Transistores de Efeito de Campo e Amplificadores de Sinal CA

15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 124 Autoria Sofia Maria Amorim Falco Rodrigues Revisão técnica Anderson Marcolino Pereira de Oliveira Eletrônica analógica UNIDADE 3 TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO E AMPLIFICADORES DE SINAL CA 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 224 Como você já pôde perceber nem só de diodos e transistores bipolares de junção são feitos os circuitos eletrônicos Assim o entendimento a respeito da amplificação em corrente alternada transistorizada a partir do uso desses mesmos transistores é fundamental Porém você sabe o que são os transistores de efeito de campo Conhece aqueles com função de junção E quanto aos bipolares Aliás compreende como se dá o desenvolvimento de amplificadores transistorizados Para responder a esses questionamentos ao longo desta unidade estudaremos sobre os transistores de efeito de campo também conhecidos como Field Effect Transistors ou FETs Nesse mesmo ponto conheceremos os JFETs um primeiro exemplo desses tipos de transistores que são os transistores de junção por efeito de campo Eles podem ser divididos pelo tipo de canal que define os portadores majoritários sendo que a principal diferença é que ao contrário dos transistores bipolares de junção TBJs são dispositivos controlados por tensão Em um segundo momento focaremos nos MOSFETs importantes tipos de transistores de efeito de campo os quais recebem tal nome devido ao uso de óxido de metal Por fim veremos os principais detalhes sobre a análise em corrente alternada para que possamos compreender como desenvolver amplificadores transistorizados a partir do uso de TBJs em suas diversas configurações a depender de características importantes como eficiência distorção e fase de condução conforme demandado para cada possibilidade de aplicação Bons estudos Introdução 31 JFET transistor de junção por efeito de campo Neste primeiro tópico você reconhecerá as principais características dos transistores de efeito de campo em geral com ênfase maior nos transistores de junção por efeito de campo mais conhecidos como JFETs devido à abreviação em inglês de Junction Field Effect Transistors Além disso entenderemos o porquê de utilizarmos esses dispositivos como eles funcionam e quais são as principais premissas necessárias para sua polarização Acompanhe o conteúdo 311 Transistores de efeito de campo visão geral 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 324 Os transistores em geral são divididos basicamente em dispositivos unipolares e bipolares os unipolares são os transistores de efeito de campo enquanto que os bipolares são os transistores TBJs No caso dos transistores unipolares haverá um único tipo de portador para a corrente elétrica de modo que caso esses portadores sejam elétrons temse os JFETs do tipo por exemplo devido ao uso do canal já caso os portadores majoritários sejam as lacunas temse os JFETs do tipo com o uso do canal Além disso os JFETs são dispositivos controlados por tensão sendo possível listar as seguintes vantagens conforme Boylestad e Nashelsky 2013 que também poderão se portar como desvantagens dependendo do tipo de aplicação Sobretudo considerando a dimensionalidade é possível já entendermos o porquê de os JFETs serem mais utilizados em circuitos integrados CI Desse modo utilizaremos os JFETs para aplicações nas quais seja demandada alta impedância de entrada Assim temse o uso desses dispositivos para amplificadores transistorizados de múltiplos estágios por exemplo sendo o estágio com o JFET o primeiro no circuito por conta da alta impedância de entrada fornecida pelo dispositivo 312 Visão geral de transistores JFETs A ideia geral para o desenvolvimento do JFET bem como um exemplo do dispositivo de sua polarização e de sua representação nos circuitos elétricos pode ser analisada no painel apresentado a seguir Os transistores do tipo JFET já foram previstos há anos mais especificamente em 1925 por Julius Lilienfeld um físico austrohúngaro judeu que inclusive deu origem a notórias condecorações como é o caso do Prêmio Lilienfeld da Sociedade Americana de Física para reconhecimento de contribuições de destaque na área Outro detalhe importante é que em meados de 1930 reconheceuse a patente do dispositivo ABREU FREITAS 2017 Você o conhece possuem alta impedância de entrada geralmente da ordem de alguns ou vários mega ohms o ganho de tensão em corrente alternada para esses dispositivos normalmente será menor pelo fato de que a variação da corrente de saída nos TBJs é maior em geral são dispositivos de menores dimensões são menos suscetíveis à variação de temperatura 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 424 PraCegoVer na figura temos na parte superior do lado esquerdo uma pastilha do material do tipo enquanto que acima há o dreno e abaixo a fonte ligados pela fonte CC com terminal positivo no dreno e negativo na fonte Do lado direito da parte superior temse um JFET com porta simples mostrando uma pastilha do material tipo com duas regiões no meio pequenas dos lados esquerdo e direito do tipo sendo que na do lado esquerdo há a porta Na parte do meio da figura há a polarização normal do JFET com a fonte de tensão CC conectada ao negativo na porta e ao positivo na fonte bem como a fonte de tensão CC com o positivo conectado