Amplificador de colector común

Amplificador de colector común

El amplificador de colector común es otro tipo de configuración de transistor de unión bipolar (BJT) donde la señal de entrada se aplica al terminal base y la señal de salida se toma del terminal emisor. Por lo tanto, el terminal colector es común a los circuitos de entrada y salida. Este tipo de configuración se denomina colector común (CC) porque el terminal del colector está efectivamente “conectado a tierra” o “conectado a tierra” a través de la fuente de alimentación.

En muchos aspectos, la configuración de colector común (CC) es el reverso de la emisor común (CE) configuración que la resistencia de carga conectada se cambia desde el terminal de colector para R C al terminal emisor para R E .

La configuración del colector común o del colector a tierra se usa comúnmente cuando se necesita conectar una fuente de entrada de alta impedancia a una carga de salida de baja impedancia que requiere una alta ganancia de corriente. Considere el circuito de amplificador de colector común a continuación.

Amplificador de colector común utilizando un transistor NPN

amplificador de colector común

Los resistores R 1 y R 2 

Forman una red divisora ​​de voltaje simple utilizada para desviar el transistor NPN hacia la conducción. Dado que este divisor de voltaje carga ligeramente el transistor, el voltaje base, V B se puede calcular fácilmente usando la fórmula simple del divisor de voltaje como se muestra.

Red divisora ​​de voltaje

red divisora ​​de voltaje

Con el terminal colector del transistor conectado directamente a V CC y sin resistencia de colector, (R C = 0) cualquier corriente de colector generará una caída de tensión en la resistencia del emisor R E .

Sin embargo, en el circuito del amplificador de colector común, la misma caída de voltaje, V E también representa el voltaje de salida, V OUT .

Lo ideal sería que la caída de la tensión de CC en R E sea ​​igual a la mitad de la tensión de alimentación, V CC para hacer que la tensión de salida de los transistores se sitúe en algún lugar en medio de las curvas de características que permitan una señal de salida máxima sin clips. Por lo tanto, la elección de R E depende en gran medida de I B y la ganancia actual de los transistores Beta, β .

A medida que la unión pn de base-emisor está polarizada hacia adelante, la corriente de base fluye a través de la unión hacia la acción del transistor, lo que provoca una corriente de colector mucho mayor, I C, para que fluya. Por lo tanto la corriente de emisor es una combinación de corriente de base y la corriente de colector como: I E  = I B  + I C . Sin embargo, como la corriente de base es extremadamente pequeña en comparación con la corriente del colector, la corriente del emisor es, por lo tanto, aproximadamente igual a la corriente del colector. Así I E  ≈ I C

Al igual que con la configuración del amplificador de emisor común (CE), la señal de entrada se aplica al terminal base de los transistores y, como dijimos anteriormente, la señal de salida del amplificador se toma del terminal del emisor. Sin embargo, como solo hay una unión pn con polarización directa entre la base de los transistores y su terminal emisor, cualquier señal de entrada aplicada a la base pasa directamente a través de la unión al emisor. Por lo tanto, la señal de salida presente en el emisor está en fase con la señal de entrada aplicada en la base.

Como los amplificadores de señal de salida se toma desde el otro lado de la carga de emisor de este tipo de configuración de transistor es también conocido como un seguidor de emisor circuito que la salida del emisor “siguiente” o pistas cualquier cambio de voltaje a la señal de entrada base, excepto que permanece alrededor de 0,7 voltios (V BE ) por debajo de la tensión base. Por lo tanto, V IN y V OUT están en fase produciendo una diferencia de fase cero entre las señales de entrada y salida.

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Dicho esto, la unión pn de los emisores actúa efectivamente como un diodo de polarización directa y para señales de entrada de CA pequeñas esta unión de diodo emisor tiene una resistencia dada por: r ‘ e  = 25mV / I e donde 25mV es el voltaje térmico de la unión a temperatura ambiente (25 o C) e I e es la corriente del emisor. Entonces, a medida que aumenta la corriente del emisor, la resistencia del emisor disminuye en una cantidad proporcional.

La base de corriente que fluye a través de esta resistencia interna unión base-emisor también fluye hacia fuera y a través de la resistencia de emisor conectado externamente, R E . Estas dos resistencias están conectadas en serie, por lo que actúan como una red divisora ​​potencial que crea una caída de voltaje. Como el valor de r ‘ e es muy pequeño, y R E es mucho mayor, por lo general en el rango de kilohms (kΩ), la magnitud del voltaje de salida del amplificador es, por lo tanto, menor que su voltaje de entrada.

Sin embargo, en realidad, la magnitud de la tensión de salida (pico a pico) generalmente está en el valor de 98 a 99% de la tensión de entrada, que en la mayoría de los casos es lo suficientemente cercana como para ser considerada como ganancia unitaria.

