Cálculos de polarização do transistor
Embora os circuitos de comutação de transistor operem sem polarização, é incomum que os circuitos analógicos operem sem polarização. Um dos poucos exemplos é “TR One, um rádio transistorizado” TR One, Ch 9 com um detector AM amplificado (modulação de amplitude). Observe a falta de um resistor de polarização na base desse circuito. Nesta seção, veremos alguns circuitos de polarização básicos que podem definir um IE de corrente de emissor selecionado. Dado uma corrente de emissor desejada IE, quais valores de resistores de polarização são necessários, RB, RE, etc?
Resistor de polarização de base
A polarização mais simples se aplica a polarização de base resistor entre a base e uma bateria base V BB . É conveniente usar o suprimento VCC existente em vez de um novo suprimento de polarização. Um exemplo de um estágio de amplificador de áudio usando polarização de base é “Rádio de cristal com um transistor. . . ”Crystal radio, Ch 9. Observe o resistor da base ao terminal da bateria. Um circuito semelhante é mostrado na figura abaixo. Escreva uma equação KVL (lei de tensão de Kirchhoff) sobre o loop que contém a bateria, RB e a queda do diodo VBE no transistor na Figura abaixo. Observe que usamos VBB para a alimentação básica, embora seja na verdade VCC. Se β for grande, podemos fazer a aproximação de que IC =IE. Para transistores de silício VBE≅0,7V.
Polarização de base
Transistores de pequeno sinal de silício normalmente têm um β na faixa de 100-300.
Cálculos de exemplo:
Assumindo que temos um transistor β =100, qual valor do resistor de polarização de base é necessário para produzir uma corrente de emissor de 1mA? Resolver a equação de polarização de base IE para RB e substituir β, VBB, VBE e IE produz 930kΩ. O valor padrão mais próximo é 910kΩ.
Qual é a corrente do emissor com um resistor de 910kΩ? Qual é a corrente do emissor se obtermos aleatoriamente um transistor β =300?
A corrente do emissor é pouco alterada com o uso do resistor de valor padrão 910kΩ. No entanto, com uma mudança em β de 100 para 300, a corrente do emissor triplicou. Isso não é aceitável em um amplificador de potência se esperarmos que a tensão do coletor oscile de perto do VCC para perto do aterramento. No entanto, para sinais de baixo nível de microvolts a cerca de um volt, o ponto de polarização pode ser centralizado para um β da raiz quadrada de (100 · 300) =173. O ponto de viés ainda se desviará por uma quantidade considerável. No entanto, os sinais de baixo nível não serão cortados.
A polarização de base não é adequada para altas correntes de emissor, como usadas em amplificadores de potência. A corrente do emissor com base polarizada não é estável à temperatura.
Desregulagem térmica é o resultado de uma alta corrente de emissor causando um aumento de temperatura que provoca um aumento na corrente de emissor, o que aumenta ainda mais a temperatura.
Polarização do feedback do coletor
Variações na polarização devido à temperatura e beta podem ser reduzidas movendo a extremidade VBB do resistor de polarização de base para o coletor como na figura abaixo. Se a corrente do emissor aumentar, a queda de tensão em RC aumenta, diminuindo VC, diminuindo IB realimentado para a base. Isso, por sua vez, diminui a corrente do emissor, corrigindo o aumento original.
Escreva uma equação KVL sobre o loop que contém a bateria, RC, RB e a queda do VBE. Substitua IC≅IE e IB≅IE / β. Resolver para IE produz a equação IE CFB-bias. Resolver para IB produz a equação IB CFB-bias.
Viés do feedback do coletor.
Cálculos de exemplo:
Encontre o resistor de polarização de feedback do coletor necessário para uma corrente de emissor de 1 mA, um resistor de carga do coletor de 4,7K e um transistor com β =100. Encontre a tensão do coletor VC. Deve estar aproximadamente no meio do caminho entre o VCC e o solo.
O valor padrão mais próximo do resistor de polarização de feedback do coletor de 460kΩ é 470kΩ. Encontre a corrente do emissor IE com o resistor de 470KΩ. Recalcule a corrente do emissor para um transistor com β =100 e β =300.
