Transistores Bipolares de Junção – Parte II Transistores Bipolares de Junção (TBJs) – Parte II Capítulo 4 de (SEDRA e SMITH, 1996). SUMÁRIO 4.7. O Transistor como Amplificador 4.8. Modelos Equivalentes para Pequenos Sinais 4.9. Análise Gráfica 4.7. O TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR • Para operar como amplificador um transistor deve ser polarizado na região ativa. • A polarização deve estabelecer uma corrente cc constante no coletor, insensível a variações de temperatura, β, etc. Figura 4.23. (a) circuito conceitual para análise do transistor como amplificador (b) fonte de sinal vbe eliminada para análise cc. As Condições cc • Fazendo vbe = 0, tem-se: I C = IS e IE = VBE VT IC α 1/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II IB = IC β VC = VCE = VCC − I C R C • Para operação no modo ativo, VC deve ser maior que VB por um valor que permita oscilações com amplitudes razoáveis no sinal de coletor. A Corrente de Coletor e a Transcondutância • Se um sinal vbe for aplicado, tem-se: v BE = VBE + v be • A corrente total de coletor é então: i C = IS e v BE VT = I Se VBE + v be VT = IS e VBE VT e v be VT = ICe v be VT • Para vbe << VT: i C ≅ I C 1 + v be I = I C + C v be = I C + i c VT VT • Aproximação de pequenos sinais: o Válida para vbe menor que cerca de 10mV. • A corrente de coletor é composta do valor da corrente de polarização IC e de uma componente de sinal ic: ic = IC v be = g m v be VT • A transcondutância para o transistor é definida por: gm = IC VT 2/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II • A transcondutância é igual à inclinação da curva característica iC – vBE no ponto de operação (Figura 4.24): gm = ∂i C ∂v BE i C =I C Figura 4.24 – Operação linear do transistor na condição de pequenos sinais. • O transistor comporta-se como uma fonte de corrente controlada por tensão A Corrente de Base e a Resistência de Entrada da Base • Determinação da corrente de base: iB = i C IC 1 IC = + v be = I B + i b β β β VT • Componente de sinal de iB: ib = g 1 IC v be = m v be β VT β 3/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II • Define-se a resistência de entrada para pequenos sinais (vista do terminal da base): rπ ≡ v be V β = = T ib g m IB A Corrente de Emissor e a Resistência de Entrada do Emissor • Corrente total no emissor: iE = iC IC ic = + = IE + ie α α α • A componente de sinal da corrente de emissor é então: ie = ic I I = C v be = E v be α αVT VT • Define-se a resistência de emissor para pequenos sinais (vista do terminal do emissor): re ≡ v be VT α 1 = = ≅ ie IE gm gm • Pode-se obter a seguinte relação: rπ = (β + 1)re O Ganho de Tensão • Tensão de saída para o transistor: tensão no coletor vC. o Observa-se a tensão resultante da passagem da corrente de coletor no resistor RC: vC = VCC − i C R C = = VCC − (I C + i c )R C = = (VCC − I C R C ) − i c R C = = VC − i c R C 4/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II • A componente de sinal da tensão no coletor é então definida por: v c = −i c R C = −g m v be R C = (− g m R C )v be • O ganho de tensão do amplificador a transistor é: vc = −g m R C v be 4.8. MODELOS EQUIVALENTES PARA PEQUENOS SINAIS • Serão vistos modelos para pequenos sinais, obtidos pelo teorema da superposição considerando apenas o efeito das pequenas variações de tensão e corrente. O Modelo π–Híbrido (simplificado) Figura 4.26. Duas versões do modelo π-híbrido simplificado • Primeiro modelo – fonte de corrente controlada por tensão (amplificador de transcondutância). • Segundo modelo – amplificador de corrente. • Os parâmetros do modelo gm e rπ dependem do valor da corrente de polarização IC. • Os modelos foram deduzidos para transistores npn mas valem sem troca de polaridades também para transistores