Amplificador de Emisor Común

Este tipo de amplificador es bastante común por ser bastante simple de implementar. Su uso es bastante variado como en la amplificación de micrófonos, preamplificadores, amplificación de señales de vídeo e incluso de radiofrecuencia.

La configuración de polarización por división de tensión es bastante estable ante variaciones de voltaje y temperatura. Para este circuito vamos a ver este ejemplo:

Amplificador de Emisor Común.

Resistencias

El transistor 2N3904 (Q1) es un transistor de propósito general baste difundido. Funciona bastante bien para este circuito, aunque también se pueden reemplazar por cualquier otro que prefiera.

Notemos que en este diseño también existe una resistencia en el emisor (R2). Esta resistencia sirve como retroalimentación negativa. Sin esta resistencia la ganancia dependería sólo de r'e y esto, aunque nos daría una una mayor amplificación, aumentaría la distorsión.

 

Primero debemos tener en cuenta las condiciones que tenemos para el diseño. Vamos a suponer que queremos hacer un preamplificador de audio y que contamos con una fuente de 12V. Vamos a fijar la corriente del colector en 10mA porque es donde el transistor 2N3904 tiene mayor ganancia, segun la hoja de datos entre 100 a 300, vamos a suponer el valor más bajo:

VCC= 12

Ic = 0.01A

β = 100

Entonces, como la fuente es de 12V vamos a fijar un valor de 6 voltios en DC para el voltaje de colector, justo en la mitad:

R1= 6V/0.01A

R1= 600Ω

Ya tenemos el valor de R1. Para calcular el valor de R2 debemos determinar que voltaje habrá sobre esa resistencia. Lo recomendable es un valor de aproximadamente 10% del voltaje de la fuente, en este caso 1.2V. Como La correinte del colector es de 10mA y como la corriente de emisor es la corriente de colector más la corriente de base tenemos 10.1mA, por lo que:

R2= 1.2V/0.0101A

R2= 118.81Ω

Hasta aquí tenemos las resistencias de colector y emisor. Para polarizar la base del transistor debemos suministrar una corriente de al menos 10 veces la corriente de base en R4. De esta manera la corriente de base no se verá afectada. Además sobre R4 debe haber un voltaje de 1.2V más el voltaje del diodo emisor que es de 0.7V, para un total de 1.9V, entonces:

R4= 1.9V/0.001A

R4= 1900Ω

Para determinar R3 sabemos que debe tener un voltaje de (12V-1.9V) 10.1V con una corriente de 10mA para conformar el divisor de tensión y además la corriente de base que nos da un total de 1.1mA:

R3= (12-1.9)/(0.0011)

R3= 9181Ω

Hasta aquí tenemos las resistencias de polarización. Ahora debemos escoger las resistencias disponibles comercialmente más cercanas. Con 5% de tolerancia estará bien:

 

R1= 620 = 620R

R2= 120 = 120R

R3= 9100 = 9k1

R4= 1800 = 1k8

Condensadores de acolpe y desacople

Debemos determinar el valor de estos condensadores en función de la frecuencia más baja que queremos dejar pasar, ya que el condensador no solo bloquea la corriente continua, sino que también se comporta como filtro pasa-alto debido a la combinación de la reactancia del condensador y la resistencia del circuito. La reactancia y la resistencia nos dará la impedancia. Vamos a hallar la impedancia de entrada, y para eso necesitamos encontrar primero la resistencia total en la entrada, la que esta compuesta por las resistencias de polarización de la base y la resistencia que ofrece la base del transistor.

