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ELETRÔNICA

AULA 13

• Transistores: configurações compostas

Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino - 2015

CONFIGURAÇÕES COMPOSTAS

• Conexão em cascata

• Conexão cascode

• Conexão Darlington

• Par realimentado

• Circuito CMOS

• Fonte de corrente

• Espelho de corrente

• Par diferencial

• Par diferencial com carga ativa


CONEXÃO CASCATA

• Uma conexão em cascata é uma conexão em série• A saída de um amplificador é a entrada para o próximo amplificador

• O ganho total de tensão é o produto dos ganhos de cada estágio

- Os cálculos da CC são independentes da cascata

- Os circuitos de polarização cc são isolados uns dos outros por capacitores de acoplamento

- Os cálculos da CA para ganho e impedância são interdependentes


CONEXÃO CASCODE

• Oferece uma alta impedância de entrada, com baixo ganho de tensão e uma baixa impedância de saída.

• Baixo ganho de tensão

- Estágio emissor-comum alimentando um estágio base-comum

- O estágio base-comum oferece uma boa operação em alta frequência

- Apropriada para aplicações de alta frequência, Pois o baixo ganho de tensão do estágio de entrada reduz a capacitância Miller de entrada


CONEXÃO DARLINGTON • É constituída por dois transistores conectados

como um super transistor, que fornece um ganho de corrente muito alto e alta impedância de entrada.

• Os transistores atuam como um só, com um ganho de corrente que é o produto dos ganhos de corrente dos transistores individuais

• 𝛽𝐷 = 𝛽1. 𝛽2• Características

• Alto ganho de corrente

• Ganho de tensão próximo da unidade

• Importância prática: alta impedância de entrada

• Baixa impedância de saída


PAR REALIMENTADO (Quasi-Darlington)

• É um circuito com dois transistores com características similares ao par Darlington, mas ao invés de um par de transistores, usa transistores complementares (npn e pnp)

• Utiliza um transistor pnp acionando um transistor npn, e os dois dispositivos atuam efetivamente como um transistor pnp.

• Fornece um ganho de corrente muito alto


CMOS• MOSFET complementar

• Funciona como inversor lógico

• É um circuito construído com transistores MOSFET tipo intensificação de tipos opostos (canal n e canal p)

• Comum em circuitos digitais: Baixo consumo de energia

• A entrada Vi é aplicada a ambas as portas com a saída tomada dos drenos conectados


FONTE DE CORRENTE

• Uma fonte de corrente ideal fornece uma corrente constante, qualquer que seja a carga conectada a ela.

• Uma fonte de corrente real é uma fonte de corrente em paralelo com uma resistência muito grande.

• Em uma fonte de corrente ideal R = ∞

• Podem ser construídas utilizando BJT e/ou FET


ESPELHO DE CORRENTE

• Fornece uma corrente constante

• Utilizado principalmente em circuitos integrados

• A corrente constante é obtida através de uma corrente de saída que é o reflexo ou o espelho de uma corrente desenvolvida sobre um lado do circuito.

• A corrente Ix, estabelecida pelo transistor Q1e pelo resistor Rx, é refletida na corrente I através do transistor Q2.


PAR DIFERENCIAL• O amplificador diferencial é o bloco de construção mais

utilizado nos CIs analógicos. O estágio de entrada de cada ampop é um amplificador diferencial.

• O amplificador diferencial com BJT é a base de uma família de circuitos lógicos de velocidade muito alta (ECL)

• CONFIGURAÇÃO BÁSICA:• Duas entradas e duas saídas separadas• Dois transistores casados, com dois estágios emissor-comum

simétricos fornecem dois nós de saída, cuja diferença de tensão permanece livre do ripple de alimentação.


PAR DIFERENCIAL

VANTAGENS DOS CIRCUITOS DIFERENCIAIS:

• possuem maior imunidade a ruído ambiente e interferências quando comparado à circuitos simples

• tem uma melhor rejeição a ruído da fonte

• tem maior excursão de saída (duas vezes maior que o circuito simples) e maior relação sinal ruído (maior que 3 dB)

• possuem menos (idealmente nenhuma) distorção de ordem par.


PAR DIFERENCIAL• DISCUSSÃO INICIAL

• Em um amplificador de áudio o ripple causa um chiado.

• Ruído de ripple: uma variação em VCC aparece em Vout, pois Vout e VCC são medidos em relação à terra e diferem por RCIC.

• Solução: No circuito diferencial, Vout deixa de ser medido em relação a terra e passa a ser medido em relação a outro ponto igualmente sujeito ao ripple de entrada, Vo1 e Vo2.

• Vo1 e Vo2 são afetados pelo ripple exatamente da mesma forma, de maneira que a diferença entre eles permanece livre do ripple.


