Me cuesta entender el propósito de la resistencia marcada en rojo, sé que tiene algo que ver con la polarización de CC y la realimentación del circuito (ya que el condensador provocará una derivación de CA). Pero estoy luchando para entender la circunstancia exacta en la que esto sería necesario. ¿Es un cambio en el voltaje de alimentación, o un cambio en la beta del transistor? Y el mecanismo exacto que haría que la resistencia para resolver el problema.
Me cuesta entender la circunstancia exacta en la que esto podría sería necesario.
Lo que la mayoría de la gente quiere con un amplificador de emisor común es que la tensión continua del colector sea aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación. Así, cuando hay una señal de CA presente en la entrada, la salida (colector) del amplificador no corta la señal asimétricamente. Otra forma de expresarlo es que se busca una buena capacidad de rango dinámico lineal.
Para conseguirlo, es necesario crear una situación en la que la corriente de reposo de CC del colector se mantenga bastante constante. Por lo tanto, si Vcc es (digamos) 12 voltios y Rc es (digamos) 2200 Ω entonces usted quiere que la corriente de reposo a través de Rc sea de aproximadamente 2,73 mA (2,73 mA a través de una resistencia de 2k2 cae 6,006 voltios).
Para asegurar que una corriente continua de 2,73 mA fluye a través de Rc de forma consistente se requiere una resistencia de emisor. Si la resistencia del emisor es de 220 Ω (por ejemplo), una corriente continua de 2,73 mA fluye desde el colector al emisor y luego a través de la resistencia y, dejaría caer alrededor de 0,601 voltios a través de ella.
Por tanto, la tensión de polarización de la base debe ser de 0,601 voltios más 0,7 voltios (caída de tensión interna entre la base y el emisor). Así, unos 1,301 voltios en la base garantizarán que haya aproximadamente 6 voltios CC en el colector.
Si lo sabes, podrás calcular los valores de las resistencias de polarización de base. Aquí hay una simulación donde he ajustado R4 para mostrar lo que quiero decir: -
En este ejemplo he utilizado un BJT BC547 y la tensión de base a masa es de 1,269 voltios (lo que implica que la caída de tensión base-emisor es de 0,669 voltios). Por lo tanto, es fácil de seguir y casi siempre debería obtener resultados predecibles, pero nunca obtendrá resultados exactos de un solo amplificador BJT.
Por lo tanto, ese es el caso normal cuando se utiliza una resistencia de emisor.
Si no tuvieras una resistencia de emisor, ¿cómo podrías definir correctamente la corriente que circula por el emisor (y el colector)? Bueno, puedes si conoces las matemáticas que rodean una configuración CE pero, entonces encontrarás que los efectos de la temperatura serán sorprendentemente altos y los 6 voltios deseados en el colector pueden desviarse con la temperatura unos pocos voltios de esta manera y de aquella manera.
Entonces, ¿quieres un circuito 5h1tty que va a la deriva o quieres un circuito estable?
Pero me cuesta entender la circunstancia exacta en la que esto sería necesario. Es un cambio en la tensión de alimentación, o el cambio en la beta del transistor?
Es ambas cosas y, también es la temperatura y, también es la repetibilidad del circuito. Aquí hay una comparación lado a lado: -
Y, si aumentara R4 en el circuito izquierdo y R8 en el circuito derecho en un 5% veríamos esto: -
Puedes ver que un cambio muy pequeño en la condición de polarización no ha alterado realmente la tensión continua de reposo en el circuito de la izquierda pero, en el circuito de la derecha, la tensión de colector ha caído de 6 voltios a 188 mV. El circuito de la derecha es muy susceptible a la deriva de componentes.
Si restauro los valores de las resistencias y aumento la tensión de alimentación de 12 voltios a 13 voltios esto es lo que vemos: -
En otras palabras, el circuito de la derecha es muy susceptible a los cambios de tensión de alimentación (y también a los cambios de valor de los componentes). Si restauro la tensión de alimentación a 12 voltios y cambio la temperatura ambiente en mi simulación de 27°C a 37°C vemos este cambio: -
En otras palabras, el circuito de la derecha es muy susceptible a los cambios de tensión de alimentación, los cambios de valor de los componentes et cambios de temperatura ambiente. Pero, ¿y si cambié el transistor con un 2N3904: -
Lo anterior ha restaurado el ambiente de nuevo a 27 ° C, pero cambió el BC547s para 2N3904s. El circuito de la izquierda es claramente más robusto en esta situación.
La resistencia de emisor sirve para varias cosas. Mejora la linealidad del amplificador, aumenta la impedancia de entrada y simplifica la polarización. Veamos cada característica por separado.
A continuación me referiré a la variación del circuito con \$R_E\$ omitido como "amplificador de emisor común conectado a tierra".
La ganancia del amplificador de emisor común conectado a tierra es \$G=-R_C/r_e=-R_CI_C/{25\mathrm{mV}}\$ . Toma, \$r_e\$ es la resistencia intrínseca del emisor, es decir, el recíproco de la transconducancia. Si la señal de entrada es lo suficientemente grande, modulará sustancialmente la corriente de colector \$I_C\$ y de ahí la ganancia. Si la ganancia depende del nivel de la señal de entrada, se trata precisamente de una no linealidad.
La resistencia de emisor añadida cambia la ganancia a \$G=-R_C/(r_e+R_E)\$ . Evidentemente, la ganancia no depende tanto de pequeños cambios en \$r_e\$ ahora.
