tcfe07082 10 analise circuitos tjb

Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrnica1

Anlise de Circuitos com Transstores Bipolares

Teresa Mendes de Almeida

Maio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

Teresa Mendes de [email protected]

DEECrea Cientfica de Electrnica

Matria Transstores de juno bipolares

NPN e PNP zonas de funcionamento

corte, zona activa, saturao Circuitos amplificadores

o transstor como amplificador modelo incremental

2

TCFE Anlise de Circuitos com Transstores Bipolares

modelo incremental circuito de polarizao circuitos seguidor de emissor e amplificador de tenso (emissor comum)

Efeito da temperatura polarizao estabilizada

Fontes de corrente Par diferencial com carga resistiva Exemplos de aplicao


Transstor de juno bipolar TJB - transstor de juno bipolar

fabricado com material semicondutor (silcio) dispositivo com 3 terminais

C colector B base E emissor

baseia-se em 2 junes PN

3

n

n

p

NPN


baseia-se em 2 junes PN base-colector (BC) base-emissor (BE)

2 tipos de transstores NPN e PNP

smbolo seta marca o terminal do emissor marca sentido da corrente indica sentido da juno pn entre base e emissor

dispositivo no-linear usar modelo linear para analisar circuito com TJB


p

pn

PNP

Transstor de juno bipolar 4 Transstor NPN Transstor PNP

TCFE Anlise de Circuitos com Transstores Bipolares Maio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

constitudos por 3 regies de material semicondutor dispostas em camadas base tem espessura reduzida colector e emissor so diferentes

dimenses e constituio so diferentes funcionamento do TJB mais complexo do que considerar apenas 2 junes

(como se fossem apenas 2 dodos isolados) porque a base muito estreita 2 junes interagem ente si no so independentes

Transstor de juno bipolar Aplicao das leis de Kirchhoff

KVL tenses entre terminais (circular entre terminais) KCL correntes a entrar/sair dos terminais (TJB visto como um n)

Sentidos/polaridades convencionais das correntes/tenses valores positivos quando transstor est em conduo

NPN PNP

5


B C Ei i i+ =

0BC CE BEv v v+ = 0EB CB ECv v v =

PNP mesmas equaes que PNP sentidos / polaridades trocadosMaio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

Regies de funcionamento do TJB modos de funcionamento do TJB de acordo com polarizao das junes pn

polarizao directa dodo ON vD = VON polarizao inversa dodo OFF vD < VON

6

Regio de funcionamento

Juno BE Juno BC Aplicaotpica

CORTE Polarizada inversamente

Polarizada inversamente

Circuitos lgicos

Zona Polarizada Polarizada AMPLIFICADOR


Amplificador Porta lgica NORgerador interruptorcomandado


ZonaACTIVA

Polarizada directamente

Polarizada inversamente

AMPLIFICADOR

SATURAO Polarizada directamente

Polarizada directamente

Circuitos lgicos

Corte TJB cortado (no conduz)

2 junes inversamente polarizadas NPN vBE < 0 vCE > 0 PNP vEB < 0 vEC > 0

transstor no percorrido por corrente comporta-se como interruptor aberto

7

0i i i= = =

n

n

p

NPN p

pn

PNP


Modelo equivalente circuito aberto entre todos os terminais transstor no intervm no circuito onde est inserido

Na prtica considera-se o TJB cortado


0B C Ei i i= = =

( )0,5 0,7ONBE BE

v V V V<

Zona Activa TJB conduz (iC > 0 e iB > 0)

juno BE directamente polarizada juno BC inversamente polarizada corrente de colector directamente proporcional corrente de base

8

( )( )

0,5 0,72

ONBE BE

CE

v V V V

v V tipicamente

=

>

( )1

BET

vV

C S

C B

i I ei ii i i i

=

= + = +


Modelo equivalente Ganho de corrente (hFE)NPN: 100 200PNP: 20 50

elevado clculo aproximadogerador comandado iB

Saturao TJB conduz (iC > 0 e iB > 0)

