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La degeneración de emitter es una técnica fundamental en el diseño amplificador de unión bipolar (BJT) que mejora significativamente el rendimiento y la fiabilidad del circuito. Al agregar una pequeña resistencia entre el emisor y la fuente de señal común, los diseñadores pueden lograr una mejor estabilidad, distorsión reducida y características de ganancia más predecibles. Esta guía integral explora la teoría, cálculos matemáticos, implementación práctica y numerosos beneficios de la degeneración de emisor en el amplificador transistor.
¿Qué es la degeneración de Emitter?
La degeneración de emitter en un amplificador puede describirse como cuando toda o parte de un resistor emisor no se pasa por alto para ac o rf. En una configuración amplificador común típica, la resistencia del emisor utilizada para el sesgo de DC suele pasar por alto con un condensador para maximizar la ganancia de AC. Sin embargo, cuando se elimina este condensador o cuando se agrega un resistor sin deriva en serie.
El término "degeneración" se refiere a la reducción de la ganancia de voltaje que ocurre cuando se aplica esta técnica. Aunque esto podría parecer inicialmente una desventaja, el trade-off trae mejoras sustanciales en otras características de circuito que a menudo superan la reducción de ganancia. La degeneración de emitter es una propiedad importante en el diseño de amplificador estable, lo que lo convierte en una práctica estándar en el diseño de circuito analógico profesional.
La teoría detrás de la degeneración del emister
Mecanismo de retroalimentación negativa
La degeneración de Emitter introduce una forma de retroalimentación negativa en el circuito amplificador transistor. Cuando una señal AC se aplica a la base del transistor, provoca variaciones en la corriente de emisor. Con un resistor emisor no atravesado presente, estas variaciones actuales crean cambios de tensión correspondientes a través del resistor. Este voltaje se opone a la señal de entrada, reduciendo efectivamente el voltaje neto entre la base y el emisor (LT)[FLT][FLT].
Este mecanismo de retroalimentación negativa es lo que hace que la degeneración del emisor sea tan valiosa. La retroalimentación compensa automáticamente las variaciones en los parámetros transistor, los cambios de temperatura y otros factores que de otra manera causarían un comportamiento impredecible del circuito.
Obtenga la sensibilidad y los parámetros transistores
Un amplificador básico de emisor común BJT tiene una ganancia muy alta que puede variar ampliamente de un transistor a otro. La ganancia es una función fuerte tanto de la temperatura como de la corriente de sesgos, lo que lo hace un poco impredecible en aplicaciones prácticas. El parámetro de ganancia actual beta (β) puede variar significativamente incluso entre los transistores de la misma lote de fabricación.
Sin degeneración de emisores, la ganancia de voltaje de un amplificador de emisor común se determina principalmente por la transconductancia (gm) del transistor y la resistencia de carga de coleccionista. Dado que la transconductancia es directamente proporcional al colector corriente e inversamente proporcional a la temperatura, la ganancia se vuelve altamente sensible a las condiciones de funcionamiento.
Análisis de señales pequeñas
Para entender la degeneración del emisor desde una perspectiva pequeña, necesitamos considerar la resistencia intrínseca del transistor (re).Este parámetro representa la resistencia dinámica de la unión base-emisor y se calcula como re[FLT] [LT]
Cuando se añade un resistor de emisor externo (RE]) sin bypass, la resistencia total en el circuito de emisor se convierte en re + RE.Este aumento de resistencia reduce la transconductancia efectiva de la fase de transflexión, reduciendo así los valores de tensión
Calculando parámetros de degeneración del emisér
Fórmulas de ganancia de tensión
La ganancia de tensión de un amplificador de emisor común puede expresarse en varias formas equivalentes. La ganancia de tensión es dada por -RC / (re + R[FLT:[FLT]] [FLT] [LT] [4)
[FLT] [FLT] [El diseño de RLT4] es muy útil, cuando el resistor de emisor externo es mucho mayor que la resistencia de emisor intrínseca (REE[FLT] [FLT]] [FLT]]] [FLT]]]
Utilizando el enfoque de la transconductancia, la ganancia también puede expresarse como AV = -gmRC / (1 + gm]R]E[Fsheord] [Fsheord]
Seleccionar el valor del Resistor Emitter
Elegir el valor adecuado para el resistor de degeneración emisor implica equilibrar varios requisitos de competencia. El resistor debe ser lo suficientemente grande para proporcionar estabilidad y control de ganancia adecuada, pero no tan grande que compromete el punto de sesgo DC o requiere un exceso de tensión de suministro.
