Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

ELT003 – Eletrônica Analógica I

Transistores Bipolares

(Amplificadores a Pequeno Sinal - continuação)

Prof. Paulo César Crepaldi Prof. Leonardo Breseghello Zoccal

Itajubá, Agosto de 2009

Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

Atenção

O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao

acompanhamento da disciplina.

Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público.

33

Amplificador Coletor Comum ou Seguidor de Emissor (CC)

Um estágio muito importante em aplicações eletrônicas é o Coletor Comum ou Seguidor de Emissor. Apresenta como características: uma alta impedância de

entrada, uma baixa impedância de saída e ganho unitário. É utilizado para “isolar” uma carga de abaixo valor de um equivalente Thèvenin com alta resistência e

também recebe o nome de “buffer” ou isolador.

10mVPP

10K

1K 910mVPP

+

_

+

10mVPP

10K

1K

+

Zin = 100K Zout = 50W

Ganho=1“Buffer”9mVPP

+

_8,57mVPP

+

_

(9,1%)

(87,51%)

No exemplo ao lado, o gerador e o resistor de 10K podem

representar a saída de um estágio amplificador e o resistor de 1K a

entrada do estágio seguinte.O uso do isolador fez com que a transferência do sinal de tensão se alterasse de 9% para 87%.

44

Amplificador Coletor Comum ou Seguidor de Emissor (CC)

RBeq

REeq

vin

+

_

iin

vout

+

_

ioutie

ib

vbe

+

_

-vce

+

_

Zin(CC) Zout(CC)

RBeq

Zin(Base) Zout(Emissor)

vin

+

_

iin

vout

+

_

iout

REeq

Protótipo do Estágio Seguidor de

Emissor.

Protótipo do Estágio Seguidor de Emissor desenhado de forma diferente e

evidenciando as impedâncias a

serem avaliadas.

55

Amplificador CC: Impedâncias

RBeqvin = vb

+

_

iin

vout = ve

+

_

iout

ro

rpgmvbe

ib

REeq

ie

‘

RBeqvin = vb

+

_

iin

vout = ve

+

_

iout

ro

rpgmvbe

ib

REeq

ie

‘

( )( )

( ) ( )

( ) )(//)(

////)(

//)(

//

//

//

baseZRCCZ

RdeefeitoRRrrbaseZ

Rrri

vbaseZ

Rrriv

Rririv

Rririv

vvv

inBEqin

LLEeqoein

Eeqoeb

bin

Eeqoebb

Eeqobebb

Eeqoebb

ebeb

p

Observar que, para não “derrubar” uma das principais características do estágio

CC, o circuito de polarização deve apresentar um projeto que maximize o

valor de RBeq.

Atenção: Se necessário, incluir o efeito do resistor de carga (RL) sobre a

impedância de entrada.

66

Amplificador CC: Impedâncias

( ) ( )

( )

( )

eo

tho

t

tout

ttho

t

BeqStho

tt

th

t

o

ttbb

oebemb

rrth

r

rrr

i

vemissorZ

irrr

v

RRrr

vi

rr

v

r

viii

iivgi

p

p

p

//

11

1)(

11

//1

No cálculo das impedâncias de saída é necessário contabilizar a influência da

resistência da fonte de sinal vS.Observar a aplicação do teorema de

Thèvenin no ramo da base “olhando” em direção à fonte de sinal. Um sinal de teste é aplicado à saída e lembrar que a fonte de sinal deverá estar em repouso.

RBeq

ro

rpgmvbe

ib

ie

‘

vS

RS

Thèvenin

vt

it

ro

rpgmvbe

ib

ie

‘

vS = 0

(repouso)

rth

vt

it

io

)(//)( emissorZRCCZ outEeqout

77

Amplificador CC: Ganho de Tensão em Circuito Aberto

( ) ( )

( )

( )( )( )

( )EeqoeVOC

Eeqoe

Eeqo

in

outVOC

Eeqoe

in

e

Eeqoout

Eeqoe

outinout

e

outin

π

outinb

EeqobEeqoeout

//Rrrpara1(CC)A

//Rrr

//Rr

v

v(CC)A

//Rrr

v

r

//Rr1v

//Rrr

vvv

βr

vv

r

vvi

//Rrβi//Rriv

'

'

'

''

O amplificador CC apresenta, qualitativamente, os seguintes valores: Impedância de entrada –Alta (Dezenas de KW); Impedância de Saída – Baixa (Unidades a Dezenas de W); Ganho de Tensão em Circuito Aberto – Unitário (Aproximado).

