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POLARIZAÇÃO de Transistores parte - 2 Professor Lucas Tenório de Souza Silva 1- INTRODUÇÃO 1 – INTRODUÇÃO Os transistor bipolares (BJT) são componentes que fazem o controle da passagem de corrente principal (Ic) através da corrente da base (Ib). A polarização dos transistores permite que os mesmos sejam utilizados como: Elemento Amplificador Sinais (Corrente ou Tensão) Elemento de Controle Liga-desliga (on-off ou Chave Eletrônica). Polarizar um transistor é dimensionar o circuito (resistores) para que o mesmo funcione em um determinado ponto de Operação – Quiescente(Vceq, Icq, Vbeq) 2 – PONTO QUIESCENTE #Obs.: A curva característica do transistor é limitada pelos limites de operação do mesmo: Icmax: corrente máxima de coletor Vcemax=Vceo Potência Máxima 2 – PONTO QUIESCENTE O ponto Quiescente é um ponto de operação estática, com valores do corrente e tensão contínua fixos, e que deve ser feita de acordo com a aplicação do transistor, fixando o ponto em uma das regiões da curva característica: Ativa: aplicação para amplificar sinais (Corrente ou Tensão) Corte ou Saturação: aplicações para chavear o circuito (liga –desliga). Saturação Corte Ativa 3 – RETA DE CARGA 3 – RETA DE CARGA Reta de carga é uma reta composta por todas os pontos quiescentes possíveis para um determinado circuito polarizado. Para traçá-la, basta encontrar dois pontos de operação, geralmente o ponto de saturação (Vsat,Isat) e o ponto de corte (Vcorte, Icorte). 4 – CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO 4 – CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO A correta polarização assegura que um circuito transistorizado funcione no chamado ponto quiescente desejado. A polarização do circuito se dá para valores de tensão e corrente contínua, sem o sinal AC a ser amplificado. Os tipos de polarizações dependerá da configuração do circuito e assim se dividindo em três: Circuito de Polarização em Base Comum Circuito de Polarização em Emissor Comum Circuito de Polarização em Coletor Comum 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC 5.1 – Polarização BC com duas fontes: Polarizar: Quando se deseja polarizar um circuito amplificador, o objetivo será dimensionar os resistores para que o transistor esteja com o ponto quiescente na região ativa, então: Junção base-emissor polarizada de forma direta e Junção base-coletor polarizada de forma reversa. O circuito se apresentará da seguinte maneira: 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC M. Entrada M. Saída A polarização desse circuito é feito de forma similar tanto para transistores NPN e PNP. O ponto de operação é informado e as fontes (Vcc e Vee) e os resistores (Rc e Re) são responsáveis pela polarização. Além disso, os resistores limitam a passagem de corrente, evitando que o circuito ultrapasse os valores de máximos permito para o transistor (Icmax e Potência). O dimensionamento dos resistores é feito em duas etapas através da segunda lei de kirchhorff: Analise da Malha de Entrada Analise da Malha de Saída Malha de Entrada Malha de Saída Analisar: quando se deseja analisar o objetivo é determinar o ponto de operação do transistor (Vcbq, Icq, Vbe), já que geralmente é informado a curva característica, os valores de resistores e da fonte. Quando se dispõe da curva característica, o ponto quiescente pode ser determinado através da reta de carga do circuito e a interseção com a curva da corrente de entrada. A análise pode ser feita também com auxílio das equações encontradas anteriormente. M. Entrada M. Saída E BEEE E I VV R C CBCC C I VV R 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC C CC C C CBSatCC C R V I R VV I CCCBcorte VV CCcorteCBCC RIVV M. Entrada M. Saída Para determinar a reta de carga deve-se encontrar os pontos de : Saturação: Vcbsat 0V, então: Corte: Iccorte 0A, então: CCCBCC IRVVequação : Após fixar um ponto quiescente (Icq e Vbcq), através dos resistores Re e Rc, qualquer variação de tensão ou corrente no transistor gerará um deslocamento deste ponto. 