4.6: El amplificador de colector común

Nuestra siguiente configuración de transistores para estudiar es un poco más simple para los cálculos de ganancia. Llamada configuración de colector común, su diagrama esquemático se muestra en la Figura a continuación.

El amplificador colector común tiene colector común tanto a la entrada como a la salida.

Se llama configuración de colector común porque (ignorando la batería de la fuente de alimentación) tanto la fuente de señal como la carga comparten el cable del colector como un punto de conexión común como en la Figura siguiente.

Colector común: La entrada se aplica a la base y al colector. La salida es del circuito emisor-colector.

Debe ser evidente que la resistencia de carga en el circuito amplificador colector común recibe tanto las corrientes de base como de colector, colocándose en serie con el emisor. Dado que el conductor emisor de un transistor es el que maneja más corriente (la suma de corrientes base y colector, ya que las corrientes base y colector siempre se engranan juntas para formar la corriente del emisor), sería razonable suponer que este amplificador tendrá una ganancia de corriente muy grande. Esta presunción es realmente correcta: la ganancia de corriente para un amplificador de colector común es bastante grande, mayor que cualquier otra configuración de amplificador de transistor. Sin embargo, esto no es necesariamente lo que lo distingue de otros diseños de amplificadores.

Procedamos de inmediato a un análisis SPICE de este circuito amplificador, y podrás ver de inmediato qué es lo único de este amplificador. El circuito se encuentra en la Figura a continuación. El netlist se encuentra en la Figura a continuación.

Amplificador colector común para SPICE.

A diferencia del amplificador de emisor común de la sección anterior, el colector común produce una tensión de salida en proporción directa en lugar de inversa a la tensión de entrada ascendente. Ver Figura anterior. A medida que aumenta el voltaje de entrada, también lo hace el voltaje de salida. Además, un examen minucioso revela que el voltaje de salida es casi idéntico al voltaje de entrada, quedando atrás en aproximadamente 0.7 voltios.

Esta es la cualidad única del amplificador de colector común: un voltaje de salida que es casi igual al voltaje de entrada. Examinado desde la perspectiva del cambio de voltaje de salida para una cantidad dada de cambio de voltaje de entrada, este amplificador tiene una ganancia de voltaje de casi exactamente la unidad (1), o 0 dB. Esto es válido para transistores de cualquier valor β y para resistencias de carga de cualquier valor de resistencia.

Es sencillo entender por qué el voltaje de salida de un amplificador de colector común siempre es casi igual al voltaje de entrada. Haciendo referencia al modelo de transistor de fuente de corriente de diodo en la Figura siguiente, vemos que la corriente base debe pasar por la unión PN base-emisor, que es equivalente a un diodo rectificador normal. Si esta unión es de polarización directa (el transistor que conduce la corriente en sus modos activo o saturado), tendrá una caída de voltaje de aproximadamente 0.7 voltios, asumiendo la construcción de silicio. Esta caída de 0.7 voltios es en gran medida independientemente de la magnitud real de la corriente base; por lo tanto, podemos considerarla como constante:

Seguidor del emisor: El voltaje del emisor sigue el voltaje base (menos una caída _BE de 0.7 V V)

Dadas las polaridades de voltaje a través de la unión PN base-emisor y la resistencia de carga, vemos que estos deben sumarse para igualar el voltaje de entrada, de acuerdo con la Ley de Voltaje de Kirchhoff. En otras palabras, el voltaje de carga siempre será aproximadamente 0.7 voltios menos que el voltaje de entrada para todas las condiciones donde el transistor está conduciendo. El corte ocurre a voltajes de entrada inferiores a 0.7 voltios y saturación a voltajes de entrada superiores al voltaje de la batería (suministro) más 0.7 voltios.

Debido a este comportamiento, el circuito amplificador de colector común también se conoce como amplificador seguidor de voltaje o seguidor de emisor, porque los voltajes de carga del emisor siguen la entrada muy de cerca.

Aplicar el circuito colector común a la amplificación de señales de CA requiere la misma “polarización” de entrada utilizada en el circuito de emisor común: se debe agregar una tensión de CC a la señal de entrada de CA para mantener el transistor en su modo activo durante todo el ciclo. Cuando esto se hace, el resultado es el amplificador no inversor en la Figura a continuación.

Los resultados de la simulación SPICE en la Figura siguiente muestran que la salida sigue a la entrada. La salida es la misma amplitud pico a pico que la entrada. Sin embargo, el nivel de CC se desplaza hacia abajo por una caída de diodo V _BE.

Colector común (emisor-seguidor): La salida V3 sigue la entrada V1 menos una caída de 0.7 V VBE.

Aquí hay otra vista del circuito (Figura abajo) con osciloscopios conectados a varios puntos de interés.

La ganancia de voltaje no inversor del colector común es 1.

