Electrónica Geral Transístor de Junção Bipolar

Electrónica Geral
Mestrado em Eng. Biomédica
2ºSemestre, 2012/2013
Transístor de Junção Bipolar
Relatório do 1º Trabalho de Laboratório
Prof: João Costa Freire
Realizado por:
Joana Chim 69550
Mariana Costa 69939
Joana Morais 69946
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Sumário
1.
Introdução ............................................................................................................................. 3
1.1 Introdução Teórica .............................................................................................................. 3
2. Análise Teórica .......................................................................................................................... 5
Pergunta 2.1 .............................................................................................................................. 5
Pergunta 2.2 .............................................................................................................................. 6
Pergunta 2.3 .............................................................................................................................. 8
Pergunta 2.4 .............................................................................................................................. 8
3.
Trabalho de Simulação ........................................................................................................ 10
Pergunta 3.1 ............................................................................................................................ 11
Pergunta 3.2 ............................................................................................................................ 12
Pergunta 3.3 ............................................................................................................................ 15
Pergunta 3.4 ............................................................................................................................ 17
Pergunta 3.5 ............................................................................................................................ 18
4.
Trabalho Experimental ........................................................................................................ 22
Pergunta 4.1: ........................................................................................................................... 22
Pergunta 4.2: ........................................................................................................................... 23
Pergunta 4.3 ............................................................................................................................ 24
Pergunta 4.4 ............................................................................................................................ 25
Pergunta 4.5 ............................................................................................................................ 25
5.
Conclusões........................................................................................................................... 27
Considerações finais ................................................................................................................ 27
6.
Referências .......................................................................................................................... 29
2
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
1. Introdução
O intuito deste trabalho laboratorial é estudar, projectar e analisar um andar de amplificação
simples com um trasístor bipolar de junção (BJP- Bipolar Junction Transistor), cujo modelo é
BC547B Phillips.
Numa primeira análise, serão realizados estudos teóricos do ponto de funcionamento em
repouso (PFR) do transístor e seguidamente o funcionamento deste em regime DC (cirtuito de
polarização) e AC (regime dinâmico). Para além disso, proceder-se-á ao estudo das correntes e
tensões do circuito, com recurso à simulação através do modelo disponibilizado do software
LTSpice de forma a simular o ambiente de laboratório e comparar com os valores obtidos nos
resultados teóricos.
Para finalizar, executar-se-á o trabalho experimental onde se medem as tensões e correntes
dos circuito, bem como o comportamento de saída do circuito para diferentes sinais de
entrada. Esta análise permite comprovar a validade das suposições teóricas anteriores.
Todos estes passos serão apresentados ao longo do relatório e na secção final, faremos as
nossas conclusões e críticas ao trabalho realizado.
1.1 Introdução Teórica
Um transístor de junção bipolar (TJB) é um dispositivo electrónico de
material semi-condutor que apresenta 3 terminais: colector(c), base(b) e
emissor(e), e baseia-se em duas junções PN (base-colector, base-emissor)
não independentes, podendo ser da forma NPN e PNP. Apesar de o TJB
ser um dispositivo não linear, usa-se o seu modelo linear para estudar o
seu comportamento. De acordo com as funções caracteristicas de um TJB,
este pode operar em três zonas de funcionamento distintas:
Zona Corte
Zona Activa
Figura 1:Esquema de um TJB
do tipo NPN
Zona Saturação
Junções BE e BC inversamente Junção
BE
directamente Ambas
as
junções
estão
polarizadas;
polarizada;
Junção
BC directamente polarizadas.
inversamente polarizada;
;
;
;
;
;
;
⁄
;
;
(
)
Tabela 1: Características de um transístor do tipo NPN, nas diferentes zonas
3
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
As condições apresentadas anteriormente são de um transístor do tipo NPN sendo que para
um transístor PNP troca-se apenas o sentido das correntes e a polaridade das tensões.
Para a análise em regime dinâmico (AC) recorremos ao esquema incremental do TJB (modelo
π-Híbrido) como fonte de corrente controlada. Para o circuito desta actividade laboratorial,
considerámos r0=
(desprezada) e
.
