Circuitos Eletrónicos Básicos

Transcrição

1 Circuitos Eletrónicos Básicos Licenciatura em Engenharia Eletrónica Transparências de apoio às aulas Cap. 1: Circuitos com um transístor 1º semestre 2013/2014 João Costa Freire Instituto Superior Técnico Setembro de Polarização DC estabilizada do MOS & BJT: Resumo (1de2) Para processar sinais analógicos os transístores têm de estar polarizados em DC numa zona linear (BJT activa e MOS saturação) Realimentação por resistência série-série (comum à malha de entrada e saída) MOS: R S & BJT: R E V BB v BE = (R B i C / β) + [R E i C (β + 1) / β] v BE e β variam muito com Temperatura e β tem tolerância elevada ao processo de fabrico V GG = V DD R G2 / (R G1 + R G2 ) = v GS + R S i D i D = K N (v GS V t ) 2 com K N = µ n C ox W / (2 L) V t tem tolerância elevada i C constante R B << β R E e V BB >> v BE i D constante R S

2 1. Polarização DC estabilizada do MOS & BJT: Resumo (2de2) Realimentação por resistência paralelo-paralelo (entre o nó de entrada e o nó de saída) MOS: R G & BJT: R B Não confundir com R GG e R BB do equivalente de Thévenin do circuito de G e B no caso anterior V CC v BE = (R B i C / β) + [R C i C (β + 1) / β] v BE e β variam muito com Temperatura e β tem tolerância elevada ao processo de fabrico i G = 0 v GS = v DS = V DD R D i D i D = K P (v GS V t ) 2 V t tem tolerância elevada i C constante R B << β R C e V CC >> v BE i D constante V DD, R D i D ou i C constante g m constante ganho constante 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (1de8) Amplificações (Ganhos) de tensão e corrente, e resistências de entrada e saída definidas aos terminais dos transístores (para comparação) Usa-se modelos dinâmicos (AC) simples: MOS g m v gs e r o =r ds ; BJT g m v π e r π (r o se importante). 1. Fonte Comum: FC v i = v gs e v o = g m v gs (R D //r o ) A v = v o / v i = g m (R D //r o ) i i = 0 R i = v i / i i = e A i = i o / i i = R o = v o / i o = r o porque v i = 0 (do Teorema de Thevenin) v gs = 0 gerador de corrente comandado é equivalente a um circuito aberto (ATENÇÃO - só para o cálculo de R o )

3 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (2de8) 2. Emissor Comum: EC R i = r π e R o = r o porque v i = 0 (Thevenin) v π = 0 i i = v i / R in e i o = v o / R C A i = g m (R C //r o ) r π / R C se R C << r o A i β o v i = v π e v o = g m v π (R C // r o ) A v = g m (R C // r o ) Nota: no amplificador existindo o gerador de excitação antes de R B e a carga depois de R C, R in inclui R B e R out inclui R C SC e EC variável de comando na entrada e gerador comandado na saída: têm ganho de tensão e de corrente (A v e A i > 1) 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (3de8) 3. Dreno Comum: DC i i = 0 R i = v i / i i = A i = i o / i i = v i = v gs + v o e v o = g m v gs (r o // R L ) A v = g m (r o // R L ) / [1+ g m (r o // R L )] < 1 se g m (r o // R L ) >> 1 A v 1 DC também é chamado Seguidor de Fonte No cálculo de R o tem-se v i = 0 v gs = v o fica aos terminais do gerador que passa a equivalente a uma resist1ência 1/g m R o = 1 / g m // r o 1 / g m Como R o << R i é um isolador: não pede corrente ao gerador de entrada mas entrega corrente à carga com baixa resistência interna (bom gerador de tensão)