Vemos que conforme o beta muda de 100 para 300, a corrente do emissor aumenta de 0,989mA para 1,48mA. Esta é uma melhoria em relação ao circuito de polarização de base anterior, que teve um aumento de 1,02mA para 3,07mA. O enviesamento do feedback do coletor é duas vezes mais estável do que o enviesamento de base em relação à variação beta.
Polarização do emissor
Inserir um resistor RE no circuito emissor, como na figura abaixo, causa degeneração , também conhecido como feedback negativo . Isso se opõe a uma mudança na corrente do emissor IE devido a mudanças de temperatura, tolerâncias do resistor, variação beta ou tolerância da fonte de alimentação. As tolerâncias típicas são as seguintes:resistor— 5%, beta— 100-300, fonte de alimentação— 5%. Por que o resistor do emissor pode estabilizar uma mudança na corrente? A polaridade da queda de tensão em RE é devido ao VCC da bateria do coletor. A extremidade do resistor mais próxima do terminal (-) da bateria é (-), a extremidade mais próxima do terminal (+) é (+). Observe que a extremidade (-) de RE é conectada via bateria VBB e RB à base. Qualquer aumento no fluxo de corrente através de RE aumentará a magnitude da tensão negativa aplicada ao circuito de base, diminuindo a corrente de base, diminuindo a corrente do emissor. Esta diminuição da corrente do emissor compensa parcialmente o aumento original.
Polarização do emissor
Observe que a bateria de polarização de base VBB é usada em vez de VCC para polarizar a base na figura acima. Mais tarde, mostraremos que a polarização do emissor é mais eficaz com uma bateria de polarização de base inferior. Enquanto isso, escrevemos uma equação KVL para o loop através do circuito base-emissor, prestando atenção à polaridade dos componentes. Substituímos IB≅IE / β e resolvemos para a corrente do emissor IE. Esta equação pode ser resolvida para RB, equação:RB emissor-bias, Figura acima.
Antes de aplicar as equações:polarização do emissor RB e polarização do emissor IE, figura acima, precisamos escolher valores para RC e RE. RC está relacionado ao VCC de alimentação do coletor e ao IC da corrente do coletor desejada, que assumimos ser aproximadamente a corrente do emissor IE.
Normalmente, o ponto de polarização para VC é definido para metade do VCC. Porém, ele poderia ser definido como mais alto para compensar a queda de tensão no resistor do emissor RE. A corrente de coletor é tudo o que exigimos ou escolhemos. Pode variar de micro-Amps a Amps, dependendo da aplicação e da classificação do transistor. Escolhemos IC =1mA, típico de um circuito de transistor de pequeno sinal.
Cálculos de exemplo:
Calculamos um valor para RC e escolhemos um valor padrão próximo. Um resistor de emissor que é de 10-50% do resistor de carga do coletor geralmente funciona bem.
Um resistor de 883k foi calculado para RB, um 870k escolhido. Em β =100, IE é 1,01mA.
Para β =300, as correntes do emissor são mostradas na Tabela abaixo.
Comparação da corrente do emissor para β =100, β =300.
A tabela acima mostra que para VBB =10V, a polarização do emissor não faz um bom trabalho de estabilização da corrente do emissor. O exemplo de polarização de emissor é melhor do que o exemplo de polarização de base anterior, mas não muito. A chave para a polarização do emissor eficaz é reduzir o VBB do suprimento de base para mais perto da quantidade de polarização do emissor.
O arredondamento que é a corrente do emissor vezes o resistor do emissor:IERE =(1mA) (470) =0,47V. Além disso, precisamos superar o VBE =0,7V. Portanto, precisamos de um VBB> (0,47 + 0,7) V ou> 1,17V. Se a corrente do emissor desviar, este número mudará em comparação com a fonte VBB de base fixa, causando uma correção para a corrente base IB e a corrente do emissor IE. Um bom valor para VB> 1,17V é 2V.
