Analogica I BJT Amplificadores 2

(1)

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação

ELT303 – Eletrônica Analógica Aplicada

Transistores Bipolares

(Amplificadores a Pequeno Sinal - continuação)

(2)

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação Engenharia da Computação

Atenção

O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao

acompanhamento da disciplina.

Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público.

(3)

Amplificador ou Estágio Emissor Comum Linearizado (ECLin)

O protótipo deste estágio prevê a existência de um resistor equivalente no ramo do emissor como ilustrado a seguir. A vantagem deste tipo de amplificador está no fato

de apresentar um ganho de tensão menos dependente de r_e e, conseqüentemente, menos dependente de flutuações que possam ocorrer no ponto Q. O preço a ser pago está na redução do valor absoluto do ganho. Uma vantagem adicional é um aumento

da impedância de entrada que é desejável para um amplificador de tensão.

RBeq RCeq vin + _ iin vout + _ iout ic ib vbe + _ vce + _ REeq ve + _

O resistor R_Eeq e R_Ceq é resultante do circuito equivalente AC e faz parte do circuito de polarização.

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Amplificador ECLin: Impedâncias

Zin(EC) Zout(EC)

RBeq RCeq

Zin(base) Zout(Coletor)

vin + _ iin vout + _ iout REeq RBeq RCeq vin = vb + _ iin vout = vc + _ iout ro rp gmvbe ib ic REeq ve + _ ie (base) //Z R i v (ECLin) Z R h h R r (base) Z i v r i v r (base) Z i v i v i v (base) Z in Beq in in in Eeq fe ie Eeq in e e e e in b e b be b b in                 p p p

Lembrando que a equivalência com parâmetros h é possível se houver correspondência entre

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Amplificador ECLin: Impedâncias

















Ceq out Ceq out out Ceq out o Eeq ie fe Eeq c c out o Eeq m Eeq c c out Eeq c o Eeq c m o c c Eeq c o Eeq c c c Eeq c o be m c c be m c o Eeq c o o Eeq e o o c R (coletor) Z p R (ECLin) Z (coletor) Z R (ECLin) Z r R h h 1 R i v (coletor) Z r R g 1 R i v (coletor) Z R i r R i g r i v R i r R i gm i v R i r v g i v v g i i R i r i R i r i v                                    / // * RCeq vin = 0 vout = vc + _ iout ro rp gmvbe ib ic ‘ REeq ve + _ ie ‘ io

As impedâncias de saída são definidas para o sinal de entrada em repouso (na

realidade é a resistência equivalente Thèvenin que se está calculando).

Assim, tem-se que: v_be = -i_eR_Eeq≈ -i_cR_Eeq

* Esta análise é otimista uma vez que existe a influência de r_p sobre R_Eeq

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Amplificador ECLin: Ganho de Tensão em Circuito Aberto













                              Eeq fe ie Ceq VOC Eeq e Ceq VOC Eeq e b Ceq b in out VOC Ceq b Ceq be m out Eeq e b Eeq b e b in Eeq e e b e be in R h h R ECLin A R r R ECLin A R r β i R βi v v ECLin A R βi R v g v R r β i βR i βr i v R i βr i v v v ) ( ) ( ) ( Atenção:

O sinal de menos na fórmula indica, da mesma maneira que o estágio EC, uma defasagem de

1800_{entre v}

out e vin

Observar que se o resistor R_Eeq for feito muito maior que r_e, o ganho em circuito aberto fica praticamente independente de um parâmetro (r_e)

que é calculado em função do ponto de operação. Portanto, esta configuração apresenta

uma maior estabilidade do ganho (preço pago: menor valor absoluto do ganho de tensão)

O amplificador ECLin apresenta, qualitativamente, os seguintes valores:  Impedância de entrada –Alta (Dezenas de KW);

 Impedância de Saída – Média-Alta (Unidades a Dezenas de KW);  Ganho de Tensão em Circuito Aberto – Baixo (Unidades Dezenas).

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Amplificador ECLin: Linha de Carga AC

Com o mesmo procedimento efetuado para o estágio EC tem-se:

RBeq RCeq vin + _ iin vout + _ iout ic ib vbe + _ vce + _ RL ve + _ REeq

A inclinação da linha de carga AC é dada por -1/[(R_Ceq//R_L) + R_Eeq] e lembrando que o ponto Q pertence a

ambas as retas.











Ceq L Eeq



CQ CEQ 0 ic ce ce(CORTE) Eeq L Ceq CEQ CQ 0 vce c c(SAT) R //R R I V v v R //R R V I i i          

Amplificador ECLin: Exemplo

Usando o BJT BC179B projetar um estágio EC de forma a satisfazer os seguintes valores alvo: Z_in(ECLin) > 50K, Z_out(ECLin) < 10K, |A_V(OC)| ≈ 10. A carga pode ser

representada por um resistor equivalente de 10KW. Utilizar a configuração de polarização por realimentação do coletor.

Por se tratar de um transistor bipolar PNP, todo o projeto será desenvolvido como se fosse um NPN e apenas no final é que será utilizado o esquema de “cabeça para

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Amplificador ECLin: Exemplo

Características estáticas (DC) e dinâmicas (AC) para o

BJT BC179B. Observar que o valor de

h_FE(DC)=290 corresponde, aproximadamente, à média

geométrica dos limites da dispersão (287,74). O valor de h_fe(AC)=330 é,

também, próximo a este valor. O ponto de operação é para I_C=2mA

e V_CE=5V. Note que estes valores podem aparecer com sinal menos

indicando um transistor PNP.

