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O TJB como amplificadorLivro texto, item 4.7. – adaptação – Prof. Corradi
Para operar como amplificador transistor polarizado na região ativa.
Polarização estabelecer uma corrente cc constante no emissor (ou no coletor).
Esta corrente deve ser previsível e insensível às variações de temperatura, valores de etc.
Necessidade da corrente constante a operação do transistor como amplificador é altamente influenciada pelo valor quiescente (ou de polarização) da corrente.
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O TJB como amplificador – exemplo
Livro texto, item 4.7.
Figure 4.23 (a) Circuito conceitual para ilustrar a operação do transistor como um amplificador. (b) O circuito em (a), eliminando-se a fonte de sinais vbe para a análise cc (polarização).
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As condições de polarização cc (vbe = 0).
Para operação no modo ativo VC > VB por um valor que permita oscilações com amplitudes razoáveis no sinal de coletor e ainda mantenha o transistor na região ativa todo o tempo.
O TJB como amplificador – exemplo (2)Livro texto, item 4.7.
TBE VVSC eII /
CE II
CB II
CCCCCEC RIVVV
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vbe 0:
A corrente de coletor e a transcondutância
Tbe
TbeTBE
TbeBETBE
VvCC
VvVVS
VvVS
VvSC
eIi
eeI
eIeIi
/
/ /
//
beBEBE vVv
T
beVvTbe V
veVv Tbe 1/ Aproximação para
pequenos sinais!!!
beT
CCC v
V
IIi
Corrente de polarização
Componente de sinal ic bemc vgi
T
Cm V
Ig transcondutância
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Para obter um valor previsível e constante para gm , é necessário um valor de IC constante e previsível.
Os TJBs têm uma transcondutância relativamente alta. Para IC = 1 mA, g m 40 mA/V.
Interpretação gráfica (iC vBE):
A corrente de coletor e a transcondutância (2)
T
Cm V
Ig
CC IiBE
Cm v
ig
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A corrente de coletor e a transcondutância (3)
Figura 4.24 Operação linear do transistor na condição de pequenos sinais: um sinal pequeno vbe com uma forma de onda triangular é sobreposto à tensão cc VBE . Ela dá origem ao sinal de corrente de coletor ic, com forma de onda também triangular, sobreposta à corrente cc IC. Neste caso, ic = gmvbe, em que gm é a inclinação da curva iC–vBE no ponto de polarização Q.
Para pequenos sinais (vbe << VT), o transistor se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão (entrada: BE; saída: CE).
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Transistor no modo ativo – pequenos sinais
Para pequenos sinais (vbe << VT), o transistor se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão (entrada: BE; saída: CE).
ic = gm vbe
+vbe
–
B C
EE
ic
ro (supondo que vce não
influencia
ic no modo ativo)
gm (transcondutância
da fonte)
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A corrente de base iB e a resistência de entrada da base r
A resistência de entrada para pequenos sinais entre a base e o emissor, olhando para o terminal da base.
beT
CCCB v
V
IIii
1
IB
i b bem
beT
Cb v
gv
V
Ii
1
mb
be
gr
i
vr
B
T
IV
r
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A corrente de emissor iE e a resistência de entrada do emissor re
A resistência de entrada para pequenos sinais entre a base e o emissor, olhando para o terminal do emissor – resistência de emissor.
eEEcCC
E iIiiIi
i be
T
Ebe
T
Cce v
VI
vV
Iii
E
Te
e
bee I
Vr
i
vr
mmCT
E
Te ggI
VIV
r1
T
Cm V
Ig
b
be
i
vr
e
bee i
vr
e
ee
ee
b
e
r
ri
ir
i
ir
)1(
)1/(
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Transistor excitado pelo sinal vbe faz com que uma corrente proporcional a gmvbe circule pelo terminal de coletor em uma alta impedância (idealmente infinita) transistor fonte de corrente controlada por tensão.
Para obter um sinal de tensão na saída forçar a corrente por um resistor.
O ganho de tensão
CcC
CcCCCC
CcCCC
CCCCC
RiV
RiRIV
RiIV
RiVv
VC : tensão de polarização do coletor
beCm
CbemCcc
vRg
RvgRiv
)(
Cm
be
c
Rg
v
v
tensão de Ganho
gm : IC: o ganho será
tão estável quanto a corrente de polarização do coletor.
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Amplificador: correntes e tensões componente cc + componente ac (sinal).
Modelos equivalentes para pequenos sinais
Livro texto, item 4.7.
Componentes cc: determinads pelo circuito cc e pelas relações impostas pelo transistor.
Componentes ac (sinais): eliminando-se as fontes cc.
Modelo de circuito para pequenos sinais relações entre os incrementos de correntes ic, ib e ie obtidas quando um pequeno sinal vbe for aplicado.
