el transistor bjt

EL TRANSISTOR BJT AMPLIFICADOR

EL TRANSISTOR BIPOLAR COMO AMPLIFICADOR

Función del Amplificador

Una de las principales funciones de los transistores bipolares (BJT) es la de ser amplificador de señales. La aplicación del transistor como amplificador es tan importante y necesaria que se debe primeramente introducirnos a un análisis y definir los conceptos generales de amplificación los mismos que son aplicables a todos los tipos de circuitos amplificadores.

En la figura 1 se representa un esquema de un circuito amplificador general. El voltaje o la corriente (o ambos) de entrada al amplificador pueden considerarse el estímulo. La corriente o el voltaje (o ambos) de salida pueden considerarse la respuesta del amplificador al estímulo necesario de entrada.

Figura 1

Cuando las variaciones de voltaje o corriente de entrada, llamadas señal de entrada, se aplican al amplificador, este circuito actúa sobre ellas para producir voltajes y corriente de salida, llamadas señal de salida. Si ésta posee las mismas variaciones que la señal de entrada, el amplificador ha duplicado la amplitud de las variaciones de entrada en su salida; esto recibe el nombre de reproducción. Si se consigue que las variaciones en la salida sean mayores que las variaciones de entrada que las producen, el proceso se llama amplificación.

La figura 2 ilustra el proceso de reproducción de una señal variable de entrada a una señal variable de salida, en A se produce la salida con proceso de amplificación, las señales de salida y de entrada tienen exactamente la misma forma. En la parte B la señal de salida es mucho mayor que la de entrada, pero no tiene la misma forma.

Figura 2

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En muchas aplicaciones como en las etapas de amplificación de audio de los sistemas de sonido, se hace deseable tanto la reproducción fiel como la amplificación.

ANÁLISIS DE OPERACIÓN DEL TRANSISTOR AMPLIFICADOR

Los diversos circuitos amplificadores de baja frecuencia que se analizan tienen varias características en común, en consecuencia podemos utilizar el mismo procedimiento general al analizar su operación.

Este procedimiento consiste esencialmente en tres pasos básicos:

1. Análisis del circuito amplificador en corriente directa (CD)2. Análisis de la señal de corriente alterna (ca) como circuito amplificador3. Combinación de los resultados 1 y 2

Análisis en Corriente Directa (CD, sin señal)

Para analizar la operación de amplificación de voltajes y corrientes de ca, es indispensable que en el circuito existan voltajes y corrientes de polarización en CD, llamados también de alimentación de CD del transistor. Estas corrientes y voltajes constituyen el punto de operación de CD del amplificador o, como se denomina comúnmente, el punto de operación en reposo (punto Q o punto estático).

Figura 3

En la figura 3, se muestra el circuito simplificado del amplificador que contiene únicamente resistores, fuentes de CD y el transistor, los condensadores Cc y C0 actúan como circuitos abiertos para CD.

La fuente de polarización Vxx de CD es necesaria para proporcionar voltajes al circuito de entrada y, la fuente Vyy de CD para proporcionar voltajes al circuito de salida haciendo funcionar al transistor dentro de la región activa (donde sus características son relativamente lineales), de manera que éste no producirá distorsión de la señal de ca. La señal de entrada de ca

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causará la variación de los voltajes y corrientes del transistor por arriba y abajo de sus valores de CD mientras todavía permanezca en la región activa.

Análisis en Corriente Alterna (ca)

El análisis del amplificador en ca, implica determinar los voltajes y corrientes de señal de entrada y salida. Para calcular estos valores en ca, al circuito amplificador se simplifica al considerar los capacitores Cc y Co como cortocircuito para señales de ca, ya que los

condensadores tienen reactancias (Xc= 1

2 π . F .C ) muy bajas a la frecuencia de funcionamiento de señal, así como las fuentes de alimentación, Vxx y Vyy, también se consideran en cortocircuito para ca.

La figura 4 muestra un circuito simplificado que se utiliza para calcular los voltajes y corrientes de la señal del amplificador. En este circuito de ca el transistor también puede sustituirse por un circuito equivalente en ca.

Figura 4

Combinación y Análisis en CD y ca.

