Eletrônica Aula 06 CIN-UPPE

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1 Eletrônica Aula 06 CIN-UPPE

2 Amplificador básico Amplificador com transistor Exemplo: Análise Modelo CC Modelo CA V CC C 2 R L R G C 1 C E

3 Análise CA Para se fazer a análise CA é necessário: Eliminar as fontes DC. Curto-circuitar todos os capacitores Combinar os resistores, R1, R2, substituindo-os pelo seu equivalentes (R B ), substituindo-o pelo seu modelo de pequeno sinal. z i i i Modelo CA de um transistor i C v o v i R 1 R 2 r o R C z o

4 Parâmetros de Análise Impedância de entrada (Z i ) Impedância de saída (Z o ) Ganho de tensão (A v ) Ganho de corrente (A i )

5 Modelo de um BJT para pequenos sinais Modelo r e do transistor Este modelo emprega um diodo e uma fonte de corrente controlada para modelar o transistor na região de interesse. Este modelo é sensível ao valor cc de operação do amplificador. Modelo híbrido equivalente do transistor Os parâmetros híbridos (V e I) são definidos em um ponto de operação que pode ou não refletir as condições reais de operação do amplificador. Ambos os modelos são usados para análise CA de um BJT

6 Operação em pequeno sinal O ponto de operação de um amplificador (ponto Q) é importante, desde que este representa o ponto de funcionamento DC do amplificador. I E Q (ponto de operação) Q (ponto de operação) Distorção da onda (indesejável p/amplificadores de alta fidelidade) V BE

7 Modelo r e do transisor (modelo CA) Configuração emissor comum I C = βi B C I C = βi B B I B E I E I E =(β+1)i B βi B (β>>1)

8 Modelo r e do transisor (modelo CA) Cálculo da Impedância de entrada (Z i ) C I C = βi B i i =i B B r e z i v i v be r e I E z i = βr e E Z i = v i /i i =v be /i b i e.r e /i b = βi B.re/ib= β.r e

9 Resistência CC e CA Resistência CC no transistor: R CC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a corrente de operação do transistor. Exemplo para I E = 1mA, R CC = 0,7V/1 ma = 700Ω Resistência dinâmica CA do transistor: Esta resistência é a variação da tensão base-emissor dividida pela variação de corrente no emissor. R CA = V BE / I E Exemplo para V BE = 1m V e I E = 40 µa, R CA = 1mV/40 µa = 25Ω Regra prática: A resistência CA aplicada a todos os transistores varia de acordo com a temperatura de operação do transistor. Para 25 o C: R CA = 25mV/ I E ou r e = 25mV/I E a 50 mv/ I E Esta equação se baseia em uma junção base-emissor perfeita e depende da temperatura de operação do transistor. Este efeito resistivo ocorre dentro do transistor.

10 Modelo r e do transisor (modelo CA) Cálculo da impedância de saída (z o ) Inclinação = i c / v ce = 1/r o I B.R L / Quanto maior for a inclinação menor derá a impedância i c c v ce z o r o e

11 Modelo r e do transisor (modelo CA) z i z o R L Ganho de tensão (r o Ω): Ganho de corrente(r o Ω): A v = V o /V i = βi B.R L / I B.βr e = R L /r e A i = i o /i i = i c./ I B =β= h fe Parâmetros de análise CA do transistor para pequenos sinais: - Impedância de entrada (Z i )= βr e (r e = 25mV/I E ) p/25 o C - Impedância de saída (Z o )= r o - Ganho de tensão (A v )= V o /V i = βi B.R L / I B.βr e = R L /r e - Ganho de corrente (A i )= i o /i i = i c./ I B =β= h fe

12 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais CA modelo híbrido equivalente O modelo DC, em geral utilizado para polarização de transistores, não consegue representar adequadamente as pequenas variações CA. Em BJT, existem 4 parâmetros de interesse: i B, i C, v BE,v CE v BE como função de i B e v CE

13 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA i C como função de i B e v CE

14 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA Considere os parâmetros I B, I C, V BE, V CE do transistor operando no ponto Q (ponto de operação) i B = I B + i B v CE = V CE + v CE As mudanças ib e v CE resultam nas mudanças CA de v BE e i c que podem ser encontradas pela série de Taylor na região vizinha ao ponto Q, ou seja:

15 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA As derivadas parciais são calculadas no ponto Q: v BE (I B,V CE ) =V BE i C (I B,V CE ) =I C Podemos denotar as mudanças CA em v BE e i C assim como v BE e i C por: v BE (I E + i B, V CE + i CE )=V BE + v BE i C (I E + i B, V CE + i CE )=i C + i C Aplicando um pequeno sinal CA nós mudamos i B e v CE com pequenos valores i B e v CE que faz com que o transistor responda mudando v BE e I C, v BE e i CE

16 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA Respostas do transistor a sinais CA são dadas por: As derivadas parciais são as inclinações das curvas próximas ao ponto de operação Q.

