Capítulo 4 - Polarização CC do TBJ

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CAPÍTULO 4
POLARIZAÇÃO CC DO TBJ
Engenharia Elétrica
Profa. Dra. Josiane Rodrigues
SUMÁRIO
Introdução;
Ponto de Operação (Quiescente);
4.1 – Circuito de Polarização Fixa;
4.2 - Configuração de Polarização do Emissor;
4.3 - Configuração de Polarização por Divisor de Tensão;
4.4 - Configuração com Realimentação de Coletor;
4.5 - Configuração Seguidor de Emissor;
4.6 - Configuração Base-Comum;
4.7 - Configurações de Polarizações Combinadas.
INTRODUÇÃO
	Para a análise ou o projeto de um amplificador com transistor, é necessário o conhecimento das respostas CC e CA do sistema. É comum imaginarmos que o transistor é um dispositivo mágico capaz de aumentar o valor da entrada CA aplicada sem o auxílio de uma fonte de energia externa. Na verdade,
	A análise ou o projeto de qualquer amplificador eletrônico, portanto, utiliza duas componentes: as respostas CA e CC. Felizmente, o teorema da superposição é aplicável, e a análise das condições CC pode ser totalmente separada da resposta CA. Mas deve-se ter em mente que, durante a fase de projeto ou síntese, a escolha dos parâmetros para os valores CC exigidos influenciará a resposta CA e vice-versa.
	Uma vez definidos a corrente CC e os valores de tensão desejados, um circuito que estabeleça o ponto de operação escolhido deve ser projetado. Vários desses circuitos serão analisados neste capítulo. Cada projeto determinará também a estabilidade do sistema, isto é, o quanto ele é sensível às variações de temperatura, outro tópico que será explorado em uma seção deste capítulo.
	Embora vários circuitos sejam estudados neste capítulo, há certa semelhança entre a análise de cada configuração devido ao uso recorrente das seguintes relações básicas importantes de um transistor:
INTRODUÇÃO
PONTO DE OPERAÇÃO (QUIESCENTE)
	A operação no corte, na saturação e nas regiões lineares das curvas características do TBJ são:
1. Operação na região linear:
Junção base-emissor polarizada diretamente.
Junção base-coletor polarizada reversamente.
2. Operação na região de corte:
Junção base-emissor polarizada reversamente.
Junção base-coletor polarizada reversamente.
3. Operação na região de saturação:
Junção base-emissor polarizada diretamente.
Junção base-coletor polarizada diretamente.
Figura 4.1 – Vários pontos de operação dentro dos limites de operação de um transistor.
4.1 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO FIXA
	O circuito de polarização fixa da Figura 4.2 é a configuração mais simples de polarização CC do transistor. Apesar de o circuito empregar um transistor npn, as equações e os cálculos se aplicam igualmente bem a uma configuração com transistor pnp, bastando para isso que invertamos os sentidos de correntes e polaridades das tensões. Os sentidos das correntes da Figura 4.2 são os sentidos reais, e as tensões são definidas pela notação-padrão das duas letras subscritas.
Figura 4.2 – Circuito de polarização fixa.
4.1 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO FIXA
Figura 4.3 – Equivalente CC da Figura 4.2.
	Para se ter uma visualização melhor do circuito de entrada e circuito de saída, é interessante redesenhar o circuito da Figura 4.2, separando as fontes CC, como ilustrado na Figura 4.3.
	Os capacitores se comportam como circuitos abertos para fontes CC.
4.1 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO FIXA
Polarização direta da junção base-emissor
	Analise primeiramente a malha base-emissor mostrada na Figura 4.4. Ao aplicarmos a Lei das Tensões de Kirchhoff no sentido horário da malha, obtemos
Figura 4.4 – Malha base-emissor.
+VCC – IBRB – VBE = 0
(4.4)
Malha coletor-emissor
	A seção coletor-emissor do circuito aparece na Figura 4.5, com o sentido da corrente IC e a polaridade resultante através de RC indicados. O valor da corrente do coletor está diretamente relacionado com IB através de
4.1 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO FIXA
(4.5)
Figura 4.5 – Malha coletor-emissor. 
	Aplicando a Lei das Tensões de Kirchhoff no sentido horário ao longo da malha indicada na Figura 4.5, obtemos
VCE + ICRC – VCC = 0
(4.6)
4.1 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO FIXA
Figura 4.6 – Medição de VCE e VC.
