Técnicas de polarização (BJT)

Na seção de emissor comum deste capítulo, vimos uma análise SPICE em que a forma de onda de saída se assemelhava a uma forma retificada de meia onda:apenas metade da forma de onda de entrada foi reproduzida, com a outra metade sendo completamente cortada. Como nosso propósito naquela época era reproduzir a forma de onda inteira, isso constituiu um problema. A solução para esse problema foi adicionar uma pequena tensão de polarização à entrada do amplificador para que o transistor permanecesse no modo ativo durante todo o ciclo da onda. Esta adição foi chamada de tensão de polarização .

Uma saída de meia onda não é problemática para algumas aplicações. Alguns aplicativos podem exigir este mesmo tipo de amplificação, porque é possível operar um amplificador em modos diferentes da reprodução de onda completa e aplicações específicas requerem diferentes faixas de reprodução, portanto, é útil descrever o grau em que um amplificador reproduz a forma de onda de entrada, designando-o de acordo com a classe . A operação da classe de amplificador é categorizada em letras alfabéticas:A, B, C e AB.

Para Classe A operação, toda a forma de onda de entrada é fielmente reproduzida.

Classe de amplificador

Classe A

A operação só pode ser obtida quando o transistor fica todo o tempo no modo ativo, nunca atingindo o corte ou a saturação. Para conseguir isso, a tensão de polarização DC suficiente é normalmente definida no nível necessário para conduzir o transistor exatamente na metade do caminho entre o corte e a saturação. Desta forma, o sinal de entrada CA ficará perfeitamente "centrado" entre os níveis de limite de sinal alto e baixo do amplificador.



Classe A:a saída do amplificador é uma reprodução fiel da entrada.

Classe B

Operação é a que tivemos na primeira vez que um sinal AC foi aplicado ao amplificador emissor comum sem tensão de polarização DC. O transistor passou metade de seu tempo no modo ativo e a outra metade em corte com a tensão de entrada muito baixa (ou mesmo com a polaridade errada!) Para polarizar diretamente sua junção base-emissor.



Classe B:A polarização é tal que metade (180 °) da forma de onda é reproduzida.

Por si só, um amplificador operando no modo classe B não é muito útil. Na maioria das circunstâncias, a distorção severa introduzida na forma de onda pela eliminação de metade dela seria inaceitável. No entanto, a operação de classe B é um modo útil de polarização se dois amplificadores forem operados como push-pull par, cada amplificador manipulando apenas metade da forma de onda de cada vez:

Amplificador push pull classe B:Cada transistor reproduz metade da forma de onda. Combinar as metades produz uma reprodução fiel de toda a onda.

O transistor Q1 “empurra” (impulsiona a tensão de saída em uma direção positiva em relação ao terra), enquanto o transistor Q2 “puxa” a tensão de saída (em uma direção negativa, em direção a 0 volts em relação ao terra). Individualmente, cada um desses transistores está operando no modo classe B, ativo apenas na metade do ciclo da forma de onda de entrada. Juntos, no entanto, ambos funcionam como uma equipe para produzir uma forma de onda de saída idêntica em formato à forma de onda de entrada.

Uma vantagem decisiva do design do amplificador classe B (push-pull) sobre o design classe A é a maior capacidade de potência de saída. Com um design de classe A, o transistor dissipa uma energia considerável na forma de calor porque nunca para de conduzir corrente. Em todos os pontos do ciclo da onda, ele está no modo ativo (condutor), conduzindo uma corrente substancial e reduzindo a voltagem substancial. Há uma potência substancial dissipada pelo transistor ao longo do ciclo. Em um projeto de classe B, cada transistor passa metade do tempo no modo de corte, onde dissipa energia zero (corrente zero =dissipação de energia zero). Isso dá a cada transistor um tempo para “descansar” e esfriar enquanto o outro transistor carrega a carga da carga. Os amplificadores Classe A são mais simples em design, mas tendem a ser limitados a aplicações de sinal de baixa potência pela simples razão de dissipação de calor do transistor.

Classe AB

Outra classe de operação do amplificador conhecida como classe AB está em algum lugar entre a classe A e a classe B:o transistor gasta mais de 50%, mas menos de 100% do tempo conduzindo a corrente.

