Amplificadores Darlington

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ENTREGA 1
Amplificadores Darlington
Elaborado por Jaime Gustavo Huilca, Ingeniería Electrónica / Universidad Politécnica Salesiana.
El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que
se conectan es cascada. Ver la figura 1.
C
IE2= β2 x IB2 = β2 x IE1
Como se aprecia, es una ganancia muy
grande, aunque en la realidad la ganancia
es menor. Se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas.
Reemplazando en la ecuación anterior
el valor de IE1 (ver ecuación 1) se obtiene la ecuación final de ganancia del
transistor Darlington.
Muy importante: La caída de tensión
entre la base y el emisor del transistor
Darlington es 1.4 voltios que resulta de
la suma de las caídas de tensión de base a emisor del primer transistor B1 a E1
(0.7 voltios) y base a emisor del segundo
transistor B2 y E2 (0.7 voltios).
IE2= β2 x β1 x IB1 (1)
Ic
Ic1
B
IB
Ic2
Q1
Q2
IE
E
Como se puede deducir, este amplificador tiene una ganancia mucho mayor
que la de un transistor corriente, pues
aprovecha la ganancia de los dos transistores (las ganancias se multiplican).
Si se tuvieran dos transistores con ganancia 100 (β =100) conectados como
un transistor Darlington y se utilizara la
fórmula anterior, la ganancia sería, en
teoría: β2 x β1 = 100x100 = 1000
Amplificadores en cascada
Un amplificador en cascada es un amplificador construido a partir de una serie de amplificadores, donde cada amplificador envía su salida a la entrada
Figura 1. Esquema amplificador Darlington
VCC
El transistor Darlington y su estructura interna
RD
El transistor T1 entrega la corriente que
sale por su emisor a la base del transistor T2.La ecuación de ganancia de un
transistor típico es: IE= β x IB (Corriente de colector es igual a beta por la corriente de base).
RC
R22
Co
R12
ri
R21
R11
Vi
Rs
Cs
RE
CE
Entonces analizando el gráfico:
• Ecuación del primer transistor es:
IE1= β1 x IB1 (1)
Figura 2. Circuito de una configuración en cascada
• Ecuación del segundo transistor es:
IE1= β2 x IB2 (2)
Observando el gráfico, la corriente emisor del transistor (T1) es la misma que
la corriente de base del transistor T2.
Entonces
IE1= IB2 (3)
Entonces utilizando la ecuación (2) y la
ecuación (3) se obtiene:
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ri
Vi
RC
RG
Figura 3. Circuito de una configuración en cascada Ca
RD
RB
RL
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del amplificador al lado de una cadena
Una conexión entre etapas de amplificador es la conexión en cascada. Básicamente una conexión en cascada es aquella en la cual la salida de una etapa se conecta a la entrada de la segunda etapa.
Donde
RG = R11|| R12 y RB = R21|| R22
Mientras que la ganancia del voltaje puede calcularse
lds
G
ri
iL i iL ib vgs
i
•v
ii = ib • vgsVgs
gs
AVii =
S
(
ib
D
rds RD RB
Vbe
gmVgs Vds
hfeib
E
)
Figura 4. Circuitos en señales pequeñas
Vgs
= RG
ii
Re
r || R || R
i
∴ Ai = iL = R + R (hfe) (gm) (r ||dsR ||DR )+B h RG
c
L
ds
D
B
ie
I
plar, es decir, sin colocar el condensador
C3 en paralelo con RE. De esta forma
comprobaremos como esta resistencia
aparece en el circuito de pequeña señal
haciendo que la ganancia del amplificador disminuya, lo que justificaría la conveniencia de colocar el condensador C3.
