Transistores Bipolares e Amplificadores Lineares - Superposição de Sinais AC e DC

1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Transistores Bipolares Circuitos amplificadores Parte 1 Ref Livro Boylestad inicio na pg 220 2 Ref Livro Boylestad inicio na pg 220 Transistores Bipolares Circuitos amplificadores 3 Transistores Bipolares Circuitos amplificadores 44 Transistores Bipolares Superposição de Sinais DC e AC Considere o circuito ilustrado na seqüência É o protótipo que foi utilizado para as análise dos circuitos de polarização com a adição de uma fonte de sinal AC acoplada à Base via o capacitor Ci Supondo que o circuito de polarização estabeleça um ponto de operação na região ativa o transistor apresenta uma comportamento linear desde que quaisquer variações impostas ao sistema sejam de pequena amplitude VCC VBB RC RB RE IBQDIB ICQDIC IEQDIE VCEQDVCE VBEQDVBE Vi Ci 5 Transistores Bipolares Superposição de Sinais DC e AC Com auxilio do gráfico podese verificar a presença da superposição dos sinais em um amplificador com TBJ ICQ DIC ic VCEQ DVCE vce IBQ DIB ib Superposição de Sinais AC nos Níveis de Polarização Um aumento de IB devido a variação do sinal de entrada na base gera um aumento da corrente de coletor Como o resistor de coletor está com um lado fixo em VCC e VRI para a tensão no resistor de coletor aumentar a tensão de coletor diminui ou tensão do coletor varia deslocada em 180º 66 Transistores Bipolares Amplificadores lineares Fonte Polarização de Amplificadores e Conceitos Prof Thiago R de Oliveira UFMG httpswwwyoutubecomwatchvXNY6e9Gclg 77 Transistores Bipolares Amplificadores lineares Fonte Polarização de Amplificadores e Conceitos Prof Thiago R de Oliveira UFMG httpswwwyoutubecomwatchvXNY6e9Gclg 88 Transistores Bipolares Amplificadores lineares Fonte Polarização de Amplificadores e Conceitos Prof Thiago R de Oliveira UFMG httpswwwyoutubecomwatchvXNY6e9Gclg 99 Transistores Bipolares Amplificadores lineares Fonte Polarização de Amplificadores e Conceitos Prof Thiago R de Oliveira UFMG httpswwwyoutubecomwatchvXNY6e9Gclg 10 10 Transistores Bipolares Amplificadores lineares Fonte Polarização de Amplificadores e Conceitos Prof Thiago R de Oliveira UFMG httpswwwyoutubecomwatchvXNY6e9Gclg A utilização de um nível DC de polarização do circuito permite a mudança do ponto de operação para uma região onde o transistor opera de forma linear 11 11 Transistores Bipolares Amplificadores lineares Fonte Polarização de Amplificadores e Conceitos Prof Thiago R de Oliveira UFMG httpswwwyoutubecomwatchvXNY6e9Gclg Agora o amplificador se comporta como desejado A polarização DC permitiu que o circuito opere apenas na região linear 12 12 Transistores Bipolares Amplificadores lineares Fonte Polarização de Amplificadores e Conceitos Prof Thiago R de Oliveira UFMG httpswwwyoutubecomwatchvXNY6e9Gclg A medida que o sinal de entrada aumentar o ponto de operação do transistor desloca para regiões onde ocorre o corte ou saturação gerando distorções Assim é importante escolher bem o ponto de operação na reta de carga AC e também entender que o circuito opera com pequenas amplitudes de sinal 13 13 Análise de Circuitos Amplificadores Circuitos Equivalentes Assim o primeiro passo para se analisar um circuito amplificador é reconhecer a existência de duas condições distintas Continua DC considera a condição de polarização Alternada AC considera os sinais que variam a amplitude com o tempo e por consequência verificar a existência de dois circuitos equivalentes distintos Estes circuitos equivalentes são denominados de Circuito Equivalente DC e Circuito Equivalente AC 14 14 Análise de Circuitos Amplificadores Circuitos Equivalentes Para determinálos basta fazer Circuito Equivalente DC Circuito de Polarização Substituir todos os