Si eres estudiante de ingeniería o ingeniero, probablemente conozcas los transistores y lo importantes que son en la electrónica moderna.
Pero, ¿alguna vez se ha detenido a pensar en lo importante que es el sesgo de la base para el funcionamiento de estos dispositivos? La polarización de base es el voltaje directo aplicado al contacto de portador mayoritario de un transistor.
Es esencial para controlar el flujo de corriente a través del dispositivo.
Sin la polarización de base correcta, un transistor no puede funcionar correctamente, lo que puede provocar un comportamiento extraño o incluso una falla.
En esta publicación de blog, hablaré sobre qué es el sesgo de base y por qué es tan importante para la forma en que funcionan los transistores.
Ya sea que sea un ingeniero experimentado o que recién esté comenzando en el campo de la electrónica, debe comprender el sesgo de la base para hacerlo bien.
Así que sumerjámonos y aprendamos juntos sobre el fascinante mundo del sesgo básico.
Comprensión de la polarización de base y su función en transistores
Definicion formal:
El voltaje directo que se aplica al contacto de portador mayoritario (base) de un transistor.
Método de sesgo base
La polarización de un transistor de unión bipolar (BJT) en un circuito de transistor es simple y fácil de hacer con polarización de base.
Este método asegura que el voltaje de base correcto, VBB, se envíe a la base, que luego envía la corriente de base correcta al BJT para que pueda encenderse.
En un "circuito de polarización de base fijo", una resistencia de polarización de base RB está conectada entre la base y una batería de base VBB.
Esto asegura que la corriente base del transistor permanezca igual para los valores dados de VCC.
Métodos para obtener la corriente base de señal cero
Hay varias formas de obtener la corriente de base de señal cero IB que se necesita, como la polarización del colector a la base, la polarización con una resistencia de retroalimentación del colector o la polarización con un divisor de voltaje.
Cuando se observa la región lineal de este circuito, se muestra que DC tiene un efecto directo sobre ella.
Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff al circuito base, podemos obtener una ecuación que muestra la relación entre IB y VBB.
Si conoce VBB y RB, puede usar esta ecuación para calcular IB.
Propósito de la resistencia de polarización
Una resistencia de polarización mantiene suficiente flujo de corriente hacia la base para que el transistor BJT no se sobrecargue ni se apague.
La resistencia de polarización mantiene el transistor en un determinado punto de operación o compensación de CC.
Algunos BJT tienen una resistencia de polarización interna para reducir la cantidad de piezas en un diseño, pero se necesitan resistencias de polarización externas para encender y apagar los BJT.
Un transistor incorporado de resistencia de polarización (BRT) es un transistor bipolar que tiene una resistencia de base y una resistencia de emisor de base incorporadas.
Con estas resistencias integradas en el transistor, los BRT reducen la cantidad de piezas externas necesarias y facilitan la configuración de circuitos discretos.
Polarización de transistores
La polarización del transistor es el proceso de dar al transistor un voltaje de CC para que la unión base-emisor esté polarizada hacia adelante y la unión base-colector esté polarizada hacia atrás.
Esto mantiene al transistor en su región activa para que pueda funcionar como un amplificador.
El uso de capacitores de acoplamiento y derivación de la manera correcta ayudará a evitar que las corrientes de polarización entren o salgan de la base del transistor.
La polarización de un transistor le permite funcionar tanto de forma analógica como digital.
Sin polarización, los amplificadores BJT no pueden enviar la cantidad adecuada de energía a los terminales de carga.
Impacto de la polarización en el rendimiento del amplificador
La forma en que se configura la base afecta qué tan bien funciona un amplificador de transistor.
La "polarización de clase A" es el proceso de configurar un amplificador de modo que el punto de operación esté en el medio de la parte recta de la curva característica del transistor.
Los amplificadores de clase A están polarizados al colocar un voltaje de CC a través de la unión base-emisor del transistor para que su punto de operación sin señal (reposo) esté en una parte lineal del comportamiento del transistor.
El mejor valor para el voltaje de polarización de un transistor es dos veces el voltaje máximo de salida de CA.
Si cambia el voltaje de polarización de un transistor, el punto Q también se moverá.
Revolucione su electrónica: aproveche el poder del sesgo de base
¿Todavía es difícil de entender? Déjame cambiar un poco el punto de vista:
¿Estás harto de que tus transistores se rompan todo el tiempo porque actúan de manera extraña y no funcionan bien? Solo mira cuán asombroso es el poder del sesgo de base.