La fuente de señal de entrada produce los voltajes y corrientes de ca para el funcionamiento del transistor. El capacitor de acoplamiento Cc se usa para bloquear cualquier CD procedente de la fuente de polarización Vxx evitando que el flujo regrese a la fuente de señales, al mismo tiempo Cc actúa como una impedancia muy baja en lo que se refiere a la señal de ca, es permite que haya flujo de corriente de ca a la entrada del transistor.

El capacitor de acoplamiento de salida Co se emplea para bloquear cualquier CD que proceda de la fuente de polarización Vyy evitando que fluya a través de la carga, y actúa como una baja impedancia para la ca, de tal manera que la corriente de señal de ca pueda fluir libremente por la carga produciendo una salida de voltaje de la señal.

El análisis del amplificador debe comprender la superposición o combinación de los resultados de los análisis en CD y en ca, por lo que un amplificador consiste en la variación de ca alrededor

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de un punto de trabajo Q, en la figura 5 muestra como las componentes de CD y ca del voltaje entre el colector y emisor del transistor se combinan. El componente CD, se denota por VCE, mientras que la componente de la señal se denota por VCE, por lo cual es necesario usar letras mayúsculas para CD y minúsculas para ca.

Conclusiones:

Resumiendo el análisis en CD y ca de los circuitos amplificadores de transistores se presenta en la figura 5 de la siguiente forma:

1. Para determinar los valores en CD de voltaje y corriente se utiliza fuentes de polarización de CD (A), y se considera todos los capacitores como circuitos abiertos (para CD).

2. Para determinar los valores en ca de voltajes y corrientes se utiliza generador (fuente) de señal de ca (B), y se considera todos los capacitores y fuentes de alimentación de CD como cortocircuitos (para ca).

3. Al combinar los resultados de los pasos anteriores (A+B) se presenta una composición de la señal de ca y la polarización en CD, como presenta C

Figura 5

Características más Importantes de un Amplificador

1. Ganancia en Tensión o Voltaje de Señal: Es la cantidad de veces que aumenta la tensión o amplitud de señal de salida con respecto al de la entrada.

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La forma de calcularla es dividir la tensión de salida entre la de la entrada.

Av=

eO

eI

O también se puede medir en decibelios con la siguiente fórmula:

Gv=20 x log ( V . salidaV .entrada )=dB

2. Ganancia de Intensidad o Corriente de Señal: Es la cantidad de veces que aumenta la corriente en la salida con respecto de la entrada, al igual que en la tensión la ganancia en corriente es igual a dividir la corriente de salida con respecto de la entrada, y nos dice la cantidad de veces que ha aumentado.

Ai=iO

iI

También se puede medir en decibelios con la siguiente fórmula:

Gi=20 x log( I . salidaI . entrada )=dB

3. Ganancia en Potencia de Señal: Es la cantidad de veces que ha aumentado la potencia a la salida con respecto de la entrada:

Ap=PO

P IAp= P . salida

P .entrada

PO=eO×iO P I=eI×iI

También se puede medir en decibelios, a través de la siguiente fórmula:

Gp=10×log ( P . salidaP .entrada )=dB

4. Impedancia de ingreso: Es la resistencia equivalente que tiene un circuito amplificador como se representa en la Figura 6

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Z I=eI

iI

=Ω

Figura 6

5. Impedancia de salida: Es la resistencia equivalente que se ve a la salida del amplificador, que equivale a una resistencia y a un generador que depende de la tensión de entrada figura 7

ZO=eO

iO

=Ω

Figura 7

6. Curva de respuesta en frecuencia: Es la curva que define como varía la ganancia con respecto a la frecuencia, ya que el amplificador no se comporta igual a todas las frecuencias figura 8

Figura 8

7. Ancho de Banda de Frecuencia: El ancho de banda es el margen de frecuencias donde el amplificador tiene una respuesta en frecuencia más o menos parecida. Este ancho de banda viene fijado por la fL, que es la frecuencia de corte inferior, y la fH, que es la frecuencia de corte superior, que son aquellas donde la ganancia vale un 70,7% de la ganancia máxima o 3db menos, figura 8

AMPLIFICADORES DE BAJA FRECUENCIA DE UNA ETAPA

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Los circuitos amplificadores transistorizados para frecuencias bajas de Audio Frecuencia (AF), principalmente trabajan en clase A, B, o AB, estos para su funcionamiento necesitan voltajes de polarización en CD adecuados que estén dentro de la zona activa de trabajo (punto Q de operación del transistor).

