Emisor común

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Tipo de amplificador electrónico usando un transistor de unión bipolar

En electrónica, un amplificador de emisor común es una de las tres topologías básicas de amplificador de transistor de unión bipolar (BJT) de una sola etapa, que normalmente se utiliza como amplificador de voltaje. Ofrece una ganancia de corriente alta (normalmente 200), una resistencia de entrada media y una resistencia de salida alta. La salida de un amplificador de emisor común está desfasada 180 grados con respecto a la señal de entrada.

En este circuito, el terminal base del transistor sirve como entrada, el colector es la salida y el emisor es común para ambos (por ejemplo, puede estar conectado a una referencia a tierra o un carril de alimentación), de ahí su nombre. El circuito FET analógico es el amplificador de fuente común y el circuito de válvulas analógico es el amplificador de cátodo común.

Degeneración del emisor

Los amplificadores de emisor común le dan al amplificador una salida invertida y pueden tener una ganancia muy alta que puede variar ampliamente de un transistor a otro. La ganancia es una función importante tanto de la temperatura como de la corriente de polarización, por lo que la ganancia real es algo impredecible. La estabilidad es otro problema asociado con estos circuitos de alta ganancia debido a cualquier retroalimentación positiva involuntaria que pueda estar presente.

Otros problemas asociados con el circuito son el rango dinámico de baja entrada impuesto por el límite pequeño-signal; hay una alta distorsión si este límite es superado y el transistor deja de comportarse como su modelo pequeño-signal. Una forma común de resolver estos problemas es con emisor degeneración. Esto se refiere a la adición de un pequeño resistor entre el emisor y la fuente de señal común (por ejemplo, la referencia terrestre o un carril de alimentación). Esta impedancia ${displaystyle R_{text{E}}}$ reduce la transconductancia general $G_{m}=g_{m}$ del circuito por un factor de ${displaystyle g_{m}R_{text{E}}+1}$ , que hace el aumento de tensión

{displaystyle A_{text{v}}triangleq {frac {v_{text{out}}}{v_{text{in}}}}={frac {-g_{m}R_{text{C}}}{g_{m}R_{text{E}}+1}}approx -{frac {R_{text{C}}}{R_{text{E}}}},}

Donde ${displaystyle g_{m}R_{text{E}}gg 1}$ .

La ganancia de tensión depende casi exclusivamente de la relación de los resistores ${displaystyle R_{text{C}}/R_{text{E}}}$ en lugar de las características intrínsecas e impredecibles del transistor. Las características de distorsión y estabilidad del circuito se mejoran a expensas de una reducción de ganancia.

(Si bien esto a menudo se describe como "retroalimentación negativa", ya que reduce la ganancia, aumenta la impedancia de entrada y reduce la distorsión, es anterior a la invención del amplificador de retroalimentación negativa y no reduce la impedancia de salida ni aumenta ancho de banda, como lo haría un verdadero amplificador de retroalimentación negativa).

Características

A bajas frecuencias y utilizando un modelo híbrido-pi simplificado, se pueden derivar las siguientes características de señal pequeña.

	Definición	Expresión
	Definición	Con emisor degeneración	Sin emisor degeneración; es decir, R_E = 0
Ganancia actual	${displaystyle A_{text{i}}triangleq {frac {i_{text{out}}}{i_{text{in}}}},}$	$beta ,$	$beta$
Ganancia de tensión	${displaystyle A_{text{v}}triangleq {frac {v_{text{out}}}{v_{text{in}}}},}$	${displaystyle -{frac {beta R_{text{C}}}{r_{pi }+(beta +1)R_{text{E}}}},}$	${displaystyle -g_{m}R_{text{C}}}$
Input impedance	$r_{{text{in}}}triangleq {frac {v_{{text{in}}}}{i_{{text{in}}}}},$	${displaystyle r_{pi }+(beta +1)R_{text{E}},}$	${displaystyle r_{pi }}$
Impedancia de productos	${displaystyle r_{text{out}}triangleq {frac {v_{text{out}}}{i_{text{out}}}},}$	${displaystyle R_{text{C}},}$	${displaystyle R_{text{C}}}$

Si el emisor resistor degeneración no está presente, entonces ${displaystyle R_{text{E}}=0,Omega }$ , y las expresiones simplifican efectivamente a las dadas por la columna más derecha (nota que la ganancia de voltaje es un valor ideal; la ganancia real es algo impredecible). Como se esperaba, cuando ${displaystyle R_{text{E}},}$ aumenta, aumenta la impedancia de entrada y aumenta la ganancia de voltaje ${displaystyle A_{text{v}},}$ se reduce.

