Relatório 1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção

Instituto Superior Técnico
Mestrado em Engenharia Biomédica
2º Semestre (2011/2012)
Electrónica Geral
Relatório
1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
Grupo 2:
Ana Filipa Vieira 67302
Diana Batista 67321
Pedro Faria 67340
Turno: Segunda-feira (17h-19h)
1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
II. Estudo do Funcionamento em DC (Polarização) e AC (Regime Dinâmico)
1. O funcionamento em repouso foi calculado a partir do circuito abaixo apresentado (os
condensadores correspondem neste caso a circuito aberto por se estar a trabalhar em DC).
Para facilitar a análise foi ainda obtido o equivalente de Thévenin visto da base.
⇔
Figura 1 - Circuito para cálculo do Ponto de
Funcionamento em Repouso.
{
Figura 2 - Circuito equivalente de Thévenin para
cálculo do Ponto de Funcionamento em Repouso.
⇒
{
Para esta análise admitiu-se a hipótese do transístor estar a funcionar em zona activa,
hipótese essa que fica confirmada ao se verificar que
.
2
1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
2. Pretende testar-se a estabilidade do ponto de funcionamento em repouso admitindo
que o ganho de corrente β varia de 110 a 800 e que o circuito vai operar de 0 a 70°C. Tal
variação da temperatura implica uma alteração da tensão
dada por
. Os
valores obtidos são apresentados na Tabela seguinte.
IB(A)
IC(mA)
VCE(V)
β=110
VBE=0,56V
7,77
0,85
2,93
β=110
VBE=0,7V
7,54
0,83
3,16
β=800
VBE=0,56V
1,27
1,01
1,47
β=800
VBE=0,7V
1,23
0,98
1,74
Tabela 1 - Variação de correntes, na Base e no Colector e da tensão entre Colector e Emissor quando ocorre
variação do parâmetro beta e da temperatura.
Verifica-se que a corrente Ic e a tensão VCE variam pouco em relação aos valores
obtidos com as condições iniciais (T= 20°C e β=294,3). As pequenas variações verificadas para
estes dois valores são principalmente consequência da alteração de VBE induzida pela variação
de temperatura.
Por outro lado, para a corrente IB, as variações de VBE e sobretudo de β tomam um
papel mais significativo conduzindo a valores mais díspares.
Contudo, uma vez que a ordem de grandeza de Ic é muito maior que a de IB e que VCE
varia pouco, podemos concluir que o ponto de funcionamento em repouso é estavél tal como
seria de esperar.
3. A alteração do valor de RC para 2,35kΩ, metade do seu valor inicial, não implica
qualquer alteração do valor de Ic. Este facto fica bem explícito na equação utilizada para o
cálculo de Ic, e apresentada de seguida:
Para este valor de RC tem-se portanto novamente
. De notar que a tensão
colector-emissor toma neste caso o valor 4,32V, bem superior a
, confirmando
novamente a hipótese de funcionamento do transistor na zona activa.
3
1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
Seguindo o mesmo raciocínio para uma alteração do valor de RC para o dobro (9,4kΩ),
chegamos à conclusão que o transistor não pode estar a funcionar em zona activa (obtem-se
mais precisamente
). Admite-se então o funcionamento em saturação,
chegando-se às equações apresentadas de seguida:
{
⇒{
Verifica-se portanto o funcionamento em saturação (note-se nomeadamente que
). Recapitulando, temos então:
RC (kΩ)
IC (mA)
2,35
0,94
9,4
Tabela 2 - Variação na corrente de Colector consoante a variação da resistência Rc.
Não se pode considerar que este circuito seja uma boa fonte de corrente de
polarização, uma vez que quando se altera o valor da resistência Rc para o dobro (9,4kΩ) o
circuito entra em saturação, o que provoca uma alteração no valor Ic. Note-se que para um
circuito ser uma boa fonte de corrente de polarização a corrente deve manter-se constante.
4. Apresenta-se de seguida o circuito com o condensador CC em paralelo com RC e a carga
(série CO com RO) ligada ao emissor. Para determinar os ganhos e impedâncias solicitados,
recorreu-se a esquemas equivalentes, também apresentados de seguida.