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O modelo -Híbrido
Figura 4.26 Duas versões ligeiramente diferentes do modelo -híbrido simplificado para operação do TJB com pequenos sinais. O circuito equivalente em (a) representa o TJB como uma fonte de corrente controlada por tensão (um amplificador de transconductância), e em (b) representa o TJB como uma fonte de corrente controlada por corrente (um amplificador de corrente).
ebebebe
mbe
bembe
beb
bemc
rvr
v
r
v
rgr
v
vgr
vie
rvi
vgi
/)1/(
)1(
)1(
/
bbm
bmbem
iirg
rigvg
)(
)(
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O modelo T
Figura 4.27 Duas versões ligeiramente diferentes do que é conhecido como modelo T do TJB. O circuito em (a) é a representação com fonte de corrente controlada por tensão e em (b) é a representação eom fonte de corrente controlada por corrente. Esses modelos mostram explicitamente a resistência do emissor re , diferente do modelo -hibrido, o qual mostra uma resistência de base r.
r
v
r
v
r
v
r
v
rgr
v
vgr
vi
be
e
be
e
be
e
be
eme
be
beme
beb
)1(11
)1(
)1(
eeem
eembem
iirg
rigvg
)(
)(
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Aplicação dos modelos equivalentes para pequenos sinais
Análise de circuitos amplificadores com transistores para operação com pequenos sinais:
1. Determine o ponto de operação cc do TJB e em particular o valor da corrente cc de coletor, IC .
2. Calcule os valores dos parâmetros do modelo para pequenos sinais: gm = IC / VT , r = / gm e re = VT / IE 1 / gm .
3. Elimine as fontes cc.
4. Substitua o TJB por um de seus modelos equivalentes. Embora qualquer um dos modelos possa ser utilizado, um deles deve ser mais conveniente dependendo do circuto a ser analisado.
5. Analise o circuito resultante para determinar as grandezas de interesse (ganho de tensão, resistência de entrada etc).
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Exemplo 4.9
Analise o amplificador com transistor para determinar seu ganho de tensão. Suponha = 100.
Figura 4.28 Examplo 4.9: (a) circuito; (b) análise cc; (c) modelo para pequenos sinais.
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Exemplo 4.9 – solução
1. Determinar o ponto quiescente de operação (vi = 0):
mA 023,0100
7,03 BB
BEBBB R
VVI
mA 3,2023,0100 BC II
V 1,333,210V CCCCC RIV
VB = +0,7
Na condição quiescente, o transistor está operando no modo ativo. (Por que?)
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Exemplo 4.9 – solução (2)
2. Determinar os parâmetros do modelo para pequenos sinais:
8,10mA )99,0/3,2(
mV 25
E
Te I
Vr
Para realizar a análise de pequenos sinais, que modelo -híbrido utilizar? Ambos são igualmente convenientes para a determinação do dado requisitado. Vamos utilizar o modelo da figura 4.26 (a).
mA/V 92mV 25mA 3,2
T
Cm V
Ig
k 09,192
100
mgr
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Exemplo 4.9 – solução (3)
3 e 4. Eliminar as fontes cc e substituir o TJB por um de seus modelos equivalentes.
Análise do circuito equivalente para pequenos sinais (fontes cc eliminadas):
iiBB
ibe vvRr
rvv 011,0
09,10109,1
i
iCbemo
v
vRvgv
04,3
3 011,092
V/V 04,3
tensãode Ganho
i
o
v
v
Inversão de fase
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Exemplo 4.10 Com base no circuito do exemplo 4.9, suponha que vi
tenha uma forma de onda triangular. Determine a amplitude máxima permitida a vi. A seguir, com a amplitude de vi em seu valor máximo, determine as formas de onda de iB (t), iC (t) e vC (t).
Restrição à amplitude de vi: aproximação para pequenos sinais. vbe << VT vbe 10 mV
vbe : onda triangular de 20mV pico a pico
vbe = vi r / (r + R ) = 0,011 vi
vi pico = vbe pico / 0,011 = 0,91 V
Para este valor de pico de vi , o transistor permanece na região ativa?
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Exemplo 4.10 – continuação Determinar o valor de Vc pico, para o valor de pico de Vi , para verificar se o transistor permanece na região ativa.
Tensão de coletor: onda triangular vc (com valor de pico ) sobreposta a um valor cc VC = 3,1 V.
Tensão de pico da forma de onda triangular:
Quando a saída excursiona no sentido negativo:
vC MIN = 3,1 – 2,77 = 0,33 V < VB 0,7 V
O transistor não permanecerá no modo ativo para vi tendo um valor de pico de 0,91 V.
V 91,0 ̂ ipicoi Vv
V 77,204,3 91,0ˆˆ ganhoVV ic
cV ̂
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Exemplo 4.10 – continuação (2) Determinar qual o valor máximo do pico do sinal de entrada para o qual o transistor permanece no modo ativo durante todo o tempo.
Para tanto, é necessário calcular o valor de que corresponde ao valor mínimo da tensão de coletor, igual à tensão de base ( 0,7 V):
Escolhendo 0,8 V vi: onda triangular com 0,8 V de pico.
V 79,004,34,2ˆˆˆ
V 4,27,01,3ˆ
7,0ˆ1,3
7,0ˆ7,0
MIN
iic
c
c
cCCBC
VganhoVV
V
V
VVvVv
iV ̂
iV ̂
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Exemplo 4.10 – continuação (3) vi: onda triangular com 0,8 V de pico.
Corrente de base:
mA 008,009,1100
8,0ˆ ̂
rR
VI
BB
ib