2 junes directamente polarizadas as tenses entre os terminais so impostas pelo transstor

as correntes so determinadas pelo circuito exterior o circuito exterior que determina se TJB est na saturao ou na zona

activa

9

( ) ( )0,5 0,7 0,1 0, 2ON SATBE BE CE CE

v V V V v V V V= =


activa iC calculada por anlise do circuito

Modelo equivalente


C B E B Ci i i i i< = +

C

VBE ON

B

E

iB iC

iE

VCESAT

Equaes TJB 10

Equaes escritas para NPN Para PNP trocar sentidos correntes / polaridades tenses

CORTE ZONA ACTIVA SATURAOJunes inversamente

polarizadasJuno BE directamente

polarizada

Juno BC inversamente

Junes directamente polarizadas


Juno BC inversamente polarizada0B C Ei i i= = =

( )0,5 0,7ONBE BE

v V V V<

( )1

BET

vV

C S

C B

E B C B

i I ei ii i i i

=

= + = +

( )0,5 0,7ONBE BE

v V V V=

( )0,5 0,7ONBE BE

v V V V=

( )0,1 0,2SATCE CE

v V V V=

C Bi i

= = = >>

Exemplo de aplicao PNP Calcular VC sabendo que VB=1V e VE=1,7V Qual o ganho de corrente ?

PNP sentidos das correntes so invertidos relativamente a NPN VEB=VEBon=0,7V considerar hiptese de zona activa

12

0,710 10 1,7 1,66

5

ONEB EB

EE

E

V V V

VI mAR k

= =

= = =

0,70, 2

ON

SAT

EB

EC

V V

V V

=

=


( )

( )

( )

50 1 10

100

1 1 165

1,6510 1,75

1,7 1,75 3, 45SAT

E

BB

B

EE B

B

C E B

C C C

B C

EC E C EC

R kVI A

R kII II

I I I mAV R I VV V CB inversamente polarizadaV V V V V

= = =

= + = =

= =

= + =

>

= = = >>

n

p

p

0, 2SATEC

V V=

Exemplo de aplicao Calcular correntes e tenses para diferentes sinais de entrada

VIN = VB = {0V,+4V, +6V} = 100 VBEon= 0,7V VCEsat= 0,2V

VIN = VB = +4V hiptese: zona activa

13

4 0,7 3,30 3,3 1

E B BEon

E

V V V VVI mA

= = =

= = =


0 3,3 13,3

0,99110 10 4,7 0,99 5,3

0,01 105,3 3,3 2

SAT

EE

E

C E

C C C

C B

B E C

CE C E CE

VI mAR k

I I mA

V R I VV V BC inversamente polarizadaI I I mA AV V V V V

= = =

= =

+

= = =

>

= = =

= = = >>

Exemplo de aplicao (cont.) Calcular correntes e tenses para diferentes sinais de entrada VIN = VB = +6V

hiptese: zona activa = 100VBEon= 0,7VVCEsat= 0,2V

14


VC < VB juno BC no pode estar inversamente polarizada TJB no pode estar na zona activa considerar hiptese de saturao e voltar a fazer os clculos


Exemplo de aplicao (cont.) Calcular correntes e tenses para diferentes sinais de entrada VIN = VB = +6V

hiptese: zona de saturao

15

( )0,5 0,7ONBE BE

v V V V=

( )0,1 0,2SATCE CE

v V V V= C Bi i< E B Ci i i= +


= 100VBEon= 0,7VVCEsat= 0,2VIC < IB confirma-se hiptese de saturao


Exemplo de aplicao (cont.) Calcular correntes e tenses para diferentes sinais de entrada VIN = VB = 0V

hiptese: corte correntes so nulas junes BE e BC inversamente polarizadas

16


Circuito inversor lgico / amplificadorCaracterstica de

transferncia

Circuito inversor lgico

17

Zona A

CTIV

A


Circuito inversor lgico TJB corte / saturao VI nvel baixo / alto

Circuito amplificador TJB a funcionar na zona activa vI = VI + vi (DC + AC)

VI circuito de polarizao vi sinal a amplificar

TJB no pode sair da zona activa (vi pequeno)Maio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

vi

Polarizao Tenses e correntes DC para TJB ficar na ZONA ACTIVA

juno base-emissor directamente polarizada (VBEon 0,7V) tenso VCE apropriada

maximizar a amplitude do sinal de sada (meio da caracterstica) obter corrente IC pretendida

Circuito de polarizao um bom circuito de polarizao deve ser insensvel a variaes dos

18


um bom circuito de polarizao deve ser insensvel a variaes dos parmetros:

valores reais das resistncias (so diferentes dos valores nominais) ganho de corrente, , do TJB temperatura (IC varia com T)

Exemplo de circuito de polarizao circuito resistivo

fonte de alimentao e resistncias impe o ponto de funcionamento em repouso (PFR)


R1

R2RE

RC

VCC

IC

IE

IBVB

VC

VE

O Transstor como amplificador TJB a funcionar como amplificador

TJB tem de ser polarizado para funcionar na ZONA ACTIVA Polarizao

estabelecer uma corrente constante (DC) no emissor (ou no colector) corrente IE (ou IC) deve ser insensvel a variaes de temperatura e do