Figura 2: Esquema incremental de um TJB com fonte de corrente controlada
No circuito deste trabalho laboratorial, tem-se também fontes de tensão e resistências, que
são consideradas partes essenciais de qualquer circuito, permitindo o estabelecimento do
ponto de funcionamento em repouso do transístor.
Para além do transístor, das resistências e fontes de tensão, destacam-se também os
condensadores. Estes últimos têm um comportamente especial, visto que conforme o valor da
frequência do sinal de entrada, diversos comportamentos por parte destes são possíveis. Tal
comportamento ocorre, pois a impedância dos condensadores é dada por
a frequência angular do sinal sinusoidal e
( sendo
a capacidade do condensador), permitindo um
estudo mais simplificado do seu comportamento para altas, médias e baixas frequências. No
circuito estudado podemos encontrar condensadores de acoplamento (CS e CO) e de contorno
(CE).
Para a realização do trabalho experimental utilizámos os seguintes valores para os diversos
componentes:
Vcc
R1
R2
RC
RE
CC&CE
CS&CO
RS
R0
13V
330kΩ
220 kΩ
4,7 kΩ
4,7//10=
3,2 kΩ
100 μF
220 μF
22 kΩ
47 kΩ
Tabela 2: Valores dos componentes usados no circuito do trabalho laboratorial
4
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
2. Análise Teórica
Pergunta 2.1
De forma a calcular o ponto de funcionamento em repouco (PFR) do transístor BC547B,
utilizam-se os dados fornecidos pelo protocolo experimental:
VBE=0,66V (20°C)
βF=hFE= 290
Como se pretende calcular o PFR, consideramos os condensadores em circuito aberto de modo
a analisar apenas a componente DC do circuito. Deste modo, podemos desprezar as
resistências RE e RO.
Figura 3: circuito considerado para análise do PFR
Realizando um KCL na base e no colector do transístor obtivemos as equações [2.01] e [2.03],
respectivamente. Recorrendo à lei de Ohm no emissor chegámos à equação [2.02].
[2.01]
[2.02]
[2.03]
5
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Como VBE é inferior a 0,7V, então o transístor encontra-se na zona activa. Desta forma, iremos
recorrer às equações referidas na tabela 2.
(
(
)
(
[2.04]
)
)(
)
Como VCE>>VCE sat, verifica-se que o transístor se encontra na zona activa, como considerado
anteriormente.
Pergunta 2.2
Como se pretende a análise em AC (ou em termos de frequência), as fontes de tensão DC são
eliminadas do circuito. Para tal, substitui-se o transístor bipolar (TJB) pelo modelo incremental
equivalente, sem efeitos capacitivos ou indutivos. Para além disso, os condensadores são
substituídos por um curto-circuíto. Como consequência, não há corrente a passar em RE.
Figura 4: Esquema incremental do circuito
6
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Em que:
[2.05]
dado que VT=25mV e IC=1.24mA.

KVL na malha da esquerda:
(
(

)
[2.06]
)
[2.07]
KCL no nó da base (B):
(

)
[2.08]
DIVISOR DE CORRENTE na malha da esquerda:
[2.09]
Substituindo ii e io na equação 2.06:
(
[

)
]
[2.10]
LEI OHM
(
)
(
)
[2.11]
2.2.1. Ganho em tensão (Av) e em corrente(Ai):
(
)
(
[
)
]
(
)
[2.12]
[2.13]
2.2.2. Impedância de entrada (Zi) e de saída (Zo):
[
(
)
(
]
)
[2.14]
7
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Para a obtenção da impedância de saída, o circuito é visto a partir dos terminais da fonte de
teste VT considerada no circuito da figura 5, desprezando Ro. Ao aplicar a fonte de teste, as
fontes de tensão independentes ficam em curto-circuito, deixando de haver corrente ib. Assim,
a resistência de saída é apenas RC.
Figura 5: Circuito considerado para a análise de Zo
[2.15]
Pergunta 2.3
Analisando os resultados obtidos na alínea anterior, podemos concluir que este é um
circuito inversor, visto que o ganho de tensão é negativo. Para além disso, é um circuito
amplificador, dado que o ganho de tensão (em módulo) é superior a um.