Con lo que, sustituyendo el transistor
por su modelo simplificado el circuito
que nos queda es la figura 7.
vce
= - hfe Rc|| RL ; vds = -gm (rds|| RD|| RB|| hie)
vbe
hie
vgs
vgs
Rg
=
vt
rt + RG
v
R || R
Rg
∴ Av = vL = - hfe gm c L • (rds|| RD|| RB|| hie) •
hie
rt + RG
I
VL
vL rt + RG
RL
iL
Ai = i = V = v * R
i
i
i
L
ri + RG
iL
rt + RG
Ai = i = |AV | = R
i
L
(
+Vcc
En los cuales podemos usar las siguientes configuraciones de amplificadores en
BJT y FET según sea la necesidad de
amplificación que se necesite.
Amplificador en emisor común
con resistencia de emisor
Vamos analizar ahora el caso en que tengamos un amplificador en emisor común
con la resistencia de emisor sin desaco-
Aquí observamos que Ai depende de Av,
por lo que ahora calculamos Ai que sea
independiente del cálculo de Av.
i i i
v
Ai = L = L • b • gs
ii ib vgs vgs
C
Rs
Vs
)
Vi
R1
R2
RE
Figura 6. Circuito equivalente en AC del circuito
C
B
Rs
RE
E
RC RL
C2
RL
R2
B
B
Rc
R1
C1
hfc ib
rds|| RD|| RB
ib
=
vgs (rds|| RD|| RB)+ hie (-gm)
R
RC RL
Vce VL
rds|| RD|| RB
ib
vgs = (rds|| RD|| RB)+ hie (-gm)
v v v v
v
v
Av │= L = L • ce • be • ds • gs
vi vce vbe vds vgs vi
vL
vbe
vi = 1; vds = 1
La ganancia de corriente puede obtenerse simplemente:
iL
C
hic
hfc ib
hic
=
E
E
Vgs
= RG
ii
Figura 5. Amplificador en emisor común con resistencia de emisor
Re
r || R || R
i
∴ Ai = iL = R + R (hfe) (gm) (r ||dsR ||DR )+B h RG
c
L
ds
D
B
ie
I
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C
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i1 B ib hie
Rs
R1
Vs
R2
V1 Vb
RE
Amplificador en colector común
ic C i2
E
ie
hfe ib
Vc
RC
Zi
Para obtener el circuito equivalente de
alterna, al igual que en los casos anteriores, cortocircuitamos las fuentes de
tensión de continua y los condensadores. En el circuito resultante, sustituiremos el transistor por su modelo en parámetros híbridos (recordar que siempre
RL
Z0
Figura 7. Circuito de pequeña señal para amplificador en E-C con RE sin desacoplar
+Vcc
E
C3
Rc
R1
Rs
C2
Vi
R2
Vs
RE
Vs
R1
i1
B ib
R2
V1 Vbc
Zi
R1
R2
C
RC RL
C
hic
hic
C
=
hfc ib
RE
E
RL
E
Figura 8. Circuito amplificador con BJT en Colector Común
Rs
B
hfc ib
C1
Rs
C
B
B
Figura 9. Circuito equivalente en AC del circuito
hie
ie
E
hfe ib
i2
Vec
C
RE
RL
Z0
utilizaremos el modelo en parámetros de
emisor común con independencia de la
configuración del transistor). Para ello,
vamos a redibujar el circuito en parámetros h del transistor para que quede
con la base a la izquierda, el emisor a la
derecha y el colector abajo.
Figura 10. Circuito equivalente de pequeña señal con el modelo simplificado
Ai
Zi
Av
Z0
Emisor común Emisor común con RE Base común
Colector común
hfe
hfe +1
-hfe
-hfe
hfe +1
hie
hie+ (RL || RE) • (hfe +1)
hfe
hie+ RE • (hfe +1)
hfe +1
hie
(RL || RC) • hfe
(RL || RC)
RL
• hfe hie + RE (• hfe +1) h • hfe 1- hie + (RL || RE) (hfe +1) =1
hie
ie
Rs +hie
∞
∞
∞
hfe +1
Tabla 1
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El circuito resultante es el que tendremos que analizar y resolver para obtener las tensiones y corrientes incrementales (o de alterna).
La tabla 1 lo resume
Continuará...
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