Guías Para el Diseño de Amplificadores

© 2021, Andrés Polochè Arango

Contenido:

1. Introducción

2. Circuitos eléctricos

3. Tubos y diodos

4. Transistores

5. Compuertas lógicas

6. Polarización de transistores BJT

7. Polarización de transistores JFET

8. Polarización de transistores MOSFET

9. Amplificadores con BJT

10. Amplificadores con JFET

11. Amplificadores multietapa

12. Acoplamientos

13. Amplificador diferencial

14. Fuentes de corriente

15. Amplificadores realimentados

16. Amplificadores de potencia

3.1 Válvulas de vacío

En términos técnicos del comercio electrónico Colombiano, se conoce a este dispositivo como tubo al vacío, en otras zonas es conocido como válvulas al vacío, o siendo mas estrictos y usando lenguaje anglo, electron tube o vacuum tube en Norteamérica o thermoionic valve en reino unido.

Un tubo al vacío esta construido de un cascarón cerrado o bulbo hecho de cristal y unas placas metálicas dispuestas en su interior, dentro del cual el aire ha sido retirado o reemplazado por algún gas en una presión reducida. A los tubos que son llenos con gases de muy baja presión, se les llama tubos suaves, y a los tubos a los cuales se le ha retirado el gas en un grado de casi vació, se les conoce como tubos fuertes. A continuación se puede ver la estructura básica de un tubo al vacío y su símbolo eléctrico.

Básicamente un tubo, en su configuración más simple, consiste de dos placas cilíndricas o electrodos metálicos, una llamada ánodo o plato y la otra llamada cátodo, donde esta última envuelve a un cable que forma una resistencia calefactora metálica llamada filamento o calefactor.

Un tubo al vacío opera bajo el principio de emisión termoiónica o Ley de Richardson (descubierto por el físico Owen Richardson en 1901). Consiste principalmente en conectar una fuente de voltaje al filamento, y debido al paso de electrones por la resistencia y por su material de construcción, esta empieza a calentarse, lo cual adiciona energía cinética al cuerpo para crear una nube de electrones libres sobre la superficie del metal del filamento, que pueden escapar de esta superficie. Si hacemos una analogía, este principio es similar a la evaporación sobre la superficie de un liquido al incrementar la temperatura.

A la mínima cantidad de energía necesaria para que los electrones dejen la superficie del metal se le llama función de trabajo, que esta relacionado con las características del metal y se mide en el orden de electrón-voltios. La corriente termoiónica puede ser incrementada, si se decrementa la función de trabajo aplicando revestimientos de óxidos sobre el cable del filamento.

En términos físicos el número de electrones (flujo de corriente) que es capaz de emitir el filamento por unidad de área según la ley de Richardson se puede expresar como:

Donde J corresponde a la densidad de corriente, T es la temperatura del metal, W es la función de trabajo del metal, k es la constante de Boltzmann y Ag es una constante de emisión del material.

Donde m es la masa del del electrón, qe es la carga del electrón, h la constante de Planck y λR el factor de corrección especifica del material.

3.2 Diodo termoiónico

Luego de que se ha generado la nube de electrones sobre toda la superficie del filamento (espacio de carga) y como se puede observar en la figura anterior de la izquierda, el cátodo envuelve al filamento, esto implica que los electrones que se desprendieron del filamento empiezan adherirse sobre la superficie del cátodo formando un exceso de electrones. Si el cátodo y el ánodo son energizados por una fuente de voltaje V (Figura izquierda), los electrones de la nube empezaran a desplazarse hacia el ánodo formando una carretera para que se muevan los electrones formando un circuito cerrado y por tanto existe conducción de corriente I entre los electrodos.

Por el contrario si se invierte la polaridad de la fuente V (figura derecha), como el ánodo no es calentado este no desprende electrones, entonces, no existe una forma de que se genere un camino para el flujo de electrones, por tanto en esta configuración no existe conducción de corriente.

A esta estructura de tubo de vacío básica (propuesta por John Fleming en 1904) y debido al comportamiento en los dos casos anteriormente expuestos, se le llama DIODO TERMOIÓNICO o DIODO DE VACÍO. Conduce corriente en un sentido y bloquea la corriente en sentido inverso.