Dado que esta configuración de amplificador no proporciona ninguna ganancia de voltaje (de hecho, en la práctica en realidad tiene una ganancia de voltaje ligeramente inferior a 1), su único factor de amplificación es la corriente. La configuración del amplificador de emisor común examinada en la sección anterior tuvo una ganancia de corriente igual a la β del transistor, siendo que la corriente de entrada pasó por la base y la corriente de salida (carga) pasó por el colector, y β por definición es la relación entre las corrientes colector y base. Sin embargo, en la configuración de colector común, la carga se sitúa en serie con el emisor, y por lo tanto su corriente es igual a la corriente del emisor. Con el emisor llevando corriente de colector y corriente base, la carga en este tipo de amplificador tiene toda la corriente del colector que corre a través de él más la corriente de entrada de la base. Esto produce una ganancia de corriente de β más 1:

Una vez más, los transistores PNP son tan válidos para usar en la configuración de colector común como los transistores NPN. Los cálculos de ganancia son todos iguales, al igual que la no inversión de la señal amplificada. La única diferencia está en las polaridades de voltaje y las direcciones de corriente que se muestran en la Figura siguiente.

Versión PNP del amplificador de colector común.

Una aplicación popular del amplificador de colector común es para fuentes de alimentación de CC reguladas, donde una fuente no regulada (variable) de voltaje de CC se recorta a un nivel especificado para suministrar voltaje regulado (constante) a una carga. Por supuesto, los diodos zener ya proporcionan esta función de regulación de voltaje que se muestra en la Figura a continuación.

Regulador de voltaje de diodo Zener.

Sin embargo, cuando se usa de esta manera directa, la cantidad de corriente que puede suministrarse a la carga suele ser bastante limitada. En esencia, este circuito regula el voltaje a través de la carga manteniendo la corriente a través de la resistencia en serie a un nivel lo suficientemente alto como para dejar caer todo el exceso de voltaje de la fuente de alimentación a través de ella, el diodo zener consume más o menos corriente según sea necesario para mantener constante el voltaje a través de sí mismo Para cargas de alta corriente, un regulador de voltaje de diodo zener plano tendría que derivar una corriente pesada a través del diodo para ser efectivo en la regulación del voltaje de carga en caso de gran resistencia de carga o cambios en la fuente de voltaje.

Una forma popular de aumentar la capacidad de manejo de corriente de un circuito regulador como este es usar un transistor colector común para amplificar la corriente a la carga, de modo que el circuito de diodo zener solo tenga que manejar la cantidad de corriente necesaria para accionar la base del transistor. (Figura abajo)

Aplicación de colector común: regulador de voltaje.

Realmente solo hay una advertencia en este enfoque: el voltaje de carga será aproximadamente 0.7 voltios menos que el voltaje del diodo zener, debido a la caída del emisor base de 0.7 voltios del transistor. Dado que esta diferencia de 0.7 voltios es bastante constante en un amplio rango de corrientes de carga, se puede elegir un diodo zener con una clasificación de 0.7 voltios más alta para la aplicación.

A veces, la alta ganancia de corriente de una configuración de colector común de un solo transistor no es suficiente para una aplicación en particular. Si este es el caso, múltiples transistores pueden organizarse juntos en una configuración popular conocida como par Darlington, solo una extensión del concepto de colector común que se muestra en la Figura a continuación.

Un par darlington NPN.

Los pares Darlington esencialmente colocan un transistor como la carga de colector común para otro transistor, multiplicando así sus ganancias de corriente individuales. La corriente de base a través del transistor superior izquierdo se amplifica a través del emisor de ese transistor, que está conectado directamente a la base del transistor inferior derecho, donde la corriente se amplifica nuevamente. La ganancia general de corriente es la siguiente:

La ganancia de voltaje sigue siendo casi igual a 1 si todo el conjunto está conectado a una carga en forma de colector común, aunque el voltaje de carga será de 1.4 voltios completo menos que el voltaje de entrada que se muestra en la Figura a continuación.

El amplificador colector común basado en pares Darlington pierde dos caídas de diodos V _BE.

Los pares Darlington se pueden adquirir como unidades discretas (dos transistores en el mismo paquete), o pueden construirse a partir de un par de transistores individuales. Por supuesto, si se desea aún más ganancia de corriente que la que se puede obtener con un par, se pueden construir conjuntos de triplete o cuadruplete Darlington.

Revisar

• Los amplificadores de transistor de colector común son llamados porque los puntos de voltaje de entrada y salida comparten el conductor del colector del transistor en común entre sí, sin considerar ninguna fuente de alimentación.
• El amplificador de colector común también se conoce como un emisor-seguidor.
• El voltaje de salida en un amplificador de colector común estará en fase con el voltaje de entrada, haciendo que el colector común sea un circuito amplificador no inversor.
• La ganancia de corriente de un amplificador de colector común es igual a β más 1. La ganancia de voltaje es aproximadamente igual a 1 (en la práctica, solo un poco menos).
• Un par Darlington es un par de transistores “cuggybacked” uno sobre el otro para que el emisor de uno alimente corriente a la base del otro en forma de colector común. El resultado es una ganancia de corriente global igual al producto (multiplicación) de sus ganancias individuales de corriente de colector común (β más 1).