Para una ganancia de tensión deseada AV, la resistencia del emisor puede calcularse como RE = RC / ΩA Vgeneración ]Recoger la resistencia si se aplica la fórmula de ganancia simplificada.
Para casos en que se necesite una ganancia mayor de 5-10, RE] puede llegar a ser tan pequeña que la condición necesaria de sesgo, VE = RE*I
Cálculos de impedancia de entrada
Uno de los beneficios significativos de la degeneración de emisores es el aumento de la impedancia de entrada. La resistencia de entrada base es (β+1) veces la resistencia total en el circuito de emisor. Esto se llama la regla de reflexión de la resistencia y se aplica al modelo BJT de pequeña señal.
[LT] [LT] [FLT] [4]]] [4]] [FLT] [4]]] [4]]] [4]] [4]]] [4]] [4]] [4]] [4]]] [4]]] [4]]] [4]]]
El impedancia total de entrada de la etapa amplificadora debe también dar cuenta de los resistores de parcialidad. La impedancia de entrada efectiva es la combinación paralela de los resistores de sesgo y la resistencia de entrada de base: Rin[FLT] [FLT] [LT2] [FLT] [LT] [LT]
Consideraciones sobre la impedancia de productos
La impedancia de salida de un amplificador de emisor común con degeneración de emisores está determinada principalmente por el resistor de colector y la resistencia de salida del transistor. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, la impedancia de salida puede ser aproximada como la combinación paralela del resistor de colector y cualquier resistencia de carga externa.
Si bien la degeneración del emisor mejora significativamente la impedancia de entrada, su efecto sobre la impedancia de salida es mínimo en la configuración del emisor común. La impedancia de salida sigue siendo relativamente alta, lo que es una razón por la cual las etapas de emisor común suelen ser seguidas por etapas de amortiguación como los seguidores del emisor cuando conducen cargas de baja impedancia.
Implementación de circuitos prácticos
Circuito básico de degeneración de émitter
Un amplificador básico de emisores comunes con degeneración de emisores consiste en el transistor, un dividedor de tensión para el sesgo de base (R1 y R2), un resistor de colectores (RC) y un acoplamiento de resistencia[LT]
La resistencia al emisor puede dividirse en dos resistores, y la resistencia total no ha cambiado. Por lo tanto, el análisis del sesgo de DC no ha cambiado. Este enfoque de resistorsión de división permite a los diseñadores mantener el sesgo adecuado de DC mientras se implementan cantidades controladas de degeneración de AC.
Resistor de Emitter Dividido con Capacitor de Bypass
Cuando se requiere mayor ganancia manteniendo los beneficios de estabilidad de la degeneración de emisores, los diseñadores utilizan a menudo una configuración de resistencia de emisores divididos.El único resistor de la red de sesgos es reemplazado por un par de resistores, RE y RSW, junto con un condensador de bypass, C[LT][FLT]
Para DC, el condensador está abierto y la resistencia eficaz de los emisores es RE] + RSW. Para AC, el condensador se comportará idealmente como un corto para que la resistencia del emisor AC caiga a sólo R]SW.
La pequeña señal de AC ve una resistencia de emisor de sólo RE1[FLT1] mientras que para el sesgo de DC la resistencia del emisor es la combinación de RE[FLT] [LT1] [LT2] [LT2]
Consideraciones de diseño de las tendencias de DC
El sesgo adecuado de DC es esencial para una operación amplificadora confiable. La caída de tensión añadida a través de RE (RE*IE) hace que el punto de funcionamiento (I]C emita una mayor estabilidad sensible.
