BJT: Collector Feedback Bias Explained

Summary

En este video del canal 'ALL ABOUT ELECTRONICS', aprenderemos sobre la configuración de polarización de retroalimentación del colector del BJT. La configuración intenta estabilizar el punto de operación mediante retroalimentación negativa. El video explica cómo el circuito reacciona a los cambios de temperatura y realiza un análisis de corriente continua (DC) para encontrar las expresiones de corriente y voltaje. Además, se discute la mejora de estabilidad agregando una resistencia en el emisor y se compara esta configuración con la configuración de divisor de voltaje, resaltando sus ventajas y limitaciones.

Takeaways

• 🎥 En este video se aprenderá sobre la configuración de polarización con retroalimentación del colector del BJT.
• 📚 La configuración de polarización del colector busca estabilizar el punto de operación a través de la retroalimentación negativa.
• 🛠 En esta configuración, la retroalimentación se proporciona del colector a la base a través de la resistencia Rb.
• 🔋 Para el análisis DC, los capacitores se consideran como un circuito abierto.
• 🌡 Si la corriente del colector Ic aumenta debido a la temperatura, la tensión del colector disminuirá, reduciendo la corriente de base Ib y estabilizando Ic.
• 📉 A través de la retroalimentación negativa, esta configuración trata de estabilizar los cambios en la corriente del colector.
• 🔍 Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff (KVL) se pueden encontrar las expresiones para la corriente de base Ib y la corriente del colector Ic.
• ⚡ La corriente del colector Ic es aproximadamente igual a β*Ib, donde β es el factor de ganancia de corriente.
• 🔄 La estabilidad se puede mejorar aún más aplicando retroalimentación adicional a través de una resistencia de emisor.
• 📏 En la configuración con retroalimentación del colector y emisor, la corriente del colector Ic se puede hacer independiente de las variaciones en β si se cumplen ciertas condiciones.
• 📉 Aunque la retroalimentación del colector proporciona una mejor estabilidad que la polarización fija, sigue habiendo variaciones en el punto de operación.
• ⚙ En configuraciones donde se requiere un punto de operación muy estable, se recomienda usar la configuración de divisor de voltaje.

Q & A

¿Qué configuración de polarización del BJT se explica en este video?

El video explica la configuración de polarización de retroalimentación del colector del BJT.

¿Cuál es el objetivo de diseñar un circuito de polarización para un BJT?

El objetivo es minimizar los cambios en el punto de operación del BJT incluso si hay cambios en los parámetros externos, como la temperatura.

¿Cómo intenta este circuito estabilizar el punto de operación?

El circuito intenta estabilizar el punto de operación mediante la retroalimentación negativa desde el colector hacia la base a través del resistor Rb.

¿Qué sucede con la corriente de base (Ib) si la corriente del colector (Ic) aumenta debido a un aumento de temperatura?

Si la corriente del colector (Ic) aumenta, la caída de voltaje a través del resistor Rc también aumenta, reduciendo el voltaje del colector (Vc), lo que a su vez reduce la corriente de base (Ib).

¿Qué aproximación se puede hacer si el valor de β es muy alto?

Si el valor de β es muy alto, la corriente del colector (Ic) será mucho mayor que la corriente de base (Ib), por lo que se puede aproximar que Ic' es aproximadamente igual a Ic.

¿Cuál es la expresión para la corriente de base (Ib) en términos de Vcc, Vbe, Rb y Rc?

La expresión para la corriente de base (Ib) es: Ib = (Vcc - Vbe) / (Rb + β * Rc).

¿Cómo se puede mejorar la estabilidad del punto de operación en este circuito?

La estabilidad del punto de operación se puede mejorar añadiendo una retroalimentación adicional a través del resistor del emisor (Re).

¿Cuál es la expresión para la corriente de colector (Ic) cuando se incluye el resistor del emisor (Re)?

La expresión para la corriente de colector (Ic) es: Ic = β * (Vcc - Vbe) / (Rb + β * (Rc + Re)).

¿Qué pasa con la corriente de colector (Ic) si el valor de β aumenta significativamente?

Si el valor de β aumenta significativamente, la corriente de colector (Ic) también aumentará, lo que puede resultar en un cambio en el punto de operación.

¿Por qué no es posible hacer el valor de Rb muy pequeño en la práctica?

