O TJB como amplificadorLivro texto, item 4.7. – adaptação – Prof. Corradi

Para operar como amplificador transistor polarizado na região ativa.

Polarização estabelecer uma corrente cc constante no emissor (ou no coletor).

Esta corrente deve ser previsível e insensível às variações de temperatura, valores de etc.

Necessidade da corrente constante a operação do transistor como amplificador é altamente influenciada pelo valor quiescente (ou de polarização) da corrente.

O TJB como amplificador – exemplo

Livro texto, item 4.7.

Figure 4.23 (a) Circuito conceitual para ilustrar a operação do transistor como um amplificador. (b) O circuito em (a), eliminando-se a fonte de sinais vbe para a análise cc (polarização).

As condições de polarização cc (vbe = 0).

Para operação no modo ativo VC > VB por um valor que permita oscilações com amplitudes razoáveis no sinal de coletor e ainda mantenha o transistor na região ativa todo o tempo.

O TJB como amplificador – exemplo (2)Livro texto, item 4.7.

TBE VVSC eII /

CE II

CB II

CCCCCEC RIVVV

vbe 0:

A corrente de coletor e a transcondutância

Tbe

TbeTBE

TbeBETBE

VvCC

VvVVS

VvVS

VvSC

eIi

eeI

eIeIi

/

/ /

//

beBEBE vVv

T

beVvTbe V

veVv Tbe 1/ Aproximação para

pequenos sinais!!!

beT

CCC v

V

IIi

Corrente de polarização

Componente de sinal ic bemc vgi

T

Cm V

Ig transcondutância

Para obter um valor previsível e constante para gm , é necessário um valor de IC constante e previsível.

Os TJBs têm uma transcondutância relativamente alta. Para IC = 1 mA, g m 40 mA/V.

Interpretação gráfica (iC vBE):

A corrente de coletor e a transcondutância (2)

T

Cm V

Ig

CC IiBE

Cm v

ig

A corrente de coletor e a transcondutância (3)

Figura 4.24 Operação linear do transistor na condição de pequenos sinais: um sinal pequeno vbe com uma forma de onda triangular é sobreposto à tensão cc VBE . Ela dá origem ao sinal de corrente de coletor ic, com forma de onda também triangular, sobreposta à corrente cc IC. Neste caso, ic = gmvbe, em que gm é a inclinação da curva iC–vBE no ponto de polarização Q.

Para pequenos sinais (vbe << VT), o transistor se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão (entrada: BE; saída: CE).

Transistor no modo ativo – pequenos sinais

Para pequenos sinais (vbe << VT), o transistor se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão (entrada: BE; saída: CE).

ic = gm vbe

+vbe

–

B C

EE

ic

ro (supondo que vce não

influencia

ic no modo ativo)

gm (transcondutância

da fonte)

A corrente de base iB e a resistência de entrada da base r

A resistência de entrada para pequenos sinais entre a base e o emissor, olhando para o terminal da base.

beT

CCCB v

V

IIii

1

IB

i b bem

beT

Cb v

gv

V

Ii

1

mb

be

gr

i

vr

B

T

IV

r

A corrente de emissor iE e a resistência de entrada do emissor re

A resistência de entrada para pequenos sinais entre a base e o emissor, olhando para o terminal do emissor – resistência de emissor.

eEEcCC

E iIiiIi

i be

T

Ebe

T

Cce v

VI

vV

Iii

E

Te

e

bee I

Vr

i

vr

mmCT

E

Te ggI

VIV

r1

T

Cm V

Ig

b

be

i

vr

e

bee i

vr

e

ee

ee

b

e

r

ri

ir

i

ir

)1(

)1/(

Transistor excitado pelo sinal vbe faz com que uma corrente proporcional a gmvbe circule pelo terminal de coletor em uma alta impedância (idealmente infinita) transistor fonte de corrente controlada por tensão.

Para obter um sinal de tensão na saída forçar a corrente por um resistor.

O ganho de tensão

CcC

CcCCCC

CcCCC

CCCCC

RiV

RiRIV

RiIV

RiVv

VC : tensão de polarização do coletor

beCm

CbemCcc

vRg

RvgRiv

)(

Cm

be

c

Rg

v

v

tensão de Ganho

gm : IC: o ganho será

tão estável quanto a corrente de polarização do coletor.

Amplificador: correntes e tensões componente cc + componente ac (sinal).

Modelos equivalentes para pequenos sinais

Livro texto, item 4.7.

Componentes cc: determinads pelo circuito cc e pelas relações impostas pelo transistor.

Componentes ac (sinais): eliminando-se as fontes cc.

Modelo de circuito para pequenos sinais relações entre os incrementos de correntes ic, ib e ie obtidas quando um pequeno sinal vbe for aplicado.

