Exemplo 4.10 – continuação (4)

1. Exemplo 4.10 – continuação (4) vBE: onda triangular com 8,6 mV de pico.  Corrente de coletor:

2. Exemplo 4.10 – continuação (5) vC: onda triangular com 2,43 V de pico.  Resolver o exemplo 4.11 com atenção.

3. Análise para pequenos sinais – considerações • Análise de primeira ordem diretamente no circuito (o modelo equivalente é utilizado implicitamente) – Vide exemplo 4.11, figura 4.30 (d). • Expandindo o modelo p-híbrido para considerar o efeito Early a corrente de coletor depende não apenas de vBE , mas também de vCE .  Dependência com vCE pode ser modelada atribuindo-se uma resistência finita ro na saída da fonte de corrente controlada do modelo p-híbrido. ro VA / IC (VA : tensão Early; IC : corrente cc de polarização do coletor).

4. Modelo p-híbrido e o efeito Early Figura 4.33 O modelo p-híbrido para pequenos sinais, em suas duas versões, com a resistência ro incluída.  O ganho será parcialmente reduzido. ro >> RC : a redução no ganho será desprezível.  Ambos os modelos-T podem ser expandidos para levar em conta o efeito Early, incluíndo-se ro entre C e E.

5. Modelos p-híbrido e T e o efeito Early

6. O efeito Early – revisão

7. Parâmetros dos modelos – resumo • Parâmetros do modelo em termos das corentes de polarização cc: • Em termos de gm: • Em termos de re: • Relações entre a e b :

8. Análise gráfica • Figura 4.34 – exemplo 4.9 : Análise gráfica  (1) Determinar o ponto cc de polarização (vi = 0)  iB vBE : determinar a corrente de polarização da base IB (como fizemos para diodos); (2)iC vCE (iB constante) e iC vCE (vBE constante) (Figura 4.15)  determinar o ponto de operação Q. Figura 4.34 Circuito cuja operação será analisada graficamente. Restrições impostas pelo circuito.

9. Análise gráfica (2) Figura 4.35 Construção gráfica para a determinação da corrente cc da base. Figura 4.36 Construção gráfica para a determinação da corrente cc do coletor IC e da tensão coletor-emissor VCE.

10. Análise gráfica (3) • RC: carga do amplificador  reta com inclinação – 1 / RC : reta de carga. • Q (IC , VCE ): ponto de polarização cc, ou ponto quiescente. • Para a operação do amplificador, Q deve estar na região ativa. • Além disso, Q deve estar no meio da região ativa, para permitir que um sinal (ac) excursione razoavelmente quando o sinal de entrada vi for aplicada. • Exemplo: vi – onda triangular ; vBE = VBB + vi . • Reta com inclinação – 1 / RB : “reta de carga instantânea”  Intercepta a curva iB–vBE no ponto cujas coordenadas fornecem os valores instantâneos de iB e de vBE correspondentes ao valor particular de VBB + vi (t).

11. Análise gráfica (4) Aproximação para pequenos sinais Figura 4.37 Determinação gráfica das componentes de sinal vbe , ib , ic e vce quando um sinal vi é sobreposto à tensão ccVBB , na figura 4.34.

12. Efeitos da localização do ponto de polarização na excursão máxima do sinal • Q iC – vCE : afeta significativamente a excursão máxima permitida no coletor (vCE MAXVCC região de corte; vCE MIN região de saturação).  Valor baixo de RC . Figura 4.38 Efeito da localização do ponto de polarização na excursão máxima do sinal: a reta de carga A resulta em um ponto de polarização QA com um VCEcorrespondente que está muito próximo de VCC e, portanto, limita a excursão positiva de vCE. No outro extremo, a reta de carga B resulta em um ponto de operação muito próximo da região de saturação, limitando portanto a excursão negativa de vCE.  Valor alto de RC .

13. Polarização do TBJ para projetos de circuitos com componentes discretos • O problema da polarização  estabelecer uma corrente cc constante no emissor do TJB.  Deve ser calculável, previsível e insensível às variações da temperatura e às grandes variações no valor de b encontradas em transistores de um mesmo tipo. • Outra consideração importante  localizar o ponto de polarização no plano iC vCE de forma a permitir a máxima excursão do sinal de saída. • Diferentes abordagens empregadas para resolver o problema da polarização de circuitos projetados com componentes discretos (circuitos integrados – Capítulo 6).

14. Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples  Alimentar a base do transistor com uma fração da tensão de alimentação VCC através de um divisor resistivo de tensão R1 e R2. Além disso, um resistor RE é conectado ao emissor. Figura 4.39 Polarização clássica para TJBs usando uma fonte de alimentação simples: (a) circuito; (b) circuito com o divisor de tensão de alimentação da base substituído pelo seu equivalente de Thévenin.

15. Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (2)  Para que IE fique insensível às variações na temperatura e na variação de b o projeto do circuito deve satisfazer as condições:  Por que?

16. Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (3)  VBB >> VBE pequenas variações em VBE (próximo de 0,7V) serão desprezadas pelo vaor muito maior de VBB.  Limite superior para VBB : para um dado valor da tensão de alimentação VCC , quanto maior o valor de VBB , menor será a soma das tensões em RC e na junção coletor-base (VCB).  Por outro lado, deseja-se que a tensão em RC seja a maior possível a fim de obter-se um alto ganho de tensão e uma grande excursão do sinal (antes do transistor entrar em corte).  Deseja-se, também, que VCB (ou VCE) seja de alto valor para proporcionar uma grande excursão do sinal (antes de o transistor entrar na saturação).  Requisitos conflitantes: solução  um compromisso.

17. Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (4)  VBB >> VBE .  Regra prática: VBB 1/3 VCC ; VCB(ouVCE) 1/3 VCC ; ICRC 1/3 VCC .  RE >> RB / (b+1) IE insensível às variações de b.  Pode ser satisfeita escolhendo-se um valor pequeno para RB , o que pode ser obtido usando-se valores baixos para R1 e R2.  Valores baixos de R1 e R2 , no entanto, implicarão uma maior corrente drenada da fonte de alimentação e normalmente resultarão em redução na resistência de entrada do amplificador (se o sinal for acoplado na base), que é a solução de compromisso envolvida na solução desta parte do projeto.

18. Arranjos de polarização usando uma fonte de alimentação simples (5)  RE >> RB / (b+1) VB independente das variações do valor de b; VB determinada somente pelo divisor de tensão.  Será satisfeito de a corrente no divisor tiver valor muito maior que a corrente da base.  Tipicamente, R1 e R2 são escolhidos de tal modo que suas correntes estejam na faixa de IE a 0,1 IE .  A realimentação proporcionada por RE também contribuem na estabilização da corrente IE (e, portanto, IC). • Se IE a tensão IE REVEVBE (se VB for determinada prioritariamente pelo divisor de tensão R1, R2, que é o caso se RB for pequeno) IC (e IE)  , gerando uma variação oposta àquela original (maior detalhamento de realimentação negativa – capítulo 8).

19. Exemplo 4.12 • Deseja-se projetar a rede de polarização do amplificador na figura 4.39 para estabelecer uma corrente IE = 1 mA usando uma fonte de alimentação VCC = + 12 V. Solução: Regra prática: VBB 1/3 VCC ; VCB(ouVCE) 1/3 VCC ; ICRC 1/3 VCC .

20. Exemplo 4.12 (2)

21. Exemplo 4.12 (3) • Suponha que deseja-se, agora, drenar uma corrente mais alta da fonte de alimentação.  Lembre-se que isto resulta em uma menor resistência de entrada para o amplificador. • Neste caso, podemos usar:  O efeito desta maior corrente do divisor de tensão sobre a resistência de entrada do amplificador é analisado na seção 4.11 do livro texto.

22. Exemplo 4.12 (4) • No primeiro caso, em que : • No segundo caso ( ): • Por simplicidade, o livro texto escolhe RC = 4 kW para os dois projetos. • Façam o exercício interno 4.27 com atenção!

23. Polarização usando duas fontes de alimentação • Estrutura mais simples: Figura 4.40 Polarização para TJB usando duas fontes de alimentação. O resistor RB é necessário apenas se o sinal de entrada for acoplado na base. Em outros casos, a base pode ser conectada diretamente ao terra, resultando em uma independência quase total da corrente de polarização em relação ao valor de b.  Fazer o exercício interno 4.28 com este arranjo de polarização.

24. Um arranjo alternativo de polarização • Arranjo de polarização alternativo simples, porém eficaz, apropriado para os amplificadores na configuração emissor comum: Figura 4.41(a) Um arranjo alternativo de polarização simples apropriado para os amplificadores na configuração emissor comum. (b) Análise do circuito em (a).

25. Um arranjo alternativo de polarização (2) • Observe, contudo, que o valor de RB determina a excursão máxima permitida para o sinal no coletor, uma vez que:  A estabilidade da polarização nesse circuito é obtida pela ação da realimentação negativa introduzida pelo resistor RB.  Resolvam o exercício interno 4.29 com esta configuração.

26. Polarização usando uma fonte de corrente • Vantagem: a corrente do emissor é independente das variações dos valores de b e de RB. Figura 4.42 (a) Um TJB polarizado usando uma fonte de corrente constante I. (b) Circuito para implementação da fonte de corrente I.  RB pode ter um valor elevado, permitindo um aumento na resistência de entrada na base sem afetar adversamente a estabilidade da polarização.