ao dreno e o negativo conectado à fonte Na parte interior encontramos o símbolo esquemático do transistor JFET Do lado esquerdo com a corrente entrando pela porta e esta representada como uma seta entrando em um pi deitado com a parte fechada virada para o lado esquerdo Da perna direita do pi sai o fio do terminal superior que é o dreno do transistor Na perna esquerda temse o terminal inferior da fonte No meio temos o mesmo símbolo mas com a porta deslocada representada mais para baixo na parte fechada do pi No lado direito temse o símbolo do JFET canal igual ao primeiro símbolo mas a corrente sai da porta Note que o diodo formado pelos materiais da porta e da fonte sempre estará polarizado reversamente e assim como estabelecemos para os TBJs pelos símbolos dos circuitos é possível perceber os sentidos de circulação das correntes Figura 1 Ideia geral para desenvolvimento do JFET Fonte MALVINO BATES 2016 p 416417 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 524 A tensão na entrada nesses tipos de dispositivos controla a corrente de saída a qual circula entre a fonte e o dreno Esta como mencionado é uma das diferenças básicas dos JFETs com relação aos TBJs BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Agora vamos analisar mais especificamente o funcionamento do dreno Por meio da configuração de polarização normal é possível obter a relação da corrente máxima nesse terminal considerando o curto na porta como mostra a região ativa apresentada na próxima figura que é definida pela região entre a tensão mínima também conhecida como tensão de constrição ou estrangulamento e a tensão máxima que corresponde ao valor de ruptura No caso representa a corrente do dreno para a fonte quando a porta está em curto estabelecido como o limite superior da corrente no JFET PraCegoVer na figura na parte superior temse a polarização normal do JFET tipo com a fonte de tensão CC conectada ao terminal negativo na porta com terminal positivo conectado à fonte gerando a tensão porta fonte Há também a fonte de tensão CC conectada pelo positivo no dreno e pelo negativo na fonte Já do lado direito na parte superior encontramos o curto da porta com um fio formando um caminho fechado entre ela e a fonte e a mesma fonte conectada como no circuito anterior Na parte inferior da figura temos o gráfico da tensão em função da corrente mostrando que de 0 até há crescimento quase linear da tensão e corrente mas com forte inclinação pois a tensão ainda é muito baixa em e atinge o valor Este na região ativa representando o curto da porta mantémse quase constante enquanto a tensão aumenta muito até atingir o valor de ruptura no qual a corrente passa a crescer infinitamente Essa região de ruptura é denominada região ôhmica Para esta definese a resistência ôhmica do JFET como tal que Além disso para diversas tensões de corte da porta existem outras curvas do dreno similares à anterior mas deslocadas verticalmente como ocorria na variação da corrente de base do TBJ Normalmente temse que a tensão de corte é igual a menos a tensão Com isso denotase a necessidade de entender a correlação entre essa tensão e a corrente do dreno o que é feito a partir da curva de transcondutância dada pela relação matemática Figura 2 Relações para entendimento da corrente máxima no JFET Fonte MALVINO BATES 2016 p 418 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 624 A relação entre tais tensão e corrente não é necessariamente uma reta mas conforme diminui em módulo a corrente aumenta em direção ao seu valor máximo de Ademais em decorrência da polarização da porta temse uma relação matemática em função da reta de carga e do ponto de operação ponto Q embora já seja necessário ressaltar que a polarização da porta é a pior forma de polarizar o JFET devido à grande instabilidade do ponto Q nesse tipo de configuração considerandose a necessidade de polarização para a região ativa Estamos nos referindo à Por outro lado sendo necessário o comportamento de saturação do dispositivo para a implementação de algumas aplicações práticas de chaveamento a seguinte corrente de saturação poderá guiar o projeto nesse caso sendo que Dessa maneira temse a seguinte relação Antes de seguirmos com o conteúdo vamos realizar uma atividade para fixar os conhecimentos adquiridos até o momento Acompanhe na sequência No próximo item conheceremos importantes questões acerca da polarização considerando a polarização na região ativa e diferentes configurações possíveis como é o caso do uso da configuração da fonte do JFET com fonte dupla Confira 313 Polarização do JFET na região ativa Uma possibilidade de polarização do JFET na região ativa é utilizar o circuito de autopolarização que prevê o uso de uma resistência em série para cada terminal bem como a fonte de tensão aplicada diretamente ao terminal do dreno em série com este sendo que a seguinte aproximação nesses casos é válida O cálculo da tensão na fonte pode ser feito como Sendo a tensão na porta igual a zero temse que De acordo com Malvino e Bates 2016 para encontrar o ponto Q de operação nesse tipo de configuração alguns passos básicos podem ser tomados conforme podemos observar a seguir Teste seus conhecimentos Atividade não pontuada Passo 1 Multiplicar o valor de IDSS por RS para obter o valor de VGS para o 1 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 724 segundo ponto Passo 2 