Atenção:A ausência do sinal de menos indica que os

sinais de tensão na base e no emissor estão em fase. O fato de serem praticamente iguais (sem carga), indica que o emissor segue a base (daí o

nome seguidor de emissor).

Vin’ é calculado em função de uma impedância de entrada que não considera RL(Zin(base)’).

O processo de obtenção da linha de carga AC é semelhante ao do estágio EC devendo, apenas,

substituir REeq no lugar de RCeq.

88

A Configuração Darlington (Par Darlington)Existe um tipo de configuração, chamada Darlington, que consegue produzir um transistor equivalente com altos valores de hFE. Esta configuração pode ser montada a partir de dois

transistores discretos ou pode vir encapsulada em um único invólucro.Tem aplicações muito importantes em estágios de saída de amplificadores de potência em que a

característica de buffer é essencial.

Sidney Darlington (1906 – 1997)

+

IE

vBE1

Q1

Q2

QD

IC

IB

IC1

IC2

IB1

vBE2

IB2

+_

_≡

+vBED_

hFED = hFE1.hFE2

( )( )

21 BEBEBED

BFE2FE1B1FE1FE2C

C1FE2C1FE2C1C

B2FE2C1C2C1C

VVV

IhhIhh1I

Ih1IhII

IhIIII

O par Darlington apresenta, tipicamente, tensões VBE superiores a 1,2V e ganhos de

corrente (hFE) superiores a 1000.Especialmente recomendados para o

estágio Seguidor de Emissor, pois vão contribuir para aumentar a impedância de entrada e diminuir a impedância de saída.

99

Par Darlington: Circuito Equivalente IncrementalPara as avaliações dos parâmetros AC, em um estágio que utiliza este tipo de configuração, é

preciso ter em mãos um circuito equivalente incremental.

( )

2222

2211

211

21112111

1

222

2)(

eeDeDe1D

11b

bDin

1bb

b1bebb

π21π21e11

π2e22CQ2

2e1

CQ12CQ2

CQ2e2

CQ1e1

rrrβrββr

rβrβri

vbaseZ

rβriv

riβriririv

rβrrβrβ

rrβI

25mVβr

IβI

I

25mVre

I

25mVr

p

ppp

pp

pppp

p

A figura acima ilustra a configuração Darlington com os seus dois transistores substituídos por seus modelos AC. Normalmente, o padrão para os parâmetros incrementais é o transistor Q2

pelo fato da sua corrente de emissor (≈ coletor) ser diretamente acessada ou medida.

ro1rp1ib1

1ib1

ro2rp22ib2

ie1 = ib2

ic

Zin(base)D

vb

+

_

Q1

Q2

1010

Par Darlington: Circuito Equivalente Incremental

( ) o1

c

o1

e1c

o1

c

o1

b2co

o1

e1cb2

o1

c

e1

b2

o1e1o1

b2

o1

c

e1

b2

e1

b2

o1

b2

o1

cb11

o1

b2cb11b1e1

e1

b22

π2

b22e12b22

e1

b21b1

e11b1b2π1b1

r

v

r2

rv

r

v

r

vvi

2r

rvv

r

v

r

v2

r

1

r

1

r

v

r

v

r

v

r

v

r

v

r

viβ

r

vviβii

r

vβ

r

vβiβiβ

r

vβi

rβivri

21

Inicialmente, são estabelecidas as relações para as correntes em função do potencial da base de Q2 e este em função do potencial vc.

ro1rp11ib1

ro2rp22ib2

ic1

Zout(coletor)D

Q1

Q2

ic

vb2

ib1

ie1= ib2

vc

+

_

+

_

io1

Atenção: ib1rp = -vb2 em função do terra presente na base de Q1.