Los voltajes y corrientes de CD que necesitan los transistores BJT, se obtienen a través de fuentes de alimentación o baterías exterior y para su funcionamiento mismo como amplificador se determina por donde ingresa la señal y por donde sale la señal que va a ser amplificada, dando lugar a las configuraciones básicas de los amplificadores de baja frecuencias.

Configuraciones Básicas del Transistor BJT: Circuito Amplificador Base Común, Circuito Amplificador Colector Común y Circuito Amplificador Emisor Común.

Circuito Amplificador Base Común

A través del circuito base común, mostrado en la figura 9, podemos realizar un análisis inicial del trabajo en cd y ca.

Figura 9

Por lo general los transistores se polarizan directamente la unión emisor-base (circuito de entrada), e inversamente la unión colector-base (circuito de salida), esto se realiza a través de las dos baterías, considerando la base común tanto para la entrada como para la salida.

La dirección de las flechas de la figura 9 indica el flujo convencional de la corriente, como se conoce casi toda la corriente del emisor fluye al colector, 98%, el resto fluye a través de la base 2%. En consecuencia la ganancia de corriente de una configuración base común en siempre menor a uno.

Al analizar el funcionamiento con señal (ca), se representa en la figura 9 las ondas de voltaje de entrada producido por la fuente de señal y el voltaje de salida de señal de salida desarrollada a través de la resistencia de carga RL. Cuando la señal de entrada es positiva, se suma a la polarización directa producida por la batería de base-emisor (lo que hace que el emisor sea más positivo que la base) aumentando con ello el flujo de la corriente a través del circuito PNP. El mayor flujo de corriente a través de RL hace que la parte superior de RL sea menos negativa, cuando la señal de entrada es negativa, la señal de salida también lo es. Por tanto, la fase de la señal no cambia en este circuito; es decir, que las señales de entrada y salida están en fase en el amplificador de base común.

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Circuito Práctico N º 1

El circuito práctico base común de la figura 10 muestra su similitud al de la figura 9 donde se puede analizar su polarización en cd y funcionamiento como amplificador en ca.

Análisis del circuito en cd.

La estructura del circuito a través de las resistencias forma divisores de voltaje los mismos que proporcionan voltajes de cd para la base colector y emisor del transistor.

Figura 10

Las resistencias R1 y R2 que forman el circuito serie divisor de voltaje para base de Q, la misma que se puede calcular VB , (sin considerar la pequeña corriente de base que pasa a través de R1) usando la siguiente ecuación para el divisor de voltajes:

VCC = VR1 + VR2

o también VB = VCC x R2/(R1 + R2)

La unión base-emisor (circuito de entrada), está polarizada directamente debido a que la tensión de base es mayor por ser de material de tipo P, que el emisor de material de tipo N.

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Características del circuito Base Común

1. La base es común, tanto a la señal de entrada como a la señal de salida2. Ganancia en corriente: muy baja, inferior a uno3. Ganancia en tensión: muy alta4. Ganancia en Potencia: alta5. Ancho de banda: grande6. Impedancia de entrada: muy baja (de 1 a 100 Ω)7. Impedancia de salida: muy alta (de 1KΩ a 1MΩ)8. Estabilidad térmica: buena


El circuito serie divisor de voltaje formado por las resistencias R3, Resistencia interna del transistor (Rint.Q.) y R4, es la permite polarizar adecuadamente el colector y emisor, (sin considerar la influencia de las corrientes y voltajes del circuito de entrada); se consideran el circuito de salida colector-emisor debe tener una polarización inversa; por lo que VC será mucho mayor que el voltaje de base y de emisor y positiva ya que el colector es de material de tipo N. Originando la siguiente ecuación

VCC = ER3 + ERin.Q + ER4

Análisis del circuito en ca.

Un circuito base común principalmente es un amplificador de voltaje de señal (ca), para que cumpla esta función es necesario que éste tenga la polarización de cd adecuada.

