Amplificador de Colector Común
Este tipo de amplificador ofrece una ganancia de prácticamente 1, además de ofrecer una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Se usa principalmente para conectar la salida de una fuente que tenga una relativa alta impedancia o que no pueda entregar la suficiente corriente a una carga que tenga baja impedancia o que demande una relativa alta corriente.
Su nombre proviene del hecho de que el colector es común a la entrada y la salida. También se le conoce como "seguidor de voltaje" o "seguidor de emisor".
Para diseñar un circuito de este tipo vamos a ver un ejemplo:
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| Amplificador de colector común. |
Resistencias
VCC = 12V
Ie = 0.010A
β = 100
Como queremos que el voltaje este fijo a la mitad del voltaje de la fuente, lo fijamos en 6V. Este será el voltaje en el emisor:
Ve = 6V
Para tener 6V entre el emisor y la resistencia, debemos determinar un valor de resistencia que nos de 6V a 10mA, entonces según la ley de Ohm:
Re = 6V/0.01A = 600 Ohm
Ahora ya tenemos el valor de la resistencia de emisor por donde va a circular una corriente de 10mA y para que esto suceda, en la base debe haber una corriente de 0.1mA (0.0001A) porque la corriente de base multiplicada por la ganancia (β) del transistor nos dará la corriente en el emisor (Ie). En realidad, la corriente de base (Ib) multiplicada por la ganancia (β) nos dará la corriente de colector (Ic) y en el emisor tendremos la corriente de colector (Ic) más la corriente de base (Ib). (Ic+Ib=Ie) Pero al ser una cantidad tan pequeña comparada con la corriente de colector podemos asumir que la corriente de colector "es igual" a la corriente del emisor. Ic ≈ Ie.
Ahora debemos determinar los valores de las resistencias de polarización de base (R2 y R3). La base del transistor necesita una corriente de 0.1mA (0.0001A). Para asegurar esta corriente vamos a hacer que por la resistencia R2 pase 10 veces esa corriente que es 1mA (0.001A) y como sabemos, el voltaje en la base es de 6.7V por lo que el valor de R2 es:
R2 = 6.7V/0.001A = 6700 Ohm
Para determinar R3, si el voltaje en la base es de 0.1mA y la corriente en R2 es de 1mA entonces R3 debe llevar una corriente de 1.1mA (0.0011A) y el voltaje sobre dicha resistencia es el voltaje de la fuente menos el voltaje sobre la base: 12V-6.7=5.3V. Entonces el valor de R3:
R3 = 5.3V/0.0011A = 4818 Ohm
Hasta aquí tenemos determinados los valores de las resistencias. Pero como las resistencias están limitadas a valores estándar, vamos a reemplazarlos por los valores de 5% comerciales más cercanos:
Re = 620 = 620R
R2 = 6800 = 6k8
R3 = 4700 = 4k7
Condensadores de acople y desacople
Estos condensadores nos permiten bloquear la corriente continua hacia el circuito y desde el circuito. Sin embargo también se comportarán como filtro RC pasa-alto, y dependiendo del valor de la frecuencia de corte que querramos fijar, dependerá el valor de cada condensador.
Para determinar los valores de los condensadores, es necesario tener presente dos valores, primero la frecuencia mínima de corte y lo segundo es la impedancia, tanto de entrada como de salida. Vamos a determinar la impedancia de entrada:
La impedancia de entrada esta dada por la impedancia de base (Zb) en paralelo con la impedancia de las resistencias de polarización de base. La impedancia de base es la ganancia (β) por la resistencia r'e (r'e = 26mV/Ic) más la resistecia Re, y en este caso también debemos tomar en cuenta la carga, ya que también está en paralelo con Re:
Zb = β*(r'e+Re)
Vamos a suponer que tenemos un a carga de 1k Ω de impedancia, como dicha carga está en paralelo con Re, el total de Re es (Re||Rcarga) y estas dos resistencias nos dan un valor de:
Re = 1/((1/620)+(1/1000)) = 382.71 Ω
r'e = 0.026V/Ic = 0.026V/0.01A = 2.6 Ω
Y por lo tanto:
Zb = 100*(382.71+2.6) = 38531 Ω
Ahora determinemos la impedancia de las resistencias de polarización. Gracias al teorema de Thevenin podemos carcular la impedancia para este circuito "divisor de tensión". El teorema dice "desconecta la carga, cortocircuita las fuentes de tensión y abre las fuentes de corriente" entonces así calculamos la resistencia que se ven desde donde estaba la carga. Siendo así, tenemos que R2 está en paralelo con R3 y esto nos da la impedancia de las resistencias de polarización.
Z(R2||R3) = 1/((1/6800)+(1/4700)) = 2779 Ω
Y ahora sí, para encontrar la impedancia de entrada Z(in) del circuito tenemos que calcular el paralelo de Zb || Z(R2||R3):
Z(in) = 1/((1/38531)+(1/2779)) = 2592 Ω
Ahora debemos colocar un condensador que nos de una reactancia capacitiva (Xc) de al menos el 10% de la impedancia de entrada Z(in) en la frecuencia más baja, que en nuestro caso es 20Hz. La reactancia capacitiva será entonces de 259.2 Ω a 20Hz. Para encontrar el valor del condensador usaremos la siguiente fórmula:
C1=1/(2π*f*Xc)
C1= 1/(2π*20*259.2)
C1= 0.000030 F = 30uF
Y ahí tenemos el valor del condensador de entrada, que permitirá pasar las frecuencias desde 20Hz hacia adelante sin ningún inconveniente. Para determinar el valor del condensador de salida simplemente hacemos los mismo, tomamos la impedancia de la carga y determinamos una reactancia capacitiva (Xc) de al menos 10% de dicha impedancia mediante la misma fórmula, como la carga es de 1000 Ω, tomaremos 100 Ω para (Xc):
C2=1/(2π*f*Xc)
C2=1/(2π*20*100)
C2= 0.0000795 F = 79.5 μF
Ahora sólo escogemos un valor de condensador imediatamente superior en los condensadores disponibles comercialmente:
C1= 33μF
C2= 82μF
Y con eso ya tenemos diseñado nuestro amplificador de colector común.
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Av= Re/(r'e+Re)
Como tenemos en Re tambien la carga debemos tomar el valor de Re como Re||RL:
Av= 382.71/(2.6+382.71)
Av= 0.993
Este es un valor bastante cercano a 1, pero debido a la resistencia del diodo emisor r'e, la ganancia nunca podrá ser exactamente 1.
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| Simulación: (-0.07dB) Av 0.9919 Valor prácticamente igual al calculado. (3Hz hasta más de 1GHz). |
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