Slide Análise Ca dos Circuitos com Tbj-2022 1

ELETRÔNICA ANALÓGICA Slides cedidos pelo Prof. Dr. René Pastor Torrico Bascopé Capítulo II. Transistores Bipolares de Junção (TBJ) Análise CA dos Circuitos com TBJ Introdução A análise CA em circuitos amplificadores de sinal é realizada para determinar o ganho de tensão, o ganho de corrente, a impedância de entrada e a impedância de saída. Para esta finalidade, o transistor TBJ deve operar na região ativa da curva característica iC=f(vCE); No projeto de um circuito amplificador com TBJ o primeiro passo é conhecer as curvas características do TBJ mediante o catálogo e/ou traçando as curvas com ajuda de um software dedicado, Orcad, Multisim, por exemplo; Posteriormente, localizar o ponto de operação ou ponto quiescente (Q) no centro geométrico da área de operação do TBJ; Uma vez localizado o ponto quiescente do gráfico são obtidos importantes dados, tais como, corrente de base IBQ, corrente de coletor ICQ, e tensão coletor-emissor VCEQ. Através das correntes de coletor e de base é determinado o ganho de corrente βQ; Logo, usando critérios fornecidos na literatura devem ser encontrados os componentes (resistores) ao redor do TBJ. Posteriormente, deve ser feita a análise CA ou de pequeno sinal. Princípio de Amplificação de Sinal (a) (b) Figura. (a) Fonte que proporciona corrente constante; (b) efeito de um elemento de controle na circulação de corrente constante. Nota: Todo circuito amplificador de sinal de tensão com TBJ apresenta dois tipos de fontes de tensão, uma contínua (fonte CC) e a outra alternada ou de pequeno sinal (fonte CA). Figura. (a) Circuito conceitual para ilustrar a operação do transistor TBJ, (b) Operação do transistor sob condição de pequeno sinal. Princípio de Amplificação de Sinal (a) (b) SEDRA/SMITH Se um pequeno sinal vbe for adicionado a tensão correspondente ao ponto quiescente Q, a tensão base-emissor instantânea total vBE torna-se, Modelos de Pequeno Sinal Equações correspondentes ao ponto quiescente Q do TBJ são: SEDRA/SMITH Relacionado a corrente de coletor, resulta Série de Taylor CORRENTE DE COLETOR E A TRANSCONDUTÃNCIA Reescrevendo, a corrente de coletor é composta pelo valor da corrente de polarização IC e pela componente de pequeno sinal: Modelos de Pequeno Sinal Assumindo os dois primeiros termos da série de Taylor (critério de linearização), que é válida apenas para vbe menores que cerca de 10 mV (vbe˂˂VT), resulta: Portanto, a componente de pequeno sinal é igual a: A equação relaciona a corrente de coletor de pequeno sinal com a tensão base-emissor correspondente. Ela pode ser reescrita como: onde, (Transcondutância) SEDRA/SMITH Modelos de Pequeno Sinal Para determinar a resistência de base vista pela fonte vbe é avaliada a corrente total de base dado por: Tendo, A parcela da corrente de pequeno sinal é igual a, Substituindo gm=IC/VT , A resistência de entrada para pequenos sinais entre a base e o emissor, olhando para o terminal da base, é representada por rπ e definida como, Também, ou, SEDRA/SMITH CORRENTE DE BASE E A RESITÊNCIA DE ENTRADA DE BASE Modelos de Pequeno Sinal Tendo, A parcela da corrente de pequeno sinal é igual a, A resistência de entrada de pequeno sinal entre base e emissor, olhando para o terminal de emissor, como re ela pode ser definida como, A corrente de emissor é definida baseado na corrente de coletor total, SEDRA/SMITH CORRENTE DE EMISSOR E A RESISTÊNCIA DE