O modelo -Híbrido

Figura 4.26 Duas versões ligeiramente diferentes do modelo -híbrido simplificado para operação do TJB com pequenos sinais. O circuito equivalente em (a) representa o TJB como uma fonte de corrente controlada por tensão (um amplificador de transconductância), e em (b) representa o TJB como uma fonte de corrente controlada por corrente (um amplificador de corrente).

ebebebe

mbe

bembe

beb

bemc

rvr

v

r

v

rgr

v

vgr

vie

rvi

vgi

/)1/(

)1(

)1(

/

bbm

bmbem

iirg

rigvg

)(

)(

O modelo T

Figura 4.27 Duas versões ligeiramente diferentes do que é conhecido como modelo T do TJB. O circuito em (a) é a representação com fonte de corrente controlada por tensão e em (b) é a representação eom fonte de corrente controlada por corrente. Esses modelos mostram explicitamente a resistência do emissor re , diferente do modelo -hibrido, o qual mostra uma resistência de base r.

r

v

r

v

r

v

r

v

rgr

v

vgr

vi

be

e

be

e

be

e

be

eme

be

beme

beb

)1(11

)1(

)1(

eeem

eembem

iirg

rigvg

)(

)(

Aplicação dos modelos equivalentes para pequenos sinais

Análise de circuitos amplificadores com transistores para operação com pequenos sinais:

1. Determine o ponto de operação cc do TJB e em particular o valor da corrente cc de coletor, IC .

2. Calcule os valores dos parâmetros do modelo para pequenos sinais: gm = IC / VT , r = / gm e re = VT / IE 1 / gm .

3. Elimine as fontes cc.

4. Substitua o TJB por um de seus modelos equivalentes. Embora qualquer um dos modelos possa ser utilizado, um deles deve ser mais conveniente dependendo do circuto a ser analisado.

5. Analise o circuito resultante para determinar as grandezas de interesse (ganho de tensão, resistência de entrada etc).

Exemplo 4.9

Analise o amplificador com transistor para determinar seu ganho de tensão. Suponha = 100.

Figura 4.28 Examplo 4.9: (a) circuito; (b) análise cc; (c) modelo para pequenos sinais.

Exemplo 4.9 – solução

1. Determinar o ponto quiescente de operação (vi = 0):

mA 023,0100

7,03 BB

BEBBB R

VVI

mA 3,2023,0100 BC II

V 1,333,210V CCCCC RIV

VB = +0,7

Na condição quiescente, o transistor está operando no modo ativo. (Por que?)

Exemplo 4.9 – solução (2)

2. Determinar os parâmetros do modelo para pequenos sinais:

8,10mA )99,0/3,2(

mV 25

E

Te I

Vr

Para realizar a análise de pequenos sinais, que modelo -híbrido utilizar? Ambos são igualmente convenientes para a determinação do dado requisitado. Vamos utilizar o modelo da figura 4.26 (a).

mA/V 92mV 25mA 3,2

T

Cm V

Ig

k 09,192

100

mgr

Exemplo 4.9 – solução (3)

3 e 4. Eliminar as fontes cc e substituir o TJB por um de seus modelos equivalentes.

Análise do circuito equivalente para pequenos sinais (fontes cc eliminadas):

iiBB

ibe vvRr

rvv 011,0

09,10109,1

i

iCbemo

v

vRvgv

04,3

3 011,092

V/V 04,3

tensãode Ganho

i

o

v

v

Inversão de fase

Exemplo 4.10 Com base no circuito do exemplo 4.9, suponha que vi

tenha uma forma de onda triangular. Determine a amplitude máxima permitida a vi. A seguir, com a amplitude de vi em seu valor máximo, determine as formas de onda de iB (t), iC (t) e vC (t).

Restrição à amplitude de vi: aproximação para pequenos sinais. vbe << VT vbe 10 mV

vbe : onda triangular de 20mV pico a pico

vbe = vi r / (r + R ) = 0,011 vi

vi pico = vbe pico / 0,011 = 0,91 V

Para este valor de pico de vi , o transistor permanece na região ativa?

Exemplo 4.10 – continuação Determinar o valor de Vc pico, para o valor de pico de Vi , para verificar se o transistor permanece na região ativa.

Tensão de coletor: onda triangular vc (com valor de pico ) sobreposta a um valor cc VC = 3,1 V.

Tensão de pico da forma de onda triangular:

Quando a saída excursiona no sentido negativo:

vC MIN = 3,1 – 2,77 = 0,33 V < VB 0,7 V

O transistor não permanecerá no modo ativo para vi tendo um valor de pico de 0,91 V.

V 91,0 ̂ ipicoi Vv

V 77,204,3 91,0ˆˆ ganhoVV ic

cV ̂

Exemplo 4.10 – continuação (2) Determinar qual o valor máximo do pico do sinal de entrada para o qual o transistor permanece no modo ativo durante todo o tempo.

Para tanto, é necessário calcular o valor de que corresponde ao valor mínimo da tensão de coletor, igual à tensão de base ( 0,7 V):

Escolhendo 0,8 V vi: onda triangular com 0,8 V de pico.

V 79,004,34,2ˆˆˆ

V 4,27,01,3ˆ

7,0ˆ1,3

7,0ˆ7,0

MIN

iic

c

c

cCCBC

VganhoVV

V

V

VVvVv

iV ̂

iV ̂

Exemplo 4.10 – continuação (3) vi: onda triangular com 0,8 V de pico.

Corrente de base:

mA 008,009,1100

8,0ˆ ̂

rR

VI

BB

ib