Anlise do circuito DC polarizao

19


PFR

DC polarizao calcular o ponto de funcionamento em repouso (PFR) componente AC eliminada

AC amplificador fontes DC eliminadas


1

BE

T

VV

C S

CB E C

C CC C C

I I eII I I

V V R I

=

+= =

=

PFR

O Transstor como amplificador Transcondutncia gm

20

11

be beBE BE BE

T T T T T

v vv V Vbe BEV V V V V

BE BE be C S S C C Sc C

be TbeC C x

T

C CC C be C c c be

T T

v vv V v i I e I e e I e I I e

i i

v Vvi IV e x

I Ii I v I i i vV V

= = + = = = =

=

O Transstor como amplificador Resistncia entre a Base e o Emissor (olhando da base)

21

m

rgpi

=

1C C C C mB be be B B b

T

be BE

b B m

i I I I gi v v i I iV

v vr

i i gpi

= = + = + = +

= =

BEv

Bi


Resistncia entre o Emissor e a Base (olhando do emissor)


BEv Ei

( )1 1

1

1

E C C m be E E e

e m be m be

be BEe

e E m

i i I g v i I i

i g v g v

v vr

i i g

+ += = + = +

+=

= =

1e

m

rg

=

Modelo para sinais fracos (incremental) Circuito equivalente do TJB

modelo linear que caracteriza o funcionamento do TJB na zona activa vlido para sinais fracos (pequenas variaes das grandezas em torno do

ponto de funcionamento em repouso) Modelo incremental com fonte de corrente controlada por

Tenso: Corrente:

22


Cm

T

IgV

=

m

rgpi

=

1e

m

rg

= Modelomais

utilizado

Maio de 2008

Circuitos amplificadores Circuito Seguidor de Emissor

obter no emissor uma rplica do sinal de entrada ganho unitrio impedncia de entrada elevada impedncia de sada baixa aplicao isolar o gerador da carga

23


Circuito de Emissor-comum (Amplificador de Tenso) obter no colector uma rplica (invertida) amplificada do sinal de entrada ganho maior do que 1 (em mdulo) inverte o sinal de entrada impedncia de entrada elevada aplicao amplificar o sinal de entrada


Seguidor de Emissor Ganho de tenso unitrio

24

vovi

Vi

I I i

O I BEonO I BEon

o i

v V vV V V

v v Vv v

= +

= =

=

1o O Evi I B

v v vAv v v

= = = =

RE

VCC

iC

iE

iB

+

vI-

+

vO


Impedncia de entrada

impedncia de entrada elevadaMaio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

i I Bv v v -

RE

VCC

iC

iE

iB

+

vI-

+

vO-

iI

RI

( ) ( )1 1I

II

I E E E E B E I

vRi

v v R i R i R i

=

= = = + = +

( )1I ER R= +

Seguidor de Emissor Impedncia de sada

eliminada entrada vI RB resistncia devida polarizao

25

R

VCC

iC

iE

iB

+

vO-

RO

iO

RB

OO O E

O

O E B B B

E

vR i ii

v v v R iii

= =

= = =

= 1B

ORR = +


Aplicao isolador (buffer) isolar gerador de sinal (vG,RG) da carga RL


RO

1E

Bii

=+

1OR = +

1 IvO

R elevadaA

R baixa=

Seguidor de Emissor Circuito de polarizao

uma possvel sequncia de passos para dimensionar ocircuito de polarizao pode ser:

1) escolher valor da corrente IC (ou ento IE)2) escolher valor de VCE

(para se ficar a meio da caracterstica de transferncia)3) escolher RC e RE (admitindo IE=IC)

26


3) escolher RC e RE (admitindo IE=IC)VCC = VCE + (RC+RE) IE

4) calcular VB para garantir VBE0,7V (VBEon)5) considerar que IR1,IR2>>IB, ou seja, IR1=IR26) obtm-se a equao de um divisor de tenso

7) escolher os valores de R1 e R2 para que IR1=IR2 > 10 IB


21 2

1 2 1 2

CCB CC R R

VRV V I IR R R R

= = =

+ +

Este circuitono nico.Podem ser

usados outroscircuitos dife-rentes deste!

