Electronica modelo hibrido bjt

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Electronica modelo hibrido bjt

  1. 1. REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN MATURÍN Modelo hibrido BJT Maturín, agosto de 2013 Profesor: Mariangela Pollonais Realizado por: Gherardo Díaz
  2. 2. Índice 1. Introducción………………………………………………………………………..…… 2 2. Modelo hibrido de un transistor. Definición…………………………………….……..3 3. Representación gráfica del modelo hibrido BJT………………………………………3 3.1 Expresiones generales………………………………………………………..…..…….3 3.2 Cálculo de los parámetros híbridos………………………………..…………...……..4 3.3 Representación gráfica……………………………………………..…………...……..5 3. El transistor en pequeña señal……………………………………………………...…..5 4.1 Modelo hibrido h de un transistor bipolar…………………………………….....…..5 4.2 Parámetro h………………………………………………………………..………..….7 4.3 El modelo híbrido en π…………………………………………………………….…….8 5. Conclusión………………………………………………………………………………..9
  3. 3. Introducción La polarización de un transistor es la responsable de establecer las corrientes y tensiones que fijan su punto de trabajo en la región lineal (bipolares) o saturación (FET), regiones en donde los transistores presentan características más o menos lineales. Al aplicar una señal alterna a la entrada, el punto de trabajo se desplaza y amplifica esa señal. El análisis del comportamiento del transistor en amplificación se simplifica enormemente cuando su utiliza el llamado modelo depequeñaseñal obtenido a partir del análisis del transistor a pequeñas variaciones de tensiones y corrientes en sus terminales. El modelo de pequeña señal del transistor es a veces llamado modelo incremental de señal. Los circuitos que se van a estudiar aquí son válidos a frecuencias medias, aspecto que se tendrá en cuenta en el siguiente tema. En la práctica, el estudio de amplificadores exige previamente un análisis en continua para determinar la polarización de los transistores.
  4. 4. Modelo hibrido de un transistor. Definición. Elmodelo híbrido del transistor es un modelo circuital que combinaimpedanciasyadmitanciasparadescribiraldispositivo,deallíelnombrede híbrido. Laobtencióndelosparámetroshíbridosinvolucradosdentrodelmodelosehaceen base a la teoría de cuadripolos o redes de dos puertos. LasustitucióndelsímbolodelBJTporsumodelohíbridoduranteelanálisisencorriente alterna permitelaobtencióndeciertosvaloresdeinteréscomoson:lagananciadevoltaje(Av), gananciadecorriente(Ai),impedanciadeentrada(Zi)ylaimpedanciadesalida(Zo). Estosvaloresdependendelafrecuenciayelsímbolocircuitalporsisolonoconsidera esteaspecto,deallílautilidaddelmodelo híbridoquien siloconsidera. Representación gráfica del modelo hibrido BJT Se presenta el modelo híbrido del transistor BJT, uno de los más ampliamente utilizados para el análisis de las pequeñas señales de alterna. Para la deducción del mismo se consideran las siguientes hipótesis: Transistor polarizado en RAN Oscilaciones alternas de baja amplitud y baja frecuencia Expresiones generales El punto de operación de un transistor bipolar viene indicado por cuatro variables eléctricas. De entre las diversas opciones posibles, para la deducción del modelo híbrido se escogen como variables independientes la corriente IB y la tensión VCE, mientras que las dependientes son VBE e IC. De este modo, las ecuaciones características del transistor vendrán dadas por dos funciones f1 y f2 tales que: Las tensiones y corrientes de un punto de polarización concreto vendrán dadas por las expresiones anteriores: Supongamos que sobre este punto de operación Q se añade una componente alterna, caracterizada por un IB y por un VCE. Para calcular el VBE y el IC pueden sustituirse las funciones f1 y f2 en las cercanías del punto Q por las tangentes respectivas en dicho punto. Como se trata de funciones de dos variables independientes, las expresiones serán las siguientes:
  5. 5. A partir de este momento, para simplificar la notación se escribirán con letra minúscula los incrementos de las variables. La expresión anterior admite una representación matricial: en donde los coeficientes hij se llaman parámetros híbridos, puesto que tienen diferentes unidades entre sí. hie : Impedancia de entrada () hre: Ganancia inversa de tensión hfe : Ganancia directa de corriente, o ganancia dinámica hoe : Admitancia de salida (-1 ) Cálculo de los parámetros híbridos Para el cálculo de los parámetros hij se van a emplear las expresiones resultantes del modelo de Ebers-Moll para la RAN. Función f1 => Función f2 => Tal y como puede observarse, los coeficientes hre y hoe son nulos según estos cálculos. Este resultado refleja las limitaciones del modelo de Ebers-Moll propuesto, ya que en realidad hre 5 x 10 -5 y hoe 6 x 10-6 -1 . Sin embargo, su valor es tan pequeño que en muchos casos son aceptables las expresiones obtenidas anteriormente.
  6. 6. Representación gráfica El modelo híbrido, con las simplificaciones mostradas en el subapartado anterior, admite la siguiente representación gráfica: El transistor en pequeña señal. Seguimosteniendoencuentaladefinicióndepequeñaseñalcomonivelesdeamplitud losuficientementepequeñoscomoparaquelasvariacionesdelpuntoQalrededordesupunto deequilibriosean muypequeñasyeltransistorpuedasuponerselineal.Paradistinguirlos parámetrosdeltransistorencadaunodelospuntosdeoperaciónselesañadeunsubíndiceen letrasminúsculas,mientrasquesielsubíndiceesenletrasmayúsculashacereferenciaaun valorenrégimenestático.Ambosvaloresnotienenporqueseriguales.Esmuyimportante que diferenciemos entre los subíndices en mayúsculas y en minúsculas. Al estar enmayúsculashacenreferenciaasuvalorenDCmientrasqueenminúsculasserefierenasu valor en AC. Para el uso del transistor en pequeña señal lo más común es utilizar un