Un enfoque de diseño común es asignar el voltaje de suministro a tres partes aproximadamente iguales: un tercio a través del resistor del coleccionista, un tercio a través del transistor (V]CE), y un tercio a través del resistor del emisor. Esto proporciona una buena capacidad de oscilación de señal mientras mantiene el transistor en su región activa.
Directrices de selección de componentes
Al seleccionar componentes para un amplificador degenerado por emisor, se presentan varias consideraciones prácticas.Los resistores de sesgo (R1 y R2) deben ser elegidos para proporcionar un dividedor de tensión rígida que no esté cargado significativamente por la corriente base.Una regla común del pulgar es hacer el tiempo de base aproximadamente.
La frecuencia de corte del condensador debe ser lo suficientemente grande para proporcionar baja impedancia a la frecuencia más baja de operación. La frecuencia de corte para el condensador de acoplamiento de entrada se determina por fc = 1 / (2πCinR]in
Para el condensador de bypass en configuraciones de resistor de división, el valor debe ser elegido para proporcionar un corte de baja frecuencia bien por debajo de las frecuencias de señal de interés. El condensador de bypass crea una respuesta dependiente de frecuencia, con el aumento en frecuencias superiores donde el condensador elimina efectivamente parte de la resistencia del emisor.
Beneficios de la degeneración del emitter
Mejora de la estabilidad de la ganancia
La ganancia de tensión depende casi exclusivamente de la relación de los resistores RL / RE en lugar de las características intrínsecas e impredecibles del transistor. Esta es quizás la ventaja más significativa de la degeneración de emisores. Al hacer que la ganancia dependa de las relaciones de resistencia externas en lugar de parámetros de diseño
Independientemente de las cifras de ganancia transistor que varían salvajemente, incluso dentro del mismo lote, ahora podemos programar nuestro beneficio a niveles prácticos. Esta previsibilidad de ganancia es crucial en los entornos de producción donde los amplificadores deben cumplir especificaciones independientemente de las variaciones normales de componentes.
Mejora de la linealidad y reducción de la distorsión
Las características de distorsión y estabilidad del circuito se mejoran a expensas de una reducción de ganancia. La retroalimentación negativa introducida por el emisor linealiza la característica de transferencia del transistor, reduciendo la distorsión armónica en la señal de salida.
Los problemas asociados al circuito son el rango dinámico de baja entrada impuesto por el límite de pequeña señal; hay una alta distorsión si este límite es superado y el transistor deja de comportarse como su modelo de pequeña señal. La degeneración del emitter extiende el rango de operación lineal del amplificador, lo que le permite manejar señales de entrada más grandes antes de que la distorsión se vuelva significativa.
La mejor linealidad hace que los amplificadores degenerados por emisores sean particularmente adecuados para aplicaciones que requieren una baja distorsión, como amplificadores de audio, amplificadores de instrumentación y circuitos de procesamiento de señales de alta fidelidad. La reducción de la distorsión armónica e intermodulación puede ser sustancial, a menudo mejorando las cifras de distorsión de 10 dB o más en comparación con los amplificadores sin degeneración.
Estabilidad de la temperatura
Las variaciones de temperatura afectan significativamente los parámetros transistores, en particular el voltaje de emisor base y el aumento actual. Sin degeneración de emisores, estos cambios inducidos por temperatura pueden causar cambios sustanciales en el punto de ganancia y sesgo de amplificador.
A medida que aumenta la temperatura, el voltaje base-emisor disminuye (aproximadamente -2 mV/°C), lo que normalmente haría que la corriente del coleccionista aumentara. Sin embargo, con la degeneración del emisor, la corriente aumentada produce una caída de tensión mayor en el resistor del emisor, que se opone al cambio en el voltaje del emisor base.
