Polarização CC dos Transistores Bipolares de Junção. Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ET74C Eletrônica 1

(1)

ET74C – Eletrônica 1

Polarização CC dos

Transistores Bipolares de

Junção

(2)

Objetivo da Aula



Iniciar o estudo dos principais circuitos de

polarização CC aplicados ao Transistor Bipolar

de Junção.

(3)

Conteúdo Programático



Limites Operativos;



Ponto de Operação;



Reta de Carga;



Circuitos de Polarização;

– Fixa;

– Estável do emissor;

– Por divisor de tensão;

– Com realimentação.

(4)

Construção de Conhecimento

esperado



Familiarizar-se com os limites operativos

principais do TBJ, ponto de operação

quiescente, reta de carga e principais circuitos

de polarização CC.

(5)

Modos de Operação



Resumo Características (emissor-comum)

5

Modo

Junção Base-

_Emissor

Junção Coletor-

_Base

Comportamento

Corte

Reversa

Chave Aberta

Saturação

Direta

Chave Fechada

Ativo

Direta

Reversa

Amplificador

Regiões da Curva de saída (I_CxV_CE)

(6)

Modos de Operação



Resumo Características – Depende da aplicação

Emissor Comum Base Comum Coletor Comum

Impedância de

entrada

Média

Baixa

Muito Alta

Impedância de

Saída

Alta

Muito Baixa

Ganho de

corrente

Alto

Baixo

Alto

(7)

Limites de Operação

7



Exemplo para emissor-comum:

– Condições para o transistor não queimar:

• Corrente máxima no coletor (i

_C-max

);

• Tensão máxima coletor-emissor (v

_CE-max

)

– “breakdown” – v

_(br)CE;

• Potência máxima de dissipação (P

_C-max

)

– P

_C-max

= v

_CE

i

_C;

(8)

Limites de Operação



Região de operação

Limites não serão excedidos

(mínima distorção do sinal de saída)

I_CEO≤I_C ≤I_cmax V ≤V ≤V

(9)

Ponto de Operação



Região ativa e pontos possíveis de operação.

(10)

Ponto de Operação

(11)

Ponto de Operação



Transistor ligado, mas tende a saturação, Ponto

C.

(12)

Ponto de Operação



Transistor ligado mas tende a limite de

potência, Ponto D.

(13)

Ponto de Operação



Transistor ligado – Amplificação Linear, Ponto B.

(14)

Ponto de Operação



Buscamos uma região linear

– i

_C

é linearmente proporcional a V

_CE

.

– Variação de i

_B

provoca variação linear em V

_CE

.



Buscamos circuito estável.

– Variação de temperatura não altera ponto de

operação – β e I

_CEO

(corrente entre emissor e coletor

com a base aberta).

(15)

Ponto de Operação



De forma pictórica:

(16)

Ponto de Operação

(17)

Ponto de Operação



De forma pictórica – Tendendo ao corte:

(18)

Ponto de Operação



De forma pictórica – Tendendo ao corte e

saturação:

(19)

Ponto de Operação



Variação de β

(20)

Reta de Carga



Análoga ao estudo da reta de carga aplicada ao

diodo;

– Define o ponto quiescente (Q);

−𝑉𝑉

_{𝐶𝐶𝐶𝐶}

+ 𝑅𝑅

_𝐶𝐶

𝐼𝐼

_𝐶𝐶

+ 𝑉𝑉

_{𝐶𝐶𝐶𝐶}

= 0 (1)

Para a malha do coletor:

Fazendo I_C=0 em (1):

𝑉𝑉

_{𝐶𝐶𝐶𝐶}

≅ 𝑉𝑉

_{𝐶𝐶𝐶𝐶}

(𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐)

(21)

Reta de Carga



Ponto Q

21 Corte Saturação Q

O ponto Q é o ponto de operação onde o valor de R

_B

ajusta o valor

de I

_B

que controla os valores de V

_CE

e I

_{C .}

(22)

Reta de Carga

(23)

Reta de Carga



Efeito da variação de R

_c

:

(24)

Reta de Carga

(25)

Ponto de Operação



Tipos de Polarização

– Polarização Fixa;

– Polarização estável do emissor;

– Polarização por divisor de tensão;

– Realimentação do coletor;

(26)

Polarização Fixa

(27)

Polarização Fixa



Topologia Básica

– Usamos capacitores para isolar níveis DC.

• Perturbação do ponto de operação.

– Tensão de alimentação e resistores devem tornar o

circuito ativo, na região de operação.

(28)

Polarização Fixa



Equivalente CC para polarização

Teorema da Superposição = Análise CA + Análise CC.

