Diseño De Los Circuitos De Transistores – Conceptos básicos y Parámetros De Diseño Del Circuito

Los circuitos de transistores se encuentran en el centro de la tecnología actual de diseño de circuitos electrónicos. Aunque hoy en día se utilizan circuitos integrados para muchos circuitos, el diseño básico de circuitos con transistores suele ser necesario en diversas áreas.

Aunque el uso de componentes electrónicos discretos con transistores utiliza más componentes, es posible adaptar el circuito para proporcionar exactamente la funcionalidad que se necesita. En consecuencia, los circuitos que utilizan transistores discretos y unos pocos componentes electrónicos adicionales son hasta ahora el núcleo del diseño de circuitos electrónicos.

Esto significa que la comprensión del diseño de circuitos con transistores sigue siendo importante, ya que no sólo permite diseñar circuitos básicos con transistores, sino que también proporciona una mayor comprensión del funcionamiento de los circuitos integrados que se basan en la tecnología de transistores bipolares.

 

Conceptos básicos de los transistores bipolares

Obviamente, el componente electrónico clave en cualquier circuito de transistores es el propio transistor. Estos componentes electrónicos pueden obtenerse de forma discreta, o pueden estar dentro de un circuito integrado.

Los transistores se fabrican en una gran variedad de formatos y pueden obtenerse para cumplir una gran variedad de funciones, desde la pequeña señal hasta la alta potencia, y desde el audio hasta la RF y la conmutación.

También se presentan como transistores PNP y transistores NPN – de estos últimos, los transistores NPN son más utilizados, ya que tienden a adaptarse al sistema de tierra negativa ampliamente utilizado, y además su rendimiento es mejor en términos de velocidad.

Aunque los transistores NPN son más utilizados, esto no significa que los transistores PNP no se utilicen. A menudo encuentran aplicaciones complementarias a los transistores NPN y a algunos otros circuitos.

Conceptos básicos de los transistores bipolares

El transistor bipolar está disponible desde hace más de setenta años: su tecnología está muy bien establecida, y aunque la tecnología del transistor de efecto de campo es probablemente más utilizada en los circuitos integrados, los transistores bipolares se siguen utilizando en grandes cantidades en diversos circuitos analógicos y digitales, tanto dentro de los circuitos integrados como en forma de componentes electrónicos discretos.

El transistor bipolar fue inventado en 1949 por un equipo de científicos de los laboratorios Bell de Estados Unidos. Su descubrimiento es una lectura interesante.

Parámetros de diseño del circuito del transistor

Antes de iniciar el diseño de un circuito electrónico de transistores, es necesario definir los requisitos de los circuitos: algunos de los principales parámetros asociados a los circuitos de transistores.

Los requisitos para el diseño de un circuito de transistores pueden incluir una serie de parámetros:

Ganancia de tensión: La ganancia de tensión suele ser un requisito clave para el diseño de circuitos electrónicos. La ganancia de tensión del circuito es el aumento de la tensión desde la entrada hasta la salida del circuito. En términos matemáticos, la ganancia de tensión, Av es la tensión de salida dividida por la tensión de entrada.

La ganancia de tensión es uno de los objetivos clave de muchos circuitos porque permite el “tamaño”

Ganancia de corriente: La ganancia de corriente del circuito es a menudo importante, en el diseño de circuitos electrónicos, especialmente cuando el circuito conduce una carga de baja impedancia. A menudo se necesita un circuito sin ganancia de voltaje y sólo con ganancia de corriente para permitir que un circuito con una salida de impedancia relativamente alta conduzca otro circuito que tiene una impedancia más baja.

Hay muchos ejemplos de esto: un oscilador de RF a menudo necesita una etapa de amortiguación para garantizar que el propio circuito del oscilador no se cargue indebidamente, pero se necesita una salida para accionar otros circuitos. La ganancia de corriente también se utiliza en circuitos de alimentación donde el elemento de paso en serie del regulador de voltaje necesita proporcionar niveles significativos de corriente, pero utilizando una referencia de voltaje de baja corriente. Hay muchos otros ejemplos en los que se necesita la ganancia de corriente.

