Analogica I BJT Amplificadores 3

Universidade Federal de Itajubá

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

ELT003 – Eletrônica Analógica I

Transistores Bipolares

(Amplificadores a Pequeno Sinal - continuação)

Prof. Paulo César Crepaldi Prof. Leonardo Breseghello Zoccal Itajubá, Agosto de 2009

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 3

Amplificador Coletor Comum ou Seguidor de Emissor (CC)

Um estágio muito importante em aplicações eletrônicas é o Coletor Comum ou

Seguidor de Emissor. Apresenta como características: uma alta impedância de

entrada, uma baixa impedância de saída e ganho unitário. É utilizado para “isolar”

uma carga de abaixo valor de um equivalente Thévenin com alta resistência e também

recebe o nome de “buffer” ou isolador.

10mVPP 10K 1K 910mVPP + _ + 10mVPP 10K 1K + Zin = 100K Zout = 50W Ganho=1 “Buffer” 9mVPP + _ 8,57mVPP + _ (9,1%) (87,51%)

No exemplo ao lado, o gerador e

o resistor de 10K podem

representar a saída de um estágio

amplificador e o resistor de 1K a

entrada do estágio seguinte.

O uso do isolador fez com que a

transferência do sinal de tensão se

4 4

Amplificador Coletor Comum ou Seguidor de Emissor (CC)

RBeq REeq vin + _ iin vout + _ iout ie ib vbe + _ -vce + _ Zin(CC) Zout(CC) RBeq

Zin(Base) Zout(Emissor) vin + _ iin vout + _ iout REeq

Protótipo do

Estágio Seguidor de

Emissor.

Protótipo do

Estágio Seguidor de

Emissor desenhado

de forma diferente e

evidenciando as

impedâncias a

serem avaliadas.

5 5

Amplificador CC: Impedâncias

RBeq vin = vb + _ iin vout = ve + _ iout ro rp gmvbe ib REeq ie ‘ RBeq vin = vb + _ iin vout = ve + _ iout ro rp gmvbe ib REeq ie ‘

(

)

(

)

(

)





(

)





(

)





) ( // ) ( // // ) ( // ) ( // // // base Z R CC Z R de efeito R R r r base Z R r r i v base Z R r r i v R r i r i v R r i r i v v v v in BEq in L L Eeq o e in Eeq o e b b in Eeq o e b b Eeq o b e b b Eeq o e b b e be b              











p

Observar que, para não “derrubar” uma

das principais características do estágio

CC, o circuito de polarização deve

apresentar um projeto que maximize o

valor de R

_Beq

.

Atenção: Se necessário, incluir o efeito

do resistor de carga (R

_L

) sobre a

6 6

Amplificador CC: Impedâncias

(

)

(

)

(

)

(

)

                                                 e o th o t t out t th o t Beq S th o t t th t o t t b b o e be m b r rth r r r r i v emissor Z i r r r v R R r r v i r r v r v i i i i i v g i      p p p // 1 1 1 ) ( 1 1 // 1

No cálculo das impedâncias de saída é

necessário contabilizar a influência da

resistência da fonte de sinal v

_S

.

Observar a aplicação do teorema de

Thèvenin no ramo da base “olhando” em

direção à fonte de sinal. Um sinal de

teste é aplicado à saída e lembrar que a

fonte de sinal deverá estar em repouso.

RBeq ro rp gmvbe ib ie ‘ vS RS Thèvenin vt it ro rp gmvbe ib ie ‘ vS = 0 (repouso) rth vt it io ) ( // ) (CC R Z emissor Z_out  _{Eeq out}

7 7

Amplificador CC: Ganho de Tensão em Circuito Aberto

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

o Eeq

)

e VOC Eeq o e Eeq o in out VOC Eeq o e in e Eeq o out Eeq o e out in out e out in π out in b Eeq o b Eeq o e out

//R

r

r

para

1

(CC)

A

//R

r

r

//R

r

v

v

(CC)

A

//R

r

r

v

r

//R

r

1

v

//R

r

r

v

v

v

βr

v

v

r

v

v

i

//R

r

βi

//R

r

i

v











































'

'

'

'

'

O amplificador CC apresenta, qualitativamente, os seguintes valores:

 Impedância de entrada –Alta (Dezenas de K

W

);

 Impedância de Saída – Baixa (Unidades a Dezenas de

W

);

 Ganho de Tensão em Circuito Aberto – Unitário (Aproximado).

