Transistor Bipolar de Junção: Amplificação de Sinais e Aplicações

TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO TBJ CA O Transistor Bipolar de Junção TBJ é um componente eletrônico utilizado em diversas aplicações uma das principais aplicações é a sua utilização como amplificador de sinais A função principal do TBJ como amplificador é amplificar um sinal de entrada com um pequeno valor de magnitude e transformálo em um sinal de saída de maior magnitude O processo de amplificação do sinal é realizado através do controle da corrente que flui através das camadas semicondutoras do TBJ O amplificador transistorizado é amplamente utilizado no campo da Engenharia Elétrica em áreas como Instrumentação Eletrônica Controle e Comunicações Sinais provenientes de sensores geralmente possuem níveis de tensão muito baixos muitas vezes na faixa de µV a mV o que torna necessário amplificálos para que possam ser utilizados em diversas aplicações práticas Esse processo é conhecido como condicionamento do sinal O objetivo do condicionamento do sinal é amplificar o sinal de entrada até um nível adequado para sua utilização em processos de digitalização gravação excitação de alto falantes registro em displays gráficos entre outras aplicações Além disso os amplificadores são amplamente utilizados para amplificar sinais de sensores fotoelétricos microfones antenas sinais biomédicos e sensores de grandezas físicas não elétricas como pressão temperatura e umidade Os amplificadores transistorizados possuem diversas vantagens em relação a outros tipos de amplificadores Eles apresentam uma alta impedância de entrada o que significa que eles necessitam de uma quantidade mínima de corrente do sinal de entrada preservando assim o sinal original Além disso eles possuem um alto ganho de tensão e são capazes de amplificar sinais de baixa amplitude em níveis de tensão mais altos Os amplificadores transistorizados são geralmente construídos com transistores bipolares de junção TBJ ou transistores de efeito de campo FET O TBJ é o mais utilizado em amplificadores de baixa frequência enquanto o FET é mais comumente utilizado em amplificadores de alta frequência Para que o transistor funcione como amplificador ele deve estar polarizado de modo a funcionar na região ativa O TBJ atua como amplificador de sinais em três modos principais de operação amplificador emissor comum amplificador base comum e amplificador coletor comum sendo o mais comum deles o modo emissor comum Para que um TBJ possa ser utilizado como amplificador é necessário adicionar alguns componentes eletrônicos como capacitores de acoplamento e resistores de carga Os capacitores de acoplamento são utilizados para bloquear a corrente contínua DC e permitir a passagem da corrente alternada AC Já os resistores de carga são utilizados para limitar a corrente no circuito e proteger o transistor de sobrecargas Em um amplificador transistorizado o sinal de entrada é aplicado à base do transistor onde é amplificado O sinal amplificado é então coletado no coletor do transistor e enviado para a carga A carga pode ser um altofalante um display gráfico um conversor analógicodigital entre outros dispositivos Na figura 1 está apresentado o esquema de ligação de um circuito amplificador emissor comum com resistores de polarização e capacitores de acoplamento Figura 1 Amplificador emissor comum utilizando TBJ Fonte Adaptado de ARAUJO No circuito apresentado na Figura 1 o TBJ é polarizado a partir do sinal cc aplicado ao circuito fazendo com que o transistor opere na região ativa A parte cc do circuito é formado por VCC RB1 RB2 RE e RC O sinal Vin sinal ca aplicado na base do transistor será amplificado na saída Vo Para que o sinal amplificado não possua distorções o sinal Vin deve possuir uma pequena amplitude da ordem de 10 mV Os capacitores CB e Co são chamados de capacitores de acoplamento e o capacitor CE é chamado de capacitor de passagem Os capacitores CB e Co servem como filtros que nas frequências de interesse se tornam curto circuitos e para níveis cc são circuitos abertos O capacitor Co elimina os níveis cc e garante a passagem apenas de níveis ca do sinal de saída retirada do nível cc do sinal MODOS DE OPERAÇÃO No modo amplificador emissor comum o sinal de entrada é aplicado ao terminal do emissor enquanto o sinal de saída é coletado no terminal do coletor O terminal da base é utilizado para controlar a corrente que flui do emissor para o coletor o que permite que a amplificação do sinal de entrada ocorra Nesse modo de operação a polarização do TBJ é realizada de forma que a junção baseemissor fique diretamente polarizada e a junção base coletor fique inversamente polarizada No modo amplificador base comum o sinal de entrada é aplicado ao terminal da base enquanto o sinal de saída é coletado no terminal do emissor Nesse modo de operação a base é utilizada para controlar a corrente que flui do emissor para o coletor