Exemplo 4.10 – continuação (4) vBE: onda triangular com 8,6 mV de pico.

Corrente de coletor:

mA 80

0080100ˆ ˆ

,

,II bc

mV 6,809,1100

09,18,0

ˆ ̂

rR

rVV

BBibe

Exemplo 4.10 – continuação (5)

vC: onda triangular com 2,43 V de pico.

V 43,28,004,3

ˆ04,3 ̂

ic VV

Análise para pequenos sinais – considerações

Análise de primeira ordem diretamente no circuito (o modelo equivalente é utilizado implicitamente) – Vide exemplo 4.11, figura 4.30 (d).

Expandindo o modelo -híbrido para considerar o efeito Early a corrente de coletor depende não apenas de vBE , mas também de vCE .

Dependência com vCE pode ser modelada atribuindo-se uma resistência finita ro na saída da fonte de corrente controlada do modelo -híbrido.

ro VA / IC (VA : tensão Early; IC : corrente cc de polarização do coletor).

Modelo -híbrido e o efeito Early

Figura 4.33 O modelo -híbrido para pequenos sinais, em suas duas versões, com a resistência ro incluída.

oCbemo rRvgv // O ganho será parcialmente reduzido.

ro >> RC : a redução no ganho será desprezível.

Ambos os modelos-T podem ser expandidos para levar em conta o efeito Early, incluíndo-se ro entre C e E.

Modelos -híbrido e T e o efeito Early

O efeito Early – revisão

A

CEVvSC V

veIi TBE 1 /

CAovCE

Co IVr

v

ir

BE

/

1

constante

Parâmetros do modelo em termos das corentes de polarização cc:

Em termos de gm:

Em termos de re:

Relações entre e :

Parâmetros dos modelos – resumo

T

Cm V

Ig

C

T

E

Te I

VIV

r

C

T

B

T

IV

IV

r C

Ao I

Vr

me g

r

mgr

em r

g err 1

em rr

g11

1 1

11

1

Figura 4.34 – exemplo 4.9 : Análise gráfica (1) Determinar o ponto cc de polarização (vi = 0) iB vBE :

determinar a corrente de polarização da base IB (como fizemos para diodos); (2) iC vCE (iB constante) e iC vCE (vBE constante) (Figura 4.15) determinar o ponto de operação Q.

Análise gráfica

Figura 4.34 Circuito cuja operação será analisada graficamente.

CECC

CCC

CCCCCE

vRR

Vi

RiVv

1

Restrições impostaspelo circuito.

Análise gráfica (2)

Figura 4.35 Construção gráfica para a determinação da corrente cc da base.

Figura 4.36 Construção gráfica para a determinação da corrente cc do coletor IC e da tensão coletor-emissor VCE.

RC: carga do amplificador reta com inclinação – 1 / RC : reta

de carga.

Q (IC , VCE ): ponto de polarização cc, ou ponto quiescente.

Para a operação do amplificador, Q deve estar na região ativa.

Além disso, Q deve estar no meio da região ativa, para permitir que um sinal (ac) excursione razoavelmente quando o sinal de entrada vi for aplicada.

Exemplo: vi – onda triangular ; vBE = VBB + vi .

Reta com inclinação – 1 / RB : “reta de carga instantânea”

Intercepta a curva iB – vBE no ponto cujas coordenadas fornecem os valores instantâneos de iB e de vBE correspondentes ao valor particular de VBB + vi (t).

Análise gráfica (3)

Análise gráfica (4)

Figura 4.37 Determinação gráfica das componentes de sinal vbe , ib , ic e vce quando um sinal vi é sobreposto à tensão cc VBB , na figura 4.34.

Aproximação para pequenos sinais

Efeitos da localização do ponto de polarização na excursão máxima do sinal

Q iC – vCE : afeta significativamente a excursão máxima permitida no coletor (vCE MAX VCC região de corte; vCE MIN região de saturação).

Figura 4.38 Efeito da localização do ponto de polarização na excursão máxima do sinal: a reta de carga A resulta em um ponto de polarização QA com um VCE

correspondente que está muito próximo de VCC e, portanto, limita a excursão positiva de vCE. No outro extremo, a reta de carga B resulta em um ponto de operação muito próximo da região de saturação, limitando portanto a excursão negativa de vCE.