Atenção:

A ausência do sinal de menos indica que os sinais de tensão na base e no emissor estão em fase. O fato de serem praticamente iguais (sem carga), indica que o emissor segue a base (daí o

nome seguidor de emissor).

V_in’ é calculado em função de uma impedância de entrada que não considera R_L(Z_in(base)’). O processo de obtenção da linha de carga AC é

semelhante ao do estágio EC devendo, apenas, substituir R_Eeq no lugar de R_Ceq.

8 8

A Configuração Darlington (Par Darlington)

Existe um tipo de configuração, chamada Darlington, que consegue produzir um transistor equivalente com altos valores de h_FE. Esta configuração pode ser montada a partir de dois

transistores discretos ou pode vir encapsulada em um único invólucro.

Tem aplicações muito importantes em estágios de saída de amplificadores de potência em que a característica de buffer é essencial.

Sidney Darlington (1906 – 1997) + IE v_BE1 Q1 Q2 QD I_C IB I_C1 IC2 IB1 vBE2 IB2 + _ _ ≡ + vBED_{_}

hFED = hFE1.hFE2

(

)

(

)

2 1 BE BE BED B FE2 FE1 B1 FE1 FE2 C C1 FE2 C1 FE2 C1 C B2 FE2 C1 C2 C1 C

V

V

V

I

h

h

I

h

h

1

I

I

h

1

I

h

I

I

I

h

I

I

I

I



























O par Darlington apresenta, tipicamente, tensões V_BE superiores a 1,2V e ganhos de

corrente (h_FE) superiores a 1000. Especialmente recomendados para o estágio Seguidor de Emissor, pois vão contribuir para aumentar a impedância de entrada e diminuir a impedância de saída.

9 9

Par Darlington: Circuito Equivalente Incremental

Para as avaliações dos parâmetros AC, em um estágio que utiliza este tipo de configuração, é preciso ter em mãos um circuito equivalente incremental.

(

)

2 2 2 2 2 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1

2

2

2

2

)

(

e eD e D e 1 D 1 1 b b D in 1 b b b 1 b e b b π2 1 π2 1 e1 1 π2 e2 2 CQ2 2 e1 CQ1 2 CQ2 CQ2 e2 CQ1 e1

r

r

r

β

r

β

β

r

r

β

r

β

r

i

v

base

Z

r

β

r

i

v

r

i

β

r

i

r

i

r

i

v

r

β

r

r

β

r

β

r

r

β

I

25mV

β

r

I

β

I

I

25mV

r

e

I

25mV

r















































p p p p p p p p p p p

A figura acima ilustra a configuração Darlington com os seus dois transistores substituídos por seus modelos AC. Normalmente, o padrão para os parâmetros incrementais é o transistor Q₂

pelo fato da sua corrente de emissor (≈ coletor) ser diretamente acessada ou medida.

ro1 rp1 ib1 1ib1 ro2 rp2 2ib2 ie1 = ib2 ic Zin(base)D vb + _ Q1 Q2

10 10

Par Darlington: Circuito Equivalente Incremental

( )

o1 c o1 e1 c o1 c o1 b2 c o o1 e1 c b2 o1 c e1 b2 o1 e1 o1 b2 o1 c e1 b2 e1 b2 o1 b2 o1 c b1 1 o1 b2 c b1 1 b1 e1 e1 b2 2 π2 b2 2 e1 2 b2 2 e1 b2 1 b1 e1 1 b1 b2 π1 b1

r

v

r

2

r

v

r

v

r

v

v

i

2r

r

v

v

r

v

r

v

2

r

1

r

1

r

v

r

v

r

v

r

v

r

v

r

v

i

β

r

v

v

i

β

i

i

r

v

β

r

v

β

i

β

i

β

r

v

β

i

r

β

i

v

r

i



























































2 1

Inicialmente, são estabelecidas as relações para as correntes em função do potencial da base de Q₂ e este em função do potencial v_c.

ro1 rp1 1ib1 ro2 rp2 2ib2 ic1 Zout(coletor)D Q1 Q2 ic vb2 ib1 ie1= ib2 vc + _ + _ io1

Atenção: i_b1r_p  v_b2 em função do terra presente na base de Q₁.