4 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (4de8) 4. Colector Comum: CC v i = i i r π + (i i + g m v π ) (r o //R L ) e v π = i i r π R i = r π + (1+ g m r π ) (r o //R L ) β o (r o //R L ) se g m r π >> 1 v o = (g m + g π ) v π (r o // R L ) A v = (g m + g π ) (r o // R L ) / [1+ (g m + g π ) (r o // R L )] < 1 como g m >>g π se g m (r o // R L ) >> 1 A v 1 CC ou Seguidor de Emissor A i = - (v o /R L ) / (v i /R i ) = g m r π (r o // R L ) / R L β o se r o >> R L No cálculo de R o tem-se v i = 0 v π = v o fica aos terminais do gerador que passa a equivalente a uma resist1ência 1/g m R o = 1/g m // r o // r π 1 / g m Tal como o DC é isolador (R o << R i ). Notar que em ambos o comando está no ramo horizontal e o gerador comandado na saída invertido 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (5de8) 5. Porta Comum: PC i i = g m v i + (v i v o ) g o e v o = i i R D A v = (g m + g o ) R L / (1+ g o R L ) se g m >> g o A v g m R L / (1+ g o R L ) se r o >> R L A v g m R L A vsc R i = 1 / [g m + (1 A v ) g o ] 1 / g m A i = 1 se g m >> (1 A v ) g o No cálculo de R o tem-se v i = 0 v gs = 0 e o gerador é equivalente a um circuito aberto R o = r o Quanto a nível de resistências é oposto do DC (R i << R o ) Não se aumenta A v ao colocar vários andares em cascata porque cada andar N é carregado por R i do seguinte (N+1) em paralelo com R D A v g mn (R D // 1/g m(n+1) ) 1 se g mn = g m(n+1) >> G D = 1/R D (mesma I D )

5 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (6de8) 6. Base Comum: BC i o = g m v i +(v i v o ) g o e v o = i o R C A v = (g m + g o ) R L / (1+ g o R L ) se g m >> g o A v g m R L / (1+ g o R L ) se r o >> R L A v g m R L A vec i i = g m v i +(v i v o ) g o + v i g π R i = 1 / [g m + g π + g o (1 A v )] como g m >>g π se g o 1 A v << g m R i 1 / g m A i = - (v o /R L ) / (v i /R i ) = A v R i / R L 1 se g m >> g o 1 A v > g o No cálculo de R o tem-se v i = 0 v π = 0 e o gerador é equivalente a um circuito aberto R o = r o Tal como o GC a nível de resistências é oposto ao CC (R i << R o ) e não adianta andares em cascata. Em ambos (GC e BC) o comando está na entrada invertido e o gerador comandado está no ramo horizontal 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (7de8) Para obter um compromisso Ganho/Isolamento surgem montagens degeneradas: Fonte ou Emissor Degenerado. A resistência de fonte (ou de emissor) que estabiliza o PFR não é contornada ou é só parcialmente contornada por um condensador: há realimentação série também em AC. 7. Fonte Degenerada: FD i i = 0 R i = e A i = Nó ref. i RS = i o (v gs v i ) / R S = v o / R D Nó D v o / R D = = [ g m v gs + g o (v i v gs v o )] A v = g m R D / [1 + g o R L + (g m + g o ) R S ] R D / R S ( < g m R D A vfc ) se g m r o >> R L / R S A v > 1 (interesse da FD é ter ganho) v i = 0 (nó ref.) i o = v gs / R S (nó D) i o = g m v gs + g o (v o + v gs ) R o = r o (g m + g o + G S ) R S r o g m R S (>> r o ) se g m >> g o e G S Perde ganho em relação ao FC mas tem R i e R o muito maiores