La estabilidad de temperatura proporcionada por la degeneración de emisores es particularmente importante en aplicaciones donde el amplificador debe operar a un amplio rango de temperatura o donde la disipación de energía provoca un importante autocalentamiento. Las aplicaciones militares, automotrices e industriales a menudo dependen de esta compensación de temperatura para mantener un funcionamiento fiable.
Aumento de la impedancia de entrada
La resistencia de entrada o impedancia de nuestro amplificador se convierte ahora en Beta (a.c.) veces Re que en este caso era algo como 90 * 500 ohms = 45000. Esta es una cifra bastante alta y significa que la etapa anterior no se cargará. Esta mayor impedancia de entrada es una ventaja práctica importante en los diseños de amplificador multietapacial.
La impedancia de entrada más alta reduce los efectos de carga en la etapa de conducción, permitiendo una mejor transferencia de señales y la prevención de la pérdida de ganancias debido a interacciones de impedancia de origen. Esto es particularmente importante cuando se en cascada múltiples etapas de amplificación o cuando la fuente de señal tiene una impedancia significativa de salida, como sensores piezoeléctricos, micrófonos de alta impedancia o ciertos tipos de transductores.
El aumento de impedancia de entrada es proporcional a la resistencia de degeneración emisor, dando a los diseñadores una manera sencilla de lograr los valores deseados de impedancia de entrada. Esta flexibilidad es valiosa en aplicaciones de emparejamiento de impedancias y al diseñar amplificadores para interactuar con fuentes de señal específicas.
Extensión de ancho de banda
A medida que aumenta la resistencia al emisor, la ganancia disminuye, mientras que el ancho de banda aumenta. Este cambio de ancho de banda es una característica fundamental de la degeneración del emisor y puede ser explotado para optimizar el rendimiento del amplificador para aplicaciones específicas.
La degeneración del emitter reduce la ganancia del amplificador de emisor común pero extiende el ancho de banda al arrancar parcialmente la capacitancia base-emitter y reduciendo la constante de tiempo Cμ reduciendo el beneficio. El efecto Miller, que multiplica la capacitancia base-collector y limita la respuesta de alta frecuencia, se reduce cuando el aumento de tensión se disminuye a través de la degeneración del emisor.
Para aplicaciones de amplificador de banda ancha, como amplificadores de vídeo, amplificadores RF y sistemas de adquisición de datos de alta velocidad, la extensión de ancho de banda proporcionada por degeneración de emisor puede ser crucial. Los diseñadores pueden intercambiar ganancias de exceso para aumentar el ancho de banda, logrando el equilibrio óptimo para sus requisitos de aplicación específicos.
Reducir la sensibilidad a las variaciones de beta
La ganancia actual (β) de los transistores bipolar varía significativamente entre dispositivos individuales, incluso desde el mismo lote de producción. También varía con corriente de colector, temperatura y envejecimiento. Sin degeneración de emisor, estas variaciones β afectan directamente el aumento de amplificador, haciendo que el rendimiento de circuito sea impredecible.
La degeneración del emitter hace que el aumento del amplificador sea mayormente independiente de β, siempre que β sea razonablemente grande (normalmente mayor que 50). Esta β-independencia se logra porque el beneficio se determina principalmente por la relación de resistencia externa en lugar de la ganancia actual del transistor. El resultado es un rendimiento amplificador constante en diferentes transistores y condiciones de funcionamiento.
Esta sensibilidad reducida a las variaciones β simplifica la fabricación y reduce la necesidad de selección de transistores o de emparejamiento. También mejora la fiabilidad a largo plazo, ya que el rendimiento de amplificador sigue siendo estable incluso como parámetros transistor deriva con la edad.
Diseño de compensaciones y consideraciones
Reducción de la ganancia
La principal desventaja de la degeneración de emisores es la reducción de la ganancia de voltaje. Si bien este intercambio suele valer la pena para las mejoras de estabilidad y linealidad, significa que se pueden exigir mayores etapas de ganancia para lograr una ganancia general deseada. En aplicaciones donde la ganancia máxima de cada etapa es crítica, la reducción de ganancia puede ser un factor de limitación.