Sí, poner un voltaje directo en el contacto de la portadora mayoritaria de su transistor puede marcar la diferencia entre un funcionamiento suave y confiable y una fusión de fuego.
Entonces, ¿por qué no dejar de lado la precaución y saltar al salvaje mundo del sesgo básico?
De acuerdo, solo fue una broma hecha para parecer un anuncio de televisión.
Ahora volvamos a la explicación.
Factores que afectan el sesgo de la base
Efectos de la temperatura en el sesgo de la base
La temperatura cambia el voltaje base-emisor (VBE) y la corriente inversa de saturación del colector-base.
Esto cambia el punto Q de un circuito de polarización base (ICBO).
A medida que aumenta la temperatura, VBE disminuye a razón de 2,5 mV/, mientras que ICBO aumenta.
Esto hace que aumente la corriente de base IB, lo que obliga a IC a cambiar, lo que mueve el punto Q del circuito.
Para evitar que ocurra una fuga térmica, se deben tomar medidas para asegurarse de que el sesgo sea estable frente a la propagación de hFE.
La polarización de base y la polarización de colector a base se ven menos afectadas por los cambios en VBE que la polarización del divisor de voltaje.
Esto hace que la polarización de base y la polarización de colector a base sean mejores opciones para circuitos que deben ser estables a diferentes temperaturas.
Cuando el punto Q de un transistor bipolar está cerca de la mitad de su rango operativo, se ve menos afectado por los cambios de temperatura.
Cálculo del voltaje de la resistencia base
La ley de Ohm y la ley de voltaje de Kirchhoff se utilizan para determinar cuál es el voltaje de la resistencia base en un circuito con una polarización de base fija.
La forma más fácil de polarizar un transistor es con un circuito de polarización de base fija.
En este circuito, la polarización de la base permanece igual mientras el transistor está funcionando.
Para configurar este circuito, conecta una resistencia de polarización de base entre la base y una batería de base VBB u otra fuente de voltaje constante.
Si tenemos un transistor = 100 y queremos obtener una corriente de emisor de 1 mA, podemos usar la ley de Ohm y la ley de voltaje de Kirchhoff para calcular qué tan grande debe ser la resistencia de polarización de base.
Primero, tenemos que averiguar qué es VBB.
Podemos escribir: VCC = IB * RB + VBE usando la ley de voltaje de Kirchhoff.
Dado que IB es aproximadamente igual a IE/, donde IE es la corriente del emisor, es la ganancia de CC del transistor y VBE es aproximadamente 0,7 V para los transistores de silicio, podemos escribir: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 v
RB = (VCC - VBB - 0.7V)/(IE/) es lo que obtienes cuando resuelves para RB.
También puede usar calculadoras en línea, como Transistor Biasing Calculator de Omni Calculator.
Esta calculadora solo funciona con transistores de unión bipolar (BJT) y ofrece diferentes formas de establecer la polarización, como polarización de polarización de base fija, polarización de retroalimentación del colector, polarización de retroalimentación del emisor y polarización del divisor de voltaje.
Para usar esta calculadora para el método de polarización de base fija, puede ingresar valores conocidos como el voltaje de suministro (VCC), la corriente de colector deseada (IC), la ganancia de CC () y el voltaje de saturación (VCEsat).
La calculadora le dará resultados como la corriente del emisor (IE), la resistencia del colector (RC), la resistencia del emisor (RE) y la resistencia de la base (RB).
Métodos para proporcionar polarización para un transistor
Hay muchas maneras diferentes de darle un sesgo a un transistor.
Entre ellos están:
- La polarización de base o "polarización de corriente fija" no es un método muy bueno porque los voltajes y corrientes de polarización no se mantienen iguales mientras el transistor está funcionando.
- Sesgo de base con retroalimentación de emisor: este método mantiene estable el punto de operación de CC incluso si la resistencia cambia a medida que cambia la temperatura.
- Base Bias with Collector Feedback: el nombre de este método proviene del hecho de que, dado que RB se basa en el colector, existe un efecto de retroalimentación negativa que lo hace más estable que el sesgo base solo.
- Polarización de colector a base: en este método, se coloca un voltaje de polarización entre el colector y la base del transistor.
Este método proporciona un voltaje de polarización estable y se puede usar en circuitos que necesitan estabilidad en la temperatura.