1111

Par Darlington: Circuito Equivalente Incremental

Onde:bD = b1b2

rpD = 2bDre2

reD = 2re2

roD = 2/3ro2

oDo2c

cDout

o2o2cc

o2o1

2

o1

2

o2cc

o1o1

2

o1

2

o2o1cc

o2o1c

o1

c2

o2o1cb2

e1

2c

e1e1

2

o2o1c

e1e1

2b2c

o2

c

e1

b22

o1

c

e1

b2c

o2

cb22o1b11c

rr3

2

i

v(coletor)Z

2r

1

r

1vi

r

1

r

β

2r

β

r

1vi

r

1

2r

β

2r

β

r

1

r

1vi

r

1

r

1v

2r

vβ

r

1

r

1vv

r

βi

r

1

r

β

r

1

r

1v

r

1

r

βvi

r

v

r

vβ

r

v

r

vi

r

viβiiβi

*

roD

rpD

Dib

ib ic

‘ie

* O apêndice ao final deste módulo mostra uma

forma alternativa de calcular ro e a relação

indicada se verifica para o par Darlington.

1212

Estágio CC: Exemplo

( ) ( )

( )

mAV

I

900ΩR//100RR

5V5V5,5V

5VdeVumpara

//RR2R

VV//RRIVv

CQ

EEE

CEQ

LEeqE

CCCEQLEeqCQCEQce(CORTE)

6,5900

5

Utilizando o BJT BC238C, projetar um seguidor de emissor que apresente uma impedância de entrada superior a 10K e uma impedância de saída inferior a 100 .W Uma condição de

contorno exigida é que a Compliance seja por volta de 0,8 a 1VPP. O gerador de sinais é um equivalente Thèvenin de um sensor de alta impedância (10K) e a carga é a entrada de um

segundo estágio amplificador de baixa impedância (100W).

VBE -

+

+

-VCC

RE

R

R

VCC

2

+

-

+VBE

VCC

2-VBE

+

-

O circuito de polarização ao lado é freqüentemente usado em estágios CC. Observar que o coletor está ligado diretamente à

fonte DC o que, para o circuito equivalente DC, representa um terra AC. Economiza-se, portanto, o resistor de coletor.

A resistência REeq é a própria RE e as tensões se dividem, tanto na base quanto no emissor em aproximadamente VCC/2.

Para satisfazer a Compliance:

1313

Estágio CC: Exemplo

Os parâmetros do BC238C indicam que:O VCEQ recomendado é de 5V;

O hFE para uma corrente de ≈5mA é de ≈500;O ganho de corrente incremental (hfe) tem um valor

mínimo de 450 para IC=2mA e não sofre modificação significativa se operando em 5mA;

A admitância de saída (hoe), é cerca de 2,5 maior que o valor para IC=2mA, ou seja, 110mS.2,5=275mS.

1414

Estágio CC: Exemplo

5ΩI

25mVr

86K2RR

43K8605000,1R0,1hR

860Ω5mA

4,3VR

4,3V0,7V5VV2

VV

CQe

TH

E(MIN)FETH

E

BECC

E

xx

Obs: Recomenda-se o uso do projeto firme para que se tenha resistores mais elevados na base;

Os resistores de base não forma feitos exatamente iguais para compensar a diferença de 0,7 (VBE). Para

tanto o resistor inferior é ligeiramente maior (próximo valor comercial).

Os resistores são de 5% e 1/8W em função das potências dissipadas.