Plotar o segundo ponto que corresponde à IDSS e VGS 2 Passo 3 Desenhar a reta pela origem e o segundo ponto 3 Passo 4 Fazer a leitura das coordenadas no ponto de intersecção 4 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 824 Além disso é fundamental analisar que como o ponto Q não é muito estável geralmente utilizamos essa configuração em amplificadores de baixo sinal como os que existem no estágio inicial dos receptores de telecomunicação MALVINO BATES 2016 Vejamos a figura a seguir para entendermos melhor PraCegoVer na figura temos um gráfico da curva característica tensão em função da corrente no dreno que vai de de corte até que a tensão seja nula O ponto de operação Q está na metade do valor de de corte Além disso temse as retas correspondentes à de valores em três possíveis faixas valor alto reta de pouca inclinação valor médio passando em Q e valor baixo com alta inclinação acima do ponto Q e mais próxima do eixo Já a configuração por fonte dupla é obtida a partir da inserção de outra fonte CC complementarmente à configuração vista de autopolarização tendose a fonte no dreno e na fonte Nesse caso a corrente no dreno é dada por É possível ainda utilizar configurações como a de divisor de tensão ou uma fonte de corrente que é implementada a partir do uso de um transistor bipolar de junção associado à fonte do transistor JFET polarizado Figura 3 Relação entre a escolha do ponto de operação o funcionamento do circuito e a reta de carga Fonte MALVINO BATES 2016 p 425 O texto Afinador Digital para Violão e Guitarra Elétrica Implementado em FPGA de Telos Galante Mancera traz uma possibilidade de mostrar diretamente a aplicação dos JFETs bem como de seus circuitos de polarização com o uso desse importante transistor para a obtenção de um amplificador para violão e guitarra elétrica Leia o texto na íntegra clicando no botão abaixo Você quer ler 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 924 No próximo tópico estudaremos mais detalhes acerca dos transistores MOSFETs tipos de transistores com óxido de metal semicondutor os quais possuem funcionamento semelhante aos JFETs porém com algumas ressalvas No entanto antes de seguirmos realize a atividade prática proposta na sequência Acesse httpwwwtccscuspbrtcedisponiveis18180450t ce08112013164002langbr Como você pôde perceber com o JFET é possível utilizar a polarização por fonte de corrente que possui como principal característica o uso de um transistor bipolar de junção além de duas fontes CC Nesse sentido considerando essa configuração pesquise mais detalhes e estabeleça o equacionamento para o cálculo da corrente no dreno e da tensão nesse mesmo terminal Depois compartilhe seus resultados com os colegas Vamos Praticar 32 MOSFET transistor de efeito de campo de óxido de metal semicondutor A partir de agora focaremos em outro importante transistor de efeito de campo os MOSFETs que recebem este nome devido à abreviação em inglês de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor A principal diferença de um MOSFET é sem dúvidas o fato de possuir um terminal adicional com relação ao JFET Na figura adiante é possível ter uma visão do MOSFET no modo de depleção A novidade é a região do tipo denominada substrato com a porta associada ao uso do dióxido de silício SiO2 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1024 PraCegoVer na figura temos uma representação ilustrativa do MOSFET Similarmente ao JFET o MOSFET possui a confecção a partir de uma região com a adição de uma região no meio deixando um espaço do lado esquerdo Essa região é o substrato da mesma forma que no JFET temse acima o dreno e abaixo a fonte A porta do lado esquerdo está no dióxido de silício De forma similar ao que estabelecíamos para os transistores de efeito de campo do tipo JFET a polarização do dreno pode ser dada de acordo com a seguinte equação para cálculo da corrente no dreno definida por O painel a seguir mostra como é feita considerando a polarização com portas negativa e positiva o que ocorre quando há o modo de depleção no canal observando as curvas do dreno para variados valores da tensão a partir da relação de transcondutância em que temos duas regiões básicas distintas o modo de crescimento e o modo de depleção Figura 4 MOSFET no modo de depleção Fonte MALVINO BATES 2016 p 472 Para entender como utilizar os MOSFETs na prática bem como identificar as principais características desses importantes dispositivos sugerimos assistir ao vídeo O Que é Um MOSFET Aplicações e Características em que o tema é abordado de forma mais detalhada Clique no botão abaixo e assista Acesse httpswwwyoutubecomwatch vVgfFCt9lHug Você quer ver 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1124 PraCegoVer na figura na parte superior do lado esquerdo temse a configuração com porta negativa Há uma fonte conectada pelo negativo com a porta e pelo positivo com a fonte Também há a fonte conectada pelo positivo com o dreno e o negativo com a fonte sendo as fontes de tensão CC O substrato está ligado ao terminal negativo de No lado direito da parte superior encontramos o mesmo arranjo anterior porém com as polaridades trocadas de No meio temse o gráfico de em função de no qual há menos variação na tensão e mais variação na corrente passando por valores como até e superandoo no caso do maior valor de visto que as distintas curvas variam de de corte