No es posible hacer el valor de Rb muy pequeño en la práctica porque el punto de operación se acercaría a la saturación, lo que impediría usar el BJT como amplificador.

¿Cuál es la configuración de polarización preferida para una mejor estabilidad del punto de operación?

La configuración de polarización preferida para una mejor estabilidad del punto de operación es la configuración de divisor de voltaje.

¿Qué se discutirá en los próximos videos según el guion?

En los próximos videos se hablará más sobre la estabilidad de la configuración de polarización del BJT.

Outlines

00:00

🔧 Introducción a la configuración de polarización de retroalimentación del colector

Bienvenidos al canal 'All About Electronics'. En este video aprenderemos sobre la configuración de polarización de retroalimentación del colector del BJT. Anteriormente vimos distintas configuraciones de polarización y aprendimos que el circuito debe minimizar los cambios en el punto de operación a pesar de variaciones externas como la temperatura. En esta configuración, el circuito estabiliza el punto de operación mediante retroalimentación negativa desde el colector a la base a través del resistor Rb. Analizaremos cómo este circuito trata de estabilizar el punto de operación mediante un análisis DC, entendiendo cómo las variaciones en el voltaje afectan las corrientes y cómo se establecen las ecuaciones para la corriente de base y colector.

05:01

🔍 Análisis de la configuración con resistor en el emisor

A pesar de la retroalimentación negativa, esta configuración no ofrece suficiente estabilidad. Para mejorar esto, se puede agregar un resistor en el emisor, creando la configuración de retroalimentación del colector con resistor en el emisor. Se marca las corrientes en el circuito y se aplica la KVL en el lado de entrada para encontrar la corriente de base. La ecuación para la corriente de colector y el voltaje Vce se deriva considerando las corrientes de emisor y colector casi iguales. La configuración intenta hacer que la corriente de colector sea independiente de las variaciones en β, pero en la práctica, lograr que Rb sea suficientemente pequeño no siempre es posible sin llevar el BJT a saturación.

10:03

📊 Ejemplo de variación del punto de operación con cambios en β

A través de un ejemplo práctico, se calcula la corriente de colector y el voltaje Vce con valores específicos de componentes y se observa cómo varía el punto de operación con cambios en β. Con un β de 50, la corriente de colector es 0.965 mA y el voltaje Vce es 6.5 V. Al aumentar β a 100, la corriente de colector aumenta a 1.3 mA y el voltaje Vce disminuye a 4.6 V. Esto demuestra que aunque la retroalimentación del colector mejora la estabilidad en comparación con la polarización fija, aún hay variaciones significativas en el punto de operación debido a cambios en β. La condición para que Rb sea mucho menor que β*(Rc+Re) no siempre se cumple, lo que afecta la estabilidad.

15:06

🔒 Conclusiones y recomendaciones de configuración

En conclusión, aunque la configuración de retroalimentación del colector ofrece una ligera mejora en la estabilidad, aún existen variaciones en el punto de operación debido a parámetros externos. Para una mayor estabilidad, se recomienda la configuración de divisor de voltaje, que permite seleccionar valores que proporcionan mejor estabilidad y es ampliamente utilizada. En videos futuros se discutirá más sobre la estabilidad de los circuitos. Se invita a los espectadores a dejar preguntas o sugerencias en los comentarios y a suscribirse al canal para más videos sobre electrónica.

Keywords

💡Polarización de retroalimentación del colector

La polarización de retroalimentación del colector es una configuración utilizada en transistores bipolares (BJT) para estabilizar el punto de operación del transistor mediante retroalimentación negativa. En el video, se explica cómo este método intenta mantener estable el punto de operación a pesar de cambios en parámetros externos como la temperatura.

💡BJT (Transistor Bipolar de Unión)

El BJT es un tipo de transistor que utiliza corrientes eléctricas para amplificar o conmutar señales. En el contexto del video, se discuten diferentes configuraciones de polarización para asegurar un funcionamiento estable del BJT.

💡Corriente del colector (Ic)

La corriente del colector es la corriente que fluye desde el colector hacia el emisor en un transistor. En el video, se detalla cómo esta corriente puede ser estabilizada utilizando retroalimentación negativa y cómo se calcula en función de la corriente de base y el factor β.