capacitores por chaves abertas e colocar todas as fontes AC em repouso Circuito Equivalente AC Substituir todos os capacitores por chaves fechadas lembrar que está se trabalhando em uma faixa de freqüências em que as reatâncias capacitivas são desprezadas em função da resistência equivalente vista pelos capacitores e colocar todas as fontes DC em repouso Utilizar o modelo de pequenos sinais para o TBJ ELTA01 20062023 16 16 Modelo de pequenos sinais para o Transistor Bipolar de Jução TBJ Para analisar a operação do transistor bipolar em um circuito na condição AC utilizase um modelo de pequenos sinais pequenos sinais é a consideração relativa a amplitude do sinal de entrada O modelo é denominado π e para os objetivos dessa disciplina pode ser simplificado e será utilizado conforme mostrado a seguir Onde re é a resistência AC é pode ser definida como Ref Livro Boylestad pg 283 29 26mV é adotado pela maioria dos autores 17 17 Modelo de pequenos sinais para o TBJ Definição de gm transcondutância Letra minúscula com índice maiúsculo Sinal DC AC Letra minúscula com índice maiúsculo Sinal DC AC Letra minúscula Sinal AC 29 18 18 Modelo de pequenos sinais para o TBJ O valor r0 normalmente é obtido das folhas de especificações Fabricantes informam o parâmetro H denominado hoe admitância de saída Para situações em que a tensão Early não está disponível a impedância de saída também pode ser determinada a partir das curvas características em qualquer corrente de base ou de coletor por meio da seguinte equação A resistência ro pode ser obtida graficamente se as curvas do transistor estão disponíveis ou é fornecido o valor de VA tensão early O resistor ro mostra que a fonte de corrente presente no coletor não é ideal Sua ordem de grandeza é de aproximadamente de algumas dezenas de KW Compete ao projetista avaliar a necessidade de sua inclusão ou não 19 19 Modelos Incrementais bDC e bAC ICmA VCEV DIC DIB Q 200 100 A 20mA ΔI ΔI β 253 150 A 38mA I I β cte V B C AC BQ CQ DC CE Em se tratando de sinais incrementais é possível estabelecer uma relação que envolve as variações da corrente de coletor e as variações da corrente de base no entorno do ponto Q Esta relação é definida como bAC Pode ser aproximada contudo para o valor DC em função da linearidade de espaçamento entre as curvas de coletor cada uma para IB constante que existe na região ativa Definição de bAC e Correspondência com o valor hfe Costumase utilizar b indistintamente representando tanto bDC quanto bAC em função desta aproximação 20 Amplificadores Circuito Equivalente Amplificador vout vin iin iout V RL Importante O amplificador não gera energia ele simplesmente canaliza a energia armazenada na fonte de alimentação V 21 Amplificadores Circuito Equivalente vin iin Zout vout iout Zin AVOCvin Existem 3 parâmetros importantes que caracterizam um amplificador e devem ser avaliados A Impedância de entrada Zin A Impedância de Saída Zout e Ganho de Tensão em Circuito Aberto AVOC Estes parâmetros definem o Circuito Equivalente para o Amplificador Circuito Equivalente para o Amplificador 22 Amplificadores Circuito Equivalente O ganho de tensão em circuito aberto é a maior relação que pode existir entre os sinais de saída e de entrada VOC VOC R in out VOC 20log A dB A v v A L Matematicamente o Ganho de Tensão em Circuito Aberto será expresso pela seguinte relação algumas vezes calculada em decibéis 23 Amplificadores Circuito Equivalente Observar que ao colocar a carga RL haverá uma divisão de tensão entre ela e Zout fazendo com que a amplitude do sinal de saída diminua Por este motivo ao se projetar um amplificador de tensão deve se procurar na medida do possível um menor valor para a impedância de saída idealmente zero 24 Amplificadores Circuito Equivalente Do lado da entrada é