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC EXERCÍCIO: Polarizar e traçar a reta de carga de um transistor com betta=150, sabendo que o ponto quiescente é Vcbq=10V, Icq=2mA e Vbeq=0,7V. Dados do circuito: Vee=5V e Vcc=20V. 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC E BEEE E I VV R C CBCC C I VV R Cálculo dos Resistores: Rc: Re: Pontos de saturação e corte para desenhar a reta de carga: (Vcbsat;Icsat): (Vcbcorte;Iccorte): 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC )2;10( mAIVVQ CQCBQ Corrente de Base, Potência Dissipada e Reta de Carga: Corrente Ibq: Potência do Transistor: Reta de carga: 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO BC 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.1 – Circuito de Polarização EC com duas fontes: A polarização inicia também considerando que o transistor esta na região ativa, então: Junção base-emissor polarizada de forma direta e Junção base-coletor polarizada de forma reversa. Desta forma, o circuito se apresentará da seguinte maneira: 5 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC M. Entrada As fontes (Vcc e Vbb) e os resistores (Rc e Rb) são responsáveis por fixa o ponto de operação e também por limitar a passagem de corrente. O dimensionamento dos resistores baseado nas malhas de entrada e saída: Analise da Malha de Entrada Analise da Malha de Saída M. Saída B BEBB B I VV R C CECC C I VV R Para evitar a utilização de duas fontes, pode-se simplificar o circuito por um dos três tipos de circuito de polarização: Circuito de Polarização EC com corrente de base constante (fixa); Circuito de Polarização EC com corrente de emissor constante (Estável); Circuito de Polarização EC com divisor de tensão na base; Circuito de Polarização EC com realimentação de coletor; A partir da análise destes circuitos, circuitos pequenas variações podem ser analisados de forma similar. 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.2 –Polarização EC com corrente de base constante Neste circuito, o resistor Rb é utilizado com o propósito de controlar a corrente da base. Para que o ponto quiescente esteja na região ativa, o resistor Rb deve ser maior que o resistor Rc. Analisando as malhas podemos então dimensionar os resistores Rb e Rc. Com o valor de Rb dimensionado e Vbe variando muito pouco, então a corrente da base praticamente não varia B BECC B I VV R C CECC C I VV R M. Entrada M. Saída B BECC B R VV I 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.2.1 – Análise Por Reta de Carga Assim com para a polarização em Base Comum, a análise deve ser feita utilizando a curva característica, dados dos componentes do circuito e as equações encontradas anteriormente. Para determinar a reta de carga deve-se encontrar os pontos de : Saturação: Vcesat 0V, então: Corte: Iccorte 0A, então: C CC C C CESatCC C R V I R VV I CCCEcorte VV CCcorteCBcorteCC RIVV CCCECC IRVVequação : 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC Observação: Abaixo é possível observar a variação do Ponto quiescente, ao variar Ib, Rc e Vcc. Lembre-se que Ic é em função da corrente Ib e não de Rc. O resistor Rc limita a corrente do coletor (Icmax) e determina Vce. Variação do ponto Q ao variar IB Variação do ponto Q ao variar R Variação do ponto Q ao variar Vcc 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.2.1 - Influencia da Temperatura na Estabilidade. O material semicondutor é sensível à temperatura. Assim, diodos e transistores sofrem influencia da temperatura. No casos do transistor, a temperatura altera os parâmetros: A Tensão base-emissor(Vbe); o Betta (β); e Corrente de fuga Icbo. Os dois primeiros são os mais influenciados, podendo o Beta dobrar com a variação de temperatura. 