27. Polarização usando uma fonte de corrente (2)  Além disso, a polarização usando uma fonte de corrente permite uma simplificação considerável de projeto. • Q1 e Q2 : um par de transistores casados. • Q1 : base e coletor em curto  comporta-se, portanto, como um diodo. • Q1 e Q2 : valores elevados de b suas correntes de base podem ser desprezadas (por que?)  A corrente através de Q1 será aproximadamente igual a IREF :

28.  Q1 e Q2 : mesmo VBE ICQ1 = ICQ2 Polarização usando uma fonte de corrente (3) • Desprezando-se o efeito Early em Q2 , I permanecerá constante no valor acima enquanto Q2 permanecer na região ativa. • Isto pode ser garantido mantendo-se a tensão de coletor V maior que a tensão de base ( –VEE + VBE ). • Q1 e Q2 : ligação conhecida como espelho de corrente.

29. Configurações básicas de amplificadores de estágio simples com TJB • Emissor comum (EC); Base comum (BC); Coletor comum (CC). • Capacitores: acoplamento de sinais (e outros propósitos). • O amplificador em emissor comum: • O TJB é polarizado com uma fonte de corrente constante I que possui uma resistência de saída elevada. • Um capacitor CE conecta o emissor ao terra (CE   XCE0: um curto para sinais ac): capacitor de passagem (bypass capacitor). • Fonte do sinal de entrada vS com resistência RS: conectada à base do transistor.

30. C Rs B E vs ib Rs vs Ri Ro O amplificador em emissor comum Entrada do amplificador EC: entre a base e o emissor  amplificador de emissor comum ou amplificador com emissor aterrado. vo: componente de sinal da tensão de coletor (RL: conectado ao coletor através de um capacitor de acoplamento de valor elevado). Ro Ri

31. ib Rs vs Ri Ro O amplificador em emissor comum (2) • Análise  determinação da resistência de entrada Ri , ganho de tensão vo / vs , ganho de corrente io / ib , resistência de saída Ro. •  Transistor  modelo p-híbrido (análise de pequenos sinais eliminar as fontes cc).

32. ib Rs vs Ri Ro O amplificador em emissor comum (3) • Se Rs >> rp o ganho será muito dependente de b (por que?). • Se Rs << rp o ganho é independente de b (por que?)  • Para circuitos com componentes discretos, RC << ro (usualmente), e ro pode ser eliminado das expressões anteriores.

33. ib Rs vs Ri Ro O amplificador em emissor comum (4) No caso de amplificadores CI, esse não é o caso. Nestes (capítulo 6), estaremos interessados no máximo ganho que se pode obter em um circuito EC: RC   Avmáx = – gm ro. • Substituindo-se • Avmáx é independente da corrente de polarização IC ! (Exemplo: para uma tecnologia de CI com VA = 100 V  Avmáx = 4000 V/V.)

34. O amplificador em emissor comum (5) O ganho de corrente do amplificador EC: • Para RC << ro Ai  –b (b é o ganho de corrente de curto-circuito, isto é, com RC = 0, para emissor comum.) • A resistência de saída Ro : vs = 0  vp = 0  Ro = RC // ro . • Em resumo, o amplificador EC pode ser projetado para proporcionar: • Elevados ganhos de tensão e corrente; • Resistências de entrada de valor moderado; • Resistências de saída de valor elevado (uma desvantagem – por que?).

35. O amplificador em emissor comum (6) Em amplificadores multiestágio de ganho elevado, a maior parte do ganho de tensão é usualmente obtida utilizando-se um ou mais estágios emissor comum. O amplificador EC, no entanto, possui uma resposta em freqüência relativamente pobre (capítulo 7). C Rs B E vs Ro Ri

36. C RS B E Ro vs Ri O amplificador em emissor comum com uma resistência no emissor Incluir uma resistência no caminho do sinal entre o emissor e o terra  pode levar a mudanças significativas nas características do amplificador.

37. C io Rs B Ro + vp – ro vs E Ri O amplificador em emissor comum com uma resistência no emissor (2) Transistor  substituir pelos modelos T (o modelo p resultaria na obtenção dos mesmos resultados, mas de maneira mais trabalhosa. Faça esta análise com o modelo p para treino.) Modelo T: a resistência Re no emissor aparecerá em série com a resistência de emissor re do modelo T (podendo, portanto, ser adicionada a ela, simplificando a análise).

38. C io Rs B Ro + vp – vs E Ri O amplificador em emissor comum com uma resistência no emissor (3) A resistência de saída de coletor ro conecta a saída do amplificador a sua entrada, destruindo assim a natureza unilateral do amplificador e complicando a análise consideravelmente. No entanto, uma vez que ro é elevado, sua inclusão na análise tem pouco efeito sobre o desempenho do amplificador.  Eliminaremos ro.