PAR DIFERENCIAL• Par diferencial que amostra ruído 𝑉𝐶𝑀de entrada

𝑉1 = 𝑉0 sin𝜔𝑡 + 𝑉𝐶𝑀𝑉2 = −𝑉0 sin𝜔𝑡 + 𝑉𝐶𝑀

𝑉𝐶𝑀 nível de modo comum: na ausência de sinais diferenciais, os dois nós permanecem em um potencial igual a 𝑉𝐶𝑀 em relação à terra global.


PAR DIFERENCIAL

• Sinal de um terminal: • é um sinal medido em relação à

terra comum.

• Conduzido por uma linha

• Sinal diferencial:• medido entre dois nós que têm

excursões iguais e opostas

• Conduzido por duas linhas


PAR DIFERENCIALMODOS DE OPERAÇÃO:

1) Entrada simples: • um sinal de entrada é aplicado a uma das entradas com a outra

conectada ao terra

• Devido à conexão emissor-comum, o sinal de entrada aciona ambos os transistores, resultando na saída em ambos os coletores.

• 𝑉𝑖1=𝑉0 sin𝜔𝑡,

• 𝑉𝑖2 = 0𝑉

• 𝑉𝑜1 = 𝐴𝑣𝑉𝑖1+𝑉𝑟,

• 𝑉𝑜2 = 𝑉𝑟

• 𝑉𝑜1 − 𝑉𝑜2 = 𝐴𝑣𝑉𝑖1


PAR DIFERENCIAL2) Entrada dupla:

• dois sinais de entrada de polaridades opostas são aplicados

• A diferença das entradas resulta em saídas em ambos os coletores por causa da diferenças dos sinais aplicados a ambas as entradas

• Provê o dobro da excursão de saída da entrada simples, pois explora a capacidade de amplificação do estágio duplicado.

• 𝑉𝑖1 = 𝑉𝑖𝑛 = 𝑉0 sin𝜔𝑡 ,

• 𝑉𝑖2 = −𝑉𝑖𝑛 = −𝑉0 sin𝜔𝑡

• 𝑉𝑜1 = 𝐴𝑣𝑉𝑖𝑛+𝑉𝑟,

• 𝑉𝑜2 = −𝐴𝑣𝑉𝑖𝑛+𝑉𝑟

• 𝑉𝑜1 − 𝑉𝑜2 = 2𝐴𝑣𝑉𝑖𝑛


PAR DIFERENCIAL3) Modo-comum:

• o mesmo sinal de entrada é aplicado a ambas as entradas

• O sinal de entrada comum resulta em sinais opostos em cada coletor, e esses sinais se cancelam, de maneira que o sinal de saída resultante é igual a zero

• Na prática, os sinais opostos não se cancelam por completo, o resultado é um pequeno sinal

• 𝑉𝑖1 = 𝑉𝑖2 = 𝑉𝑖𝑛 = 𝑉0 sin𝜔𝑡

• 𝑉𝑜1 = 𝐴𝑣𝑉𝑖𝑛+𝑉𝑟,

• 𝑉𝑜2 = 𝐴𝑣𝑉𝑖𝑛+𝑉𝑟

• 𝑉𝑜1 − 𝑉𝑜2 = 0


PAR DIFERENCIAL• Principais características:

• Sinais que são opostos nas entradas são altamente amplificados• ganho muito grande quando sinais opostos são aplicados às entradas

• Sinais que são comuns nas entradas são ligeiramente amplificados• Ganho muito pequeno resultante de entradas comuns

• Ou seja, amplifica o sinal diferencial e rejeita o sinal comum às entradas

• Se o circuito apresenta assimetrias e saída diferencial será corrompida

• Rejeição de modo comum: • razão entre o ganho diferencial e o ganho de modo-comum

• O ruído (ou qualquer sinal de entrada não desejado) costuma ser comum a ambas as entradas, a conexão diferencial tende a atenuar essa entrada indesejada, enquanto fornece uma saída amplificada do sinal diferencial aplicado às entradas


PAR DIFERENCIAL• POLARIZAÇÃO CC:

• Com entradas CA obtidas das fontes de tensão, a tensão CC em cada entrada está essencialmente conectada a 0V

• 𝐼𝐸′ =

𝑉𝐸−(−𝑉𝐸𝐸)

𝑅𝐸

• 𝑉𝐸 = −𝑉𝐵𝐸

• 𝐼𝐸′ =

𝑉𝐸𝐸−𝑉𝐵𝐸

𝑅𝐸

• Supondo transistores casados:

• 𝐼𝐶1 = 𝐼𝐶2 =𝐼𝐸′

2

• Assim:

• 𝑉𝐶1 = 𝑉𝐶2 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑅𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 −𝐼𝐸′

2𝑅𝐶


CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL• Operação CA:

X


PAR DIFERENCIAL

• Equivalente CA de um amplificador diferencial

X


PAR DIFERENCIAL• OPERAÇÃO CA:

• Ganhos de tensão: Um bom amplificador diferencial apresenta um ganho diferencial muito grande 𝐴𝑑, que é muito maior do que o ganho de modo-comum 𝐴𝑐.