Amplificador de Tenso (Emissor-comum) Amplifica (e inverte) o sinal de entrada

entrada na base sada no colector emissor comum entrada

e sada

Ganho de Tenso

27

RE

VCC

iC

iE

iB

+

vI-

+

vO

-

RC


Ganho de Tenso

ganho de tenso controlado por RC e RE

se RE=0 o ganho seria infinito Na prtica o ganho sempre finito! TJB tem resistncia de emissor intrnseca, re, finita!


R R

o O Cv v

i I B

E BE B E C C C C C C

E E

v v vA Av v v

v vv v i i v R i v R

= = =

= = = =

RC

v

E

RA =

1e

m

rg

=

Amplificador de Tenso (Emissor-comum) Impedncia de entrada

usar o modelo incremental do TJB para calcular Rin fontes DC eliminadas

28

ibr

B

E

C

RC

ic

ib

iin

+

vin

RE

VCC

iC

iE

iB

+

vI-

+

vO

-

RC


RE ie

Rin

E RCvin

-

( ) ( )( ) ( )

1 1

1 1

in INin

in IN

b inin b E e in E in in E

e b b

E in E

v vRi i

i iv r i R i v r R i R r R

i i i

R r R R

pi pi pi

pi

= =

=

= + = + + = + + = +

+ >> + ( )1in ER R= +

Amplificador de Tenso (Emissor-comum) Impedncia de sada

usar o modelo incremental do TJB para calcular Rout fontes DC eliminadas gerador de entrada eliminado

29

RE

VCC

iC

iE

iB

+

vI-

+

vO

-

RC


( ) 0 0out OUT

outout OUT

b E b b b

outout C RC C out C

out

v vRi i

KVL r i R i i iv

v R I R i Ri

pi

= =

+ + = =

= = =out CR R=

Amplificador de Tenso (Emissor-comum) Circuito de polarizao

uma possvel sequncia de passos para dimensionar ocircuito de polarizao pode ser:

1) escolher valor da corrente IC (ou ento IEIC)2) escolher valor de VC geralmente VC = VCC / 2

(para se ficar a meio da caracterstica de transferncia)3) calcular RC: VCC = VC - RC IC

30


3) calcular RC: VCC = VC - RC IC4) calcular RE, usando o valor do ganho de tenso Av = - RC / RE5) calcular VB para garantir VBE0,7V (VBEon): VB = VBE + REIE6) considerar que IR1,IR2>>IB, ou seja, IR1=IR27) obtm-se a equao de um divisor de tenso

8) escolher os valores de R1 e R2 para que IR1=IR2 > 10 IB


21 2

1 2 1 2

CCB CC R R

VRV V I IR R R R

= = =

+ +

Acoplamento entre amplificadores Acoplamento AC

para no alterar a polarizao dos vrios andares amplificadores usam-se condensadores de acoplamento entre os amplificadores condensadores bloqueiam componente DC

em DC o condensador um circuito-aberto deixam passar a componente varivel (AC) do sinal a amplificar escolhem-se as capacidades dos condensadores para que nas frequncias de

31


escolhem-se as capacidades dos condensadores para que nas frequncias de interesse os condensadores correspondam a curto-circuitos (vlido em frequncias mdias)

ZC 0


1

101500,106 0

C

C

ZC

f kHzC F

Z

=

=

=

=

Dependncia da temperatura Ganho de corrente

depende da corrente IC aumenta com a temperatura

Tenso vBE diminui com a temperatura

32

ln Civ V


Circuitos de polarizao estabilizada compensar efeitos da variao da temperatura

RE circuito de polarizao inclui resistncia ligada ao emissor circuito integrado usar fontes de corrente (feitas com TJBs e resistncias)


ln2 /

( )

CBE T

S BE

T S

iv V

I vmV C

TkTV I Tq

=

Polarizao estabilizada Resistncia RE

estabiliza a corrente IE quando h variao da temperatura

Quando a temperatura aumenta

vBE diminui

i diminui

33

BET

vVi I e

2 /BEv mV CT


iC diminui

iE iC diminui vE = RE iE diminui

VB no se altera

vBE = VB vE aumenta, contrariando o aumento inicial devido temperatura

iE iC fica estabilizada, apesar da variao da temperatura


TVC Si I e

21 2

1 2

,R R B B CCRI I i V V

R R>>

+

Efeito de Early Modelo aproximado (Modelo Ebers-Moll)

iC s depende de vBE TJB real

iC depende de vBE e de vCE VA tenso de Early (tipicamente 50 100 V)

extrapolando as curvas, encontram-se no ponto vCE = -VA Efeito de Early

34

BET

vV

C Si I e

1BE

T

v

V CEC S

A

vi I eV

= +


Efeito de Early iC aumenta com vCE (vBE constante) resistncia vista do colector

no infinita

ro acrescentada nomodelo incremental


1

BE

C Co

CE AV

i Ir

v V

=

A

o

C

Vr

I=

Fonte de Corrente Usando uma fonte de corrente ligada ao emissor

IE fica imposta pela fonte de corrente deixa de haver dependncia da temperatura

Fontes de corrente usadas nos circuitos de polarizao em circuito integrado estabelecer corrente ICIE estvel construdas com transstores e resistncias