EXEMPLO 4.1
Para a configuração de polarização fixa da Figura 4.7, determine o seguinte:
IBQ e ICQ
b) VCEQ
c) VB e VC
d) VBC
Figura 4.7 – Circuito de polarização CC fixa para o exemplo 4.1.
SOLUÇÃO
‹#›
SATURAÇÃO DO TRANSISTOR
	O termo saturação é aplicado a qualquer sistema em que os níveis alcançaram seus valores máximos. Uma esponja saturada é aquela que não é capaz de reter mais nenhuma gota de líquido. Para um transistor que opera na região de saturação, a corrente apresenta um valor máximo para um projeto específico.
Figura 4.8 – Região de saturação: (a) real; (b) aproximada.
SATURAÇÃO DO TRANSISTOR
Figura 4.9 – Determinação de ICsat
	Para a configuração com polarização fixa da Figura 4.10,
Figura 4.10 – Determinação de Icsat para uma configuração de polarização fixa.
(4.11)
EXEMPLO 4.2
	Uma vez que ICsat é conhecida, temos uma ideia da máxima corrente de coletor possível para o projeto escolhido, e o valor deverá ficar abaixo deste se desejarmos amplificação linear.
ANÁLISE POR RETA DE CARGA
	As curvas características do TBJ são sobrepostas a um gráfico da equação de circuito definida pelos mesmos parâmetros de eixo. O resistor de carga RC para a configuração de polarização fixa determinará a inclinação da equação de circuito e a interseção resultante entre os dois gráficos.
Figura 4.11 – Análise por reta de carga: (a) O circuito; (b) as curvas características do dispositivo.
(4.12)
	Definindo a reta de carga:
Figura 4.12 – Reta de carga para polarização fixa.
(4.14)
(4.13)
	Da equação (4.12) para as condições em que IC = 0 mA, surge a equação (4.13) e para VCE= 0 V aparece a equação (4.14).
Se o valor de IB for modificado pela variação do valor de RB, o ponto Q se move sobre a reta de carga, como mostra a Figura 4.13, para valores crescentes de IB. Se VCC for mantido fixo e RC aumentado, a reta de carga se deslocará como ilustrado na Figura 4.14. Se IB for mantido fixo, o ponto Q se moverá como demonstrado nessa mesma figura. Se RC for fixo e VCC diminuir, a reta de carga se deslocará como mostra a Figura 4.15.
Figura 4.13 – Movimento do ponto Q com valores crescentes de IB.
Figura 4.14 – Efeito do aumento no valor de RC na reta de carga e no ponto Q.
Figura 4.15 – Efeito de valores menores de VCC na reta de carga e no ponto Q.
EXEMPLO 4.3
	Dados a reta de carga da Figura 4.16 e o ponto Q definido, determine os valores necessários de VCC, RC e RB para uma configuração de polarização fixa.
Figura 4.16 – Exemplo 4.3.
SOLUÇÃO
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
	O circuito de polarização CC da Figura 4.17 contém um resistor de emissor para melhorar o nível de estabilidade da configuração com polarização fixa. Quanto mais estável for uma configuração, menos sua resposta ficará sujeita a alterações indesejáveis de temperatura e variações de parâmetros.
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
	O equivalente CC da Figura 4.17 aparece na Figura 4.18 com uma separação da fonte para criar uma seção de entrada e de saída.
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
	Observe que, independentemente da tensão base-emissor VBE, o resistor RE é refletido de volta para o circuito de entrada por um fator (β +1). Em outras palavras, o resistor do emissor, que é parte da malha coletor-emissor, “aparece como” (β +1)RE na malha base-emissor. Visto que β é geralmente 50 ou mais, o resistor do emissor aparenta ser muito maior no circuito de entrada.
(4.18)
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
4.2 - CONFIGURAÇÃO DE
POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
Exemplo 4.4
Exemplo 4.4
Solução
POLARIZAÇÃO DE EMISSOR 
✖️
 POLARIZAÇÃO FIXA
Melhoria na estabilidade da polarização
	A adição do resistor de emissor ao circuito de polarização CC do TBJacarreta uma melhoria na estabilidade, isto é, as correntes e tensões CC permanecem próximas aos valores estabelecidos pelo circuito quando modificações nas condições externas, como temperatura e beta do transistor, ocorrem. Uma comparação da melhoria atingida pode ser obtida como mostra o Exemplo 4.5.