💡Corriente de base (Ib)

La corriente de base es la corriente que entra en la base del transistor, controlando la corriente del colector. El video muestra cómo calcular Ib aplicando la Ley de Voltaje de Kirchhoff (KVL) en el circuito de entrada.

💡Ley de Voltaje de Kirchhoff (KVL)

La KVL es una ley fundamental de los circuitos eléctricos que establece que la suma algebraica de todos los voltajes en un bucle cerrado es igual a cero. Se usa en el video para analizar y calcular las corrientes y voltajes en el circuito de polarización del BJT.

💡Retroalimentación negativa

La retroalimentación negativa es una técnica utilizada para mejorar la estabilidad de un circuito al reducir la ganancia de un sistema y contrarrestar cambios no deseados en las señales de entrada. El video explica cómo esta técnica se implementa en la configuración de polarización de retroalimentación del colector.

💡Resistencia del colector (Rc)

Rc es la resistencia conectada en serie con el colector del transistor. En el video, se explica cómo el voltaje a través de Rc afecta la corriente del colector y cómo se usa en el análisis de CC del circuito.

💡Resistencia de emisor (Re)

Re es la resistencia conectada en serie con el emisor del transistor. En el video, se muestra cómo agregar una resistencia de emisor adicional puede mejorar la estabilidad del punto de operación del transistor.

💡Voltaje colector-emisor (Vce)

Vce es el voltaje entre el colector y el emisor de un transistor. Es crucial para determinar el estado de operación del transistor. El video muestra cómo calcular Vce y cómo varía con cambios en otros parámetros del circuito.

💡Estabilidad del punto de operación

La estabilidad del punto de operación se refiere a la capacidad de un circuito de mantener sus condiciones de operación a pesar de variaciones en los parámetros externos. El video destaca la importancia de la estabilidad y cómo las configuraciones de retroalimentación ayudan a lograrla.

Highlights

Introduction to the Collector Feedback Biasing configuration of BJT.

Explanation of how a well-designed biasing circuit should minimize changes in the operating point despite external parameter variations.

Overview of how the collector feedback biasing configuration stabilizes the operating point using negative feedback.

Illustration of feedback mechanism from collector to base terminal via resistor Rb.

DC analysis of the circuit showing how capacitors act as open circuits for DC voltages.

Intuitive explanation of how the circuit stabilizes the operating point by reducing base current when collector current increases.

Use of Kirchhoff's Voltage Law (KVL) to find the base current (Ib) and its dependence on various parameters.

Derivation of the expression for base current (Ib) and collector current (Ic) in the circuit.

Description of the improved stability through additional feedback via an emitter resistor, forming the collector and emitter feedback bias configuration.

Detailed analysis of the modified circuit with emitter resistor, using KVL to find current and voltage expressions.

Example calculation to illustrate the effect of β (beta) variation on the operating point of the circuit.

Observation that increasing β causes significant changes in the collector current (Ic) and voltage (Vce).

Highlighting the limitation of the collector feedback bias configuration in providing sufficient stability.

Conclusion that while collector feedback bias provides better performance than fixed bias, it still exhibits variations due to external parameters.

Recommendation of the voltage divider configuration for better stability in practical applications.

Transcripts

Hey friends, welcome to the YouTube channel ALL ABOUT ELECTRONICS.

So, in this video, we will learn about the Collector Feedback Biasing configuration of

the BJT.

Now, in the earlier videos, we had seen the different biasing configurations of the BJT.

And we had seen that for the BJT, the designed biasing circuit should be such that even if

there is a change in the external parameters, like a temperature then there should be a

minimum change in the operating point.

So, in this collector feedback biasing configuration, the circuit tries to stabilize the operating

point through the negative feedback.

And as its name suggests, here the feedback is provided from the collector to base terminal

via this resistor Rb.

Now, here as we are interested in the DC analysis, so for the DC voltages, these capacitors will

act as an open circuit.

And before we jump into the DC analysis, lets intuitively understand how this circuit tries

to stabilize the operating point.

So, let's say, due to the temperature, if the collector current Ic increases, then the

voltage drop across this resistor Rc will also increase.

And due to that, the collector voltage or the voltage at this node will reduce.

Now, if we assume this base-emitter junction is forward biased then the voltage at this

node is equal to Vbe.