Se a polarização do sinal de entrada para um amplificador for ligeiramente negativa (oposta à polaridade da polaridade para operação de classe A), a forma de onda de saída será ainda mais "cortada" do que era com polarização de classe B, resultando em uma operação em que o transistor gasta a maior parte do o tempo no modo de corte:

Classe C

Classe C:a condução dura menos de meio ciclo (<180 °).

À primeira vista, esse esquema pode parecer totalmente sem sentido. Afinal, quão útil poderia ser um amplificador se ele corta a forma de onda tão mal quanto isso? Se a saída for usada diretamente sem nenhum tipo de condicionamento, ela seria de fato de utilidade questionável. No entanto, com a aplicação de um circuito tanque (combinação indutor-capacitor ressonante paralelo) à saída, o pico de saída ocasional produzido pelo amplificador pode colocar em movimento uma oscilação de frequência mais alta mantida pelo circuito tanque. Isso pode ser comparado a uma máquina onde um volante pesado recebe um "chute" ocasional para mantê-lo girando:



Amplificador de classe C conduzindo um circuito ressonante.

Chamado de classe C operação, este esquema também desfruta de alta eficiência de energia, uma vez que o (s) transistor (es) passam a maior parte do tempo no modo de corte, onde dissipam energia zero. A taxa de queda da forma de onda de saída (diminuindo a amplitude de oscilação entre “chutes” do amplificador) é exagerada aqui para o benefício da ilustração. Por causa do circuito tanque sintonizado na saída, este circuito só pode ser usado para amplificar sinais de amplitude fixa e definida. Um amplificador de classe C pode ser usado em um transmissor de rádio FM (modulação de frequência). No entanto, o amplificador de classe C pode não amplificar diretamente um sinal AM (modulado em amplitude) devido à distorção.

Classe D

Outro tipo de operação do amplificador, significativamente diferente da Classe A, B, AB ou C, é chamada de Classe D . Não é obtido pela aplicação de uma medida específica de tensão de polarização, como são as outras classes de operação, mas requer um redesenho radical do próprio circuito do amplificador. É um pouco cedo neste capítulo para investigar exatamente como um amplificador classe D é construído, mas não muito cedo para discutir seu princípio básico de operação.

Um amplificador classe D reproduz o perfil da forma de onda da tensão de entrada, gerando uma pulsação rápida onda quadrada saída . O ciclo de trabalho da forma de onda de saída (tempo “ligado” versus tempo de ciclo total) varia com a amplitude instantânea do sinal de entrada. Os gráficos em (Figura abaixo demonstram este princípio.



Amplificador Classe D:Sinal de entrada e saída não filtrada.

Quanto maior for a tensão instantânea do sinal de entrada, maior será o ciclo de trabalho do pulso de onda quadrada de saída. Se pode haver qualquer objetivo declarado do projeto de classe D, é evitar a operação do transistor no modo ativo. Como o transistor de saída de um amplificador classe D nunca está no modo ativo, apenas em corte ou saturado, haverá pouca energia térmica dissipada por ele. Isso resulta em uma eficiência de energia muito alta para o amplificador. Obviamente, a desvantagem dessa estratégia é a presença avassaladora de harmônicos na saída. Felizmente, uma vez que essas frequências harmônicas são normalmente muito maiores do que a frequência do sinal de entrada, elas podem ser filtradas por um filtro passa-baixa com relativa facilidade, resultando em uma saída mais parecida com a forma de onda do sinal de entrada original. A tecnologia Classe D é normalmente vista onde níveis de potência extremamente altos e frequências relativamente baixas são encontradas, como em inversores industriais (dispositivos que convertem energia CC em CA para operar motores e outros dispositivos grandes) e amplificadores de áudio de alto desempenho.

Um termo que você provavelmente encontrará em seus estudos de eletrônica é algo chamado quiescente , que é um modificador que designa a condição de entrada zero de um circuito. A corrente quiescente, por exemplo, é a quantidade de corrente em um circuito com tensão de sinal de entrada zero aplicada. A tensão de polarização em um circuito de transistor força o transistor a operar em um nível diferente de corrente de coletor com tensão de sinal de entrada zero do que faria sem essa tensão de polarização. Portanto, a quantidade de polarização em um circuito amplificador determina seus valores quiescentes.

