Ponto de operação
A polarização de um transistor consiste em aplicar tensões cc em um circuito para estabelecer valores de tensão e corrente que satisfaçam o objetivo estabelecido. Para amplificadores com transistor, por exemplo, a corrente e a tensão cc resultantes estabelecem um ponto de operação nas curvas características que definem a região que será empregada para a amplificação do sinal desejado.
Como o ponto de operação é um ponto fixo nas curvas características, ele também é chamado de
ponto quiescente (ponto Q).
No gráfico acima, vemos que o ponto B está localizado em uma região que permite que a tensão VCE possa variar, permitindo também uma maior variação da corrente de coletor. Os pontos C e D, entretanto, não oferecem essa margem de variação, sendo portanto limitados pelas características de operação do transistor.
Polarização fixa
As análises a diante são realizadas para transistores npn, no entanto, o mesmo raciocínio e desenvolvimento podem ser aplicados para transistores pnp.
A polarização deve ser projetada de tal forma que o ponto de operação na curva característica se localize na região ativa. Exemplo de polarização do transistor para aplicações de amplificação são ilustrados abaixo.
Polarização direta da junção Base-Emissor
Na figura acima, considere a malha base-emissor. Aplicando a LKT, temos:
VCC−IBRB−VBE=0 logo:
IB=VCC−VBE
RB
Como as tensões VCC e VBE são constantes, deve-se escolher RB de tal forma que dê a corrente de base desejada.
Malha Coletor-Emissor
O valor da corrente do coletor pode ser encontrada sabendo-se o valor de β e da corrente de base determinada anteriormente. Portanto, a corrente IC não depende do valor de RC.
IC=βIB
Aplicando novamente a LKT:
VCE+ICRC−VCC=0
VCE=VCC−ICRC
ou seja, a tensão entre a região coletor-emissor de um transistor com polarização fixa é a tensão da fonte menos a queda de tensão em RC.
Exemplo: Para o circuito abaixo, podemos assumir β = 50 e determinar os valores dos potenciais nos terminais do transistor e os valores de corrente de base e coletor.
IB=VCC−VBE RB =12−0,7 240 k =47,08μ A logo: IC=βIB=50⋅47,08 μ=2,35 mA a tensão VCE: VCE=VCC−ICRC=12−2,35 m⋅2,2 k=6,83 V
Análise por reta de carga
Investigaremos agora como os parâmetros do circuito definem a faixa de possíveis pontos Q e como o ponto Q real é determinado. A figura abaixo mostra a polarização fixa de um transistor e sua curva característiva.
A partir da análise do circuito, temos a relação:
VCE=VCC−ICRC
que também estabelece, assim como as curvas características, uma relação entre IC e VCE. Assim, podemos unir a informação dessa relação proveniente da equação acima no gráfico:
Para valores de VCE = 0, temos IC = VCC/IC. Para valores de IC = 0, temos VCE = VCC. Ligando-se os dois pontos definidos por essas equações, a linha resultante no gráfico da figura acima é chamada de reta de carga, uma vez que é definida pelo resistor de carga RC.
Alterando-se parâmetros do circuito, tais como a corrente IB, RC ou VCC, causam uma mudança na reta de carga, como pode ser visto nas figuras abaixo, respectivamente.
alterando IB.
alterando VCC. Polarização estável do emissor
Além da polarização fixa, incluindo-se resistores na alimentação da base e do coletor, é possível inserir um resistor no terminal do emissor, conforme figura abaixo, dessa forma aumentando a estabilidade da polarização.
Malha Base-Emissor
Aplicando a LKT no sentido horário, temos:
VCC−IBRB−VBE−IERE=0
A partir do princípio de funcionamento do transistor, temos que IE = (β + 1)IB. Substituindo na equação acima:
VCC−IBRB−VBE−(β+1)IBRE=0 isolando-se a corrente da base, temos:
IB= VCC−VBE
RB+(β+1) RE
Comparando com a expressão de IB para a polarização fixa, percebe-se que a única diferença é o termo (β + 1)RE no denominador.
Uma outra forma de analisar a equação acima, é pensar na relação causa/efeito/oposição entre as grandezas elétricas. No numerador da equação temos apenas valores de tensão, enquanto que no denominador temos somente valores de resistência. Assim, podemos ilustrar um circuito que possui mesma relação:
em outras palavras, a fonte de polarização VCC e a resistência RB do circuito acima, fazem parte do circuito de entrada do transistor, por isso, a impedância de entrada do circuito será:
Ri=(β+1)RE
Como β possui um valor geralmente muito grande, isso acarreta em uma impedância de entrada grande para o circuito de polarização estável do emissor. Tal resultado será explorado com mais detalhes a frente.
Malha Coletor-Emissor
A malha de saída do circuito é redesenhada abaixo.
IERE+VCE+ICRC−VCC=0
Se considerarmos válida a aproximação IC ≈ IE, a equação acima fica:
VCE−VCC+IC(RC+RE)=0
VCE=VCC−IC(RC+RE) Exemplo: Considere o circuito abaixo.