Sin embargo, la reducción de ganancia puede a menudo ser mitigada mediante un diseño cuidadoso. Usando un resistor de emisores divididos con bypass parciales permite a los diseñadores lograr un compromiso entre ganancia y estabilidad. Además, el beneficio predecible proporcionado por la degeneración de emisores a menudo permite diseños multietapa más eficientes, ya que cada etapa puede diseñarse con valores de ganancia precisos.
Requisitos de voltaje de alimentación
La degeneración de Emitter requiere un espacio adicional de tensión en la fuente de alimentación para dar cabida a la caída de tensión a través de la resistencia del emisor. En aplicaciones de baja tensión, esto puede ser una limitación significativa. La tensión a través de la resistencia del emisor reduce el oscilación de tensión disponible en el coleccionista, potencialmente limitando la amplitud máxima de la señal de salida.
Los diseñadores deben equilibrar cuidadosamente la cantidad de degeneración de emisores contra el voltaje de suministro disponible y el oscilación de señal requerido. En aplicaciones propulsadas por baterías o de baja tensión, esto puede limitar la cantidad de degeneración que puede ser implementada prácticamente. Técnicas alternativas, como el uso de resistores de degeneración más pequeños o el uso de topologías amplificadoras diferentes, pueden ser necesarias en diseños con tensión.
Consideraciones de ruido
El resistor degeneración emisor aporta ruido térmico al amplificador, que puede degradar la relación señal-noise. La contribución del ruido es proporcional al valor de resistencia y la temperatura. En aplicaciones de baja altura, como instrumentación sensible o frontal RF, esta contribución del ruido debe ser cuidadosamente considerada.
La cifra de ruido de un amplificador degenerado por emisor es generalmente más alta que la de un amplificador sin degeneración, todo lo demás es igual. Sin embargo, la mejor linealidad y la distorsión reducida pueden mejorar la calidad de señal en muchas situaciones prácticas. Los diseñadores deben evaluar los requisitos específicos de su aplicación para determinar la cantidad óptima de degeneración de emisores.
Frecuencia de la respuesta
Cuando se utiliza un condensador de bypass con un resistor de emisores divididos, la respuesta de frecuencia del amplificador se vuelve más compleja. El condensador de bypass crea una impedancia dependiente de frecuencia en el circuito de emisor, causando que el aumento varia con frecuencia. A bajas frecuencias donde la impedancia del condensador es alta, la resistencia de los emisores es efectiva, resultando en menor ganancia.
Este comportamiento dependiente de frecuencias puede utilizarse de forma ventajosa para dar forma a la respuesta de frecuencia del amplificador. Al seleccionar cuidadosamente el valor del condensador de bypass y la relación de la resistencia de emisor desapasada, los diseñadores pueden crear amplificadores con características específicas de respuesta de frecuencia. Esta técnica se utiliza comúnmente en amplificadores de audio para implementar el impulso de bajos o corte de tracción, y en amplificadores de RF para optimizar la distribución de interés de banda.
Aplicaciones de la degeneración del emisor
Amplificadores de audio
La degeneración de emitter se utiliza ampliamente en el diseño de amplificador de audio, donde la baja distorsión y el aumento estable son primordiales. La linealidad mejorada se traduce directamente a una mejor calidad de sonido con distorsión armónica reducida. Preamplificadores de audio, circuitos de control de tono y etapas de controlador utilizan comúnmente la degeneración de emisor para lograr un rendimiento de alta fidelidad.
En amplificadores de audio de varias etapas, la degeneración de emisores en las etapas de entrada ayuda a mantener bajo ruido y distorsión mientras proporciona ganancias predecibles. El aumento de la impedancia de entrada también es beneficioso cuando se intercalan con fuentes de alta potencia como las pastillas de guitarra, micrófonos u otros transductores de audio.