35


construdas com transstores e resistncias

Exemplo fonte de corrente simples transstores so iguais

Q1=Q2 VBE1 = VBE2 I IREF


NPN PNP

Espelho de corrente Fonte de corrente simples espelho de corrente

obter uma fonte de corrente a partir da tenso de alimentao do CI circuito que reproduz uma corrente (consegue espelhar uma corrente)

Conversor V-I fonte VCC e resistncia R em srie equivalente a fonte de corrente com

resistncia em paralelo

36


resistncia em paralelo permite obter IREF

Conversor I-V Transstor Q1

est sempre na zona activa est ligado como um dodo (juno BC curto-circuito)

Conversor V-I Transstor Q2

tem de estar na zona activa (tenso V tem de garantir VCE2 zona activa)Maio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

2

2 2

BE

T

VV

C SI I e=

1

1 1

BE

T

VV

C SI I e=

IC1

IB1

IB2IC2

Espelho de corrente Fonte de corrente espelho de corrente

Clculo aproximado (anlise ideal) desprezando as correntes de base ()

37

1 2

1 1 2 2

1 21 2

1 2 1 2

BE BE

T T

V VV V

C S C S

BE BEC C

S S

I I e I I eV V

I II I Q Q

= =

= =

= =


desprezando as correntes de base ()

escolher R para se ter a IREF desejada para a fonte de corrente Clculo exacto (anlise real)

finito (no desprezar IB1+IB2)


1 21 1 2 1

C CREF C B B C

I II I I I I = + + = + +

121

REFI I

=

+

( )1 2 1 1

11

B B C REF C

CC EE BECC EE REF BE REF

I I I I IV V VV V RI V I

R

+

Espelho de corrente mltiplo Fonte de corrente mltipla

corrente de referncia espelhada vrias vezes todos TJBs tm as bases ligadas VBEref = VBE1 = VBE2 = = VBEN TJBs so iguais QREF = Q1 = Q2 = = QN ISref = IS1 = IS2 = = ISN ento ICref = IC1 = IC2 = = ICN IBref = IB1 = IB2 = = IBN (IC=IB)

39

BE

T

VV

C SI I e=


quanto maior o nmero de TJBs, pior vai ser a relao IK / IREFMaio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

1 21

... 11N REFI I I IN

= = = =

++Bases

todasligadas

( )1 2 ...

1

REF Cref Bref B B BN

CrefREF Cref

I I I I I I

II I N

= + + + + +

= + +

Espelho de corrente melhorado Compensar o erro introduzido pelas correntes de base

acrescentado um transstor (Q3) fornece as correntes de base

40

( )

1 21 2

1 2

3 1 2 1 23

3 31 11

BE BEC C

S S

E B B B BB

E B

V VI I

I I

I I I I III I

I I

= =

=

= + +=

= + +

+


Comparando com a fonte simples foi possvel reduzir o erro devido s correntes de base 2 / 2

Amplificador Diferencial Circuito amplificador com 2 entradas

tem por objectivo amplificar a diferena entre os sinais de entrada

41

v1

( )1 2O Dv G v v=


Sinais de entrada geralmente v1 v2 v1 e v2 podem decompor-se em 2 parcelas

componente de modo comum (componente simtrica) o que comum s 2 entradas a mdia dos 2 sinais

componente diferencial (componente anti-simtrica) a diferena entre os 2 sinais


v2

vC vD

1 2

2Cv v

v+

=

1 2Dv v v=

1

2

2

2

DC

DC

vv v

vv v

= +

=

Amplificador Diferencial Sinal de sada (combinao linear das entradas)

pode ser descrito como a soma de 2 parcelas (teorema da sobreposio) sada em funo de v1 e v2 sada em funo de vC e vD

Ganho de tenso GC ganho de tenso de modo comum

calcula-se fazendo v1 = v2

42

1 2O O O

O OC OD

v v v

v v v

= +

= +

O C C D Dv G v G v= +

v


calcula-se fazendo v1 = v2

GD ganho de tenso de modo diferencial calcula-se fazendo v1 = -v2

CMRR relao de rejeio do modo comum caso ideal GC = 0 CMRR = + na prtica GC baixo mas GC 0 CMRR +