Según el teorema de Thevenin, y tomando como punto de vista la base del transistor, la impedancia  de entrada es el paralelo de R3||R4 entonces: 

Rin = 1/((1/9100)+(1/1800)) = 1502 Ω 

La resistencia de la base del transistor es β(r'e+Re), donde r'e es (26mV/Ic) 2.6 Ω:

Rb= 100(2.6+120) = 12260 Ω

El paralelo de estas dos resistencias (1502Ω||12260Ω) conforman la resistencia total de entrada:

1/((1/1502)+(1/12260)) = 1338 Ω

Ya tenemos la resistencia que ofrece la entrada del amplificador, que es de 1338 Ω. Ahora para asegurarnos de que la reactancia que ofrezca el condensador no interfiera con la señal de audio, es recomendable que sea el 10% de la resistencia de entrada. Es decir 133.8 Ω. Para determinar que valor de condensador necesitamos para que ofrezca una reactancia capacitiva (Xc) de 133.8 a 20Hz usaremos la siguiente fórmula:

C1=1/(2π*f*Xc) = 1/(2π*20*133.8) = 1/(16813) = 0.000059474 F = 59.474uF.

Ya tenemos el valor del condensador C1. Ahora, para calcular el valor del condensador C2 tendremos que conocer la resistencia de la carga. Vamos a suponer que alimentaremos una carga de 10k Ohm. Entonces a 20Hz y 1k Ohm (10k Ohm * 10%):

C2=1/(2π*f*Xc) = 1/(2π*20*1000) = 1/(125663) = 0.000007957 F = 7.957uF.

Ahora ya tenemos los valores de los condensadores. Solo nos queda reemplazar los valores calculados por valores comerciales:

C1 = 59.474uF = 100uF

C2= 7.957uF = 10uF

Y con eso ya tenemos listo nuestro diseño.

Amplificador de Emisor Común:
Av -5 ; Zin ≈ 1k3Ω

Simulación: Av -4.7 ; 2Hz hasta más de 300MHz.

Y así quedaría nuestro amplificador. La ganancia (Av) de este circuito es: -R1/(r'e+R2), que significa una ganancia para este diseño de Av = -5 y ya que la ganancia depende prácticamente de la relación R1/R2 variando estas resistencias se puede lograr fijar otra ganancia.

Condensador de desacoplo en el emisor

Una manera de obtener la máxima amplificación que este transistor nos puede ofrecer es conectar un condensador en paralelo con R2. De esta manera solo nos quedaría la resistencia r'e para la corriente alterna, que es 26mV/Ie:

r'e = 26mV/Ie = 26mv/11mA = 0.026/0.011A = 2.36 Ohm

Así obtendríamos la mayor amplificación que este circuito nos puede ofrecer, que si bien es cierto debe ser la ganancia del mismo transistor, tambien podría ser impredecible porque esta ganancia variaría con la temperatura. Aunque con seguridad será bastante alta, no es recomendable. Lo más recomendable en este caso sería usar dos circuitos uno alimentando al otro y de esta manera la ganancia de uno se multiplicaría por el otro. Vamos a calcular primero que valor de condensador vamos a necesitar. Según el teorema de Thevenin, observemos desde el condensador que queremos conectar hacia atrás. Tenemos entonces La resistencia R2 en paralelo con (r'e + ( (R3 en paralelo con R4)/β) ):

( ((R3 || R4)/β) + r'e) = ((1/((1/9100)+(1/1800))/β) + r'e) = 15.02 + 2.36 = 17.38Ω

(R2 || 17.38) = 1/((1/120)+(1/17.38)) = 15.18 Ohm

Asumiremos una reactancia capacitiva del 10% para el condensador a la frecuencia de 20Hz:

Xc = 1.518Ω

C3 = 1/(2*pi*f*Xc) = 1/(2π*20*1.518) = 0.005242257 F = 5242uF

Ya tenemos el valor del condensador de desacoplo. Bastante alto, debido a la baja impedancia en ese punto. El valor comercial mas cercano sería:

C3= 5242uF = 5600uF. 

Amplificador de Emisor Común con capacitor de desacoplo.

Simulación: Av -178 ; 13Hz hasta 28MHz.

45dB (Av -178)