- Sesgo del divisor de voltaje: en este método, el voltaje base se establece con una red divisora de voltaje hecha de dos resistencias.
Técnicas Avanzadas para Base Bias
La polarización de base es una forma importante de hacer que los transistores bipolares funcionen en su región lineal, que es necesaria para la amplificación.
Pero los circuitos de polarización de base son sensibles a los cambios en la temperatura y los parámetros del transistor, lo que puede causar cambios en la corriente del colector que son difíciles de predecir.
Para mejorar el sesgo base, la gente ha ideado otras formas de hacerlo más estable y predecible.
En este artículo, hablaremos sobre técnicas avanzadas para el sesgo de base, como el sesgo de retroalimentación del emisor, el sesgo del emisor, el sesgo del divisor de voltaje y el sesgo de base común para mezclar y multiplicar señales.
Sesgo de retroalimentación del emisor
El sesgo de retroalimentación del emisor es una forma de configurar un transistor que utiliza tanto la retroalimentación del emisor como la retroalimentación del colector base para mantener estable la corriente del colector.
En este método, se agrega una resistencia de emisor al circuito de polarización de base.
Esto hace que la polarización de la base sea más predecible al crear una retroalimentación negativa, que cancela cualquier cambio en la corriente del colector causado por un cambio en el voltaje de la base.
La polarización de retroalimentación del emisor es mejor que la polarización de base porque hace que la polarización de base sea más estable y menos sensible a los cambios de temperatura y los parámetros del transistor.
Este método hace esto mediante el uso de retroalimentación negativa de la resistencia del emisor, lo que hace que estos cambios sean menos perceptibles.
Sesgo del emisor
La polarización del emisor es muy estable incluso cuando cambia la temperatura, y utiliza un voltaje de suministro tanto positivo como negativo.
En un transistor BJT de emisor común, el emisor está conectado a tierra, por lo que el voltaje de entrada se mide en la base con respecto a tierra (el emisor), y el voltaje de salida se mide en el colector con respecto a tierra (el colector) ( emisor).
La polarización del emisor puede hacer que el punto Q de la región activa de un amplificador sea más estable al asegurarse de que la base del transistor siempre esté correctamente polarizada.
Es mejor que la polarización de base porque mantiene la polarización estable.
Sesgo del divisor de voltaje
El circuito de polarización base es menos estable que el circuito de polarización del divisor de voltaje.
El voltaje base, que no está relacionado con el voltaje del colector, se establece mediante una red divisora de voltaje en este circuito.
Esto hace que los cambios en el voltaje del colector y los parámetros del transistor tengan menos efecto en el punto de polarización.
La mayoría de las veces, la impedancia de salida de un divisor de voltaje es mucho más alta que la de un circuito de polarización base.
Esto hace que el divisor de tensión sea más estable.
Sesgo base
Los circuitos de polarización de base son más fáciles de fabricar y tienen menos partes que los circuitos de polarización de divisor de voltaje, pero son menos estables.
El voltaje de polarización base está directamente relacionado con el voltaje del colector.
Si el voltaje del colector o los parámetros del transistor cambian, el voltaje de polarización base también cambiará, lo que hará que el circuito sea inestable.
Sesgo de base común para la mezcla y multiplicación de señales
Para mezclar y multiplicar señales en un circuito de base común, un elemento no lineal como un diodo o un dispositivo activo como un transistor o FET recibe la cantidad correcta de polarización.
Esto sucede cuando se envían dos señales a través de un elemento no lineal.
En las frecuencias de suma y diferencia de las señales originales, se crean dos nuevas señales en nuevas frecuencias.
El uso de una configuración de polarización de emisor con un condensador de derivación es una forma de configurar un circuito de base común para mezclar y multiplicar.
Una configuración de polarización de divisor de voltaje con un condensador de derivación es otra forma de hacerlo.
En resumen, el sesgo de base se ha vuelto más estable y predecible mediante el uso de nuevas técnicas.
Incluso cuando la temperatura y los parámetros del transistor cambian, la polarización de retroalimentación del emisor y la polarización del emisor mantienen la polarización muy estable.
La polarización base es menos estable que la polarización del divisor de voltaje, y la polarización base se usa para mezclar y multiplicar señales.
Unión base-colector y caída de tensión base-emisor
En un transistor de unión bipolar, la unión entre la base y el colector siempre tiene polarización inversa.
