Eletrônica I - 2020 PDF

MARINHA DO BRASIL CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE ALEXANDRINO EE-1006-0428 ELETRÔNICA I 2020 OSTENSIVO CIAA-117/079 ELETRÔNICA I MARINHA DO BRASIL CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE ALEXA...

MARINHA DO BRASIL CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE ALEXANDRINO EE-1006-0428 ELETRÔNICA I 2020 OSTENSIVO CIAA-117/079 ELETRÔNICA I MARINHA DO BRASIL CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE ALEXANDRINO 2020 FINALIDADE: DIDÁTICA - OSTENSIVO I ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 ATO DE APROVAÇÃO APROVO, para emprego no Centro de Instrução Almirante Alexandrino, para as turmas do Curso de especialização de Praças do CPA, dos Cursos de Aperfeiçoamento em Eletrônica, Eletricidade e Comunicações Interiores, a apostila da disciplina ELETRÔNICA I. Rio de Janeiro, RJ Em 09 de setembro de 2020. JOSE AFONSO BARBOZA LOBIANCO Capitão-de-Fragata (RM-1) Coordenador de Cursos - OSTENSIVO II ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 ÍNDICE Páginas Folha de rosto.....................................................................................I Ato de aprovação................................................................................II Índice..................................................................................................III Introdução...........................................................................................IV CAPITULO 1-DIODOS SEMICONDUTORES................................1-1 1.1-Estrutura básica............................................................................1-1 1.1.1-Estrutura da Junções PN.......................................................1-3 1.1.2-Funcionamento da junção PN...............................................1-4 CAPITULO 2-TRANSISTORES.........................................................2-1 2.1- Estrutura do transistor de junção bipolar (TJB)..........................2-1 2.1.1-Polarização das junções........................................................2-1 2.1.2-Funcionamento do transistor de junção bipolar....................2-2 2.1.2-Ação amplificadora de um transistor de junção bipolar.......2-3 2.2-Configurações do transistor de junção bipolar(TJB)....................2-4 2.2.1-Introdução.............................................................................2-4 2.2.2-Configuração Base Comum (BC).........................................2-4 2.2.3-Configuração emissor - comum, (EC)..................................2-6 2.2.4-Parâmetros () alfa, e (β) beta) beta..............................................2-8 2.2.5-Configuração coletor comum. (CC)...................................2-9 2.2.6-Capacidades máximas dos Transistores de Junção Bipolar. 2-10 2.3-Circuitos de polarização do transistor de junção bipolar.............2-12 2.3.1-Introdução.............................................................................2-12 2.3.2-Ponto de Operação Estática (POE).......................................2-13 2.3.3-Circuito de polarização fixa..................................................2-14 2.3.4-Circuito de Polarização Estável por Emissor.......................2-20 2.3.5-Polarização por divisor de tensão ou polarização universal. 2-25 2.3.6-Análise exata........................................................................2-26 2.3.7-Análise aproximada..............................................................2-28 2.3.8-Método prático de polarização.............................................2-30 2.4-Transistor por efeito de campo (FET)..........................................2-33 2.4.1-Descrição Geral....................................................................2-33 2.4.2-Comparações entre o FET e o TJB.......................................2-33 2.4.3-Construção e características do J-FET.................................2-33 2.4.4-Estrutura física do J-FET......................................................2-33 2.4.5-Característica Dreno X Fonte...............................................2-36 2.4.6-Característica de Transferência............................................2-36 2.4.7-Parâmetros de operação do J-FET........................................2-37 2.4.8-Polarização do FET..............................................................2-38 2.4.9-Construção e características do MOSFET............................2-43 2.4.10-MOSFET de Depleção.......................................................2-43 2.4.11-MOSFET de indução..........................................................2-45 CAPITULO 3-AMPLIFICADORES...................................................3-1 3.1-CONCEITOS BÁSICOS.............................................................3-1 3.1.1-Classificação dos amplificadores.........................................3-1 - OSTENSIVO III ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 3.1.2-Ganho linear e ganho logarítmico........................................3-7 3.1.3-Decibel..................................................................................3-7 3.2-Parâmetros híbridos do transistor de junção bipolar (TJB)..........3-10 3.2.1-Introdução.............................................................................3-10 3.2.2- Modelamento para a condição DC......................................3-11 3.2.3-Modelamento para a condição AC.......................................3-11 3.2.4-Modelamento de um transistor bipolar.................................3-13 3.2.5-Quadripolos – Parâmetros Híbridos.....................................3-13 3.2.6-Modelo elétrico do transistor................................................3-16 3.3-Amplificador básico em função dos parâmetros híbridos (H).....3-18 3.3.1-Modelamento de um transistor.............................................3-18 3.3.2-Ganho de Corrente (Ai)........................................................3-19 3.3.3-Impedância de entrada (Zi)...................................................3-20 3.3.4-Ganho de tensão (Av)...........................................................3-20 3.3.5-Impedância de saída (Zo).....................................................3-21 3.3.6-Conclusão.............................................................................3-22 3.4-ACOPLAMENTO ENTRE AMPLIFICADORES......................3-22 3.4.1-Introdução.............................................................................3-22 3.4.2-Acoplamento RC..................................................................3-23 3.4.3-Acoplamento a transformador..............................................3-23 3.4.4-Acoplamento direto..............................................................3-25 3.4.5-Associação em cascata.........................................................3-26 3.4.6-Curva de resposta em função da freqüência.........................3-28 3.4.7-Frequência de Corte Inferior (fL).........................................3-28 3.4.8-Frequência de Corte Superior (fH).......................................3-31 3.4.9-Frequência de Corte Superior Natural (fHN).......................3-31 3.4.10-Circuito equivalente para altas frequências........................3-32 3.4.11-Frequência de corte superior dominante (fHD)..................3-34 3.4.12-Pontos de queda do ganho e gráfico de BODE..................3-35 3.4.13-Ponto de meia potência para baixa frequência...................3-35 3.4.14-Ponto de meia potência para alta frequência......................3-38 3.5-REALIMENTAÇÃO NOS AMPLIFICADORES.......................3-39 3.5.1-Introdução.............................................................................3-39 3.5.2-Tipos de conexão para a realimentação................................3-40 3.5.3-Ganho do amplificador realimentado...................................3-42 3.5.4-Influência da realimentação nas impedâncias do amplificador.......................................................................................................3-43 3.5.5-Redução da distorção em frequência....................................3-44 3.5.6-Redução do ruído e da distorção não linear..........................3-44 3.5.7-Efeito da realimentação na relação ganho X banda passante.......................................................................................................3-44 3.6-Efeito da realimentação na relação ganho X banda passante.......3-45 3.6.1-Introdução.............................................................................3-45 3.6.2-Classe de Operação...............................................................3-46 3.6.3-Eficiência do Amplificador..................................................3-49 3.6.4-Análise da operação de um amplificador classe A...............3-50 3.6.5-Análise para o amplificador de potência polarizado em Classe B.......................................................................................................3-56 3.6.6-Análise do amplificador polarizado em classe AB...............3-59 3.6.7-Análise do amplificador polarizado em classe C.................3-64 3.7-AMPLIFICADORES OPERACIONAIS.....................................3-70 3.7.1-Introdução.............................................................................3-70 3.7.2-Descrição do amplificador operacional................................3-71 - OSTENSIVO IV ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 3.7.3-Parâmetros básicos dos Amplificadores operacionais..........3-73 3.7.4-Análise dos parâmetros dos Amplificadores operacionais...3-76 3.7.5-Realimentação negativa........................................................3-78 3.7.6-Montagens básicas, usando Amp-Ops..................................3-79 