4.9: Técnicas de sesgo (BJT)

En la sección de emisor común de este capítulo, vimos un análisis SPICE donde la forma de onda de salida se parecía a una forma rectificada de media onda: solo se reprodujo la mitad de la forma de onda de entrada, con la otra mitad completamente cortada. Dado que nuestro propósito en ese momento era reproducir toda la forma de onda, esto constituía un problema. La solución a este problema fue agregar un pequeño voltaje de polarización a la entrada del amplificador para que el transistor permaneciera en modo activo durante todo el ciclo de onda. Esta adición se llamó voltaje de polarización.

Una salida de media onda no es problemática para algunas aplicaciones. De hecho, algunas aplicaciones pueden necesitar este mismo tipo de amplificación. Debido a que es posible operar un amplificador en modos distintos a la reproducción de onda completa y aplicaciones específicas requieren diferentes rangos de reproducción, es útil describir el grado en que un amplificador reproduce la forma de onda de entrada designándola según clase. El funcionamiento de la clase del amplificador se categoriza con letras alfabéticas: A, B, C y AB.

Para la operación Clase A, toda la forma de onda de entrada se reproduce fielmente. Aunque no introduje este concepto de nuevo en la sección de emisor común, esto es lo que esperábamos lograr en nuestras simulaciones. La operación de Clase A solo se puede obtener cuando el transistor pasa todo su tiempo en el modo activo, nunca alcanzando el corte ni la saturación. Para lograr esto, generalmente se establece suficiente voltaje de polarización de CC en el nivel necesario para accionar el transistor exactamente a mitad de camino entre el corte y la saturación. De esta manera, la señal de entrada de CA estará perfectamente “centrada” entre los niveles límite de señal alto y bajo del amplificador.

Clase A: La salida del amplificador es una reproducción fiel de la entrada.

La operación de clase B es lo que tuvimos la primera vez que se aplicó una señal de CA al amplificador de emisor común sin voltaje de polarización de CC. El transistor pasó la mitad de su tiempo en modo activo y la otra mitad en corte con el voltaje de entrada demasiado bajo (¡o incluso de polaridad incorrecta!) para polarizar hacia adelante su unión base-emisor.

Clase B: El sesgo es tal que se reproduce la mitad (180 ^o) de la forma de onda.

Por sí mismo, un amplificador que opera en modo clase B no es muy útil. En la mayoría de las circunstancias, la severa distorsión introducida en la forma de onda al eliminar la mitad de ella sería inaceptable. Sin embargo, la operación de clase B es un modo útil de polarización si dos amplificadores son operados como un par push-pull, manejando cada amplificador solo la mitad de la forma de onda a la vez:

Amplificador Push Pull Clase B: Cada transistor reproduce la mitad de la forma de onda. Combinar las mitades produce una reproducción fiel de toda la ola.

El transistor Q ₁ “empuja” (impulsa el voltaje de salida en una dirección positiva con respecto a tierra), mientras que el transistor Q ₂ “tira” del voltaje de salida (en dirección negativa, hacia 0 voltios con respecto a tierra). Individualmente, cada uno de estos transistores está operando en modo clase B, activo solo durante la mitad del ciclo de forma de onda de entrada. Juntos, sin embargo, ambos funcionan como un equipo para producir una forma de onda de salida idéntica en forma a la forma de onda de entrada.

Una ventaja decidida del diseño del amplificador de clase B (push-pull) sobre el diseño de clase A es una mayor capacidad de potencia de salida. Con un diseño de clase A, el transistor disipa considerable energía en forma de calor porque nunca deja de conducir corriente. En todos los puntos del ciclo de onda está en el modo activo (conductor), conduciendo corriente sustancial y bajando voltaje sustancial. Hay una potencia sustancial disipada por el transistor a lo largo del ciclo. En un diseño de clase B, cada transistor pasa la mitad del tiempo en modo de corte, donde disipa la potencia cero (corriente cero = disipación de potencia cero). Esto le da a cada transistor un tiempo para “descansar” y enfriarse mientras que el otro transistor lleva la carga de la carga. Los amplificadores de clase A son de diseño más simple, pero tienden a limitarse a aplicaciones de señal de baja potencia por la simple razón de la disipación de calor del transistor.

