Eletrônica
Aula 06
CIN-UPPE
Amplificador básico
Amplificador com transistor
– Exemplo:
Análise
– Modelo CC
– Modelo CA
VCC
C2 RL
RG
C1
CE
Análise CA
Para se fazer a análise CA é necessário:
– Eliminar as fontes DC.
– Curto-circuitar todos os capacitores
– Combinar os resistores, R1, R2, substituindo-os pelo seu
equivalentes (RB), substituindo-o pelo seu modelo de pequeno
sinal.
zi
Modelo CA
de
um transistor
ii
vi
R1
R2
ro
iC v o
RC
zo
Parâmetros de Análise
Impedância de entrada (Zi)
Impedância de saída (Zo)
Ganho de tensão (Av)
Ganho de corrente (Ai)
Modelo de um BJT para pequenos sinais
Modelo re do transistor
– Este modelo emprega um diodo e uma fonte de corrente
controlada para modelar o transistor na região de interesse. Este
modelo é sensível ao valor cc de operação do amplificador.
Modelo híbrido equivalente do transistor
– Os parâmetros híbridos (V e I) são definidos em um ponto de
operação que pode ou não refletir as condições reais de operação
do amplificador.
Ambos os modelos são usados para análise CA de um BJT
Operação em pequeno sinal
O ponto de operação de um amplificador (ponto Q) é
importante, desde que este representa o ponto de
funcionamento DC do amplificador.
Q (ponto de operação)
IE
Q (ponto de operação)
VBE
Distorção da onda
(indesejável p/amplificadores de alta fidelidade)
Modelo re do transisor (modelo CA)
Configuração emissor comum
IC = βIB
C
IC = βIB
B
IB
IE
E
IE =(β+1)IB ≅ βIB (β>>1)
Modelo re do transisor (modelo CA)
Cálculo da Impedância de entrada (Zi)
C
ii =iB
IC = βIB
B
re
zi
vi
vbe
re
IE
E
Zi = vi/ii=vbe/ib≅ie.re/ib= βiB .re/ib= β.re
zi = βre
Resistência CC e CA
Resistência CC no transistor:
– RCC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a
corrente de operação do transistor.
• Exemplo para IE = 1mA, RCC = 0,7V/1 mA = 700Ω
Resistência dinâmica CA do transistor:
– Esta resistência é a variação da tensão base-emissor dividida pela
variação de corrente no emissor.
– RCA = ∆VBE/ ∆IE
• Exemplo para ∆VBE = 1m V e ∆IE = 40 µA,
– RCA = 1mV/40 µA = 25Ω
Regra prática:
– A resistência CA aplicada a todos os transistores varia de acordo
com a temperatura de operação do transistor. Para 25 oC:
RCA = 25mV/ IE ou r´e = 25mV/IE a 50 mV/ IE
– Esta equação se baseia em uma junção base-emissor perfeita e
depende da temperatura de operação do transistor.
– Este efeito resistivo ocorre dentro do transistor.
Modelo re do transisor (modelo CA)
Cálculo da impedância de saída (zo)
Quanto maior for a inclinação
menor derá a impedância
Inclinação = ∆i / ∆v = 1/r
c
ce
o
IB.RL/
∆ic
c
∆vce
ro
zo
e
Modelo re do transisor (modelo CA)
zi
zo
RL
Ganho de tensão (ro ≅ ∞ Ω):
Ganho de corrente(ro ≅ ∞ Ω):
Av = Vo/Vi= βIB.RL/ IB.βre= RL/re
Ai = io/ii= ic./ IB=β= hfe
Parâmetros de análise CA do transistor para pequenos sinais:
- Impedância de entrada (Zi)= βre (re = 25mV/IE) p/25 oC
- Impedância de saída (Zo)= ro
- Ganho de tensão (Av)= Vo/Vi= βIB.RL/ IB.βre= RL/re
- Ganho de corrente (Ai)= io/ii= ic./ IB=β= hfe
Modelo de transistor BJT para pequenos
sinais – CA – modelo híbrido equivalente
O modelo DC, em geral utilizado para polarização de transistores, não
consegue representar adequadamente as pequenas variações CA.
Em BJT, existem 4 parâmetros de interesse:
– iB, iC, vBE,vCE
vBE como função de iB e vCE
Modelo de transistor BJT para
pequenos sinais - CA
iC como função de iB e vCE
Modelo de transistor BJT para
pequenos sinais - CA
Considere os parâmetros IB, IC, VBE, VCE do transistor operando no
ponto Q (ponto de operação)
– iB = IB+∆iB
– vCE = VCE+∆vCE
As mudanças ∆iB e ∆vCE resultam nas mudanças CA de vBE e ic
que
podem ser encontradas pela série de Taylor na região vizinha ao ponto
Q, ou seja:
Modelo de transistor BJT para
pequenos sinais - CA
As derivadas parciais são calculadas no ponto Q:
– vBE (IB,VCE ) =VBE
– iC (IB,VCE ) =IC
Podemos denotar as mudanças CA em vBE e iC assim como ∆vBE e
∆iC por:
– vBE(IE+∆iB, VCE+∆iCE)=VBE+∆vBE
– iC(IE+∆iB, VCE+∆iCE)=iC+∆iC
Aplicando um pequeno sinal CA nós mudamos iB e vCE com
pequenos valores ∆iB e ∆vCE que faz com que o transistor
responda mudando vBE e IC, ∆vBE e ∆iCE
Modelo de transistor BJT para
pequenos sinais - CA
Respostas do transistor a sinais CA são dadas por:
As derivadas parciais são as inclinações das curvas próximas ao
ponto de operação Q.
