BJT - IPS
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Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O transistor de junção bipolar (BJT) E C n • Bipolar – dois tipos de cargas, electrões e buracos, envolvidos nos fluxos de corrente p n Emissor Colector B • Junção – duas junções pn. Junção base/emissor e junção base/colector Base E • Tipos – tipos NPN e PNP. C p n p Emissor Colector • Terminais – Base, Emissor e Colector B Base • Símbolos - NPN Colector Base Emissor PNP Base Emissor Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Colector Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Fluxos de corrente num transistor npn operando na ZAD Injecção de electrões E C Injecção de buracos n p n iE iC • A junção Emissor/Base é directamente iB B polarizada • A junção Base/Colector é inversamente polarizada VCB VBE • A espessura da região da base é tipicamente 150 vezes inferior à espessura do dispositivo. • E de portadores minoritários • A polarização directa da junção (buracos) da base para o emissor base/emissor causa um fluxo de portadores maioritários (electrões) da • A soma destes dois fluxos conduz à corrente de emissor IE. região n para a região p. Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Fluxos de corrente num transistor npn operando na ZAD Injecção de electrões E C Injecção de buracos n • O transistor é construído de tal forma que praticamente toda a corrente é constituída pelo fluxo de electrões do emissor para a base. A região do emissor é muito mais fortemente dopada do que a região da base. • A região da base é muito fina comparada com a espessura das regiões do emissor e do colector. Os electrões que fluem do emissor para a base, atravessam esta região e são atraídos para o colector, n p iE iB VBE iC B VCB antes de haver tempo para a recombinação com os buracos na base. A corrente no colector é da mesma ordem de grandeza da corrente no emissor. Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Fluxos de corrente num transistor pnp operando na ZAD Injecção de buracos E C Injecção de electrões p • O transistor PNP opera de forma semelhante ao descrito para o transistor NPN iE • A tensão VEB polariza directamente a junção EB. A tensão VBC polariza inversamente a junção CB. p n iB VEB iC B VBC • No transistor PNP as correntes são sobretudo devidas a correntes de buracos. • As correntes de difusão de electrões livres da base para o emissor são muito pequenas em comparação com as correntes de buracos em sentido contrário. • A região do emissor, tal como no transistor NPN, é muito mais fortemente dopada do que a região da base. A espessura da base é muita pequena em comparação com as dimensões do dispositivo. Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Transistor de junção bipolar (BJT) (convenções) C vCB B iC iB vEB vCE vBE E iE B iB vEC vBC iC E NPN iE C PNP • Os sentidos de referência adoptados para tensões e correntes aos terminais do transistor são escolhidos de tal modo que, para o funcionamento na zona activa directa, as correntes são positivas. • O funcionamento dos dois tipos de transistores é muito semelhante; quando se passa de um para outro, todos os resultados se mantêm se se trocarem os sentidos das tensões e correntes. Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Transistor de junção bipolar (BJT) (modos de operação) Modo de operação Junção EB Junção CB Aplicações Zona Activa Directa (ZAD) Polarizada directamente Polarizada inversamente Amplificadores Zona de Corte (ZC) Polarizada inversamente Zona de Saturação (ZS) Polarizada directamente Polarizada inversamente Polarizada directamente Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Interruptores Portas lógicas Circuitos TTL Etc.. Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Transistor de junção bipolar (NPN) (Equações - resumo) • Zona Activa Directa (ZAD) iC = â . i B i C = á .i E v BE ≅ v BE on v CE > V CE sat i E = ( â + 1). i B â e iC = .i E â +1 = 0 , 7V e • Zona de Saturação (ZS) iC < â . i B v BE ≅ v BE on = 0 , 7 V v CE = V CE sat ≅ 0 , 2 V • Zona de Corte (ZC) i B = iC = i E = 0 v BE < 0 , 7 V Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Transistor de junção bipolar (NPN) Modelos para sinais fortes C ISe B C iC vBE VT α.iE iB iB B vBE vBE iE iE E E a) Fonte de corrente controlada por tensão iC iB B iC vBE IS e b) Fonte de corrente controlada por corrente C vBE VT vBE iE C β.i B iE E c) Fonte de corrente controlada por tensão iC iB B E d) Fonte de corrente controlada por corrente Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Transistor de junção bipolar (PNP) Modelos para sinais fortes E E iE vEB B iB B iB vEB α.iE IS e V T iC iC C C a) Fonte de corrente controlada por tensão b) Fonte de corrente controlada por corrente E E iE B iE vEB iE vEB ISe iB iC v BE VT B C c) Fonte de corrente controlada por tensão vEB β.iB iB iC C d) Fonte de corrente controlada por corrente Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Curvas características do BJT (npn) iB=f(vBE) para vCE constante T1 T2 T3 iB iB T 1>T 2>T 3 iC i C = I S . exp( iB= v BE ) VT IS v . exp( BE ) β VT 0,5 0,5 0,8 0,8 vBE vBE Habitualmente considera-se VBE=VBEon≅ 0,7V Efeito da temperatura na característica iB-vBE de um transistor npn. vBE decresce aproximadamente 2mV/ºC. Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Curvas características do BJT (npn) iC=f(vCE) para iB constante Zona de saturação iC VBE .. i B=. iC Zona activa directa i B=... VCE i B=... iB=... iB=... vCE -V A VA – tensão de Early Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Zona de corte Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Análise de circuitos dc com o BJT (npn) - (Recta de carga estática) RC 5kΩ RB Da malha de saída tem-se: 330kΩ VBB − VCC + R C I C + VCE = 0 IC = VCC − VCE RC ou IC = − 4V 1 VCC + RC RC Equação de uma recta, em que: C IB IC VBB +10V B E IE .. i B=. iC VCC RC iB=... para I C = 0 ==> VCE = VCC para VCE = 0 ==> I C = VCC RC ICQ PFR iB=... (1mA) PFR - ponto de funcionamento em repouso iB=... PFR (VCEQ , I CQ ) VCEQ (5V) Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores iB=10µA VCC vCE Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Transistor de junção bipolar (NPN) (Exemplos) β=100 VBEon=0,7V +10V RC 5kΩ RB VB +10V +10V C iB iC VB B 330kΩ RB 100kΩ RC 2,7kΩ 5kΩ C iB iE iC C iC B B E 5V E 4V RC RE 3,3kΩ E iE iE RE 10kΩ -10V a) b) Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores c) Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Transistor de junção bipolar (PNP) (Exemplos) β=100 VEBon=0,7V +10V E iB RB VB +10V +10V C 6V iE RC iC 10kΩ 3,3kΩ RB B 330kΩ RE RE VB 100kΩ E iB E iE B B C 5V RC 5kΩ iE 2,7kΩ C iC iC RC 5kΩ -10V a) b) Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores c) Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Análise de circuitos dc com o transistor de junção bipolar (npn) - (Exemplo) 1. Malha de entrada − V BB + R B .I B + V BEon = 0 IB = V BB − VBEon RB IB = 4 − 0, 7 = 10 µ A 330 k 3. Malha de saída − VCC + R C .I C + VCE = 0 VCE = VCC − R C .I C VCE = 10 − 5k.1m VCE = 5V RC 5kΩ IB RB 2. Equações do BJT I C = β.I B I C = 100 .10µA = 1mA VBB I E = I C + I B = (β + 1).I B 4V C IC IC VBB +10V B 330kΩ E IB IE I E = 101 .10µA = 1,01mA I E ≅ 1mA Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Exemplos de polarização dc de circuitos com BJT’s VCC RC RB iB C B E iC iE V CC IC RC RB V CC C IB B V BE V CE E Malha Base-Emissor − VCC + I B R B + VBE = 0 V − VCE I B = CC RB E Malha Colector-Emissor I C = β.I B Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores − VCC + I C R C + VCE = 0 VCE = VCC − I C R C Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Exemplos de polarização dc de circuitos com BJT’s (polarização por divisor de tensão) V CC RC R B1 iB C B R B2 V CC E RC iC iE R TH V TH IB C B V BE E R TH = R B1 // R B2 VTH = Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores R B2 .VCC R B1 + R B2 Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Polarização por divisor de tensão (equivalente de Thévenin da malha Base-Emissor) VCC RB1 RTH VTH RB2 VTH R B2 = .VCC R B1 + R B2 ∧ R TH = R B1 / / R B2 Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Polarização por divisor de tensão e resistência no Emissor VCC RC RC RB1 C V TH E V BE IB RE − VTH + R TH I B + VBEon + R E IE = 0 − VTH + R TH I B + VBEon + (β + 1)R E I B = 0 IB = V CC R TH B RB2 IC VTH − VBEon R TH + (β + 1)R E V BE RE IC = β.IB IE = ( β + 1).IB Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores A introdução de uma resistência no emissor traduz-se em circuitos com boa estabilidade do seu ponto de funcionamento em repouso (PFR) e faz com que a corrente IC seja praticamente independente do valor de b e a corrente IB praticamente independente de RB. − VCC + R CI C + VCE + R E I E = 0 VCE = VCC − R C I C − R E IE VCE ≅ VCC − (R C + R E ).IC Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Polarização com resistência de rectroacção colector-base e resistência no emissor VCC RB RC RC VCC RB RC VCC RB VCE VBE RE − VCC + R C ( I C + I B ) + R B I B + VBE + R E I E = 0 − VCC + (β + 1) R C I B ) + R B I B + VBE + (β + 1) R E I B = 0 IB = RE I C = β.I B VCC − VBE R B + (β + 1) R C + (β + 1) R E Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores RE − VCC + R C ( I C + I B ) + VCE + R E I E = 0 − VCC + R C I E + VCE + R E I E = 0 VCE = VCC − ( R C + R E ) I E Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Polarização com duas fontes de tensão V CC RC RC RB IB RB RE V EE RE V CC RE V EE -V EE R B I B + VBEon + (β + 1) R E I B − VEE = 0 IB = VEE − VBEon R B + (β + 1) R E I C = β.I B Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores − VCC + R C I C + VCE + R E I E − VEE = 0 VCE = VCC + VEE − R C IC − R E I E Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Polarização com fonte de corrente V CC RC RC V CB V CC RB RB I -V EE IE = I I C = α.IE ≅ IE IB = IE β +1 Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores − VCC + R C IC + VCB + R B IB = 0 VCE VCE = VCB + VBE = VCC − R C IC − R B IB + VBE Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Verificação da zona de funcionamento de um circuito com BJT’s Hipótese: ZAD IB>0; IC =β .IB; VBE=VBEon=0,7V; VCE>VCEsat Calcular IB (malha baseemissor) IB>0 Não Sim Zona de Corte Calcular V CE IB=0; IC =0; IE=0 VBE<0,7V PFR(V CE, 0) (malha colectoremissor) Não VCE>VCEsat Sim Zona Activa Directa PFR(V CEQ,ICQ) Zona de Saturação VCE=VCEsat =0,2V PFR(V CEsat ,ICsat ) • Parte-se da hipótese que o BJT está na ZAD; • Calcula-se IB a partir da malha de entrada, ou base-emissor; • Se o valor obtido para IB for nulo ou negativo conclui-se que o BJT está na ZC - Zona de Corte; IB=0; IC=0 e IE=0; o VBE é inferior a 0,7V. • Se o valor de IB for positivo calculamos IC=βIB e calculamos VCE a partir da malha colectoremissor. • Se o valor obtido para VCE for inferior ou igual a VCEsat, concluímos que o BJT está na ZS- Zona de saturação. VCE=VCEsat e há que calcular ICsat da malha de saída (IC≠βIB). • Se o valor de VCE for superior a VCEsat, então o BJT encontra-se mesmo na ZAD e VCEQ e ICQ são os obtidos nos cálculos anteriores. Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Funcionamento do BJT no corte e saturação Zona de Corte : Vi < 0,7V V − VBEon IB = i < 0 ⇔ Vi − 0,7 < 0 RB IB = 0 ∧ IC = 0 5V iC 0 < Vi < 5V RC 4k Ω Vo RB = 100k Ω Vi iB Zona de Saturação : Vi > 1,9 V ICsat = VCC − VCEsat 5 − 0,2 = = 1,2 mA RC 4k Vo(V) Corte 5 I Csat 1,2mA = = 12µA β 100 V − 0,7 = i > 12µ A 100 k I Csat < β.I Bsat ⇒ I Bsat > Vi − VBEon RB it vca Zona a I Bsat = Vi > 100k.12µ + 0,7 = 1,9 V Saturação Zona Activa Directa : 0,7 < Vi < 1,9V Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores 0,2 0,7 1,9 5 Vi(V) Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Funcionamento do BJT no corte e saturação +10V V − VBEon 6 − 0,7 I B = BB = = 16µA (β + 1)R E 101x3,3k 4,7k Ω I C = 100.16µA = 1,6mA