Podemos calcular la ganancia de voltaje, V A del amplificador de colector común, usando la fórmula del divisor de voltaje como se muestra, asumiendo que el voltaje base, V B es en realidad el voltaje de entrada, V IN .

Amplificador de colector común de ganancia de voltaje

amplificador de colector común ganancia de voltaje

Por lo tanto, el amplificador de colector común no puede proporcionar amplificación de voltaje y otra expresión utilizada para describir el circuito del amplificador de colector común es un circuito de seguidor de voltaje por razones obvias. Por lo tanto, dado que la señal de salida sigue de cerca a la entrada y está en fase con la entrada, el circuito del colector común es, por lo tanto, un amplificador de ganancia de voltaje unitario no inversor.

Amplificador de colector común Ejemplo No1

Un amplificador de colector común se construye utilizando un transistor bipolar NPN y una red de polarización de divisor de voltaje. Si R 1  = 5k6Ω, R 2  = 6k8Ω y la tensión de alimentación es de 12 voltios. Calcule los valores de: V B , V C y V E , la corriente del emisor I E , la resistencia interna del emisor r ‘ e y la ganancia de voltaje del amplificador A Vcuando se usa una resistencia de carga de 4k7Ω. Dibuje también el circuito final y la curva de características correspondientes con la línea de carga.

1. Voltaje de polarización de la base, V B

Voltaje de polarización de la base del colector común

2. tensión de colector, V C . Como no hay resistencia de carga del colector, el terminal del colector de los transistores está conectado directamente al riel de alimentación de CC, por lo que V C = V CC = 12 voltios.

3. Voltaje de polarización del emisor, V E

colector común voltaje de polarización

4. Corriente del emisor, I E

colector corriente común

5. Resistencia del emisor de CA, r ‘ e

Resistencia de emisor de colector común

6. Ganancia de voltaje, A V

ganancia de voltaje del colector común

Circuito amplificador de colector común con línea de carga

Amplificador de colector común con línea de carga.

Impedancia de entrada del colector común

Aunque el amplificador de colector común no es muy bueno para ser un amplificador de voltaje, porque como hemos visto, su pequeña ganancia de voltaje de señal es aproximadamente igual a uno (A V  ≅ 1), sin embargo hace un circuito de búfer de voltaje muy bueno debido a sus impedancias de entrada alta (Z IN ) y salida baja (Z OUT ), proporcionando aislamiento entre una fuente de señal de entrada de una carga de impedancia de carga.

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Otra característica útil del amplificador de colector común es que proporciona ganancia de corriente (A i ) siempre que sea conductora. Es decir que puede pasar una gran cantidad de corriente que fluye desde el colector al emisor, en respuesta a un pequeño cambio en su corriente de base, I B . Recuerde que esta corriente CC sólo ve R E ya que no hay R C . Entonces, la corriente continua es simplemente: V CC / R E, que puede ser grande si R E es pequeño.

Considere la siguiente configuración básica de amplificador de colector común o seguidor de emisor.

Configuración del amplificador de colector común

configuración de amplificador de colector común

Para el análisis de CA del circuito, los condensadores están cortocircuitados y V CC está cortocircuitado (impedancia cero). Por lo tanto, el circuito equivalente se da como se muestra con las corrientes de polarización y los voltajes dados como:

modelo seguidor de emisor
análisis de seguidor de emisor

La impedancia de entrada, Z IN de la configuración del colector común que mira hacia la base se da como:

Impedancia de entrada del colector común

Pero como Beta, β es generalmente mucho mayor que 1 (generalmente por encima de 100), la expresión de: β + 1 puede reducirse a solo Beta, β , ya que la multiplicación por 100 es prácticamente la misma que la multiplicación por 101. Por lo tanto:

Amplificador de colector común Impedancia de base

amplificador de colector común de impedancia base

Donde: β es la ganancia de corriente de los transistores, R e es la resistencia equivalente del emisor y r ‘ e es la resistencia de CA del diodo de la base del emisor. Tenga en cuenta que dado que el valor combinado de Re es generalmente mucho mayor que la resistencia equivalente de los diodos, r ‘ e (kilo-ohmios en comparación con unos pocos ohmios) la impedancia de la base de los transistores se puede dar de la siguiente manera: β * R e .

Un punto interesante a tener en cuenta aquí es que la impedancia de la base de entrada de los transistores, Z IN (base) se puede controlar mediante el valor de la resistencia de la pata del emisor, R E o la resistencia de carga R L, ya que están conectadas en paralelo.