Circuitos de RF y Comunicación
Los amplificadores de emisor comunes también se utilizan en circuitos de frecuencias de radio, por ejemplo para amplificar las señales débiles recibidas por una antena. En aplicaciones RF, la degeneración de emisor ofrece varios beneficios, incluyendo una mejor impedancia de entrada, menor sensibilidad a las variaciones de parámetro transistor, y ancho de banda extendido.
La extensión ancho de banda proporcionada por la degeneración de emisores es particularmente valiosa en amplificadores RF de banda ancha y amplificadores de frecuencia intermedia (IF). La técnica ayuda a lograr una respuesta de ganancia plana sobre el rango de frecuencia deseado manteniendo la estabilidad y evitando la oscilación.
Instrumentación y medición
Los amplificadores de instrumentación requieren alta estabilidad, baja deriva y características de ganancia predecibles, todos los atributos mejorados por la degeneración de emisores. La menor sensibilidad a las variaciones de temperatura y parámetro transistor hace que los amplificadores degenerados por emisores sean ideales para aplicaciones de medición de precisión.
En los sistemas de adquisición de datos, las interfaces de sensores y el equipo de prueba, el rendimiento estable y previsible de los amplificadores degenerados por emisores garantiza un procesamiento preciso de señales sobre las diferentes condiciones ambientales.
Amplificadores diferenciales
Las etapas de amplificador diferencial, que forman las etapas de entrada de amplificadores operativos y muchos otros circuitos analógicos, utilizan comúnmente la degeneración de emisores. En un par diferencial, las resistencias de degeneración de emisores mejoran el rechazo de modo común, aumentan la impedancia de entrada y aumentan la linealidad.
El uso de la degeneración de emisores en amplificadores diferenciales también ayuda a equilibrar los dos lados del par diferencial, reduciendo los voltajes de compensación y mejorando la concordancia. Esto es particularmente importante en las implementaciones de circuitos integrados donde es difícil lograr la combinación precisa de componentes discretos.
Técnicas y Variaciones Avanzadas
Degeneración activa del emitter
En lugar de utilizar un resistor pasivo para la degeneración de emisores, los diseñadores pueden implementar la degeneración activa utilizando fuentes actuales o transistores adicionales. La degeneración activa puede proporcionar una resistencia más eficaz sin consumir tanto espacio de tensión DC, lo que hace atractivo para aplicaciones de baja tensión.
Una fuente actual en el emisor proporciona una impedancia AC muy alta mientras mantiene una corriente de DC fija. Esto permite mejoras de estabilidad significativas sin la penalización de baja tensión de un gran resistor. La degeneración activa se utiliza comúnmente en los diseños de circuito integrado donde las fuentes actuales pueden ser implementadas eficientemente.
Frecuencia-Degeneración de los Dependientes
Al colocar componentes reactivas (capacitadores o inductores) en serie o paralelos con el resistor degeneración emisor, los diseñadores pueden crear degeneración dependiente de frecuencias. Esta técnica permite que la cantidad de degeneración varia con frecuencia, permitiendo una respuesta de frecuencia sofisticada.
Por ejemplo, un condensador en paralelo con el resistor emisor proporciona más degeneración a bajas frecuencias y menos a altas frecuencias, creando una característica de alto rendimiento. Por el contrario, un ductor en serie con el resistor del emisor aumenta la degeneración en frecuencias altas, creando un efecto de baja velocidad. Estas técnicas son valiosas en circuitos de igualación, controles de tono y amplificadores selectivos de frecuencia.
Degeneración programable
En algunas aplicaciones, es deseable ajustar dinámicamente la cantidad de degeneración de emisores. Esto se puede lograr utilizando redes de resistencia conmutadas, potenciómetros controlados digitalmente o elementos de resistencia variable como las FETs que operan en su región lineal.
Degeneración programable permite obtener beneficios ajustables, ancho de banda o características de linearidad. Esto es útil en circuitos automáticos de control de ganancia (AGC), ecualizadores adaptables y aplicaciones de radio definidas por software, donde los parámetros de circuito deben ajustarse en respuesta a las cambiantes condiciones de señal.