Lee: Tipos De Transistores Bipolares, Aplicaciones Y Función

Al igual que la ganancia de tensión, la ganancia de corriente de un circuito compara los niveles de entrada y salida, pero en términos de corriente. La ganancia de corriente es igual a la corriente de salida dividida por la corriente de entrada.

Impedancia de entrada: La impedancia de entrada de un circuito de transistores es siempre importante. Determina la carga de la etapa anterior y también es importante en los circuitos de RF, donde la adaptación de la impedancia es un parámetro importante.

En muchos diseños de circuitos electrónicos, una impedancia de entrada alta es deseable porque significa que la etapa anterior no está indebidamente cargada. Si la impedancia de entrada del circuito de transistores es demasiado baja, entonces cargará la anterior, reduciendo el nivel de la señal y posiblemente causando distorsión en algunos casos. Configurar una etapa de transistores para proporcionar la impedancia de entrada adecuada es un elemento clave del proceso de diseño de circuitos electrónicos.

Impedancia de salida: La impedancia de salida también es importante. Si el circuito de transistores conduce un circuito de baja impedancia, entonces su salida debe tener una impedancia baja, de lo contrario se producirá una gran caída de tensión en la etapa de salida de transistores y en algunos casos podría producirse una distorsión de la señal.

Si la impedancia de la carga es baja, suele ser necesario un circuito con una alta ganancia de corriente y se puede elegir un formato de circuito adecuado durante el proceso de diseño del circuito electrónico. Si se permite una impedancia de salida más alta, entonces suele ser más adecuado un circuito con una ganancia de tensión más alta.

Respuesta en frecuencia: La respuesta en frecuencia es otro factor importante que afectará al diseño del circuito de transistores. Los diseños de circuitos de transistores de baja frecuencia o de audio son muy diferentes a los utilizados para aplicaciones de RF.

También la elección de los componentes electrónicos dentro del circuito gobiernan la respuesta: los transistores, así como los valores de los condensadores y las resistencias en el diseño del circuito electrónico afectan a la respuesta en frecuencia.

En la primera parte del diseño del circuito, es necesario tener un requisito definido para la respuesta de frecuencia necesaria, y entonces el circuito puede ser diseñado alrededor del requisito.

Tensión y corriente de alimentación: Uno de los parámetros clave para cualquier circuito son los requisitos de potencia en términos de tensión y corriente necesarios. De este modo, se puede garantizar que se proporciona la tensión adecuada con la capacidad de corriente requerida en la fase de diseño del circuito electrónico.

Disipación de energía: Otro parámetro muy relacionado con la tensión y la corriente suministrada al circuito es la potencia que se disipa. Si la disipación de potencia es alta, es posible que haya que tomar medidas para refrigerar y, en general, eliminar el calor del circuito y, en particular, de los componentes electrónicos que puedan disipar grandes cantidades de calor. Por lo general, se trata del transistor, pero otros componentes también pueden disipar calor.

Función del circuito de transistores

Los circuitos de transistores pueden realizar muchas funciones diferentes. Normalmente existen bloques estándar para las funciones más comunes, como el amplificador, el oscilador, el filtro, la fuente de corriente, el amplificador diferencial y muchas otras.

Estos formatos de circuitos estándar se utilizan ampliamente y pueden adoptarse y determinar los valores de los componentes electrónicos durante el proceso de diseño de los circuitos electrónicos.

Los circuitos suelen seguir circuitos probados que se han utilizado durante muchos años. Estos circuitos se han utilizado a menudo con la antigua tecnología de tubos de vacío o válvulas termoiónicas y funcionan igualmente bien con transistores bipolares, así como con transistores de efecto de campo, FET, y a veces incluso con amplificadores operacionales.