1 2 0 OD O C C CC

vv v v v G v G

v= = = =

1 2 0 OC O D D DD

vv v v v G v G

v= = = =

D

C

GCMRRG

=

DdB

C dB

GCMRRG

=

+VCC +VCC

Par diferencial Circuito fundamental em microelectrnica

pode ser realizado com TJBs (bipolar junction transistor) ou com outro tipo de transstores

JFET junction field-effect transistor MOSFET metal-oxide-semiconductor field-effect transistor

pode ter carga resistiva ou activa resistiva Rs ligadas aos colectores

43


-VEE

IEE

v1 v2

vO1 vO2+ vO12 -

RC1 RC2 activa so usadas fontes de corrente Aplicaes principais

amplificao de sinais diferenciais converso de sinais diferenciais em

sinais no-diferenciais amplificadores operacionais

andar de entrada 1 andar amplificador circuitos lgicos (famlia lgica ECL)


+VCC +VCC

v1 v2

vO1 vO2+ vO12 -

RC1 RC2

Par Diferencial com carga resistiva Amplificador diferencial com BJT

TJBs directamente acoplados pelo emissor transstores iguais (Q1=Q2)

Q1 e Q2 no mesmo circuito integrado 2 fontes de alimentao (+VCC e VEE) fonte de corrente (IEE) 2 sinais de entrada (v1 e v2)

44


-VEE

IEE

2 sinais de entrada (v1 e v2) aplicados nas bases

sinal de sada (3 possibilidades) simples no colector de Q1

vO1 = vC1

simples no colector de Q2 vO2 = vC2

sada diferencial entre os colectores vO12 = vO1 - vO2


1 1 1 1

2 2 2 2

12 1 2

12 1 1 2 2

O C CC C C

O C CC C C

O O O

O C C C C

v v V R iv v V R iv v v

v R i R i

= =

= =

=

= +

Funcionamento em Modo Comum Modo Comum: v1 = v2 = vC vD = 0

h simetria no circuito IEE divide-se igualmente por Q1 e Q2 transstores esto na zona activa

45

1 2 2 1EE

E E C E

EE EE EE

Ii i i i

I I Ii i

= = = =+

= = =

+VCC +VCC

vC

vO1 vO2+ vO12 -

RC1 RC2

vC


correntes so independentes do sinal de entrada circuito no responde componente de modo comum das entradas


1 2 1 2 2 21 1

EE EE EEC Ci i

= = =

+

>>

1 2

1 2

12 1 2

20

C C C

EEO O CC C

O O O

R R RI

v v V R

v v v

= =

= =

= =

1 2 2EE

O O CC CI

v v V R= 12 0Ov =

-VEE

IEE

+VCC +VCC

vO1 vO2+ vO12 -

RC1 RC2

xvD2

vD2

Funcionamento em Modo Diferencial Modo Diferencial: v1 = -v2 = vD/2 vC = 0

h anti-simetria no circuito vx = 0 (teorema da sobreposio)

v1 = +1,5V e v2 = -1,5V Q1est na zona activa Q2 est cortado toda a corrente passa em Q1

46


-VEE

IEE

x2 2 toda a corrente passa em Q1

v1 = -1,5V e v2 = +1,5V Q1 est cortado, Q2 est na zona activa, toda corrente passa em Q2

Corrente passa em Q1 ou Q2 consoante polaridade de vD Modo puramente diferencial (vC=0): obtm-se sada diferencial


1 1

1 2

12

,

E EE C EE EE

O CC C EE CC C EE O CC

O C EE C EE

i I i I Iv V R I V R I v Vv R I R I

= =

= =

=

Caracterstica de Transferncia Funcionamento em modo diferencial (v1 = -v2 = vD/2 vC = 0)

47

+VCC +VCC

vO1 vO2+ vO12 -

RC1 RC2

vD vDi

iC1 iC2

iE2

1 2

1 2

1 1 2 2

1 2 1 2

1

2

1 2 1 2

BE BE

T T

BE BE D

T T

v v

V VC S C S

S S Sv v v

V VC

C

E E EE C C EE

i I e i I eQ Q I I Ii

e eii i I i i I

= =

= = =

= =

+ = + =


-VEE

IEE

vD2

vD2

iE1 iE21 2 1 2E E EE C C EEi i I i i I+ = + =

1

1D

T

EEC v

V

Iie

=

+

2

1D

T

EEC v

V

Iie

+

=

+

zona linear|vD| < 2VT 50mV

Caracterstica de Transferncia Caracterstica de transferncia: vO12(vD)

