Transistores bipolares de junção (TBJ)

- Eletrônica Analógica 1 -
Capítulo 2: Fundamentos dos transistores
bipolares de junção (TBJ)
Sumário
Parta A – Introdução ao TBJ e sua operação
1 – Física do TBJ
2 – Tipos de ligação do TBJ
2.1 – Configuração base-comum
2.2 – Configuração emissor comum
3 – A reta de carga
Parta B – Polarização e Análise DC
4 - Polarização da base (fixa)
5 - Polarização do emissor
6 - Polarização por divisor de tensão
7 – Polarização com realimentação de tensão
Parta C – Amplificação e Análise CA
8 – Modelagem CA do TBJ
9 - Análise CA da polarização da base
10 - Análise CA do divisor de tensão
11 - Análise CA da polarização do emissor
12 - Análise CA do seguidor de emissor
13 - Análise CA do base comum
14 - Análise CA do realimentação do coletor
Parte D – Ligações multiestágios e efeitos de impedância
Parte E – Amplificação de potência
2
Parte A
Introdução ao TBJ e sua operação
3
1 – Física do TBJ
• Transistor npn e pnp e os diodos
4
• As correntes no transistor
I E  IC  I B
Convencional
Real
5
2 - Tipos de ligação do TBJ
Base-comum
Emissor-comum
Coletor-comum
6
• Visão geral:
– Separar CA de CC (teorema superposição)
7
• Como acontece a amplificação ?
Polarização CC omitida
• A amplificação aconteceu porque “transferiu” a corrente de um
circuito de baixa resistência para um de alta resistência
TRANSFERÊNCIA + RESISTOR = TRANSISTOR
8
• Vamos pensar um pouco?
9
Configuração em base-comum
10
• Observações gerais sobre o base-comum:
– IC ≈ IE
– Para o base-comum temos o parâmetro:
𝐼𝑐
𝛼=
→1
𝐼𝑒
– Quando IE=0 tem-se uma corrente ICBO≈µA/nA
– Na região ativa para o base-comum
• Polarizar diretamente BASE-EMISSOR
• Polarizar reversamente BASE-COLETOR
– Modelo simplificado
• (IC ≈ IE e IB ≈ 0mA)
11
Configuração emissor-comum
12
• Βcc
hFE   cc 
IC
IB
• βca
h fe   ca 
I C
I B
VCB  con tan te
• ponto Q
13
3 - A reta de carga
• Como se dá a amplificação?
14
• Variações da reta de carga e Q
Variações de Rc
Variações de IB
Variações de Vcc
15
• Região ativa
16
• Variações de Q segundo β:
– Considere o circuito abaixo de um β =100
– Considere um β variando entre 50 e 150
17
• Corte
•
•
•
•
IB=0 e IC≈0
Ambos diodos REVERSAMENTE polarizados
Resistência entre coletor e emissor infinita!
Máximo VCE possível
• Saturação
• Ambos diodos DIRETAMENTE polarizados!
• Máxima corrente possível para o coletor
– Resistência zero entre coletor e emissor
• Eletrônica analógica x digital
18
• Identificação da saturação
– Observe o valor do ganho de corrente!
19
• Saturação forte: existe IB mais do que suficiente
para saturar o transistor
20
• Tempos do transistor no corte/saturação
21
• O fototransistor
– Mais sensível a luz que o fotodiodo
22
• Análise de datasheets:
– Ver arquivos anexos dos transistores BC337/338 e
2N4123 ou consultar os endereços:
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/2N/2N4123.pdf
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/BC337-D.PDF
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/BC/BC337.pdf
23
Parte B
Polarizações
(análise D.C.)
24
4 - Polarização da base (fixa)
• Mais simples
• Mais usado no corte/saturação
– Muito sensível a β
25
Exercício:
Polarize um transistor na configuração “polarização da base” a partir
do gráfico do transistor abaixo:
a) Desenhe a reta de carga da sua
polarização
b) Escolha um ponto de operação e
indique ICQ e VCEQ.
c) Quanto vale β e α no ponto Q?
d) Qual a corrente de saturação neste
proj.?
e) Qual a potência CC dissipada pelo
transistor? E pela fonte ? E pelos
demais componentes ?
26
5 - Polarização do emissor
– Ponto Q mais estável
– Polarização base: corrente fixa na base
– Polarização emissor: corrente fixa no emissor
• Cadê resistência da base ?
– Menor efeito de β pois:
IC 
 cc
 cc  1
IE
27
Exemplo: acionador de LED
– Polarização da base fortemente saturado
– Polarização emissor
• Independe da queda de tensão no LED
28
Exercício:
Polarize um transistor na configuração “polarização da base” a partir
do gráfico do transistor abaixo:2N4123
29
• Tarefas para casa
– “Obrigatórios”:
• Polarização da base: 4.1, 4.5
• Polarização do emissor: 4.10, 4.11
– Treino:
• Polarização da base: 4.2, 4.3, 4.4
• Polarização do emissor: 4.6, 4.7, 4.8
*Considerando o livro-texto do Boylestad, 8ª ed (capa azul)
30
6 - Polarização por divisor de tensão
• Maior estabilidade Q que modelos anteriores
IB 
ETH  VBE
RTH  (   1) RE
31
Exercício:
Calcule IC, VE, VCC, VCE, VB, R1
32
• Forma alternativa: análise aproximada
– Condição para aplicação desta análise
RE  10R2
33
7 – Polarização com realimentação de tensão
IB 
VCC  VBE
RB   ( RC  RE )
• Melhor estabilização de Q
– praticamente independente de β
– Formato geral para IB e IC
IB 
V'
RB  R'
V '
V'
IC 