3.7.7-Circuitos Aritméticos básicos...............................................3-83 CAPÍTULO 4-FONTES DE ALIMENTAÇÃO.................................4-1 4.1-CONCEITOS BÁSICOS.............................................................4-1 4.1.1-Transformador......................................................................4-1 4.1.2-Retificadores.........................................................................4-3 4.1.3-Filtros....................................................................................4-13 4.1.4-Circuitos reguladores de tensão............................................4-21 4.1.5-Características dos CIs reguladores......................................4-27 4.2-FUNCIONAMENTO DAS FONTES CHAVEADAS................4-33 4.2.1-Conceitos Básicos.................................................................4-33 4.2.2-Operação do circuito básico.................................................4-34 ANEXO A -............................................................................................A-1 - OSTENSIVO V ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 INTRODUÇÃO 1 - PROPÓSITO Esta publicação foi elaborada com o propósito de facilitar ao aluno no estudo da disciplina Eletrônica IV. 2 - DESCRIÇÃO Esta publicação está dividida em quatro capítulos. No Capítulo 1, são estudados os Transistores, no Capítulo 2, os Tiristores, no Capítulo 3, os Amplificadores e no Capítulo 4 as Fontes de alimentação. 3 - AUTORIA E EDIÇÃO Esta publicação é de autoria do CT (AA-RM1) JOSÉ ITAMAR DOS SANTOS GONÇALVES, revisada pelo 1SG-ET MARCIO CORREA TEIXEIRA e foi elaborada e editada, no CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE ALEXANDRINO (CIAA). 4 - DIREITOS DE EDIÇÃO Reservados para o CENTRO DE INSTRUÇÃO ALMIRANTE ALEXANDRINO. Proibida a reprodução total ou parcial, sob qualquer forma ou meio. 5 - CLASSIFICAÇÃO Esta publicação é classificada, de acordo com o EMA-411 (Manual de Publicações da Marinha) em: Publicação da Marinha do Brasil, não controlada, ostensiva, didática e manual. - OSTENSIVO VI ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 1. CAPITULO 1 DIODOS SEMICONDUTORES 1.1 Estrutura básica Antes de entrarmos no assunto propriamente dito, é necessário fazermos algumas considerações sobre o material de que são feitos alguns importantíssimos componentes eletrônicos, tais como: diodos e transistores entre outros; este material é conhecido como semicondutor. Materiais Semicondutores. Existem na natureza materiais que podem conduzir a corrente elétrica com facilidade: os metais- Ex: cobre, alumínio, ferro etc. Materiais que não permitem a passagem da corrente elétrica, pois o portador de carga (elétrons), não tem mobilidade neles. São os isolantes. Ex.: mica, borracha, vidro plásticos etc. Em um grupo intermediário, situado entre condutores e os isolantes estão os semicondutores, que não são nem bons condutores e nem chega a ser isolantes. Destacamos entre os semicondutores, pois serão alvos deste estudo o silício (Si) e o germânio (Ge). Existem outros elementos semicondutores também importantes para eletrônica São eles o selênio (Se), o Gálio (Ga) etc. A principal característica que interessa no caso do Silício e do Germânio é que estes elementos possuem átomos com 4 elétrons na sua última camada e que ele se dispõe numa estrutura geométrica e ordenada. O silício e o germânio formam cristais onde os átomos se unem compartilhando os elétrons da última camada. Sabemos da química que os átomos de diversos elementos têm uma tendência natural em obter o equilíbrio, quando sua última camada adquire o número máximo de 8 elétrons. Desta forma formam, tanto o silício quanto o germânio formam cristais quando os seus átomos um ao lado do outro compartilham os elétrons havendo sempre 8 deles em torno de cada núcleo, o que resulta num equilíbrio bastante estável para estes materiais. Conforme figura abaixo. FIG. 1.1. Átomo de silício Cada tomo compartilha 4 elétrons com o vizinho, de modo a haver 8 elétrons em torno de cada núcleo. Nesta forma cristalina de grande pureza o silício e o germânio não servem para elaboração de dispositivos eletrônicos, mas a situação muda quando adicionamos certas “impurezas” ao material. Estas impurezas consistem em átomos de algum elemento químico que tenha na sua última camada um número diferente de 4 elétrons, e que sejam agregados a estrutura - OSTENSIVO 1-1 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 do Germânio ou/e do silício em proporções extremamente pequenas da ordem de partes por milhão (PPM). No nosso exemplo utilizaremos o silício com as duas possibilidades de adição. -Elementos com átomos de 5 elétrons na última camada; -Elementos com átomos dotados de 3 elétrons na última camada. No primeiro caso, mostrado na figura 2, a adição e utilizando o elemento arsênio (As). Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons na formação da estrutura cristalina, sobrará um que não tendo a que se ligar, adquire mobilidade no material, e por isso pode servir como portador de carga. FIG. 1.2. Semicondutor tipo N O resultado é que a resistividade ou capacidade de conduzir a corrente se altera e o semicondutor no caso o silício fica, o que se chama “dopado” e se torna bom condutor da corrente elétrica. Como o transporte das cargas é feito nos materiais pelos elétrons que sobram ou elétrons livres que são cargas negativas, o material semicondutor obtido desta forma, pela adição deste tipo de impureza, recebe o nome de Semicondutor do tipo N (N- negativo). Na segunda possibilidade, agregamos ao cristal de silício uma impureza, que contém 3 elétrons na sua última camada, no caso o Índio (In) obtendo-se então uma estrutura conforme mostrada na figura abaixo. FIG. 1.3. Semicondutor tipo P Observa-se que, no local em que se encontra o átomo de Índio não existem 8 elétrons para serem compartilhados de modo que sobra uma vaga, que chamamos de “lacuna”. - OSTENSIVO 1-2 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 Esta lacuna também funciona com portador de carga, pois os elétrons que queiram se movimentar através do material podem “saltar” de lacuna para lacuna encontrando assim um percurso com pouca resistência. Como os portadores de carga neste caso são lacunas, e a falta de elétrons corresponde ao predomínio de uma carga positiva, dizemos que o material semicondutor assim obtido é do tipo P (P de positivo). Podemos formar materiais semicondutores do tipo P e N tanto com os elementos como o silício e o germânio, como com alguns outros encontrados em diversas aplicações na eletrônica. 1.1.1 -Estrutura da Junções PN. Um importante dispositivo eletrônico é obtido quando juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes formando entre eles uma junção semicondutora. A junção semicondutora é parte importante de diversos dispositivos como os diodos, transistores, SCRs, circuitos integrados, etc. Por este motivo, entender o seu comportamento é muito importante. Supondo que tenhamos dois pedaços de materiais semicondutores, um do tipo P e o outro do tipo N, se unimos os dois de modo a estarem num contato muito próximo, formam uma junção, conforme se mostra na figura abaixo, na sequência. FIG. 1.4. Junção PN Esta junção apresenta propriedades muito importantes. Analisemos inicialmente o ocorre na própria junção. No local da junção os elétrons que estão em excesso no material N e podem movimentar-se procuram as lacunas, que estão também presentes no local da junção, no lado do material P, preenchendo-as. O resultado ‘e que estas cargas se neutralizam e ao mesmo tempo aparece uma certa tensão entre os dois materiais (P e N). Esta tensão que aparece na junção consiste numa verdadeira barreira que precisa ser vencida para que possamos fazer circular a corrente entre os dois materiais. Esta barreira é chamada de Barreira de potencial ou ainda Tensão de Limiar ou ainda Tensão de Condução. Para o Germânio esta tensão é de 0,2 Volts e para o Silício é de 0,7 Volts. - OSTENSIVO 1-3 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 1.5. Barreira de potencial A estrutura indicada, com os dois materiais semicondutores P e N, forma um componente eletrônico com propriedades elétricas bastante interessantes e que é chamado de diodo (semicondutor). 1.1.2 Funcionamento da junção PN Diodo é um semicondutor formado por dois materiais de características elétricas opostas, separados por uma área sem carga (vazia) chamada de junção. Esta junção é que dá a característica do diodo. Normalmente os diodos são feitos de cristais “dopados” de silício e do germânio. FIG. 1.6. Simbologia/estrutura a) Especificações dos Diodos As especificações dos Diodos comuns são feitas em função da corrente máxima que podem conduzir no sentido direto, abreviado por “If”( “f” de forward=direto), e pela tensão máxima que podem suportar no sentido inverso, abreviada por “Vr” (reverse=Inverso) e ainda segundo códigos, da seguinte forma: 1N – Código americano (uma Junção); 1S – Código Japonês; AO = BA – Código europeu. b) Polarização dos Diodos. -Polarização Direta. Para polarizar um diodo ligamos o anodo ao polo positivo da bateria, enquanto o catodo é ligado ao polo negativo da mesma. Ocorre uma repulsão tanto dos portadores de carga da parte N se afastando do polo negativo da bateria, como dos - OSTENSIVO 1-4 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 portadores de carga da parte P se afastando do polo positivo da bateria. Convergem, tanto os portadores de N como os portadores de P, para a região da junção. Temos então na região da junção uma recombinação, já que os elétrons que chegam passam a ocupar as lacunas que também são “empurradas” para esta região. O resultado é que este fenômeno abre caminho para novas cargas, tanto em P como em N, fazendo com que as estas se dirijam para região da junção, num processo contínuo o que significa a circulação de uma corrente. Esta corrente é intensa, o que quer dizer que um diodo polarizado desta maneira, ou seja, de forma direta deixa passa corrente com facilidade. Na figura abeixo, podemos visualizar melhor este fenômeno. FIG. 1.7. Polarização direta -Polarização Inversa.