA de 1.5 voltios de amplitud pico y frecuencia de 2000 Hz) como la corriente a través de la batería de 15 voltios, que es la misma que la corriente a través del altavoz. Lo que vemos aquí es una onda sinusoidal de CA completa alterna en ambas direcciones positiva y negativa, y una forma de onda de corriente de salida de media onda que solo pulsa en una dirección. Si realmente estuviéramos manejando un altavoz con esta forma de onda, el sonido producido estaría terriblemente distorsionado.

¿Qué tiene de malo el circuito? ¿Por qué no reproduce fielmente toda la forma de onda de CA desde el micrófono? La respuesta a esta pregunta se encuentra mediante una inspección minuciosa del modelo de fuente de corriente de diodo transistor en la Figura siguiente.

El modelo muestra que la corriente base fluye en dirección.

La corriente de colector se controla, o regula, a través del mecanismo de corriente constante de acuerdo con el ritmo establecido por la corriente a través del diodo base-emisor. Tenga en cuenta que ambos caminos de corriente a través del transistor son monodireccionales: ¡solo de una manera! A pesar de nuestra intención de usar el transistor para amplificar una señal de CA, es esencialmente un dispositivo de CC, capaz de manejar corrientes en una sola dirección. Podemos aplicar una señal de entrada de voltaje de CA entre la base y el emisor, pero los electrones no pueden fluir en ese circuito durante la parte del ciclo que polariza hacia atrás la unión del diodo base-emisor. Por lo tanto, el transistor permanecerá en modo de corte a lo largo de esa parte del ciclo. Se “encenderá” en su modo activo solo cuando el voltaje de entrada sea de la polaridad correcta para polarizar hacia adelante el diodo base-emisor, y solo cuando ese voltaje sea lo suficientemente alto como para superar la caída de voltaje directo del diodo. Recuerde que los transistores bipolares son dispositivos controlados por corriente: regulan la corriente del colector en base a la existencia de corriente base a emisor, no voltaje de base a emisor.

La única forma en que podemos conseguir que el transistor reproduzca toda la forma de onda como corriente a través del altavoz es mantener el transistor en su modo activo todo el tiempo. Esto significa que debemos mantener la corriente a través de la base durante todo el ciclo de forma de onda de entrada. En consecuencia, la unión del diodo base-emisor debe mantenerse polarizada hacia delante en todo momento. Afortunadamente, esto se puede lograr con un voltaje de polarización de CC agregado a la señal de entrada. Al conectar una tensión de CC suficiente en serie con la fuente de señal de CA, la polarización directa se puede mantener en todos los puntos a lo largo del ciclo de onda. (Figura abajo)

La _{polarización} V mantiene el transistor en la región activa.

Corriente de salida no distorsionada I (v (1) debido a Vbias

Con la fuente de voltaje de polarización de 2.3 voltios en su lugar, el transistor permanece en su modo activo durante todo el ciclo de la onda, reproduciendo fielmente la forma de onda en el altavoz. (Figura anterior) Observe que el voltaje de entrada (medido entre los nodos 1 y 0) fluctúa entre aproximadamente 0.8 voltios y 3.8 voltios, un voltaje pico a pico de 3 voltios tal como se esperaba (voltaje fuente = pico de 1.5 voltios). La corriente de salida (altavoz) varía entre cero y casi 300 mA, 180 ^o desfasada con la señal de entrada (micrófono).

La ilustración de la Figura siguiente es otra vista del mismo circuito, esta vez con unos osciloscopios (“scopemeters”) conectados en puntos cruciales para mostrar todas las señales pertinentes.

La entrada está sesgada hacia arriba en la base. La salida está invertida.

Sesgo

La necesidad de polarizar un circuito amplificador de transistor para obtener una reproducción completa de la forma de onda es una consideración importante. Una sección separada de este capítulo se dedicará íntegramente a las técnicas de sesgo y sesgo del tema. Por ahora, es suficiente entender que la polarización puede ser necesaria para una salida adecuada de voltaje y corriente del amplificador.

Ahora que tenemos un circuito amplificador en funcionamiento, podemos investigar sus ganancias de voltaje, corriente y potencia. El transistor genérico utilizado en estos análisis SPICE tiene un β de 100, como lo indica la impresión estadística de transistores cortos incluida en la salida de texto en la Tabla siguiente (estas estadísticas se cortaron de los dos últimos análisis por razones de brevedad).

β aparece bajo la abreviatura “bf”, que en realidad significa “b eta, f orward”. Si quisiéramos insertar nuestra propia relación β para un análisis, podríamos haberlo hecho en la línea .model de la lista de redes SPICE.

Dado que β es la relación de corriente de colector a corriente base, y tenemos nuestra carga conectada en serie con el terminal colector del transistor y nuestra fuente conectada en serie con la base, la relación de corriente de salida a corriente de entrada es igual a beta. Por lo tanto, nuestra ganancia de corriente para este amplificador de ejemplo es de 100, o 40 dB.

La ganancia de voltaje es un poco más complicada de calcular que la ganancia de corriente para este circuito. Como siempre, la ganancia de voltaje se define como la relación entre la tensión de salida dividida por la tensión de entrada. Para determinar esto experimentalmente, modificamos nuestro último análisis SPICE para trazar el voltaje de salida en lugar de la corriente de salida, por lo que tenemos dos gráficas de voltaje para comparar en la Figura a continuación.

