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Realimentación negativa para transistores BJT con degeneración de emisor-fuente

Crear una carga negativa o degenerativa sobre transistores permite linealizar las señales de salida y proteger los parámetros como Beta en circuitos de amplificación.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

Al momento de desarrollar sistemas utilizando transistores, resulta sumamente importante tomar en cuenta las relaciones de corriente entre colector-emisor y colector-base a través de sus parámetros asignados Alfa y Beta, respectivamente.

Estabilizar un circuito con transistores BJT (transistores bipolares) es el objetivo dentro del plan de desarrollo de los sistemas electrónicos. Uno de los recursos más efectivos que tienen los ingenieros es la degeneración emisor-fuente, una técnica que permite linealizar las señales de salida para estabilizar la respuesta de salida.

La característica de transferencia de un amplificador emisor común BJT es de grado exponencial, lo que genera una función de salida no-lineal con respecto a la entrada, y puede crear que la característica de transferencia de un amplificador diferencial sea no-lineal en casos como una función tangente hiperbólica (tanh).

En este sentido, cualquier señal de entrada en el orden de milivoltios puede filtrarse hasta los amplificadores de emisor común y diferencial generando un comportamiento desordenado en el sistema, y es aquí donde la degeneración emisor-fuente es crítica para neutralizar estas pequeñas variaciones. De forma general, la degeneración del emisor amplía considerablemente el rango de voltajes pequeños de entrada donde la función de transferencia es aproximadamente lineal.

Modelo común de un sistema de emisor colector con realimentación.

Caso práctico con un sistema de audio amplificado

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Para comprender la importancia de implementar un degenerador emisor-fuente en sistemas electrónicos de potencia, utilizaremos el ejemplo presentado por los investigadores Paul B. Zbar, Albert Paul Malvino y Michael A. Miller, quienes describen la respuesta en frecuencia de un amplificador de audio midiendo el efecto de la retroalimentación negativa que ha sido aplicada.

Los investigadores refieren que la audición humana en promedio es capaz de percibir sonidos en un rango de 30 a 15,000 Hz, y en el caso de los sistemas de audio, para uno de sus principalmente componentes, el amplificador de audio, debe incrementar los voltajes de las señales en este mismo intervalo.

No obstante, en el mercado existen múltiples opciones de amplificadores cada uno con características especiales, y no todos tienen la cualidad de alcanzar todas las frecuencias. En su trabajo, los especialistas señalan que cuando esto sucede, algunas frecuencias tienden a atenuarse, donde las frecuencias bajas alcanzan hasta los 500 Hz, y las altas arriba de 5,000 Hz.

El documento expone que la degeneración de emisor fuente empleada para estabilizar las señales de salida en amplificadores tiene un lado obscuro, ya que sacrifica la ganancia del propio amplificador para lograr la respuesta deseada. Una manera de implementar una carga negativa o degenerativa es dejar sin derivación a la resistencia del emisor de un amplificador aterrizado, tal como se muestra en la siguiente ilustración:

Resistencia en emisor sin derivación que proporciona realimentación negativa.

En este esquema, el emisor sin derivación produce una impedancia de entrada/salida (I/O) superior, y al mismo tiempo crea una ganancia de etapa menor.

Otra alternativa es evitar que exista una derivación en el resistor del circuito del emisor para dar paso a una realimentación degenerativa. Como puede apreciarse en la siguiente imagen, donde la estabilidad de la polaridad de cd se consiguen con R4 en paralelo con C4.

Circuito estabilizado mediante combinación de cd y realimentación degenerativa.

Los investigadores exponen en su trabajo que además de estas dos opciones para realimentación negativa en transistores bipolares, existen más, pero sin duda el modelo aplicativo dependerá del caso en que los ingenieros modelen las características de sus sistemas y descifren los requerimientos reales del sistema.

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