Valor baixo de RC .

Valor alto de RC .

Polarização do TBJ para projetos de circuitos com componentes discretos

O problema da polarização estabelecer uma corrente cc constante no emissor do TJB.

Deve ser calculável, previsível e insensível às variações da temperatura e às grandes variações no valor de encontradas em transistores de um mesmo tipo.

Outra consideração importante localizar o ponto de polarização no plano iC vCE de forma a permitir a máxima excursão do sinal de saída.

Diferentes abordagens empregadas para resolver o problema da polarização de circuitos projetados com componentes discretos (circuitos integrados – Capítulo 6).

Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples

Alimentar a base do transistor com uma fração da tensão de alimentação VCC através de um divisor resistivo de tensão R1 e R2. Além disso, um resistor RE é conectado ao emissor.

Figura 4.39 Polarização clássica para TJBs usando uma fonte de alimentação simples: (a) circuito; (b) circuito com o divisor de tensão de alimentação da base substituído pelo seu equivalente de Thévenin.

)1/(

1

BE

BEBBE

EB

RRVV

I

II

Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (2)

Para que IE fique insensível às variações na temperatura e na variação de o projeto do circuito deve satisfazer as condições:

Por que?

)1/( ;

1

BE

BEBBE

EB RR

VVI

II

)1( e

B

EBEBBR

RVV

Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (3)

VBB >> VBE pequenas variações em VBE (próximo de 0,7V) serão desprezadas pelo vaor muito maior de VBB.

Limite superior para VBB : para um dado valor da tensão de alimentação VCC , quanto maior o valor de VBB , menor será a soma das tensões em RC e na junção coletor-base (VCB).

Por outro lado, deseja-se que a tensão em RC seja a maior possível a fim de obter-se um alto ganho de tensão e uma grande excursão do sinal (antes do transistor entrar em corte).

Deseja-se, também, que VCB (ou VCE) seja de alto valor para proporcionar uma grande excursão do sinal (antes de o transistor entrar na saturação).

Requisitos conflitantes: solução um compromisso.

Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (4)

VBB >> VBE .

Regra prática: VBB 1/3 VCC ; VCB (ou VCE) 1/3 VCC ; ICRC 1/3 VCC .

RE >> RB / (+1) IE insensível às variações de .

Pode ser satisfeita escolhendo-se um valor pequeno para RB , o que pode ser obtido usando-se valores baixos para R1 e R2.

Valores baixos de R1 e R2 , no entanto, implicarão uma maior corrente drenada da fonte de alimentação e normalmente resultarão em redução na resistência de entrada do amplificador (se o sinal for acoplado na base), que é a solução de compromisso envolvida na solução desta parte do projeto.

Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (5)

RE >> RB / (+1) VB independente das variações do valor de ;

VB determinada somente pelo divisor de tensão. Será satisfeito de a corrente no divisor tiver valor muito maior que a corrente da base.

Tipicamente, R1 e R2 são escolhidos de tal modo que suas correntes estejam na faixa de IE a 0,1 IE .

A realimentação proporcionada por RE também contribuem na estabilização da corrente IE (e, portanto, IC).

Se IE a tensão IE RE VE VBE (se VB for determinada prioritariamente pelo divisor de tensão R1, R2, que é o caso se RB for pequeno) IC (e IE) , gerando uma variação oposta àquela original (maior detalhamento de realimentação negativa – capítulo 8).

Exemplo 4.12 Deseja-se projetar a rede de polarização do amplificador na

figura 4.39 para estabelecer uma corrente IE = 1 mA usando uma fonte de alimentação VCC = + 12 V.

Solução: Regra prática: VBB 1/3 VCC ; VCB (ou VCE) 1/3 VCC ; ICRC 1/3 VCC .