𝑋𝑋

_𝐶𝐶

=

_{2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋}

1

(29)

Polarização Fixa



Análise da Malha Base-emissor

29

NPN

• Da Lei das Tensões de

Kirchhoff:

• Resolvendo a equação para

corrente base:

+V

_CC

– I

_B

R

_B

– V

_BE

= 0

B BE CC B

V

_R

V

I

=

−

(30)

Polarização Fixa

(31)

Polarização Fixa



Análise da Malha Coletor-emissor

31

NPN

(32)

Polarização Fixa

(33)

Polarização Fixa



Saturação

33

A máxima corrente de coletor (ou nível de saturação) em um projeto de polarização pode ser determinado por:

�

𝐼𝐼

_{𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶}

=

𝑉𝑉

_𝑅𝑅

𝐶𝐶𝐶𝐶

𝐶𝐶 𝑉𝑉_{𝐶𝐶𝐶𝐶}=0,𝑅𝑅_{𝐶𝐶𝐶𝐶}=0

Para operar na região ativa, portanto, a corrente de coletor deve estar abaixo de I_csat.

(34)

Polarização Estável do Emissor

(35)

Polarização Estável do Emissor



Ideia geral de estabilidade

– O termo estabilidade se refere à condição na qual

as correntes e as tensões permanecem

razoavelmente constantes em uma ampla faixa de

temperaturas e valores de transistor Beta (β).

(36)

Polarização Estável do Emissor



Análise da Malha Base-Emissor

0 =

−

+

_V

_CC

_I

_B

_R

_B

_V

_BE

_I

_E

_R

_E B E

I

=

( +

β

1 )

0 )

1 (

+

=

−

_B _B _BE _B _E CC

I

R

V

I

R

V

β

Escrevendo a equação de malha:

Lembrando que: e

Substituindo I_E na equação de malha:

B C

E

I

(37)

Polarização Estável do Emissor



Análise da Malha Base-Emissor

– A equação para I

_B

pode ser obtida através do

seguinte circuito:

37 E B BE CC B

R

)

1 (

R

V

I

+

−

=

β

Para a malha base-emissor

(entrada) R_E aparece

(38)

Polarização Estável do Emissor



Análise da Malha Coletor-Emissor

Escrevendo a equação de malha:

Lembrando que I_E ≅ _I_C_:

0 =

−

+

_I

_E

_R

_E

_V

_CE

_I

_C

_R

_C

_V

_CC

)

(

_C _E C CC CE

V

I

R

V

=

−

+

Sendo V = V – V e V = I R

(39)

Polarização Estável do Emissor



Análise da Malha Coletor-Emissor

– Pode-se determinar as demais tensões de interesse:

39 E CE C

V

=

+

C C CC C

V

I

R

V

=

−

B B CC B

V

I

R

V

=

−

E BE B

V

=

+

(40)

Polarização Estável do Emissor



Melhor estabilidade - Exemplo

β _I_B _{(µA) I}_C (mA) V_CE (V) 50 47,08 2,35 6,83 100 47,08 4,71 1,64 Polarização Fixa B BE CC B

R

V

I

=

−

β _I_B _{(µA) I}_C _{(mA) V}_CE _(V) 50 40,1 2,01 13,97 100 36,3 3,63 9,11 Polarização Estável E B BE CC B

R

)

1 (

R

V

I

+

−

=

β

(41)

Polarização Estável do Emissor



Melhor estabilidade – Exemplo

– Em resumo:

• Com polarização fixa

– β  i

_B

constante   i

_C

 

v

_CE

• Com polarização estável

– β  i

_B

 

(levemente) i

_C

 

v

_CE

– Redução da influência de β na polarização do

Transistor

41

Sensível a variação de

(42)

Polarização Fixa



Saturação

A máxima corrente de coletor (ou nível de saturação) em um projeto de polarização pode ser determinado por:

�

𝐼𝐼

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶

=

_𝑅𝑅

𝑉𝑉

𝐶𝐶𝐶𝐶

𝐶𝐶

+ 𝑅𝑅

_{𝐶𝐶 𝑉𝑉}_{𝐶𝐶𝐶𝐶}_=0,𝑅𝑅_{𝐶𝐶𝐶𝐶}₌₀

Para operar na região ativa, portanto, a corrente de coletor deve estar abaixo

(43)

Polarização Estável do Emissor



Reta de carga

43

�

𝑉𝑉

𝐶𝐶𝐶𝐶

= 𝑉𝑉

_{𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐼𝐼} 𝐶𝐶=0𝑚𝑚𝑚𝑚

�

𝐼𝐼

_𝐶𝐶

=

_𝑅𝑅

𝑉𝑉

𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶

+ 𝑅𝑅

_{𝐶𝐶 𝑉𝑉}_{𝐶𝐶𝐶𝐶}_=0𝑉𝑉

Difere pouco da análise por polarização fixa.

𝑉𝑉

_{𝐶𝐶𝐶𝐶}

= 𝑉𝑉

_{𝐶𝐶𝐶𝐶}

− 𝐼𝐼

_𝑐𝑐

𝑅𝑅

_𝐶𝐶

+ 𝑅𝑅

_𝐶𝐶

Escrevendo a equação de malha coletor-emissor:

Aplicando as condições de

(44)

Polarização por Divisor de Tensão



Topologia Básica

Divisor de Tensão - Trata-se de um circuito de polarização muito estável.