Al aplicar una pequeña señal a la entrada del circuito emisor base, esta puede tener diferentes magnitudes en la salida del circuito colector-base tal como:

Frecuencia de ingreso (FI = Hz) Frecuencia de salida(F0 = Hz): igual a la entrada en AF

Amplitud o voltaje de señal de ingreso (eI = Vpp o Vca) Amplitud o voltaje de señal de salida: (eO = Vpp o Vca): muy amplificada,

Intensidad o corriente de señal de ingreso (iI = Aca) Intensidad o corriente de señal de salida (iO = Aca): baja, o menor que la de ingreso

Fase de señal de entrada = grados () Fase de señal de salida: igual a la de ingreso.

Forma de onda. de entrada = sinusoidal, cuadrada etc. Forma de onda. de salida: sinusoidal, cuadrada etc., igual al ingreso, en clase A sin distorsión

Impedancia de ingreso (ZI = Ω) Impedancia de salida (Z0 =Ω): alta

Con los datos obtenidos podemos calcular y obtener y lo siguiente:

Ganancia de voltaje de señal

Ganancia de intensidad de señal

Ganancia de potencia de señal

Relación de fase entrada salida

Forma de onda de salida

Relación de impedancia o ganancia

Autoevaluación N 1

1. Complete el circuito amplificador base común de la figura 11.

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Figura 11

2. Determine los signos de polaridad de cd, que corresponde de acuerdo al transistor en la figura 11.

3. Con los valores de R1 y R2; calcular el voltaje de cd de base de Q.

VB =........................ VB =........................

VB =........................

4. Señale lo correctoEn un circuito base común. La impedancia de salida es:a ( ) Muy alta.b ( ) Baja.c ( ) Aproximadamente igual al valor de la resistencia de colector.d ( ) Ninguna

5. Señale lo correctoLa señal de salida de ca se toma entre:a ( ) El emisor y el colectorb ( ) La base y tierra c ( ) El emisor y tierrad ( ) El colector y la base o colector y tierra

Circuito Amplificador Colector Común

El circuito de colector común de la figura 12, llamado también colector a tierra, está constituido por un transistor PNP el mismo que para su polarización ha utilizado dos baterías. La señal de entrada se realiza a través de base-colector y sale del circuito emisor-colector; de manera que el elemento colector del transistor es común tanto para el circuito de entrada como para el de salida. (Las baterías que se muestran son cortocircuitos efectivos para las señales de ca).

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Figura 12

En este circuito se representan los voltajes de entrada que produce la fuente de señales y el voltaje de salida que se desarrolla en la resistencia de carga RL.

Cuando la señal de entrada es positiva, reduce la polarización directa producida por la batería de base-emisor haciendo que la base sea menos negativa y disminuyendo con ello el flujo de la corriente a través del transistor PNP.

La dirección de las flechas de la figura 12 indica el flujo de corriente convencional, determinando la intensidad de emisor como la total o 100% de lo que la mayor parte un 98% circula por colector y un solo 2% por la base.

El menor flujo de corriente a través de RL hace entonces que la parte superior de RL sea menos negativa con respecto a la parte inferior de RL. Recíprocamente, cuando la señal de entrada es negativa, la señal de salida también es negativa, con lo que la fase de la señal permanece inalterable en el circuito, es decir que no hay inversión de fase del voltaje de señal de entrada a la salida de un amplificador de colector común

Además en este circuito se demuestra la polarización en cd correspondiente; directamente en la unión emisor-base e inversamente a través de la unión colector-base

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El circuito Práctico de la figura 13 es muy similar al circuito de la figura 12 donde se puede analizar en forma práctica su polarización en cd y el funcionamiento en ca.

Figura 13


La estructura del circuito a través de las resistencias forman divisores de voltaje los mismos que proporcionan voltajes de cd para la base, colector y emisor del transistor.