pnp. 5/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II O modelo T Figura 4.27 – Duas versões do modelo T. • Primeiro modelo – fonte de corrente controlada por tensão. • Segundo modelo – fonte de corrente controlada por corrente. • Embora o modelo π–híbrido seja mais usado, há situações em que o modelo T é mais conveniente. Aplicação dos Modelos Equivalentes para Pequenos Sinais 1. Determinar o ponto de operação cc do TBJ. • Em particular o valor da corrente cc do coletor IC. 2. Calcular os valores dos parâmetros do modelo para pequenos sinais: gm = β α IC e/ou re = , rπ = gm gm VT 3. Eliminar as fontes cc: • Fontes de tensão curto circuitadas. • Fontes de corrente em circuito aberto. 4. Substituir o TBJ por um de seus modelos equivalentes. • Um dos modelos deve ser mais conveniente que os outros. 5. Analisar o circuito resultante para determinar as grandezas de interesse. 6/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II • Exemplos 4.9, 4.10 e 4.11. Expandindo o Modelo π–Híbrido para considerar o Efeito Early • O Efeito Early, que faz com que a corrente de coletor dependa não apenas de vBE mas também de vCE. • É modelado por uma resistência de saída r0 finita na saída do modelo πhíbrido. r0 ≅ VA IC • VA é a tensão Early e IC é a corrente cc de polarização do coletor. Fig 4.33. Duas versões do modelo π-híbrido simplificado com resistência r0 incluída • A tensão de saída é v 0 = −g m v be (R C // r 0 ) (reduz o ganho) • Pode-se desprezar r0 quando maior que 10 RC. 7/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II Resumo dos Parâmetros dos Modelos Parâmetros do modelo em termos das correntes de polarização cc: gm = IC VT rπ = VT V =α T IE IC re = VT V =β T IB IC r0 = VA IC re = α gm Em termos de gm: rπ = β gm Em termos de re: gm = α re rπ = (β + 1)re gm + • Exercício 4.24, problemas 4.19, 4.20, 4.21, 4.22, 4.23 e 4.24. 8/11 1 1 = rπ re Transistores Bipolares de Junção – Parte II 4.9. ANÁLISE GRÁFICA • É de pouco valor prático na análise e projeto de circuitos transistorizados mas é ilustrativo para compreensão. Figura 4.34. Circuito que será analisado graficamente • Considerando vi = 0, utiliza-se a característica iB – vBE para obter o valor da corrente de base. • Na determinação de IB, a reta de carga é definida por: iB = VBB − v BE RB Figura 4.35. Determinação gráfica da corrente cc de base • Conhecido o valor de IB, utiliza-se a característica iC – vCE para obter o valor da corrente de coletor IC e da tensão VCE: • A reta de carga para determinação de IC e VCE é: iC = VCC − v CE RC 9/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II Figura 4.36. Determinação gráfica da corrente de coletor e tensão coletor-emissor • Quando o sinal vi é aplicado, teremos variações em torno do ponto quiescente Q e podemos usar as retas de carga instantâneas para determinar iB e, conseqüentemente, a tensão vCE. Figura 4.37. Determinação gráfica das componentes de sinal 10/11 Transistores Bipolares de Junção – Parte II Efeitos da Localização do Ponto de Polarização na Excursão Máxima do Sinal • O pico máximo positivo de vCE não pode ir além de VCC senão o transistor entraria em corte • O pico mínimo negativo de vCE não pode se estender abaixo de décimos de volt senão o transistor entraria na região de saturação. • As retas de carga A e B na figura abaixo correspondem a pontos de polarização ruins. Figura 4.38 –Localização do ponto de polarização e a excursão máxima do sinal. • Exercícios 4.25 e 4.26, problema 4.25. REFERÊNCIAS SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth S. Capítulo 3 – Diodos, em Microeletrônica. 4a. Edição. Makron Books Ltda, São Paulo, 1998. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica Volume 1. McGraw-Hill, São Paulo, 1986. 11/11