até 2 Nas regiões lineares das curvas há diversos valores de tensão mantendose a corrente constante e passando de Por fim na parte de baixo da figura temos a curva em função de Do lado esquerdo na parte negativa de há o modo de depleção de de corte até Na parte positiva de a partir da corrente temse o modo de crescimento Por outro lado por meio da polarização zero configuração na qual é possível polarizar o dreno é possível implementar amplificadores os quais estão sujeitos à uma tensão dreno fonte dada por Note assim que essa configuração é muito semelhante à de autopolarização também pelo equacionamento desenvolvido Analogamente podese estabelecer a polarização com porta dupla mas nesse caso normalmente se utiliza capacitores tanto na entrada quanto na saída desses tipos de amplificadores Figura 5 Observação da polarização com portas negativa e positiva curvas do dreno e relação de transcondutância Fonte MALVINO BATES 2016 p 472473 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1224 Podemos citar ainda aspectos importantes tanto da testagem dos MOSFETs na prática quanto do seu uso com segurança Sabemos de fato que se tratam de dispositivos que demandam cuidados especiais Boa parte desse melindre se dá devido ao dióxido de silício utilizado Os danos nesse material mais especificamente podem ocorrer caso a tensão estabelecida entre a porta e a fonte exceda o valor máximo da porta Além disso é importante considerarmos que como a porta está isolada juntamente com a construção do canal no dispositivo testar os MOSFETs com instrumentos como ohmímetro e multímetro é ineficiente Normalmente orientase à utilização do traçador de curvas de semicondutor MALVINO BATES 2016 Ademais especificamente com relação à segurança uma possibilidade que deve ser considerada é a verificação do aterramento já que os materiais possibilitam descargas elétricas Por fim vamos compreender como funciona o MOSFETE um tipo de MOSFET no qual se prevê a operação no modo de crescimento Para tanto observe no próximo painel o dispositivo não polarizado o polarizado e os gráficos referentes com as curvas do dreno e de transcondutância PraCegoVer na figura do lado esquerdo na parte superior há um dispositivo formado pela associação NPN com a porta do lado esquerdo no dióxido de silício o dreno no material na parte superior a fonte no material na parte inferior e o substrato no material no meio Do lado direito na parte superior o mesmo dispositivo está polarizado conectado ao terminal positivo na porta e o negativo na fonte Utilizase o resistor diretamente ligado ao dreno em série com a fonte CC com o positivo ligado ao resistor e o negativo ligado à fonte O substrato está ligado ao negativo de Na parte de baixo temos os gráficos sendo do lado Teste seus conhecimentos Atividade não pontuada Figura 6 MOSFET no modo de crescimento MOSFETE Fonte MALVINO BATES 2016 p 476477 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1324 esquerdo o das curvas do dreno com em função de com enorme aumento da corrente para um pequeno aumento da tensão no início até que a corrente permanece constante e a tensão continua crescendo A curva mais abaixo corresponde à e acima há a curva para igual a 5 10 e 15 volts Do lado direito encontramos o gráfico da tensão em função da corrente mostrando que até a corrente é nula A partir desta aumenta entrando na região ativa Também há um aumento da tensão Quando atinge o valor de saturação chegase à região ôhmica na qual a tensão ainda cresce até Nesse tipo de circuito a tensão é tratada como um valor de limiar considerando seu valor mínimo Dessa forma estabelecese o valor de Além disso temos o valor máximo dessa tensão que deve ser estabelecido em função da própria capacidade do dispositivo semelhantemente ao estabelecido para tensão de Zener por exemplo embora esta seja menor Considere que para o uso de um MOSFET no modo de crescimento para um circuito de dado computador seja necessário determinar o valor da resistência entre o dreno e a fonte quando o dispositivo estiver ligado Como você poderia estimar tal parâmetro Vamos Praticar 33 Amplificadores de sinal CA Ao longo deste tópico entenderemos como proceder a análise em corrente alternada CA para compreender como pode ser desenvolvido um amplificador a partir do uso de transistores bipolares de junção TBJs Dessa maneira veremos o modelo equivalente em CA e outros pontos necessários para determinar os principais parâmetros nesse tipo de avaliação Acompanhe o conteúdo com atenção 331 Modelos de corrente alternada 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1424 A partir deste ponto avaliaremos como calcular tanto o ganho de tensão quanto os valores de tensão em corrente alternada a fim de aprendermos importantes tipos de circuitos os amplificadores de sinal CA transistorizados De forma sucinta vale mencionar que após um transistor ser polarizado com o ponto Q de operação próximo ao centro da reta de carga é possível acoplar um dado valor baixo de tensão CA na base desse dispositivo Conforme nos explicam Malvino e Bates 2016 isso é capaz de produzir uma tensão CA no coletor que possui a mesma forma de onda porém de amplitude maior Portanto temse a amplificação da tensão CA aplicada à base Para entendimento de circuitos mais complexos consideraremos o amplificador com polarização da base Um exemplo de configuração básica já