aconselhável que a maior parte do sinal proveniente da fonte de sinal Vin com impedância de saída Rs seja acoplada ao amplificador pois a tensão Vin é que será amplificada Neste caso o projetista deve estar atento para na medida do possível tentar alcançar um maior valor para a impedância de entrada idealmente infinito 25 Amplificador ou Estágio Emissor Comum EC O primeiro amplificador a ser analisado será o Amplificador Emissor Comum EC O emissor é comum as malhas de entrada e saída Emissor comum as malhas 26 Amplificador ou Estágio Emissor Comum EC O primeiro amplificador a ser analisado será o Amplificador Emissor Comum EC 27 Amplificador ou Estágio Emissor Comum EC Os resistores RBeq e RCeq são resultantes do circuito equivalente AC e fazem parte do circuito de polarização A análise do estágio EC requer avaliar os parâmetros Zin impedância de entrada Zout impedância de saída e AVOC ganho de malha aberta Para tanto o transistor deverá ser substituído pelo seu modelo de pequenos sinais slide 15 e 16 Observar o terminal de Emissor comum à entrada e à saída RBeq RCeq vin iin vout iout ic ib vbe vce Representação do Estágio EC utilizando a representação AC 28 Amplificador EC Impedâncias ZinEC ZoutEC RBeq RCeq Zinbase ZoutColetor vin iin vout iout 29 Amplificador EC Ganho de Tensão em Circuito Aberto Atenção O sinal de menos indica uma defasagem de 1800 entre vout e vin RBeq RCeq vin vbe vout vce ro rp gmvbe ib ic 16 30 Amplificador EC Reta de Carga AC Os circuitos equivalentes DC e AC geralmente não são iguais Principalmente pela presença de um resistor de carga RL na saída do amplificador Reta de carga DC consultar slide 71 no conjunto de slides sobre polarização DC 31 Amplificador EC Linha de Carga AC Distorção e Compliance A determinação dos pontos de cruzamento com os respectivos eixos icSAT e vceCORTE é importante para estabelecer a Compliance máxima excursão do sinal de saída sem distorção do circuito amplificador L Ceq C ECQ ce ic 0 ceCORTE L Ceq CEQ CQ c vce 0 cSAT CEQ ce L Ceq CQ c 1 1 R R I V v v R R V I i i V v R R 1 I i x ax y y Partindo da equação genérica de uma reta e sabendo que o ponto Q pertence a ambas retas chegase à formulação ao lado Se o sinal AC provocar uma excursão muito grande do ponto Q podese ter a distorção por corte a distorção por saturação ou ambas Para se obter a maior execução pico a pico do sinal de saída fica evidente a necessidade do ponto Q centrado na reta de carga AC Análises podem demonstrar que um posicionamento do ponto Q a 13 de VCC no circuito de polarização aumenta a probabilidade do ponto Q centrado na reta AC 32 Amplificador EC Reta de Carga CC e AC Q IC VCE ICQ VCEQ Reta de carga AC icSAT vceCORTE Centrar o ponto Q na reta de carga DC não garante que este ponto fique no centro da reta de carga AC Assim reforçando para projeto do amplificador emissor comum é importante considerar O posicionamento do ponto Q a 13 de VCC no circuito de polarização aumenta a probabilidade do ponto Q centrado na reta AC 33 Amplificador EC Reta de Carga CC e AC Q IC VCE ICQ VCEQ Reta de carga AC icSAT vceCORTE Centrar o ponto Q na reta de carga DC não garante que este ponto fique no centro da reta de carga AC O posicionamento do ponto Q a 13 de VCC no circuito de polarização aumenta a probabilidade do ponto Q centrado na reta AC 34 Amplificador EC Reta de Carga CC e AC Reta de carga DC e AC Se Vin aumenta aumenta Ib transistor tende a ir para a saturação AC e temse tendencia de aumento de ic com consequente diminuição de Vce uma vez que aumenta a queda de tensão em rC Com a diminuição de Vin diminui ib e iC AC com transistor tendendo a ir para o corte AC com isso Vce tende a aumentar O valor máximo de coletor não é mais como no corte na operação DC ausência de corrente DC coletor assume VCC No