Esto significa que se puede aplicar un alto voltaje de polarización inversa a la unión antes de que se rompa.
El voltaje de polarización inversa actúa como una polarización directa para los portadores minoritarios en la base, acelerándolos a través de la unión base-colector y hacia la región del colector.
Cuando las uniones emisor-base y colector-base tienen polarización directa, la corriente fluye del emisor al colector.
Esto permite que el transistor haga su trabajo.
En este estado, llamado saturación, ambas uniones están polarizadas hacia adelante y el voltaje entre la base y el emisor es de al menos 0,7 V para transistores de silicio o 0,3 V para transistores de germanio.
Polarización de la unión base-emisor
La caída de voltaje de polarización directa en la unión base-emisor afecta el funcionamiento de un transistor al reducir la barrera en la unión base-emisor.
Esto permite que lleguen más portadores al colector y aumenta el flujo de corriente desde el emisor al colector ya través del circuito externo.
Para que un transistor funcione como amplificador, cada una de sus uniones debe ser cambiada por un voltaje que proviene del exterior del transistor.
La primera unión PN, que está entre el emisor y la base, está polarizada en la dirección de avance.
La segunda unión PN, que está entre la base y el colector, está polarizada en la dirección opuesta.
Para encender un transistor, la caída de tensión directa desde la base hasta el emisor (VBE) debe ser mayor que cero, normalmente alrededor de 0,6 V.
Para que un transistor funcione, el diodo emisor de base debe estar polarizado hacia adelante.
Cuando VBE es superior a 0,6 V, los transistores funcionan en modo activo y aumentan las señales.
Cuando VBE es inferior a 0,6 V, por otro lado, los transistores se encuentran en un estado llamado "modo de corte", en el que no fluye corriente a través de ellos.
Para que un transistor esté en modo activo inverso, el voltaje en el emisor debe ser mayor que el voltaje en la base, que debe ser mayor que el voltaje en el colector.
Técnicas de polarización de base
Se pueden usar diferentes métodos de polarización de la base, como la polarización de retroalimentación del emisor y la polarización del divisor de voltaje, para estabilizar la corriente del colector y hacer que sea más fácil de predecir.
La corriente del colector se mantiene estable con polarización de retroalimentación del emisor al usar retroalimentación del colector base y del emisor.
Cuando se agrega una resistencia de emisor al circuito de polarización de base, el efecto de los cambios de temperatura y los parámetros del transistor se reducen.
Esto hace que la polarización de la retroalimentación del emisor sea más estable que la polarización de la base sola.
La polarización del divisor de voltaje utiliza una red divisora de voltaje para establecer el voltaje base, que es independiente del voltaje del colector y brinda una alta estabilidad de polarización.
Esta configuración es más estable que la polarización de base porque no utiliza una segunda fuente de alimentación, lo que puede causar problemas.
La ganancia de corriente, e, de un transistor es igual a la corriente de colector dividida por la corriente de base.
Esto significa que una pequeña cantidad de corriente de base puede controlar una corriente de colector mucho mayor, que es la base del funcionamiento de un transistor.
Para que fluya una corriente de colector, las tres partes del transistor deben estar polarizadas directamente.
Esto significa que se debe conducir una corriente hacia la base para que se produzca la conducción.
La corriente de colector de un transistor aumenta cuando aumenta el voltaje de polarización directa.
Limitaciones de voltaje del colector base
Qué tan alto puede llegar el voltaje del colector base antes de que la polarización del emisor deje de funcionar depende del transistor que se use y sus especificaciones.
La mayoría de las veces, el fabricante enumerará la clasificación máxima de voltaje del colector de base (Vbc) para un transistor.
Esta clasificación puede variar desde unos pocos voltios hasta varios cientos de voltios.
Cuando el voltaje entre la base y el colector supera la clasificación máxima, el transistor puede romperse y posiblemente dañarse para siempre.
Pero la polarización del emisor aún puede funcionar dentro del rango de funcionamiento seguro del transistor, incluso si el voltaje del colector de base es más alto que la clasificación máxima.
Cálculos y análisis de sesgo de base
Cálculo de la resistencia de carga en la polarización de la base
En un circuito de polarización de resistencia base BJT, la resistencia de carga se puede calcular usando la fórmula RL = (V CC - V BE) / IE, donde V CC es el voltaje de la fuente de alimentación, V BE es el voltaje a través del emisor base unión, e IE es la corriente del emisor.
