Capítulo 2: Fundamentos dos transistores bipolares de ... · 2 –Tipos de ligação do TBJ ......
Transcript of Capítulo 2: Fundamentos dos transistores bipolares de ... · 2 –Tipos de ligação do TBJ ......
- Eletrônica Analógica 1 -
Capítulo 2: Fundamentos dos transistores bipolares de junção (TBJ)
SumárioParta A – Introdução ao TBJ e sua operação
1 – Física do TBJ
2 – Tipos de ligação do TBJ
2.1 – Configuração base-comum
2.2 – Configuração emissor comum
3 – A reta de carga
Parta B – Polarização e Análise DC4 - Polarização da base (fixa)
5 - Polarização do emissor
6 - Polarização por divisor de tensão
7 – Polarização com realimentação de tensão
Parta C – Amplificação e Análise CA8 – Modelagem CA do TBJ
9 - Análise CA da polarização da base
10 - Análise CA do divisor de tensão
11 - Análise CA da polarização do emissor
12 - Análise CA do seguidor de emissor
13 - Análise CA do base comum
14 - Análise CA do realimentação do coletor
Parte D – Ligações multiestágios e efeitos de impedância
Parte E – Amplificação de potência 2
3
Parte A
Introdução ao TBJ e sua operação
1 – Física do TBJ
4
• Transistor npn e pnp e os diodos
• As correntes no transistor
5
BCE III
Convencional Real
6
Base-comum Emissor-comum Coletor-comum
2 - Tipos de ligação do TBJ
• Visão geral:
– Separar CA de CC (teorema superposição)
7
• Como acontece a amplificação ?
8
Polarização CC omitida
• A amplificação aconteceu porque “transferiu” a corrente de um circuito de baixa resistência para um de alta resistência
TRANSFERÊNCIA + RESISTOR = TRANSISTOR
• Vamos pensar um pouco?
9
10
Configuração em base-comum
• Observações gerais sobre o base-comum:
– IC ≈ IE
– Para o base-comum temos o parâmetro:
– Quando IE=0 tem-se uma corrente ICBO≈µA/nA
– Na região ativa para o base-comum• Polarizar diretamente BASE-EMISSOR
• Polarizar reversamente BASE-COLETOR
– Modelo simplificado • (IC ≈ IE e IB ≈ 0mA)
11
𝛼 =𝐼𝑐𝐼𝑒
→ 1
12
Configuração emissor-comum
• Βcc
• βca
• ponto Q
13
B
CccFE
I
Ih
teconVB
Ccafe
CB
I
Ih
tan
• Como se dá a amplificação?
3 - A reta de carga
14
15
Variações de IB
Variações de Rc
Variações de Vcc
• Variações da reta de carga e Q
• Região ativa
16
• Variações de Q segundo β:– Considere o circuito abaixo de um β =100
– Considere um β variando entre 50 e 150
17
18
• Corte• IB=0 e IC≈0
• Ambos diodos REVERSAMENTE polarizados
• Resistência entre coletor e emissor infinita!
• Máximo VCE possível
• Saturação• Ambos diodos DIRETAMENTE polarizados!
• Máxima corrente possível para o coletor– Resistência zero entre coletor e emissor
• Eletrônica analógica x digital
• Identificação da saturação– Observe o valor do ganho de corrente!
19
• Saturação forte: existe IB mais do que suficiente para saturar o transistor
20
• Tempos do transistor no corte/saturação
21
• O fototransistor
– Mais sensível a luz que o fotodiodo
22
• Análise de datasheets:
– Ver arquivos anexos dos transistores BC337/338 e 2N4123 ou consultar os endereços:
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/2N/2N4123.pdf
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/BC337-D.PDF
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/BC/BC337.pdf
23
Parte B
24
Polarizações(análise D.C.)
• Mais simples
• Mais usado no corte/saturação
– Muito sensível a β
25
4 - Polarização da base (fixa)
Exercício:Polarize um transistor na configuração “polarização da base” a partir do gráfico do transistor abaixo:
26
a) Desenhe a reta de carga da sua polarização
b) Escolha um ponto de operação e indique ICQ e VCEQ.
c) Quanto vale β e α no ponto Q?
d) Qual a corrente de saturação neste proj.?
e) Qual a potência CC dissipada pelo transistor? E pela fonte ? E pelos demais componentes ?
– Ponto Q mais estável
– Polarização base: corrente fixa na base
– Polarização emissor: corrente fixa no emissor
• Cadê resistência da base ?
