Transistores Bipolares de Junção (TBJ)
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Eletrônica Básica I – EE 530 – Transistores Bipolares de Junção (TBJ) Prof. Gustavo Fraidenraich Polarização de circuitos amplificadores TBJ Circuito com divisor de tensão Circuito com duas fontes Circuito com resistor de realimentação Circuito com fonte de corrente Circuito com divisor de tensão iE = VBB − VBE RE + RB /( β + 1) se VBB >> VBE RB β +1 iE => estável RE >> Circuito com duas fontes VEE − VBE iE = RE + RB /( β + 1) Circuito com resistor de realimentação VCC − VBE iE = RC + RB /( β + 1) Sempre no modo ativo! Circuito com fonte de corrente Espelho de Corrente I = I REF = VCC + VEE − VBE R Operação em pequeno sinal e modelos Análise do ponto de operação Operação linear do transistor iC = I C + IC vbe VT iC = I C + ic ic = IC vbe = g m vbe VT gm = IC transcondutância VT Corrente de Base e emissor ib = gm β β vbe VT rπ = = gm I B ic IC IE ie = = vbe = vbe α αVT VT vbe VT VT re = = = ie I E IC / α α 1 ≈ re = gm gm relação entre rπ e re rπ = (β + 1)re Modelo para pequenos sinais Modelo π-híbrido Modelo T Modelo π-híbrido para altas freqüências Modelo π-híbrido Modelo T Etapas Determine o ponto de operação cc do TBJ Calcule os valores dos parâmetros gm=IC/VT, rπ=β/gm e re=VT/IE. Elimine as fontes cc substituindo cada fonte cc de tensão por um curto circuito e cada fonte cc de corrente por um circuito aberto. Substitua o TBJ por um dos seus modelos equivalentes. (π ou T); Análise do circuito Exemplo 5.14 β = 100 Exemplo 5.14 Ganho de tensão V 25mV re = T = = 10.8Ω I E 2.3 / 0.99 gm = vbe = vi rπ = 0.011vi rπ + RBB I C 2.3mA = = 92mA / V VT 25mV v0 = − g m RC vbe = −3.04vi β Av = 100 rπ = = = 1.09 KΩ g m 92 v0 = −3.04V / V vi Exemplo 5.16 Exemplo 5.16 re = VT 25mV = = 27Ω I E 0.93mA Av = v0 R 0.99 × 5 KΩ =α C = = 183.3V / V vi re 27 Modelando o efeito Early Modelando o efeito Early Conceito de resistência de entrada e saída Vx Rx = ix Impedância em um nó A impedância de entrada/saída de um nó geralmente é calculada em relação ao terra. Impedância olhando pela base (com emissor aterrado) vx = rπ ix Impedância olhando pelo emissor (com a base aterrada) vx 1 = ix g + 1 m rπ 1 Rout ≈ gm vπ + g m vπ = −ix rπ 1 vπ g m + rπ vπ = −v x = −ix (VA = ∞) Impedância olhando pelo coletor (com emissor aterrado) Rout = ro Topologias do TBJ Emissor Comum (EC) Base Comum (BC) Coletor comum (CC) ou seguidor de emissor Topologias do TBJ Emissor Comum Base Comum Coletor Comum Emissor Comum Exemplo I Resposta g m RC Av = − 1 + g m RE Av = − RC 1 + RE gm Exemplo II Av = − RC 1 + RE || rπ 2 gm1 Exemplo III RC || rπ 2 Av = − 1 + RE g m1 Exemplo IV Av ≈ − RC RB 1 + RE + gm β +1 Exemplo V Av = − (RC || R1 ) RB 1 + R2 + gm β +1 Rin =r π +(β + 1)R2 Rout = RC || R1 Emissor Comum Capacitor de acoplamento Capacitor de desvio Modelo de pequenos sinais – emissor comum Resistência de entrada e saída Rin = vi = RB // Rib ii Rib = rπ se RB >> rπ Rin ≅ rπ rπ poucos KΩ, baixa resistência de entrada Rout = RC || r0 como r0 >> RC Rout ≈ RC Ganho de Tensão v0 = − g m vπ (r0 || RC || RL ) se RL → ∞ v0 = − g m vπ (r0 || RC ) como vπ = vi Av = − g m (r0 || RC ( r0 || RC ) )= − 1/ gm Ganho global de tensão ( RB || rπ ) Gv = − (RB || rπ ) + Rsig g m (r0 || RC || RL ) Emissor Comum