Pergunta 2.4
[2.16]
[2.17]
[2.18]
2.4.1. Análise do condensador Cs
Para a análise do condensador CS, considerou-se uma fonte de teste VT aos terminais de CS,
com uma corrente It a percorrer VT. Assim, apenas se considera o circuito à direita, na
figura 6.
Figura 6: Circuito usado para calcular a constante de CS (inicial à esquerda e simplificado à direita)
8
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
(
)
[2.19]
2.4.2. Análise do condensador C0
Para a análise do condensador CO, considerou-se uma fonte de teste VT aos terminais de CO,
com uma corrente It a percorrer VT. Como os outros dois condensadores estão em curtocircuito e pela análise do circuito, conclui-se que não há tensão vbe, logo não há corrente ib,
obtendo-se o circuito simplificado da figura 7.
Figura 7: Circuito usado para calcular a constante de C0 (inicial à esquerda e simplificado à direita)
[2.20]
2.4.3. Análise do condensador CE
Para calcular a constante de tempo de CE, colocou-se uma fonte de teste VT aos terminais de
CE, percorrida por uma corrente It. Assim, a tensão no emissor para a ser a tensão VT e obtémse o circuito simplificado da figura 8. Para simplificar os cálculos, calculou-se uma resistência
equivalente RZ sem a resistência RE, e no final a resistência de Thevenin é obtida pelo paralelo
destas duas.
9
Figura 8: Circuito usado para calcular a constante de CE (inicial à esquerda e simplificado à direita)
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
[2.21]
(
)
(
[2.22]
)
[2.23]
[2.24]
e
são condensadores de acoplamento, sendo responsáveis por cortar a componente
contínua do gerador
e da tensão de saída
. Ou seja, são responsáveis por separar os sinais
AC das fontes de tensão DC (bloqueando as componentes DC deixando apenas passar as AC)
desta forma, asseguram que o ponto de funcionamento em repouso não é afectado por
andares de amplificação que estejam anteriores a este.
A função do condensador CE é distinta dos anteriores, pois comporta-se como um circuito
aberto no ponto de funcionamento em repouso, não o afectando. Porém, à medida que se
aumenta a frequência, este começa a comportar-se como um curto cirtuito, ligando o Emissor
à massa. E por isto, CE tem a funçao de “bypass”. Tal permite que haja menos distorção do
sinal, mantendo o ganho como se não houvesse a resistência RE.
3.
Trabalho de Simulação
Para o trabalho de simulação deste trabalho de laboratório, recorreu-se ao programa CAD
LTspice. Neste, tendo como base o circuito fornecido pelo procedimento, foram criados vários
circuitos portadores de alterações necessárias para a obtenção de gráficos e valores pedidos
em cada questão. O transístor utilizado é do tipo BC547B Phillips, no qual a certo ponto, foi
também preciso alterar algumas das suas características, enquanto que os outros
componentes foram os disponibilizados pelo próprio programa.
A simulação serve para verificar resultados teóricos, e ainda para analisar o circuito a
alterações que lhe são impostas. No geral, obteve-se pontos de funcionamento em repouso,
ganhos de tensão e de corrente, impedâncias de entrada e de saída, variações de corrente e
tensão em função de temperatura e ainda características de corrente em função de tensão e
sinais distorcidos no tempo. Como tal, para esta diversidade de resultados é necessária uma
análise com diferentes características, ou seja, recorrer a diferentes funcionalidades do
10
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
programa, nomeadamente de simulação, como “DC operating point”, “AC Analysis”, “DC
Sweep” e “Transient”.
Pergunta 3.1
Para a análise do Ponto de Funcionamento em Repouso utilizou-se o circuito da fig.a, e
simulou-se o seu funcionamento através da opção “DC operating point”, que permite calcular
todos os parâmetros do circuito com recurso só a fontes DC.