– Menor efeito de β pois:
27
E
cc
ccC II
1
5 - Polarização do emissor
Exemplo: acionador de LED
– Polarização da base fortemente saturado
– Polarização emissor
• Independe da queda de tensão no LED
28
29
Exercício:Polarize um transistor na configuração “polarização da base” a partir do gráfico do transistor abaixo:2N4123
• Tarefas para casa
– “Obrigatórios”:
• Polarização da base: 4.1, 4.5
• Polarização do emissor: 4.10, 4.11
– Treino:
• Polarização da base: 4.2, 4.3, 4.4
• Polarização do emissor: 4.6, 4.7, 4.8
30*Considerando o livro-texto do Boylestad, 8ª ed (capa azul)
• Maior estabilidade Q que modelos anteriores
31
6 - Polarização por divisor de tensão
ETH
BETHB
RR
VEI
)1(
Exercício:
Calcule IC, VE, VCC, VCE, VB, R1
32
• Forma alternativa: análise aproximada
– Condição para aplicação desta análise
33
210RRE
34
7 – Polarização com realimentação de tensão
)( ECB
BECCB
RRR
VVI
• Melhor estabilização de Q – praticamente independente de β
– Formato geral para IB e IC'
'
RR
VI
B
B
'
'
'
'
R
V
RR
VI
B
C
Exercício:
Determine os valores de IC, VC, VE, e VCE
35
Exercício:
Calcule IE, VC e VCE
36
Exercício:
Projete usando os parâmetros da figura
37
Exercício:
Projete R1, R2, RC e RE para o circuito indicado abaixo. Note que no mesmo já foi indicado um ponto Q.
38
Exercício:Um microcontrolador deve acionar um LED em sua saída. Considere que este microcontrolador trabalha com a tensão de 3,3V. A partir da análise dos gráficos do LED abaixo, determine como deve ser feito este acionamento sabendo que microcontroladores geralmente não podem fornecer mais do que 10mA por pino.
39
Exercício:
Determine VC e IB na figura abaixo.
40
41
• Tarefas para casa
– “Obrigatórios”:
• Polarização divisor tensão: 4.12, 4.13, 4.16 e 4.21.
• Polarização realimentação tensão: 4.22, 4.26
• Polarização mista: 4.28, 4.29, 4.30, 4.31, 4.35, 4.36
*Considerando o livro-texto do Boylestad, 8ª ed (capa azul)
42
Parte C
Amplificação(análise A.C.)
43
8 – Modelagem CA do TBJ• Modelagem:
– Modelo re
• Análise CA– fontes CC e capacitores curto-circuitados
• Distorção
44
• Impedância de entrada:
– Importância de Zi
45
i
ii
I
VZ
• Impedância de saída
• Ganho de tensão
46
i
ov
V
VA
LRi
ovNL
V
VA
Exemplo : Para o esquema abaixo, determine Vi, Zi, Av
• Ganho de corrente:
• Outro exemplo:
47
i
oi
I
IA
• Capacitores de acoplamento– Transmitir sinais CA isolando CC (geralmente ligado em série)
– Desviar sinais CA para o terra (geralmente ligado em paralelo)
– XC < 0,1.R onde R = resistência total em série com o capacitor
48
fCXC
2
1
• OVERVIEW: Configurações e circuitos para o TBJ
49
Polarização fixa(ou da base) Polarização divisor de tensão
Polarização do emissor
Seguidor de emissor Base comumRealimentação do
coletor
9 - Análise CA da polarização da base
50
eBi rRZ ei rZ
oCo rRZ Co RZ
e
oC
vr
rRA
CRre
Cv
r
RA
0
))(( eBCo
oB
i
Oi
rRRr
rR
I
IA
Exemplo: Para o circuito abaixo determine ZI, ZO, AV, AI. Repita os cálculos para ro=20 k ohms
51
Exercício: para o circuito da Figura abaixo, determine VCC para um ganho de tensão de 200 vezes.
52
53
10 - Análise CA do divisor de tensão
ei rRRZ 21
oCo rRZ Co RZ
e
oC
vr
rRA
CRre
Cv
r
RA
0
eeCo
o
i
Oi
rRR
RR
rRRRr
rRR
I
IA
)(
)(
))((
)(
21
21
21
21
Exemplo: para o circuito ao lado determine Zi, Zo, Av e Ai.
Exercício: para o circuito ao lado determine Zi, Av, VB e VC.
54
11 - Análise CA da polarização do emissor
55
Eeb RrZ )1(
bBi ZRZ Onde:
Co RZ
E
C
Ee
C
b
C
i
ov
R
R
Rr
R
Z
R
V
VA
bB
B
i
oi
ZR
R
I
IA
Exemplo: para o circuito da figura ao lado determine Zi, Z0, Av e Ai
Exercício: para o circuito da figura ao lado determine Zi, Z0, Av e Ai
56
57
• Saída no emissor do transistor– Av≈1 (somente queda no diodo base-emissor)–Não há inversão de fase– Casamento de impedância
12 - Análise CA do seguidor de emissor
bBi ZRZ
EEeb RRrZ )1(Onde:
eEo rRZ
eE
E
i
ov
rR
R
V
VA
bB
B
i
oi
ZR
R
I
IA
Exemplo: determine Zi, Zo, Av e Ai
Exercício: determine IB, IC, Zi, Zo, Av e Ai
58
59
13 - Análise CA do base comum
eEi rRZ
Co RZ
e
C
e
C
i
ov
r
R
r
R
V
VA
1 i
oi
I
IA
Exemplo: determine Zi, Zo, Av e Ai da figura ao lado.
