Amplificador de Base Común

El amplificador de base común es usado cuando se requiere, principalmente, de una baja impedancia de entrada o cuando se trabaja con frecuencias altas. La principal ventaja es que la entrada es independiente de la salida y viceversa además de que la salida está en fase con la entrada. 

Si necesitamos usar un amplificador de este tipo, es muy probable que sea por la baja impedancia de entrada. La impedancia de entrada está dada prácticamente por r'e, y esta, a su vez, depende de la corriente en el emisor, que es por donde vamos a alimentar este circuito. Impedancias de 50 Ohm y 75 Ohm son comunes en líneas de transmisión de radiofrecuencias. Pero a veces se usa en algunos tipos de micrófonos.

A manera de ejemplo, vamos a diseñar un preamplificador para un micrófono dinámico. Supongamos que tenemos una fuente de 12V y que queremos amplificar una señal de micrófono dinámico de 600 Ohm. Entonces vamos a comenzar por establecer una impedancia de entrada de 600 Ohm para tener acopladas las impedancias.

Vcc= 12V

Zin= 600 Ohm

β = 20

Notemos que hemos propuesto una ganancia de 20 porque al ser tan baja la corriente, la ganancia también es baja. 

Resistencias

La impedancia de entrada es la resistencia interna del diodo emisor en paralelo con la resistencia del emisor (Re). Además, r'e es dependiente de la corriente en el emisor (0.026V/Ie = r'e) por lo que tendremos que hacer que esta resistencia tenga 600 Ohm, entonces (0.026/600 = Ie). Por otro lado, en el emisor debe haber una resistencia que estará en paralelo con r'e y para que ambas resistencias tengan una impedancia cercana a r'e (600 Ohm en este caso) haremos Re significativamente más grande. Con un valor de 10 a 20 veces r'e sería suficiente para que no afecte mucho la impedancia de entrada. Con un valor de 6k Ohm a 12k Ohm estará bien. Vamos a tomar 20 veces el valor de r'e:

r'e = 0.026/Ie = 600

Ie = 0.026/600 = 0.00004333 A = 43.33uA 

43.33uA será nuestra corriente de emisor. Para la resistencia Re decidimos por un valor de 20 veces r'e, por lo que tenemos para Re:

Re = 600 Ohm * 20 = 12k Ohm

Ahora, la impedancia de entrada está dada por estas dos resistencias:

Zin = (r'e || Re) = (600 || 12000) Ohm = 1/((1/600)+(1/12000)) = 571.42 Ohm

Tendremos una impedancia de 571 Ohm que es una impedancia "suficientemente" emparejada con la salida de la fuente que es el micrófono de 600 Ohm. Ahora para determinar el valor de Rc ya sabemos que la corriente es prácticamente la corriente en el emisor (Ic ≈ Ie), por lo que Rc = 6/Ic:

Rc = (Vcc/2)/43.33uA = 6/0.0000433333A = 138462 Ohm

Ahora sólo nos falta determinar las resistencias de polarización de la base, para lo cual necesitamos sabre la tensión y corriente de base. Sabemos que Ie = 43.33uA a lo que tenemos que sumar 0.7V del diodo emisor:

Ve = 43.333333uA*12000 Ohm = 0.52 V

Vb = Ve + 0.7V = 1.220

1.22V es la tensión que debe haber en la base del transistor. Ahora, la corriente de la base es:

 Ib = Ic/β

Ib = 43.33uA/20

Ib = 0.00000216666A = 2.16666 uA 

Vale la pena aclarar que lo optimo es tener 100 veces la corriente de base en las resistencia de polarización de base para tener una corriente estable, normalmente usamos 10 veces para que las resistencias no sean demasiado bajas, pero al ser las corrientes involucradas tan bajas, las resistencias no serán tan bajas, así que vale la pena usar 100. Entonces tenemos:

R2 = 1.220/(100 * 2.16666uA) = 5631 Ohm

Y para calcular R3 tenemos que es el resto del voltaje de base y con una corriente de 100 veces Ib más Ib (101 veces Ib):

R1 = (12V - 1.220) / (101 * 2.16666uA) = 49261 Ohm

Y con eso ya tenemos calculadas las resistencias para nuestro circuito amplificador de base común. Ahora, es necesario encontrar las resistencias de uso comercial. Vamos a usar las de 5%:

Rc = 138462 = 150k Ohm

Re = 12k Ohm

R1 = 49261 = 47k  Ohm

R2 = 5631 =  5k6 Ohm

Condensadores de Acoplo y Desacoplo

Primero, el condensador de entrada junto con la impedancia de entrada conforman un filtro pasa-alto. Vamos a determinar el valor del condensador de tal manera que la reactancia capacitiva sea el 10% de la impedancia. Tenemos que la frecuencia mínima es de 20Hz, la impedancia de entrada es de Zin = (Re||r'e) = (1/((1/12000)+(1/600)) = 571.42 ; Xc = 57.142 :

C1= 1/(2*π*f*Xc) = 1/(2*π*20*57.142) = 0.000139260 F = 139uF

El condensador de salida dependerá de la carga. Supongamos una carga de 30k Ohm:

C2= 1/(2*π*f*Xc) = 1/(2*π*20*3000) = 0.000002652 F = 2.6uF

Para los valores más cercanos sería:

C1 = 220uF

C2= 3.3uF

Para el condensador de base, con el fin de simplificar nuestro diseño, nos bastará con saber que la reactancia capacitiva del condensador debe ser menor a la resistencia de r'e. Como tenemos 600 Ohm en r'e necesitamos un condensador que tenga una reactancia capacitiva 10 ó 100 veces menor a 600 Ohm a 20 Hz. Pero debido a que la capacitancia será multiplicada por la ganancia del transistor (x20) entonces podemos usar la reactancia a 600 Ohm:

Cb= 1/(2π*20*600) = 0.000013262 F = 13.262uF

Estos 13.262uF se verán multiplicados por la ganancia del transistor por lo que podremos usar este valor sin problemas. El valor más cercano será:

Cb = 22uF

Y con eso tenemos un preamplificador de micrófono dinámico en configuración de base común.

Si queremos calcular la ganancia total debemos tener en cuenta que debido a la baja impedancia de entrada y la alta impedancia de salida tendremos disminuída la ganancia total. Debemos entonces añadir las divisiones de voltaje en la entrada y la salida: 

Primero debemos ovservar que el voltaje de entrada se atenúa debido al divisor de tensión conformado por la resistencia de la fuente (Rs) y la resistencia de entrada del amplificador (Rin) : 

Rs = 600

Rin =  (r'e || Re) : 571

Division de tensión en la entrada: 571/(600+571) = 0.487

La ganancia está definida por la resistencia de colector entre la resistencia del diodo emisor:

Av = Rc/r'e = 150000/600 = 250

Y finalmente la segunda división de tensión se produce en la salida y está conformada por la resistencia de carga (RL) y Rc. Supongamos una resistencia de carga de unos 30k:

Rout = RL/(RL+Rc) = 30000/(30000+150000) = 0.166

La multiplicación de la división de voltaje en la entrada por la ganancia por la división de voltaje en la salida nos dará el voltaje que veremos en nuestra salida:

Ganancia: 0.487 * 250 * 0.166 ≈ 20

Simulación: Vemos una ganancia de 22 (para una carga de 30k).