48

1 2

1 1 1 2 2 2

1 1D D

T T

EE EEC Cv v

V V

O CC C C O CC C C

I Ii ie e

v V R i v V R i

+

= =

+ += =

1 1

1D

T

EEO CC C v

V

Iv V R

e

=

+


zona linear|vD| < 2VT 50mV

12 tanh 2D

O EE CT

vv I R

V

=

1 TVe+

2 2

1D

T

EEO CC C v

V

Iv V R

e

+

=

+

1 2 tanhx x

C C C x xe eR R R xe e

= = =

+

12 tanh 2D

O EE CT

vv I R

V

Caracterstica de Transferncia Na prtica a zona linear considera-se para |vD| < 10mV

zona linear muito estreita apenas permite a amplificao de sinais vD muito pequenos

Caracterstica de transferncia aproximada aproximao vlida na zona linear

49

1 21 C C CR R RI i i i i = =

= + +

vO2vO1

VCC

VCC-RCIEE/2


do ponto de vista incremental preciso considerar re (resistnciaintrnseca vista do emissor)

podeobter-se


1 2 1 2EE E E C CI i i i i= + +

vD2VT 4VT 6VT0

VCC-RCIEE

vO12RCIEE

RCIEE1 22 2 2 2EE D EE D

C Ce e

I v I vi ir r

= + =

212

T T Te

m C EE EE

V V Vr

g I I I= = = =

Caracterstica de Transferncia Caracterstica de transferncia aproximada

Limites de validade da aproximao considerada quando o par diferencial est desequilibrado Q conduo, Q cortado

50

1 2 2EE D

O CC Ce

I vv V R

r

= +

2 2 2

EE DO CC C

e

I vv V R

r

=

vO2vO1

VCC

12C

O De

Rv v

r=


Q1 conduo, Q2 cortado

Q2 conduo, Q1 cortado

Como aumentar a zona linear, parase poder amplificar sinais maiores? acrescentar resistncia em srie com o emissor como consequncia o ganho do circuito diminui


vO2vO1

vD2VT 4VT 6VT0

VCC-RCIEE/2

VCC-RCIEE

vO12RCIEE

RCIEE

1 2, 0 2C EE C D e EE Ti I i v r I V= = = =

2 1, 0 2C EE C D e EE Ti I i v r I V= = = =

Par Diferencial com degenerao de emissor Acrescentadas resistncias em srie com os emissores

considerando as equaes anteriores basta substituir re por re+RX

Alteraes introduzidas por RX zona linear aumenta

podem ser amplificados sinais vD deamplitude mais elevada

51

RX R


amplitude mais elevada distoro no sinal de sada diminui

ganho diferencial diminui (declive diminui) impedncia de entrada aumenta RX mais elevada

zona linear estende-se mais Exemplo


RX RX

iC1iC2

vD2VT 4VT 6VT0

IEE

40 20 0,5TX D TEE

VR v V VI

= < =

com RXsem RX

Amplificador Operacional com BJT Exemplo: AmpOp com 4 andares de amplificao

Q1-Q2 par diferencial sada diferencial

Q4-Q5 par diferencial sada simples

52


sada simples Q7

amplificador tenso emissor comum

Q8 seguidor emissor

Q9,Q3,Q6 fonte de corrente

mltipla


vD2VT 4VT 6VT0

vO12RCIEE

RCIEE

Modelos Equivalentes Sinais fortes (large signal model)

caracterstica de transferncia vo12(vD)

Sinais fracos (small signal model)

53

12 tanh 2D

O EE CT

vv I R

V

1 1 2 2 12 12d D c C o O o O o Ov v v v v v v v v v= = = = =


modelo incremental (vlido para pequenas variaes do sinal de entrada) anlise do circuito (funcionamento dinmico linear)

TJB substitudo pelo seu modelo incremental Fontes de tenso VCC e VEE

substitudas por curto-circuito ( massa) Fonte de corrente IEE

fonte ideal substituda por circuito aberto (REE=+) fonte real substituda pela sua resistncia interna (REE+)