Corrente Quiescente de Amplificadores

Em um amplificador classe A, a corrente quiescente deve ser exatamente a metade de seu valor de saturação (meio caminho entre a saturação e o corte, o corte por definição sendo zero). Os amplificadores da Classe B e da Classe C têm valores de corrente quiescente de zero, uma vez que estes devem ser desligados sem nenhum sinal aplicado. Os amplificadores da classe AB têm valores de corrente quiescente muito baixos, logo acima do corte. Para ilustrar isso graficamente, uma "linha de carga" às vezes é traçada sobre as curvas características de um transistor para ilustrar sua faixa de operação enquanto conectado a uma resistência de carga de valor específico mostrado na figura abaixo.



Exemplo de linha de carga desenhada sobre as curvas características do transistor de Vsupply à corrente de saturação.

Uma linha de carga é um gráfico da tensão do coletor para o emissor em uma faixa de correntes do coletor. No canto inferior direito da linha de carga, a tensão está no máximo e a corrente está em zero, representando uma condição de corte. No canto superior esquerdo da linha, a tensão está em zero enquanto a corrente está no máximo, representando uma condição de saturação. Os pontos marcando onde a linha de carga cruza as várias curvas do transistor representam condições de operação realistas para as correntes básicas fornecidas.

As condições de operação quiescentes podem ser mostradas neste gráfico na forma de um único ponto ao longo da linha de carga. Para um amplificador classe A, o ponto quiescente estará no meio da linha de carga como na (Figura abaixo).



Ponto quiescente (ponto) para a classe A.

Nesta ilustração, o ponto quiescente cai na curva que representa uma corrente de base de 40 µA. Se mudássemos a resistência de carga neste circuito para um valor maior, isso afetaria a inclinação da linha de carga, uma vez que uma maior resistência de carga limitaria a corrente máxima do coletor na saturação, mas não mudaria a tensão coletor-emissor em corte fora. Graficamente, o resultado é uma linha de carga com um ponto superior esquerdo diferente e o mesmo ponto inferior direito como em



Linha de carga resultante do aumento da resistência da carga.

Observe como a nova linha de carga não intercepta a curva de 75 µA ao longo de sua parte plana como antes. Isso é muito importante saber porque a porção não horizontal de uma curva característica representa uma condição de saturação. Ter a linha de carga interceptar a curva de 75 µA fora da faixa horizontal da curva significa que o amplificador ficará saturado nessa quantidade de corrente de base. Aumentar o valor do resistor de carga é o que fez com que a linha de carga interceptasse a curva de 75 µA neste novo ponto e indica que a saturação ocorrerá em um valor menor de corrente de base do que antes.

Com o antigo resistor de carga de valor inferior no circuito, uma corrente de base de 75 µA geraria uma corrente de coletor proporcional (corrente de base multiplicada por β). No primeiro gráfico de linha de carga, uma corrente de base de 75 µA deu a uma corrente de coletor quase o dobro da obtida a 40 µA, como a razão β poderia prever. No entanto, a corrente do coletor aumenta marginalmente entre as correntes de base 75 µA e 40 µA, porque o transistor começa a perder voltagem coletor-emissor suficiente para continuar a regular a corrente do coletor.

Para manter a operação linear (sem distorção), os amplificadores de transistor não devem ser operados em pontos onde o transistor irá saturar; isto é, onde a linha de carga não cairá potencialmente na porção horizontal de uma curva de corrente do coletor. Teríamos que adicionar mais algumas curvas ao gráfico na Figura abaixo antes de podermos dizer o quão longe poderíamos "empurrar" este transistor com correntes de base aumentadas antes que ele sature.



Mais curvas de base atuais mostram detalhes de saturação.

Parece neste gráfico que o ponto de corrente mais alta na linha de carga que cai na parte reta de uma curva é o ponto na curva de 50 µA. Este novo ponto deve ser considerado o nível de sinal de entrada máximo permitido para operação classe A. Também para a operação de classe A, o bias deve ser definido de forma que o ponto quiescente esteja a meio caminho entre este novo ponto máximo e o corte são mostrados na Figura abaixo.



Novo ponto quiescente evita região de saturação.