ENTRADA DO EMISSOR Modelos de Pequeno Sinal Portanto, O qual resulta em, A relação entre rπ e re pode ser encontrada combinando as equações, como: SEDRA/SMITH Modelos de Pequeno Sinal O EFEITO EARLY – IC DEPENDENTE DA TENSÃO VCE Figura. Característica de um TBJ prático. Modelos de Pequeno Sinal Modelo π Modelo T SEDRA/SMITH Modelos de Pequeno Sinal O MODELO re DO TRANSISTOR TBJ Configuração Emissor Comum (a) b) Figura. Modelo re do transistor TBJ npn na configuração emissor comum, (a) sem efeito Early; (b) com efeito Early. Nota: Na configuração coletor comum usar o modelo do emissor comum. BOYLESTAD Modelos de Pequeno Sinal Configuração Base-Comum O MODELO re DO TRANSISTOR TBJ Figura. Modelo re do transistor TBJ pnp na configuração base comum, (a) sem efeito Early; (b) com efeito Early. BOYLESTAD Procedimentos de Análise CA Dado o circuito amplificador, determine o ponto de operação CC do TBJ, e em particular as correntes IB, IC e IE; Calcule os valores dos parâmetros do modelo para pequenos sinais: gm=IC/VT, rπ=β/gm e re=VT/IE=/gm 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 de seus modelos equivalentes. Embora qualquer um dos modelos possa ser utilizado, um deles deve ser mais conveniente dependendo do circuito a ser analisado. Esse ponto ficará claro adiante neste capítulo; Organizar o circuito sob análise de maneira didática para facilitar a visualização das grandezas envolvidas; Analise o circuito resultante para determinar as grandezas de interesse (Av, Ai, Zi, e Zo) Procedimentos de Análise CA Transistor small-signal ac equivalent circuit Procedimentos de Análise CA Ganho de Tensão: Av=vo/vi Ganho de Corrente: Ai=io/ii Impedância de Entrada: Zi=vi/ii Impedância de Saída: Zo=vo/io PARÂMETROS SOB ANÁLISE: Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa Considera-se ; então, Circuito resultante. Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa RELAÇÃO DE FASE: Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa Repetir com ro=50 k EXEMPLO: DETERMINAR: Polarização por Divisor de Tensão R' = R1||R2 = \frac{R1R2}{R1 + R2} Z_i = R'||\beta r_e Polarização por Divisor de Tensão Tendo Vi=0 V, resultando em Ib=0 A e βIb=0 mA Polarização por Divisor de Tensão Repetir com EXEMPLO: DETERMINAR: Configuração EC com Polarização do Emissor SEM CAPACITOR DE DESVIO Considerando β>>1, resulta Configuração EC com Polarização do Emissor Usualmente, RE>>re , então: Com Vi=0 V, Ib=0 A, βIb resulta em circuito aberto. Substituindo, Configuração EC com Polarização do Emissor EFEITO DE ro RELAÇÃO DE FASE Os sinais de tensão de entrada e saída estão deslocados em 180o Configuração EC com Polarização do Emissor Sem capacitor de desvio CE EXEMPLO: DETERMINAR: Configuração de Seguidor de Emissor Configuração de Seguidor de Emissor Para encontrar Zo, Vi=0 V; Configuração de Seguidor de Emissor Aplicando divisor de tensão: Geralmente, RE>>re, então, RELAÇÃO DE FASE Os sinais de tensão de entrada e saída estão em fase, e o ganho é unitário; implica que o sinal de saída é igual ao sinal de entrada. Configuração de Seguidor de Emissor EFEITO DE ro Se Aproximando, Se, Configuração de Seguidor de Emissor EXEMPLO: DETERMINAR: e. Repetir os itens (b) até (d) com e compare resultados. Configuração Base Comum Circuito amplificador. Circuito de pequeno sinal. Configuração Base Comum Assumindo que, RELAÇÃO DE FASE Os sinais de tensão de entrada e saída estão em fase. Configuração