RB  R'
R'
34
Exercício:
Determine os valores de IC, VC, VE, e VCE
35
Exercício:
Calcule IE, VC e VCE
36
Exercício:
Projete usando os parâmetros da figura
37
Exercício:
Projete R1, R2, RC e RE para o circuito indicado
abaixo. Note que no mesmo já foi indicado um
ponto Q.
38
Exercício:
Um microcontrolador deve acionar um LED em sua saída. Considere que este
microcontrolador trabalha com a tensão de 3,3V. A partir da análise dos gráficos do
LED abaixo, determine como deve ser feito este acionamento sabendo que
microcontroladores geralmente não podem fornecer mais do que 10mA por pino.
39
Exercício:
Determine VC e IB na figura abaixo.
40
• Tarefas para casa
– “Obrigatórios”:
• Polarização divisor tensão: 4.12, 4.13, 4.16 e 4.21.
• Polarização realimentação tensão: 4.22, 4.26
• Polarização mista: 4.28, 4.29, 4.30, 4.31, 4.35, 4.36
*Considerando o livro-texto do Boylestad, 8ª ed (capa azul)
41
Parte C
Amplificação
(análise A.C.)
42
8 – Modelagem CA do TBJ
• Modelagem:
– Modelo re
• Análise CA
– fontes CC e capacitores curto-circuitados
43
• Distorção
44
• Impedância de entrada:
– Importância de Zi
Vi
Zi 
Ii
45
• Impedância de saída
• Ganho de tensão
Vo
Av 
Vi
AvNL
Vo

Vi
RL  
46
Exemplo : Para o esquema abaixo, determine Vi, Zi, Av
Io
• Ganho de corrente: Ai 
Ii
• Outro exemplo:
47
• Capacitores de acoplamento
– Transmitir sinais CA isolando CC (geralmente ligado em série)
– Desviar sinais CA para o terra (geralmente ligado em paralelo)
1
XC 
2fC
– XC < 0,1.R onde R = resistência total em série com o capacitor
48
• OVERVIEW: Configurações e circuitos para o TBJ
Polarização fixa
(ou da base)
Polarização divisor de tensão
Seguidor de emissor
Base comum
Polarização do emissor
Realimentação do
coletor 49
9 - Análise CA da polarização da base
Z i  RB re
Z o  RC ro
Av 
RC ro
re
Z i  re
Z o  RC
RC
Av 
re
IO
RB ro
Ai 


I i (ro  RC )( RB  re )
r0  RC
50
Exemplo: Para o circuito abaixo determine ZI, ZO, AV,
AI. Repita os cálculos para ro=20 k ohms
51
Exercício: para o circuito da Figura abaixo,
determine VCC para um ganho de tensão de 200
vezes.
52
10 - Análise CA do divisor de tensão
Z i  R1 R2 re
Z o  RC ro
Av 
RC ro
re
Z o  RC
RC
Av 
re
r0  RC
 ( R1 R2 )ro
 ( R1 R2 )
IO
Ai 



I i (ro  RC )( R1 R2  re ) ( R1 R2 )  re
53
Exemplo: para o circuito ao lado
determine Zi, Zo, Av e Ai.
Exercício: para o circuito ao lado
determine Zi, Av, VB e VC.
54
11 - Análise CA da polarização do emissor
Z i  RB Z b
Onde:
Z b  re  (   1) RE
Z o  RC
Vo RC
RC
RC
Av 



Vi
Zb
re  RE RE
Io
RB
Ai  
I i RB  Z b
55
Exemplo: para o circuito da figura ao
lado determine Zi, Z0, Av e Ai
Exercício: para o circuito da figura ao
lado determine Zi, Z0, Av e Ai
56
12 - Análise CA do seguidor de emissor
• Saída no emissor do transistor
– Av≈1 (somente queda no diodo base-emissor)
– Não há inversão de fase
– Casamento de impedância
Z i  RB Z b
Onde:
Z b  re  (   1) RE  RE
Z o  RE re
Vo
RE
Av 

Vi RE  re
Ai 
Io
RB

I i RB  Z b
57
Exemplo: determine Zi, Zo, Av e Ai
Exercício: determine IB, IC, Zi, Zo, Av e Ai
58
13 - Análise CA do base comum
Z i  RE re
Vo RC RC
Av  