VCE = VCC − R C I C − R E I E VCE = 10 − 4,7k.1,6m − 3,3.1, 6m +6V VCE = −2,8V < VCEsat = 0, 2V ⇒ ZS I Csat = VCC − VCEsat − VRE 10 − 0, 2 − 5,3 = = 0,96mA RC 4, 7k I Bsat = I Esat − ICsat = 1, 6m − 0,96m = 0,64mA Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores 3,3k Ω Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador • IC Condições DC RC As condições de polarização DC obtêm-se considerando vbe=0 I C = I S exp( vBE / VT ) IB = IC / β VCC IB VCE VBE IE IE = IC / α VCE = VCC − RC I C Condições DC; vbe=0 • Sobreposição de um sinal AC à tensão DC Se for aplicada uma tensão AC de valor vbe, a tensão vBE, valor total instantâneo, é: iC RC vBE = VBE + vbe Da mesma forma tem-se para a corrente iC: iC = I S exp( vBE / VT ) = I S exp[( VBE + vbe ) / VT ] = V CC iB v be V BE vBE V CE iE I S exp( VBE / VT ).exp( vbe / VT ) = I C exp( vbe / VT ) Condições AC; vbe≠0 Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador Utilizando a aproximação ex ≅ 1 + x Se vbe << VT tem − se exp( se x << 1 vbe v ) ≅ 1 + be VT VT IC vbe = IC + g m vbe VT I tem − se ic = C .vbe VT iC = I C ( 1 + vbe / VT ) = IC + como iC = I C + ic Define − se gm = ic I = C vbe VT gm é designado por transcondutância Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores iC I C 1 I C = + vbe β β β VT 1I g ib = C vbe = m vbe β VT β iB = rπ = vbe β = ib gm ib = 1 IC g vbe = m vbe β VT β ou rπ = VT IB Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador iC iC IC PFR t vBE VBE Operação de um transistor em sinais fracos: um sinal fraco vbe com a forma sinusoidal sobrepõe-se à tensão VBE, o que dá origem a uma corrente no colector em AC, ic, também de forma sinusoidal que se sobrepõe à corrente DC, IC; ic=gm.vbe. vbe t Electrónica II - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Fevereiro de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – modelos para sinais pequenos • O modelo π-híbrido B ic ib vbe rπ ic = g mvbe B vbe g mvbe ie a) C com gm = IC VT ou ic = β.i b e ib = v be rπ C β.i b rπ ie b) E ic ib E com rπ = VT IB As figuras a) e b) representam duas versões ligeiramente diferentes do modelo π-híbrido simplificado do transistor de junção bipolar operando com sinais pequenos: • Em a) o BJT é representado por uma fonte de corrente controlada por tensão [amplificador de transcondutância] • Em b) o BJT é representado por uma fonte de corrente controlada por corrente [amplificador de corrente] Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – modelos para sinais pequenos C • O modelo em T ic = g mvbe com gm = IC VT B ou ic = α .ie com ie = e re = VT IE vbe re g mvbe ib B vbe a) C ic E ie α.ie ib vbe re ic ie re E b) As figuras a) e b) representam duas versões ligeiramente diferentes do modelo em T simplificado do transistor de junção bipolar operando com sinais pequenos: • Em a) o BJT é representado por uma fonte de corrente controlada por tensão [amplificador de transcondutância] • Em b) o BJT é representado por uma fonte de corrente controlada por corrente [amplificador de corrente] • Estes modelos explicitam a resistência de emissor re em vez da resistência de base rπ tal como aparecia nos modelos π-híbrido Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – modelos para sinais pequenos • Modelo π-híbrido incluindo o efeito de Early iC i B=.. . i B=.. . B ic ib vbe rπ gmvbe ie vbe VA ro E ic ib B β.ib rπ ie C E ro C i B=.. . i B=.. iB.