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC No circuito polarizado utilizando corrente de base constante, a influencia da temperatura pode mudar o ponto quiescente, prejudicando o objetivo do circuito. A dinâmica desta mudança ocorre da seguinte maneira: Para reduzir o efeito da temperatura, coloca-se um resistor no emissor. )(;;)( ãorealimetaçItVVItefixaI CCERCCB 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.3 Polarização com corrente de emissor constante Este circuito é similar ao anterior, polarizado com corrente de base constante, mas inserindo um resistor de emissor Re. Este circuito tem o ponto de operação mais estável porque, o aumento de corrente de coletor, faz com que a tensão Vre aumente. Como a corrente de base depende da tensão Vbe, esta corrente reduzirá, provocando a redução na corrente de coletor. B REBECC B R VVV I )( çãorealimentaII V V V It CB RE CE RC C EB BECC B RR VV I )1( 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC O dimensionamento dos resistores baseado nas malhas de entrada e saída: Malha de Entrada: Malha de Saída: Na prática, em projetos de circuito com polarização de corrente de emissor constante de encontra-se estes resistores adotando o valor de tensão Vre igual a: Ou, como mais informações, pode-se também aproximar Ie Ic; B REBECC B I VVV R C RECECC C I VVV R 10 CC RE V V CERE IRV CeqE RRR Csat CEsatCC CQ CECC eq I VV I VV R 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.2.1 – Análise Por Reta de Carga Assim com para a polarização anterior, a análise deve ser feita utilizando a curva característica, dados dos componentes do circuito e as equações encontradas anteriormente. Para determinar a reta de carga deve-se encontrar os pontos de : Saturação: Vcesat 0V, então: Corte: Iccorte 0A, então: C RECC C C RECESatCC C R VV I R VVV I CCCEcorte VV RECCcorteCBcorteCC VRIVV RECCCECC VIRVVequação : 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.4 Polarização EC com Divisor de Tensão na Base É a polarização que utiliza um divisor de tensão na base para polarizar diretamente a junção base-emissor. Este tipo de polarização garante maior estabilidade do ponto quiescente, em comparação com os anteriores. Geralmente é projetado para fixar o valor de tensão de RB2. Fixado VRB2, como VBE é praticamente constante, VRE também será, garantindo a estabilização de Ieq e Icq, independente do . INout V RR R V 12 2 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC Para realizar a polarização do circuito, é necessário fazer algumas considerações como: Assim, escrevendo as equação de malha de entrada e saída, tem-se: Malha de Entrada: Malha de Saída: BRB II 102 10 CC RE V V 1 1 2 2 B REBECC B B REBE B I VVV R I VV R C RECECC C I VVV R 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.4.1- Análise Exata (Equivalência Thevenin) Analisar o circuito polarizado por divisão de tensão pode ser feita por equivalência de Thevenin, analisando nos dois terminais (AB) e substituindo o divisor de tensão por resistência Rth e tensão Vth. Resistência Rth: Tensão Vth: Malha de Entrada, determina IB: Malha de Saída: 21 21 BB BB Th RR RR R CC BB B Th V RR R V 21 2 RECCCCCE VIRVV Th REBETh B R VVV I ETh BETh B RR VV I )1( BERE IRV )1( BC II 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.4.1- Reta de Carga (Divisor de Tensão) Para isso deve-se encontrar os pontos de Saturação e de Corte: Ponto de Saturação (Vce=0V): Como Icsat Iesat, então: Ponto de Corte: Como Iccorte Iecorte = 0, então: CCEsatECEsatCsatC VIRVIR CCEsatECsatC ViRIR EC CC Csat RR V I CCEcorteECEcorteCcorteC VIRVIR CCCEcorte VV 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.5 