Otra clase de operación del amplificador conocida como clase AB, está en algún lugar entre la clase A y la clase B: el transistor gasta más del 50% pero menos del 100% del tiempo conduciendo corriente.

Si la polarización de la señal de entrada para un amplificador es ligeramente negativa (opuesta a la polaridad de polarización para la operación de clase A), la forma de onda de salida será más “recortada” que con polarización de clase B, resultando en una operación donde el transistor pasa la mayor parte del tiempo en modo de corte:

Clase C: La conducción es por menos de medio ciclo (< 180 ^o).

Al principio, este esquema puede parecer totalmente inútil. Después de todo, ¿qué tan útil podría ser un amplificador si recorta la forma de onda tan mal como esta? Si la salida se usa directamente sin acondicionamiento de ningún tipo, de hecho sería de utilidad cuestionable. Sin embargo, con la aplicación de un circuito de tanque (combinación de inductor-condensador resonante paralelo) a la salida, la sobretensión de salida ocasional producida por el amplificador puede poner en movimiento una oscilación de frecuencia más alta mantenida por el circuito del tanque. Esto puede compararse con una máquina donde un volante pesado recibe una “patada” ocasional para mantenerlo girando:

Amplificador de Clase C que impulsa un circuito resonante.

Llamado funcionamiento de clase C, este esquema también goza de una alta eficiencia de potencia debido a que el transistor o transistores pasan la gran mayoría del tiempo en el modo de corte, donde disipan la potencia cero. La tasa de decaimiento de la forma de onda de salida (disminución de la amplitud de oscilación entre “patadas” del amplificador) se exagera aquí en beneficio de la ilustración. Debido al circuito de tanque sintonizado en la salida, este circuito es utilizable solo para amplificar señales de amplitud definida y fija. Un amplificador de clase C puede usarse en un transmisor de radio FM (modulación de frecuencia). Sin embargo, el amplificador de clase C puede no amplificar directamente una señal AM (modulada en amplitud) debido a la distorsión.

Otro tipo de operación del amplificador, significativamente diferente de la Clase A, B, AB o C, se llama Clase D. No se obtiene aplicando una medida específica de voltaje de polarización como lo son las otras clases de operación, sino que requiere un rediseño radical del propio circuito amplificador. Es un poco temprano en este capítulo para investigar exactamente cómo se construye un amplificador de clase D, pero no demasiado pronto para discutir su principio básico de funcionamiento.

Un amplificador de clase D reproduce el perfil de la forma de onda de voltaje de entrada generando una salida de onda cuadrada de pulsos rápidos. El ciclo de trabajo de esta forma de onda de salida (tiempo “encendido” versus tiempo de ciclo total) varía con la amplitud instantánea de la señal de entrada. Las parcelas en (La figura a continuación demuestra este principio.)

Amplificador Clase D: Señal de entrada y salida sin filtrar.

Cuanto mayor sea el voltaje instantáneo de la señal de entrada, mayor será el ciclo de trabajo del pulso de onda cuadrada de salida. Si se puede establecer algún objetivo del diseño de clase D, es evitar el funcionamiento del transistor en modo activo. Dado que el transistor de salida de un amplificador de clase D nunca está en el modo activo, solo de corte o saturado, habrá poca energía térmica disipada por él. Esto da como resultado una eficiencia de potencia muy alta para el amplificador. Por supuesto, la desventaja de esta estrategia es la abrumadora presencia de armónicos en la salida. Afortunadamente, dado que estas frecuencias armónicas suelen ser mucho mayores que la frecuencia de la señal de entrada, éstas pueden ser filtradas por un filtro de paso bajo con relativa facilidad, lo que resulta en una salida que se asemeja más a la forma de onda de la señal de entrada original. La tecnología de clase D se ve típicamente donde se encuentran niveles de potencia extremadamente altos y frecuencias relativamente bajas, como en inversores industriales (dispositivos que convierten CC en energía de CA para hacer funcionar motores y otros dispositivos grandes) y amplificadores de audio de alto rendimiento.

Un término que probablemente encontrarás en tus estudios de electrónica es algo llamado quiescente, que es un modificador que designa la condición de entrada cero de un circuito. La corriente de reposo, por ejemplo, es la cantidad de corriente en un circuito con voltaje de señal de entrada cero aplicado. El voltaje de polarización en un circuito de transistor obliga al transistor a operar a un nivel diferente de corriente de colector con voltaje de señal de entrada cero que lo haría sin ese voltaje de polarización. Por lo tanto, la cantidad de polarización en un circuito amplificador determina sus valores de reposo.