Las resistencias R1 y R2 que forman el circuito serie divisor de voltaje para base de Q, la misma que se puede calcular VB , (sin considerar la pequeña corriente de base que pasa a través de R1) usando la siguiente ecuación para el divisor de voltajes:

VCC = VR1 + VR2

o también VB = VCC x R2/(R1 + R2)

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Características del Circuito Colector Común

1. El colector es común, tanto a la señal de entrada como a la señal de salida

2. Ganancia en corriente: alta3. Ganancia en tensión: muy baja 4. Ganancia en Potencia: alta5. Ancho de banda: mediano6. Impedancia de entrada: muy alta (de 20KΩ a 1M Ω)7. Impedancia de salida: muy baja (de 20Ω a 1KΩ)



El circuito serie divisor de voltaje formado por: la resistencia interna del transistor (R int.Q.) y R3, permiten polarizar adecuadamente el colector y emisor, (sin considerar la influencia de las corrientes y voltajes del circuito de entrada); se consideran el circuito de salida (colector-emisor) debe tener una polarización inversa; por lo que VC será mucho mayor que el voltaje de base y de emisor y positiva por ser el colector de material tipo N. Originando la siguiente ecuación.

VCC = ERin.Q + ER3


Un circuito de colector común principalmente es un amplificador de corriente o intensidad de señal (ca), para que cumpla esta función es necesario que éste tenga la polarización de cd adecuada.

Al aplicar una pequeña señal a la entrada del circuito base-colector, ésta puede tener diferentes magnitudes en la salida del circuito emisor-colector, así como:

Frecuencia de ingreso (FI = Hz) Frecuencia de salida (Fo = Hz): igual frecuencia de la entrada en AF

Amplitud o voltaje de señal de ingreso (eI = Vpp o Vca) Amplitud o voltaje de señal de salida (eo = Vpp o Vca): baja, inferior a uno

Intensidad o corriente de señal de ingreso (iI = Aca) Intensidad o corriente de señal de salida (io = Aca): alta

Fase de señal de entrada = (grado) Fase de señal de salida: igual de la de ingreso

Forma de onda. de entrada = sinuoidal, cuadrada etc. Forma de onda. de salida: sinuoidal, cuadrada etc., igual al ingreso, en clase A sin distorsión

Impedancia de ingreso (ZI = Ω) Impedancia de salida (ZO = Ω): baja

Con los datos podemos obtener y calcular lo siguiente:







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Autoevaluación N 2

1. Señale lo correctoEl circuito de colector común se utiliza principalmente como:a ( ) Amplificador de voltajeb ( ) Amplificador de baja impedancia de entrada.c ( ) Circuito igualador de impedanciasd ( ) Ninguno de los anteriores

2. Complete el circuito “Amplificador colector común ” figura 14

Figura 14

3. Calcular la tensión de base del circuito 14, considerando la Vcc = 15Vcd. (no considere la pequeña corriente de base a través de R1)

VB = ........................ VB = ........................

VB = ........................

4. Complete el siguiente concepto:

Un circuito amplificador colector común, llamado también seguidor de emisor tiene, ....................ganancia de corriente y .......................... ganancia de voltaje de señal.

5. Señale lo correctoLa señal de salida de ca es:a ( ) Está en fase con la señal de entradab ( ) Está desfasada con respecto a las señal de entrada.c ( ) Está desfasada 1800 con respecto a la señal de entradad ( ) Está en fase con la señal en el colector.

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Circuito Amplificador Emisor Común

El circuito de emisor común de la figura 15, llamado también emisor tierra, está constituido por un transistor PNP el mismo que para su polarización ha utilizado dos baterías. La señal de entrada se realiza a través de base-emisor y sale del circuito por colector-emisor, de la manera que el elemento emisor del transistor es común tanto para el circuito de entrada como para el de salida, (las baterías que se muestran, son cortocircuitos efectivos para las señales de ca).

Figura 15

En este circuito se representan los voltajes de entrada que produce la fuente de señales y el voltaje de salida que se desarrolla en la resistencia de carga RL. Cuando la señal de entrada es positiva, reduce la polarización directa producida por la batería de base-emisor haciendo que la base sea menos negativa y disminuyendo con ello el flujo de la corriente a través del transistor PNP.

La dirección de las flechas de la figura 15 indica el flujo de corriente convencional, determinando la intensidad de emisor como la total o 100% de lo que la mayor parte un 98% circula por colector y un solo 2% por la base.