Si bien la ecuación anterior nos da la impedancia de entrada que mira hacia la base del transistor, no nos da la verdadera impedancia de entrada que la señal de fuente vería al mirar el circuito completo del amplificador. Para eso debemos considerar las dos resistencias que forman la red de polarización del divisor de voltaje. Así:

Impedancia de entrada del amplificador de colector común

Impedancia de entrada del colector común

Ejemplo de colector común n. ° 2

Usando el circuito anterior del amplificador de colector común anterior, calcule las impedancias de entrada de la base de los transistores y la etapa del amplificador si la resistencia de carga, R L es 10kΩ y la ganancia de corriente de los transistores NPN es 100.

1. Resistencia del emisor de CA, r ‘ e

Colector común Resistencia de la pierna del emisor

2. Resistencia de carga equivalente, R e

resistencia de carga

3. Transistores Base Impedancia, Z BASE

resistencia de la base

2. Impedancia de entrada del amplificador, Z IN (ETAPA)

resistencia de entrada del amplificador

Como la impedancia base de los transistores de 322kΩ es mucho mayor que la impedancia de entrada de los amplificadores de solo 2.8kΩ , la impedancia de entrada del amplificador de colector común se determina por la relación de las dos resistencias de polarización, R 1y R 2 .

Impedancia de salida del colector común

Para determinar la impedancia de salida Z OUT de los amplificadores CC mirando desde la carga al terminal emisor del amplificador, primero debemos eliminar la carga, ya que queremos ver la resistencia efectiva del amplificador que impulsa la carga. Por lo tanto, el circuito equivalente de CA que mira la salida de los amplificadores se da como:

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configuración de salida de colector común

Desde arriba, la impedancia de entrada del circuito base se da como: R B  = R 1 || R 2 . La ganancia de corriente del transistor se da como: β . Así, la ecuación de salida se da como:

Impedancia de salida de colector común

Podemos ver entonces que la resistencia del emisor, R E,está efectivamente en paralelo con toda la impedancia del transistor mirando hacia atrás en su terminal del emisor.

Si calculamos la impedancia de salida de nuestro circuito amplificador de emisor común usando los valores de los componentes de arriba, daría una impedancia de salida Z OUT de menos de 50Ω (49.5 which) que es mucho más pequeña que la impedancia de entrada más alta, Z IN (BASE) calculado previamente.

Por lo tanto, podemos ver entonces que la configuración del amplificador de colector comúntiene, a partir del cálculo, una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja que le permite conducir una carga de baja impedancia. De hecho, debido a que los amplificadores CC tienen una impedancia de entrada relativamente alta y una impedancia de salida muy baja, se usa comúnmente como un amplificador de búfer de ganancia unitaria.

Después de haber determinado que la impedancia de salida, Z OUT de nuestro amplificador de ejemplo anterior es de aproximadamente 50Ω por cálculo, si ahora conectamos la resistencia de carga de 10kΩ de nuevo al circuito, la impedancia de salida resultante será:

Impedancia de salida

Aunque la resistencia de carga es de 10k, la resistencia de salida equivalente aún es baja en 49.3Ω. Esto se debe a que R L es grande en comparación con Z OUT , por lo tanto, para una transferencia de potencia máxima, R L debe ser igual a Z OUT . Como la ganancia de voltaje del amplificador de colector común se considera unidad (1), la ganancia de potencia de los amplificadores debe ser igual a su ganancia actual, como P = V * I.

Como la ganancia de corriente del colector común se define como la relación de la corriente del emisor a la corriente base, γ = I E / I B  = β + 1 , por lo tanto, la ganancia de corriente de los amplificadores debe ser aproximadamente igual a Beta (β) como β + 1 es virtualmente lo mismo que Beta.

Resumen de coleccionista común

Hemos visto en este tutorial sobre el colector del amplificador común que recibe su nombre debido a que el terminal del colector del BJT es común tanto a la entrada y circuitos de salida ya que no hay resistencia de colector, R C .

La ganancia de voltaje del amplificador del colector común es aproximadamente igual a la unidad (A v  ≅ 1) y su ganancia de corriente, A i es aproximadamente igual a Beta, (A i ≅β) que depende del valor del valor Beta de los transistores particulares puede estar tranquilo alto.

También hemos visto a través del cálculo, que la impedancia de entrada, Z IN es alta, mientras que su impedancia de salida, Z OUT es baja, lo que la hace útil para propósitos de igualación de impedancia (o resistencia de coincidencia) o como un circuito de búfer entre una fuente de voltaje y una baja. Carga de impedancia.

A medida que el amplificador del colector común (CC) recibe su señal de entrada a la base con el voltaje de salida tomado a través de la carga del emisor, los voltajes de entrada y salida están “en fase” (0 o diferencia de fase), por lo que la configuración del colector común va por el nombre secundario de Emitter Follower ya que el voltaje de salida (voltaje del emisor) sigue al voltaje de la base de entrada.

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