6 2. Amplificador simples: Resumo com MOS & BJT (8de8) 8. Emissor Degenerado: ED Desprezando r o em A v, A i e R i v i r π i i + R E (i i + g m r π i i ) R i r π + R E (1 + g m r π ) R icc v o g m v π R C = g m r π i i R C A v g m R C / [1 + (g m + g π ) R E ] R C / R E se g m >> g π e g m R E >> 1 A i = A v R i / R C g m [r π + R E (1 + g m r π )] / [1 + (g m + g π ) R E ] β o se g m >> g π e g m R E >> 1 Com r o e v i = 0 nó E (g m + g π + G E + g o ) v π + g o v o = 0 e i o = [g m v π + g o (v o + v π )] R o = r o (g m + g π + G E + g o ) / (g π + G E ) se g m >> g π, G E, g o R o r o g m (r π // R E ) A ved R C / R E = g m R C / (g m R E ) A vec / (g m R E ) < A vec Perde ganho em relação ao EC mas tem R i e R o muito maiores 3. Tabelas Resumo Amplificador simples: MOS & BJT (1de2) Andar/Característica A V A I R i R o Aplicação típica Fonte Comum (FC) (<0) amplificador Dreno Comum (DC) 1 isolador / amplif. Corrente Porta Comum (PC) (>0) = 1 banda larga Fonte Degenerada(FD) (<0) amplificador / isolador Emissor Comum (EC) (<0) amplificador Colector Comum (CC) 1 isolador / amplif. Corrente Base Comum (BC) (>0) 1 banda larga Emissor Degenerado (ED) amplificador / isolador 12

7 3. Tabelas Resumo Amplificador simples: MOS & BJT (2de2) Montagem A V A I R i R o Fonte Comum g m R L { // R GG } r ds { //R D } Dreno Comum g m R L /(1+g m R L ) { // R GG } 1/g m { // r ds } Porta Comum g m R L 1 1/g m // r ds r ds { // R D } Fonte Degener. R D / R S { // R GG } r o g m R S {//R D } Emissor Comum g m R L β ο = g m r π r π { //R BB } r o { //R C } Colector Comum g m R L /(1+g m R L ) 1 + β ο r π +(1+β +(1+β ο )R E {//R BB } 1/g m { // r o } Base Comum g m R L -β ο / (1+β ο ) -1 1/g m r o { //R C } Emissor Degener. R C / R E β ο r π +(1+β {//R X } termo adicional se não desprezar R X : R X = r o do BJT; = R BB ou R GG - equivalente de Thévenin do circuito de polarização da Base ou da Porta, = R C,D quando R out é a resistência vista da carga R L e não do terminal de saída do transístor. +(1+β ο )R E {//R BB } g m r o (r π // R E ) { // R C } R L = R L //R D,C //r ds,o todas as resistências que carregam o gerador de corrente comandado do modelo do transístor nota: as expressões referem-se aos nós de entrada e saída de cada transístor. Ex.G comum: A V = V dg /V sg, A I = I d /I s, R i = V s /I s, R o = V d /I d Fórmulas aproximadas (não exatas) que permitem fácil comparação Notas e Questões (1de2) Polarização por realimentação com resistência série-série (R E ou R S ) embora seja a mais eficiente e fácil de projectar (várias variáveis) exige condensador de contorno para ganho elevado, que introduz limitação em baixa frequência e 2 resistências para polarizar a base (porta). Realimentação negativa (efeito contraria a causa) i D,C v RS,E v GS,BE i D,C Polarização por realimentação com resistência paralelo-paralelo (R B ou R G ) tem menos resistências (menos variáveis) mas é menos eficiente, reduz o ganho mas normalmente menos do que R E ou R S quando não contornadas. Realimentação também negativa i D v GS = v DS i D ou i C v RC e v RB v BE i C 14

8 4. Notas e Questões (2de2) Para um gerador de tensão com uma impedância equivalente de Thevenin elevada que tipo de andar se deve usar na entrada dum amplificador de tensão? Para obter com um só andar um elevado ganho de potência que tipo de andar de amplificação deve usar? Para um gerador de corrente com uma admitância média (kω) qual o andar que deve usar na entrada dum amplificador de tensão? Para excitar uma carga resistiva baixa (Ωs) que andar deve usar na saída dum amplificador para maximizar a potência na carga? Qual é o andar de amplificação capaz de melhor converter uma baixa impedância (gerador Ωs) numa elevada impedância (carga 100kΩs)? Qual é o andar de amplificação capaz de melhor converter uma alta impedância (100kΩs) numa baixa impedância (Ωs)? 15