En un amplificador de clase A, la corriente de reposo debe ser exactamente la mitad de su valor de saturación (a medio camino entre la saturación y el corte, el corte por definición es cero). Los amplificadores de clase B y C tienen valores de corriente en reposo de cero, ya que se supone que estos son de corte sin señal aplicada. Los amplificadores de clase AB tienen valores de corriente de reposo muy bajos, justo por encima del corte. Para ilustrar esto gráficamente, a veces se traza una “línea de carga” sobre las curvas características de un transistor para ilustrar su rango de operación mientras se conecta a una resistencia de carga de valor específico que se muestra en la Figura siguiente.

Ejemplo de línea de carga dibujada sobre curvas características de transistor desde la _{alimentación} V hasta la corriente de saturación.

Una línea de carga es una gráfica de voltaje de colector a emisor en un rango de corrientes de colector. En la esquina inferior derecha de la línea de carga, el voltaje está al máximo y la corriente está en cero, lo que representa una condición de corte. En la esquina superior izquierda de la línea, el voltaje está en cero mientras que la corriente está en un máximo, lo que representa una condición de saturación. Los puntos que marcan donde la línea de carga intersecta las diversas curvas de transistor representan condiciones de operación realistas para esas corrientes de base dadas.

Las condiciones de funcionamiento en reposo pueden mostrarse en esta gráfica en forma de un solo punto a lo largo de la línea de carga. Para un amplificador de clase A, el punto de reposo estará en el medio de la línea de carga como en (Figura a continuación).

Punto de reposo (punto) para la clase A.

En esta ilustración, el punto de reposo pasa a caer sobre la curva representando una corriente base de 40 µA. Si cambiáramos la resistencia de carga en este circuito a un valor mayor, afectaría la pendiente de la línea de carga, ya que una mayor resistencia de carga limitaría la corriente máxima del colector en la saturación, pero no cambiaría la tensión colector-emisor en el corte. Gráficamente, el resultado es una línea de carga con un punto superior izquierdo diferente y el mismo punto inferior derecho que en (Figura a continuación)

Línea de carga resultante de una mayor resistencia a la carga.

Observe cómo la nueva línea de carga no intercepta la curva de 75 µA a lo largo de su porción plana como antes. Esto es muy importante de realizar porque la porción no horizontal de una curva característica representa una condición de saturación. Tener la línea de carga interceptar la curva de 75 µA fuera del rango horizontal de la curva significa que el amplificador estará saturado a esa cantidad de corriente base. Aumentar el valor de la resistencia de carga es lo que provocó que la línea de carga interceptara la curva de 75 µA en este nuevo punto, e indica que la saturación ocurrirá a un valor de corriente base menor que antes.

Con la antigua resistencia de carga de menor valor en el circuito, una corriente base de 75 µA produciría una corriente de colector proporcional (corriente base multiplicada por β). En la primera gráfica de línea de carga, una corriente base de 75 µA dio una corriente de colector casi el doble de lo que se obtuvo a 40 µA, como predeciría la relación β. Sin embargo, la corriente del colector aumenta marginalmente entre las corrientes base 75 µA y 40 µA, debido a que el transistor comienza a perder suficiente voltaje colector-emisor para continuar regulando la corriente del colector.

Para mantener el funcionamiento lineal (sin distorsión), los amplificadores de transistor no deben operarse en puntos donde el transistor se saturará; es decir, donde la línea de carga no caerá potencialmente en la porción horizontal de una curva de corriente de colector. Tendríamos que agregar algunas curvas más al gráfico de la Figura a continuación antes de poder decir hasta qué punto podríamos “empujar” este transistor con mayores corrientes de base antes de que se sature.

Más curvas de corriente base muestra detalle de saturación.

Aparece en esta gráfica que el punto de mayor corriente en la línea de carga que cae en la porción recta de una curva es el punto en la curva de 50 µA. Este nuevo punto debe considerarse el nivel de señal de entrada máximo permitido para la operación de clase A. También para la operación de clase A, el sesgo debe establecerse de manera que el punto de reposo esté a medio camino entre este nuevo punto máximo y el corte que se muestra en la Figura siguiente.