com resistência no emissor Resistência de entrada Rin = RB || Rib vi Rib = ib ie ib = β +1 vi ie = re + Re Rib = (β + 1)(re + Re ) regra da resistência refletida Rin = RB || (β + 1)(re + Re ) Resistência de Saída VA = ∞ v vin = 0 = vπ + π + gmvπ RE ⇒ vπ = 0 rπ vX Rout = = RC iX Ganho de Tensão v0 = −ic (RC || RL ) = −α ie (RC || RL ) Av = (R || RL ) − α (RC || RL ) ≈− C 1 re + Re + Re gm Ganho Total ( Rin RC || RL ) Gv = − Rin + Rsig 1 + R e gm Subtituindo Rin = RB || Rib e supondo RB >> Rib Gv ≈ − (RC || RL ) Rsig β + 1 + Re gm O amplificador base comum Resistência de entrada/saída e ganho Rin = re = 1 / g m − resistância de entrada baixa vo = −αie (RC || RL ) ie = − Av = vi re (R || RL ) vo α = (RC || RL ) ≈ C 1 vi re gm Rout = RC Gv ≈ (RC || RL ) 1 + Rsig gm Coletor Comum ou seguidor de emissor Circuito equivalente Análise Rib = (β + 1)[re + ro || RL ] Rin = RB || Rib − resistência de entrada alta RB Gv = Rsig + RB (β + 1)(ro || RL ) (Rsig || RB ) + (β + 1)re + (β + 1)(ro || RL ) Análise Se RB >> Rsig e ro >> RL RL Gv ≈ <1 Rsig 1 + + RL β +1 gm Rout Rsig || RB − resistência baixa = ro || re + β +1 Exemplo que não funciona Como o microfone tem uma resistência muito baixa acaba aterrando a tensão de base levando Q1 ao corte. Solução O capacitor isola o microfone para freqüências DC mas deixa passar o sinal para freqüências AC. Exemplo que não funciona Visto que o alto-falante tem um indutor, conectar o mesmo diretamente ao amplificador levaria Q1 à saturação. Solução Devido à baixa impedância de entrada do alto-falante, o ganho cai consideravelmente. Resumo Além do ganho, a impedância de entrada e saída são parâmetros muito importantes; Um amplificador ideal deveria prover um ganho muito alto, uma impedância de entrada muito alta e uma impedância de saída muito baixa; A impedância vista olhando para a base, coletor e emissor é dada respectivamente por rπ, r0 e 1/gm. Emissor comum provê um ganho de tensão moderado, uma impedância de entrada moderada e uma impedância de saída moderada; O resistor no emissor aumenta a linearidade e a insensibilidade à variações com temperatura, mas diminui o ganho; Base comum provê um ganho de tensão moderado, uma impedância de entrada baixa e uma impedância de saída moderada; O ganho do emissor comum é igual ao do base comum, exceto pelo sinal; O seguidor de emissor provê um ganho de tensão menor que a unidade. Uma impedância de entrada alta e uma impedância de saída baixa, servindo assim como um isolador de tensão (buffer) Exercícios Determine a impedância de entrada para os circuitos abaixo. Exercício Calcule R1 para que Ic=0.25mA (β β=100). Qual o erro percentual em Ic se RE variar de +5%. Exercício Calcule VB para que Ic=1mA . Use β=100, Is1=Is2=3x10-16. Exercício Calcule a impedância de entrada vista pela base Resposta vX + g m vπ = i X rπ vπ = v X log o vX 1 1 = ≈ −1 iX gm g m + (rπ ) Transistor conectado como diodo Exercício Determine o ganho, a impedância de entrada e saída para os circuitos abaixo. 1 Av = − g m1 || rπ 2 gm2 Rin = rπ 1 Rout = 1 || rπ 2 gm2 1 Av = − g m1 R1 + || rπ 2 gm2 Rin = rπ 1 Rout = R1 + 1 || rπ 2 gm2 1 Av = − g m1 RC + || rπ 2 gm2 Rin = rπ 1 Rout = RC + 1 || rπ 2 gm2 Resposta em freqüência Cπ = Cde + C je Resposta em freqüência Modelo π híbrido para altas freqüências
