Transistor-2 - corradi.junior.nom.br

O TJB como amplificador
Livro texto, item 4.7. – adaptação – Prof. Corradi
Para operar como amplificador  transistor
polarizado na região ativa.
Polarização  estabelecer uma corrente cc
constante no emissor (ou no coletor).
 Esta corrente deve ser previsível e insensível às
variações de temperatura, valores de b etc.
 Necessidade da corrente constante  a
operação do transistor como amplificador é
altamente influenciada pelo valor quiescente (ou
de polarização) da corrente.
O TJB como amplificador – exemplo
Livro texto, item 4.7.
Figure 4.23 (a) Circuito conceitual para ilustrar a operação do transistor como um
amplificador. (b) O circuito em (a), eliminando-se a fonte de sinais vbe para a análise
cc (polarização).
O TJB como amplificador – exemplo (2)
Livro texto, item 4.7.
As condições de polarização cc (vbe = 0).
I C  I S eVBE / VT
I E  IC 
I B  IC b
VC  VCE  VCC  I C RC
 Para operação no modo ativo  VC > VB por um valor que
permita oscilações com amplitudes razoáveis no sinal de coletor
e ainda mantenha o transistor na região ativa todo o tempo.
A corrente de coletor e a
transcondutância
vbe  0:
 vBE  VBE  vbe
iC  I S evBE / VT  I S eVBE vbe  / VT
 I S e VBE / VT e vbe / VT
 iC  I C evbe / VT
vbe  VT  e
IC
 iC  I C 
vbe
VT
vbe / VT
vbe  Aproximação para
 1
VT pequenos sinais!!!
Componente de sinal ic
Corrente de polarização
 ic  g m vbe
gm 
IC
 transcondutância
VT
A corrente de coletor e a
transcondutância (2)
gm 
IC
VT
 Para obter um valor previsível e constante para gm , é
necessário um valor de IC constante e previsível.
Os TJBs têm uma transcondutância relativamente alta.
Para IC = 1 mA, g m  40 mA/V.
iC
Interpretação gráfica (iC  vBE): g m 
vBE
iC  I C
A corrente de coletor e a
transcondutância (3)
Figura 4.24 Operação linear do
transistor na condição de pequenos
sinais: um sinal pequeno vbe com
uma forma de onda triangular é
sobreposto à tensão cc VBE . Ela dá
origem ao sinal de corrente de
coletor ic, com forma de onda
também triangular, sobreposta à
corrente cc IC. Neste caso, ic =
gmvbe, em que gm é a inclinação da
curva iC–vBE no ponto de
polarização Q.
 Para pequenos sinais (vbe <<
VT), o transistor se comporta como
uma fonte de corrente controlada
por tensão (entrada: BE; saída:
CE).
Transistor no modo ativo – pequenos
sinais
+
vbe
–
ic C
B
ic = gm vbe
E
gm (transcondutância
da fonte)
E
ro  
(supondo que vce não influencia
ic no modo ativo)
 Para pequenos sinais (vbe << VT), o transistor se comporta como
uma fonte de corrente controlada por tensão (entrada: BE; saída:
CE).
A corrente de base iB e a resistência
de entrada da base rp
iC
IC
1 IC
iB  

vbe
b b b VT
ib
gm
1 IC
ib 
vbe 
vbe
b VT
b
IB
v
b
 rp  be  rp 
ib
gm
 rp 
VT
IB
 A resistência de entrada para
pequenos sinais entre a base e o emissor,
olhando para o terminal da base.
A corrente de emissor iE e a
resistência de entrada do emissor re
iE 
iC


IC


ic

 iE  I E  ie
vbe
VT
 re 
 re 
ie
IE
IC
 gm 
VT
 re 
ie 
ic


IC
I
vbe  E vbe
VT
VT
 A resistência de entrada para pequenos
sinais entre a base e o emissor, olhando
para o terminal do emissor – resistência
de emissor.
VT


1
 VT


IE
IC gm gm
vbe
rp 
ib
vbe
re 
ie
ie
ie
rp  re 
re
ib
ie /( b  1)
 ( b  1)re
O ganho de tensão
Transistor  excitado pelo sinal vbe  faz com que uma
corrente proporcional a gmvbe circule pelo terminal de coletor em
uma alta impedância (idealmente infinita)  transistor  fonte
de corrente controlada por tensão.
 Para obter um sinal de tensão na saída  forçar a corrente por
um resistor.
vc  ic RC   g m vbe RC
vC  VCC  iC RC
 VCC   I C  ic RC
 VCC  I C RC   ic RC
 VC  ic RC
VC : tensão de polarização
do coletor
 ( g m RC ) vbe
v
Ganho de tensão  c
vbe
  g m RC
gm : IC: o ganho será
tão estável quanto a
corrente de polarização
do coletor.
Modelos equivalentes para
pequenos sinais
Livro texto, item 4.7.
Amplificador: correntes e tensões  componente cc +
componente ac (sinal).
Componentes cc: determinads pelo
circuito cc e pelas relações impostas
pelo transistor.
Componentes ac (sinais): eliminandose as fontes cc.
Modelo de circuito para pequenos
sinais  relações entre os incrementos
de correntes ic, ib e ie obtidas quando
um pequeno sinal vbe for aplicado.
O modelo p-Híbrido
ic  g m vbe
ib  vbe / rp
vbe
ie 
 g m vbe
rp