Nuevo punto de reposo evita la región de saturación

Ahora que sabemos un poco más sobre las consecuencias de los diferentes niveles de voltaje de polarización de CC, es hora de investigar técnicas prácticas de polarización. Hasta ahora, he mostrado una pequeña fuente de voltaje de CC (batería) conectada en serie con la señal de entrada de CA para polarizar el amplificador para cualquier clase de operación deseada. En la vida real, la conexión de una batería calibrada con precisión a la entrada de un amplificador simplemente no es práctica. Incluso si fuera posible personalizar una batería para producir la cantidad justa de voltaje para cualquier requisito de polarización dado, esa batería no permanecería en su voltaje fabricado indefinidamente. Una vez que comenzó a descargarse y su voltaje de salida cayó, el amplificador comenzaría a derivar hacia la operación de clase B.

Tome este circuito, ilustrado en la sección de emisor común para una simulación SPICE, por ejemplo, en la Figura a continuación.

Inpráctica polarización de la batería base.

Esa batería de 2.3 voltios “V _bias” no sería práctico de incluir en un circuito amplificador real. Un método mucho más práctico para obtener voltaje de polarización para este amplificador sería desarrollar los 2.3 voltios necesarios utilizando una red divisora de voltaje conectada a través de la batería de 15 voltios. Después de todo, la batería de 15 voltios ya está ahí por necesidad, y los circuitos divisores de voltaje son fáciles de diseñar y construir. Veamos cómo podría verse esto en la Figura a continuación.

Polarización del divisor de voltaje.

_{Si elegimos un par de valores de resistencia para R2 y R3 que producirán 2.3 voltios a través de R 3 de un total de 15 voltios (como 8466 Ω para R2 y 1533 Ω para R 3), deberíamos tener nuestro valor deseado de 2.3 voltios entre base y emisor para polarización} sin entrada de señal. El único problema es que esta configuración de circuito coloca la fuente de señal de entrada de CA directamente en paralelo con R ₃ de nuestro divisor de voltaje. Esto no es aceptable, ya que la fuente de CA tenderá a superar cualquier voltaje de CC caído en R ₃. Los componentes paralelos deben tener el mismo voltaje, por lo que si una fuente de voltaje de CA está conectada directamente a través de una resistencia de un divisor de voltaje de CC, la fuente de CA “ganará” y no habrá voltaje de polarización de CC agregado a la señal.

Una forma de hacer que este esquema funcione, aunque puede no ser obvio por qué funcionará, es colocar un condensador de acoplamiento entre la fuente de voltaje de CA y el divisor de voltaje como en la Figura siguiente.

El condensador de acoplamiento evita que la polarización del divisor de voltaje fluya al generador de señal.

El condensador forma un filtro de paso alto entre la fuente de CA y el divisor de voltaje de CC, pasando casi todo el voltaje de la señal de CA al transistor mientras bloquea todo el voltaje de CC para que no se cortocircuite a través de la fuente de señal de CA. Esto tiene mucho más sentido si entiendes el teorema de superposición y cómo funciona. Según la superposición, cualquier circuito lineal y bilateral puede analizarse de manera poco sistemática considerando solo una fuente de energía a la vez, luego agregando algebraicamente los efectos de todas las fuentes de energía para encontrar el resultado final. Si tuviéramos que separar el condensador y el circuito divisor de voltaje R ₂ —R ₃ del resto del amplificador, podría ser más fácil entender cómo funcionaría esta superposición de CA y CC.

Con solo la fuente de señal de CA en efecto, y un condensador con una impedancia arbitrariamente baja a la frecuencia de la señal, casi todo el voltaje de CA aparece en R ₃:

Debido a la muy baja impedancia del condensador de acoplamiento a la frecuencia de la señal, se comporta como un trozo de cable, por lo que se puede omitir para este paso en el análisis de superposición.

Con solo la fuente de CC en efecto, el condensador parece ser un circuito abierto, y por lo tanto ni él ni la fuente de señal de CA cortocircuitada tendrán ningún efecto en el funcionamiento del divisor de voltaje R ₂ —R ₃ en la Figura siguiente.

El condensador parece ser un circuito abierto en lo que respecta al análisis de CC

Combinando estos dos análisis separados en la Figura siguiente, obtenemos una superposición de (casi) 1.5 voltios CA y 2.3 voltios CC, listos para ser conectados a la base del transistor.

