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- 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

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Parte B

24

Polarizações(análise D.C.)

• Mais simples

• Mais usado no corte/saturação

– Muito sensível a β

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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

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• Impedância de entrada:

– Importância de Zi

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i

ii

I

VZ

• Impedância de saída

• Ganho de tensão

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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

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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:

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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.

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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:

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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

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• Efeitos de impedância da fonte:

– Zi e AvNL não são afetados pela resistência interna da fonte.

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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)

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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

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• Eficiência do amplificador

– A: muita potência na polarização

– B: sem potência de polarização na ausência de sinal

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• Ceifamento:

– Máxima tensão de pico (MP): min(ICQrc, VCEQ

)

– Máxima tensão de pico-a-pico = 2MP

– Para um bom projeto: ICQrc = VCEQ

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• Potência de entrada:

• Potência de saída:

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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

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Conexão Darlington