V 4 3/1 CCV

V 3,34

V 42

BEEEBBE

BR

VVVVV

VV

ERRBRER IIIIIII 1,0 Se . 1,01222

Exemplo 4.12 (2)

kRRRR

I

IIIII

E

ERRBR

120mA 11,0V 1212

0,1

1,0 Se

2121

122

k 80 e k 40

V 4

12

21

2

RR

VRR

RV CCB

: para preciso mais valor umestimar

desejável é ponto neste nula, é não base de corrente a Como

EI

mA 93,0k 267,0k 3,3

3,3)//(k 3,3

7,04)1/( 21

RRRRVV

IBE

BEBBE

Exemplo 4.12 (3) Suponha que deseja-se, agora, drenar uma corrente mais alta

da fonte de alimentação. Lembre-se que isto resulta em uma menor resistência de entrada para o amplificador.

Neste caso, podemos usar: ERR III 12

) valores!estes m(verifique k 8 e k 4 12 RR

O efeito desta maior corrente do divisor de tensão sobre a resistência de entrada do amplificador é analisado na seção 4.11 do livro texto.

:condições novas Nestas

mA 1k 026,0k 3,3

3,3)1/(

BE

BEBBE RR

VVI

Exemplo 4.12 (4) No primeiro caso, em que :

No segundo caso ( ):

ERR III 1,012

k 34,493,099,0

812

12

E

C

C

CCCC I

V

I

VVR

ERR III 12

k 04,4199,0

812

12

E

CC I

VR

Por simplicidade, o livro texto escolhe RC = 4 k para os dois projetos.

Polarização usando duas fontes de alimentação

Estrutura mais simples:

Figura 4.40 Polarização para TJB usando duas fontes de alimentação. O resistor RB é necessário apenas se o sinal de entrada for acoplado na base. Em outros casos, a base pode ser conectada diretamente ao terra, resultando em uma independência quase total da corrente de polarização em relação ao valor de .

Um arranjo alternativo de polarização

Arranjo de polarização alternativo simples, porém eficaz, apropriado para os amplificadores na configuração emissor comum:

Figura 4.41 (a) Um arranjo alternativo de polarização simples apropriado para os amplificadores na configuração emissor comum. (b) Análise do circuito em (a).

BEBE

CE

BEBBCECC

VRI

RI

VRIRIV

1

)1/(

BC

BECCE RR

VVI

. de variaçõesàs insensível )1/( ECB IRR

Um arranjo alternativo de polarização (2)

Observe, contudo, que o valor de RB determina a excursão máxima permitida para o sinal no coletor, uma vez que:

1

BEBBCB

RIRIV

A estabilidade da polarização nesse circuito é obtida pela ação da realimentação negativa introduzida pelo resistor RB.

Polarização usando uma fonte de corrente

Vantagem: a corrente do emissor é independente das variações dos valores de e de RB.

RB pode ter um valor elevado, permitindo um aumento na resistência de entrada na base sem afetar adversamente a estabilidade da polarização.

Figura 4.42 (a) Um TJB polarizado usando uma fonte de corrente constante I. (b) Circuito para implementação da fonte de corrente I.

Polarização usando uma fonte de corrente (2)

Além disso, a polarização usando uma fonte de corrente permite uma simplificação considerável de projeto.

Q1 e Q2 : um par de transistores casados.

Q1 : base e coletor em curto comporta-se, portanto, como um diodo.

Q1 e Q2 : valores elevados de suas correntes de base podem ser desprezadas (por que?)

A corrente através de Q1 será aproximadamente igual a IREF :

R

VVVI BEEECC

REF

)(

Polarização usando uma fonte de corrente (3)

Desprezando-se o efeito Early em Q2 , I permanecerá constante no valor acima enquanto Q2 permanecer na região ativa.

Isto pode ser garantido mantendo-se a tensão de coletor V maior que a tensão de base ( – VEE + VBE ).

Q1 e Q2 : ligação conhecida como espelho de

corrente.

Q1 e Q2 : mesmo VBE IC Q1 = IC Q2 R

VVVII BEEECC

REF

Configurações básicas de amplificadores de estágio simples com TJB

Emissor comum (EC); Base comum (BC); Coletor comum (CC).

Capacitores: acoplamento de sinais (e outros propósitos).

O amplificador em emissor comum:

O TJB é polarizado com uma fonte de corrente constante I que possui uma resistência de saída elevada.

Um capacitor CE conecta o emissor ao terra (CE XCE

0: um curto para sinais ac): capacitor de passagem (bypass capacitor).