• Ganho de tensão CA com entrada simples: 𝐴𝑉 =𝑉𝑜

𝑉𝑖=

𝑅𝑐

2𝑟𝑒

• Ganho de tensão CA com entrada dupla: 𝐴𝑑 =𝑉𝑜

𝑉𝑑=

𝑅𝑐

𝑟𝑒• 𝑉𝑑 = 𝑉𝑖1 − 𝑉𝑖2• Fornece grande amplificação sobre a diferença dos sinais aplicada a ambas as entradas

• Ganho de tensão CA em modo-comum: 𝐴𝑐 =𝑉𝑜

𝑉𝑖=

𝛽𝑅𝑐

𝑟𝑖+2(𝛽+1)𝑅𝐸• Fornece uma pequena amplificação do sinal comum a ambas as entradas

• A capacidade de rejeição de modo-comum do circuito pode ser consideravelmente melhorada fazendo-se o ganho de modo-comum, 𝐴𝑐, o menor possível (idealmente 0). Quanto maior for 𝑅𝐸 menor será 𝐴𝑐.

• Um método comum de aumentar o valor CA de 𝑅𝐸 é utilizar um circuito de fonte de corrente constante entre o emissor-comum e o terra CA.• Melhoramento: impedância CA muito maior para 𝑅𝐸 obtida pelo uso da fonte de corrente constante.


PAR DIFERENCIAL• Ganho de tensão CA com saída simples

• Transistores bem casados (simétricos):• 𝐼𝑏1 = 𝐼𝑏2 = 𝐼𝑏

• 𝑟𝑖1 = 𝑟𝑖2 = 𝑟𝑖 = 𝛽𝑟𝑒

• Com 𝑅𝐸 ≅ ∞

• 𝑉𝑖 − 𝐼𝑏𝑟𝑖 − 𝐼𝑏𝑟𝑖 = 0

• 𝐼𝑏 =𝑉𝑖

2𝑟𝑖=

𝑉𝑖

2𝛽𝑟𝑒

• 𝐼𝑐 = 𝛽𝐼𝑏 𝐼𝑐 =𝑉𝑖

2𝑟𝑒

• Tensão de saída em cada coletor:• 𝑉𝑂 = 𝐼𝑐𝑅𝑐

• Ganho de tensão com entrada simples em cada coletor:

• 𝐴𝑉 =𝑉𝑜

𝑉𝑖=

𝑅𝑐

2𝑟𝑒

X


PAR DIFERENCIAL• Ganho de tensão CA com saída dupla

• (sinais aplicados a ambas as entradas)

• 𝐴𝑑 =𝑉𝑜

𝑉𝑑=

𝑅𝑐

𝑟𝑒

• Sendo 𝑉𝑑 = 𝑉𝑖1 − 𝑉𝑖2

• Fornece grande amplificação sobre a diferença dos sinais aplicada a ambas as entradas

X


PAR DIFERENCIAL

• Operação em modo-comum

• 𝐼𝑏 =𝑉𝑖

𝑟𝑖+2(𝛽+1)𝑅𝐸

• 𝑉𝑂 = 𝐼𝑐𝑅𝑐 = 𝛽𝐼𝑏𝑅𝑐

• 𝐴𝑐 =𝑉𝑜

𝑉𝑖=

𝛽𝑅𝑐

𝑟𝑖+2(𝛽+1)𝑅𝐸

• Fornece uma pequena amplificação do sinal comum a ambas as entradas

X


PAR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA

• Permite que os circuitos internos de um amplificador operacional convertam uma entrada diferencial em uma saída de um terminal.

• Dispositivos ativos (transistores) ocupam uma área de silício muito menor do que os resistores de valores altos e médios. Por isso, muitos amplificadores em CIs com BJT usam cargas com BJT no lugar de cargas resistivas, RC.

• Nesses circuitos, o transitor BJT como carga é usualmente conectado como fonte de corrente constante e, portanto, apresenta o transistor amplificador com uma resistência de carga muito alta (a resistência de saída da fonte de corrente)

• Assim, o amplificador que utiliza cargas ativas pode ter ganhos de tensão maiores do que aqueles que utilizam cargas passivas (resistivas)


BIBLIOGRAFIA

• BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall do Brasil, 2005.

• SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 2000.

• MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 1. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.

• MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.

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