Transistores Bipolares de Junção (TBJs) – Parte II

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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
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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
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• 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
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• 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
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• 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.
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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.
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• 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.
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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.
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=
rπ re
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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
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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
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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.
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