Abstract— The Bipolar Junction Transistor (BJT) is a three terminal device that could be used in many applications like signal amplification or digital circuits. The BJTs have an advantage comparing with MOSFETs and is that they have a better amplification and also the reliability of this kind of devices under severe environmental conditions. In this practice we design the three possible configurations to amplify a signal using BJTs, also we see the main properties of each configuration and some parts of their frequency response.

Index Terms— Ancho de banda , Amplificador de base común, Amplificador de colector común, Amplificador de emisor común degenerado y sin degenerar, Ganancia, Impedancia de entrada, Impedancia de salida.

I. INTRODUCTION

Los transistores de unión bipolar o BJT a pesar de poseer ciertas desventajas con respecto a otro tipo de dispositivos, han sido fundamentales en el desarrollo de la electrónica moderna. Además de su utilidad en circuitos lógicos y dispositivos que actúan como interruptores, son elementos fundamentales en la electrónica analógica, dado que permiten realizar la amplificación de señales, ofreciendo ganancias que a otros dispositivos les resulta imposible. Por tal motivo es de vital importancia en el trabajo electrónica conocer las diferentes configuraciones de polarización y sus características fundamentales y así poseer fundamentos sólidos a la hora de escoger, diseñar e implementar un circuito. El presente laboratorio muestra cuatro topologías fundamentales de los transistores BJT y a través de un análisis de pequeña señal, permite conocer sus características de ganancia, impedancia y ancho de banda, las cuales son medidas y verificadas de manera práctica.

II.MARCO TEÓRICO

A. Amplificador de emisor común La configuración de emisor común es la más utilizada de

todos los circuitos amplificadores ya que dependiendo de la tipología se puede lograr ganancias de voltaje de unos cientos. Sin embargo, la respuesta de alta frecuencia del amplificador puede ser bastante limitada [1].

1) Amplificador de emisor común sin degeneración

Este amplificador se caracteriza por ser un excelente amplificador.

En la figura 1, se muestra el modelo de amplificador en pequeña señal de emisor común sin degenerar.

Fig.1. Tipología de emisor común sin degenerarDónde; V1: representa la fuente de la señal que se quiere amplificar (señal

pequeña) y Rs: resistencia de salida de la fuente V1.

Para obtener las expresiones de la ganancia del amplificador, así como las resistencias de entrada y salida, se remplaza el transistor por el modelo equivalente para señal pequeña. De esta manera se llega a las ecuaciones (1), (2) y (3).

La ecuación (1) corresponde a la expresión para la ganancia, (2) la resistencia de entrada, vista por el generador, y (3), la resistencia de entrada vista por la carga para un emisor común sin degenerar.

Avo=VoVi

=−(RB∥r π)

(RB∥r π )+Rs∗gm∗( ro ∥RC∥Rl )(1)

Rin=( RB∥r π ) (2 )

Rout=( RC∥ ro ) (3 )Dónde:RB: representa el paralelo de las resistencias de base, r π

:representa la resistencia de entrada del modelo del BJT,ro: representa la resistencia de salida del modelo del BJT, gm: es la transconductancia.

2) Amplificador de emisor común con degeneración

Este amplificador se caracteriza por tener una buena respuesta en frecuencia, pero por tener ganancias de voltaje muy bajas.

En la figura 2, se muestra el modelo de amplificador en pequeña señal de emisor común con degeneración.

Amplificadores de pequeña señal con BJTByron. Martínez, Romero Diego y Vargas Juan.Dept. Electric and Electronic Engineering

Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombia

bdmartinezm, diaromerori, jufvargasco@unal.edu.co

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Fig.2.Tipología de emisor común con degeneración

Al igual que el amplificador con emisor común sin degenerar, las expresiones de ganancia, resistencias de entrada y salida del amplificador se obtienen remplazando el modelo de pequeña señal, como el de la figura 2, y por medio de técnicas de análisis de circuitos encontrar las expresiones deseadas. Estas expresiones se muestran en las ecuaciones (5), (5) y (6).