Trazada en la misma escala (de 0 a 4 voltios), vemos que la forma de onda de salida en la Figura anterior tiene una amplitud pico a pico menor que la forma de onda de entrada, además de estar a una tensión de polarización más baja, no elevada desde 0 voltios como la entrada. Dado que la ganancia de voltaje para un amplificador de CA se define por la relación de amplitudes de CA, podemos ignorar cualquier polarización de CC que separe las dos formas de onda. Aun así, la forma de onda de entrada es aún mayor que la salida, lo que nos indica que la ganancia de voltaje es menor que 1 (una cifra negativa de dB).

Para ser honesto, esta ganancia de baja tensión no es característica de todos los amplificadores de emisor común. Es consecuencia de la gran disparidad entre las resistencias de entrada y carga. Nuestra resistencia de entrada (R ₁) aquí es de 1000 Ω, mientras que la carga (altavoz) es de solo 8 Ω. Debido a que la ganancia de corriente de este amplificador está determinada únicamente por el β del transistor, y debido a que esa cifra β es fija, la ganancia de corriente para este amplificador no cambiará con variaciones en ninguna de estas resistencias. Sin embargo, la ganancia de voltaje depende de estas resistencias. Si alteramos la resistencia de carga, haciéndola un valor mayor, bajará un voltaje proporcionalmente mayor para su rango de corrientes de carga, resultando en una forma de onda de salida más grande. Probemos otra simulación, solo que esta vez con una carga de 30 Ω en la Figura a continuación en lugar de una carga de 8 Ω.

Esta vez la forma de onda de voltaje de salida en la Figura anterior es significativamente mayor en amplitud que la forma de onda de entrada. Mirando de cerca, podemos ver que la forma de onda de salida cresta entre 0 y aproximadamente 9 voltios: aproximadamente 3 veces la amplitud de la tensión de entrada.

Podemos hacer otro análisis por computadora de este circuito, esta vez instruyendo a SPICE para que lo analice desde un punto de vista de CA, dándonos cifras de voltaje pico para entrada y salida en lugar de una gráfica basada en el tiempo de las formas de onda. (Tabla a continuación)

Las mediciones de voltaje pico de entrada y salida muestran una entrada de 1.5 voltios y una salida de 4.418 voltios. Esto nos da una relación de ganancia de voltaje de 2.9453 (4.418 V/1.5 V), o 9.3827dB.

Debido a que la ganancia de corriente del amplificador de emisor común está fijada por β, y dado que los voltajes de entrada y salida serán iguales a las corrientes de entrada y salida multiplicadas por sus respectivas resistencias, podemos derivar una ecuación para la ganancia de voltaje aproximada:

Como puede ver, los resultados previstos para la ganancia de voltaje están bastante cerca de los resultados simulados. Con un comportamiento de transistor perfectamente lineal, los dos conjuntos de figuras coincidirían exactamente. SPICE hace un trabajo razonable al dar cuenta de las muchas “peculiaridades” de la función del transistor bipolar en su análisis, de ahí el ligero desajuste en la ganancia de voltaje basado en la salida de SPICE.

Estas ganancias de voltaje siguen siendo las mismas independientemente de dónde medimos el voltaje de salida en el circuito: a través del colector y emisor, o a través de la resistencia de carga en serie como lo hicimos en el último análisis. La cantidad de cambio de voltaje de salida para cualquier cantidad dada de voltaje de entrada seguirá siendo la misma. Considera los dos siguientes análisis SPICE como prueba de ello. La primera simulación en la Figura a continuación se basa en el tiempo, para proporcionar una gráfica de voltajes de entrada y salida. Notarás que las dos señales están 180 ^o desfasadas entre sí. La segunda simulación en la Tabla siguiente es un análisis de CA, para proporcionar lecturas simples de voltaje pico para entrada y salida.

Todavía tenemos un voltaje de salida pico de 4.418 voltios con un voltaje de entrada pico de 1.5 voltios. La única diferencia con respecto al último conjunto de simulaciones es la fase de la tensión de salida.

Hasta el momento, los circuitos de ejemplo mostrados en esta sección han utilizado todos los transistores NPN. Los transistores PNP son tan válidos para usar como NPN en cualquier configuración de amplificador, siempre y cuando se mantengan las direcciones de polaridad y corriente adecuadas, y el amplificador de emisor común no sea la excepción. La inversión de salida y ganancia de un amplificador de transistor PNP son las mismas que su contraparte NPN, solo que las polaridades de la batería son diferentes. (Figura abajo)

Versión PNP del amplificador emisor común.

Revisar

• Los amplificadores de transistor de emisor común son llamados porque los puntos de voltaje de entrada y salida comparten el cable emisor del transistor en común entre sí, sin considerar ninguna fuente de alimentación.
• Los transistores son esencialmente dispositivos de CC: no pueden manejar directamente voltajes o corrientes que invierten la dirección. Para que funcionen para amplificar señales de CA, la señal de entrada debe estar compensada con una tensión de CC para mantener el transistor en su modo activo durante todo el ciclo de la onda. Esto se llama sesgo.
• Si el voltaje de salida se mide entre el emisor y el colector en un amplificador de emisor común, estará 180 ^o desfasado con la forma de onda de voltaje de entrada. Por lo tanto, el amplificador de emisor común se denomina circuito amplificador inversor.
• La ganancia de corriente de un amplificador de transistor de emisor común con la carga conectada en serie con el colector es igual a β. La ganancia de voltaje de un amplificador de transistor de emisor común se da aproximadamente aquí:

• Donde “R _out” es la resistencia conectada en serie con el colector y “R _in” es la resistencia conectada en serie con la base.