BJT como amplificador (la idea)

01 · Punto de partida

El micrófono que el conversor no escucha

Una llave tiene dos estados y los dos son extremos. Hay señales que no son de dos estados: la voz en un micrófono, la salida de un sensor, una nota de audio. Son tensiones que varían de forma continua, y casi siempre son demasiado chicas para usarlas directamente.

Es la escena del Tema 19, otra vez. Un transistor en zona activa con la base alimentada por un solo resistor queda a merced de su ganancia, que cambia con la unidad y con la temperatura. En una llave eso se resolvía saliendo de la zona activa. Acá no se puede: hay que quedarse en ella, y lograr que el resultado no dependa de la ganancia.

El problema tiene dos partes que un programador ya conoce por separado. La primera es representar una señal con signo en un rango que solo admite valores positivos: se le suma un desplazamiento, como en el audio de 8 bits sin signo, donde el silencio vale 128. La segunda es mantener ese desplazamiento estable cuando el componente que lo produce no es confiable: se usa un lazo de control, un mecanismo que mide el resultado y corrige solo.

• ¿Qué significa amplificar, y de dónde sale la energía?
• ¿Qué es el punto de reposo, y por qué tiene que estar en el medio?
• ¿Cómo se fija ese punto sin depender de la ganancia?
• ¿Quién decide cuánto amplifica el circuito?
• ¿Qué pasa cuando la señal es demasiado grande?

02 · Aplicación

Qué significa amplificar

Amplificar es producir una copia más grande de una señal: la misma forma, con más amplitud. Si la entrada sube 10 mV y la salida sube 47 mV, la ganancia de tensión es 4,7. No tiene unidades: es un factor.

La energía viene de la fuente

El transistor no agranda la señal: usa la señal como molde para regular la corriente que toma de la fuente. La señal de entrada controla; la fuente entrega. Es la canilla del Tema 19, movida apenas, muchas veces por segundo.

La salida no puede salirse de la fuente

Con una fuente de 9 V, la tensión de salida vive entre 0 y 9 V. Ningún amplificador de este tipo entrega más que su alimentación. Si la señal amplificada «pide» más, se corta en ese borde.

Ganancia de tensión no es la ganancia del transistor

La del transistor, β, relaciona dos corrientes y es una propiedad de la pieza. La ganancia de tensión es una propiedad del circuito completo. Un mismo transistor puede formar parte de un amplificador de ganancia 5 o de ganancia 100.

Esta etapa invierte

En el circuito de este tema, cuando la entrada sube, la salida baja. La forma es la misma, dada vuelta. Para el audio no se nota; para otros usos hay que tenerlo en cuenta.

03 · Aplicación

El punto de reposo

Una señal de audio sube y baja alrededor de cero: tiene mitades positivas y negativas. El colector de un transistor solo puede estar entre 0 V y la tensión de la fuente. Para que la salida pueda moverse en los dos sentidos, tiene que partir de un valor intermedio.

Ese valor, el que tiene el circuito cuando no hay señal, es el punto de reposo, que en los libros aparece como «punto Q». Fijarlo se llama polarizar el transistor.

Por qué en el medio

Porque deja el mismo lugar para subir que para bajar. Con el reposo cerca de un borde, la mitad de la onda que va hacia ese borde se aplasta.

El reposo es tensión continua

Es un valor fijo, que se mide con el multímetro como cualquier otra tensión continua. La señal es la variación alrededor de ese valor.

Cómo entra y sale la señal

A través de capacitores en serie. Como viste en el Tema 10, un capacitor bloquea la tensión continua y deja pasar las variaciones: la señal entra sin alterar el reposo de la base, y sale sin arrastrar el reposo del colector.

Es exactamente el desplazamiento del audio sin signo: el silencio no es cero sino la mitad del rango, y lo que importa es cuánto se aparta la señal de esa mitad.

04 · Selección

Polarizar con un solo resistor

La forma más directa de fijar el reposo es la de la escena: un resistor de la fuente a la base, elegido para que la corriente de colector deje el colector a media tensión.

Con una fuente de 9 V y un resistor de colector de 2,2 kΩ, para tener unos 4,5 V en el colector hacen falta 2 mA. Con una ganancia de 300, la base necesita 6,7 µA: (9 − 0,7) ÷ 0,0000067 = 1,24 MΩ → 1,2 MΩ. La cuenta es correcta, para ese transistor.

