Cap 5 - Analise CA do TJB

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<p>72</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>72</p><p>CAPÍTULO 5</p><p>ANÁLISE CA DO TRASISTOR TBJ</p><p>5.1– Introdução</p><p>Neste capítulo começaremos a examinar a resposta CA do amplificador TBJ para</p><p>pequenos sinais revendo os modelos usados com maior frequência para representar o transistor</p><p>no domínio CA senoidal.</p><p>Existem dois modelos geralmente usados na análise para pequenos sinais: 1) modelo re e</p><p>o modelo híbrido equivalente. Este capítulo não apenas introduz ambos os modelos como</p><p>também define o papel de cada um e a relação entre eles.</p><p>5.2 – Amplificação no domínio CA</p><p>Vamos considerar inicialmente o comportamento distinto do circuito quando alimentado</p><p>com um fonte CC e depois alimentado por uma fonte CA.</p><p>Na Figura 1 o sentido do fluxo de corrente é indicado na figura com um gráfico da</p><p>corrente i em função do tempo. Agora vamos inserir um mecanismo de controle como mostrado</p><p>na Figura 2. Esse mecanismo atua de modo que a aplicação de um sinal relativamente pequeno</p><p>nele pode resultar em uma oscilação muito grande no circuito de saída.</p><p>Figura 1 – Corrente estacionária estabelecida por uma fonte CC.</p><p>73</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>73</p><p>Figura 2 – Efeito de um elemento de controle no fluxo em estado estacionário do sistema</p><p>elétrico da Figura 1.</p><p>Entretanto, é importante que amplificadores a transistor para pequenos sinais possam ser</p><p>considerados lineares para muitas aplicações, permitindo a utilização do teorema da</p><p>superposição para isolar a análise CC da análise CA.</p><p>5.3 – Modelagem do Transistor TBJ</p><p>Para modelagem do transistor vamos considerar incialmente o circuito de polarização por</p><p>divisor de tensão dado pela Figura 3.</p><p>Figura 3 – Circuito com transistor sob exame</p><p>Como desejamos somente a resposta CA do circuito, todas as fontes CC podem ser</p><p>substituídas por um potencial nulo equivalente (curto-circuito), uma vez que determinam apenas</p><p>74</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>74</p><p>a componente CC (ponto de operação, ou ponto quiescente) da tensão de saída. Isto é</p><p>demonstrado na Figura 4.</p><p>Figura 4 – O circuito da Figura 3 após a remoção da fonte CC e a inserção do curto-circuito</p><p>equivalente para os capacitores.</p><p>Os valores CC apenas foram importantes para determinar o ponto quiescente Q de</p><p>operação.. Uma vez que ele esteja determinado, os valores CC podem ser ignorados na análise</p><p>CA do circuito.</p><p>Se estabelecermos um ponto comum GND e reorganizarmos os elementos da Figura 4,</p><p>terremos o circuito da Figura 5. Os resistores R1 e R2 ficarão em paralelo, RC aparecerá entre o</p><p>coletor e o emissor, Observe que nesta análise o resistor RE acarretará um curto nos seus terminais</p><p>porque o capacitor em paralelo com o resistor, prevalece o curto circuito.</p><p>Figura 5 – Circuito da Figura 4 redesenhado para análise CA de pequenos sinais</p><p>Em resumo, o equivalente CA de um circuito é obtido:</p><p>1º) Fixando todas as fontes de tensão CC em zero e substituindo-as por um curto-circuito</p><p>equivalente.</p><p>2º) Substituindo todos os capacitores por um curto-circuito equivalente.</p><p>3º) Removendo todos os elementos em paralelo com os curto-circuitos equivalentes,introduzios</p><p>nos passos 1) e 2).</p><p>4º) Redesenhando-se o circuito em uma forma mais conveniente e lógica.</p><p>75</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>75</p><p>5.4 – Modelo “re” do transistor</p><p>O modelo re emprega um diodo e uma fonte controlada de corrente para duplicar o</p><p>funcionamento do transistor na região que interessa. Lembramos que uma fonte de corrente</p><p>controlada por corrente é aquela em que seus parâmetros são controlados por uma corrente de</p><p>outro ramo do circuito.