- Quando invertemos a polaridade da bateria, em relação aos semicondutores, ou seja, polo positivo da bateria ligado ao catodo (N) e o polo negativo. Da bateria ligada ao anodo (P), o que ocorre é uma atração dos portadores de carga de N para o polo positivo da bateria e dos portadores de P para o polo negativo da mesma. Ocorre então um afastamento dos portadores de N e de P da junção. O resultado é que em lugar de termos uma aproximação das cargas na região da junção temos um o seu afastamento, com um aumento da barreira de potencial que impede a circulação de qualquer corrente. O material polarizado desta forma, ou seja, inversa, não deixa passar a corrente. FIG. 1.8. Polarização reversa c) Tipos de Diodos. - Diodos de silício uso geral: São aqueles usados em circuitos lógicos, circuitos de proteção de transistores, polarização etc. São fabricados para o trabalho com correntes de pequena intensidade de no máximo 200mA e tensões que não ultrapassam 100V. - OSTENSIVO 1-5 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 1.9. Simbologia Um dos diodos mais populares deste grupo é o de referência 1N4148 - Diodos Retificadores. Sua função é de retificar corrente de AC para DC pulsante. São destinadas a condução de correntes intensas e também operam com tensões inversas elevadas que podem chegar 1000v ou 1200 no sentido inverso conduzem correntes diretas de até 1 A. FIG. 1.10. Simbologia Diodo série IN400C Aplicação: Uso geral em retificação de correntes e tensões. Uma série muito importante destes diodos é a formada pelos IN4000C que começa com o 1N4001. Tipos VR(tensão– Inverso) IN4001 50V IN4002 100V IN4003 200V IN4004 400V IN4005 600V IN4006 800V IN4007 1000V Tabela 1.1 Leitura do Código 1N400C 1N=código americano diodo retificador de 1 junção; C= números de 1 a 7 que nos mostra a tensão máxima quando o diodo está polarizado inversamente=Vr = 100 a 1000V -Diodo Zener.- Polarizado inversamente mantém a tensão do circuito constante, mesmo que a corrente varie, ou seja, ele funciona como regulador de tensão em um circuito. Obs.: polarizado diretamente funciona como um diodo comum. - OSTENSIVO 1-6 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 1.11. Simbologia -Aplicações: Em fontes de alimentação para manter a tensão estável e constante, além de estarem presentes em outras aplicações em que se necessita tensão fixa. -Código de identificação. Uma série de diodos que se emprega muito em projetos e aparelhos comerciais é a BZX79C da Phillips Componentes, formada por diodos de 400mA. Nesta série a tensão do diodo é dada pelo próprio tipo. Ex.: BZX79C2V1-onde 2V1 corresponde a 2,1 V (o V substituí a virgula). BZX79C12V- corresponde a um diodo de 12 V -Ruptura e efeito avalanche Os diodos têm tensões nominais máximas. Existe um limite do valor de tensão reversa que um diodo pode suportar antes de ser destruído. Aumentando a tensão reversa, o diodo atingirá sua tensão de ruptura. Para os diodos retificadores (aqueles fabricados para conduzir melhor de um modo que de outro), a tensão de ruptura é usualmente maior que 50V. I (A) RUPTURA REGIÃO DIRETA CORRENTE DE FUGA V (volts) REGIÃO JOELHO REVERSA ≈ 0,65v (Si) ≈ 0,25v (Ge) FIG. 1.12. Curva característica - OSTENSIVO 1-7 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 -Testes em Diodos em geral FIG. 1.13. Teste diodo Leitura Condição Sentido direto – Baixa Bom Sentido inverso – Alta Sentido direto e inverso – baixo (próximo ou = a Curto zero) Sentido direto e inverso – Alto (próximo ou = ∞) Aberto Sentido inverso – abaixo de 10Ω Fuga Tabela 1.2 Nos testes feitos, diodo por diodo (D1, D2, D3 e D4 Direta ou inversamente), pode- se seguir a tabela de defeitos, acima. Se um dos diodos apresentar os defeitos constantes da tabela acima, a ponte retificadora está estragada - OSTENSIVO 1-8 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 1.14. Teste ponte retificadora - OSTENSIVO 1-9 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 2. CAPÍTULO 2 TRANSISTORES 2.1 ESTRUTURA DO TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR (TJB). 2.1.1 Polarização das junções É um dispositivo semicondutor composto por três camadas de silício, dos tipos N e P, cuja dopagem e dimensões são convenientemente projetadas e combinadas como mostrado na figura abaixo. FIG. 2.1. Estrutura física do transistor PNP e NPN. As camadas que formam o transistor são denominadas: Emissor (E), Base (B) e Coletor (C). A estrutura do Emissor e do Coletor é fortemente dopada e têm uma área de média dimensão para o Emissor e de grande dimensão para o Coletor. A estrutura da Base é construída com fraca dopagem e tem pequena área, se comparada às anteriores. O baixo nível de dopagem da Base diminui a sua condutividade, pois limita o número de portadores livres. O termo Bipolar empregado para denominar este dispositivo, reflete o fato de que lacunas e elétrons, ou seja, portadores de corrente majoritários e minoritários, dependendo do tipo de cristal, participam do processo de injeção no material reversamente polarizado. Este dispositivo é representado eletricamente pelos símbolos apresentados na figura abaixo. FIG. 2.2. Simbologia para os transistores PNP e NPN. -OSTENSIVO 2-1 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 2.1.2 Funcionamento do transistor de junção bipolar. Para mostrar seu funcionamento, usaremos como base o transistor PNP. A operação do transistor NPN, é exatamente a mesma exceto pelos tipos de portadores que são trocados. Na Figura abaixo representamos o transistor PNP sem a polarização da junção Base - Coletor (BC). Note que a situação apresentada é similar a de um diodo diretamente polarizado na junção Emissor - base (EB). A região de depleção tem a largura reduzida, devido ao tipo de polarização aplicada, o que resulta em um intenso fluxo de portadores majoritários do material tipo P (Emissor) para o material do tipo N (Base). FIG. 2.3. Junção diretamente polarizada. Retirando a polarização da junção base emissor e aplicando a polarização mostrada na Figura abaixo, entre base e coletor, notamos que esta situação é semelhante a de um diodo, reversamente polarizado (BC). Recordando a operação do diodo com este tipo de polarização, verificamos que, o fluxo de portadores majoritários é praticamente Zero, ficando apenas com um pequeno fluxo de portadores minoritários (no caso do diodo). Daí, podemos concluir que, para um transistor de junção bipolar operar corretamente, a junção Base-Emissor (BE), deve ser polarizada diretamente e a junção Base-Coletor (BC) deve ter polarização reversa. Aplicando-se a polarização representada na figura abaixo, teremos como resultado os fluxos de portadores majoritários e minoritários como indicado. Note que na figura as larguras das regiões de depleção indicam claramente, qual junção está diretamente polarizada e qual junção apresenta polarização reversa. FIG. 2.4. Fluxo de portadores de um transistor PNP. Um grande número de portadores majoritários se difundirá através da junção PN, dentro do material tipo N. Como o material tipo N, tem uma área muito pequena e é construído (dopado) com baixa densidade, consequentemente tem baixa condutividade, um pequeno número destes portadores seguirão pelo caminho de alta resistividade, ou seja, para o terminal da base. Esta corrente tem uma dimensão da ordem de microampères (μA), enquanto as correntes deA), enquanto as correntes de emissor e de coletor são dimensionadas na ordem de miliampères (mA). A maior parte destes -OSTENSIVO 2-2 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 portadores majoritários se difundirá através da junção que recebeu a polarização reversa, em direção ao terminal do coletor. Isto é facilmente compreendido se considerarmos que, para o diodo reversamente polarizado este tipo de portador é considerado minoritário no material tipo N, ou seja, foi feita uma injeção de portadores minoritários, no material N que compõe a região da base. Combinando isto com o fato de que todos os portadores minoritários na região de depleção atravessarão a junção reversamente polarizada de um diodo, fica compreendido o fluxo indicado. Aplicando-se a lei de Kirchhoff ao circuito, e considerando-se que o transistor representa um único nó, poderemos deduzir que: IE = IC + IB Podemos também intuir que a corrente de coletor é formada por duas componentes, devido aos portadores majoritários e minoritários, conforme mostrado na Figura 1.5. A componente minoritária denominada corrente de fuga é representada por ICo, logo, a corrente de coletor é determinada pela equação: IC = IcMaj + IcoMin Em transistores de emprego geral, IC é dimensionada em miliampères (mA), enquanto que Ico tem dimensão em microampères (μA), enquanto as correntes deA). Esta é a corrente de fuga (Ico) e deve ser considerada adequadamente, pois, pode provocar instabilidade no sistema quando a operação do circuito transistorizado é executada em ambientes sujeitos à altas temperaturas. Devido aos aprimoramentos tecnológicos aplicados na construção de semicondutores, esta componente (Ico) foi muito reduzida, a ponto de poder ser desprezada em muitas situações. Entretanto, isto não pode ser feito em projetos de dispositivos de altas potências, pois, nestes tipos de sistemas, (Ico) atinge a dimensão de microampères (μA), enquanto as correntes deA). 