Fonte do sinal de entrada vS com resistência RS: conectada à base do transistor.

O amplificador em emissor comum

E

CB

vs

Rs

Ro

Rs

vs

ib

Ri

vo: componente de sinal da tensão de coletor

(RL: conectado ao coletor através de um capacitor de acoplamento de valor elevado).

Entrada do amplificador EC: entre a base e o emissor amplificador de emissor comum ou amplificador com emissor aterrado.

Ro

Ri

O amplificador em emissor comum (2)

Ro

Rs

vs

ib

Ri

Análise determinação da resistência de entrada Ri , ganho de tensão vo / vs , ganho de corrente io / ib , resistência de saída Ro.

Transistor modelo -híbrido (análise de pequenos sinais eliminar as fontes cc).

rRi

rR

r

v

v

Ss

) // (

) // ( ) (

oCmo

oCmo

rRgv

v

rRvgv

rR

rR

v

vA

s

oC

s

ov

) // (

O amplificador em emissor comum (3)

Ro

Rs

vs

ib

Ri

Se Rs >> r o ganho será muito dependente de (por que?).

Se Rs << r o ganho é independente de (por que?)

rRi

rR

r

v

v

Ss

) // (

) // ( ) (

oCmo

oCmo

rRgv

v

rRvgv

rR

rR

v

vA

s

oC

s

ov

) // (

) // ( oCmv rRgA Para circuitos com componentes discretos, RC << ro (usualmente), e ro pode ser eliminado das expressões anteriores.

O amplificador em emissor comum (4)

Ro

Rs

vs

ib

Ri

Substituindo-se

Avmáx é independente da corrente de polarização IC ! (Exemplo:

para uma tecnologia de CI com VA = 100 V Avmáx = 4000 V/V.)

CAo

TCm

IVr

VIg

/

/

) // ( oCmv rRgA

No caso de amplificadores CI, esse não é o caso.

Nestes (capítulo 6), estaremos interessados no máximo ganho que se pode obter em um circuito EC: RC Avmáx = – gm ro.

O amplificador em emissor comum (5)

Para RC << r Ai – ( é o ganho de corrente de curto-circuito, isto é, com RC = 0, para emissor comum.)

A resistência de saída Ro : vs = 0 v = 0 Ro = RC // ro .

Em resumo, o amplificador EC pode ser projetado para proporcionar:

Elevados ganhos de tensão e corrente; Resistências de entrada de valor moderado; Resistências de saída de valor elevado (uma

desvantagem – por que?).

O ganho de corrente do amplificador EC:

Co

oCoom

b

oi Rr

r

rv

Rrrvg

i

iA

/

)( /

O amplificador em emissor comum (6) Em amplificadores multiestágio de ganho elevado, a maior parte

do ganho de tensão é usualmente obtida utilizando-se um ou mais estágios emissor comum.

O amplificador EC, no entanto, possui uma resposta em freqüência relativamente pobre (capítulo 7).

E

CB

vs

Rs

Ro

Ri

O amplificador em emissor comum com uma resistência no emissor

Incluir uma resistência no caminho do sinal entre o emissor e o terra pode levar a mudanças significativas nas características do amplificador.

vs

RS B

C

Ro

Ri

E

O amplificador em emissor comum com uma resistência no emissor (2)

Transistor substituir pelos modelos T (o modelo resultaria na obtenção dos mesmos resultados, mas de maneira mais trabalhosa. Faça esta análise com o modelo para treino.)

Modelo T: a resistência Re no emissor aparecerá em série com a resistência de emissor re do modelo T (podendo, portanto, ser adicionada a ela, simplificando a análise).

vs

Rs B

Ri

C

Ro

E

+ v–

io

ro

O amplificador em emissor comum com uma resistência no emissor (3)

A resistência de saída de coletor ro conecta a saída do amplificador a sua entrada, destruindo assim a natureza unilateral do amplificador e complicando a análise consideravelmente.

No entanto, uma vez que ro é elevado, sua inclusão na análise tem pouco efeito sobre o desempenho do amplificador. Eliminaremos ro.

vs

Rs B

Ri

C

Ro

E

+ v–

io