estabelecendo os parâmetros e as formas de onda correspondentes é visto na próxima figura PraCegoVer na figura temos a fonte de tensão alternada em série com um capacitor e um transistor TBJ do tipo NPN que está conectado ao capacitor pela base tendo o resistor de 1 mega ohm Demonstrase a tensão de entrada dessa fonte uma forma de onda típica senoidal e a tensão de entrada no mesmo formato na base do TBJ mas com amplitude de 07 volts O resistor conectado ao coletor 5 quilos ohms também está conectado à com ambos ligados à fonte CC de 30 volts A tensão no ponto do coletor é senoidal amplificada e possui 15 volts apresentada pela forma de onda Do coletor temse a ligação com a série capacitor e resistor de carga que possui 100 quilos ohms A tensão nesse resistor pode ser vista com uma forma de onda senoidal e amplificada em comparação à entrada O ganho de tensão nesse caso é dado pela relação Para esse circuito de exemplo observe que o ganho seria de 500 A partir do ganho é possível tomar a amplitude da tensão de saída ou a própria tensão de entrada Esta principalmente poderá ser estimada na prática para o projeto do circuito considerando o uso de dada aplicação que demande determinado valor para a tensão de saída a ser obtido por exemplo Para superar a instabilidade operacional da configuração anterior temse o amplificador com polarização do emissor o qual permite a estabilidade do ponto de operação ponto Q Para tanto é possível utilizar o amplificador PDT polarização por divisor de tensão como mostra o circuito de exemplo a seguir ou o amplificador PEFD polarização do emissor com fonte dupla Figura 7 Exemplo prático de amplificador com polarização da base Fonte MALVINO BATES 2016 p 286 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1524 PraCegoVer na figura encontramos a fonte de tensão alternada com 100 micro volts de amplitude cuja forma de onda pode ser vista senoidal como esperado Essa fonte está em série com um capacitor e o resistor de 22 quilos ohms está conectado à de 10 quilos ohms sendo que este se conecta ao resistor do coletor na parte superior enquanto que o ponto comum entre e é conectado à base do TBJ do tipo NPN A forma de onda vista na base é senoidal com 18 volts de amplitude O resistor está ligado à fonte de 10 volts com 36 quilos ohms Da saída desse resistor medese 604 volts de amplitude de um sinal senoidal e há a conexão em série entre um capacitor e a carga que possui 100 quilos ohms mostrando a mesma tensão de saída amplificada anteriormente O terminal emissor está conectado a um resistor de 1 quilo ohm em paralelo com um capacitor Note nesse circuito de exemplo que a tensão da base é de 18 V no emissor é de 11 V e no coletor é de 604 V ao passo que a corrente elétrica medida é de 11 mA Agora considerando a configuração PEFD um exemplo prático pode ser visto a partir do circuito adiante Figura 8 Exemplo prático de amplificador PFD Fonte MALVINO BATES 2016 p 288 Figura 9 Exemplo prático de amplificador PEFD Fonte MALVINO BATES 2016 p 289 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1624 PraCegoVer na figura temos a fonte de tensão de entrada alternada de 100 micro volts de amplitude com sua forma de onda senoidal típica Essa fonte está em série com um capacitor e o resistor da base de 27 quilos ohms é conectado à base do TBJ do tipo NPN A forma de onda da tensão de entrada é apresentada senoidal e possui amplitude aproximadamente nula Uma fonte de tensão CC de 10 volts está conectada ao coletor em série com o resistor que possui 36 quilos ohms A forma de onda da tensão nesse ponto é revelada senoidal com amplitude de 532 volts Nesse mesmo ponto está conectada a série capacitor e resistor de carga no qual se tem a mesma tensão como apresentado pela forma de onda senoidal do lado de O terminal emissor possui um resistor de 1 quilo ohm No mesmo ponto de entrada desse resistor encontramos um capacitor no qual a tensão no ponto comum é de 07 volts O outro terminal de está ligado à fonte CC de 2 volts Nesse caso devido à excitação dupla existe outra fonte CC conectada ao emissor A tensão na base é aproximadamente nula a tensão no emissor é de 07 V e a do coletor é de 532 V enquanto que a corrente estabelecida no coletor é igual a 13 mA Quando consideramos adicionalmente a operação em pequenos sinais queremos na verdade traduzir a operação denotada pela região menor do que 1 mA de pico à pico considerando a característica de tensão baseemissor em função de e corrente no emissor Além disso devese ter em mente conceitos como o ponto de operação instantâneo que ocorre devido a alterações do ponto Q a possível distorção do sinal de saída do amplificador que em certos casos poderá ser mais ou menos e a ideia de que uma forma geral válida em muitos casos para reduzir a distorção é manter a tensão em corrente alternada na base do TBJ em um valor baixo Matematicamente definese como operação em pequeno sinal a seguinte relação sendo a corrente CA no emissor de pico a pico em comparação com a corrente CC desse mesmo terminal O ganho de corrente CA diferentemente do ganho em CC é definido por sua vez em função das correntes no coletor e na base em CA dadas por É também em função da característica de e que é possível avaliar a resistência em corrente alternada do emissor como a seguinte equação Inclusive Malvino e Bates 2016 mencionam que um ponto importante conhecido