En la ecuación (4) corresponde a la expresión para la ganancia, (5) la resistencia de entrada, vista por el generador, y (6), la resistencia de entrada, vista por la carga para un emisor común degenerado.

Avo=−( β ¿ ro−RE )∗R'

L

rπ ( R'L+RE+ro )+RE(R'

L+r o(β+1))(4 )

Rin=rπ +[ R '

L+( β+1 )∗ro ]∗RE

R'L+ RE+ro

(5)

Rout=RC ( RE+r o )∗[ (rπ +RB )+( β+1 )∗RE∥ ro]

(r π+RB ) ( RC+RE+r o )+RE [RC+ ( β+1 )∗ro ](6)

Dónde:RBrepresenta el paralelo de las resistencias de base, r π:representa

la resistencia de entrada del modelo del BJT, ro: representa la resistencia de salida del modelo del BJT, gm: es la transconductancia, β: ganancia de corriente de emisor común.

B. Amplificador de Base Común El amplificador de Base común se caracteriza por tener una

baja impedancia de entrada, eso puede ser un problema cuando el generador de señales tiene una impedancia de salida alta ya que la señal, o en su defecto la mayoría de la señal, puede caer en el generador de señales causando que el amplificador no funcione de forma correcta. A continuación se muestra el esquemático de un amplificador de base común:

Fig.3. Tipología de base común.

Una característica importante del amplificador de base común es que no posee ganancia de corriente sino una ganancia positiva de voltaje, sin embargo este amplificador presenta un problema y es que la ganancia depende de la carga como se puede apreciar en la ecuación (7), donde se desprecia para el cálculo la resistencia ro, ya que al usar la resistencia ro, la expresión es bastante larga.

Av=α∗(RC∨¿ RL)

ℜ+ RB(β+1)

(7)

Como se puede ver en la fórmula de ganancia, el paralelo de la resistencia de colector con la resistencia de carga afecta directamente la ganancia.

Ahora para calcular la impedancia de entrada para este tipo de amplificador, podemos usar la ecuación (8) que aproxima a un valor cercano de la resistencia, ya que no se tiene en cuenta el valor de ro para el cálculo.

Z¿=ℜ+ RB(β+1)

(8)

Finalmente la expresión que describe una aproximación para la impedancia de salida es como en muestra en (9):

Zout=Rc(9)

Una característica especial del amplificador de base común consiste en su utilidad para operaciones en alta frecuencia, esto gracias a que la base separa la entrada de la salida, minimizando de esta forma las oscilaciones a alta frecuencia[2].

C. Tipología de colector comúnTeniendo en cuenta que una de las principales

aplicaciones para los transistores de unión bipolar es la de funcionar como amplificador, es necesario, una vez que se obtuvo una ganancia de tensión adecuada, entregar a la carga una potencia considerable. Esto, dependiendo de la impedancia total de la carga conectada a la salida del amplificador, puede realizarse conectando un circuito que

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posea una impedancia de salida muy baja en comparación con ésta. El circuito de colector común es ideal para tal fin, dado que, aunque su ganancia de tensión es siempre menor que 1, la impedancia de salida puede ser ajustada para ser de algunos ohmios, lo cual implica que la corriente entregada a la carga será alta y, por consiguiente, si la ganancia de tensión no decae de manera considerable, la ganancia neta de potencia será considerablemente alta.

El modelo de colector común se muestra en la figura 4.

Fig.4. Tipología de colector común

Realizando el análisis de pequeña señal mediante el modelo pi, podemos obtener fórmulas para impedancia de entrada (es decir la impedancia vista desde la base del transistor, incluyendo las resistencias de polarización), impedancia de salida (impedancia vista desde el emisor, donde finalmente se conectará la carga) y la ganancia de tensión de esta configuración que siempre es menor a 1 para la topología colector común utilizada en la práctica, la cual se muestra en la Figura 4. Las citadas fórmulas se encuentran transcritas en las ecuaciones 10,12, 15 respectivamente.