1 1 2 2 12 12d D c C o O o O o Ov v v v v v v v v v= = = = =

Modo Diferencial Ganho de Modo Diferencial

definido relativamente a cada uma das sadas

entrada diferencial

54

VCC VCC VCC VCC

1 1 2 2 1 2 12 121 2

O o O o O O O od d d

D d D d D D d

v v v v v v v vG G Gv v v v v v v

= = = = = = =

1 21 2 1 2 02 2 2

d dd c

v v v vv v v v v v

+= = = = =


RC1

VCC

+

vd

-

vo1

RX

RC2

VCC

vo2

RX

-VEE

IEE,REE

RC1

VCC

vo1

RX

RC2

VCC

vo2

RX

-VEE

IEE,REE

Vd

2

Vd

2vX=0


basta fazer a anlise de um circuito de emissor comum para obter o ganho

55

( )1 1

12d

b X b

o C b

vr i R i

v R i

pi

= + +

=


( )

( )

( )

1 11

2 22

12 1

22 1

22 1

1

o C Cd

d XX

o C Cd

d XX

o C Cd

d X X

v R RGv Rr R

v R RGv Rr R

v R RGv r R R

pi

pi

pi

= = + +

= = + + + +

= =

+ +

Cd

X

RGR

=

1 2 2C

d dX

RG GR

= =

1 2C C CR R R= =


Quando no h degenerao de emissor (RX=0) considera-se a resistncia intrnseca vista do emissor (re) substituir RX por re nas equaes do ganho

56

Cd

e

RGr

= 1 2 2C

d de

RG Gr

= =

22

T T Te

C EE EE

V V Vr

I I I = = 2

EEd C

T

IG RV

=


Impedncia de entrada impedncia vista pelo gerador de tenso vd ligado entre as 2 entradas

Impedncia de sada impedncia vista da sada simples

sada num dos colectores impedncia vista da sada diferencial


( )2 1id XR r Rpi = + +

os CR R=

2od CR R=

( )2 0id XR r Rpi= =

Modo Comum Ganho de Modo Comum

definido relativamente a cada uma das sadas

entrada comum

57

1 2 1 2 0c dv v v v v v= = = =

VCC VCC

1 1 2 2 1 2 12 121 2

O o O o O O O oc c c

C c C c C C c

v v v v v v v vG G Gv v v v v v v

= = = = = = =

VCC VCC


RC1

+

vc

-

vo1

RX

RC2

vo2

RX

-VEE

IEE,REE

RC1

vc

vo1

RX

RC2

vo2

RX

-VEE

IEE/2

2REE

vc

-VEE

IEE/2

2REE

IX=0

Modo Comum Ganho de Modo Comum

basta fazer a anlise de um circuito de emissor comum para obter o ganho

58

( )( )1 1

2 1c b X EE bo C b

v r i R R iv R i

pi

= + + +

=

1 2C C CR R R= =


Impedncia de entrada vista pelo gerador de tenso vc

ligado s 2 entradasMaio de 2008 T.M.Almeida IST-DEEC-ACElectrnica

0cG =

( )( )1 1

1 2

121 2

1 2

02

o Cc c

c X EE

C oc c c

EE d

v RG Gv r R R

R vG G GR v

pi

= = = + + +

= = =

1 2 2C

c c

EE

RG GR

= =

( )( )1 1 22ic X EE

R r R Rpi = + + + ( )1ic EER R +

1 2C C CR R R= =

EE XR R>>

Relao de Rejeio de Modo Comum CMRR sada diferencial

se par diferencial for perfeitamente simtrico

na prtica existem sempre assimetrias CMRR finita mas muito elevada

CMRR sada num dos colectores

59

02

EEc d C

T

IG G RV

= =

d

c

GCMRRG

= = +

R R R I


projecto para CMRR elevada garantir simetria no par diferencial fonte de corrente com resistncia interna elevada (espelho de corrente) resistncia RX baixa (quando h degenerao do emissor)


1 2 2C

c c

EE

RG GR

= 1 2 2C

d de

RG Gr

= =

1 2

1 2

22 2 2

d d C e EE EE EE EE

c c C EE e T EE T

G G R r R R R ICMRRG G R R r V I V

= = = = = =

2EE EE

T

R ICMRRV

=

Par Diferencial com Espelho de Corrente Fonte de corrente

realizada com espelho de corrente resistncia de sada da fonte de corrente elevada (REE = ro)

60

2EE EE

T

AEE o

C

R ICMRRV

VR rI

=

= =

RC1

VCC

vo1

RC2

VCC

vo2

VCC

IREF


210025

2000 66

C

CC EE BEonEE C REF

REF

A

T

A

T

dB

IV V VI I I

RVCMRRV

V VV mV

CMRR CMRR dB

+ = = =

=

=

=

= =

v1

RX RX

v2

RREF

-VEE

REEIEE

tcfe07082 10 analise circuitos tjb

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