Figura 1 – Circuito com CC em paralelo com RC e a carga (série CO com RO) ligada ao emissor.
4
1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
ii
i1
io
Figura 2 - Esquema equivalente para o cálculo dos ganhos de tensão e de corrente e da impedância de entrada.
Cálculo de alguns parametros uteis para os cálculos posteriores:
Nota: considera-se que ro tem um valor muito elevado e como tal despreza-se a corrente que
lá passa.
Cálculo do ganho de tensão:
⇔
{
Cálculo do ganho de corrente:
⇔
{
Cálculo da impedância de entrada:
{
⇔
5
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Cálculo da impedância de saída:
i2
io
Figura 3 - Esquema equivalente para o cálculo da impedância de saída.
⇔
{
5. Verificou-se que o ganho de tensão é inferior a um, que o de corrente é
moderadamente elevado e que as impedâncias de entrada e saída são respectivamente
elevada e baixa. Conclui-se então que este circuito poderá ser utilizado como isolador
(“buffer”), servindo para isolar o gerador da carga.
6. O cálculo das constantes de tempo τ, e frequências correspondentes f, de cada
condensador, faz-se independentemente para cada um dos condensadores, considerando os
outros em curto-circuito. Tem-se que:
Cálculo da constante de tempo de
e
e da frequência correspondente:
A impedância vista aos terminais do condensador é nula para o lado esquerdo e
corresponde a Zi para o lado direito. Assim sendo, temos:
⇔
6
1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
Cálculo da constante de tempo de
e da frequência correspondente:
A impedância vista aos terminais do condensador é Ropara o lado direito e
corresponde a Zo para o lado esquerdo, observa-se também que Ro e Zo estão em série. Assim
sendo, temos:
⇔
Cálculo da constante de tempo de
e da frequência correspondente:
A impedância vista aos terminais do condensador é constituida por Rc em paralelo com
uma impedância Zc , vista do colector. (Note-se, que tal como já foi referido acima, despreza-se
ro) Tem-se:
⇒
Conclui-se desta maneira que Zc tem uma ordem de grandeza muito supeior a Rc e,
estando estas em paralelo, tem-se portanto que a impedância vista aos terminais do
condensador Cc é aproximadamente Rc≈4,7KΩ.
⇔
Através dos valores obtidos para as constantes de tempo dos vários condensadores e
respectivas frequências podemos aferir que os condesadores Cs e Co são condensadores de
acoplamento enquanto que o condensador Cc desempenha a função de bypass (contorno).
Fica ainda claro que os três condensadores emquestão têm um compartamento passaalto e como tal definem a frequência fL. Já a frequência fH é definida pelos condensadores do
modelo equivalente do transistor, Cπ e Cµ, os quais têm um comportamento passa-baixo.
Note-se que a proximidade entre os pólos poderá pôr em causa a aproximação
utilizada nestes cálculos, em que, como já mencionado, se considerou que os condensadores
que não estavam a ser sujeitos a análise estavam em curto circuito.
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
III Trabalho de Simulção – para esta parte do trabalho laboratorial, utilizou-se o programa
Pspice.
1. A simulação efectuada com recurso ao programa Pspice permite obter os seguintes
valores para o ponto de funcionamento em repouso:
Figura 4 – Valores para o Ponto de Funcionamento em Repouso.
Os valores encontrados são próximos dos obtidos na análise teórica.
2. Apresentam-se de seguida dois gráficos que permitem observar a variação de IC com a
temperatura para os extremos do ganho de corrente.
Gráfico 1 - Variação de Ic com a temperatura para β =110.
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
Gráfico 2 - Variação de Ic com a temperatura para β =800.
A simulação efectuada com recurso ao programa PSpice está de acordo com os
resultados obtidos na parte teórica, verificando-se uma variação de IC da ordem de 0,03mA
quando se varia a temperatura de 0 a 70°C.
Passa-se de seguida à análise da variação de IC com a modificação do valor de RC.
Figura 5 – Valor de Ic quando Rc=9,4kΩ
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
[Escreva um trecho
Figura 6 - Valor de Ic quando Rc=2,35kΩ
Os valores obtidos permitem chegar às mesmas conclusões retiradas na parte teórica.