Z¿=Rt h∨¿ RB(10)

RB=(gm∗RL' +RL

' +r π) (11)

Zout=RL

' '(RB' +r π)

gm RL' ' rπ+RB

' +2 r π

(12)

RL' '=ro∨¿RE (13)

RB' =Ri∨¿RE(14)

A v=

Z¿∨¿RB

Ri+Rt h∨¿ RB∗(gm

rπ+1) RL'

(g¿¿mr π+1)RL' +r π(15)¿

D. Diseños para la práctica experimental 1) Amplificadores de emisor común Se pretende diseñar dos amplificadores de pequeña señal

de emisor común, uno sin degenerar y otro degenerado, las topologías se muestran en la figura 1 y 2 respectivamente. Los requerimientos de la polarización son los siguientes: Ic=3.5 [mA] y V_BE=8.5 [v]. Para cumplir los requerimientos, se debe cuadrar el punto

de polarización adecuadamente. En la figura 5, se muestra el amplificador polarizado para cumplir los requerimientos.

Fig.5.Configuración de emisor común con degeneración

El amplificador de emisor común sin degeneración es igual al mostrado en la figura 5, pero agregando un condensador de acople entre emisor y la referencia.

2) Amplificador de base común.La ganancia de voltaje debe ser de 6 V/V. Para realizar el

diseño del amplificador es necesario usar el modelo híbrido π en baja frecuencia, además se asume la resistencia de emisor de 1 KΩ y la resistencia de base 1 con un valor de 10 KΩ, además, como es preciso que el transistor trabaje en zona activa, se debe garantizar que el voltaje VCE se encuentre en un valor de la recta de carga de tal forma que no pase en ningún momento a saturación ni a corte cuando se amplifique la señal, de esta forma se escoge el voltaje VCE deseado con un valor de 6V, es decir en la mitad del voltaje VCE posible.

Una vez fijados estos valores, se plantean las ecuaciones para la polarización y para el modelo híbrido de pequeña señal y se obtienen los siguientes resultados para las resistencias:

RC=363.303 ΩRB2=7.46491 KΩ

Como esos valores no son exactos, es necesario normalizar las resistencias con el estándar E24, es decir, se usan los siguientes valores de resistencia:

RC=390 ΩRB2=6.8 KΩ

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El circuito utilizado en la práctica se puede apreciar en la figura 6.

Figura 6. Amplificador de base común usado en la práctica.

El punto de polarización, se grafica en la recta de carga que se obtiene de la ecuación (16).

V CE=12−1.3924 K Ω∗IC (16)

Figura 7.Punto de polarización en la recta de carga.

Como se puede observaren la figura 7, el punto de polarización fue escogido de tal forma que no se acerque mucho ni al punto de corte, ni al punto de saturación del transistor una vez sea amplificada la señal.

3) Amplificador de colector común

En la figura 8 se muestra el amplificador diseñado.

Fig. 8. Circuito de colector común utilizado en la práctica

III. MEDICIONES EXPERIMENTALES

En la presente práctica se realizaron cuatro medidas fundamentales para cada topología con transistor BJT, ganancia de tensión, impedancia de entrada e impedancia de salida y ancho de banda.

El procedimiento utilizado para encontrar la ganancia de tensión fue la medición simultánea de tensiones de entrada y de salida mediante el osciloscopio.

Para la impedancia de entrada se realizó un divisor de tensión alimentado con el generador de señales que incluye un trimmer y la impedancia de entrada del circuito a medir. Se realiza la medición de la señal del generador sin carga alguna y luego se mide la tensión sobre la entrada del transistor y se varía el trimmer hasta lograr que la tensión sea la mitad de la medida inicialmente sin carga. De esta forma el trimmer poseerá el valor óhmico de la impedancia de entrada.