El reposo recorre casi todo el rango según el transistor que te toque. Es lo que pasó al cambiar la pieza: la nueva tenía más ganancia y quedó saturada. Y es lo que pasó con el calor: la ganancia subió y el reposo bajó.

05 · Selección

Divisor y resistor de emisor

El circuito que resuelve el problema agrega tres resistores. Dos forman un divisor que fija la tensión de la base. El tercero va entre el emisor y el negativo.

El reposo se calcula en cuatro pasos, y en ninguno aparece la ganancia del transistor:

1. 1
   El divisor fija la base.

   Es el divisor del curso 1: 9 V × 10 ÷ (47 + 10) = 1,58 V.

2. 2
   El emisor queda 0,7 V por debajo.

   La base es un diodo: 1,58 − 0,7 = 0,88 V en el emisor.

3. 3
   El resistor de emisor fija la corriente.

   0,88 V sobre 470 Ω son 1,87 mA. Es la ley de Ohm, y esa es la corriente del transistor.

4. 4
   El resistor de colector fija la salida.

   La misma corriente por 2,2 kΩ produce 4,1 V de caída: 9 − 4,1 = 4,9 V en el colector. Cerca del medio.

Por qué se sostiene solo

El resistor de emisor hace de lazo de control. Suponé que el transistor, por calor o por ser otra unidad, intenta conducir más corriente:

El circuito mide su propia corriente, en forma de tensión sobre el resistor de emisor, y la resta de su mando. Cualquier desvío se corrige a sí mismo. A esto se lo llama realimentación negativa, y es la idea más importante de toda la electrónica analógica.

Con el transistor cuadruplicando su ganancia, el reposo se movió dos décimas de volt. El valor real, 5,1 V, es algo mayor que los 4,9 V del cálculo rápido porque la base toma una pequeña corriente del divisor y baja un poco su tensión; el cálculo de cuatro pasos alcanza para diseñar.

06 · Características

La ganancia y el recorte

Con el reposo fijado, la señal se suma a la tensión de la base a través del capacitor de entrada. Lo que pasa después repite los pasos del reposo, aplicados a la variación:

1. 1
   La base sube 10 mV.

   El emisor, siempre 0,7 V por debajo, también sube 10 mV.

2. 2
   La corriente aumenta.

   10 mV más sobre 470 Ω son 21 µA más.

3. 3
   El colector baja.

   21 µA más por 2,2 kΩ son 47 mV más de caída: el colector baja 47 mV.

La ganancia es un cociente de resistores. No aparece el transistor, ni la temperatura, ni la tensión de la fuente. Es el resultado que se buscaba: un número que se elige al diseñar y que vale para cualquier unidad. El valor real es apenas menor, cerca de 4,5, por un efecto interno del transistor que se estudia más adelante.

Hasta dónde puede llegar la salida

El colector reposa en 5,1 V y tiene dos límites:

La salida puede apartarse unos 3,4 V del reposo sin deformarse. Con esta ganancia, eso corresponde a una entrada de unos 0,7 V de amplitud. Por encima, las puntas de la onda se aplastan contra el límite: es el recorte.

El recorte es la aritmética con saturación que conocés del procesamiento de audio o de imágenes: los valores que exceden el rango no dan la vuelta, quedan pegados al máximo. La forma se pierde y aparecen frecuencias que la señal original no tenía, que en audio se oyen como distorsión.

07 · Verificar

Diagnóstico con el multímetro

La señal no se puede ver con un multímetro: hace falta un osciloscopio. Pero el reposo sí, y la mayoría de las fallas de un amplificador son fallas del reposo. Tres mediciones de tensión continua, sin señal de entrada, dicen si la etapa puede funcionar.

08 · Simulador

Una etapa amplificadora

Una etapa con una fuente de 9 V y un resistor de colector de 2,2 kΩ. Elegí cómo se polariza, la ganancia del transistor que te tocó y el tamaño de la señal de entrada.

• A la izquierda, una regla de 0 a 9 V con el reposo del colector. La franja sombreada muestra dónde caería ese reposo con cualquier BC547B, de ganancia 200 a 450.
• A la derecha, un osciloscopio: arriba la entrada, a su propia escala; abajo la salida, entre 0 y 9 V, con sus dos límites.

Recorrido guiado (7 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   El diseño del tema, con 100 mV de entrada. El colector reposa en 5,1 V y la salida es una copia invertida de la entrada, 4,7 veces mayor.

2. 2
   Mové la ganancia del transistor de 110 a 800.