A corrente de base será:
IB= VCC−VBE RB+(β+1) RE = 20 V −0,7 V 430 k Ω+(51)⋅1 k Ω= 19,3 V 481 k Ω=40,1 μ A A corrente no coletor então será:
IC=βIB=50⋅40,1μ A=2,01 mA
E a tensão VCE:
Polarização por divisor de tensão
Nas configurações anteriores, a corrente IC e a tensão VCE 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, é desejável desenvolver um circuito de polarização menos dependente desse parâmetro.
O ramo de entrada pode ser redesenhado como mostra a figura abaixo, o qual a área sombreada pode ser substituída por seu equivalente de Thévenin, dessa forma pode-se determinar a impedância de entrada do circuito do transistor.
Para esse circuito simples, teremos:
RTh=R1∥R2 e ETh=VR2=R2VCC
R1+R2 Resultando no circuito:
Aplicando a LKT na malha de entrada:
ETh−IBRTh−VBE+IERE=0
substituindo IE = (β + 1)IB:
IB= ETh−VBE
RTh+(β+1)RE
Uma vez que IB é conhecido, podemos calcular VCE:
VCE=VCC−IC(RC+RE)
que é exatamente igual à equação encontrada para a polarização estável do emissor.
Exemplo: Para o circuito da figura abaixo, podemos calcular VCE e a corrente de coletor IC.
RTh=R1∥R2=(39 k Ω)(3,9 k Ω) 39 k Ω+3,9 k Ω =3,55 k Ω ETh=R2VCC R1+R2= (3,9 k Ω)(22 V ) 39 k Ω+3,9 k Ω=2V IB= ETh−VBE RTh+(β+1)RE= 2V −0,7 V 3,55 k Ω+(141)(1,5 k Ω)=6,05μ A IC=βIB=0,85mA VCE=VCC−IC(RC+RE)=22V −(0,85 mA)(10 k Ω+15 k Ω)=12,22 V
Para comprovar a dependência dessa polarização com relação ao β, podemos repetir o exemplo anterior com β = 70. IB= 2V −0,7 V 3,55 k Ω+(71)(1,5 k Ω)=11,81μ A IC=βIB=0,83 mA VCE=22V −(0,83 mA)(10 k Ω+15 k Ω)=12,46 V
Comparando esses resultados com os anteriores, vemos que a corrente de base e a tensão coletor-emissor praticamente não sofreram alteração com a mudança de β.
Polarização com realimentação de tensão
Essa última polarização aumenta a estabilidade do circuito, com uma independência com relação a β maior que a polarização fixa e com emissor estável, apesar de menos independente que na polarização por divisor de tensão.
Repare que há uma conexão entre a base e o coletor, fazendo com que o resistor RC faça parte da malha de entrada do circuito.
Malha base-emissor
temos a equação:
VCC−I 'CRC−IBRB−VBE−IERE=0
onde I'C é a corrente fornecida pela fonte, que se divide na corrente da base e na corrente do coletor. Substituindo essas duas correntes:
VCC−(IC+IB)RC−IBRB−VBE−IERE=0
onde IC = βIB e podemos assumir I'C = IE. Fazendo tais substituições na equação acima:
VCC−(βIB+IB)RC−IBRB−VBE−(βIB+IB)RE=0
VCC−(β+1) IBRC−IBRB−VBE−(β+1) IBRE=0
IB= VCC−VBE
RB+(β+1)(RC+RE)
Essa equação é semelhante às anteriores, e todas possuem um formato parecido:
IB=
V ' RB+βR'
Na polarização fixa R' = 0, com emissor polarizado R' = RE (considerando β ≈ β + 1), tanto para o emissor estável quanto para o divisor de tensão, e R' = RE + RC para realimentação de tensão. A tensão V' é a diferença entre as tensões disponíveis na malha de entrada (VCC e a tensão da junção
base-emissor).
Considerando que IC = βIB, a expressão genérica acima fica:
IC= βV '
RB+βR '
Através dessa equação, podemos concluir que quanto maior for o produto βR' com relação à RB, menor será a sensibilidade do circuito com relação a β. Por exemplo, fazendo βR' >> RB, a expressão acima fica:
IC= βV ' RB+βR '≈ βV ' βR '= V ' R '
tornando a corrente de coletor independente de β.
Malha coletor-emissor
Essa malha não terá modificação com relação às polarizações anteriores, fazendo que as equações relacionadas a ela sejam as mesmas.
Aplicando novamente a LKT no sentido horário:
IERE+VCE+I 'CRC−VCC=0
VCE−VCC+IC(RC+RE)=0
VCE=VCC−IC(RC+RE)
Exemplo: Repetindo os procedimentos anteriores para o circuito abaixo.
IB= VCC−VBE RB+(β+1)(RC+RE)= 10 V −0,7 V 250 k Ω+(91)(4,7 k Ω+1,2 k Ω)=11,82μ A IC=βIB=1,06 mA VCE=VCC−IC(RC+RE)=10 V −(1,06 mA)(4,7 k Ω+1,2 k Ω)=3,72 V Repetindo esse exemplo com β = 135, teremos:
IB= VCC−VBE RB+(β+1)(RC+RE)= 10 V −0,7 V 250 k Ω+(136)(4,7 k Ω+1,2 k Ω)=8,83μ A IC=βIB=1,19 mA VCE=VCC−IC(RC+RE)=10 V −(1,19 mA)(4,7 k Ω+1,2 k Ω)=2,96 V