do funcionamento do dispositivo nesse caso é que a resistência sempre diminui quando a corrente CC no terminal emissor aumenta visto que o valor de é essencialmente constante Dessa forma derivamos a seguinte relação considerando a tensão constante a partir do valor da corrente CC no emissor Temos ainda os modelos para a análise do transistor bipolar de junção em corrente alternada modelo T e modelo Estes cada um com suas especificações propõem um modo de analisar o funcionamento de circuitos amplificadores transistorizados com TBJs a partir de um circuito equivalente para os dispositivos por meio dos quais se pode simular o funcionamento ou comportamento do dispositivo bem como do amplificador como um todo quando há um sinal em corrente alternada Um dos primeiros modelos CA do TBJ foi o modelo EbersMoll que recebe o nome de modelo T por parecer a letra virada de lado Ele tem seu funcionamento resumido da seguinte forma quando um pequeno sinal CA é aplicado o diodo emissor do transistor funciona como uma resistência CA e o diodo coletor funciona como uma fonte de corrente MALVINO BATES 2016 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1724 Na prática isso implica na substituição de cada TBJ presente pelo circuito equivalente Assim realizamos o cálculo do valor da resistência do emissor e dos demais valores em corrente alternada como o ganho de tensão PraCegoVer na figura do lado esquerdo temos um transistor TBJ do tipo NPN representado pelas regiões semicondutoras e disposições dos terminais com a corrente no coletor entrando na região do terminal e a corrente na base entrando na região Da região do emissor sai a corrente do terminal Isso equivale ao circuito da direita com uma fonte de corrente apontando para baixo no terminal coletor Há ainda o ponto em comum com a resistência do emissor que corresponde ao terminal emissor O ponto comum é da base do dispositivo A impedância de entrada nesse caso pode ser calculada como a impedância considerando a base do TBJ a qual é vista pela fonte CA equivalente à seguinte relação em função do ganho dadas as aproximações Já o modelo pode ser analisado com a figura na sequência por meio do qual as mesmas relações anteriores ainda são válidas PraCegoVer na figura do lado esquerdo temos o circuito com a resistência em série com a fonte de corrente A corrente da base é estabelecida da esquerda para direita e a corrente no coletor é o contrário No ponto central as duas correntes é a soma resultando no terminal do emissor com a corrente do emissor Do lado direito temse o seguinte circuito uma fonte de corrente em série com o resistor sendo que o sentido da corrente é de cima para baixo Do ponto entre a fonte e o resistor há o terminal da base A corrente da base entra nesse ponto e se soma à resultando em Figura 10 Modelo T para cálculo Fonte MALVINO BATES 2016 p 297 Figura 11 Modelo para cálculo Fonte MALVINO BATES 2016 p 298 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1824 Note que os modelos são circuitos equivalentes e poderemos utilizar na prática tanto um quanto o outro durante a análise CA Contudo é importante ressaltar que o modelo T normalmente oferece mais detalhes sobre o funcionamento do circuito mas ambos são utilizados largamente na indústria MALVINO BATES 2016 Por sua vez o modelo é de fato mais fácil de ser aplicado por não possuir a impedância de entrada evidente embora possua a impedância de entrada como carga da fonte Como você já pôde perceber embora neste ponto nosso foco seja a análise CA há fontes CC e CA no mesmo circuito amplificador Nesse contexto tornase necessário utilizar ferramentas como o Teorema da Superposição a fim de obter as relações do efeito de cada fonte agindo sozinha Assim é possível compreender o funcionamento do circuito amplificador como um todo Para realizar a análise CC já que é mais conveniente dividir a análise do amplificador nesta e na análise CA devemos logicamente calcular as tensões CC e as correntes CC Para isso é utilizado o circuito equivalente CC no qual consideramos os capacitores como circuitos abertos Complementarmente é preciso entender quais são os efeitos CA em uma fonte de tensão contínua Uma forma de realizar a avaliação é utilizar o Teorema da Superposição tendo como base um curto nas fontes CC de tensão durante a análise da operação em corrente alternada do amplificador considerando preceitos como a não existência de uma tensão CA nesse caso a partir das próprias características de funcionamento da fonte O circuito equivalente CA pode ser obtido após todas essas considerações O amplificador PDT por exemplo estudado anteriormente pode ser aproximado como mostra o painel a seguir PraCegoVer na figura na parte superior temse o circuito PDT com a fonte de tensão de entrada CA em série com um capacitor e o resistor que no ponto capacitor traz a ligação com o resistor A fonte de tensão está ligada ao coletor pelo resistor e por no mesmo ponto sendo que está diretamente conectado ao coletor e ponto da série capacitorresistência de carga Esta última resistência está aterrada À base do TBJ NPN usado encontramos a ligação com o ponto comum entre e No emissor há a ligação do paralelo entre o resistor emissor e outro capacitor Na parte de baixo do painel temos o Figura 12 Relação entre amplificador PDT e seu equivalente CA Fonte MALVINO BATES 2016 p 300 