	Prepare uma tabela e compare as tensões e as correntes de polarização dos circuitos das Figuras 4.7 e 4.23 para o valor de β = 50 e para um novo valor de β = 100. Compare as variações de IC e VCE para o mesmo aumento de β.
Exemplo 4.5
Solução
Nível de saturação
	O nível de saturação do coletor ou a corrente de coletor máxima em um projeto de polarização podem ser determinados utilizando-se o mesmo método aplicado à configuração com polarização fixa: estabeleça um curto-circuito entre os terminais de coletor e emissor, como mostra a Figura 4.24, e calcule a corrente do coletor resultante. Para a Figura 4.24
(4.25)
	A inclusão do resistor do emissor leva o nível de saturação do coletor para um valor abaixo do obtido com uma configuração com polarização fixa utilizando o mesmo resistor de coletor.
EXEMPLO 4.6
EXEMPLO 4.7
EXEMPLO 4.7
Figura 4.27 – Exemplo 4.7.
4.3 - CONFIGURAÇÃO DE POLARIZAÇÃO
POR DIVISOR DE TENSÃO
	Nas configurações de polarização anteriores, a corrente ICQ e a tensão VCEQ de polarização eram uma função do ganho de corrente β do transistor. No entanto, como β é sensível à temperatura, principalmente em transistores de silício, e o valor exato de beta geralmente não é bem definido, seria desejável desenvolver um circuito de polarização menos dependente, ou, na verdade, independente do beta do transistor. A configuração de polarização por divisor de tensão da Figura 4.28 é um circuito como esse. Se analisado precisamente, observa-se que a sensibilidade às variações de beta é bem pequena. Se os parâmetros do circuito forem escolhidos apropriadamente, os níveis resultantes de ICQ e VCEQ poderão ser quase totalmente independentes de beta.
4.3 - CONFIGURAÇÃO DE POLARIZAÇÃO
POR DIVISOR DE TENSÃO
4.3 -CONFIGURAÇÃO DE POLARIZAÇÃO
POR DIVISOR DE TENSÃO
	Lembre-se de que vimos em discussões anteriores que um ponto Q é definido por um valor fixo de ICQ e VCEQ, como mostra a Figura 4.29.
Circuito de entrada
Figura 4.30 – Componentes CC da configuração com divisor de tensão.
Figura 4.31 – Desenho refeito do circuito de entrada da Figura 4.28.
Circuito de entrada
Figura 4.33 – Determinação de Eth.
Circuito de entrada
Figura 4.34 – Inserção do circuito equivalente de Thévenin.
EXEMPLO 4.8
Análise aproximada
	A seção de entrada da configuração com divisor de tensão pode ser representada pelo circuito da Figura 4.36. A resistência Ri é a resistência equivalente entre a base e o terra para o transistor com um resistor de emissor RE.
EXEMPLO 4.9
	Repita a análise da Figura 4.35 utilizando a técnica aproximada e compare as soluções para ICQ e VCEQ.
Solução
EXEMPLO 4.10
	Repita a análise exata do Exemplo 4.8 com β reduzido a 50 e compare as soluções para ICQ e VCEQ.
SOLUÇÃO
EXEMPLO 4.11
	Determine os valores de ICQ e VCEQ para a configuração com divisor de tensão da Figura 4.37 utilizando as técnicas exata e aproximada, e compare as soluções. Nesse caso, as condições da Equação 4.33 não serão satisfeitas, e os resultados revelarão a diferença na solução se o critério da Equação 4.33 for ignorado.
Figura 4.37 Configuração com divisor de tensão para o Exemplo 4.11.
SOLUÇÃO
Saturação do transistor
	O circuito de saída coletor-emissor para a configuração com divisor de tensão tem a mesma aparência do circuito com polarização de emissor analisado na Seção 4.4. A equação resultante para a corrente de saturação (quando VCE é ajustado para 0 V no esquema) é, portanto, a mesma obtida para a configuração com emissor polarizado. Isto é,
(4.38)
4.4 - CONFIGURAÇÃO COM
REALIMENTAÇÃO DE COLETOR
	Podemos obter uma melhoria na estabilidade do circuito introduzindo uma realimentação de coletor para a base, como mostra a Figura 4.38. Apesar de o ponto Q não ser totalmente independente de beta (mesmo sob condições aproximadas), a sensibilidade a variações de beta ou da temperatura costuma ser menor do que aquela existente em configurações com divisor de tensão e emissor polarizado. Novamente, a análise será refeita, em primeiro lugar, pela análise da malha base-emissor e, em seguida, pela aplicação dos resultados à malha coletor-emissor.