Figura 9: circuito utilizado para calcular o PFR
Os valores obtidos para as correntes e tensões estão de acordo com os calculados na análise
teórica e encontram-se ilustrados na figura 10. Alguns dos valores obtidos são VBEQ=0.644V,
VCEQ=3.154V e IC=1.244mA que permitem corroborar o funcionamento do transístor na zona
activa, característica do Ponto de Funcionamento em Repouso.
11
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Figura 10: Análise do Ponto de Funcionamento em Repouso
Pergunta 3.2
Em relação à análise dos ganhos e impedâncias de saída e entrada, deste circuito, é necessário
um estudo em regime dinâmico, o que significa que ao invés do PFR, as fontes AC (Vi) serão
mantidas e os condensadores são vistos como curto-circuito. Nomeadamente, a Vi foi atribuída
uma amplitude de 1V e procedeu-se à simulação em “AC Analysis” (Type of Sweep: Decade;
Number of points: 101; Start frequency: 1 e Stop Frquency: 100000) para se obter respostas
em função da frequência.
3.4.1. Ganhos de tensão (Av) e corrente (Ai)
O ganho de tensão, Av é obtido através da razão entre a tensão de saída e a de entrada. Como
se arbitrou a tensão de entrada para 1V, neste caso o ganho vai corresponder à tensão de
saída,
|
|
O gráfico 1. ilustra esse valor, tendo em conta as diferentes frequências do sinal de entrada.
12
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Gráfico 1: Gráfico obtido pela razão da tensão de saída e a de entrada
O ganho de corrente, Ai é obtido pela razão entre a corrente de saída, medida na resistência
Ro, e a corrente de entrada, medida na resistência Rs,
|
|
|
|
O valor de Ai obtido é corroborado pelo gráfico 2.
Gráfico 2: Gráfico obtido pela razão entre a corrente de saída e a de entrada
13
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
3.4.2. Impedância de entrada (Zi) e de saída (Zo)
Para calcular a impedância de entrada do circuito, utiliza-se o circuito da figura 9, que como já
foi referido possui uma fonte de tensão Vi de componentes AC e com uma amplitude de 1V.
Aplicando a lei de Ohm,
tal como representado no gráfico 3.
Gráfico 3 Gráfico obtido pela razão entre a tensão e a corrente de entrada (impedância de entrada Zi)
Para a impedância de saída é necessário criar um novo circuito (circuito da figura 11), onde é
colocada uma fonte de tensão com componente AC no local da resistência de saída.
Figura 11: Circuito modificado com uma fonte de tensão Vout, em substituição de Ro
Em relação ao valor da impedância, este é calculado do mesmo modo,
14
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
como demonstra o gráfico 4.
Gráfico 4 Gráfico obtido pela razão entre a tensão e a corrente de saída (impedância de saída Zo)
Pergunta 3.3
Para estudar a estabilidade do ponto de funcionamento em repouso em função de 3 ganhos
de corrente diferentes, recorreu-se ao anterior, com hFE de 294.3, tendo sido necessário
proceder à criação de 2 novos transístores, com hFE de 110 e 800. Para a simulação, selecionouse o modo “DC Sweep” que permite observar a variação quer da corrente de colector (IC) quer
da tensão VBE, para temperaturas entre os -20° e os 70°C.
15
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Gráfico 5: Variação de IC e de VBE em função da temperatura (hFE=110)
Gráfico 6: Variação de IC e de VBE em função da temperatura (hFE=294.3)
16
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Gráfico 7: Variação de IC e de VBE em função da temperatura (hFE=800)
De forma geral, é possível verificar que para qualquer β, a corrente de colector é favorecida, e
a tensão desfavorecida com o aumento de temperatura.
Segundo os dados fornecidos pelo procedimento [1] ,
de β obtiveram-se as seguintes variações de vBE,
. Para os vários valores
,
,
, todas elas bastante próximas do valor tabelado.
As variações de corrente encontram-se na ordem de grandeza dos
, o que permite
concluir que a corrente é pouco sensível a alterações de temperatura, tornando este circuito
apropriado para o funcionamento como fonte de corrente polarizadora.
Pergunta 3.4
Para demonstrar como varia Ic com diferentes valores de resistência de colector, dimensionouse este componente para metade (
) e para o dobro (9.4
) do seu valor inicial (4.7
).