17 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA Considerando as derivadas parciais próximas ao ponto de operação Q. Definimos então os parâmetros: Onde: h ie - resistor de entrada do rasistor, dado em Ohms (Ω) h re - sem unidade h fe - sem unidade (ganho) h oe condutância de saída, dado em mhos (Siemens) A resposta do transistor para pequenos sinais CA é dado por:

18 Modelo híbrido (h) Modelo equivalente da entrada do transistor

19 Modelo híbrido (h) Modelo equivalente da saída do transistor

20 Modelo híbrido (h) Modelo equivalente da entrada/saída do transistor O modelo equivalente de pequeno sinal é matematicamente válido apenas para sinais de pequena amplitude. Os parametros h são fornecidos pelo fabricante do dispositivo. Estes parâmetros podem mudar substancialmente dependo do fabricante.

21 Modelo híbrido (h) - exemplo Parâmetros híbridos (típicos) transistor 2N3904 Mínimo Médio Máximo

22 Modelo híbrido (h) Desconsiderando o componente h re, o qual é muito pequeno e usualmente ignorado em modelos analíticos, chegamos a um modelo denominado hibrido-π. Assim:

23 Modelo híbrido (h) Modelo híbrido-π através de uma fonte de corrente controlada. Transcondutância βr e Resistência do emissor

24 Modelo híbrido (h) Considerando que o comportamento do transistor é dirigido pela tensão V BE : Uma variante do modelo híbrido-π pode ser desenvolvido através de uma fonte de tensão controlada. Transcondutância Resistência do emissor

25 Exemplo - Amplificador Emissor Comum Características: Inversão de fase em 180 o entre os sinais de entrada e saída O capacitor de saída bloqueia a tensão CC Não deve há tensão CA no emissor na freqüência de trabalho Não há tensão CA na fonte de alimentação devido ao filtro da fonte. V CC C 2 C 1 C E Inversão de fase (180 o )

26 Análise do circuito Modelo CA para circuito com polarização por divisor e tensão: i i i C V i Z i R 1 R 2 βr e i o Z o Z i =R βr e Z o =R C r o R =R 1 R 2 Calcular: a) r e 25mV/I E (resistência do emissor) b) Z o impedância de entrada c) Z i impedância de saída d) Ganho de tensão A v (A v = V o /V i ) e) Ganho de corrente A (A i i = i o /i i )

27 Impedância de entrada Z i : Z i =R βr e Onde R = R1.R2/(R1+R2) Impedância de saída Z o : Z o =R C r o Ganho de tensão: A v = V o /V i Onde V o = I C. Z o = -(βi B )(R C r o ) I B = V i /βr e Assim, V o =-β(v i /βr e )(R C r o ) e Portanto: A v = V o /V i = - (R C r o )/r e Se r o >> R C A v = - R C /r e Ganho de corrente: A i = i o /i i Onde i o = (r o )(βi B )/ (r o +R C ) Com Portanto: i o / i B = (r o βi B )/ (r o +R C ) i B = (R B )(i i )/(R B +βr e ) A i = (βr B r e )/[(r o +R C ).(R B +βr e )] Se considerarmos r o >> R C e R B >> βr e A i β

28 Amplificador básico Amplificador com transistor Exemplo: Análise Modelo CC Modelo CA V CC C 2 R G C 1 C E

29 Exemplo Análise CC Projete um circuito estável com um ponto Q de I C = 5.0 ma e V CE = 7.5 V. Considere β entre 100 e 400. Amplificar sinal senoidal ca 1mv (pp). Ganho 100 frequência de 3KHz Considere o transistor BC546 Q (ponto de operação)

30 Análise Encontrar V CC, R C, R E, R 1, R 2 Encontrar V CC Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: V CC = 2V CE = 2x7.5V = 15.0 V Encontrar R C e R E Encontrar equação de tensão da malha CE +15V V CE = V CC -I C (R C +R E ) => R C +R E = 7.5/(5.0x10-3 ) R C +R E = 1.5K Ω = 1.2 KΩ A escolha é livre, mas devemos assegurar que V E =I E.R E > 1V Assim, R E > 1/I E. Como IE IC, R E > 200 Ω Se fizermos R E = 220 Ω, R C = 1.2K Ω = 220 Ω