Solución de problemas y problemas comunes
Fracasos de capacitor
Si te molesta disparar etapas individuales en un amplificador defectuoso y notar que la señal que sale de una etapa es significativamente menor que lo que esperaría, dada la magnitud de la entrada - sospechar el condensador de bypass de emisor. A veces van a circuito abierto. Un condensador de bypass abierto añade efectivamente degeneración de emisor completo, reduciendo dramáticamente la ganancia.
Los condensadores electrolíticos, comúnmente utilizados para aplicaciones de bypass debido a sus altos valores de capacitancia, son particularmente propensos a la falla con el tiempo. Pueden secar, perder capacitancia o desarrollar alta resistencia de serie equivalente (ESR). Pruebas regulares y reemplazo preventivo de condensadores electrolíticos en aplicaciones críticas pueden prevenir este modo de falla.
Valores incorrectos del Resistor
Utilizar valores de resistencia de emisor incorrectos puede provocar varios problemas. Demasiados resultados de degeneración en ganancia insuficiente y puede causar que el amplificador no cumpla con las especificaciones de rendimiento.
Cuando problemas de resolución de problemas de ganancia, siempre verifique que los valores de resistencia del emisor coinciden con los cálculos de diseño. También compruebe que los resistores no han cambiado de valor debido al sobrecalentamiento, absorción de humedad u otros factores ambientales.
Instalación de puntos de Bias
Si bien la degeneración del emisor mejora la estabilidad del sesgo, la implementación inadecuada puede llevar a problemas de punto de sesgo. La resistencia insuficiente del emisor puede no proporcionar una estabilización adecuada, mientras que la resistencia excesiva puede hacer que el transistor funcione fuera de su región óptima o incluso cortar.
Al diagnosticar problemas de sesgo, mide los voltajes DC en la base, emisor y coleccionista. Compare estos valores a los valores de diseño y verifique que el transistor está operando en su región activa con el asiento de tensión adecuado para el oscilación de señal. Ajuste la red de resistencia de sesgo si es necesario para restaurar el funcionamiento adecuado.
Ejemplo de diseño: Escenario de Preamplificador de audio
Caminemos a través de un ejemplo de diseño completo para ilustrar la aplicación práctica de los principios de degeneración de emisores. Diseñaremos un preamplificador de audio de una sola etapa con las siguientes especificaciones:
- Tensión de suministro: 12 V
- Ganancia de tensión deseada: 15 (aproximadamente 23,5 dB)
- Respuesta de frecuencia: 20 Hz a 20 kHz
- Impedancia de entrada: >10 kΩ
- Transistor: 2N3904 (β ♥ 100-300)
Paso 1: Elija el punto de funcionamiento
Seleccione una corriente de colector de 1 mA para buena linealidad y bajo ruido. Asigne el suministro de 12 V como sigue: 4 V a través del resistor del colector, 4 V a través del transistor (V]CE]) y 4 V a través del resistor del emisor. Esto proporciona una buena capacidad de oscilación de señal.
Paso 2: Calcular los valores de los resistors
Resistente al coleccionista: RC = 4 V / 1 mA = 4 kΩ (valor estándar de uso 3.9 kΩ)
Para una ganancia de 15: RE = R]C] / 15 = 3.9 kΩ / 15 Ω 260 Ω (valor estándar de uso 270 Ω)
Sin embargo, necesitamos resistencia adicional de emisor para la estabilidad del sesgo de DC. Usa una configuración de división: RE1 = 270 Ω (sin pasar) y RE2 = 3.6 kΩ (desplazado), dando un total de 3.87 kΩ para los sesgos de DC.