Esta fórmula ayuda a determinar cuántas resistencias de polarización se necesitan para una cierta cantidad de corriente de emisor.
Configuración de polarización del divisor de voltaje
Usando el teorema de Thevenin, puede encontrar la configuración de polarización para un divisor de voltaje.
En este método, se conectan dos resistencias en serie entre una fuente de alimentación y tierra, y una resistencia se conecta a la base del transistor.
En esta configuración, la resistencia de carga suele ser la siguiente parte del circuito o una fuente de corriente.
Las resistencias de polarización se pueden calcular mediante la fórmula R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, donde R1 es la resistencia entre la base y el divisor de tensión, R2 es la otra resistencia en el divisor de tensión y V BE es el voltaje a través de la unión base-emisor (generalmente alrededor de 0.6-0.7V para un transistor de silicio).
Configuración de sesgo de retroalimentación del recopilador
En la configuración de polarización de retroalimentación del colector, se establece una corriente de emisor colocando una resistencia entre el colector y la base de un transistor.
De esta manera da retroalimentación y mantiene estable el punto de polarización.
La Ley de Ohm se puede usar para calcular la resistencia de carga, y la caída de voltaje en la resistencia del colector se puede usar para calcular el voltaje del colector.
Tenga en cuenta que hay otras formas de sesgar un circuito BJT, y el método que elija dependerá de lo que necesite el circuito.
Circuito de polarización de retroalimentación del colector
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casos de uso
| Utilizada en: | Descripción: |
|---|---|
| Amplificadores: | En los circuitos amplificadores, la polarización de la base se utiliza para establecer el punto Q, que es el nivel en el que funciona el transistor. Al cambiar el voltaje de polarización, los ingenieros pueden controlar el factor de amplificación y asegurarse de que la señal que sale se mantenga en el rango que desean. |
| Encendido y apagado: | En los circuitos de conmutación, donde se utilizan transistores para encender y apagar señales eléctricas, la polarización de la base también es muy importante. En este caso, el voltaje de polarización controla el voltaje de umbral necesario para encender el transistor. Esto permite que el circuito cambie entre encendido y apagado. |
| Fuentes de poder: | En los circuitos de fuente de alimentación, la polarización de la base se utiliza para asegurarse de que el voltaje de salida se mantenga estable y en el rango correcto. Al establecer el voltaje de polarización en un cierto nivel, los ingenieros pueden controlar la cantidad de corriente que fluye a través del dispositivo y evitar que el voltaje suba o baje. |
| Osciladores: | En los circuitos osciladores, la polarización de la base se usa para mantener la frecuencia del dispositivo en el nivel correcto. Los ingenieros pueden asegurarse de que el oscilador tenga una forma de onda constante cambiando el voltaje de polarización. |
| Circuitos de sensores: | En los circuitos de sensores, donde se usan transistores para detectar cambios en el voltaje o la corriente, también se puede usar la polarización de la base. Los ingenieros pueden controlar qué tan sensible y preciso es el sensor ajustando el voltaje de polarización a un cierto nivel. Esto permite que el sensor detecte incluso pequeños cambios en la señal de entrada. |
Conclusión
Al final, el sesgo de base es una parte importante de cómo funciona un transistor que no se puede ignorar.
La polarización adecuada de la base es importante para un rendimiento confiable porque controla el flujo de corriente y mantiene estable el dispositivo.
Pero también es importante pensar en lo que significa la polarización de la base para la electrónica en general.
A medida que nuestro mundo se vuelve cada vez más dependiente de la tecnología, debemos pensar detenidamente sobre cómo diseñamos y usamos estos dispositivos para mantener al mínimo sus efectos sobre el medio ambiente y nuestras comunidades.
Al utilizar las ideas del sesgo básico en nuestros procesos de diseño y producción, podemos fabricar productos electrónicos que no solo sean útiles, sino también respetuosos con el medio ambiente y buenos para la sociedad.
Como ingenieros y tecnólogos, es nuestro trabajo pensar en cómo nuestro trabajo afecta a todos, y el sesgo de base es solo una pequeña parte de eso.
Así que sigamos empujando los límites de lo que es posible mientras tenemos en mente el panorama general.
Enlaces y referencias
Voltajes de polarización de salida y polarización del transistor:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Polarización del transistor bipolar:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Dispositivos de estado sólido Clase 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
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