modelo que simplifica los cálculos. Presentaremos dos modelos lineales que son los más comunes. El modelo de parámetros h, basado en la teoría de los cuadripolos está muy extendido y es muy potente pero tiene como desventaja que sus parámetros dependen de la configuración (base común, emisor común, etc.), la frecuencia y el punto Q. Su rango de utilización es para frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz. El modelo híbrido en π es un modelo circuital que se puede manejar más fácilmente y no varía según la configuración. Otro modelo muy utilizado aunque generalmente para analizar amplificadores de muy alta frecuencia es el de parámetros Y. Todos los modelos dependen del punto Q de operación. Modelo hibrido h de un transistor bipolar. En un amplificador de transistores bipolares aparecen dos tipos de corrientes y tensiones: continúa y alterna. La componente en continua o DC polariza al transistor en un punto de trabajo localizado en la región lineal. Este punto está definido por tres parámetros: ICQ, IBQ y VCEQ. La componente en alterna o AC, generalmente de pequeña señal, introduce pequeñas variaciones en las corrientes y tensiones en los terminales del transistor alrededor del punto de trabajo. Por consiguiente, si se aplica elprincipio de
  7. 7. superposición, la IC, IB y VCE del transistor tiene dos componentes: una continua y otra alterna, de forma que: Donde ICQ, IBQ y VCEQ son componentes DC, e ic, ib y vce son componentes en alterna, verificando que ic << ICQ, ib << IBQ y vce << VCEQ El transistor para las componentes en alterna se comporta como un circuito lineal que puede ser caracterizado por el modelo híbrido o modelo de parámetros {H}. De los cuatro posibles parámetros descritos, los h son los que mejor modelan al transistor porque relacionan las corrientes de entrada con las de salida, y no hay que olvidar que un transistor bipolar es un dispositivo controlado por intensidad. Los parámetros h de un transistor, que se van a definir a continuación, se obtienen analizando su comportamiento a variaciones incrementales en las corrientes (ib,ic) y tensiones (vbe,vce) en sus terminales.
  8. 8. En la figura 2.a se muestran las ecuaciones del modelo híbrido cuando el transistor está operando con el emisor como terminal común al colector y la base (configuración emisor-común o EC). El modelo híbrido de pequeña señal en E-C de un transistor NPN y PNP se indican en las figuras 2.b y 2.c respectivamente. Ambos modelos son equivalentes y únicamente difieren en el sentido de las corrientes y tensiones para dar coherencia al sentido de esas mismas corrientes y tensiones en continua. Parámetro h Este modelo es un circuito equivalente a un transistor de unión bipolar y permite un fácil análisis del comportamiento del circuito, y puede ser usado para desarrollar modelos más exactos. Como se muestra, el término "x" en el modelo representa el terminal del BJT dependiendo de la topología usada. Para el modo emisor-común los varios símbolos de la Figura 1 toman los valores específicos de: Figura 1 x = 'e' debido a que es una configuración emisor común. Terminal 1 = Base Terminal 2 = Colector Terminal 3 = Emisor iin = Corriente de Base (ib) io = Corriente de Colector (ic) Vin = Tensión Base-Emisor (VBE) Vo = Tensión Colector-Emisor (VCE) Y los parámetros h están dados por: hix = hie - La impedancia de entrada del transistor (correspondiente a la resistencia del emisor re). hrx = hre - Representa la dependencia de la curva IB–VBE del transistor en el valor de VCE. Es usualmente un valor muy pequeño y es generalmente despreciado (se considera cero). hfx = hfe - La ganancia de corriente del transistor. Este parámetro es generalmente referido como hFE o como la ganancia de corriente continua (βDC) in en las hojas de datos.
  9. 9. hox = hoe - La impedancia de salida del transistor. Este término es usualmente especificado como una admitancia, debiendo ser invertido para convertirlo a impedancia. Como se ve, los parámetros h tienen subíndices en minúscula y por ende representan que las condiciones de análisis del circuito son con corrientes alternas. Para condiciones de corriente continua estos subíndices son expresados en mayúsculas. Para la topología emisor común, un aproximado del modelo de parámetro h es comúnmente utilizado ya que simplifica el análisis del circuito. Por esto los parámetros hoe y hre son ignorados (son tomados como infinito y cero, respectivamente). También debe notarse que el modelo de parámetro h es sólo aplicable al análisis de señales débiles de bajas frecuencias. Para análisis de señales de altas frecuencias este modelo no es utilizado debido a que ignora las capacitancias entre electrodos que entran en juego a altas frecuencias. El modelo híbrido en π Elmodelohíbridoenπestácompuestoporunafuentedecorrientecontroladapor tensión,loque indicalagananciadeldispositivo,lasresistenciasdeentradaysalidaylas capacidadesparásitas,CcbyCbe,ademásdelaresistenciadebaserb'bquerepresentanel comportamiento a alta frecuencia. Fig.4:Modelohíbridoenπdeltransistor. Lagananciadeltransistorvienedeterminadaporlatransconductanciagmquerelaciona lacorrientede colectorenfuncióndelatensióndebase.
  10. 10. Conclusión Se amplifica señales con transistores bipolares por su buen marguen de ganancia al momento de amplificar una señal. Estos transistores trabajan con corriente alterna y corriente directa para poder realizar dicha función, hay capacitores de acoplo y desacoplo para permitir el paso de la corriente alterna y negarle el paso a la corriente continua, ya que a través del circuito es necesario que solo se amplifique la señal alterna y que salga dicha señal amplificada.

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