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 1924 equivalente CA que resulta em dois circuitos distintos No primeiro do lado esquerdo a fonte CA está em paralelo com e No segundo circuito há a fonte de corrente que aponta para baixo devido ao sentido da corrente em paralelo com e Note que o equivalente CA pode ser descrito pelos resistores um e dois e pelo resistor emissor junto ao ganho considerandose o modelo e o outro circuito do coletor complementarmente modelando efeitos desse terminal e analisando as relações com a carga do amplificador O ganho de tensão tomando como exemplo a configuração PDT pode ser estimado a partir de parâmetros dos terminais emissor e coletor bem como considerando a relação com a carga visto que o ganho é dado em função da tensão de saída sobre a tensão de entrada Por outro lado a partir da equivalência com o modelo T é possível obter a seguinte relação A última relação é aplicável a todo tipo de amplificador de configuração emissor comum visto que quando configurado dessa maneira possui uma resistência CA do coletor dada por e outra resistência CA devido ao emissor lembrando que é resultado do paralelo entre e MALVINO BATES 2016 332 Circuitos amplificadores transistorizados Visto sobre os modelos de corrente alternada conheceremos a partir de agora alguns circuitos amplificadores transistorizados largamente utilizados na prática Para tanto usaremos as diferentes classes comuns de operação e ao final faremos uma breve revisão acerca das principais premissas para amplificadores de potência Vamos começar O circuito da figura a seguir apresenta uma das principais formas de um amplificador transistorizado de baixa potência que pertence à classe de operação A Nesse tipo de circuito parâmetros como a eficiência possui menor importância sendo que as possíveis vantagens por outro lado estarão relacionadas à baixa distorção obtida por ser estabelecida de forma não linear A folha de dados data sheet dos TBJs utilizados nesse caso será fundamental pois fornece valores importantes para a avaliação em corrente alternada como pode ser visto para dispositivos como o 2N3903 Para saber mais a respeito desse dispositivo clique no link abaixo httpswwwalldatasheetcomdatasheet pdfpdf50012FAIRCHILD2N3903html httpswwwalldatasheetcomdatasheet pdfpdf50012FAIRCHILD2N3903html Você sabia 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 2024 PraCegoVer na figura temos uma fonte de tensão alternada em série com um capacitor e resistor A fonte de tensão contínua está ligada em paralelo com os resistores e sendo que está conectado ao terminal comum capacitor e ao É utilizado um transistor TBJ do tipo NPN sendo que o coletor deste está ligado ao resistor e a outro capacitor que está em série com o resistor de carga aterrado A base do TBJ está ligada ao ponto comum entre e No emissor temse o paralelo de e outro capacitor ambos aterrados Nesses casos sabese ainda que a condução ocorre com 360 sendo que a eficiência máxima é de aproximadamente 25 No entanto é possível utilizar um transformador no acoplamento e com isso a eficiência poderá ser elevada até cerca de 50 O valor de MPP é menor do que o de A classe de operação B por sua vez define circuitos amplificadores de potência na saída Para obtêlos geralmente se utiliza configurações do tipo Darlington que são tipos de transistores com dois bipolares de junção em um mesmo encapsulamento ou um tipo de combinação com dois TBJs independentes ou diodos de polarização O circuito adiante traz um exemplo prático de como implementar esse tipo de amplificador Figura 13 Exemplo de amplificador de operação classe A Fonte MALVINO BATES 2016 p 402 Figura 14 Exemplo de amplificador de operação classe B Fonte MALVINO BATES 2016 p 402 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 2124 PraCegoVer na figura temos uma fonte de tensão alternada ligada a um ponto comum da ligação de dois capacitores de entrada O superior está ligado ao ponto comum entre os resistores e sendo que a fonte de tensão contínua está conectada a e ao coletor de um dos dois TBJs utilizados do tipo NPN está em série com que por sua vez está em série com sendo que um dos capacitores de entrada o da parte de baixo está ligado ao ponto entre os resistores 3 e 4 Esse mesmo ponto está conectado ao outro TBJ pela base deste também do tipo NPN Os dois TBJs estão ligados pelo coletor de um com o emissor de outro Tal ponto possui a série capacitor de saída e resistor da carga Tanto quanto o TBJ ligado aos resistores 3 e 4 estão aterrados sendo o TBJ por meio do coletor São circuitos que operam com condução de 180 e eficiência máxima próxima de 80 mas apresentam como desvantagem para certos casos distorção moderada que pode ocorrer devido à distorção de cruzamento O valor de MPP é igual ao da fonte CC Além disso note que para a implementação nos baseamos no efeito simétrico também denominado pelo tipo de configuração a pushpull ou com o uso de outros transistores na saída Um exemplo prático de amplificador transistorizado de operação classe B são os amplificadores simétricos que recebem tal nome devido à configuração estabelecida dos dois transistores utilizados nas quais é possível observar que ora há condução em um ora em outro Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada observase que o enrolamento secundário do transformador de entrada utilizado irá fornecer duas tensões