(45)

Polarização por Divisor de Tensão



Análise de Malha de entrada (Base-emissor)

– Desconsiderando os capacitores;

– Calcula-se o equivalente de Thévenin;

– Redesenha-se o circuito.

(46)

Polarização por Divisor de Tensão

(47)

Polarização por Divisor de Tensão



Análise de Malha de entrada (Base-emissor)

47

Rth = R1R2/R1+R2

(48)

Polarização por Divisor de Tensão



Análise de Malha de entrada (Base-emissor)

E BE B

R

)

1 (

Rth

V

E

I

+

−

=

β

th

)

(

_C _E C CC CE

V

I

R

V

=

−

+

Considerando I_E=(β+1)I_B: Conhecido I_B:

(49)

Polarização por Divisor de Tensão



Melhor estabilidade - Exemplo

49 β I_C (mA) V_CE (V) 100 0,84 12,34 50 0,81 12,69 E BE B

R

)

1 (

Rth

V

E

I

+

−

=

β

th

)

(

_C _E C CC CE

V

I

R

V

=

−

+

(50)

Polarização Estável do Emissor



Saturação

– Idêntica àquela obtida para polarização estável do

emissor.



Reta de carga

– Idêntica àquela obtida para polarização estável do

emissor.

(51)

Polarização por Realimentação do

Coletor



Topologia básica

51

Melhoria na estabilidade a partir da realimentação do coletor para a base. O ponto Q é menos sensível as variações de β do que nos outros tipos de polarização.

(52)

Polarização por Realimentação do

Coletor



Análise da malha base-emissor

Escrevendo a equação da malha (caminho azul):

𝑉𝑉_{𝐶𝐶𝐶𝐶} − 𝐼𝐼′_𝐶𝐶𝑅𝑅_𝐶𝐶 − 𝐼𝐼_𝐵𝐵𝑅𝑅_𝐹𝐹 − 𝑉𝑉_{𝐵𝐵𝐶𝐶} − 𝐼𝐼_𝐶𝐶𝑅𝑅_𝐶𝐶 = 0 (1) Note que:

I_C′ _{= I}_C _{+ I}_B _{– mas usualmente I}_B _{<< I}_C _e I’_C -- então I_C′ ≅ I_C

(53)

Polarização por Realimentação do

Coletor



Análise da malha base-emissor

53

Simplificando e resolvendo para I_B:

)

2 (

)

R

(R

R

V

I

E C F BE CC B

+

−

=

β

A realimentação reflete R_C e R_E para a entrada. Fazendo 𝑉𝑉′ = 𝑉𝑉_{𝐶𝐶𝐶𝐶} − 𝑉𝑉_{𝐵𝐵𝐶𝐶} e 𝑅𝑅′ = 𝑅𝑅𝐶𝐶 + 𝑅𝑅𝐶𝐶

(54)

Polarização por Realimentação do

Coletor



Análise da malha base-emissor

A eq. (2) passa a ser: 𝐼𝐼_𝐵𝐵 = _𝑅𝑅 𝑉𝑉′

𝐹𝐹 + 𝛽𝛽𝑅𝑅′ (3)

Lembrando que I_C=βI_B a eq. (3) passa a ser:

𝐼𝐼_𝐶𝐶 = _𝑅𝑅 𝛽𝛽𝑉𝑉′

𝐹𝐹 + 𝛽𝛽𝑅𝑅′ =

𝑉𝑉′ 𝑅𝑅_𝐹𝐹 _′

(55)

Polarização por Realimentação do

Coletor



Análise da malha coletor-emissor

55 Aplicando a LKT : I_E Re + V_CE+ I_C′R_C – V_CC = 0 Desde que I_C′ ≅ I_C e I_E≅ I_C I_C(R_C + R_E) + V_CE – V_CC =0 Resolvendo para V_CE:

)

(

_C _E C CC CE

V

I

R

V

=

−

+

Idêntica àquela obtida para as configurações anteriores

(56)

Polarização Estável do Emissor



Saturação

– Idêntica àquela obtida para polarização estável do

emissor e divisor de tensão.



Reta de carga

– Idêntica àquela obtida para polarização estável do

emissor e divisor de tensão.

(57)

Referências Utilizadas



BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis.

Dispositivos eletrônicos e

teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson education do Brasil,

2013.



SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C..

Microeletrônica. 5ed. São Paulo:

Pearson Prentice Hall, 2007.



MALVINO, Albert Paul.

Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, c1997.

2v.



ROSA, Marcelo.

Notas de Aula – Eletrônica 1. Curitiba: UTFPR, 2013.



Floyd, Thomas L.;

Electronic Devices (Conventional Flow Version). 7

th

Edition. Prentice-Hall, Inc., USA, 2004.

(58)