Agora que sabemos um pouco mais sobre as consequências dos diferentes níveis de tensão de polarização CC, é hora de investigar as técnicas práticas de polarização. Fonte de tensão DC (bateria) conectada em série com o sinal de entrada AC para polarizar o amplificador para qualquer classe de operação desejada. Na vida real, a conexão de uma bateria calibrada com precisão à entrada de um amplificador simplesmente não é prática. Mesmo se fosse possível personalizar uma bateria para produzir a quantidade certa de voltagem para qualquer determinado requisito de polarização, essa bateria não permaneceria em sua voltagem de fabricação indefinidamente. Uma vez que começasse a descarregar e sua tensão de saída caísse, o amplificador começaria a derivar em direção à operação de classe B.

Tome este circuito, ilustrado na seção de emissor comum para simulação SPICE, por exemplo, na figura abaixo.



Polarização impraticável da bateria base.

Essa bateria “Vbias” de 2,3 volts não seria prática para incluir em um circuito amplificador real. Um método muito mais prático de obter a tensão de polarização para este amplificador seria desenvolver os 2,3 volts necessários usando uma rede divisora ​​de tensão conectada à bateria de 15 volts. Afinal, a bateria de 15 volts já existe por necessidade e os circuitos divisores de tensão são fáceis de projetar e construir. Vamos ver como isso pode ficar na figura abaixo.



Polarização do divisor de tensão.

Se escolhermos um par de valores de resistor para R2 e R3 que produzirá 2,3 volts em R3 de um total de 15 volts (como 8466 Ω para R2 e 1533 Ω para R3), devemos ter nosso valor desejado de 2,3 volts entre a base e emissor para polarização sem entrada de sinal. O único problema é que esta configuração de circuito coloca a fonte do sinal de entrada CA diretamente em paralelo com R3 do nosso divisor de tensão. Isso não é aceitável, pois a fonte CA tenderá a superar qualquer tensão CC que cair em R3. Componentes paralelos devem têm a mesma tensão, portanto, se uma fonte de tensão CA for conectada diretamente a um resistor de um divisor de tensão CC, a fonte CA “ganhará” e não haverá tensão de polarização CC adicionada ao sinal.

Uma maneira de fazer esse esquema funcionar, embora possa não ser óbvio por que vai funcionar, é colocar um capacitor de acoplamento entre a fonte de tensão CA e o divisor de tensão como na Figura abaixo.



O capacitor de acoplamento evita que a polarização do divisor de tensão flua para o gerador de sinal.

O capacitor forma um filtro passa-alta entre a fonte CA e o divisor de tensão CC, passando quase toda a tensão do sinal CA no transistor enquanto bloqueia toda a tensão CC de curto-circuito através da fonte do sinal CA. Isso faz muito mais sentido se você entender o teorema da superposição e como ele funciona. De acordo com a superposição, qualquer circuito linear bilateral pode ser analisado de forma fragmentada, considerando apenas uma fonte de energia por vez e, em seguida, adicionando algebricamente os efeitos de todas as fontes de energia para encontrar o resultado final. Se separássemos o capacitor e o circuito divisor de tensão R2 — R3 do resto do amplificador, seria mais fácil entender como essa superposição de CA e CC funcionaria.

Com apenas a fonte do sinal CA em vigor e um capacitor com impedância arbitrariamente baixa na frequência do sinal, quase toda a tensão CA aparece em R3:



Devido à impedância muito baixa do capacitor de acoplamento na frequência do sinal, ele se comporta como um pedaço de fio, portanto, pode ser omitido nesta etapa da análise de superposição.

Com apenas a fonte CC em vigor, o capacitor parece ser um circuito aberto e, portanto, nem ele nem a fonte de sinal CA em curto terão qualquer efeito na operação do divisor de tensão R2 — R3 na figura abaixo.



O capacitor parece ser um circuito aberto no que diz respeito à análise DC

Combinando essas duas análises separadas na Figura abaixo, obtemos uma superposição de (quase) 1,5 volts AC e 2,3 volts DC, prontos para serem conectados à base do transistor.



Circuito combinado AC e DC.