Paso 3: Diseñar la Red de Bias
Tensión de emitter: VE = 1 mA × 3.87 kΩ ♥ 3.9 V
Tensión de la base: VB = VE + 0.7 V = 4.6 V
Diseñar el divider de tensión para dibujar aproximadamente 10 veces la corriente base (10 μA × 10 = 100 μA):
R2 = 4.6 V / 100 μA = 46 kΩ (use 47 kΩ)
R1 = (12 V - 4.6 V) / 100 μA = 74 kΩ (use 75 kΩ)
Paso 4: Seleccione los valores de capa
Impedancia de entrada: Rin Ω 75 kΩ Ω
Para 20 Hz de baja frecuencia cortada: Cin = 1 / (2π × 20 Hz × 15 kΩ) ♥ 0,53 μF (uso 1 μF)
Condenador de acoplamiento de salida (asumiendo carga de 10 kΩ): Cout = 1 / (2π × 20 Hz × 10 kΩ) ♥ 0.8 μF (uso 1 μF)
Condenador de bypass: CE = 1 / (2π × 20 Hz × 3.6 kΩ) ♥ 2.2 μF (uso 10 μF para margen)
Este diseño proporciona una ganancia estable de aproximadamente 15, buena impedancia de entrada y respuesta de frecuencia plana en toda la banda de audio. La degeneración del emisor garantiza un rendimiento constante en diferentes transistores y variaciones de temperatura.
Comparación con otras técnicas de estabilización
La degeneración de Emitter es una de las varias técnicas utilizadas para estabilizar y linearizar amplificadores transistores. Entender cómo se compara con enfoques alternativos ayuda a los diseñadores a seleccionar el método más adecuado para su aplicación.
Retroalimentación Negativa Global: Aplicar retroalimentación de la salida de nuevo a la entrada de un amplificador multietapa puede proporcionar beneficios de estabilidad y linealidad similares. Sin embargo, la retroalimentación global puede introducir problemas de estabilidad y requiere una compensación cuidadosa para prevenir la oscilación.
Continuar el Bisado actual: Usar una fuente actual para el sesgo proporciona una excelente estabilidad de DC pero no necesariamente mejora la linealidad de AC. La degeneración de Emitter aborda el rendimiento de DC y AC. Las dos técnicas se pueden combinar para obtener resultados óptimos.
Configuración de pares diferenciales: Los amplificadores diferenciales proporcionan un excelente rechazo y estabilidad de modo común, pero requieren transistores emparejados y circuitos más complejos. La degeneración del emitter se puede aplicar a pares diferenciales para mejorar aún más su rendimiento.
Conclusión
La degeneración de emitter es una técnica fundamental y poderosa en el diseño de circuitos analógicos que mejora significativamente el rendimiento y la fiabilidad de los amplificadores transistores bipolares. Al introducir retroalimentación negativa controlada a través de un resistor emisor no desviado, los diseñadores pueden lograr un aumento estable, una mejor linealidad, una distorsión reducida y una mejor compensación de temperatura.
El aumento de tensión reducido de compensación primaria es generalmente más que compensado por los numerosos beneficios. El aumento se vuelve predecible y depende de las relaciones de resistencia externas en lugar de los parámetros de transistor variable, haciendo que los diseños sean más manufacturables y fiables. El aumento de la impedancia de entrada reduce los efectos de carga, mientras que el ancho de banda ampliado beneficia a aplicaciones de alta frecuencia.
Comprender la teoría, los cálculos y la implementación práctica de la degeneración de emisores es esencial para cualquier persona que trabaje con electrónica analógica. Ya sea diseñar amplificadores de audio, circuitos RF, sistemas de instrumentación o cualquier otra aplicación que implica transistores bipolares, degeneración emisora proporciona un método probado para lograr un rendimiento de calidad profesional.
El diseño moderno de circuitos sigue dependiendo de estos principios fundamentales, incluso a medida que avanza la tecnología. Si bien han surgido circuitos integrados y topologías más sofisticadas, el concepto básico de degeneración de emisores sigue siendo relevante y ampliamente utilizado. El dominio de esta técnica proporciona una base sólida para entender conceptos de diseño analógico más avanzados y permite la creación de circuitos amplificadores robustos y de alto rendimiento.
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