Analisando não só os valores da corrente do colector mas também as tensões (nomeadamente
VCE) fica claro que para RC=2,35kΩ o transistor continua a funcionar em zona activa, mas que
para RC=9,4kΩ o transístor está em saturação.
3. Simulaão para ganhos de tensão (Av) e de corrente (Ai) e para impedâncias de entrada
(Zi)e saída (Zo).
Gráfico 3 - Ganho de Tensão (AV)
O valor do ganho de tensão em médias frequências é de aproximadamente 0,82.
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
Gráfico 4 - Ganho de Corrente (Ai)
O valor do ganho de corrente em médias frequências é de aproximadamente 2,12.
Gráfico 5 – Impedância de entrada (Zi)
O valor da impedância de entrada em médias frequências é de aproximadamente
122,2kΩ.
Gráfico 6 - Impedância de saída (Zo)
O valor da impedância de saída em médias frequências é de aproximadamente 89,69Ω.
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
4. Aplicando um sinal de entrada sinusoidal (
), pretendeu-se verificar qual
a amplitude VM a partir da qual se observa uma distrorção na tensão incremental de saída vo.
Figura 7 - Sinais de entrada e saída, para amplitude VM = 1V.
Figura 8 - Sinais de entrada e saída, para amplitude VM = 2,5V.
Figura 9 - Sinais de entrada e saída, para amplitude VM = 5.
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
Verificou-se que o limite da amplitude para a qual não há distorção é VM=2,5V (Figura
10). Para valores de VM inferiores a esse não se observa distorção (Figura 9), e, como seria de
esperar,a distorção fica mais acentuada quando se aumenta a amplitude do sinal de entrada
(Figura 11). É possivel verificar que a distorção ocorre para amplitudes positivas, indiciando
que se atinge a zona de saturação antes da zona de corte. Ou seja, este transistor a partir da
amplitude VM= 2,5V funciona na zona de saturação. (Uma análise mais minuciosa será
apresentada na resposta à pergunta 4 parte III).
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
IV Trabalho Experimental
1. Apresentam-se de seguida os valores das tensões medidas em DC com recurso a um
multímetro. Estimou-se ainda o valor das correntes nos vários ramos admitindo um valor
nominal para as várias resistências.
VCC (V)
VB (V)
VC (V)
VE (V)
VBE (V)
VCE (V)
IC(mA) IE(mA) IRB1(mA) IRB2(mA)
11.07
5,19
6,48
4,61
0,634
1,877
0,977
0,981
0,026
0,024
IB(mA)
3,66×10-3
Tabela 3 - Medidas em corrente contínua DC
2. Recorrendo a um gerador de funções introduziu-se um sinal de entrada sinusoidal de
amplitude Vim inferior ao valor máximo previsto na parte II pergunta 4. Foi escolhida uma
frequência pertencente à zona de ganho constante (médias frequências), verificando-se que
para estes parâmetros não se observava no oscilóscopio distorção no sinal de saída. Tal como
seria de esperar foi ainda possivel constatar que o sinal de saída encontrava-se em fase com o
sinal de entrada.
Os valores correspondentes a esta pergunta encontram-se na Tabela 4, na terceira
coluna.
3. Para a mesma amplitude do sinal de entrada pretendia-se indentificar qual a
frequência para a qual a amplitude do sinal de saída caía para
do valor que tinha na zona de
√
ganho constante. Ou seja, diminui-se a frequência até se obter no sinal de saída uma
amplitude de, aproximadamente, 594mV. Contudo, devido à sensibilidade do osciloscópio o
valor mais próximo de 594 que conseguimos encontrar foram 600mV. Para a frequência
encontrada estimou-se novamente a desfasagem entre as tensões de entrada e de saída,
verificando-se agora que os sinais não estão em fase.
f3dB min
fo
Vim (mV)
103
103
f (Hz)
5,9
164
Vom (mV)
600
840
|Gv|=Vom/Vim
0,6
0,84
 (o)
54
0
Tabela 4 - Medidas em regime dinâmico AC.