Vi
re
re
Z o  RC
Io
Ai     1
Ii
59
Exemplo: determine Zi, Zo, Av e
Ai da figura ao lado.
Exercício: determine Zi, Zo, Av e
Ai da figura ao lado.
60
14 - Análise CA do realimentação do coletor
Zi 
re
1
Vo RC
Av 

Vi
re
Z o  RC RF
Io
RF
RF
Ai  

I i RF  RC RC
RC

 RF
61
• Observação: no caso de uma inclusão de uma
resistência RE no emissor, as fórmulas passam a
ser:
RE
Zi 
1 ( RC  RE )


RF
Z o  RC RF
Vo RC
Av 

Vi RE
1
Ai 
1 ( RC  RE )


RF
62
Exemplo: determine Zi, Zo, Av e
Ai da figura ao lado.
Exercício: considerando que
re=10Ω, β=200, Av=160 e
Ai=19, determine RC, RF e VCC
para a figura ao lado.
63
64
65
Parte D
Ligação multi-estágios e efeitos de
impedância
66
• Considerar o sistema modelado como:
67
Exemplo: para o circuito abaixo, esboce o modelo
equivalente de 2 entradas deste circuito.
68
• Considerando os efeitos de carga:
Av 
Vo
RL

AvNL
Vi RL  RO
I o VO / RL
Ri
Ai  
 Av
I i Vi / Z i
RL
69
Exemplo: baseado no circuito da figura abaixo,
determine:
a) AvNL, Zi e Zo (esboce o modelo de 2 portas)
b) Calcule AV e AI
70
• Efeitos de impedância da fonte:
– Zi e AvNL não são afetados pela resistência interna da
fonte.
Ri
Vi 
VS
Ri  RS
VO
Ri
Avs 

AvNL
VS Ri  RS
71
Exemplo: baseado no circuito da figura abaixo,
determine:
a) AvNL, Zi e Zo (esboce o modelo de 2 portas)
b) Calcule Avs (ou seja:V0/VS)
72
• Combinação de Rs e RL
Avs 
VO VO Vi
Ri
RL
 . 
.
. AvNL
VS Vi VS Ri  RS RL  RO
Ri
Ai  Av
RL
RS  Ri
AiS  AvS
RL
73
Exemplo: baseado no circuito da figura abaixo,
determine:
a) AvNL, Zi e Zo (esboce o modelo de 2 portas)
b) Calcule Av e Avs
c) Calcule Ai
74
• Cascateamento de estágios
Avr  Av1 . Av2 . Av3 ...
Z i1
Air  Avr
RL
75
Exemplo: para o modelo abaixo, determine (i) o ganho com
carga para cada estágio, (ii) o ganho AV e (iii) Avs, (iv) o
ganho de corrente total e (v) o ganho Avs se o seguidor-deemissor for removido
Exemplo: Projete o circuito do diagrama abaixo.
76
Parte E
Amplificação de potência
77
• Amplificação
– Pequeno sinal: linearidade e ganho tensão
– Grandes sinais: ganho de potência
• Eficácia dê potência, casamento de impedância
• Classificação
– Classe A: 360º (sem saturação)
– Classe B: 180º (polarização cc em 0v)
– Classe C: < 180º
– Classe D: digital
78
• Eficiência do amplificador
– A: muita potência na polarização
– B: sem potência de polarização na ausência de sinal
79
• Ceifamento:
– Máxima tensão de pico (MP): min(ICQrc, VCEQ)
– Máxima tensão de pico-a-pico = 2MP
– Para um bom projeto: ICQrc = VCEQ
80
Amplificador classe A
• Potência de entrada: Pi (cc)  Vcc I C
• Potência de saída:
Q
Valores eficazes
Po (ca)  Vce I C
Valores de pico
Vce I C
Po (ca) 
2
Po (ca)  I R
I C2
Po (ca)  R
2
VC2
Po (ca) 
R
2
VCE
Po (ca) 
2R
2
C
Valores pico-a-pico
Vce I C
Po (ca) 
8
I C2
Po (ca)  R
8
2
VCE
Po (ca) 
8R
81
• Eficiência:
Po (ca)

Pi (cc)
Exemplo: Calcule a potência de entrada e saída para o
circuito da figura abaixo. O sinal de entrada resulta em
uma corrente de base de 5mA rms.
82
Amplificador classe B
• Praticamente não é polarizado
– Conduz corrente somente um semi-ciclo do sinal
• 2 transistores: push-pull
– Cada um conduz um pedaço de semi-ciclo
83
• Distorção de cruzamento
84
• Classe B com seguidor de emissor simétrico
85
• Dissipador para transistor de potência
86
Conexão Darlington
• Ganho de corrente = β1β2
• Impedância de entrada muito alta
• VBE_darlington = 2VBE
87