Simulou-se o funcionamento dos diferentes circuitos através da opção “DC operating point”,
para se eliminar qualquer fonte AC do circuito, como feito anteriormente.
Figura 12: Circuitos com Rc=2.35kΩ (à esquerda) e com RC=9.4kΩ (à direita)
17
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Com a análise do circuito, observou-se que com o aumento do valor da resistência a corrente
diminuía, facto que pode ser confirmado pela lei de Ohm.
Rc
Ic
2.35k
1.25168 mA
4.7k
1.24463 mA
9.4k
1.02181 mA
Tabela 3 Correntes de colector para diferentes valores de RC
Pergunta 3.5
A distorção da amplitude de um sinal acontece quando os valores de pico das ondas de
frequência são atenuados causando a tal distorção. Tal ocorre devido a uma mudança do PFR,
e a amplificação deixa de se verificar ao longo de todo o sinal. Eventuais causas para este
acontecimento são uma amplificação não linear para toda a gama de frequências, um sinal de
entrada com uma amplitude superior à tensão de alimentação do transístor e ainda uma
incorrecta amplificação devido a má polarização do circuito. [2]
Para descobrir a amplitude máxima do sinal de entrada VM para que não ocorra distorção na
tensão incremental de saída, para além da simulação, é também necessário recorrer a
processos matemáticos.
Primeiro, para uma simulação no modo “Transient”, traça-se o gráfico da corrente de colector
do transístor (ICQ1) em função da diferença de tensões VCE.
[3.01]
De modo a conhecer a equação que define a recta obtida procede-se ao cálculo dos
parâmetros desta. Uma vez que esta recta intersecta o eixo das ordenadas num ponto que não
é a origem, é também preciso calcular esse valor. Para isso, utilizam-se os valores de IC e VCE
obtidos na análise pelo ponto de funcionamento em repouso, e obtém-se então a equação da
recta representada no gráfico 8.
Para uma corrente
, obtém-se
[3.02]
, o que significa que quando é atingida
a zona de corte, em que as correntes são todas nulas, a tensão entre o colector e o emissor vai
valer aproximadamente 8.57V.
18
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Gráfico 8: Recta de relação de IC com VCE
Em relação à distorção, é importante saber se esta vai ocorrer na zona de saturação ou de
corte do transístor. Para isso é preciso perceber de qual das zonas de funcionamento o valor
de VCE do PFR se encontra mais perto.[3]
A distância para a zona de saturação é dada por,
[3.03]
enquanto que a distância em relação à zona de corte é,
[3.04]
Como se pode verificar por estes resultados, em caso de distorção, esta vai acontecer mais
perto da zona de saturação. Quando a amplitude do sinal de entrada Vi é inferior a VM não há
distorção do sinal de saída, e portanto o transístor não se encontra na zona de saturação.
Logo, a partir do momento em que Vi tem o mesmo valor que VM o transístor passa a ficar
saturado, e deste modo pode-se considerar
.
Considerando esta distância como o valor de saída em saturação, e através da relação entre as
tensões de saída e entrada e o ganho do circuito, obtém-se por fim,
|
|
|
|
[3.04]
Ou seja, a partir de um sinal de entrada com amplitude 75.5 mV, vai ocorrer distorção do sinal
de saída. De seguida, encontram-se representados 3 sinais de saída para entradas antes e
19
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
depois da ocorrência de distorção, obtidos através da opção de “Transient” (com um Stop time
de 5ms).
Gráfico 9: Sinal obtido antes da distorção (vi=0.06V)
Gráfico 10: Sinal obtido com uma pequena distorção (vi =0.076V)
20
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Gráfico 11: Sinal obtido depois da distorção (vi=0.1V)
Como referido anteriormente, dada a proximidade com a zona de saturação a distorção
verifica-se na parte de baixo do sinal de saída.
21
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
4.