Chega de conversa - é hora de uma simulação SPICE de todo o circuito do amplificador na figura abaixo. Usaremos um valor de capacitor de 100 µF para obter uma impedância arbitrariamente baixa (0,796 Ω) em 2000 Hz:



Simulação SPICE da polarização do divisor de tensão.
polarização do divisor de tensão

 vinput 1 0 sin (0 1,5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 8466 r3 5 0 1533 q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78m .plot tran v (1,0) i (v1) .fim 

Observe a distorção substancial na forma de onda de saída na Figura acima. A onda senoidal está sendo cortada durante a maior parte do meio-ciclo negativo do sinal de entrada. Isso nos diz que o transistor está entrando no modo de corte quando não deveria (estou assumindo um objetivo de operação classe A como antes). Por que é isso? Essa nova técnica de polarização deve nos dar exatamente a mesma quantidade de voltagem de polarização DC de antes, certo?

Com o capacitor e a rede de resistores R2 — R3 descarregados, ele fornecerá exatamente 2,3 volts de polarização CC. No entanto, uma vez que conectamos esta rede ao transistor, ela não é mais descarregada. A corrente puxada pela base do transistor carregará o divisor de tensão, reduzindo assim a tensão de polarização CC disponível para o transistor. Usando o modelo de transistor de fonte de corrente de diodo na Figura abaixo para ilustrar, o problema de polarização se torna evidente.



O modelo do transistor de diodo mostra o carregamento do divisor de tensão.

A saída do divisor de tensão depende não apenas do tamanho de seus resistores constituintes, mas também de quanta corrente está sendo dividida dele por meio de uma carga. A junção PN do emissor de base do transistor é uma carga que diminui a tensão DC caída em R3, devido ao fato de que a corrente de polarização e IR3 são puxadas através do resistor R2, alterando a razão divisória anteriormente definida pelos valores de resistência de R2 e R3. Para obter uma tensão de polarização DC de 2,3 volts, os valores de R2 e / ou R3 devem ser ajustados para compensar o efeito do carregamento da corrente de base. Para aumentar a tensão DC caiu em R3, abaixe o valor de R2, eleve o valor de R3 ou ambos.



Sem distorção da saída após ajustar R2 e R3.
polarização do divisor de tensão

 vinput 1 0 sin (0 1,5 2000 0 0) c1 1 5 100u r1 5 2 1k r2 4 5 6k <--- R2 diminuiu para 6 k r3 5 0 4k <--- R3 aumentado para 4 k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78m .plot tran v (1,0) i (v1) .fim 

Os novos valores de resistor de 6 kΩ e 4 kΩ (R2 e R3, respectivamente) na Figura acima resultam em uma reprodução de forma de onda classe A, exatamente da maneira que queríamos.

REVER:

• Classe A a operação é um amplificador polarizado para estar no modo ativo durante todo o ciclo da forma de onda, reproduzindo assim fielmente a forma de onda inteira.
• Classe B a operação é um amplificador polarizado de forma que apenas metade da forma de onda de entrada seja reproduzida:a metade positiva ou a metade negativa. O transistor passa metade do tempo no modo ativo e metade no tempo de corte. Pares complementares de transistores operando em operação classe B são freqüentemente usados ​​para fornecer amplificação de alta potência em sistemas de sinal de áudio, cada transistor do par lidando com uma metade separada do ciclo da forma de onda. A operação de classe B oferece melhor eficiência de energia do que um amplificador de classe A de potência de saída semelhante.
• Classe AB operação é um amplificador polarizado em um ponto em algum lugar entre a classe A e a classe B.
• Classe C é um amplificador inclinado para amplificar apenas uma pequena parte da forma de onda. A maior parte do tempo do transistor é gasto no modo de corte. Para que haja uma forma de onda completa na saída, um circuito tanque ressonante é freqüentemente usado como um “volante” para manter as oscilações por alguns ciclos após cada “chute” do amplificador. Como o transistor não conduz a maior parte do tempo, as eficiências de energia são altas para um amplificador classe C.

• Classe D a operação requer um projeto de circuito avançado e funciona com base no princípio de representar a amplitude do sinal de entrada instantânea pelo ciclo de serviço de uma onda quadrada de alta frequência. O (s) transistor (es) de saída nunca operam no modo ativo, apenas corte e saturação. Pouca energia térmica dissipada aumenta a eficiência energética.
• A tensão de polarização CC no sinal de entrada, necessária para certas classes de operação (especialmente classe A e classe C), pode ser obtida através do uso de um divisor de tensão e capacitor de acoplamento em vez de uma bateria conectada em série com a fonte de sinal AC.

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