2.1.3 Ação amplificadora de um transistor de junção bipolar. Esta ação pode ser verificada usando–se o circuito representado pela Figura abaixo. FIG. 2.5. Operação básica de amplificação em BC A representação da polarização DC foi dispensada, pois, a análise só faz sentido com relação à componente AC do dispositivo. Considere que no tipo de ligação apresentada a resistência de entrada (Rin) de um transistor apresenta valores entre 20 a 200Ω, enquanto que a resistência de saída (Rout) pode variar entre os valores de 100KΩ a 1MΩ. A diferença entre as resistências (Rin e Rout) é devido a junção diretamente polarizada na entrada e a junção inversamente polarizada na saída. Usando valores efetivos e um valor médio de 20Ω para Rin, obteremos: 200. 10−3 V Ii= =10 mA ca = 1; (Ic = Ie). 20 Ω -OSTENSIVO 2-3 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 Considerando: IE = IC => II = IL VL = 10mA. 5KΩ = 50V Logo, a amplificação de tensão foi de: VL 50V Av = = =250 Vin 200 mV Para este tipo de ligação, o ganho de tensão (Av) apresenta valores típicos na faixa de 50 a 300. A amplificação de corrente (IC/IE) será sempre menor que a unidade. A ação amplificadora básica foi produzida pela transferência de uma corrente (I), de um circuito de baixa resistência para um circuito de alta resistência. Daí o nome Transistor, (Transfer + Resistor). 2.2 CONFIGURAÇÕES DO TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR (TJB) 2.2.1 Introdução Atribui-se o nome de configuração, à maneira como se liga os terminais de um transistor (base, coletor e emissor), em relação ao circuito do sinal de entrada e ao circuito do sinal de saída. Sempre haverá um dos terminais do transistor, ligado aos outros terminais, comum aos circuitos em questão. Assim sendo, podemos configurar r um amplificador, com um transistor de junção bipolar de três maneiras diferentes, a saber: base comum (BC), emissor comum (EC) e coletor comum (CC). Modificando o tipo de ligação do transistor em relação à entrada e à saída, alteramos também, as características básicas do amplificador, tais como: impedância de entrada (Zin), impedância de saída (Zout), ganho de tensão (Av) e ganho de corrente (Ai). Estas características apresentam-se com valores diferentes para as três configurações. 2.2.2 Configuração Base Comum (BC). FIG. 2.6. Configuração base-comum a) PNP e b) NPN. Nesta configuração, as tensões aplicadas são especificadas em relação ao potencial aplicado à base, VEB e VCB. Para o transistor PNP, VEB é positivo e VCB é negativo. Para o transistor NPN, esta relação é contrária, como mostrado na figura anterior. A análise da operação de um transistor de junção bipolar, ligado nesta configuração, é feita através de dois conjuntos de curvas características, o conjunto de curvas características de entrada (característica de entrada) e conjunto de curvas características de saída (característica de saída). -OSTENSIVO 2-4 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 As curvas características de saída ou características de coletor, como também são denominadas e representadas na Figura abaixo, correspondem à relação entre a corrente de coletor (IC), a tensão de coletor em relação à base (VCB) e a corrente de emissor (IE). Estas características apresentam três regiões de interesse a se saber: região ativa, região de corte e região de saturação. FIG. 2.7. Característica de saída para um transistor em base comum. Para que um transistor de junção bipolar possa operar na região ativa, a junção coletor-base deve ser polarizada reversamente, enquanto a junção emissor-base deve ser polarizada de maneira direta. Nesta região de operação, o transistor executa a ação de amplificação introduzindo um percentual de distorção mínimo no sinal amplificado. Quando a corrente de emissor (IE) apresenta valor zero, a corrente de coletor, corresponde, apenas, a corrente de saturação inversa (Ico), devido ao seu baixo valor em relação a IC, a sua representação, em termos de valores, não aparece na Figura anterior, fazendo-se confundir com a linha de IC igual a Zero. As condições para IE = 0, são apresentadas na Figura abaixo. Parâmetros principais: - Zin → baixa Av < 1 - Zo → alta Av → alto - Fase de saída, igual a fase de entrada. Icbo = Ico FIG. 2.8. Corrente de saturação inversa. -OSTENSIVO 2-5 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 A notação mais frequentemente usada para representar Ico, é a mostrada na Figura acima, ou seja, ICBO. Note na Figura que mostra a curva característica, anteriormente, que, conforme a corrente de emissor (IE) aumenta acima de zero, a corrente de coletor (IC) aumenta para um valor um pouco menor do que a corrente de emissor. A relação entre estas duas variações é denominada de Ganho Alfa (α) e é representada pela expressão:) e é representada pela expressão: Δ Ic Ic α= = >R2, a corrente de base (IB), será muito menor que a corrente I2, consequentemente, I2 será praticamente igual a I1. Aceitando-se o fato que IB é desprezível em relação a I1 ou I2, então, podemos considerar que I1 = I2 e que R1 e R2 podem ser considerados dois resistores ligados em série. Daí, podemos afirmar que a tensão de base (VB) é determinada por: Vcc. R 2 VB= R 1+ R 2 Uma vez que (β) beta + 1)RE ≅ β) betaRE a condição que determina a validade do método de análise aproximada fica expressa como: β) betaRE ≥ 10R2 Se esta condição for satisfeita, o método pode ser aplicado, com um alto grau de precisão. Uma vez determinado o valor da tensão de base (VB), o valor da tensão de emissor (VE) é determinado por: VE = VBB - VBE Então, a corrente de emissor (Ie), fica estabelecida como: Ve Ie= Re e assumindo que: ICQ ≅ IEQ A tensão entre coletor e emissor no ponto quiescente, (VCEQ), é determinada por: VCEQ = VCC – ICQ(RC + RE) Note que na aplicação deste método o valor de β) beta não é envolvido, e que não se calcula a corrente de base (Ib), portanto o ponto de operação estática (POE) fica independente de beta (β) beta), e consequentemente de suas variações, e é determinado por ICQ e VCEQ. Exercício para fixação. Determine os valores de ICQ e VCEQ, para o circuito representado na Figura abaixo, utilizando os métodos, exato e aproximado, fazendo logo a seguir uma análise comparativa dos resultados. -OSTENSIVO 2-29 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.41. Circuito para resolução do exemplo. O valor da corrente de saturação e a análise pela reta de carga, para um circuito polarizado nesta configuração, seguem a mesma metodologia aplicada nas análises anteriores. 2.3.8 Método prático de polarização. As análises até aqui apresentadas, foram feitas a partir de circuitos já dimensionados, onde tínhamos que determinar o ponto de operação estática (POE). Mas, muitas vezes é necessário que, escolhido o transistor amplificador e estabelecido o seu POE, tenhamos que dimensionar a tensão da fonte de alimentação e os componentes do circuito que vão fixar este POE. Para isto, nada melhor que termos um método fácil, rápido e praticamente exato dentro das condições por nós determinadas. Para isto vamos analisar o circuito representado na Figura abaixo. I FIG. 2.42. Circuito de polarização universal. Para estabelecermos o POE deste circuito, devemos fazer as seguintes considerações; 1) desconsideraremos o valor de Icbo (corrente de fuga), pois, seu pequeno valor será compensado neste tipo de configuração, sendo praticamente imune às variações de temperatura, que é o elemento que faz com que ICBo desestabilize o circuito. 2) usando um transistor com β) beta ≥100 podemos desprezar o valor da corrente de base (IB) e então, considerar IC ≅ IE. -OSTENSIVO 2-30 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 3) escolher a tensão da fonte de alimentação do circuito (VCC), sempre respeitando os limites do transistor escolhido. 4) para determinar o valor da corrente de coletor (ICQ) devemos fazê-lo em função da carga e de acordo com o valor da corrente máxima de coletor (ICmax), estabelecido nas características do transistor. Feitas estas considerações, dimensionamos os componentes do circuito de polarização do transistor amplificador, usando o seguinte método: a) Cálculo de RE. Considerando a queda de tensão em RE (VRE) como 10% de VCC, garantiremos ao transistor a estabilidade para variações de temperatura e ganho de corrente, logo: VRE = IERE = 0,1VCC 0,1 Vcc Re = Ie b) Valor de VBE. Este valor, como sabemos, depende do tipo de material com que foi construído o transistor, logo, se o material usado na construção for o germânio o VBE = 0,3V, se o material usado for o silício, o valor de VBE = 0,7. c) Calculo de I. Esta corrente é a que flui através do divisor resistivo formado por R1 e R2 e é estabelecida por: I = 10%IC = 0,1IC d) Cálculo de R2. Executando a equação da malha representada pelo circuito equivalente representado na Figura abaixo: I FIG. 2.43. Circuito equivalente para o cálculo de R2. VR 2=IR 2=Ve+ Vbe⇒ Ve+ Vbe R 2= I e) Calculo de R1. Para este procedimento, considere a malha representada na Figura abaixo: -OSTENSIVO 2-31 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.44. Circuito equivalente para o cálculo de R1. Através da análise do circuito equivalente, podemos deduzir que: Vcc=VR 1+ VR 2 ⇒ VR 1=Vcc − VR 2 ⇒ VR 1=Vcc −IR 2 VR 1 Vcc− IR 2 Vcc R 1= ⇒ R 1= ⇒ R 1= −R2 I I I f) Cálculo de VCEQ. Considera-se VCEQ como 50%VCC. Isto garante a fixação do POE no centro da reta de carga, e consequentemente, a operação do transistor na região mais linear possível. g) Cálculo de RC. Como VE = 0,1VCC, VCE = 0,5VCC e analisando a malha de saída representada na Figura abaixo. FIG. 2.45. Circuito equivalente para a malha de coletor. Podemos afirmar que: VRC = 40%VCC⇒ VRC = 0,4VCC A corrente que flui através de RC é a mesma corrente de saída IC, então: 0,4 Vcc Rc= Ic Exercício para fixação: Para o circuito da Figura 1.42, dimensione os seus componentes sabendo que, o transistor é de Si e que VCC = 12V, ICQ = 10mA e β= 100. 