=.. . v C E Fazendo incluir o efeito de Early nos modelos π-híbrido, ele traduz-se pela inclusão de uma resistência ro, de valor aproximado VA/IC, entre o colector e o emissor. VA ro ≅ IC Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – Parâmetros dos modelos para sinais pequenos • Em termos das condições DC gm = IC VT rπ = VT βVT = IB IC re = VT IE ro = VA IC • Em termos do parâmetro gm re = α 1 ≅ gm gm rπ = β gm • Em termos do parâmetro re gm = α 1 ≅ re re rπ = ( β + 1 )re gm + 1 1 = rπ re • Relação entre os parâmetros α e β β= α 1−α α= β β+1 Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores β+1= 1 1− α Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – ganho de tensão iC A tensão total instantânea no colector do transistor, vCE, é: RC VCC iB vCE = VCC − iC RC = VCC − ( I C + ic )RC = = ( VCC − I C RC ) − ic RC = = VCE + vce vbe VCE vBE VBE iE Donde se conclui vce = −ic RC Como ou ic = g mvbe tem − se : vce = − g m RC vbe vce = − g m RC vbe Ganho de tensão Av = − g m RC ic = β ib Como e vce = −β.RC ib = ou ib = tem − se : − β.RC vbe rπ vce β.RC =− vbe rπ Ganho de tensão Av = − Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores vbe rπ β.RC rπ Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – análise de circuitos em ac • Determinar o ponto de funcionamento em repouso do transistor e, em particular, o valor da corrente de colector, IC. Esta análise é feita considerando apenas as fontes de tensão e corrente dc e substituindo os condensadores por circuitos em aberto. • Calcular o valor dos parâmetros necessários para os modelos incrementais, para pequenos sinais: gm = IC , VT rπ = VT , IB re = VT , IE etc. • Representar o esquema incremental equivalente do circuito amplificador, substituindo as fontes de tensão dc independentes por curto-circuitos e as fontes de corrente dc independentes por circuitos em aberto. • Substituir cada um dos condensadores de bloqueamento e contorno por um curto-circuito. • Substituir o transistor por um dos modelos equivalentes para pequenos sinais. Utilizar-se-á o modelo que se entenda por mais conveniente para a análise da configuração em questão. • Analisar o circuito resultante de acordo com as leis e regras da teoria dos circuitos, por forma a obter o ganho de tensão, o ganho de corrente, a resitência de entrada, etc.. Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – exemplo VCC=+12V Pretende-se determinar o ganho de tensão do amplificador representado na figura; β=100. • Determinemos em primeiro lugar o ponto de funcionamento em repouso, fazendo vi=0. VBB − VBEon 3 − 0,7 = = 0,023mA RB 100k IC = β.IB = 100.0,023m = 2,3mA VCE = VCC − R C I C = 15 − 5k.2,3m = 3,5V Transistor na ZAD : PFR(3,5V;2,3mA) IB = RC=5kΩ RB vi vo 100kΩ VBB 3V VCC=+12V • Calculemos agora os parâmetros para os modelos para sinais pequenos VT 25m = = 1087Ω I B 0,023m V 25m re = T = = 10,8Ω IE 2,32m I 2,3m gm = C = = 92mA / V VT 25m RC= 5kΩ RB rπ = Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores VBB 100kΩ 0,7V 3V Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – exemplo (cont.) VCC=+15V • Utilizemos o modelo π-híbrido do transistor, utilizando o parâmetro β, mas sem ro, e substituamos o circuito pelo seu equivalente incremental. R C=5kΩ RB vi Da análise do circuito temos: vo = − RCic = − RCβ.ib vi vi ib = ⇒ vo = −β.RC rπ + RB rπ + RB v β.RC Av = o = − vi rπ + RB 100 x5 k Av = − = −4 ,95 1,087 k + 100k vo 100kΩ VBB 3V RB vi B ic ib vbe rπ ie O sinal (–) no ganho de tensão representa a inversão de fase do sinal na saída em relação ao sinal na entrada Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores β.i b C RC E Circuito equivalente incremental Luís Veríssimo, Abril de 2002 vo Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) O BJT como amplificador – configurações base Consideram-se três configurações base para circuitos amplificadores com o transistor de junção bipolar: § Configuração em emissor comum § Emissor à massa em AC § Sinal de entrada entre a base e o emissor § Sinal de saída entre o colector e o emisor (massa) § Configuração em colector comum • Colecotr à massa em AC • Sinal de entrada entre a base e o emissor • Sinal de saída entre o emissor e a massa § Configuração em base comum • Base à massa em AC • Sinal de entrada entre o emissor e a base • Sinal de saída entre o colector e a base (massa) Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Amplificador em Emissor-Comum V CC RS CE – condensador de contorno (bypass) Co Ci RL vs A capacidade dos condensadores de acoplamento e de contorno é