permitindo à amplificação do sinal de entrada Nessa configuração a polarização do TBJ é realizada de forma que as duas junções fiquem diretamente polarizadas No modo amplificador coletor comum o sinal de entrada é aplicado ao terminal do emissor enquanto o sinal de saída é coletado no terminal da base Nesse modo de operação o emissor é utilizado como referência de potencial permitindo que a amplificação do sinal de entrada ocorra sem afetar a carga conectada ao circuito Nessa configuração a polarização do TBJ é realizada de forma que a junção baseemissor fique diretamente polarizada e a junção basecoletor fique inversamente concentrada GANHO DO AMPLIFICADOR O ganho de tensão de um amplificador TBJ depende do modo de operação bem como do ponto de operação do TBJ O ponto de operação é o qual a curva de carga do TBJ intersecta a curva de transferência e é determinado pela polarização do TBJ Uma polarização incorreta pode resultar em uma distorção do sinal de saída Para amplificar sinais de alta frequência é necessário utilizar um TBJ com uma alta frequência de transição ft A frequência de transição é a frequência máxima na qual um TBJ pode amplificar um sinal sem distorção Para amplificar sinais de baixa frequência é necessário utilizar um TBJ com uma alta corrente de coletor máxima ICmax Outra aplicação comum do TBJ como amplificador é em amplificadores operacionais que são circuitos integrados que contêm vários TBJs em uma configuração específica para realizar várias funções como amplificação filtragem e processamento de sinal Os amplificadores operacionais são usados em uma ampla gama de aplicações desde circuitos de áudio até sistemas de controle industrial Nos amplificadores operacionais o ganho depende da conexão dos demais componentes que formam o circuito como um todo O PAR DIFERENCIAL Outra aplicação do TBJ é no circuito par diferencial O circuito par diferencial com TBJ é amplamente utilizado em aplicações de eletrônica analógica e digital Ele é formado por dois transistores NPN ou PNP que têm suas bases conectadas entre si enquanto seus emissores são ligados a uma fonte de corrente constante e seus coletores são conectados em conjunto e fornecem o sinal de saída Na Figura 2 está apresentado um circuito formando um par diferencial Figura 2 Circuito par diferencial com TBJ Fonte Adaptado de BELLODI A função principal do circuito par diferencial é amplificar um sinal ou seja a diferença de tensão entre as entradas do circuito Quando a tensão aplicada nas bases dos transistores é a mesma a corrente que flui em cada transistor é igual e não há sinal de saída No entanto quando a tensão em uma das bases é aumentada e a outra é diminuída ocorre um desequilíbrio nas correntes de base resultando em uma corrente de saída que é proporcional à diferença de tensão Uma das vantagens do circuito par diferencial é que ele é capaz de rejeitar sinais comuns ou seja aqueles que são aplicados simultaneamente às duas entradas do circuito Isso ocorre porque os transistores estão sendo operados em polarização ativa o que significa que o ganho de corrente é alto e o ganho de tensão é baixo Como os sinais comuns são aplicados igualmente às duas bases eles são rejeitados pelo circuito Por outro lado o sinal diferencial é amplificado e passado para o estágio de saída O circuito par diferencial também é capaz de fornecer um ganho de tensão estável e uma resposta linear em uma ampla faixa de frequência tornandoo ideal para aplicações de alta frequência e em ambientes com interferências eletromagnéticas O circuito par diferencial com TBJ pode ser usado em aplicações de amplificação de áudio em sistemas de comunicação de dados em instrumentação eletrônica e em sistemas de controle automático No entanto ele deve ser projetado com cuidado e atenção aos detalhes para garantir sua estabilidade e desempenho adequados Em resumo o TBJ é um componente eletrônico versátil e amplamente utilizado em circuitos amplificadores de sinais Suas características únicas de ganho impedância de entrada e de saída o tornam adequado para uma ampla gama de aplicações desde amplificadores de áudio até amplificadores de sinais de alta frequência O uso de TBJ em circuitos amplificadores requer a escolha cuidadosa de outros componentes eletrônicos como capacitores de acoplamento e resistores de carga para garantir a operação ideal do amplificador REFERÊNCIAS ARAUJO J F Guia 02 Transistor Bipolar de Junção Universidade Federal de Campina Grande Unidade Acadêmica de Engenharia Elétrica Guia de laboratório BELLODI MARCELLO Circuito Amplificador Diferencial pg 438 a 443 PUC São Paulo Engenharia Elétrica Laboratório de Eletrônica 2 BOYLESTAD NASHELSKY L Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos São Paulo Pearson 2004 MALVINO ALBERT P Eletrônica São Paulo McGrawHill 1995 RAZAVI B Fundamentos de Microeletrônica Rio de Janeiro LTC Grupo Gen 2010 SEDRA A SMITH K Microeletrônica São Paulo Pearson 2007