1) calculando RE. V Re 0,1.12 V 1,2 V Re= = = =120 Ω Logo: RE =120Ω IE 10 mA 10 mA 2) calculando I. I = 0,1ICQ = 0,1(10mA) = 1mA. -OSTENSIVO 2-32 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 3) calculando R2. V Re+Vbe 1,2 V +0,7 V 1,9 V R 2= ⇒ R 2= = ⇒ R 2=1,9 K Ω I 1 mA 1 mA 4) calculando R1. Vcc 12V R 1= − R 2⇒ R 1= −1,9 K Ω=10 ,1 K Ω I 1 mA 5) calculando RC 0,4 Vcc 0,4. 12V Rc= ⇒ Rc= =480 Ω Ic 10 mA 2.4 TRANSISTOR POR EFEITO DE CAMPO (FET) 2.4.1 Descrição Geral Como vimos anteriormente, o TJB é um dispositivo bipolar cuja operação é controlada através de um fluxo de corrente, onde estão envolvidos os dois tipos de portadores (majoritários e minoritários). O FET é um dispositivo unipolar e sua operação é controlada por campo elétrico (tensão), com corrente de elétrons no canal N e corrente de lacunas no canal P. Ambos dispositivos podem ser empregados como amplificadores, osciladores ou em outros circuitos eletrônicos, desde que sejam devidamente polarizados. 2.4.2 Comparações entre o FET e o TJB a) o FET apresenta uma Rin (resistência de entrada) extremamente alta com valores típicos da ordem de 100MΩ. b) é relativamente imune à radiação (variação de temperatura), enquanto o TJB é muito sensível (o β) beta é particularmente afetado). c) o FET produz menos ruídos, em relação ao TJB e sua aplicação é mais adequada para estágios de entrada de amplificadores de baixo nível (muito usado em receptores de FM em Alta Fidelidade). d) tem maior estabilidade térmica. e) menor faixa de ganho de tensão. f) maior susceptibilidade a danos provocados no manuseamento. 2.4.3 Construção e características do J-FET É um dispositivo de três terminais apresentando apenas uma junção PN, podendo sua construção atender a duas tecnologias: FETs de junção (J-FET) e os FETs de Metal Oxido de Silício (MOS-FET). Os FETs são muito empregados como dispositivos de controle em circuitos eletrônicos básicos, da mesma forma que o TJB.Já os MOS-FETs são mais empregados na construção de circuitos integrados digitais em larga escala de integração (LSI). 2.4.4 Estrutura física do J-FET Esta estrutura é representada na Figuras 2.46, que mostra as estruturas dos FETs de Canal N e Canal P. -OSTENSIVO 2-33 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.46. Estrutura física de um FET canal a) N e b) canal P. Para estudarmos como opera o dispositivo, vamos considerar o FET de canal N, representado na figura abaixo com uma tensão de polarização aplicada. FIG. 2.47. Estrutura de um FET canal N. A tensão da fonte, VDD, produz uma ddp entre os terminais dreno e fonte, a qual chamamos de VDS. Desta ddp, resulta o surgimento da corrente de dreno (ID), que flui do dreno para fonte. Esta corrente passa pelo canal formado pela porta do tipo P. A tensão entre porta e fonte é gerada pela fonte VGG. Com polarização reversa na junção da porta, não existe corrente de porta. Esta polarização gera uma região de depleção no canal, reduzindo sua largura e aumentando a resistência dreno-fonte, resultando em uma ID menor. Analisando, inicialmente com VGS = 0V e verificando a Figura abaixo (a), que mostra que a corrente ID através do material N produz uma queda de tensão ao longo do canal mais positiva no terminal de dreno. O potencial reverso nos terminais da junção produz a resistência de depleção mostrada na Figura abaixo (b). -OSTENSIVO 2-34 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 a) operação normal b) bloqueio de canal. FIG. 2.48. Efeito da polarização no FET. Conforme VDD aumenta, ID também aumenta, resultando em uma região de depleção ainda maior, consequentemente uma resistência maior de dreno para fonte (RDS). Este aumento da região de depleção poderá ser feito até que todo o canal seja abrangido conforme mostrado na Figura acima (b). A partir daí qualquer aumento em VDD, não mais resultará em um aumento de ID, a qual tenderá a se manter em um valor constante. Isto está ilustrado na Figura abaixo que apresenta a curva característica de ID X VDS, para VGS = 0V. FIG. 2.49. Curva ID x VDS para um FET-N. Este valor de ID constante para VGS = 0 é um dos parâmetros do FET, conhecido como Idss (Corrente entre dreno e fonte com a porta curto circuitada ou Corrente de saturação com VGS = 0). Portanto, IDSS é a máxima corrente de dreno e é definida pela condição VGS = 0 e VDS > Vp. -OSTENSIVO 2-35 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 Simbologia: FIG. 2.50. Simbologia 2.4.5 Característica Dreno X Fonte Se tornarmos o potência VGS < 0V (FET-N), o canal produzirá a região de depleção com uma corrente de saturação menor, conforme mostrado na curva de VGS = -1 V, na Figura abaixo. Vemos então que VGS age como um controle, reduzindo ID, para uma tensão VDS específica. FIG. 2.51. Características dreno x fonte. Conforme formos aumentando a polarização de VGS (mais negativa), ID de saturação irá se tornando cada vez menor, até chegarmos a um valor, independente da tensão VDS, em que ID = 0. Esta tensão e conhecida como tensão de estrangulamento do canal (Tensão de Pinch Off), Vp ou Vgsoff, que também é um parâmetro de operação do J-FET, da mesma forma que IDSS, anteriormente estudada. 2.4.6 Característica de Transferência É uma outra maneira de representar as características de operação do J-FET, que é representada por um gráfico da corrente ID em função da tensão VGS, para um valor de VDS constante. Esta característica pode ser obtida através de medidas durante a operação do dispositivo ou desenhada a partir das características de dreno, conforme mostrado na Figura abaixo. -OSTENSIVO 2-36 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.52. Curvas do FET a) Transferências b) Características de dreno. Dois pontos de definição da curva são os valores de IDSS e Vp. Uma vez fixados estes valores destes pontos o resto da curva pode ser visto sobre a característica de transferência, ou obtido através de considerações teóricas do processo físico, que ocorre no FET, que resultam na equação de SCHOKLEY: Id=Idss VGS=Vp 1 − ( √IdIdss ) Que representa a curva característica de transferência, mostrada na Figura acima (a). Podemos verificar nesta curva que quando VGS = 0V, ID = IDSS, e quando ID = 0, VGS = Vp. A característica de dreno, figura acima (b), mostra que a saturação ocorre quando do estrangulamento do canal, o que acontece em valores menores de VDS quanto mais negativo for VGS. Normalmente o J-FET é polarizado na região após o estrangulamento onde há a saturação da corrente, quando operando como chave. 2.4.7 Parâmetros de operação do J-FET Os fabricantes especificam vários parâmetros de operação para descrever a qualidade do dispositivo. Os mais úteis são: a) IDss – Corrente de saturação dreno Fonte. Corrente na qual o canal é estrangulado quando os terminais de porta e fonte estão curtos circuitados (VGS = 0). b) Vp ou Vgsoff – Tensão de estrangulamento do canal ou tensão de corte porta fonte. Tensão que polariza inversamente a porta de forma que a corrente Id seja praticamente zero. c) Vgss – Tensão de ruptura porta-fonte. Esta tensão indica um valor limite de tensão nos terminais porta-fonte, acima do qual a corrente do dispositivo deve ser limitada externamente. d) Gm – Transcondutância. Medida com os terminais dreno-fonte em curto e especificado através da expressão: Δ id Gm= ∨ Δ Vds=0 Δ Vgs É considerado um fator de amplificação Ac nos terminais porta-fonte. Gm nos mostra o quanto a corrente AC muda de acordo com a aplicação de uma tensão CA, nos terminais -OSTENSIVO 2-37 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 porta/fonte. O parâmetro Gmo é o ganho AC máximo do FET e ocorre quando VGS = 0 V. Para qualquer outro valor de VGS, Gm será menor e pode ser calculada através da relação: Vgs 2 IDss Gm=Gmo 1− ( Vp ) Onde: Gmo= |Vp| e) Rds – Resistência entre Dreno e Fonte. Representa a resistência existente entre os terminais de dreno e fonte quando o dispositivo está conduzindo. Quando o FET está operando na saturação, apresentará um valor resistivo entre dreno e fonte denominado Rds. Para a correta polarização do dispositivo como chave, este valor deve ser conhecido, podendo ser conseguido através das folhas de especificações de parâmetros do dispositivo. 