Base Comum EXEMPLO: DETERMINAR: Configuração com Realimentação do Coletor Circuito amplificador. Circuito de pequeno sinal. Configuração com Realimentação do Coletor Se, Configuração com Realimentação do Coletor Se, Configuração com Realimentação do Coletor EXEMPLO: DETERMINAR: e. Repetir os itens (b) até (d) com e compare resultados. Configuração com Realimentação CC do Coletor Circuito Amplificador Circuito de Pequeno Sinal Configuração com Realimentação CC do Coletor Para, Desta maneira, Para, Configuração com Realimentação CC do Coletor EXEMPLO: DETERMINAR: Efeito de RL e RS Ganho de Tensão sem Carga Ganho de Tensão com Carga RL Ganho de Tensão com Carga RL e Resistência da Fonte RS O ganho de tensão com carga de um amplificador é sempre menor do que o ganho de tensão sem carga. O ganho de tensão obtido com a adição de uma resistência de fonte será sempre menor do que aquele obtido sob condições com ou sem carga devido à queda de tensão resultante através da resistência da fonte. Efeito de RL e RS Para a mesma configuração, AvNL > AvL > AvS. Configuração Emissor-Comum com Polarização Fixa Efeito de R_L e R_S R'_L = r_o || R_C || R_L \cong R_C || R_L V_o = -\beta I_b R'_L = -\beta I_b (R_C || R_L) I_b = \frac{V_i}{\beta r_e} V_o = -\beta \left(\frac{V_i}{\beta r_e}\right) (R_C || R_L) A_{V_L} = \frac{V_o}{V_i} = -\frac{R_C||R_L}{r_e} Z_i = R_B || \beta r_e V_i = \frac{Z_i V_s}{Z_i + R_S} \frac{V_i}{V_s} = \frac{Z_i}{Z_i + R_S} A_{V_S} = \frac{V_o}{V_s} = \frac{V_o}{V_i}\cdot \frac{V_i}{V_s} = A_{V_L} \frac{Z_i}{Z_i + R_S} A_{V_S} = \frac{Z_i}{Z_i + R_S} A_{V_L} Efeito de RL e RS Polarização por Divisor de Tensão Efeito de R_L e R_S A_{V_L} = \frac{V_o}{V_i} = -\frac{R_C || R_L}{r_e} Z_i = R_1 || R_2 || \beta r_e V_i = \frac{Z_i V_s}{Z_i + R_S} \frac{V_i}{V_s} = \frac{Z_i}{Z_i + R_S} A_{V_S} = \frac{V_o}{V_s} = \frac{V_o}{V_i}\cdot \frac{V_i}{V_s} = A_{V_L} \frac{Z_i}{Z_i + R_S} A_{V_S} = \frac{Z_i}{Z_i + R_S} A_{V_L} Determinação do Ganho de Corrente Para cada configuração de transistor TBJ, o ganho de corrente pode ser determinado diretamente a partir do ganho de tensão, da carga definida e da impedância de entrada. Sistemas em Cascata Ganho de Tensão Total Ganho de Corrente Total Sistemas em Cascata Amplificador Usando TBJ com Acoplamento RC Sistemas em Cascata a) Calcule o ganho de tensão sem carga e a tensão de saída dos amplificadores transistorizados com acoplamento RC; b) Calcule o ganho global e a tensão de saída se uma carga RL=4,7 k é aplicado ao segundo estágio e compare os resultados com aqueles obtidos no item (a); c) Calcule a impedância de entrada do primeiro estágio e a impedância de saída do segundo. a) A análise de polarização CC resulta, para cada transistor no que vemos a seguir: No ponto de polarização, A carga no segundo estágio é, que resulta no seguinte ganho para o primeiro estágio: Sistemas em Cascata Para o segundo estágio sem carga, o ganho é o que resulta em um ganho global de A tensão de saída é, portanto, Sistemas em Cascata que é consideravelmente menor do que o ganho sem carga, porque RL está relativamente próximo de RC. enquanto, a impedância de saída para o segundo estágio é, b) O ganho global com carga aplicada de 4,7 k é, c) A impedância de entrada do primeiro estágio é, Conexão Darlington Combinação Darlington. Aplicações da combinação são apresentadas no livro Boylestad. Fim Conteúdo do Programa: Aula 11 Aula 12 Aula 13 Aula 14