4.4 - CONFIGURAÇÃO COM
REALIMENTAÇÃO DE COLETOR
Figura 4.40 – Malha coletor-emissor para o circuito da Figura 4.38.
EXEMPLO 4.12
SOLUÇÃO
EXEMPLO 4.13
SOLUÇÃO
EXEMPLO 4.14
SOLUÇÃO
EXEMPLO 4.15
Figura 4.43 – Circuito para o Exemplo 4.15.
Figura 4.44 – Curvas características de TBJ.
SOLUÇÃO
Figura 4.45 – Definição do ponto Q para a configuração de polarização por divisor de tensão da Figura 4.43.
4.5 - CONFIGURAÇÃO SEGUIDOR
DE EMISSOR
	As seções anteriores apresentaram configurações em que a tensão de saída é normalmente retirada do terminal coletor do TBJ. Esta seção examinará uma configuração na qual a tensão de saída é retirada do terminal emissor, como mostra a Figura 4.46. A configuração dessa figura não é a única em que a tensão de saída pode ser retirada do terminal emissor. Na verdade, qualquer uma das configurações já descritas pode ser usada, desde que haja um resistor no ramo emissor.
Figura 4.46 – Configuração do coletor-comum (seguidor de emissor).
4.5 - CONFIGURAÇÃO SEGUIDOR
DE EMISSOR
EXEMPLO 4.16
Figura 4.48 Exemplo 4.16.
	Determine VCEQ e IEQ no circuito da Figura 4.48.
SOLUÇÃO
4.6 - CONFIGURAÇÃO BASE-COMUM
	A configuração base-comum é única na medida em que o sinal aplicado é ligado ao terminal emissor e a base está no potencial do terra, ou ligeiramente acima dele. Trata-se de uma configuração comumente usada porque, no domínio CA, ela tem uma impedância de entrada muito baixa, uma impedância de saída alta e um bom ganho.
	Uma típica configuração base-comum aparece na Figura 4.49. Note que duas fontes são usadas nessa configuração, e que a base é o terminal comum entre o emissor de entrada e o coletor de saída.
Figura 4.49 – Configuração base-comum.
4.6 – CONFIGURAÇÃO BASE-COMUM
Figura 4.50 – Equivalente CC de entrada da Figura 4.49.
4.6 – CONFIGURAÇÃO BASE-COMUM
Figura 4.51 – Determinação de VCE e VCB.
4.6 – CONFIGURAÇÃO BASE-COMUM
EXEMPLO 4.17
	Determine as correntes IE e IB e as tensões VCE e VCB para a configuração base-comum da Figura 4.52.
SOLUÇÃO
4.7 - CONFIGURAÇÕES DE
POLARIZAÇÕES COMBINADAS
	Existem diversas configurações de polarização de TBJ que não se enquadram nos modelos básicos analisados nas seções anteriores. No entanto, o principal objetivo aqui é enfatizar as características do dispositivo que permitem uma análise CC da configuração e estabelecer um procedimento geral para a solução desejada. Para cada configuração discutida até o momento, o primeiro passo tem sido a obtenção de uma expressão para a corrente de base. Uma vez conhecida a corrente de base, é possível determinar diretamente a corrente de coletor e os valores de tensão do circuito de saída. Isso não implica que todas as soluções seguirão esse caminho, mas sugere um roteiro possível, caso uma nova configuração seja encontrada. O primeiro exemplo trata simplesmente de um circuito em que o resistor de emissor foi retirado da configuração com realimentação de tensão da Figura 4.38. A análise é bastante semelhante, mas requer que RE seja retirado da equação aplicada.
EXEMPLO 4.18
	Para o circuito da Figura 4.53:
a) Determine ICQ e VCEQ.
b) Determine VB, VC, VE e VBC.
Figura 4.53 Realimentação de coletor com RE = 0 Ω.
SOLUÇÃO
EXEMPLO 4.19
Determine VC e VB para o circuito da Figura 4.54.
Figura 4.54 Exemplo 4.19.
SOLUÇÃO
EXEMPLO 4.20Determine VC e VB no circuito da Figura 4.55.
Figura 4.55 Exemplo 4.20.
SOLUÇÃO
Figura 4.56 Determinação de RTh.
Figura 4.57 Determinação de ETh.
Figura 4.58 Substituição do circuito equivalente de Thévenin.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
	BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos E Teoria de Circuitos. Prentice Hall. 11a Ed. 2013