vbe
(1  g m rp )
rp
vbe
vbe

(1  b ) 
 vbe / re
rp
rp /(1  b )
g m vbe  g m (ib rp )
 ( g m rp )ib  b ib
Figura 4.26 Duas versões ligeiramente diferentes do modelo p-híbrido simplificado
para operação do TJB com pequenos sinais. O circuito equivalente em (a) representa o
TJB como uma fonte de corrente controlada por tensão (um amplificador de
transconductância), e em (b) representa o TJB como uma fonte de corrente controlada
por corrente (um amplificador de corrente).
O modelo T
vbe
ib 
 g m vbe
re

vbe
(1  g m re )
re
vbe

(1   )
re
vbe 
vbe
vbe
b 


1 

re  b  1  ( b  1) re rp
g m vbe  g m (ie re )
 ( g m re )ie   ie
Figura 4.27 Duas versões ligeiramente diferentes do que é conhecido como modelo T
do TJB. O circuito em (a) é a representação com fonte de corrente controlada por
tensão e em (b) é a representação eom fonte de corrente controlada por corrente. Esses
modelos mostram explicitamente a resistência do emissor re , diferente do modelo phibrido, o qual mostra uma resistência de base rp.
Aplicação dos modelos equivalentes
para pequenos sinais
Análise de circuitos amplificadores com transistores
para operação com pequenos sinais:
1.
Determine o ponto de operação cc do TJB e em particular o valor
da corrente cc de coletor, IC .
2.
Calcule os valores dos parâmetros do modelo para pequenos
sinais: gm = IC / VT , rp = b / gm e re = VT / IE  1 / gm .
3.
Elimine as fontes cc.
4.
Substitua o TJB por um de seus modelos equivalentes. Embora
qualquer um dos modelos possa ser utilizado, um deles deve ser
mais conveniente dependendo do circuto a ser analisado.
5.
Analise o circuito resultante para determinar as grandezas de
interesse (ganho de tensão, resistência de entrada etc).
Exemplo 4.9
Analise o amplificador com transistor para determinar
seu ganho de tensão. Suponha b = 100.
Figura 4.28 Examplo 4.9: (a) circuito; (b) análise cc; (c) modelo para pequenos sinais.
Exemplo 4.9 – solução
1. Determinar o ponto quiescente de operação (vi = 0):
IB 
VBB  VBE 3  0,7

 0,023 mA
RBB
100
 I C  b I B  100  0,023  2,3 mA
 VC  VCC  I C RC  10  2,3  3  3,1 V
VB = +0,7
 Na condição quiescente, o transistor está
operando no modo ativo. (Por que?)
Exemplo 4.9 – solução (2)
2. Determinar os parâmetros do modelo para pequenos
sinais:
VT
25 mV
re 

 10,8 
I E (2,3 / 0,99) mA
I C 2,3 mA
gm 

 92 mA/V
VT 25 mV
b
100
rp 

 1,09 k
g m 92
Para realizar a análise de pequenos sinais, que modelo p-híbrido
utilizar?  Ambos são igualmente convenientes para a
determinação do dado requisitado.
Vamos utilizar o modelo da figura 4.26 (a).
Exemplo 4.9 – solução (3)
3 e 4. Eliminar as fontes cc e substituir o TJB por um de
seus modelos equivalentes.

Análise
do
circuito
equivalente para pequenos
sinais (fontes cc eliminadas):
vbe
rp
1,09
 vi
 vi
 0,011 vi
rp  RBB
101,09
vo   g m vbe RC  92  0,011 vi  3
 3,04 vi
vo
 Ganho de tensão 
vi
 3,04 V/V
Inversão de fase
Exemplo 4.10
Com base no circuito do exemplo 4.9, suponha que vi
tenha uma forma de onda triangular. Determine a
amplitude máxima permitida a vi. A seguir, com a
amplitude de vi em seu valor máximo, determine as
formas de onda de iB (t), iC (t) e vC (t).
 Restrição à amplitude de vi: aproximação para
pequenos sinais.  vbe << VT  vbe  10 mV
 vbe : onda triangular de 20mV pico a pico
 vbe = vi  rp / (rp + RBB ) = 0,011  vi
 vi pico = vbe pico / 0,011 = 0,91 V
 Para este valor de pico de vi , o transistor
permanece na região ativa?
Exemplo 4.10 – continuação
 Determinar o valor de Vc pico, para o valor de pico de Vi ,
para verificar se o transistor permanece na região ativa.
vi pico  Vˆ i  0,91 V
 Tensão de coletor: onda triangular vc (com valor de pico Vˆ c )
sobreposta a um valor cc VC = 3,1 V.
 Tensão de pico da forma de onda triangular:
Vˆ c  Vˆ i  ganho  0,91  3,04  2,77 V
 Quando a saída excursiona no sentido negativo:
vC
MIN
= 3,1 – 2,77 = 0,33 V < VB  0,7 V
 O transistor não permanecerá no modo ativo para vi tendo um
valor de pico de 0,91 V.
Exemplo 4.10 – continuação (2)
 Determinar qual o valor máximo do pico do sinal de
entrada para o qual o transistor permanece no modo ativo
durante todo o tempo.
 Para tanto, é necessário calcular o valor de Vˆ i que corresponde ao
valor mínimo da tensão de coletor, igual à tensão de base ( 0,7 V):
vC  VB  0,7  vC MIN  VC  Vˆ c  0,7
 3,1  Vˆ c  0,7
 Vˆ c  3,1  0,7  2,4 V
2,4
ˆ
ˆ
ˆ
 V c  V i  ganho  V i 
 0,79 V
3,04
 Escolhendo Vˆ i  0,8 V  vi: onda triangular com 0,8 V de
pico.
Exemplo 4.10 – continuação (3)
 vi: onda triangular com 0,8 V de pico.
 Corrente de base:
ˆi
V
0,8
ˆI b 

 0,008 mA
RBB  rp 100  1,09