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Amplificador ECLin: Exemplo

Posicionando o ponto Q em 1/3 da reta DC para aumentar a probabilidade de estar centrado na reta AC:

I_B I_E I_C V_BE -+ + -V_CC + -R_C R_B I_C + I_B = I_E V_RB + -+ -R_E + -33% 57% 10% 0,08S g 12,5Ω I 25mV r 623KΩ A 6,9 2,2V 6,5V I V V R A 6,9 290 2mA (typ) h I I 6,5V 1,5V 5V V V V 2,2V 0,7V V V 4275Ω 750Ω 5,7 5,7R R 750Ω 2mA 1,5V R 1,5V V 15V V 5V V 3 1 V m CQ e B B C B FE C B E CE C E B E C E E CC CC CEQ x                                 

O circuito prático para este estágio vai apresentar duas modificações: primeiro o resistor de emissor será “quebrado em dois” para tornar possível a presença de um resistor neste ramo para o sinal AC. Segundo, o resistor R_B também será dividido em

dois, pois a análise da forma como está representada necessita do conceito de Realimentação Negativa que será abordado em uma próxima disciplina.

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Amplificador ECLin: Exemplo

Os valores comerciais adotados são (±5%). Uma estimativa para o resistor que ficará

“restando” no emissor é: +15V 4K3 10K 560K 68K 390 390 BC179B Ci Ce Co Cb + + + + 417,5 R 10 R 12,5 4300 10 R r R (ECLin) A E E E e C VOC       

A divisão do resistor de base, na forma com está mostrada, será explicada quando da análise da impedância de

entrada.

Observar que: 560K+68K=628K e 390+390=780W.

Para a análise dos resultados AC e circuito equivalente do estágio, o fato do transistor ser PNP não implica em nenhuma mudança na formulação já deduzida.

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Amplificador ECLin: Exemplo

Ponto Q simulado: I_CQ≈ 2mA e V_CEQ≈ 4,85V

Pelas potências observadas todos os resistores podem ser de 1/8W. O BC179B tem uma especificação

de potência máxima de 300mW. RE1 39 0 1.55 8mW RE2 39 0 1.55 8mW 12 .8 6V RB2 68 K 3.14 1uW 8.59 4V B C Q1 B C1 79B 9.65 8mW -6.797 uA RC 4.3K 17 .1 8mW 1.99 9mA RB1 56 0K 25 .8 7uW 13 .4 4V E V cc 15 V 0

Para o equivalente AC considerar que a fonte DC está em repouso e que os

capacitores são curto-circuitos.

4K3 10K 560K 68K 390 390 BC179B vin vout

Observar que os potenciais (em relação à referência) nos terminais do emissor, coletor e base são o complemento em relação a 10V

quando comparados com os potencias do projeto com transistor NPN.

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Amplificador ECLin: Exemplo

















20dB 9,93 20log ) (ECLin)(dB A 9,93 390 12,5 4K R r R (ECLin) A 4K 538K//4K /R (coletor)/ Z (ECLin) Z 538K 16,67K 390 0,08 1 390 (coletor) Z 16,7K S 60 1 h 1 r r R g R (coletor) Z 107K 560K//133K (base) //Z R (ECLin) Z 133K 390 12,5 330 R r β (base) Z 390Ω R 4K 4K3//68K //68K R R 560K R VOC Eeq e Ceq VOC CEq out out out oe o o Eeq m Eeq out in BEq in Eeq e in Eeq C CEq Beq x                                       1 vin + _ iin vout + _ iout 390 560K 4K3 68K

Divisão do resistor da Base

Para não comprometer o alto valor da impedância de entrada vista da base, o

resistor R_B foi dividido de forma a apresentar a sua maior contribuição justamente deste lado. A contribuição do lado da saída, embora menor, também não

compromete em muito o valor do resistor equivalente no coletor (68K é, pelo menos,

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Amplificador ECLin: Exemplo



(4K//10K) 390



11,5V 2mA 5V v ) //R (R I V v 3,5mA 2mA 1,67mA i 2mA 390 (4K//10K) 5V i I R ) //R (R V i AC carga de Reta 15V V 2,97mA I 2,97mA 5050Ω V I 750 4K3 15V 750 4K3 V I R R V R R V I DC carga de Reta ce(CORTE) L Ceq CQ CEQ ce(CORTE) c(SAT) c(SAT) CQ Eeq L Ceq CEQ c(SAT) 0mA I CE(CORTE) 0V V C(SAT) CE C CE C E C CC E C CE C C CE                                 Q IC [mA] VCE [V] 3,5 1 2 3 5 10 11,5 15 5V 6V 10VPP 1Vpp 9,93 10Vpp S    Compliance e Sensibilidade

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Amplificador EClin: Exemplo

vin + _ iin 4K vout + _ iout 107K -9,93vin + _ 10K vS 50 17dB ) (carga)(dB A 7,1 (carga) A 7,1v 10K 4K 10K 9,93v v R (ECLin) Z R v A v(coletor) v v v 50 107K 107K v R (ECLin) Z (ECLin) Z v v(base) v V V in in out L out L in V(OC) out S S in S in in S in                  A avaliação da tensão AC no emissor será deduzida para o próximo estágio a ser estudado

que é o seguidor de emissor.

0.5ms 1.5ms 2.5ms 3.5ms 4.5ms 12.0V 12.4V 12.8V 13.2V 13.6V 6V 7V 8V 9V 10V 11V

Sinais totais na saída na base (≈0,5V_PP) e coletor (≈3,5V_PP) Ganho com carga ≈ -7