11 11

Par Darlington: Circuito Equivalente Incremental

Onde: _D = ₁₂ r_pD = 2_Dr_e2 r_eD = 2r_e2 r_oD = 2/3r_o2 oD o2 c c D out o2 o2 c c o2 o1 2 o1 2 o2 c c o1 o1 2 o1 2 o2 o1 c c o2 o1 c o1 c 2 o2 o1 c b2 e1 2 c e1 e1 2 o2 o1 c e1 e1 2 b2 c o2 c e1 b2 2 o1 c e1 b2 c o2 c b2 2 o1 b1 1 c r r 3 2 i v (coletor) Z 2r 1 r 1 v i r 1 r β 2r β r 1 v i r 1 2r β 2r β r 1 r 1 v i r 1 r 1 v 2r v β r 1 r 1 v v r β i r 1 r β r 1 r 1 v r 1 r β v i r v r v β r v r v i r v i β i i β i                                                                                    * roD rpD Dib i_b ic ‘i_e

* O apêndice ao final deste

módulo mostra uma forma alternativa de calcular r_o e

a relação indicada se verifica para o par

12 12

Estágio CC: Exemplo

(

)

(

)

(

)

mA V I 900Ω R //100 R R 5V 5V 5,5V 5V de V um para //R R 2R V V //R R I V v CQ E E E CEQ L Eeq E CC CEQ L Eeq CQ CEQ ce(CORTE) 6 , 5 900 5           

Utilizando o BJT BC238C, projetar um seguidor de emissor que apresente uma impedância de entrada superior a 10K e uma impedância de saída inferior a 100W. Uma condição de contorno exigida é que a Compliance seja por volta de 0,8 a 1V_PP. O gerador de sinais é um equivalente

Thévenin de um sensor de alta impedância (10K) e a carga é a entrada de um segundo estágio amplificador de baixa impedância (100W).

V_BE -+ + -V_CC R_E R R VCC 2 + -+VBE VCC 2 -VBE +

-O circuito de polarização ao lado é frequentemente usado em estágios CC. Observar que o coletor está ligado diretamente à fonte DC o que, para o circuito equivalente DC, representa um

terra AC. Economiza-se, portanto, o resistor de coletor. A resistência R_Eeq é a própria R_E e as tensões se dividem, tanto

na base quanto no emissor em aproximadamente V_CC/2. Para satisfazer a Compliance:

13 13

Estágio CC: Exemplo

Os parâmetros do BC238C indicam que: O V_CEQ recomendado é de 5V;

O h_FE para uma corrente de ≈5mA é de ≈500; O ganho de corrente incremental (h_fe) tem um valor mínimo de 450 para I_C=2mA e não sofre modificação

significativa se operando em 5mA;

A admitância de saída (h_oe), é cerca de 2,5 maior que o valor para I_C=2mA, ou seja, 110mS.2,5=275mS.

14 14

Estágio CC: Exemplo

5Ω I 25mV r 86K 2R R 43K 860 500 0,1 R 0,1h R 860Ω 5mA 4,3V R 4,3V 0,7V 5V V 2 V V CQ e TH E (MIN) FE TH E BE CC E x x             

 Obs: Recomenda-se o uso do projeto firme para que se tenha resistores mais elevados na base;

Os resistores de base não forma feitos exatamente iguais para compensar a diferença de 0,7 (V_BE). Para tanto o resistor inferior é ligeiramente maior (próximo

valor comercial).