O resistor de base calculado de 83k é muito menor do que o 883k anterior. Escolhemos 82k na lista de valores padrão. As correntes do emissor com 82k RB para β =100 e β =300 são:
Comparando as correntes do emissor para a polarização do emissor com VBB =2V em β =100 e β =300 com os exemplos de circuito de polarização anteriores na tabela abaixo, vemos uma melhora considerável em 1,75mA, embora não tão boa quanto 1,48mA do coletor comentários.
Comparação da corrente do emissor para β =100, β =300.
Para melhorar o desempenho da polarização do emissor, aumente o resistor do emissor RE ou diminua o VBB da fonte de polarização da base ou ambos.
Como exemplo, dobramos o resistor do emissor para o valor padrão mais próximo de 910Ω.
O RB =39k calculado é um resistor de valor padrão. Não há necessidade de recalcular IE para β =100. Para β =300, é:
O desempenho do circuito de polarização do emissor com um resistor de emissor 910 é muito melhorado. Veja a tabela abaixo.
Comparação da corrente do emissor para β =100, β =300.
Como exercício, retrabalhe o exemplo de polarização do emissor com o resistor do emissor revertido para 470Ω e o fornecimento de polarização da base reduzido para 1,5V.
O resistor de base de 33k é um valor padrão, a corrente do emissor em β =100 está OK. A corrente do emissor em β =300 é:
A tabela abaixo compara os resultados do exercício de 1mA e 1,38mA com os exemplos anteriores.
Comparação da corrente do emissor para β =100, β =300.
As equações de polarização do emissor foram repetidas na figura abaixo com a resistência do emissor interno incluída para melhor precisão. A resistência do emissor interno é a resistência no circuito do emissor contido no pacote do transistor. Esta resistência interna rEE é significativa quando o resistor emissor (externo) RE é pequeno, ou mesmo zero. O valor da resistência interna REE é uma função da corrente do emissor IE, Tabela abaixo.
Derivação de r EE
r EE =KT / I E m onde:K =1,38 × 10 -23 watt-sec / o C, T constante de Boltzman =temperatura em Kelvins ≅300. I E =corrente do emissor m =varia de 1 a 2 para Silicon r EE ≅ 0,026 V / I E =26mV / I E
Para referência, a aproximação de 26mV é listada como equação rEE na Figura abaixo.
Equações de polarização do emissor com resistência do emissor interno rEE incluída.
As equações de polarização do emissor mais precisas na figura acima podem ser derivadas escrevendo uma equação KVL. Alternativamente, comece com as equações IE emitter-bias e RB emitter-bias na Figura anterior, substituindo RE por rEE + RE. O resultado são as equações IE EB e RB EB, respectivamente na Figura acima.
Refaça o cálculo de RB no exemplo anterior bias de emissor com a inclusão de rEE e compare os resultados.
A inclusão de rEE no cálculo resulta em um valor inferior do resistor de base RB conforme mostrado na Tabela abaixo. Ele fica abaixo do valor padrão do resistor de 82k em vez de acima dele.
Efeito da inclusão de rEE no RB calculado
Bypass Capacitor para RE
Um problema com a polarização do emissor é que uma parte considerável do sinal de saída cai no resistor do emissor RE (figura abaixo). Esta queda de tensão no resistor emissor está em série com a base e de polaridade oposta em comparação com o sinal de entrada. (Isso é semelhante a uma configuração de coletor comum com ganho <1.) Essa degeneração reduz severamente o ganho da base para o coletor. A solução para amplificadores de sinal AC é contornar o resistor emissor com um capacitor. Isso restaura o ganho CA, pois o capacitor é curto para sinais CA. A corrente do emissor DC ainda experimenta degeneração no resistor do emissor, estabilizando a corrente DC.
O Cbypass é necessário para evitar a redução do ganho de CA.
O valor do capacitor de bypass depende da frequência mais baixa a ser amplificada.