Or that is equal to roughly 0.7V.

So, as the voltage Vc reduces, then the base current Ib will also reduce.

And due to that, the collector current Ic will also reduce.

Because this collector current Ic is equal to β*Ib.

So, in this way, this circuit tires to stabilize any change in the collector current.

But let's do the DC analysis, and let's understand how well the circuit is able to stabilize

the operating point.

And first of all, let's mark all the currents in the circuit.

Now, the first thing if you notice over here, the current through the resistor Rc is equal

to Ic'.

And it is the summation of the base current and the collector current.

And here, this collector current Ic is equal to β*Ib.

So, if the value of β is very high, in that case, this collector current is much larger than

the base current.

And due to that, in this expression, we can neglect the base current.

Or approximately we can say that this current Ic' is equal to Ic.

So, now we can say that the current through the resistor Rc is equal to Ic, while the

current through the resistor Rb is equal to Ib.

And the voltage between this base and the emitter terminal is equal to Vbe.

So, now to find the base current, let's apply the KVL on the input side.

So, applying the KVL, we can write, voltage Vcc, minus Ic*Rc, that is the voltage drop

across this resistor Rc, minus Ib*Rb, minus Vbe, that is the voltage drop between this

base and the emitter terminal, is equal to 0.

That means voltage Vcc- Vbe = Ib*Rb + Ic*Rc.

Now, we know that the collector current Ic is equal to β* Ib.

So, we can write this expression as voltage Vcc - Vbe = Ib*Rb + β*Ib*Rc.

Or we can say that the base current Ib is equal to voltage

Vcc - Vbe / (Rb +β*Rc) So, this will be the expression of the base

current.

And we know that the collector current Ic can be given as β*Ib.

So, once we know the value of this collector current, then by applying the KVL on this

output side, we can find the value of the voltage Vce.

So, applying the KVL we can write, voltage Vcc- Ic*Rc, that is the drop across this resistor

Rc, minus voltage Vce, that is equal to zero.

Or we can say that this voltage Vce is equal to Vcc - Ic*Rc.

And in this way, we got the expressions for the base current, the collector current, and

the voltage Vce for the given configuration.

Now, although through the negative feedback, this circuit tries to stabilize the operating

point, but here there isn't enough negative feedback.

So, to improve the stability, the additional feedback can be applied through the emitter

resistor.

So, this circuit is the collector feedback bias with the emitter resistor.

And this circuit is also known as the collector and the emitter feedback bias.

So, now let's find the expressions for the collector current and the voltage Vce.

And for that, first of all, let's mark the currents in the given circuit.

Now, once again here the current through the resistor Rc is equal to Rc'.

And this current Ic' is equal to Ic +Ib.

But as I said earlier, we can approximately say that this current Ic' is equal to Ic.

Similarly, here we are assuming that this collector current is approximately equal to

emitter current.

So, considering that now let's find the expression of the base current.

And for that, now let's apply the KVL on this input side.

So, applying the KVL we can write, voltage Vcc - Ic*Rc, that is the drop across this

resistor Rc, minus Ib*Rb, minus voltage Vbe, minus Ie*Re, that is the drop across this

resistor Re, that is equal to 0.

Now, here we are assuming that this emitter current and the collector current are almost

the same.

So, we can replace this emitter current with the collector current.

And we can write this expression as voltage Vcc - Vbe = Ib*Rb + Ic*(Rc + Re)

And here this collector current Ic can be given as β*Ib.

So, from this, we can say that, voltage Vcc - Vbe = Ib*Rb + β*Ib*(Rc +Re)

Or we can say that the base current Ib is equal to voltage Vcc - Vbe / (Rb +β*(Rc +Re))

So, this will be the expression of the base current.

And we know that this collector current Ic is equal to β*Ib.

So, in this way, we can also find the collector current.

And once we know the value of this collector current, then we can easily find this voltage

Vce.

And for that let's apply the KVL on this output side.

So, applying the KVL we can write, voltage Vcc - (Ic*Rc) - Vce, that is the drop between

these two terminals, minus Ie*Re, that is equal to 0.

Or we can say that voltage Vce is equal to Vcc - Ic*(Rc +Re).

so, this will be the expression of the voltage Vce.