A menudo, esto requiere un poco de experimentación, pero hoy en día el software de simulación de circuitos es capaz de reproducir con precisión el funcionamiento del circuito para que los valores de los componentes electrónicos puedan ser optimizados para el rendimiento y la funcionalidad requeridos.

Configuración o topología del circuito de transistores

Sea cual sea la función general del circuito, también es necesario tener en cuenta la topología al principio del proceso de diseño del circuito electrónico.

Los circuitos de transistores pueden diseñarse utilizando diferentes topologías, cada una de las cuales ofrece características diferentes, especialmente en lo que respecta a la impedancia de entrada y salida.

Estas topologías de configuraciones se eligen en función de los requisitos de diseño del circuito electrónico e incluyen emisor común, colector común o seguidor de emisor y base común.

Proceso de diseño de un circuito de transistores

El proceso de diseño de un transistor consta de varias etapas. Suelen seguir un orden lógico, pero a menudo se revisan las distintas etapas para optimizar los valores de los distintos componentes electrónicos y obtener el rendimiento global requerido.

  • Determinar los requisitos: Determinar los requisitos reales es una etapa importante, y hacerlo bien significará que el concepto del circuito no cambie en una fecha posterior.
  • Definir la función y la topología del circuito: Una vez establecidos los requisitos generales del dispositivo electrónico completo, es necesario decidir el circuito de transistores real. Por ejemplo, hay muchos circuitos de osciladores, filtros, amplificadores, etc. para transistores y se puede elegir el tipo óptimo para el requisito concreto. A menudo, esto también define la topología del circuito, es decir, el uso de emisor común, colector común, base común, pero si no es así, esto puede formar parte de la toma de decisiones general en este momento, porque la carga en los osciladores, la ganancia, la impedancia de salida y similares se pueden considerar en este momento.

Lee: Aplicaciones De Fototransistores Y Configuraciones De Circuitos

  • Establecer las condiciones de polarización: En cualquier circuito, una de las características clave del diseño del circuito electrónico es asegurarse de que los niveles de polarización de los dispositivos activos: en este caso los transistores bipolares, están ajustados correctamente. Si la polarización es incorrecta, el circuito de transistores no funcionará. La determinación de los valores de los componentes electrónicos (principalmente las resistencias) que fijan la polarización es una de las etapas clave del diseño.
  • Determinar los valores de los componentes electrónicos funcionales: Junto con el establecimiento de las condiciones de polarización, es necesario determinar los valores de los otros componentes electrónicos para proporcionar la funcionalidad del circuito. Esta parte del proceso de diseño del circuito electrónico procede junto con el establecimiento de las condiciones de polarización, ya que los valores de uno afectarán al otro y viceversa.
  • Revisar los valores de los componentes electrónicos para la polarización y la función: Una vez establecidos los valores del circuito, siempre se necesita una pequeña iteración para equilibrar los requisitos de polarización y la funcionalidad general del circuito. Es probable que haya alguna iteración en torno a este proceso.
  • Prueba del circuito: Probar el circuito es un elemento clave de cualquier diseño. A menudo, muchos laboratorios disponen de software de simulación de circuitos y, por lo tanto, se puede simular el circuito antes de construirlo para eliminar la mayoría de los problemas. Sin embargo, la prueba final consiste en construir y ejecutar el circuito en condiciones lo más parecidas posible a las condiciones de funcionamiento.
  • Trabajar y modificar: A menudo será necesario modificar el circuito electrónico. Si es necesario, se rehace y se prueba con los nuevos valores de los componentes electrónicos, la disposición, etc.

Estos son algunos de los principales parámetros del circuito que se requieren para el diseño de un circuito de transistores. El conocimiento de estos parámetros puede regir la elección de la configuración del circuito, y seguramente regirá la determinación de los valores de los componentes y muchos otros factores.

Por consiguiente, es necesario conocer los parámetros que rigen el funcionamiento del circuito de transistores antes de iniciar el diseño.

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