Modelo de transistor BJT para
pequenos sinais - CA
Considerando as derivadas parciais próximas ao
ponto de operação
Q. Definimos então os parâmetros:
Onde:
hie - resistor de entrada do rasistor, dado em Ohms (Ω)
hre - sem unidade
hfe - sem unidade (ganho)
hoe – condutância de saída, dado em mhos (Siemens)
A resposta do transistor para pequenos sinais CA é dado por:
Modelo híbrido (h)
Modelo equivalente da entrada do transistor
Modelo híbrido (h)
Modelo equivalente da saída do transistor
Modelo híbrido (h)
Modelo equivalente da entrada/saída do transistor
O modelo equivalente de pequeno sinal é matematicamente
válido apenas para sinais de pequena amplitude.
Os parametros h são fornecidos pelo fabricante do dispositivo.
Estes parâmetros podem mudar substancialmente dependo do
fabricante.
Modelo híbrido (h) - exemplo
Parâmetros híbridos (típicos) – transistor 2N3904
Mínimo
Médio
Máximo
Modelo híbrido (h)
Desconsiderando o componente hre, o qual é muito pequeno e
usualmente ignorado em modelos analíticos, chegamos a um modelo
denominado hibrido-π.
Assim:
Modelo híbrido (h)
Modelo híbrido-π através de uma fonte de corrente controlada.
Transcondutância
Resistência do emissor
βre
Modelo híbrido (h)
Considerando que o comportamento do transistor é dirigido pela
tensão VBE:
Uma variante do modelo híbrido-π pode ser desenvolvido através de
uma fonte de tensão controlada.
Transcondutância
Resistência do emissor
Exemplo - Amplificador Emissor Comum
Características:
– Inversão de fase em 180o entre os sinais de entrada e saída
– O capacitor de saída bloqueia a tensão CC
– Não deve há tensão CA no emissor na freqüência de trabalho
– Não há tensão CA na fonte de alimentação devido ao filtro da
fonte.
VCC
C2
C1
CE
Inversão de fase (180o)
Análise do circuito
Modelo CA para circuito com polarização por divisor e tensão:
ii
iC
Vi
Zi
R1
R2
βre
io
Zo
Zo =RC || ro
Zi =R’ || βre
R’=R1 || R2
Calcular:
a) re – 25mV/IE (resistência do emissor)
b) Zo – impedância de entrada
c) Zi – impedância de saída
d)
Ganho de tensão Av (Av = Vo/Vi)
e)
Ganho de corrente Ai (Ai = io/ii)
Impedância de entrada Zi:
Zi =R’ || βre
Onde R’ = R1.R2/(R1+R2)
Impedância de saída Zo:
Zo =RC || ro
Ganho de tensão:
Av = Vo/Vi
Onde
Vo = IC. Zo = -(βIB)(RC || ro)
IB= Vi/βre
Assim,
Vo=-β(Vi/βre )(RC || ro) e
Portanto:
Av = Vo/Vi = - (RC || ro)/re
Se ro>> RC
Av = - RC/re
Ganho de corrente:
Ai = io/ii
Onde io = (ro)(βiB)/ (ro+RC)
io / iB = (roβiB)/ (ro+RC)
Com
iB = (RB)(ii)/(RB +βre)
Portanto:
Ai = (βRBre)/[(ro+RC).(RB +βre)]
Se considerarmos
ro>> RC e RB >> βre
Ai ≅ β
Amplificador básico
Amplificador com transistor
– Exemplo:
Análise
– Modelo CC
– Modelo CA
VCC
C2
RG
C1
CE
Exemplo Análise CC
Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5.0 mA e VCE = 7.5
V. Considere β entre 100 e 400.
Amplificar sinal senoidal ca 1mv (pp). Ganho 100 frequência de 3KHz
Considere o transistor BC546
Q (ponto de operação)
Análise
Encontrar VCC, RC, RE, R1, R2
Encontrar VCC
– Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga:
• VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V
Encontrar RC e RE
–Encontrar equação de tensão da malha CE
+15V
•VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3)
RC+RE = 1.5K Ω
= 1.2 KΩ
Ω
• A escolha é livre, mas devemos assegurar que
VE=IE.RE > 1V
Assim, RE > 1/IE . Como IE ≈ IC, RE > 200 Ω
Se fizermos
RE = 220 Ω, RC= 1.2K Ω
= 220 Ω