Ancho de banda

El ancho de banda del amplificador de emisor común tiende a ser bajo debido a la alta capacitancia resultante del efecto Miller. La condensación parasitaria de colector base $C_{{{text{CB}}}},$ aparece como un condensador parasitario más grande ${displaystyle C_{text{CB}}(1-A_{text{v}}),}$ (donde) ${displaystyle A_{text{v}},}$ es negativo) de la base al suelo. Este condensador grande disminuye enormemente el ancho de banda del amplificador ya que hace que el tiempo constante del filtro RC de entrada parasitaria ${displaystyle r_{text{s}}(1-A_{text{V}})C_{text{CB}},}$ Donde ${displaystyle r_{text{s}},}$ es la impedancia de salida de la fuente de señal conectada a la base ideal.

El problema se puede mitigar de varias maneras, entre ellas:

Reducción de la magnitud de la ganancia de voltaje ${displaystyle left|A_{text{v}}right|,}$ (por ejemplo, utilizando la degeneración del emisor).
Reducción de la impedancia de producción ${displaystyle r_{text{s}},}$ de la fuente de señal conectada a la base (por ejemplo, utilizando un seguidor emisor o algún otro seguidor de tensión).
Usando una configuración de casco, que inserta un búfer corriente de impedancia de baja entrada (por ejemplo, un amplificador base común) entre el coleccionista del transistor y la carga. Esta configuración mantiene el voltaje de colector del transistor aproximadamente constante, haciendo que la base para colector gana cero y por lo tanto (idealmente) eliminando el efecto Miller.
Utilizando una topología amplificadora diferencial como un seguidor emisor que conduce un amplificador de base molida; siempre y cuando el seguidor emisor sea realmente un amplificador común-collector, el efecto Miller se elimina.

El efecto Miller afecta negativamente el rendimiento del amplificador fuente común de la misma manera (y tiene soluciones similares). Cuando se aplica una señal de CA al amplificador de transistores, hace que el valor del voltaje base VB fluctúe en la señal de CA. La mitad positiva de la señal aplicada provocará un aumento en el valor de VB. Este a su vez aumentará la corriente base IB y provocará un aumento correspondiente en la corriente del emisor IE y la corriente del colector IC. Como resultado, el voltaje del colector-emisor se reducirá debido al aumento de la caída de voltaje en RL. La alternancia negativa de una señal de CA causará una disminución en IB. Esta acción luego causa una disminución correspondiente en IE a través de RL.

También se denomina amplificador de emisor común porque el emisor del transistor es común tanto al circuito de entrada como al circuito de salida. La señal de entrada se aplica a través del suelo y el circuito base del transistor. La señal de salida aparece a través de tierra y el colector del transistor. Dado que el emisor está conectado a tierra, es común para las señales, entrada y salida.

El circuito de emisor común es el más utilizado de los amplificadores de transistores de unión. En comparación con la conexión de base común, tiene una impedancia de entrada más alta y una impedancia de salida más baja. Se utiliza fácilmente una única fuente de alimentación para polarizar. Además, normalmente se obtienen mayores ganancias de tensión y potencia para el funcionamiento con emisor común (CE).

La ganancia de corriente en el circuito emisor común se obtiene de las corrientes del circuito base y colector. Debido a que un cambio muy pequeño en la corriente de base produce un cambio grande en la corriente del colector, la ganancia de corriente (β) siempre es mayor que la unidad para el circuito de emisor común; un valor típico es aproximadamente 50.

Aplicaciones

Amplificador de tensión de baja frecuencia

En la Figura 3 se muestra un ejemplo típico del uso de un amplificador de emisor común.

El capacitor de entrada C elimina cualquier componente de CC de la entrada, y las resistencias R₁ y R₂ polarizan el transistor para que permanezca en modo activo durante el todo el rango de la entrada. La salida es una copia invertida del componente de CA de la entrada que ha sido amplificado por la relación R_C/R_E y desplazado en una cantidad determinada por las cuatro resistencias. Debido a que R_C suele ser grande, la impedancia de salida de este circuito puede ser prohibitivamente alta. Para aliviar este problema, R_C se mantiene lo más bajo posible y al amplificador le sigue un buffer de voltaje como un seguidor de emisor.

Radio

Los amplificadores de emisor común también se utilizan en circuitos de radiofrecuencia, por ejemplo, para amplificar señales débiles recibidas por una antena. En este caso es común sustituir la resistencia de carga por un circuito sintonizado. Esto se puede hacer para limitar el ancho de banda a una banda estrecha centrada alrededor de la frecuencia operativa prevista. Más importante aún, también permite que el circuito funcione a frecuencias más altas, ya que el circuito sintonizado se puede utilizar para hacer resonar cualquier capacitancia parásita y entre electrodos, que normalmente limita la respuesta de frecuencia. Los emisores comunes también se utilizan habitualmente como amplificadores de bajo ruido.

Audio

Los amplificadores de emisor común también se utilizan para amplificadores de audio. Por ejemplo, en se presenta una aplicación de bricolaje o para aficionados del amplificador de emisor común.

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