suficientemente elevada para que a sua reactância se possa considerar como um curtocircuito perante as restantes impedâncias do circuito para as frequências de interesse. O circuito equivalente para pequenos sinais obtém-se substituindo o BJT pelo seu modelo equivalente π-híbrido, eliminando as fontes de tensão DC e curtocircuitando os condensadores Ci, Co e CE. RC R B1 Ci, Co – condensadores de acoplamento (bloqueiam as componentes contínuas na entrada e na saída) R B2 vo CE RE a) Configuração típica do amplificador monoestágio em Emissor – Comum com componentes discretos RS B vs Rin RB ib vbe ic rπ ie C g mvbe E RC Ro b) Circuito equivalente para pequenos sinais do amplificador em Emissor – Comum do circuito a) Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 RL vo Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Amplificador em Emissor-Comum (cont.) RS • Ganho de tensão (com gm) vo = −g mvbe RC // RL rπ // RB vbe = vS rπ // RB + RS v r // RB Av = o = −g m RC // RL . π vs rπ // RB + RS • Ganho de tensão (com β) vo = −β ib RC // RL 1 r // RB ib = . π v rπ rπ // RB + RS S v β.RC // RL r // RB Av = o = − . π vs rπ rπ // RB + RS • Resistência de entrada Ri = rπ // RB = rπ // RB 1 // RB 2 B vs Ri n ib vbe RB ic rπ ie C gmvbe RC RL Ro E vo a) Circuito equivalente incremental – modelo π-híbrido com gm, desprezando ro face a R C e R L RS B vs Ri n ib vbe RB ic rπ ie C β.ib E RC RL Ro b) Circuito equivalente incremental – modelo π-híbrido com β, desprezando ro face a R C e R L • Resistência de saída Ro = RC ou Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Ro = ro // RC Luís Veríssimo, Abril de 2002 vo Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Amplificador em Emissor-Comum (cont.) Rth • Ganho de tensão quando se substitui a malha constituída por vs, RS e R B pelo seu equivalente de Thévenin RB Rth = RB // RS ∧ vth = .v RB + RS s vth vo = −β ib RC // RL ∧ ib = rπ + Rth v β.R // RL RB Av = o = − C . vs rπ + Rth RB + RS • Ganho de tensão quando se considera o efeito de Early (ro) ib B vth vbe ic rπ ie Av = ∧ Rth v th B RC//RL vo E ib vbe vth ib = rπ + Rth vo β.( ro // RC // RL ) RB =− . vs rπ + Rth RB + RS β.ib a) Circuito equivalente para pequenos sinais substituindo a malha constituida por vs , R S e R B pelo seu equivalente de Thévenin ic rπ ie vo = −β ib ( ro // RC // RL ) C β.ib C ro RC//RL E a) Circuito equivalente para pequenos sinais quando se considera o modelo π-híbrido com o parâmetro ro . Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 vo Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Amplificador em colector comum (ou seguidor de emissor) VCC • Ganho de tensão R B1 vo = ie ( RE // RL ) = ( β + 1 )ib ( RE // R L ) vb ib = rπ + ( β + 1 )( RE // R L ) Av = RS Co vs vo ( β + 1 ).( RE // RL ) = vs rπ + ( β + 1 )( RE // RL ) Se rπ << ( β + 1 )( RE // RL ) v então Av = o ≅ 1 vs E daqui o nome de seguidor de emissor R B2 RE RL vo a) Configuração típica do amplificador em Colector–Comum ou Seguidor de Emissor com componentes discretos RS vs RB B vb rπ ib ie vbe ic β.ib E RE C • Resistência de entrada Ri = rπ + ( β + 1 )( RE // RL ) Ci b) Circuito equivalente para pequenos sinais do amplificador em Colector–Comum do circuito a) Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002 RL vo Departamento de Engenharia Electrotécnica (DEE) Amplificador em Emissor-Comum degenerado VC C RC RB 1 • Ganho de tensão vo = −βib RC // RL vo = −β.RC // RL . Av = Ci RS ∧ ib = RL vs vth Rth + rπ + ( β + 1 )RE 1 • Resistência de entrada vo RE 1 RB2 vth Rth + rπ + ( β + 1 )RE 1 CE RE2 vo β.RC // RL RB =− . vs Rth + rπ + ( β + 1 )RE 1 R B + RS Co a) Amplificador em Emissor–Comum degenerado Rth vth B ib vbe ic rπ ie Ri = ( rπ + ( β + 1 ) RE 1 ) // RB C β.ib RC//R L vo E RE1 b) Circuito equivalente para pequenos sinais do amplificador em Emissor–Comum degenerado do circuito a) Electrónica I - Cursos de Engª Electrotécnica e Engª de Electrónica e Computadores Luís Veríssimo, Abril de 2002