   El reposo se mueve unas décimas y la ganancia de tensión casi no cambia. La franja de la regla es una línea angosta.

3. 3
   Subí la entrada a 300 mV, 700 mV y 1 V.

   Con 700 mV la salida ocupa casi todo el lugar disponible. Con 1 V se aplasta: primero abajo, donde hay menos lugar, y también arriba.

4. 4
   Volvé a 100 mV y elegí el divisor con R1 de 100 kΩ. Después subí a 300 mV.

   La base queda demasiado baja, el transistor casi no conduce y el colector reposa en 8,5 V. Con 100 mV la onda todavía entra; con 300 mV, la mitad que tendría que subir no tiene adónde ir. El diseño centrado amplificaba esa misma señal sin problema.

5. 5
   Volvé a 100 mV y elegí el divisor con R1 de 22 kΩ.

   El caso opuesto: demasiada corriente, el transistor saturado. La salida queda pegada abajo.

6. 6
   Elegí «un solo resistor de base», con 5 mV de entrada y ganancia 300.

   Amplifica muchísimo más: sin el resistor de emisor no hay nada que la limite. Ahora mové la ganancia del transistor: el reposo recorre toda la regla; con 500 la salida ya recorta, y a partir de unos 580 desaparece.

7. 7
   Con un solo resistor y ganancia 300, subí la entrada a 10 mV, y después a 20 mV.

   Con 10 mV la onda sale deformada, con una mitad bastante más grande que la otra, sin haber llegado a ningún límite. Con 20 mV ya recorta. Sin realimentación, la etapa no es lineal.

Preguntas para pensar

1. En el paso 2, el transistor multiplica su ganancia por siete y la ganancia de tensión no cambia. ¿Quién la fija?
2. En el paso 3, ¿por qué la onda se aplasta primero de un lado?
3. En el paso 6, el circuito con un solo resistor amplifica cuarenta veces más. ¿Por qué no se usa?

09 · Alcance

Lo que queda para después

Este tema da la idea, y a propósito se detiene acá. Un amplificador real plantea preguntas que necesitan herramientas de otro curso:

Todas se responden en el curso 4, de electrónica analógica. Y hay algo que conviene saber desde ahora: en la práctica, casi nadie arma un amplificador con transistores sueltos. Se usa un amplificador operacional, un circuito integrado que contiene decenas de transistores organizados para que la ganancia la fijen dos resistores externos, con mucha más precisión que esta etapa.

10 · El amplificador en código

Reposo, ganancia y recorte

El reposo, con los dos métodos

El cálculo completo, que incluye la corriente que la base toma del divisor. Compará cuánto se mueve el colector al cambiar el transistor.

V_FUENTE, V_BE, V_SAT = 9.0, 0.7, 0.2


def reposo_divisor(r1, r2, r_emisor, r_colector, beta):
    v_divisor = V_FUENTE * r2 / (r1 + r2)
    r_divisor = r1 * r2 / (r1 + r2)                      # el divisor, visto desde la base
    i_base = max(0.0, (v_divisor - V_BE) / (r_divisor + (beta + 1) * r_emisor))
    i_colector = min(beta * i_base, (V_FUENTE - V_SAT) / (r_colector + r_emisor))
    return V_FUENTE - i_colector * r_colector


def reposo_simple(r_base, r_colector, beta):
    i_base = (V_FUENTE - V_BE) / r_base
    i_colector = min(beta * i_base, (V_FUENTE - V_SAT) / r_colector)
    return V_FUENTE - i_colector * r_colector


print("ganancia   un resistor   divisor + emisor")
for beta in (110, 200, 300, 450, 800):
    simple = reposo_simple(1_200_000, 2200, beta)
    divisor = reposo_divisor(47_000, 10_000, 470, 2200, beta)
    print(f"{beta:>8}   {simple:8.2f} V   {divisor:10.2f} V")

print("Cálculo rápido en cuatro pasos:")
v_base = V_FUENTE * 10 / 57
i = (v_base - V_BE) / 470
print(f"  base {v_base:.2f} V, emisor {v_base - V_BE:.2f} V, corriente {i * 1000:.2f} mA, "
      f"colector {V_FUENTE - i * 2200:.2f} V")

Multiplicá por diez los dos resistores del divisor (470 kΩ y 100 kΩ) y mirá cómo el reposo vuelve a depender de la ganancia.