Trabalho Experimental
Utilizando a base de montagem TEE 05 (Figura 13), foi construído o circuito amplificador com
polarização estabilizada pretendido. Na análise experimental deste trabalho foi testado o
funcionamento de um circuito, previamente montado, com resistências, condensadores e um
transístor bipolar (BC 547 da Philips). Dos instrumentos utilizados para análise constam um
osciloscópio digital (modelo DSO-X-2024 da Agilent), um gerador de funções (Centrad GF
467F), e ainda um multímetro e um gerador de sinais (utilizado para alimentação DC).
Figura 13: Esquema da base de montagem usada
Pergunta 4.1:
Recorrendo a um multímetro em modo DC, medimos as tensões da fonte de alimentação, na
base e no colector. A partir destes e dos valores nominais das resistências, obtivemos os
valores das correntes do circuito:
VCC (V)
VB (V)
VC (V)
VE (V)
12.97
3.93
8.14
3.29
VBE (V) VCE (V)
0.64
4.85
IC(mA)
IE(mA)
1.028
1.028
IRB1(mA) IRB2(mA) IB(mA)
0.0274
-0.0178
Tabela 4: Medidas em corrente contínua DC
Em que,
[4.01]
[4.02]
22
0.00953
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
[4.03]
[4.04]
[4.05]
As correntes IC e IE obtém-se a partir das equações 2.03 e 2.02, respectivamente.
Para o cálculo do ganho de corrente experimental em análise DC, usámos o valor das correntes
de emissor e de base. Recorrendo à tabela 1 na zona activa,
Pergunta 4.2:
Colocando o condensador CE em paralelo com RE e ligando a resistência RO e o condensador CO
ao colector, aplica-se um sinal de entrada sinusoidal Vim de amplitude, aproximadamente,
76mV, sendo este menor do que o sinal VM previsto na simulação, de forma a não haver
distorção. Escolhemos uma frequência a meio da zona de ganho de tensão constante, fo =1kHz.
Ligando o terminal 1 do osciloscópio ao nó de saída e o terminal 2 ao nó de entrada,
obtivemos os sinais da imagem 14, onde o sinal de cima (laranja) corresponde a vout e o sinal
de baixo (verde) é o vin.
Figura 14: Gráfico obtido para um vin=76mV e fo=1kHz
Pela análise do gráfico na figura anterior, retira-se que a amplitude pico-a-pico de vout é de
3.5V. Assim, obtivemos o ganho de tensão:
23
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Que é coerente com os ganhos calculados na parte teórica e experimental. Também se pode
observar que a desfasagem entre as tensões de entrada e de saída para esta frequência é de
=-179.8°. Assim, obteve-se os valores da primeira coluna da tabela 5.
Pergunta 4.3
Para obter a frequência de limite inferior da banda, calculámos a amplitude da tensão de saída
vom, ⁄√ inferior ao valor na zona de ganho constante.
√
√
A este novo valor de 70% do ganho constante, corresponde uma frequência de corte a -3dB
(f3dB) de, aproximadamente, 30 Hz. Esta correspondência pode ser retirada da análise do
gráfico 1.
Figura 15:Gráfico obtido para vin=80mV e f3dB=29.9kHz
Fazendo uma breve análise à figura anterior, vê-se que a amplitude pico-a-pico de vom é de
2.69V e a desfasagem entre as tensões de entrada e de saída para esta frequência é de =140.6°. Com estes valores podemos completar a tabela 5.
24
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
fo
f3dB inf
Vim (mV)
76
80
f (Hz)
1k
29.9
Vom (V)
3.5
2.69
|Gv|=Vom/Vim
46.05
33.63
 (°)
-179.8
-140.6
Tabela 5: Medidas em regime dinâmico AC
Em relação às desfasagens encontradas nas 2 frequências da tabela 5, estas estão
concordantes com o gráfico do ganho de tensões (Av), quer para a frequência correspondente
ao ganho constante (fo) quer para a frequência de atenuação, as desfasagens são -178,8° e 138.7°. A diferença entre ambas é de aproximadamente 45° e é explicada pela existência de
um par de pólos na característica de transferência. Esta atenuação relaciona-se com a acção
do condensador CE a que está associada a frequência
.