caso da polarização por divisor de tensão com resistor no emissor ICQ é definida pelo resistor de emissor circuito DC 35 Exemplo O circuito da figura é um amplificador emissor comum Realizar a análise DC e AC obtendo as principais grandezas do circuito ganho AC corrente de coletor etc Desenhe as retas de carga DC e AC analise o ponto de operação ponto Q Com esses resultados indique o que ocorre quando um sinal de entrada senoidal de 1Vp é aplicado na entrada do amplificador 36 Exemplo O circuito da figura é um amplificador emissor comum Realizar a análise DC e AC obtendo as principais grandezas do circuito ganho AC corrente de coletor etc Desenhe as retas de carga DC e AC analise o ponto de operação ponto Q Com esses resultados indique o que ocorre quando um sinal de entrada senoidal de 1Vp é aplicado na entrada do amplificador Exemplo V1 10 V2 SINE0 1 1k tran 1u 3m R2 10K R3 22K R1 36K Q1 2N3904 C2 100μ vb vc veac C1 100μ VO R5 10k R4 1K C3 470μ saturação corte DC re 25mVIE ou re 26mVIE AVoc gmRceq ganho ac AV RCre Amplificador ou Estágio Emissor Comum Linearizado 41 Amplificador ou Estágio Emissor Comum Linearizado ECLin Este amplificador prevê a existência de um resistor equivalente no ramo do emissor como ilustrado a seguir A vantagem deste tipo de amplificador está no fato de apresentar um ganho de tensão menos dependente de re e conseqüentemente menos dependente de flutuações que possam ocorrer no ponto Q 42 Amplificador ou Estágio Emissor Comum Linearizado ECLin O preço a ser pago está na redução do valor absoluto do ganho Uma vantagem adicional é um aumento da impedância de entrada que é desejável para um amplificador de tensão RBeq RCeq vin iin vout iout ic ib vbe vce REeq ve O resistor REeq e RCeq é resultante do circuito equivalente AC e faz parte do circuito de polarização Estágio ECLin 43 Amplificador ECLin Impedâncias ZinEC ZoutEC RBeq RCeq Zinbase ZoutColetor vin iin vout iout REeq RBeq RCeq vin vb iin vout vc iout ro rp gmvbe ib ic REeq ve ie Observar que o resistor de emissor em AC é visto pela base como um valor bem maior 44 Amplificador ECLin Impedâncias As impedâncias de saída são definidas para o sinal de entrada em repouso na realidade é a resistência equivalente Thèvenin que se está calculando 45 Amplificador ECLin Ganho de Tensão em Circuito Aberto Atenção O sinal de menos na fórmula indica da mesma maneira que o estágio EC uma defasagem de 1800 entre vout e vin Observar que se o resistor REeq for feito muito maior que re o ganho em circuito aberto fica praticamente independente de um parâmetro re que é calculado em função do ponto de operação Portanto esta configuração apresenta uma maior estabilidade do ganho preço pago menor valor absoluto do ganho de tensão 46 Amplificador EC Linearizado Reta de Carga CC e AC 25 47 Amplificador EC Linearizado Observações finais Considerando o circuito de um amplificador emissor comum Ele apresenta ganho mas nas situações em que o sinal de entrada Vin apresenta amplitudes maiores pode levar o sinal de saída a sofrer distorções 48 Amplificador EC Linearizado Observações finais Essa distorção pode ser melhor observada em um gráfico da tensão de saída X tensão de entrada Gráfico da tensão de saída X tensão de entrada É notável a distorção seria esperado um comportamento semelhante ao de uma reta com inclinação maior que 90º uma vez que o ganho é negativo 49 Amplificador EC Linearizado Observações finais Como apresentado anteriormente o amplificador emissor comum linearizado utiliza na condição AC um resistor em série com re RE2 o que diminui a distorção causada Amplificador EC simples Amplificador EC linearizado RE 10 ohms 50 Amplificador EC Linearizado Observações finais Amplificador EC linearizado com valor do resistor de emissor em AC igual a 10 e 100 ohms