Exercício: determine Zi, Zo, Av e Ai da figura ao lado.
60
61
14 - Análise CA do realimentação do coletor
F
C
ei
R
R
rZ
1
FCo RRZ
e
C
i
ov
r
R
V
VA
C
F
CF
F
i
oi
R
R
RR
R
I
IA
• Observação: no caso de uma inclusão de uma resistência RE no emissor, as fórmulas passam a ser:
62
F
EC
Ei
R
RR
RZ
)(1
FCo RRZ
E
C
i
ov
R
R
V
VA
F
ECi
R
RRA
)(1
1
Exemplo: determine Zi, Zo, Av e Ai da figura ao lado.
Exercício: considerando que re=10Ω, β=200, Av=160 e Ai=19, determine RC, RF e VCC
para a figura ao lado.
63
64
65
66
Parte D
Ligação multi-estágios e efeitos de impedância
• Considerar o sistema modelado como:
67
Exemplo: para o circuito abaixo, esboce o modelo equivalente de 2 entradas deste circuito.
68
• Considerando os efeitos de carga:
69
NLv
OL
L
i
ov A
RR
R
V
VA
L
iv
ii
LO
i
oi
R
RA
ZV
RV
I
IA
/
/
Exemplo: baseado no circuito da figura abaixo, determine:
a) AvNL, Zi e Zo (esboce o modelo de 2 portas)
b) Calcule AV e AI
70
• Efeitos de impedância da fonte:
– Zi e AvNL não são afetados pela resistência interna da fonte.
71
S
Si
ii V
RR
RV
NLs v
Si
i
S
Ov A
RR
R
V
VA
Exemplo: baseado no circuito da figura abaixo, determine:
a) AvNL, Zi e Zo (esboce o modelo de 2 portas)
b) Calcule Avs (ou seja:V0/VS)
72
73
NLs v
OL
L
Si
i
S
i
i
O
S
Ov A
RR
R
RR
R
V
V
V
V
V
VA ...
L
ivi
R
RAA
L
iSvi
R
RRAA
SS
• Combinação de Rs e RL
Exemplo: baseado no circuito da figura abaixo, determine:
a) AvNL, Zi e Zo (esboce o modelo de 2 portas)
b) Calcule Av e Avs
c) Calcule Ai
74
75
.....321 vvvv AAAA
r
L
ivi
R
ZAA
rr
1
• Cascateamento de estágios
Exemplo: para o modelo abaixo, determine (i) o ganho com carga para cada estágio, (ii) o ganho AV e (iii) Avs, (iv) o ganho de corrente total e (v) o ganho Avs se o seguidor-de-emissor for removido
Exemplo: Projete o circuito do diagrama abaixo.
76
77
Parte E
Amplificação de potência
• Amplificação
– Pequeno sinal: linearidade e ganho tensão
– Grandes sinais: ganho de potência
• Eficácia dê potência, casamento de impedância
• Classificação
– Classe A: 360º (sem saturação)
– Classe B: 180º (polarização cc em 0v)
– Classe C: < 180º
– Classe D: digital
78
• Eficiência do amplificador
– A: muita potência na polarização
– B: sem potência de polarização na ausência de sinal
79
• Ceifamento:
– Máxima tensão de pico (MP): min(ICQrc, VCEQ
)
– Máxima tensão de pico-a-pico = 2MP
– Para um bom projeto: ICQrc = VCEQ
80
• Potência de entrada:
• Potência de saída:
81
QCcci IVccP )(
Valores eficazes Valores de pico
Valores pico-a-picoCceo IVcaP )(
RIcaP Co
2)(
R
VcaP C
o
2
)(
2)( Cce
o
IVcaP
RI
caP Co
2)(
2
R
VcaP CE
o2
)(2
8)( Cce
o
IVcaP
RI
caP Co
8)(
2
R
VcaP CE
o8
)(2
Amplificador classe A
• Eficiência:
Exemplo: Calcule a potência de entrada e saída para ocircuito da figura abaixo. O sinal de entrada resulta emuma corrente de base de 5mA rms.
82
)(
)(
ccP
caP
i
o
83
Amplificador classe B
• Praticamente não é polarizado
– Conduz corrente somente um semi-ciclo do sinal
• 2 transistores: push-pull
– Cada um conduz um pedaço de semi-ciclo
• Distorção de cruzamento
84
• Classe B com seguidor de emissor simétrico
85
86
• Dissipador para transistor de potência
• Ganho de corrente = β1β2
• Impedância de entrada muito alta
• VBE_darlington = 2VBE
87
Conexão Darlington