Por lo tanto un menor flujo de la corriente a través de RL hace la parte superior de la resistencia sea menos positiva (o más negativa) con respecto a la parte inferior de la resistencia RL. Recíprocamente, cuando la señal de entrada es negativa, la señal de salida es positiva. De esta manera se invierte en este circuito la fase de la señal en 180 entre la entrada y salida de un amplificador de emisor común.

Además en este circuito se demuestra la polarización en cd correspondiente; directamente en la unión base-emisor e inversamente a través de la unión colector-emisor.

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El circuito Práctico de la figura 16 es muy similar al circuito de la figura 15 donde se puede analizar en forma práctica su polarización en cd y el funcionamiento en ca.

Figura 16


La estructura del circuito a través de las resistencias forman divisores de voltaje los mismos que proporcionan voltajes de cd para la base colector y emisor del transistor.

Las resistencias R1 y R2 que forman el circuito serie divisor de voltaje para base de Q1, la misma que se puede calcular VB , (sin considerar la pequeña corriente de base que pasa a través de R1) usando la siguiente ecuación para el divisor de voltajes:

VCC = VR1 + VR2

o también

VB = VCC x R2/(R1 + R2)

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Características del Circuito Emisor Común

1. El emisor es común, tanto a la señal de entrada como a la señal de salida

2. Ganancia en corriente: alta3. Ganancia en tensión: alta4. Ganancia en Potencia: muy alta5. Ancho de banda: pequeño6. Impedancia de entrada: media ( de 1KΩ a 5KΩ)7. Impedancia de salida: media (de 1KΩ a 50KΩ)8. Estabilidad térmica: mala9. Relación de fase entrada salida: diferente ( 180).



El circuito serie divisor de voltaje formado por las resistencias R3, Resistencia interna del transistor (Rint.Q.) y R4, es la que permite polarizar adecuadamente el colector y emisor, (sin considerar la influencia de las corrientes y voltajes del circuito de entrada); se considera el circuito de salida (colector-emisor) debe tener una polarización inversa; por lo que Vc será mucho mayor que el voltaje de base y de emisor y positiva ya que el colector es de material de tipo N. Originando la siguiente ecuación

VCC = ER3 + ERin.Q + ER4


Un circuito emisor común principalmente es un amplificador de voltaje y corriente de señal (ca) para que cumpla esta función es necesario que éste tenga la polarización de cd adecuada.

Al aplicar una pequeña señal a la entrada del circuito base-emisor, está puede tener diferentes

magnitudes en el circuito de salida colector-emisor tales como:

Frecuencia de ingreso (FI = Hz) Frecuencia de salida (Fo = Hz): igual frecuencia de la entrada en AF

Amplitud o voltaje de señal de ingreso (eI = Vpp o Vca) Amplitud o voltaje de señal de salida (eo = Vpp o Vca): En este circuito es alta

Intensidad o corriente de señal de ingreso (iI = Aca) Intensidad o corriente de señal de salida (io = Aca): En este circuito es alto

Fase de señal de entrada = ( grados) Fase de señal de salida: diferente en 180 de la de ingreso

Forma de onda. de entrada = sinusoidal, cuadrada etc. Forma de onda. de salida: sinusoidal, cuadrada etc., igual al ingreso, en clase A sin distorsión

Impedancia de ingreso (ZI = Ω) Impedancia de salida: media

Con los datos obtenidos podemos obtener y calcular lo siguiente:







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Autoevaluación N 3

1. Completar el circuito de la figura 17, “Amplificador emisor común”

Figura 17

2. Con los datos del circuito de la figura 17, calcular la tensión de base del transistor (sin considerar la influencia de corriente de base a través de R1)

VB = ............................ VB = ............................

3. Con los datos anteriores calcular la Icd, que existe en el circuito de polarización de base

Icd (circuito de base) =.........................

Icd (circuito de base) =.........................

4. Unir con una línea la unidad de medida que corresponde:

VCE VppFo VcdAc HzeI

5. Señale lo correctoLa señal de entrada de ca se aplica entre :a ( ) Emisor y colector b ( ) Base y colector o base o emisor c ( ) Base y colector d ( ) Colector y tierra

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el transistor bjt

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