La impedancia de salida se mide de una forma similar a la anterior. Se ubica una señal de entrada al amplificador y en la salida de éste, se ubica el trimmer como carga única del circuito. Se modifica el valor óhmico hasta lograr una señal que sea de la mitad del valor de la tensión sin carga y de esta forma el trimmer posee la misma impedancia que la de salida del circuito.

Tabla IMediciones y cálculos para la configuración emisor común

Tipo Ganancia

Rin Rout Ancho de

BandaGanancia -8,59 2023 Ω 61,8 N/AImpedancia de Entrada

4,7 3.33k Ω 30.3 1.5 KHz-12.5 MHz

Impedancia de Salida

-0,067 367.374 Ω 62 N/A

Ancho de banda

-0,7 800Ω

32 10 Hz-25.2 MHz

Los valores calculados mediante las ecuaciones descritas con anterioridad y los valores medidos de ganancia, impedancia de entrada y de salida se muestran en las tablas I,II y III. Igualmente cabe considerar que los cálculos de ancho de banda no se incluyen dado que su análisis teórico no es objeto del presente curso.

Tabla IIMediciones y cálculos para la configuración base común

Valor Teórico Valor Medido

Ganancia 6.3629 11.632Impedancia de Entrada

5.7537 Ω N/A

Impedancia de Salida

389.09 Ω 380 Ω

Ancho de banda N/A 830 Hz-1 MHz

Cabe resaltar que en el amplificador de base común la impedancia de entrada es muy pequeña, por consiguiente no se

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pudo obtener el valor para la impedancia de entrada sino solo el valor de la impedancia de salida.

Tabla IIIMediciones y cálculos para la configuración colector común

Valor Teórico Valor Medido

Ganancia 0,93 0,981Impedancia de Entrada

26,3 KΩ 21,3 KΩ

Impedancia de Salida

7,21Ω 22,5Ω

Ancho de banda N/A 100Hz-1MHz

IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS

A. Emisor comúnEn la tabla I, se observa que los datos teóricos difieren un

poco respecto a los valores experimentales. Probablemente, estemos omitiendo algunos fenómenos físicos que no se consideran en los modelos teóricos. Como por ejemplo el efecto Miller. Sin embargo, para el amplificador con degeneración los resultados coincidieron mucho más.

Fig.10.Señal de entrada y salida del amplificador de emisor sin degeneración.

Por otra parte, debido a los requerimientos de polarización para este amplificador sin degeneración. El transistor no puede amplificar una señal mayor a 15 mv, ya que el transistor entre en corte. Probablemente, eso afecte de manera significativa el comportamiento del mismo.

En la figura 11 y 12, se muestran las simulaciones para el emisor común sin degeneración y degenerado respectivamente.

Fig.11. Simulación amplificador emisor común sin degenerar

A partir de la Fig.11, se puede calcular la ganancia de la simulación para el amplificador de emisor común sin degenerar, haciendo la división entra la señal de entrada al amplificador y la tensión sobre la carga se obtiene una ganancia de -7.24 [V/V].

A partir de la Fig.12, se puede calcular la ganancia de la simulación para el amplificador de emisor común con degeneración, haciendo la división entra la señal de entrada al amplificador y la tensión sobre la carga se obtiene una ganancia de -0.0667 [V/V].

Fig.12. Simulación amplificador emisor común con degeneración

El comportamiento en las simulaciones del emisor común, mostradas en las figuras 11 y 12, es mucho más parecido a los resultados experimentales. Lo que implica que efectivamente, un fenómeno físico, externo o no, está afectando las mediciones de laboratorio. Uno de esos fenómenos es el ruido.

Los resultados de las simulaciones para el amplificador con degeneración, nuevamente igual que los teóricos son muy aproximados a los resultados experimentales.