2.4.8 Polarização do FET A polarização é necessária, pois, como em qualquer tipo de dispositivo eletrônico, é necessário atribuir-se um Ponto de Operação Estática (POE), pois a atribuição deste ponto determina uma série de parâmetros de um amplificador, tais como: Classe de operação, Eficiência, Fidelidade, Potência consumida da fonte (Pin), Potência que poderá ser utilizada pela carga (Po), etc. Podemos estabelecer este ponto de três maneiras diferentes: - Polarização fixa. - Polarização automática. - Polarização por divisor de tensão. a)Polarização fixa É obtida usando-se uma bateria ou fonte externa para impor a polarização reversa na junção porta fonte, através da tensão VGS, como está mostrado no circuito representado pela Figura abaixo. FIG. 2.53. Polarização fixa para o J-FET. A bateria VGG é usada para estabelecer o valor de VGS, sendo nula a corrente resultante através de Rg ou do terminal da porta. A ID, através do resistor Rd determina assim a tensão de dreno como sendo a diferença entre VDD e a queda de tensão em Rd. Assim: Vgs = -Vgg Vds = VDD – IdRd -OSTENSIVO 2-38 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 A característica de dreno do J-FET mostra que IDss = 2mA e que Vp = -4V, como especificado na curva representada pela Figura abaixo. FIG. 2.54. Características de dreno do J-FET. Como VGS é fixada por VGG, sabemos que a curva de VGS = -2V, representa uma das condições de polarização DC. Para determinar o ponto exato de polarização usa-se o mesmo método usado quando da análise do TJB. A linha de carga é determinada, também, de maneira similar ao TJB, onde: VDSq = VDD – Id.Rd Analisando a linha de carga mostrada na Figura abaixo, podemos afirmar que esta linha é determinada por dois pontos, seguindo o exemplo: Para ID = 0mA, temos VDS = 12 V Para VDS = 0V, temos ID = 1,5mA FIG. 2.55. Linha de carga para o J-FET polarizado. O ponto de operação estática (POE) é determinado pela interseção da linha de carga com a curva da tensão Vgs = -2V e se dá no ponto: Vds = 7,9V e Id = 0,5mA -OSTENSIVO 2-39 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 Notamos também que o valor de Rd determina a inclinação da reta de carga e que há um aumento ou redução para VDS, quando se mantém o mesmo potencial de VGS. O ponto de operação também pode ser determinado através da curva de transferência, figura abaixo, pois: VGSq −2 V IDq=IDss Vp )2 = 2 mA 1 −(−4V ❑ 2 ) = 0,5mA FIG. 2.56. Curva de transferência do J-FET. b)Auto polarização ou Polarização Automática Uma maneira mais prática de se fazer um amplificador com J-FET é usando uma fonte apenas, para se conseguir todas as tensões de polarização. Para isto deve se usar um resistor de auto polarização (Rs), cuja queda de tensão provê a DDP necessária para a tensão de polarização (VGS). Analise a Figura abaixo -OSTENSIVO 2-40 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.57. Circuito com auto polarização. Sabendo-se que não existe corrente de porta, logo, VG = 0V e que a tensão de polarização, VGS, é a diferença entre VG e VS, podemos afirmar que: VGS = VG – VS = 0V - IdRs ⇒ VGS = -IdRs Esta relação pode ser colocada em um gráfico de Id = f (VGS), conforme mostra a Figura 1.68. Para fazer o gráfico da reta especificada por –IdRs, podemos usar o ponto VGS = 0V, para Id = 0 e um outro ponto qualquer, Id = 3mA, por exemplo. VGS = -IdRs ⇒ VGS = -3mA x 1,5KΩ = -4,5 V O POE é dado pela interseção da reta de polarização com a característica do dispositivo. Para o caso da Figura 1.68, Idq = 1,6mA e VGSq = -2,4V, que é o POE fixado por Rs. Podemos também notar que a inclinação da reta de polarização é determinada pelo valor de Rs. FIG. 2.58. Determinação do POE. c)Polarização por divisor de tensão Uma outra maneira de se polarizar um J-FET está mostrada no circuito representado pela Figura abaixo. -OSTENSIVO 2-41 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.59. Circuito de polarização universal. Exceto pelo fato da tensão V 0V a determinação da tensão e corrente de polarização é feita da mesma maneira que a estudada anteriormente. Este circuito, da mesma forma que no TJB, produz uma grande estabilidade no POE. No circuito de auto polarização a tensão V = 0V, para este circuito VG é calculada através do divisor de tensão ligado à porta do dispositivo onde: VDD. R 2 VG = VGG= R 1+ R 2 Daí, podemos concluir que: VGSq = VGG – IdRs Para o circuito proposto na Figura 1.69: 280 K Ω. 16 V VGG = = 1,965V 2V logo: 2 M Ω+280 K Ω VGSq = VG – VS = 2V – IdRs Traçando a reta de polarização, teremos: Idq = 2,5mA e VGSq = -1,75V, como podemos verificar na Figura abaixo. -OSTENSIVO 2-42 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.60. Determinando o ponto Q para o circuito do circuito anterior 2.4.9 Construção e características do MOSFET Pode-se construir um FET com o terminal da porta isolado do canal através da deposição de Oxido de Silício (SiO2), na junção do material N com o material P, conseguindo-se assim o dispositivo conhecido como MOSFET ou IGFET (Insulator Gate FET). Estes dispositivos podem ser construídos para operar por depleção (Figura a) ou por indução (figura b). FIG. 2.61. – Estrutura física do MOSFET; a) depleção; b) indução. No tipo depleção, o canal é construído fisicamente, de forma que a corrente entre dreno e fonte, resulte da diferença de potencial aplicada entre os dois terminais (VDS). No MOSFET por indução, o canal não é construído fisicamente. Este é induzido quando há o surgimento de portadores de carga, quando da aplicação do potencial na porta. A ID surgirá quando aos terminais de dreno e fonte, for aplicada uma diferença de potencial. 2.4.10 MOSFET de Depleção Este dispositivo, mostrado na Figura anterior (a), é um MOSFET-N depleção, formado sobre um substrato P. Os terminais de fonte e dreno estão conectados através de um metal -OSTENSIVO 2-43 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 (alumínio) às regiões de fonte e dreno cuja dopagem é N, que internamente estão conectados por um canal de material N. Deposita-se uma camada de material acima do canal N sobre uma camada de oxido de silício que constitui um material isolante. Esta combinação de uma porta de metal sobre uma camada de óxido, por sua vez sobre um substrato semicondutor, constitui o MOSFET de depleção. Para o dispositivo canal N (Figura a), tensões de VGS negativas empurram os elétrons para fora da região do canal esvaziando-o (depleção), e uma VGS suficientemente negativa provocará o estrangulamento do canal. Por outro lado, tensões VGS positivas resultam em um aumento do canal (empurrando para fora os portadores de cargas positivas), o que permite uma maior corrente no canal. A figura abaixo mostra a estrutura física do MOSFET tipo depleção canal N com detalhes de regiões dopadas e contatos metálicos, enquanto a Figura das curvas características mostrada posteriormente suas curvas característica e de transferência. O dispositivo opera com tensão VGS positiva ou negativa, sendo que quanto mais negativa for VGS, menor será a ID, até a tensão de estrangulamento do canal (Vp), quando cessa o fluxo de ID. A característica de transferência é a mesma para tensões VGS negativas, porém ela continua para tensões positivas em VGS, não havendo corrente de porta em nenhum dos casos. Simbologia: FIG. 2.62. Simbologia FIG. 2.63. MOSFET tipo depleção canal n -OSTENSIVO 2-44 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG. 2.64. Curvas de um MOSFET de depleção canal N. 2.4.11 MOSFET de indução O MOSFET de indução é mostrado, não possui canal entre dreno e fonte, como uma parte física do dispositivo. Simbologia: FIG. 2.65. Simbologia FIG. 2.66. Estrutura física do MOSFET de indução. -OSTENSIVO 2-45 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 Quando se aplica uma tensão VGS positiva, as lacunas da região do substrato, sob a porta, são repelidas para fora da região de depleção. Para a tensão VGS suficientemente positiva elétrons são atraídos para dentro da região de depleção e passam a atuar como um canal N entre o dreno e a fonte. A Figura abaixo mostra a curva característica de um MOSFET de indução canal N. FIG. 2.67. Características de um MOSFET de indução canal N. Não há ID até que VGS exceda a um valor limite V. Tensões positivas acima deste limite (V) resultam em aumento de ID, com as características de transferência calculadas por: ID=K ( Vgs −Vτ )2 Para valores onde: |Vgs||Vτ| 0,3 mA Tipicamente, K= ; onde K é uma característica de construção do dispositivo e é V2 especificado nas folhas de dados dos componentes, fornecidas pelo fabricante. Note que não podemos associar um valor de IDSS ao MOSFET de indução, porque a corrente de dreno ocorre com VGS ≠ 0V. Embora o MOSFET de indução seja mais restrito quanto à faixa de operação que o MOSFET de depleção, ele é muito útil na construção de circuitos integrados de larga escala (LSI) devido à sua construção mais simples e menor tamanho. -OSTENSIVO 2-46 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 3. CAPÍTULO 3 AMPLIFICADORES 3.1 CONCEITOS BÁSICOS Um amplificador é um circuito eletrônico capaz de controlar grandes quantidades de energia, geradas por uma fonte de alimentação, (obtidas) aplicadas no circuito de saída, a partir de pequenas quantidades de energia aplicadas à sua entrada. Dependendo do tipo de dispositivo de controle deste circuito, esta amplificação da quantidade de energia na saída, poderá se apresentar na forma de diferença de potencial (amplificador de tensão) ou na forma de corrente (amplificador de potência). O primeiro componente eletrônico utilizado como amplificador foi a válvula eletrônica, conhecida pela denominação de triodo de aquecimento direto (é o símbolo que todo o ET da Marinha ostenta em suas divisas). Quando este dispositivo operava em baixas freqüências, apresentava um bom desempenho. Contudo, em altas freqüências, as capacitâncias internas das válvulas (capacitâncias intereletródicas), por terem valores elevados, impediam este mesmo desempenho. Para corrigir este inconveniente, foram criadas válvulas como o tetrodo e o pentodo. Devido aos grandes avanços tecnológicos da década de 1940 e o surgimento do semicondutor, os dispositivos valvulares foram cada vez mais postos de lado, devido a uma série de inconvenientes que a sua aplicação trazia aos equipamentos eletrônicos, principalmente com relação ao peso, potência consumida e ao espaço utilizados por estes componentes e seus circuitos associados. Na atualidade, a esmagadora maioria dos circuitos eletrônicos é projetada e construída a partir de semicondutores, tais como transistores de junção bipolar e de efeito de campo, além dos amplificadores operacionais (amplificadores construídos em uma única pastilha de silício e acondicionados em um invólucro a que denominamos de circuitos integrados), cujo melhor desempenho é conseguido na faixa de freqüência de até 1MHz, desempenho que não se repete acima desta faixa. 