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
O valor de frequência de corte a -3dB é bastante mais elevado do que o estimado pela
análise teórica, podendo ser explicado em parte, mas não totalmente, por aproximações feitas
na análise teórica e imprecisões do material utilizado na análise experimental.
A desfasagem que se esperava encontrar entre os dois sinais era de 45o, contudo o
valor encontrado foi ligeiramente superior, 54o indicado que já se passou o pólo.
4. Utilizando a mesma frequência fo para o sinal de entrada (zona de médias
frequências), aumentou-se a amplitude até se verificar distorção do sinal de saída. Verificou-se
que a amplitude a partir da qual tal acontecia correspondia a VM=2,49V e que a distorção é
verificada para amplitudes positivas.
A análise do circuito em DC permite chegar a:
Já quando se procedeu à análise em AC encontrou-se:
Combinado as duas análises obtém-se:
Nos limites entre as várias zonas considera-se ainda válida a relação para o ganho de
tensão, e uma vez que
tem-se que
.
Sabe-se que para a saturação
Quando o trransistor estiver em corte
.
⇒
.
.
Deste modo como a tensão de saturação é menor do que a de corte quando se
aumenta a amplitude de entrada, a amplitude de saída sofre em primeiro lugar os efeitos de
saturação. Confirma-se que a distorção do sinal de saída verifica-se para amplitudes positivas,
e a partir de
. Este resultado vem confirmar a simulação efectuada com o software
Pspice e justificar as observações feitas na parte exprimental.
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
V Conclusões e Críticas
1. A Tabela 5 apresentada abaixo, permite resumir os diversos resultados que foram alvo
de comparação e análise ao longo deste relatório.
Verifica-se que se obtiveram para as três partes (I- teórica analítica, II- simulação com
o programa Pspice, III- experimental) valores relativamente próximos. É contudo claro que, em
geral, os valores para a parte I e II são muito mais semelhantes entre si quando comparados
com a parte III.
As diferenças entre a simulação e a teoria analítica podem ser justificadas por
aproximações feitas analiticamente e que o simulador não faz (como por exemplo resistência
interna R0 do transístor, efeito de Early, etc.). Já em relação à parte III é preciso ter em conta
outros factores que podem influenciar os resultados, nomeadamente a dispersão de fabrico
dos componentes, flutuações de corrente e as imprecisões de medição.
IC (mA)
VCE (V)
IB (A)
VBE (V)
Gv(fo)
VM(V)
Parte I
0,94
2,10
3,21
0,66
0,83
2,42
Parte II
0,951
2,04
3,30
0,65
0,82
2,5
Parte III
0,977
1,877
3,66
0,634
0,84
2,49
Tabela 5 - Comparação de resultados obtidos por via teórica, analítica, simulação e por medidas
experimentais num protótipo.
2. A parte teórica deste trabalho laboratorial permitiu-nos relembrar os conceitos
aprendidos na cadeira de TCFE, nomeadamente no que respeita aos transístores de junção
bipolar, e consolidar os novos conceitos leccionados até agora na cadeira de Electrónica Geral.
Por sua vez a parte II permitiu familiarizar-nos com o programa Pspice, que se revelou
uma ferramenta útil e prática na análise de circuitos electrónicos, apesar de algumas
dificuldades encontradas nas primeiras utilizações.
A parte experimental foi algo demorada devido à nossa pouca experiência na utilização
dos diversos componentes e aparelhos.
Consideramos que se poderia melhorar o guia de laboratório, na medida em que os
esquemas e Tabelas poderiam apenas ter indicações sobre grandezas a calcular e
componentes a ter em conta no trabalho laboratorial em questão (por exemplo, na Figura II.1
da parte II do protocolo estão assinaladas duas correntes
e existe um condensador CE que
não tem relevância para o trabalho que realizámos).
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1º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de Junção
Referências Bibliográficas

FREIRE, João Costa; Electrónica Geral - 1.º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar
de Junção 2.º Semestre 2011/12; IST-DEEC; Lisboa; 2011;

SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth C., Microelectronic Circuits; 5ª ed.; Oxford; Oxford
University Press; 2004; pp. 377-516.
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