Polarização com realimentação de coletor É um circuito com melhoria na estabilidade, tendo sensibilidade a variação do betta ou da temperatura menor que nas polarizações anteriores. Observe no circuito acima que a corrente I’c do resistor Rc não é a apenas a corrente Ic do transistor, mas possuem valores próximos. BCC III ' )( ECB BECC B RRR VV I CEC III ' 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC A polarização do circuito, dimensionamento dos resistores, é baseado também nas malhas de entrada e saída: Malha de Entrada: Malha de Saída: Assim como nas polarizações anteriores, que possuíam resistores de emissor, em projetos de circuito com polarização de corrente de emissor constante de encontra-se estes resistores adotando o valor de tensão Vre igual a: Ou, como mais informações, pode-se também aproximar Ie =I’c Ic; B RCREBECC B I VVVV R BC RECECC C II VVV R 10 CC RE V V CERE IRV CeqE RRR Csat CEsatCC CQ CECC eq I VV I VV R 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC 6.2.1 – Análise Por Reta de Carga Assim com para a polarização anterior, a análise deve ser feita utilizando a curva característica, dados dos componentes do circuito e as equações encontradas anteriormente. Para determinar a reta de carga deve-se considerar I’c Ic e encontrar os pontos de : Saturação: Vcesat 0V, então: Corte: Iccorte 0A, então: C RECC C C RECESatCC C R VV I R VVV I CCCEcorte VV RECCcorteCBcorteCC VRIVV RECCCECC VIRVVequação ': 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC EXEMPLO (Corrente de Base Constante): Soluções: IB: 47,08uA IC:=2,35mA VCE: 6,83V VB:0,7V VC:6,83V VBC:-6,13V ICsat:5,45mA 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC EXEMPLO: Soluções: Vcc: 20V RC:2 K RB: 772 K 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC EXEMPLO (Corrente de Emissor Constante): Soluções: IB: 40,1uA IC:=2,01mA VCE: 13,97V VC:15,98V VE:2,01V VB: 2,71V VBC:-13,27V ICsat:6,67mA 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC EXEMPLO (Divisor de Tensão): Soluções: - Exato: Rth: 3,55 K Vth:=2 V IB: 6,05 uA IC:0,85mA VCE:12,22V ICsat:6,67mA - RE 10R2, IC=IE 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC EXEMPLO: Dado um transistor com betta igual a 250 e uma fonte dealimentação de 9V, determinar os resistores de polarização para o ponto quiescente Q(Vceq=Vcc/2; Icq=20mA; Vbeq= 0,65V) e traça a reta de carga. Soluções: RC=180 IB: 80,00 uA RB2:1937 RB1:8466 RE:44,8 ICsat: 40mA VCEcorte: 9V 6 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO EC EXEMPLO (Realimentação de Coletor): Soluções: IB: 35,50 uA IC:2,66mA VC:9,22V 7 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO CC 7 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO CC 7.1 – Circuito de Polarização CC Seguido de Emissor: O circuito abaixo é chamado de seguidor de emissor, pois a tensão de saída (Vs) no emissor segue a tensão de entrada (Ve) na base. A tensão de saída é igual a tensão de entrada subtraída de Vbe. CCEE VV RES REBEE VV VVV SBEE VVV 7 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO CC O circuito seguidor de emissor possui alta impedância de entrada e baixa impedância de saída, por conta disto pode ser utilizado para casamento de impedância. Análise do circuito é feita pelas malhas: Malha de Entrada: Malha de Saída: A corrente de base pode ser determinada por: E CECC E I VV R B REBECC B I VVV R EB BECC B RR VV I )1( 7 – CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO CC EXEMPLO (Seguidor de Emissor): Soluções: IB: 45,73 uA IE: 4,16mA VCE:11,68V 8 – CIRCUITO MULTIPLO BJT 8 - CIRCUITO MULTIPLO BJT Até este instante, foram apresentadas configurações com polarização com um único transistor e com um único estágio. Os circuitos a seguir possuem mais de um transistor conectados. Apesar disto, a circuito com multiplos BJT utiliza os conhecimentos de análise vista anteriormente. Boylestad apresenta os seguintes circuitos como multiplos BJT: Circuitos com Acoplamento RC Circuito com a Configuração Darlington Circuito com a Configuração Cascode Circuito com a Configuração com Par realimentado Circuito com Acoplamento Direto. 