</p><p>Amplificadores a transistor TBJ são classificados como dispositivos controlados por</p><p>corrente.</p><p>5.4.1 – Configuração Base-Comum</p><p>Na Figura 6, um transistor pnp em base-comum foi colocado dentro de uma estrutura de</p><p>duas portas utilizada em nossa discussão.</p><p>Figura 6 – Transistor TBJ na configuração base-comum</p><p>Na Figura 7 tem-se o modelo re do TBJ para a configuração BC.</p><p>Figura 7 – Modelo re para a configuração da Figura 6</p><p>O valor de re é dada pela seguinte expressão:</p><p>𝑟𝑒 =</p><p>26 𝑚𝑉</p><p>𝐼𝐸</p><p>(1)</p><p>O valor de 26 mV é obtido pela resistência AC, dada pela Figura 8, visto no capítulo de</p><p>diodos.</p><p>76</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>76</p><p>Figura 8 – Determinação da resistência AC média</p><p>Fig 1;35 pag 17</p><p>O subscrito “e” de re foi escolhido para enfatizar que é o valor CC da corrente de emissor</p><p>que determina o valor CA da resistência do diodo da Figura 7.</p><p>Substituir o valor resultante de re na Figura 7 resulta no modelo bastante útil na Figura 9.</p><p>Figura 9 – Circuito re equivalente base-comum</p><p>Devido ao isolamento que existe entre os circuitos de entrada e de saída da Figura 9 fica</p><p>óbvio que a impedância de entrada Zi para a configuração base-comum de um transistor é</p><p>simplesmente re.</p><p>𝑍𝑖 = 𝑟𝑒 (2) BC</p><p>Para a configuração base-comum valores típicos de Zi variam de poucos ohms até no</p><p>máximo de 50 Ω.</p><p>77</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>77</p><p>Para a impedância de saída, se fixarmos o sinal em zero, então IE = 0 e IC = αIE = α(0) = 0,</p><p>resultando em um circuito aberto equivalente para os terminais de saída. Daí</p><p>𝑍𝑂 ≅ ∞ (3) BC</p><p>O ganho de tensão para a configuração base-comum é dado por:</p><p>𝐴𝑣 ≅</p><p>𝑅𝐿</p><p>𝑟𝑒</p><p>(4) BC</p><p>O ganho de corrente para base-comum é dado por:</p><p>𝐴𝑖 = −𝛼 ≅ −1 (5) BC</p><p>Exemplo 1</p><p>Para a configuração base-comum da Figura 9, com IE = 4 mA, α = 0,98, e um sinal CA de 2</p><p>mV aplicado entre os terminais de base e emissor:</p><p>a) Determine a impedância de entrada</p><p>b) Calcule o ganho de tensão se uma carga de 0,56 kΩ for conectada aos terminais de saída</p><p>c) Encontre a impedância de saída</p><p>d) Determine o ganho de corrente.</p><p>78</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>78</p><p>5.4.2 – Configuração emissor-comum</p><p>Para a configuração emissor-comum (EC), da Figura 10, os terminais de entrada são a base</p><p>e o emissor, mas agora os terminais de saída são coletor e emissor. O terminal emissor agora é</p><p>comum para as portas de entrada e de saída do amplificador.</p><p>Figura 10 – Transistor TBJ emissor-comum</p><p>A Figura 11 mostra a introdução do diodo entre a base e o emissor.</p><p>Figura 11 – Modelo aproximado para a configuração emissor-comum</p><p>O diodo pode ser substituído pela resistência CA, como mostra a Figura 12.</p><p>Figura 12 – Determinação de Zi usando o modelo aproximado</p><p>Daí podem ser tiradas as seguintes equações para a configuração emissor-comum:</p><p>𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝑏 (6) EC</p><p>𝐼𝑒 = (𝛽 + 1)𝐼𝑏 (7) EC</p><p>79</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>79</p><p>𝐼𝑒 ≅ 𝛽 (8) EC</p><p>Então, a impedância de entrada Zi é definida por 𝛽 𝑟𝑒, atinge uma faixa de algumas centenas</p><p>de ohms até kohms.</p><p>𝑍𝑖 = 𝛽 𝑟𝑒 (9) EC</p><p>A impedância de saída Zo os valores típicos estão na faixa de 40 kΩ a 50 kΩ.</p><p>𝑍𝑂 = 𝑟𝑂 (10) EC</p><p>O ganho de tensão é dado por:</p><p>𝐴𝑣 = −</p><p>𝑅𝐿</p><p>𝑟𝑒</p><p>(11) EC</p><p>O ganho de corrente é:</p><p>𝐴𝑖 = 𝛽 (12) EC</p><p>Então o modelo re para a configuração emissor-comum é mostrado na Figura 13.