Pergunta 4.4
Tal como previsto na simulação, a distorção do sinal de saída ocorre primeiro na zona inferior
do sinal. Isto deve-se ao facto de no ponto de funcionamento em repouso, a tensão VCE se
encontrar mais próxima da zona de saturação. Para ocorrer a distorção, o valor mínimo que é
necessário impôr à tensão de entrada é 75.5mV, como tal para a análise experimental desse
efeito aplicou-se ao circuito uma tensão de 76 mV.
Pergunta 4.5
Sendo a impedância de entrada calculada por
temos de primeiro obter o valor de Vi e
Ii. Para tal, medimos a tensão à esquerda (Vesq) e à direita(Vdir) da resistência RS., ligou-se a
entrada 1 (amarela) do osciloscópio ao nó da tensão Vesq e a entrada 3(azul) ao nó da tensão
Vdir.
25
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Figura 16: Sinal obtido aos terminais na resistência RS( sinal 1 à esquerda e sinal 2 à direita)
Analisando a figura anterior, podemos concluir que apresenta algum ruído e por isso não se
considerou a medição pico-a-pico feita automaticamente pelo osciloscópio. Assim, por nossa
análise, considerámos Vesq=115V e Vdir=38V. Sendo,
e Vi= Vesq, então
Para obter
, retira-se à resistência de entrada Zi a resistência RS. Assim,
Em análise AC,
, com gm obtido através da razão entre a corrente do colector
experimental (IC) e a tensão térmica (VT):
26
Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
5.
Conclusões
IC (mA)
VCE (V)
IB (μA)
VBE (V)
GV(fo)
VM(mV) Zin(kΩ)
Parte II
1.24
3.19
4.27
0.66
42.97
---
27.6
Parte III
1.24
3.15
4.24
0.64
39.12
75.5
28.03
Parte IV
1.024
4.85
9.53
0.64
46.05
80.0
32.86
Tabela 6: Comparação de resultados obtidos por via teórica (analitica e simulação) e por medidas experimentais
num protótipo
Constantámos, após análise da tabela 6, que são poucas as diferenças entre a análise teórica, a
simulação computacional e medição experimental.
Os desvios encontrados nos resultados teóricos podem ser atribuídos ao modelo mais
simplificado do TJB que foi utilizado na análise teórica, dado que não incorpora vários
parâmetros, que são intrísecos ao modelo Spice.
No entanto, encontrámos uma ligeira diferença no valor experimental da corrente IB (com
reprecussões significativas a nível do valor ganho de corrente β). Esta e as restantes
discrepâncias encontradas nos resultados experimentais, podem dever-se a diversos factores,
como a dispersão do fabrico dos vários componentes, à natureza não ideal de fontes de tensão
e também, devido às simplificações inerentes aos modelos teóricos utilizados, tendo em conta
que a medição é dificultada por se estar a lidar com sinais bastante pequenos.
Apesar de todos os factores referidos, os valores de um modo geral estão de acordo com o
esperado e concordantes entre eles.
Considerações finais
Este trabalho laboratorial permitiu-nos adquirir variados conhecimentos no ramo da
electrónica, tais como, o funcionamento de um transístor de junção bipolar (TJBs),
nomeadamente, a sua aplicação como circuito inversor e amplificador, confirmada com o
ganho de tensão negativo e elevado, respectivamente.
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Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
Confirmou-se a utilidade dos condensadores de acoplamento na estabilização do
funcionamento do circuito, uma vez que permitem aumentar o valor do ganho (amplificador),
e a influência das condições exteriores ao circuito nomeadamente a temperatura. Factos
importantes a ter em consideração aquando da utilização de circuitos electrónicos na área da
engenharia biomédica.
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Trabalho laboratorial 1: Transístor de Junção Bipolar
6.
Referências
[1]
FREIRE, João Costa; Electrónica Geral - 1.º Trabalho de Laboratório – Transístor Bipolar de
Junção; 2.º Semestre 2011/12; IST-DEEC; Lisboa; 2012.
[2]
http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_4.html
[3]
http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_2.html
SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth C., Microelectronic Circuits; 5ª ed.; Oxford; Oxford University
Press; 2004.
http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_2.html
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