Ganancia y lugar disponible

def etapa(r_colector, r_emisor, v_reposo, v_fuente=9.0, v_sat=0.2):
    ganancia = r_colector / r_emisor
    piso = v_fuente - (v_fuente - v_sat) / (r_colector + r_emisor) * r_colector
    arriba = v_fuente - v_reposo
    abajo = v_reposo - piso
    salida_max = min(arriba, abajo)
    print(f"Rc {r_colector} / Re {r_emisor}: ganancia ≈ {ganancia:.1f}")
    print(f"  la salida puede subir {arriba:.1f} V y bajar {abajo:.1f} V desde {v_reposo} V")
    print(f"  entrada máxima sin recorte: unos {salida_max / ganancia * 1000:.0f} mV de amplitud")


etapa(2200, 470, 5.1)
etapa(4700, 470, 5.1)
etapa(2200, 220, 5.1)

Las tres etapas suponen el mismo reposo, pero cambiar los resistores también lo mueve. Calculá el reposo real de la segunda con el bloque anterior: ¿sigue en 5,1 V?

El recorte, muestra por muestra

El recorte es un clamp. Esta función aplica la ganancia y los dos límites a una onda senoidal, y dibuja el resultado.

from math import sin, pi

REPOSO, GANANCIA, TECHO, PISO = 5.1, -4.5, 9.0, 1.7


def salida(v_entrada):
    return min(TECHO, max(PISO, REPOSO + GANANCIA * v_entrada))


def dibujar(amplitud, muestras=24):
    print(f"Entrada de {amplitud * 1000:.0f} mV de amplitud")
    recortadas = 0
    for n in range(muestras):
        v = salida(amplitud * sin(2 * pi * n / muestras))
        recortadas += v in (TECHO, PISO)
        print(f"  {v:4.1f} V |" + " " * round(v * 5) + "*")
    print(f"  muestras recortadas: {recortadas} de {muestras}")


dibujar(0.3)
dibujar(1.0)

Cambiá REPOSO a 7,5 y dibujá la entrada de 300 mV: es el caso del reposo mal centrado, que recorta una señal que antes entraba.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: el reposo en cuatro pasos

Una etapa con fuente de 12 V, divisor de 82 kΩ y 15 kΩ, resistor de emisor de 1 kΩ y de colector de 4,7 kΩ. Calculá las tensiones de base, emisor y colector, y decí si el reposo está bien ubicado.

Ejercicio 2: la escena

El micrófono entrega 10 mV de amplitud y la entrada analógica mide de 0 a 3,3 V. ¿Qué amplitud tiene la salida de la etapa del tema? ¿Alcanza para aprovechar bien la entrada? ¿Qué ganancia haría falta?

Ejercicio 3: diagnóstico

En la etapa del tema medís 1,55 V en la base, 0,87 V en el emisor y 9,0 V en el colector. ¿Qué está pasando?

Ejercicio 4: más ganancia

Alguien propone cambiar el resistor de emisor de 470 Ω por uno de 47 Ω para tener ganancia 47. Calculá el nuevo reposo con el método de cuatro pasos. ¿Funciona?

Ejercicio 5: dos métodos, en el simulador

Con 5 mV de entrada, anotá el reposo del colector y la ganancia de tensión medida para ganancias del transistor de 200, 300 y 450, con el diseño del tema y con un solo resistor de base.

Ejercicio 6: medí el reposo

Con las piezas reales. Armá la etapa del tema sin los capacitores: BC547, 47 kΩ, 10 kΩ, 470 Ω y 2,2 kΩ, con una batería de 9 V. Antes de medir, anotá el rango que esperás para la base, el emisor y el colector. Después medí.

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 22?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Explicar por qué el reposo se pone cerca de la mitad de la fuente.
• Decir qué pasa con el reposo de un solo resistor al cambiar el transistor.
• Calcular la tensión de base de un divisor de 47 kΩ y 10 kΩ con 9 V.
• Explicar qué hace el resistor de emisor cuando la corriente intenta subir.
• Decir la ganancia aproximada de una etapa con 2,2 kΩ en el colector y 470 Ω en el emisor.
• Explicar qué es el recorte.
• Decir qué se mide primero en un amplificador que no funciona.

Con esto termina el transistor bipolar. Su límite quedó a la vista en el Tema 20: para mantenerlo encendido hay que entregarle corriente todo el tiempo, y eso acota lo que una salida puede manejar. Hay otro transistor que se enciende con tensión y casi no pide corriente. En el próximo tema, el MOSFET.