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Amplificador básico
Amplificador com transistor
– Exemplo:
Análise
– Modelo CC
– Modelo CA
RG
RL
CE
C2
C1
VCC
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 (RB), substituindo-o pelo seu modelo de pequeno sinal.
R1 R2 ro RC
Modelo CA
de
um transistor
vi
vo
zi
iizo
iC
Parâmetros de Análise
Impedância de entrada (Zi)
Impedância de saída (Zo)
Ganho de tensão (Av)
Ganho de corrente (Ai)
Modelo re 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
Modelo de um BJT para pequenos sinais
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.
Q (ponto de operação)
Q (ponto de operação)
VBE
IE
Distorção da onda
(indesejável p/amplificadores de alta fidelidade)
Modelo re do transisor (modelo CA)
Configuração emissor comum
IC = βIB
IE =(β+1)IB ≅ βIB (β>>1)
IC = βIB
IBIE
C
B
E
Cálculo da Impedância de entrada (Zi)
IC = βIBii =iB
IE
C
B
E
vberevizi
Modelo re do transisor (modelo CA)
zi = βre
re
Zi = vi/ii=vbe/ib≅ie.re/ib= βiB .re/ib= β.re
Resistência CC e CA Resistência CC no transistor:
– RCC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a corrente de operação do transistor.
• Exemplo para IE = 1mA, RCC = 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.
– RCA = ∆VBE/ ∆IE• Exemplo para ∆VBE = 1m V e ∆IE = 40 µA,
– RCA = 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 oC:
– 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.
RCA = 25mV/ IE ou r´e = 25mV/IE a 50 mV/ IE
Cálculo da impedância de saída (zo)
ro
zo
c
e
Inclinação = ∆ic/ ∆vce = 1/ro
∆ic
∆vce
Modelo re do transisor (modelo CA)
IB.RL/
Quanto maior for a inclinação
menor derá a impedância
Modelo re do transisor (modelo CA)
zizo
Ganho de tensão (ro ≅ ∞ Ω):
Av = Vo/Vi= βIB.RL/ IB.βre= RL/re
Ganho de corrente(ro ≅ ∞ Ω):
Ai = io/ii= ic./ IB=β= hfe
RL
Parâmetros de análise CA do transistor para pequenos sinais:
- Impedância de entrada (Zi)= βre (re = 25mV/IE) p/25 oC
- Impedância de saída (Zo)= ro
- Ganho de tensão (Av)= Vo/Vi= βIB.RL/ IB.βre= RL/re
- Ganho de corrente (Ai)= io/ii= ic./ IB=β= hfe
Modelo de transistor BJT para pequenossinais – CA – modelo híbrido equivalente
O modelo DC, em geral utilizado para polarização de transistores, nãoconsegue representar adequadamente as pequenas variações CA.
Em BJT, existem 4 parâmetros de interesse:
– iB, iC, vBE,vCE
vBE como função de iB e vCE
Considere os parâmetros IB, IC, VBE, VCE do transistor operando no
ponto Q (ponto de operação)
– iB = IB+∆iB
– vCE = VCE+∆vCE
Modelo de transistor BJT parapequenos sinais - CA
As mudanças ∆iB e ∆vCE resultam nas mudanças CA de vBE e ic que
podem ser encontradas pela série de Taylor na região vizinha ao ponto
Q, ou seja:
As derivadas parciais são calculadas no ponto Q:
– vBE (IB,VCE ) =VBE
– iC (IB,VCE ) =IC
Podemos denotar as mudanças CA em vBE e iC assim como ∆vBE e
∆iC por:
– vBE(IE+∆iB, VCE+∆iCE)=VBE+∆vBE
– iC(IE+∆iB, VCE+∆iCE)=iC+∆iC
Aplicando um pequeno sinal CA nós mudamos iB e vCE com
pequenos valores ∆iB e ∆vCE que faz com que o transistor
responda mudando vBE e IC, ∆vBE e ∆iCE
Modelo de transistor BJT parapequenos sinais - CA
Modelo de transistor BJT parapequenos 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.
A resposta do transistor para pequenos sinais CA é dado por:
Modelo de transistor BJT parapequenos sinais - CA
Considerando as derivadas parciais próximas ao ponto de operação
Q. Definimos então os parâmetros:
Onde:
hie - resistor de entrada do rasistor, dado em Ohms (Ω)
hre - sem unidade
hfe - sem unidade (ganho)
hoe – condutância de saída, dado em mhos (Siemens)
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.
Desconsiderando o componente hre, o qual é muito pequeno e
usualmente ignorado em modelos analíticos, chegamos a um modelo
denominado hibrido-π.
Assim:
Modelo híbrido (h)
Modelo híbrido (h)
Modelo híbrido-π através de uma fonte de corrente controlada.
Transcondutância βre
Resistência do emissor
Considerando que o comportamento do transistor é dirigido pelatensão VBE:
Uma variante do modelo híbrido-π pode ser desenvolvido através de uma fonte de tensão controlada.
Transcondutância
Resistência do emissor
Modelo híbrido (h)
Exemplo - Amplificador Emissor Comum Características:
– Inversão de fase em 180o 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.
CE
C2
VCC
Inversão de fase (180o)
C1
Análise do circuito
Modelo CA para circuito com polarização por divisor e tensão:
Vi
R1 R2
βre
R’=R1 || R2
Calcular:
a) re – 25mV/IE (resistência do emissor)
b) Zo – impedância de entrada
c) Zi – impedância de saída
d) Ganho de tensão Av (Av = Vo/Vi)
e) Ganho de corrente Ai (Ai = io/ii)
ZiZo
Zi =R’ || βreZo =RC || ro
iC
io
ii
Impedância de entrada Zi:
Zi =R’ || βre
Onde R’ = R1.R2/(R1+R2)
Impedância de saída Zo:
Zo =RC || ro
Ganho de tensão:
Av = Vo/Vi
Onde
Vo = IC. Zo = -(βIB)(RC || ro)
IB= Vi/βre
Assim,
Vo=-β(Vi/βre )(RC || ro) e
Portanto:
Av = Vo/Vi = - (RC || ro)/re
Se ro>> RC
Av = - RC/re
Ganho de corrente:
Ai = io/ii
Onde io = (ro)(βiB)/ (ro+RC)
io / iB = (roβiB)/ (ro+RC)
Com
iB = (RB)(ii)/(RB +βre)
Portanto:
Ai = (βRBre)/[(ro+RC).(RB +βre)]
Se considerarmos
ro>> RC e RB >> βre
Ai ≅ β
Amplificador básico
Amplificador com transistor
– Exemplo:
Análise
– Modelo CC
– Modelo CA
RG
CE
C2
C1
VCC
Exemplo Análise CC Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5.0 mA e VCE = 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)
Análise
Encontrar VCC, RC, RE, R1, R2
Encontrar VCC
– Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga:
• VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V
Encontrar RC e RE
–Encontrar equação de tensão da malha CE
•VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3)
RC+RE = 1.5K Ω
• A escolha é livre, mas devemos assegurar que
VE=IE.RE > 1V
Assim, RE > 1/IE . Como IE ≈ IC, RE > 200 Ω
Se fizermos RE = 220 Ω, RC= 1.2K Ω= 220 ΩΩΩΩ
= 1.2 KΩΩΩΩ
+15V