Si se calibra una temperatura de cátodo y un voltaje de ánodo, el radio de voltaje en el ánodo para que la corriente pueda fluir representara matemáticamente una resistencia Ra (resistencia de ánodo), que puede ser medida como el flujo de corriente por el voltaje aplicado:

3. La grilla de control (Triodo)

Cuando se agrega una malla metálica o grilla de cable en forma de espiral, envolviendo en forma tubular el cátodo, se obtiene un efecto importante sobre los electrones que transitan entre ánodo y cátodo, ejercer control sobre el flujo de corriente al aplicar un voltaje Vg sobre la grilla. A esta estructura a la que se le ha agregado esta grilla, se le conoce en toda la literatura científica como TRIODO.

La posibilidad de regular la corriente por medio del voltaje aplicado a la grilla, permite al tubo ser usado como amplificador de señales eléctricas, es decir que dada la relación que existe entre la corriente de ánodo y el voltaje aplicado a la grilla se conserva una relación proporcional conocido como factor de amplificación y denotado como µ.

La posibilidad de controlar la corriente de ánodo también depende de la cercanía entre el cátodo a la grilla y la grilla al ánodo por tanto µ dependerá a su vez de esta distribución física.

3. Múltiples grillas de control

Existen varias formas de mejorar el rendimiento del control de flujo de corriente en un tubo al vació, y uno de los métodos físicos para lograr este propósito es agregar mas grillas a la estructura, dado esto, se pueden nombrar las siguientes configuraciones:

3. Conductores, aislantes y semiconductores

La mayoría de los materiales sólidos se pueden agrupar en dos tipos: conductores y no conductores. Para el caso de los conductores su principal característica es la de permitir que el flujo de electrones puedan circular con facilidad debido a su estructura ordenada, compacta, cristalina y abundancia de electrones libres de sus átomos. Por el contrario los no conductores poseen una estructura desordenada, deficiencia de electrones libres y vacíos entre sus átomos lo cual no crea un camino fácil para la circulación de los electrones.

Diferente de estos materiales, existen las sustancias llamadas semiconductores, que se ubican en un punto intermedio entre los conductores y no conductores, por su capacidad de poder permitir el flujo de electrones en determinados estados que pueden ser configurados. Concerniente a esto se han utilizado dos tipos de elementos para este propósito, el germanio (Ge) y el silicio (Si) que se sitúan en la tabla periódica entre los metales y no metales (metaloides).

En lo que respecta a la electricidad, nos referimos a los electrones, como unidades móviles de carga negativa, y a ese conjunto de cargas móviles se le denominan: portadores de corriente, para el caso de los semiconductores estos también poseen portadores de corriente, pero, menor cantidad que los conductores y mayor cantidad que los no conductores; pero los semiconductores tienen la particularidad adicional que pueden tener estados de carga negativa o carga positiva, lo que quiere decir que la estructura del semiconductor puede contener muchos electrones libres o huecos donde puede hacer falta de ellos en determinados instantes del tiempo.

Un hueco corresponde a la ausencia o extracción partículas negativas o electrones, (en un átomo recordemos: contiene el #electrones (carga negativa) = #protones (carga positiva), eléctricamente esta neutro (con carga neutra), pero si se retira un electrón, el átomo queda con mayor carga positiva o hueco).

3. Semiconductores tipo N y tipo P

Cuando el semiconductor tiene exceso de electrones se llama semiconductor tipo N, y a un semiconductor con falta de electrones se le llama semiconductor tipo P, las letras P y N se refieren a cargas Positivas y cargas Negativas respectivamente.

3. La juntura PN

Al juntar o pegar un cuerpo semiconductor P con un cuerpo semiconductor N, al cuerpo resultante se le denomina juntura PN. Los electrones libres procedentes del semiconductor N atraviesan la juntura y llenan los huecos en las proximidades del semiconductor P; simultáneamente huecos se crean en la juntura neutralizando electrones en las proximidades del semiconductor N, a esta región de contacto entre los semiconductores se le denomina región de transición.

3. Polarización directa y polarización inversa

Si conectamos una fuente a la juntura PN, tenemos dos formas de conexión como se puede ver en la siguiente figura:

Para la polarización directa el tipo P crea huecos en la juntura y el tipo N envía electrones a la juntura. En la juntura, estos electrones y huecos se combinan, de modo que generan un puente que facilita el flujo de una corriente continua (hay conducción).

En la polarización inversa se aplica un voltaje inverso a la juntura PN, pero esto produce que tanto los electrones, como los huecos se separan de la juntura, provocando que se corte el flujo de corriente (no hay conducción).

Como conclusión, la juntura PN es un dispositivo rectificador, pues permite pasar corriente en un sentido, pero no en el contrario, lo cual tiene un efecto similar al de un tubo al vació.

Estructura cristalina

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