v1 e v2 por exemplo e um dos dois transistores estará em condução enquanto o outro em corte A corrente estabelecida é a do coletor que circula pelo transistor em condução e até a metade do enrolamento primário do segundo transformador utilizado A tensão produzida pode ser entregue a um altofalante por exemplo amplificada mas também invertida No próximo semiciclo como se pode imaginar a polarização estabelecida é invertida Logo todas as relações são contrárias Assim entregase um ciclo completo do sinal que foi amplificado para o funcionamento do altofalante Ademais como todo tipo de circuito eletrônico bem como configuração possível existem vantagens e desvantagens que podem ser verificadas como a melhoria na eficiência a partir do uso de dado sinal de entrada o que justifica a aplicação desse tipo de circuito como um estágio Caso 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 2224 de saída Por outro lado a própria utilização do transformador é dispendiosa especialmente considerando o uso de transformadores de áudio Outro tipo importante de amplificador transistorizado são os circuitos de classe de operação C que são tipos de amplificadores destinados à radiofrequência sintonizados amplamente utilizados como amplificadores de estágio final para circuitos como aplicações de comunicação A figura a seguir apresenta um exemplo prático desses amplificadores PraCegoVer na figura temos uma fonte de tensão alternada em série com um capacitor e o resistor de base do TBJ do tipo NPN O resistor está ligado em paralelo com a base e o coletor sendo que o ponto com o coletor está aterrado Junto ao emissor temos na parte superior a fonte em série com o paralelo de um capacitor C e um indutor L Do final desse paralelo conectase ao emissor e a série capacitorresistência da carga com o resistor aterrado Esses amplificadores costumam conduzir a menos de 180 e possuem eficiência máxima de 100 em diversos casos Entretanto a desvantagem nesse tipo de circuito amplificador é a alta distorção algo que deve ser considerado sempre quando se decidir por qual tipo de amplificador transistorizado será utilizado Além disso esse tipo de circuito amplificador é baseado no circuito do tipo tanque sintonizado sendo que o valor de MPP previsto é de o dobro da amplitude da fonte CC Diferentemente dos demais nesse caso também é utilizado um indutor 333 Premissas gerais de amplificadores de potência De forma resumida temse tipicamente que para calcular o ganho de potência é possível utilizar a seguinte relação em função da potência de saída out e de entrada in A potência na saída por sua vez é tomada em função da carga tal que com a máxima valendo A potência CC na entrada é de A partir disso a eficiência é tomada como Agora a fim de fixarmos nossos conhecimentos e colocarmos em prática o que estudamos aqui analise atentamente a atividade a seguir e tente resolver o problema da melhor forma possível Figura 15 Exemplo de amplificador de operação classe C Fonte MALVINO BATES 2016 p 402 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 2324 Para finalizarmos o conteúdo considere uma configuração de amplificador transistorizado largamente utilizada para várias aplicações a partir de um circuito classe B Nesse sentido qual seria outro exemplo de circuito prático que poderia ser utilizado aqui a partir de configurações simétricas Vamos Praticar Chegamos ao final de mais uma unidade de estudos Aqui foi possível compreender o papel de dois importantes tipos de transistores os JFETs e os MOSFETs Além disso pudemos analisar mais detalhes acerca da amplificação de um sinal CA a partir do uso dos TBJs Nesta unidade você teve a oportunidade de Conclusão aprender sobre o funcionamento dos JFETs entender como funcionam os transistores MOSFETs identificar as etapas principais da análise em corrente alternada de um circuito transistorizado entender como desenvolver um amplificador transistorizado Referências 15082023 2202 Eletrônica analógica httpscodelyfmucontents3amazonawscomMoodleEADConteudoENGELETAN21unidade3ebookindexhtml 2424 2N3903 datasheet PDF Fairchild semiconductor All Datasheetcom s l s d Disponível em httpswwwalldatasheetcomdatasheet pdfpdf50012FAIRCHILD2N3903html httpswwwalldatasheetcomdatasheet pdfpdf50012FAIRCHILD2N3903html Acesso em 23 dez 2020 ABREU A S FREITAS P A R de Levantamento histórico da eletrônica principais inventores e suas contribuições Anais do Seminário de Pesquisa e Inovação TecnológicaSEPIT Uberaba v 1 n 1 jun 2017 Disponível em httpperiodicosiftmedubrindexphpsepitarticleview288 httpperiodicosiftmedubrindexphpsepitarticleview288 Acesso em 23 dez 2020 BOYLESTAD R L NASHELSKY L Dispositivos eletrônicos e Teoria de Circuitos São Paulo PrenticeHall 2013 MALVINO A P BATES D J Eletrônica Porto Alegre AMGH 2016 v 1 MANCERA T G Afinador digital para violão e guitarra elétrica implementado em FPGA 2013 Trabalho de Conclusão de Curso Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica Universidade de São Paulo São Carlos 2013 Disponível em httpwwwtccscuspbrtcedisponiveis18180450tce08112013164002 langbr httpwwwtccscuspbrtcedisponiveis18180450tce08112013 164002langbr Acesso em 23 nov 2020 O QUE É um MOSFET Aplicações e características S l s d 1 vídeo 20 min Publicado pelo canal Electrolab Disponível em httpswwwyoutubecomwatch vVgfFCt9lHug httpswwwyoutubecomwatchvVgfFCt9lHug Acesso em 23 nov 2020