Circuito combinado de CA y CC.

Suficiente charla: ya es hora de una simulación SPICE de todo el circuito amplificador en la Figura a continuación. Utilizaremos un valor de condensador de 100 µF para obtener una impedancia arbitrariamente baja (0.796 Ω) a 2000 Hz:

Observe la distorsión sustancial en la forma de onda de salida en la Figura anterior. La onda sinusoidal está siendo recortada durante la mayor parte del medio ciclo negativo de la señal de entrada. Esto nos dice que el transistor está entrando en modo de corte cuando no debería (estoy asumiendo un objetivo de operación de clase A como antes). ¿Por qué es esto? Esta nueva técnica de polarización debería darnos exactamente la misma cantidad de voltaje de polarización de CC que antes, ¿verdad?

Con el condensador y la red de resistencias R ₂ —R ₃ descargadas, proporcionará exactamente 2.3 voltios de polarización de CC. Sin embargo, una vez que conectamos esta red al transistor, ya no se descarga. La corriente extraída a través de la base del transistor cargará el divisor de voltaje, reduciendo así la tensión de polarización de CC disponible para el transistor. Usando el modelo de transistor de fuente de corriente de diodo en la Figura a continuación para ilustrar, el problema de polarización se vuelve evidente.

El modelo de transistor de diodo muestra la carga del divisor de voltaje.

La salida de un divisor de voltaje depende no solo del tamaño de sus resistencias constituyentes, sino también de cuánta corriente se está dividiendo de él a través de una carga. La unión base-emisor PN del transistor es una carga que disminuye la tensión de CC caída a través de R ₃, debido a que la corriente de polarización se une con la corriente de R ₃ para pasar por R ₂, alterando la relación divisora anteriormente establecida por los valores de resistencia de _R2 y R ₃. Para obtener un voltaje de polarización CC de 2.3 voltios, se deben ajustar los valores de R ₂ y/o R ₃ para compensar el efecto de la carga de corriente base. Para aumentar el voltaje de CC caído a través de R ₃, baje el valor de _R2, aumente el valor de R ₃, o ambos.

Los nuevos valores de resistencia de 6 kΩ y 4 kΩ (_{R2 y R3}, respectivamente) en la Figura anterior dan como resultado una reproducción de forma de onda de clase A, tal como queríamos.

Revisar

• La operación de clase A es un amplificador polarizado para estar en el modo activo durante todo el ciclo de forma de onda, reproduciendo así fielmente toda la forma de onda.
• La operación Clase B es un amplificador polarizado de manera que solo se reproduce la mitad de la forma de onda de entrada: ya sea la mitad positiva o la mitad negativa. El transistor pasa la mitad de su tiempo en el modo activo y la mitad de su tiempo de corte. Los pares complementarios de transistores que funcionan en funcionamiento de clase B a menudo se usan para entregar amplificación de alta potencia en sistemas de señal de audio, manejando cada transistor del par una mitad separada del ciclo de forma de onda. La operación de clase B ofrece una mejor eficiencia energética que un amplificador de clase A de potencia de salida similar.
• La operación de clase AB es que un amplificador está polarizado en un punto entre la clase A y la clase B.
• La clase C es un amplificador polarizado para amplificar solo una pequeña porción de la forma de onda. La mayor parte del tiempo del transistor se pasa en modo de corte. Para que haya una forma de onda completa en la salida, a menudo se usa un circuito de tanque resonante como “volante” para mantener oscilaciones durante algunos ciclos después de cada “patada” del amplificador. Debido a que el transistor no conduce la mayor parte del tiempo, las eficiencias de potencia son altas para un amplificador de clase C.
• La operación de clase D requiere un diseño de circuito avanzado y funciona según el principio de representar la amplitud instantánea de la señal de entrada por el ciclo de trabajo de una onda cuadrada de alta frecuencia. El transistor o transistores de salida nunca operan en modo activo, solo corte y saturación. La poca energía térmica disipada hace que la eficiencia energética sea alta.
• La tensión de polarización de CC en la señal de entrada, necesaria para ciertas clases de operación (especialmente la clase A y la clase C), se puede obtener mediante el uso de un divisor de voltaje y condensador de acoplamiento en lugar de una batería conectada en serie con la fuente de señal de CA.