La impedancia de entrada mirando hacia la base del amplificador de emisor común conectado a tierra es de aproximadamente \$Z_\mathrm{in} = \beta (r_e + R_E)\$ . Para \$I_C=1\mathrm{mA}\$ , \$r_e\$ es de sólo 25 ohmios. Al hacer \$R_e\$ mayor que ésta, la impedancia de entrada puede aumentar considerablemente. Recuerda que si la señal de entrada es una tensión, suele ser deseable una impedancia de entrada alta.
Supongamos que has recortado el divisor de polarización de entrada de forma que por el transistor circule la corriente de colector justa. Para la variante de emisor conectado a tierra, la polarización no será estable. Cualquier cambio en la temperatura creará una variación en la tensión base-emisor (a un valor fijo de \$I_C\$ ) del transistor. Por el contrario, cuando mantenemos el \$V_\mathrm{BE}\$ esto crea una exponencial cambio en la corriente del colector. Un cambio de apenas unos °C puede saturar la salida.
La situación es la misma para las variaciones de la tensión de alimentación. Un cambio de tan sólo 25 mV en la base aumentará/disminuirá la corriente de reposo en un factor \$e\$ .
La adición de la resistencia de emisor da cierta conformidad a la tensión de emisor, reduciendo este problema. Si es mucho mayor que \$r_e\$ la tensión perturbadora puede caer a través de \$R_E\$ en lugar de cambiar realmente \$I_C\$ demasiado.
Añadir la resistencia de emisor mejora mucho todas estas propiedades, a expensas de la ganancia.
Si sigue teniendo problemas con estos concpetos, eche un vistazo al capítulo 2.3.4 de El arte de la electrónica (3ª edición) por Horowitz & Hill. La mejor referencia sobre este tema.
En el esquema de la OP hay un condensador paralelo a la resistencia del emisor. De esta manera, \$R_E\$ se puentea en las frecuencias de señal. De este modo se obtiene la misma ganancia elevada que con el amplificador de emisor conectado a tierra (incluida la linealidad e impedancia de entrada degradadas), pero se consigue una polarización fiable.
R E es necesario para hacer frente a la fluctuación de la tensión de alimentación, y mantiene estable el punto de funcionamiento.
Para señales pequeñas, reducirá la ganancia por lo que un condensador lo puentea para señales pequeñas. En otros modos tienes las mismas consideraciones.
Si observa la línea de carga estática verá que una variación de V CE no da lugar a una gran variación de I C por lo que cuando la fuente de alimentación fluctúa V CE cambia, pero el punto de funcionamiento no se mueve mucho.
Mira el circuito emisor.
simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab
En cuanto el diodo base-emisor alcanza su tensión directa, la polarización desaparece. No se puede resolver completamente este problema, ya que se desea que la corriente fluya hacia la base. Pero no quieres tener una característica de diodo en ese lugar. Lo quieres lineal. Eso es lo que hace la resistencia de emisor. Linealiza la corriente a través del diodo BE. Igual que una resistencia en serie lo hace para cualquier otro diodo. El circuito es ahora más estable contra fluctuaciones de V+.
¿Y el mecanismo exacto que haría que la resistencia resolviera el problema?
El nombre de este mecanismo es "retroalimentación negativa" (más exactamente, "retroalimentación negativa de tipo corriente") y esta implementación específica del transistor se conoce como "degeneración del emisor". Por lo que puedo recordar (no estoy seguro), una de las leyendas dice que ("degeneración de cátodo") fue inventada por Otto Schmitt en los años 30. Sea quien sea el inventor de este truco, es un ejemplo de "ingeniosa simplicidad": sólo una resistencia unida a la etapa del transistor existente.
En lugar de repetir explicaciones conocidas de la red, compartiré con ustedes una nueva idea mía de ayer. Tuve la inspiración para pensar en el gran circuito en el caso cuando Vcc varía.
Mis observaciones son que a pesar de la presencia de retroalimentación negativa, el circuito sigue respondiendo a los cambios de Vcc (por ejemplo, aumentar) debido a dos razones:
1. La tensión de polarización VRb2 (Vb) aumenta porque el divisor de tensión Rb1-Rb2 es alimentado directamente por Vcc (actúa como una tensión de entrada atenuada por el divisor y aplicada a la base). El transistor intenta que su tensión de emisor sea igual a Vb; así, la corriente de colector Ic aumenta, la caída de tensión VRc aumenta y su complemento - la tensión de colector Vc, disminuye . En sentido figurado, el transistor "tira hacia abajo" de la salida del colector.
2. Podemos pensar en Rc como una "batería" que "produce" el voltaje VRc = Ic.Rc y está conectada en serie a Vcc. Así que cuando Vcc aumenta, "sube" la salida del colector a través de la "batería". Esta es la conocida técnica de "desplazamiento de tensión" ampliamente utilizada en las estructuras internas de los op-amp.
Mi conclusión es que los dos cambios de tensión tienen direcciones opuestas y pueden neutralizarse mutuamente .
De hecho, no es tan importante para esta etapa de amplificación de CA, pero puede haber aplicaciones (CC), en las que sería importante. Por ejemplo, una "etapa neutralizada" de este tipo puede considerarse un estabilizador de tensión ("diodo Zener").
Pero, sobre todo, es útil como ejercicio mental para comprender en profundidad el funcionamiento del circuito.
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