Os resistores são de 5% e 1/8W em função das potências dissipadas. B C2 38B P /ZTX Q3 29 .5 7mW 9.74 3uA C 4.15 7V E V cc 10 V R3 91 K 25 7.4uW R2 82 K 32 4.7uW RC 82 0 21 .0 8mW 5.07 0mA B 4.84 0V 0 B C2 38C Q1 29 .5 7mW 82K 91K +10V 100 820 10K vS Ponto Q (simulação): I_CQ ≈ 5mA e V_CEQ ≈ 5,85V R1 R2 RE

15

Estágio CC: Exemplo

(

)





(

)





( )





(

)

(

)

5 3,6K//820 0,9926 3,6K//820 //R r r //R r A 22,2Ω 820//22,8 (emissor) //Z R (CC) Z 22,8Ω 5 450 8,1K 3,6K// (emissor) Z 8,1K 10K//43K //R R r r h r // r (emissor) Z 37,7K 43K//303K (CC)' Z 21K 43K//41K (base) //Z R (CC) Z 303K 668 5 450 (base)' Z 43K 82K//91K R 41K 668//100 5 450 (base) Z 668Ω 3,6K//820 //R r 820 R 3,6K S 275 1 h 1 r //R //R r r h (base) Z Eeq o e Eeq o VOC out Eeq out out Beq S th e fe th o out in in Beq in in Beq in Eeq o Eeq oe o L Eeq o e fe in                                                     m vin + _ iin 22,2 vout + _ iout 21K ≈vin’ + _ 100 vS 10K 0,45dB ) (carga)(dB A 0,95 (carga) A 0,949v 1,16v 0,818 ' 0,818v 100 22,2 '100 v v R (CC) Z 'R v A v(emissor) v 1,16 0,68v 0,79v v ' v 0,79v 10K 37,7K 37,7K v ' v e 0,68v v 10K 21K 21K v R (CC)' Z (CC)' Z v ' v e R (CC) Z (CC) Z v v(base) v V V in in in in out L out L in V(OC) out S S in in s S in S S in S in in S in S in in S in x                        

16

Estágio CC: Exemplo (simulação)

A seguir, resultados de simulação em que o gerador de sinais que representa o sensor está ajustado para uma tensão de 100mV_PP, resistência interna de 10K e freqüência de 1KH_Z.

A carga está representada por um resistor de 100W.

17

Estágio CC: Exemplo (simulação)

18

Estágio CC: Exemplo (simulação)

Impedâncias de Entrada e de Saída para o Estágio Seguidor de Emissor

10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 10K 20K 30K 40K 22,75K @ 1KHZ 10Hz 100Hz 1.0KHz 100 200 300 400 21,26W @ 1KHZ Zin(CC) Zout(CC)

19

Apêndice: Avaliação Alternativa de r

_o

Para os exemplo que foram realizados até o momento, a resistência de saída (r_o) foi avaliada como sendo 1/h_oe. Contudo, se o projetista não tiver em mãos as folhas de dados do

dispositivo, existe uma forma alternativa de se estimar o valor de r_o.

Como se sabe, a corrente de coletor na região ativa (ou linear) não é constante mas sofre um aumento com um aumento em V_CE. Este efeito (Early) é modelado colocando-se um resistor

em paralelo com a fonte de corrente I_C.

Existe, entretanto, um equacionamento para a corrente de coletor que leva em consideração a presença deste efeito. É dado por:

a) (idealizad e I I V V 1 e I I T BEQ T BE nU V S CQ A CE nU V S C         

A tensão V_A (algumas literaturas trazem como V_AF) é chamada de tensão Early e tem um significado físico que será mostrado mais adiante. Se for feita a derivada da equação acima, no

entorno do ponto de operação, tem-se:

CQ A Q CE C o A CQ Q CE C I V V I r V I V I _        1

20

Apêndice: Avaliação Alternativa de r

_o

Tipicamente, V_A situa-se entre 20V a 80V o que leva, para correntes quiescentes de coletor na faixa de unidades de [mA], a resistências de saída na faixa de unidades a dezenas de KW.

V_A representa um ponto de convergência em relação às

inclinações inerentes ao conjunto de curvas (I_C=f(v_CE)

para V_BE= cte).

Exemplos de Amplificadores com BJT

Desafio para os próximos Slides: Avaliar as polarizações dos transistores bipolares e que tipo de amplificador está sendo implementado.

21 Amplificador de Áudio

22 Amplificador Multiestágio

Amplificador de Áudio

23 Amplificador com Estágio em CI

Amplificador Multiestágio Sintonizado

25 Transmissor

miniatura

Pré-Amplificador para VHF