3.1.1 Classificação dos amplificadores Para fazermos o estudo dos amplificadores, inicialmente devemos classificá-los, sob diversos aspectos como: emprego, polarização, freqüência de operação, configuração. Pois, de acordo com este tipo de classificação é que vamos estabelecer os parâmetros básicos para o amplificador no qual vamos trabalhar, seja para a execução de um projeto ou de manutenção preventiva ou corretiva, que é o alvo do nosso curso. Para termos uma idéia do circuito amplificador, devemos conhecer os parâmetros básicos deste circuito, que são; Impedância de Entrada (Zin), Impedância de Saída (Zo), Ganho de Tensão (Av), Ganho de Corrente (Ai) e Largura de Faixa (Bw). Existem ainda outros parâmetros, que também são importantes, mas que fogem aos propósitos do nosso curso. a) Classificação quanto ao emprego. Quando classificamos os circuitos amplificadores quanto ao emprego, podemos de uma maneira geral, citar dois tipos: amplificadores de tensão (amplificadores para pequenos sinais) e os amplificadores de potência (amplificadores para grandes sinais). A diferença principal entre estes dois tipos, reside na construção do elemento ativo, ou seja, os transistores. Para a amplificação de pequenos sinais, os transistores são construídos para operar com baixas correntes, tanto no -OSTENSIVO 3-1 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 circuito de entrada como no circuito de saída, e deve apresentar uma relação entre o sinal da tensão de saída e o sinal da tensão de entrada (Av) alta. Para que esta relação seja a mais alta possível, este circuito deverá se calculado de forma que a sua impedância de saída apresente um valor bem elevado, o maior possível, dentro das condições apresentadas. Estes amplificadores são empregados para elevar níveis de sinais extremamente baixos, tais como, os apresentados nas saídas dos dispositivos fonocaptores tipo microfones, cristais, fitas magnéticas etc. Onde as variações de tensão são da ordem de μAVolts. Os transistores fabricados com este fim apresentam em suas curvas características de corrente de base, valores na ordem de μAAmperes e corrente de coletor na ordem de dezenas de miliamperes. Os amplificadores de potência, são responsáveis pelo acionamento de transdutores, tipo; alto falantes, antenas, motores, resistências de aquecimento etc. Para executar este acionamento, os transistores empregados devem apresentar níveis de corrente de coletor muito elevado, compatíveis com a carga que vai acionar, cuja ordem de grandeza está situada entre Amperes e dezenas de Amperes, pois as cargas usadas em sua saída são reativas, que exigem uma grande performance do transistor, em termos de eficiência, na transferência de energia da fonte de alimentação para a carga. Os transistores de potência têm o aspecto físico bem diferente dos transistores de tensão, pois são muito mais robustos para suportar as altas temperaturas que são geradas pelo efeito Joule a que são submetidas suas junções. Nas suas curvas características as correntes de base são dimensionadas em centenas de miliamperes, necessitando, assim, de estágios pré-amplificadores para que possam ser excitados. b) Classificação quanto à classe de operação. Este é um tipo de classificação que leva em conta as condições DC do amplificador, ou seja, o posicionamento do ponto de operação estática (POE) do transistor na reta de carga. Esta classificação não é genérica, mas está voltada para a operação dos amplificadores de potência, pois tem muito a ver com o rendimento e a linearidade do amplificador. Como aprendemos, em eletrônica, sempre que obtemos “ganho”, em algum parâmetro do circuito, isto aconteceu em detrimento de um outro. Pois, a eficiência é a capacidade que tem um amplificador de transferir potência da fonte de alimentação, para a carga, com o mínimo de perdas, é um parâmetro antagônico da linearidade, que é a capacidade que tem um amplificador de reproduzir na saída a cópia fiel do sinal de entrada. Daí, podemos concluir que, quanto maior a eficiência de um amplificador, menor é a sua linearidade. Esta relação é determinada exatamente pelo posicionamento que se atribui ao POE na reta de carga do amplificador, ou seja, sua polarização. Portanto, em última análise, o fator que determina a classe de operação é a polarização DC imposta ao circuito amplificador. A se saber, os amplificadores podem operar em classe A, B, AB ou C, ainda existindo a classe D que não será abordada neste curso. -Operação em classe A. Neste tipo de operação, o sinal de saída deverá ser uma cópia fiel do sinal de entrada, sem que haja a menor alteração. A corrente de coletor do transistor nunca deverá atingir o ponto de corte, nem o ponto de saturação. Desta forma, nem os picos nem os vales do sinal de saída, apresentarão regiões achatadas, as quais caracterizam a distorção do sinal, que é uma característica indesejável neste tipo de operação. Para que se consiga isto, o transistor deve ter -OSTENSIVO 3-2 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 seu POE plotado na região média da reta de carga, na sua região ativa, fazendo com que haja fluxo de corrente de coletor durante os 360º do sinal de entrada (θcc=3600). Esta classe é muito empregada em amplificadores que operam com sinais de áudio (voz e música), onde a característica principal é a total e mais completa linearidade do sinal de saída, em relação ao sinal de entrada, característica esta que é conhecida como fidelidade. Notamos que os projetistas de equipamentos de áudio primam por esta característica, pois, os fabricantes dos melhores equipamentos do mercado alardeiam esta característica, na mídia, denominando-os como equipamentos de alta fidelidade (HI FI – HIGH FIDELITY). Com relação à eficiência, esta classe apresenta a mais baixa, entre 20 e 30%. A Figura abaixo mostra a operação de um transistor polarizado em classe A. FIG 3.1. Operação do transistor polarizado em classe A. – Operação em classe B. Nos amplificadores projetados para operar em classe B, a polarização do circuito é calculada para que o POE se situe exatamente no ponto de corte do transistor, ou seja, em sua condição quiescente. O transistor estará operando com uma corrente de coletor igual a zero (IC = 0), com uma tensão entre coletor e emissor igual à tensão de alimentação (VCE = VCC). Logo, o sinal de entrada provocará o fluxo da corrente de coletor apenas durante a sua excursão positiva, ou seja, durante 180º (θcc=1800) do seu ciclo completo. Sem sinal aplicado, não haverá corrente de coletor e, com isto, não haverá consumo de energia, nem dissipação de potência no POE. Então, podemos afirmar que a eficiência do amplificador aumenta bastante, se comparada com a polarização em classe A, pois este parâmetro do amplificador é função da potência dissipada no coletor do transistor, no POE, e da potência dissipada pela carga durante a excursão positiva do sinal de entrada. A potência de saída do -OSTENSIVO 3-3 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 circuito amplificador que não é dissipada pela carga, será dissipada pela junção, coletor-base e componentes associados do circuito. Logicamente, se conseguimos aumentar a eficiência do amplificador, perdemos em linearidade, característica que não deve ser levada em consideração, quando somos levados a escolher este tipo de classe de operação para o amplificador. Sob certas condições este tipo de polarização faz com que o amplificador opere com 50 a 60% de eficiência. FIG 3.2. Operação em classe B - Operação em classe AB. Nesta classe de operação, a polarização é calculada para que o POE do transistor se fixe na região ativa de operação da reta de carga, mas próximo ao ponto de corte do transistor, de forma que o ciclo negativo do sinal de entrada sofra um corte parcial. O ângulo de condução para o transistor (período onde existe corrente de coletor) será estabelecido em uma faixa intermediária, entre a classe A e a classe B (180º <  c < 360º), do ciclo do sinal de entrada. Esta classe alia as características de eficiência da classe B, com a linearidade da classe A. FIG 3.3. Operação em classe AB. -OSTENSIVO 3-4 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 – Operação em classe C. Na operação em classe C, não utilizada normalmente em dispositivos de estado sólido, devido aos altos campos elétricos provocados pelas altas tensões de operação, a polarização é calculada para que o POE seja fixado em uma região de operação bem abaixo do corte do dispositivo amplificador (2 a 3 vezes o potencial necessário para provocar o corte do dispositivo). O sinal de entrada deverá ter uma amplitude suficientemente grande para vencer esta barreira imposta pela polarização, para que se estabeleça um fluxo de corrente no circuito de saída do dispositivo. Consequentemente, somente haverá corrente na saída durante um ângulo de condução menor que 180º do ciclo do sinal de entrada, o que acarretará o cerceamento de mais da metade da forma de onda do sinal de entrada (1800 >θcc >900 ). Os amplificadores polarizados em classe C, são os de maior eficiência (70 a 75%), com uma linearidade extremamente baixa, ficando limitada a sua aplicação em amplificação de RF. Neste tipo de operação, a distorção provocada na operação em classe C poderá ser reduzida, devido a utilização de circuitos sintonizados para recuperar a informação perdida. A operação de um transistor assim polarizado, está mostrado na Figura abaixo. FIG 3.4. Operação em classe C. c) Classificação dos