</p><p>Figura 13 – Modelo re para a configuração do transistor em EC</p><p>5.5 - Tabelas Resumo de Amplificadores Transistorizados com TBJ</p><p>A Tabela 1 mostra algumas configurações básicas de transistores TBJ, destacando Zi, Zo,</p><p>Av e Ai.</p><p>80</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>80</p><p>5.6 – Sistema em Cascata</p><p>Basicamente, a conexão em cascata é uma conexão em série em que a saída de um estágio</p><p>é o sinal de entrada</p><p>do estágio seguinte.</p><p>A Figura 14 mostra uma conexão em cascata de dois estágios amplificadores com TBJ.</p><p>Essa conexão oferece uma multiplicação do ganho de cada estágio, levando a um ganho global</p><p>maior.</p><p>81</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>81</p><p>Figura 14 – Amplificador TBJ em cascata.</p><p>5.7 – Conexão Darlington</p><p>Também conhecida como conexão superbeta. O ganho de corrente é o produto dos</p><p>ganhos.</p><p>𝛽𝑜 = 𝛽1𝛽2 (13)</p><p>A Figura 15 mostra a constituição de um transistor Darlington.</p><p>Figura 15 – Constituição de um transistor darlington</p><p>5.8 – Par Realimentado</p><p>A conexão para realimentado (Figura 16) é um circuito com dois transistores que opera</p><p>como a Conexão Darlington. Observe que o par realimentado utiliza um transistor pnp acionando</p><p>82</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>82</p><p>um transistor pnp acionando um transistor npn, e os dois dispositivos atuam como um transistor</p><p>pnp.</p><p>Figura 16 – Conexão par realimentado</p><p>5.9 – Modelo Híbrido Equivalente</p><p>Esse termo “hibrido” foi escolhido devido à mistura das variáveis V e I. As expressões</p><p>que retratam essa combinação é dada pelas expressões:</p><p>𝑉𝑖 = ℎ11 𝐼𝑖 + ℎ12 𝑉𝑂 (14)</p><p>𝐼𝑂 = ℎ21 𝐼𝑖 + ℎ22 𝑉𝑂 (15)</p><p>O parâmetro h11 é um parâmetro de impedância de entrada com os terminais de saída</p><p>curto-circuitados, dado por:</p><p>ℎ11 =</p><p>𝑉𝑖</p><p>𝐼𝑖</p><p>|</p><p>𝑉𝑜=0</p><p>(16)</p><p>O parâmetro h12 é a relação da tensão de entrada pela tensão de saída, com a corrente de</p><p>entrada igual a 0.</p><p>ℎ12 =</p><p>𝑉𝑖</p><p>𝑉𝑜</p><p>|</p><p>𝐼𝑖=0</p><p>(17)</p><p>O parâmetro h21 é a relação da corrente de saída pela corrente de entrada, com os terminais</p><p>de saída em curto.</p><p>ℎ21 =</p><p>𝐼𝑜</p><p>𝐼𝑖</p><p>|</p><p>𝑉𝑜=0</p><p>(18)</p><p>O parâmetro h22 é a razão entre a corrente de saída pela tensão de saída, e é medida em</p><p>“siemens”. É um parâmetro admitância de saída de circuito aberto.</p><p>83</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>83</p><p>ℎ22 =</p><p>𝐼𝑜</p><p>𝑉𝑜</p><p>|</p><p>𝐼𝑖=0</p><p>(19)</p><p>Então os parâmetros ficaram assim definidos:</p><p>h11  resistência de entrada → hi</p><p>h12  razão de transferência de tensão reversa → hr</p><p>h21  razão de transferência direta de corrente → hf</p><p>h22  condutância de saída→ ho</p><p>Logo a representação destes parâmetros num circuito equivalente é dado pela Figura 17.</p><p>Figura 17 – Circuito híbrido equivalente completo</p><p>´</p><p>Se particularizarmos estes parâmetros para uma configuração emissor-comum, então os</p><p>basta acrescentar a letra “e” no final de cada parâmetro como ilustra a Figura 18.</p><p>Figura 18 – Configuração emissor-comum</p><p>Para a determinação de cada um desses parâmetros podem ser utilizadas as curvas</p><p>características do transistor como mostra a Figura 19, para determinação de hfe; a Figura 20, para</p><p>a determinação de hoe, a Figura 21 determina o hie e, finalmente a Figura 22 o valor de hre.</p><p>84</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>84</p><p>Figura 19 – Determinação de hfe</p><p>Figura 20 – Determinação de hoe</p><p>85</p><p>Cap. 5 – Análise CA do Transistor TBJ</p><p>85</p><p>Figura 21 – Determinação de hie</p><p>Figura 22 – Determinação de hre</p><p>REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:</p><p>BOYLESTAD, Robert L. e NASHELSKY, Louis – Dispositivos Eletrônicos e teoria de circuitos.</p><p>11ª ed. Pearson Prentice hall, São Paulo, 2013.</p>