So, in this way, we got the values of the base current, the collector current, and the

voltage Vce.

Now, here if you observe, the value of Rb is much less than this term, that is the β*(Rb

+ Re), in that case, this resistor Rb can be neglected.

And in that case, this base current Ib can be given as Vcc - Vbe / β*(Rc + Re)

And as the collector current Ic is equal to β*Ib, so this β will get cancel out.

And due to that, this current Ic will become independent of the value of β.

That means whenever this condition is satisfied then this collector current Ic will become

independent of the variation in the β.

But practically, to operate this BJT in the linear region, it is not possible to make

the value of Rb very small.

And it will get clear to you, once we go through the example.

And in that example, we will also see, how the operating point of the circuit changes,

if there is a variation in the β.

So, let's take one example.

So, in this example, first of all, let's find the value of the collector current and the

voltage Vce.

And for that, first of all, let's find the value of the base current using this expression.

So, we can say that the base current is equal to 12V - 0.7 V/ (300 kΩ + 50(4.7 kΩ + 1

kΩ)) And that is equal to 19.

6 uA.

So, this will be the value of the base current.

And the collector current Ic can be given as β*Ib.

That means this collector current Ic is equal to (50*19.6 uA).

And that is equal to 0.965 mA.

And once we get the value of this collector current, then using this expression we can

find the value of the voltage Vce.

So, this voltage Vce can be given as 12V - (0.965 mA)(4.7 kΩ + 1 kΩ)

And that is equal to 6.5 V.

So, in this way, the value of the collector current Ic is equal to 0.965 mA, while the

value of the voltage Vce is equal to 6.5V. And if you see over here, on the load line,

the operating point would be somewhere around here.

Because here, the maximum value of the voltage Vce could be equal to 12V, while the maximum

collector current is equal to 12V / 5.7 kΩ.

That is equal to 2.1 mA.

Now, in the same circuit, let's see what happens when the value of the β increases to 100.

So, once again let's find the value of the base current using this expression.

That means the base current Ib can be given as 12V - 0.7V / (300 kΩ + 100 (5.7 kΩ))

And if we calculate the value, then this base current Ib is equal to 12.98 uA.

And the collector current Ic is equal to β*Ib.

That means this collector current Ic is equal to (100* 12.98uA)

That is equal to 1.298 mA.

Or roughly we can say that it is equal to 1.3 mA.

And once we know the value of this collector current, then using this expression we can

find the value of the voltage Vce.

So, this voltage Vce is equal to 12V - (1.3 mA* 5.7 kΩ), which is the summation of this

4.7kΩ and 1 kΩ.

So, if we calculate the value, then this voltage Vce will come out as 4.6 V.

That means now, due to the change in the value of β, the voltage Vce has become 4.6 V, while

the value of the collector current Ic has become 1.3 mA.

That means with the increase in the value of β by 100 percent, this collector current

has increased by roughly 30 percent, while the value of the voltage Vce is roughly reduced

by 34 %. That means we can say that, although this

collector feedback provides the improved performance over the fixed bias configuration, but still

there is a variation in the operating point.

Now, if you notice over here, in this example, this condition that is Rb is much less than

β* (Rc +Re)is not satisfied.

Because over here, the value of Rb is 300 kΩ, while the value of β* (Rc +Re) is equal

to 570 kΩ, considering the value of beta is equal to 100.

And if we consider the value of beta as 50, in that case, this term will be equal to 285

kΩ.

But to satisfy this condition, suppose if we reduce the value of Rb by 10 times or increase

the value of this Rc and Re by 10 times, in that case, the operating point would go near

the saturation.

And we are no longer able to use this BJT as an amplifier.

And even you can try it by yourself.

So, try to get the operating point whenever the value of Rb is equal to 30 kΩ.

So, in conclusion, this configuration provides a slight improvement in stability, but still,

there is a variation in the operating point due to the external parameters.

And when someone requires a very stable operating point, then one should prefer a voltage divider

configuration over the other configurations.

Becuase by properly selecting the values, that configuration provides better stability.

And that is why it is the widely used biasing configuration.

So, in the next couple of videos, we will talk more about the stability.

But I hope in this video, you understood the collector feedback biasing configuration of

the BJT.

So, if you have any questions or suggestions, do let me know here in the comment section

below.

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