Para radiofrequências, Cbpass seria pequeno. Para um amplificador de áudio estendendo-se até 20 Hz, ele será grande. Uma “regra geral” para o capacitor de bypass é que a reatância deve ser 1/10 da resistência do emissor ou menos. O capacitor deve ser projetado para acomodar a frequência mais baixa sendo amplificada. O capacitor para um amplificador de áudio cobrindo 20 Hz a 20 kHz seria:
Observe que a resistência do emissor interno rEE não é ignorada pelo capacitor de bypass.
Polarização do divisor de tensão
A polarização do emissor estável requer uma fonte de polarização da base de baixa tensão, conforme a figura abaixo. A alternativa para um VBB de alimentação básica é um divisor de tensão baseado no VCC de alimentação do coletor.
A polarização do divisor de tensão substitui a bateria base pelo divisor de tensão.
A técnica de projeto consiste em primeiro elaborar um projeto de polarização de emissor e, em seguida, convertê-lo para a configuração de polarização do divisor de tensão usando o Teorema de Thevenin. [TK1] As etapas são mostradas graficamente na figura abaixo. Desenhe o divisor de tensão sem atribuir valores. Solte a divisória da base. (A base do transistor é a carga.) Aplique o Teorema de Thevenin para produzir uma única resistência equivalente de Thevenin Rth e fonte de tensão Vth.
O Teorema de Thevenin converte o divisor de tensão em uma fonte Vth e resistência Rth.
A resistência equivalente de Thevenin é a resistência do ponto de carga (seta) com a bateria (VCC) reduzida a 0 (terra). Em outras palavras, R1 || R2. A tensão equivalente de Thevenin é a tensão de circuito aberto (carga removida). Este cálculo é feito pelo método da razão do divisor de tensão. R1 é obtido eliminando R2 do par de equações para Rth e Vth. A equação de R1 é em termos de quantidades conhecidas Rth, Vth, Vcc. Observe que Rth é RB, o resistor de polarização do projeto de polarização do emissor. A equação para R2 é em termos de R1 e Rth.
Converta este exemplo anterior de polarização do emissor em polarização do divisor de tensão.
Exemplo de polarização do emissor convertido para polarização do divisor de tensão.
Esses valores foram previamente selecionados ou calculados para um exemplo de polarização de emissor
Substituindo VCC, VBB, RB produz R1 e R2 para a configuração de polarização do divisor de tensão.
R1 é um valor padrão de 220K. O valor padrão mais próximo para R2 correspondente a 38,8k é 39k. Isso não muda o IE o suficiente para que possamos calculá-lo. Exemplos de problemas 1. Calcule os resistores de polarização para o amplificador cascode na figura abaixo. VB2 é a tensão de polarização para o estágio de emissor comum. VB1 é uma tensão razoavelmente alta em 11,5 porque queremos que o estágio de base comum mantenha o emissor em 11,5-0,7 =10,8 V, cerca de 11 V. (Será de 10 V após considerar a queda de tensão em RB1.) Ou seja, o estágio de base comum é a carga, substituto de um resistor, para o coletor do estágio de emissor comum. Desejamos uma corrente de emissor de 1mA.
Viés para um amplificador cascode.
2. Converta os resistores de polarização de base para o amplificador cascode em resistores de polarização do divisor de tensão acionados pelo VCC de 20V.
O diagrama de circuito final é mostrado no capítulo “Circuitos analógicos práticos”, “Amplificador cascode Classe A. . . ”Cascode, cap. 9.
REVER:
- Veja a figura abaixo.
- Selecione a configuração do circuito de polarização
- Selecione RC e IE para o aplicativo pretendido. Os valores para RC e IE devem normalmente definir a tensão do coletor VC para 1/2 de VCC.
- Calcule o resistor de base RB para alcançar a corrente de emissor desejada.
- Recalcule a corrente do emissor IE para resistores de valor padrão, se necessário.
- Para polarização do divisor de tensão, execute primeiro cálculos de polarização do emissor e, em seguida, determine R1 e R2.
- Para amplificadores AC, um capacitor de bypass em paralelo com RE melhora o ganho AC. Defina XC≤0,10RE para a frequência mais baixa.
Resumo das equações de polarização.
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