BC238BP/ZTXQ3

29.57mW

9.743uA

C

4.157VE

Vcc

10V

R391K257.4uW

R282K324.7uW

RC820

21.08mW

5.070mA

B4.840V

0

BC238CQ1

29.57mW

82K

91K

+10V

100820

10K

vS

Ponto Q (simulação):ICQ ≈ 5mA e VCEQ ≈ 5,85V

R1

R2

RE

15

Estágio CC: Exemplo

( )

( )

( )

( )( ) 0,9926

3,6K//8205

3,6K//820

//Rrr

//RrA

22,2Ω820//22,8(emissor)//ZR(CC)Z

22,8Ω5450

8,1K3,6K//(emissor)Z

8,1K10K//43K//RRr

rh

r//r(emissor)Z

37,7K43K//303K(CC)'Z

21K43K//41K(base)//ZR(CC)Z

303K6685450(base)'Z

43K82K//91KR

41K668//1005450(base)Z

668Ω3,6K//820//Rr820R

3,6K275μ7

1

h

1r

//R//Rrrh(base)Z

Eeqoe

EeqoVOC

outEeqout

out

BeqSth

efe

thoout

in

inBeqin

in

Beq

in

EeqoEeq

oeo

LEeqoefein

vin

+

_

iin

22,2

vout

+

_

iout

21K≈vin’

+

_

100vS

10K

0,45dB)(carga)(dBA

0,95(carga)A

0,949v1,16v0,818'0,818v10022,2

'100vv

R(CC)Z

'RvAv(emissor)v

1,160,68v

0,79v

v

'v

0,79v10K37,7K

37,7Kv've0,68vv

10K21K

21Kv

R(CC)'Z

(CC)'Zv've

R(CC)Z

(CC)Zvv(base)v

V

V

inininin

out

Lout

LinV(OC)out

S

S

in

in

sS

inSSin

Sin

inSin

Sin

inSin

x

16

Estágio CC: Exemplo (simulação)

0.5ms 1.5ms 2.5ms 3.5ms 4.5ms4.0V

4.2V

4.4V

4.6V

4.8V

VDC ≈ 4,8V

vb ≈ 69,5mVPP

VDC ≈ 4,13Vve ≈ 65,1mVPP

A seguir, resultados de simulação em que o gerador de sinais que representa o sensor está ajustado para uma tensão de 100mVPP, resistência interna de 10K e freqüência de 1KHZ.

A carga está representada por um resistor de 100W.

Sinais Totais (DC + AC) na base e no emissor

17

0.5ms 1.5ms 2.5ms 3.5ms 4.5ms5.2V

5.4V

5.6V

5.8V

6.0V

6.2V

6.4V

VCEQ ≈ 5,87V

v ≈ 446mVCompliance = 2v = 892mVPP

Estágio CC: Exemplo (simulação)

Tensão vce para Verificar a Compliance

18

Estágio CC: Exemplo (simulação)

Impedâncias de Entrada e de Saída para o Estágio Seguidor de Emissor

10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz

10K

20K

30K

40K

22,75K @ 1KHZ

10Hz 100Hz 1.0KHz

100

200

300

400

21,26W @ 1KHZ

Zin(CC)

Zout(CC)

19

Apêndice: Avaliação Alternativa de ro

Para os exemplo que foram realizados até o momento, a resistência de saída (ro) foi avaliada como sendo 1/hoe. Contudo, se o projetista não tiver em mãos as folhas de dados do

dispositivo, existe uma forma alternativa de se estimar o valor de ro.Como se sabe, a corrente de coletor na região ativa (ou linear) não é constante mas sofre um aumento com um aumento em VCE. Este efeito (Early) é modelado colocando-se um resistor

em paralelo com a fonte de corrente IC.Existe, entretanto, um equacionamento para a corrente de coletor que leva em consideração a

presença deste efeito. É dado por:

a)(idealizadeIIV

V1eII T

BEQ

T

BE

nU

V

SCQA

CEnU

V

SC

A tensão VA (algumas literaturas trazem como VAF) é chamada de tensão Early e tem um significado físico que será mostrado mais adiante. Se for feita a derivada da equação acima,

no entorno do ponto de operação, tem-se:

CQ

A

QCE

C

oA

CQ

QCE

C

I

V

VI

rV

I

V

I

1

20

Apêndice: Avaliação Alternativa de ro

Tipicamente, VA situa-se entre 20V a 80V o que leva, para correntes quiescentes de coletor na faixa de unidades de mA, a resistências de saída na faixa de unidades a dezenas de KW.

VA representa um ponto de convergência em relação às

inclinações inerentes ao conjunto de curvas (IC=f(vCE)

para VBE= cte).