Otra observación importante es que el ancho de banda para el amplificador degenerado es muy bueno, pero a cambio se pierde ganancia.

B. Base comúnEn la figura 13, se muestra la gráfica obtenida en el

osciloscopio. Ahí se puede observar la amplificación del BJT.

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Figura 13. Gráfica obtenida para el amplificador de base común.

Se puede observar, en la tabla 2, que aunque los valores se desvían un poco de lo esperado, el diseño funciona para la práctica, ya que la ganancia se desvía en un 6.04% de lo esperado y el voltaje se mantiene en un valor de la recta de carga en donde se garantiza que el transistor no va a entrar en saturación ni en corte.

Un hecho bastante importante para resaltar es que la impedancia de entrada para el amplificador de base común es bastante pequeña, es decir casi 10 veces más pequeña que la impedancia de salida del generador de señales normalmente usado. Por ello, en la práctica, al conectar directamente el amplificador al generador de señales, la mayoría de la señal se cae en el generador de señales, impidiendo que sea realizada de forma correcta la amplificación deseada.

Por consiguiente, es necesario usar un acople de impedancias con una etapa de colector común antes de conectar el amplificador de base común. Donde el amplificador de colector común tiene una ganancia de 0.981 V/V y una impedancia de salida de 22.5Ω, en este caso la impedancia del amplificador de base común sigue siendo más pequeña que la impedancia de salida del amplificador de colector común, gracias a un divisor de tensión podemos ver que en el amplificador de base común está entrando 0.45 veces la señal que sale del otro amplificador, sin embargo la ganancia del amplificador de base común también se modifica gracias a que cambia la resistencia de entrada, un resumen de esto se puede apreciar a continuación, donde AVCC es la ganancia del amplificador de colector común, AVAI es la caída de tensión debido al acople de impedancias, AVBC es la ganancia del amplificador de base común y finalmente AVT es la ganancia total:

AVCC=0.981

AVAI=5.7537

5.7537+22.5=0.45114

AVBC=25.8348

A vtotal=V o

V i=AVCC∗AVAI∗AVBC=11.4337

Algunos de estos resultados pueden ser confirmados con la simulación en OrCAD, donde la ganancia total da 11.289 V/V como se puede ver a continuación:

Fig.14. Simulación del amplificador de base común en OrCAD

Ahora, hay que tener en cuenta que la ganancia es diferente a los 6 V/V del diseño, sin embargo realizando los ajustes previamente mencionados, por el acople de impedancias y la ganancia del amplificador de colector común, se obtiene que el error porcentual entre el valor teórico y el valor obtenido en el laboratorio es:

Error porcentual=11.632−11.433711.4337

∗100=1.735 %

Donde se puede ver que el error porcentual es pequeño y se considera que está dentro del margen de error permitido para los resultados, ya que si observamos éste error es menor al que solo se obtiene con los valores de las resistencias que es del 5% según las especificaciones del fabricante.

Otra parte del análisis consiste en observar que al contrario del amplificador de emisor común, el amplificador de base común no invierte la fase de la onda de entrada, esto está relacionado con las uniones pnp del transistor y el hecho de que la señal de entrada vaya del emisor a la base y no de la base al emisor como en el caso del amplificador de emisor común.

Ahora al comparar el ancho de banda del amplificador de emisor común con el amplificador de base común, según la teoría el ancho de banda del amplificador de base común tiene un ancho de banda mayor que el de emisor común debido a que no existe efecto Miller en el amplificador de base común, ya que el efecto Miller aparece en los amplificadores inversores de voltaje debido a la amplificación de la capacitancia entre los terminales de entrada y salida [3].