8 – CIRCUITO MULTIPLO BJT 8.1 – Circuitos com Acoplamento RC Circuitos com acoplamento RC entre dois estágios são comuns. Os capacitores (Cs e Cc) são escolhido para bloquear sinais DC e atuar como curto-circuito para qualquer sinal CA. Retirando os capacitores, pode-se analisar cada estágio de forma separada. corteLout C fRR C )(2 1 corteinS S fRR C )(2 1 8 – CIRCUITO MULTIPLO BJT 8.2 – Circuitos com Acoplamento Direto Diferente do circuito anterior, este não possui capacitores para isolar os níveis DC de cada estágio. A vantagem é que o acoplamento direto possui reposta para baixas frequências já que não possui o capacitor (efeito filtro). A desvantagem é que qualquer variação nos níveis DC afetará, além do circuito em que ocorreu, mas também o estágio seguinte. 8 – CIRCUITO MULTIPLO BJT 8.3 – Circuito com a Configuração Darlington A configuração tipo Darlington possui impedância de entrada elevada, permitindo que o circuirto seja alimentado por uma fonte com alta resistência interna e pequeno valor de corrente. É um circuito utilizado principalmente para obter ganhos de corrente maiores. 1 1 1 B C I I 1B C total I I 12 total222 BCII EtotalB BEBECC B RR VVV I )1( 21 8 – CIRCUITO MULTIPLO BJT 8.4 – Circuito com a Configuração Cascode Trata-se de um circuito que possui circuito divisor de tensão (Q1) com uma configuração base comum (Q2) no coletor. Sua análise assume que as correntes de base são muito pequenas, a ponto da corrente dos resistores de base ser iguais. 2 1 321 B B RRR I I III 321 321 RRR V III CCRRR 1 1 1 C B I I E BEB ECEC R VV IIII 111122 2 2 2 C B I I 8 – CIRCUITO MULTIPLO BJT 8.5 – Circuito com a Config. com Par realimentado É um configuração de circuito que utiliza os dois tipos de transistores PNP e NPN. Este circuito possui ganho de corrente alto com maior estabilidade. CB EBCC B RR VV I 21 1 1 11222 BEC III 111 BCII 222 BCII 1B C total I I 12121 )1( BEEC IIII 112 BC II 9 – ESPELHO DE CORRENTE 9 – ESPELHO DE CORRENTE Espelho de Corrente é um circuito que possibilita controlar a corrente de carga em outro ponto do circuito (Icontrole). Para fazer o Espelho de Corrente, é necessário que os transistores sejam idênticos. Observe que o circuito possui dois transistores, conectados pela base. Assim: A corrente de controle é dada por: 2121 BBBEBE IIVV 121 2 BBBB IIII BCcontrole III 1 1111 )2( BBcontrole III R VV I BECCcontrole 9 – ESPELHO DE CORRENTE Observe que a corrente de controle pode ser ajustada pelo resistor variável R: O ajuste de R, modifica Icontrole que modificará as correntes de base IB, IB1 e IB2. A corrente IB2 proporcionará no transistor Q2 o mesmo valor de corrente de coletor do Q1, ou seja: R VV I BECCcontrole 1 12 controle BB I II controleC II 2 9 – ESPELHO DE CORRENTE EXEMPLO (Espelho de Corrente): Calcule a corrente I através de cada um dos transistores Q2 e Q3: São transistores idênticos: Assim, nalisando a malha: 321321 BBBBEBEBE IIIVVV 1111 )3( BBcontrole III 1321 3 BBBBB IIIII 1 123 controle BBB I III mA kR VV I BECCcontrole 08,4 3,1 7,06 23 CQCQcontrole III POLARIZAÇÃO DOS TRANSISTORES EXERCÍCIOS: (Grupo) LIVRO: Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos - BOYLESTAD, R. Todos exercícios do Capítulo 4, da Secção 4.3 até a 4.13: Página 209 à 216 Sugestão: Fazer pelo menos 2 exercícios de cada seção. Objetivo dos exercícios é trabalhar seu entendimento e sanar suas dúvidas, então faça-os e traga suas dúvidas.
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