Finalmente podemos comparar las impedancias de entrada entre los amplificadores de emisor común y base común, a simple vista resulta obvio que la impedancia de entrada del amplificador de base común es mucho más pequeña que la del emisor común, es decir la de base común da en el orden de Ω, muy pequeña, a comparación del de emisor común que da en el orden de KΩ, sin embargo algo que compensa esa baja impedancia de entrada en el amplificador de base común es su buen ancho de banda así como su buena respuesta en altas frecuencias.

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C. Colector Común De la tabla 1 podemos observar que la ganancia, salvo un pequeño error, concuerda visiblemente con lo calculado, al igual que la impedancia de entrada. La impedancia de de salida presenta un notorio incremento en el valor medido, debido a que su medición se realizó sobre una señal de apenas 50 mV que apenas podía distinguirse del ruido electromagnético del laboratorio, que en ciertos momentos alcanza niveles que impiden totalmente la medición de pequeñas señales. La figura 15, muestra las señales de entrada y salida de transistor obtenidas mediante un osciloscopio. Es de considerar que la amplitud de la señal de entrada tuvo que ser incrementada ostensiblemente con el fin de minimizar el efecto del ruido electromagnético mencionado anteriormente. Aún con el incremento de magnitud de la entrada, las dos señales (entrada y salida) son casi indistinguibles debido a que la ganancia se acerca a la unidad y al ruido de las ondas.

Fig. 15. Señales de entrada y salida de la configuración colector común obtenidas en el osciloscopio.

Igualmente la medición del ancho de banda posee una incertidumbre alta, dados los errores introducidos por el ruido al tratar de medir una señal.

V. CONCLUSIONES Es fundamental, a la hora de realizar el diseño de circuitos

amplificadores utilizando transistores bipolares, ajustar una corriente de colector y una tensión colector emisor que permita que la señal de salida pueda ubicarse siempre dentro de la región lineal de las curvas características del dispositivo con el [4]fin de no obtener cortes ni deformaciones de la señal. Por tal motivo la práctica de fijar arbitrariamente una corriente de colector o una tensión colector emisor no es conveniente como quedó demostrado en el presente laboratorio.

Los amplificadores de emisor sin degenerar pueden proporcionar una ganancia voltaje de cientos. Por otra parte los amplificadores con degeneración tienen baja ganancia, pero responden de manera excelente en altas frecuencias.

Los modelos teóricos para el amplificador con emisor común degenerado se aproximaron de buena manera a los resultados experimentales.

Los amplificadores de base común poseen básicamente dos desventajas en comparación con los otros dos tipos de amplificadores; la primera consiste en la baja impedancia de entrada, este problema puede ser solucionado con una etapa de acople de impedancias puesta en la entrada de este amplificador; la segunda desventaja consiste en el hecho de que la ganancia del amplificador depende de la carga, eso puede ser un problema a la hora de diseñar ya que en caso de que cambie la carga, el amplificador no funciona de la misma forma en que se diseñó.

A pesar de las desventajas del amplificador de base común, este tipo de amplificador posee una ventaja que consiste en que tiene mayor ancho de banda en comparación con el amplificador de emisor común, además el amplificador de base común tiene buena respuesta en operaciones a altas frecuencias ya que la base separa la entrada de la salida lo que minimiza las oscilaciones a altas frecuencias.

El estudio de pequeña señal se hace complicado en ambientes con un gran ruido electromagnético dado que obtener medidas exactas de una señal que es equiparable con el ruido ambiental es casi imposible.

VI. REFERENCIAS

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[1] A. S. S. y. K. C. Smith, «Amplificadores con BJT,» de Circuitos microelectrónicos, México, McGraw-Hill, 2006.[2] HyperPhysics, «Amplificador de Base Común NPN,» [En línea]. Available:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electronic/npncb.html. [Último acceso: 25 03 2014].[3] Wikipedia, «Efecto Miller,» [En línea]. Available: http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Miller. [Último acceso: 26 03

2014].[4] Universidad Nacional de Colombia, Práctica 1- Guía de laboratorio, Bogotá, 2014.

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