amplificadores quanto à frequência de operação. Para cada tipo de sinal a ser processado haverá uma banda de freqüência adequada para este processamento. É de se admitir que, para cada banda de frequência de operação, os amplificadores, sejam transistorizados, valvulares ou em circuitos integrados, apresentem comportamento diferenciado, que dependerá da própria tecnologia de fabricação ou dos -OSTENSIVO 3-5 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 componentes a eles associados. Por isto que, para cada tipo de sinal (áudio, vídeo, dados etc), teremos um tipo de amplificador apropriado. – Amplificadores de corrente contínua (CC). Quando o sinal a ser processado apresenta uma corrente unidirecional, o amplificador indicado é o de CC, o qual usa acoplamento direto entre os seus estágios, o que acarreta problemas na polarização. É o amplificador que apresenta a melhor resposta em baixas freqüências, devido à não existência de componentes no seu acoplamento. O seu emprego está limitado em dispositivos de controle que operam com circuitos de sincros e servomecanismos. – Amplificadores de Áudio Frequência. Estes amplificadores são projetados para operar numa faixa que vai de 20Hz a 20KHz (AF), onde operam os sinais de voz e música. No caso dos equipamentos da Marinha, estão enquadrados os equipamentos de telecomunicações, do sistema SONAR, fonoclamas, intercomunicadores, saída de áudio para os equipamentos de televisão etc. Têm como característica principal, a grande linearidade, pois em equipamentos de telecomunicações que envolvam voz e música, não poderemos ter nenhum tipo de distorção, para não correr o risco de se perder a informação. - Amplificadores de Rádio Frequência. São amplificadores projetados para operar na faixa de radiofreqüência (RF), que são as freqüências plotadas dentro do espectro de freqüência acima dos 30KHz. São utilizados em qualquer equipamento de telecomunicações, como receptores, transmissores ou transceptores. Processam sinais modulados, para logo a seguir serem entregues à etapa de áudio, em qualquer equipamento que empregue o processo de energia eletromagnética para transmitir ou receber uma informação. Um tipo muito comum, usado em equipamentos de transmissão ou de recepção de telecomunicações ou radar é o amplificador de FI (freqüência intermediária). Tomemos como exemplo mais simples os receptores da faixa comercial de comunicações (BROAD CASTING). Estes receptores, são projetados para operar em faixas de freqüências que variam de acordo com a sua banda de operação, tais como os receptores de AM (Modulação em Amplitude), que operam na faixa de 550 KHz a 1650 KHz, e os receptores de FM (Modulação em Frequência), que operam em uma faixa diferente, de 88MHz a 108MHz. Existem ainda, outras faixas como, por exemplo, a transmissão em ondas curtas, ou ondas longas, faixa do cidadão e, assim por diante. O que podemos notar é que a faixa de operação dos diversos circuitos que compõem o equipamento é muito larga, para os componentes que os formam. Para evitar este problema, pois para operar em uma larga faixa de operação, os amplificadores deveriam apresentar baixo ganho de tensão. Conseqüentemente, o número de amplificadores seria bem maior e aumentaria muito o custo final do equipamento, além dos problemas de seletividade (difícil sintonia). Foi criado então, o conceito de frequência intermediária, (FI), o qual, a partir do sinal recebido pela antena do receptor e heterodinado com uma frequência variável, gerada no próprio receptor (oscilador -OSTENSIVO 3-6 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 local). Todas as freqüências da faixa (seja AM, FM ou ainda um sistema particular de telecomunicações de Marinha), são alocadas em uma única faixa estreita, cuja freqüência central é a mesma para todos os canais sintonizados, a que chamamos de FI. Os amplificadores que operam nesta faixa são denominados, amplificadores de FI, que não deixam de ser amplificadores de RF, que operam em uma faixa de frequência específica. – Amplificadores de Vídeo. Estes amplificadores foram projetados para operar com uma banda passante muito larga (a maior dentro do estudo dos sinais), que vai desde o sinal contínuo (CC) até a frequência de 10 MHz. Em alguns equipamentos, esta banda ainda pode ser mais extensa. Esta banda caracteriza os sinais de variação de luminosidade de um ambiente, contendo todas as informações de luminosidade ou cor. Este tipo de amplificador será encontrado em equipamentos cujo sinal a ser processador é chamado de sinal de vídeo, tais como televisores P&B ou colorido, sistemas RADAR, indicadores do sistema SONAR, monitores para computadores etc. 3.1.2 Ganho linear e ganho logarítmico Quando se opera com amplificadores, já é do nosso conhecimento que um dos mais importantes parâmetros é o ganho, que é definido como a relação entre a dimensão da saída e a dimensão da entrada, seja em relação à tensão, corrente ou potência. Esta é uma relação linear. Mas, no estudo da eletrônica, o que mais se fala é com relação ao nível de sinal de saída em relação ao do sinal de entrada. Para que se faça a análise dos níveis de sinal, foi criado um nível de referência, o qual não faz uso de uma escala linear e sim de uma escala logarítmica, pois nesta análise deve-se levar em consideração uma larga escala de valores, de forma que a escala deve ser comprimida, não usando número, mas o seu logaritmo. Observe a Figura abaixo que apresenta uma escala deste tipo. FIG 3.5. Escala logarítmica. 3.1.3 Decibel A origem do termo “decibel” vem do fato que a potência e níveis de áudio são relacionados em base logarítmica, ou seja, um aumento no nível de potência de 4 para 16Watts, por exemplo, não resulta em um aumento no nível do áudio pelo fator 16:4 = 4. Por experimentos executados, aprendemos que o ouvido responde a uma escala LOG e não a uma escala linear, portanto, o -OSTENSIVO 3-7 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 aumento relativo a 16:4 na potência, corresponde a um aumento do nível de áudio igual a 2 e não a 4, já que 2 é o aumento da potência associado ao valor 4, pois 42 = 16, para uma variação de 4 para 16 Watts. Em termos de logaritmo, log4 16 = 2. Para uma variação de 4 para 64 Watts, o nível de áudio triplicará, pois 4 ❑3 = 64. Em termos de logaritmo log4 64 = 3. Padronizando, o Bel (B) foi definido por uma expressão matemática que relaciona dois níveis de potência P❑1 e P 2 , de forma que: P2 G = log10 B P1 Considerando-se que a unidade Bel (B) produziria números muito pequenos, por esta razão foi definido o decibel (dB), de forma que 10dB = 1B. Logo: P2 G=10 log 10 dBs P1 As especificações de equipamentos eletrônicos de comunicações (amplificadores, microfones, antenas e etc) são normalmente dadas em decibéis (dBs). A expressão anterior indica claramente que a unidade decibel (dB) é uma medida que expressa a diferença em amplitude entre dois níveis de potência. Para uma potência de saída, especificada por P2, deve existir um nível de potência referencial P1. O nível de potência referencial normalmente utilizado é fixado em 1mW, embora atualmente seja aplicado o referencial de 6mW como padrão. A carga associada ao nível de 1mW é de 600Ω, que é o valor da impedância (Z) característica das linhas de transmissão de áudio freqüência. Quando o nível de 1mW é empregado como referência, a unidade decibel adotada é o dBm, sob a forma: P2 dBm Gdb m=10 log 10 ❑ 1 mW 600 Ω Podemos também representar o nível em decibel com referência às duas tensões, se considerarmos que V1 é a tensão que gera a potência P1 e V2 a tensão que gera a potência P2, sabendo também que P1 é a potência de entrada e P2 a potência de saída e se considerarmos que, o sistema está provido de impedâncias iguais, tanto na entrada como na saída, afirmaremos que: P2 GdB=10 log =10 log P1 Como: V2 =Av ⇒GdB=20 log Av V1 Também podemos determinar a relação em decibéis para um ganho de corrente, basta que consideremos que P = I2R e desenvolver a expressão da potência em decibéis para encontrarmos: -OSTENSIVO 3-8 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 AidB = 20logAi Uma das vantagens da utilização de uma relação logarítmica é a maneira na qual ela pode ser aplicada em estágios ligados em cascata. Por exemplo, o ganho de tensão total de um sistema em cascata é expresso por: |Avt|=|Av 1| x |Av 2| x |Av 3|x......|Av n| Se quisermos representar este mesmo ganho em decibéis, basta lembrarmos que o mesmo é representado como uma relação logarítmica, e assim calculando log de Avt teremos o ganho em decibéis. Sabendo que, log ab = log a + log b, concluímos: AT dB=|AdB 1|+|AdB 2|+|AdB 3|+........|AdB n| Simplificando o raciocínio, concluímos que o ganho total linear para um sistema de amplificadores ligados em cascata, é calculado através do produto dos ganhos parciais dos amplificadores que compõem o conjunto, e que a sua representação em decibéis é calculada através da Vo/Vi decibéis soma dos ganhos parciais, representados em decibéis dos 0,5 mesmos amplificadores. Para fazermos um exercício de 0,7 logaritmo e ao mesmo tempo exercitarmos a representação do 1 ganho em decibéis, complete a tabela abaixo representada: 2 10 40 100 1000 Tabela 3.1 – Conversão de Av em AdBs. Teoria geral de logarítimos: A base elevada ao log, é igual ao número. logb a = x → bx = a Propriedades: Log a.b = log a + log b Log a/b = loga – log b Log ab = b log a Logarítimos importantes: Log 1 = 0 Log 2 = 6,02 Log 3 = 0,48 -OSTENSIVO 3-9 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 Log 10 = 1 Obs: A base do log omitida, é decimal. 3.2 – PARÂMETROS HÍBRIDOS DO TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR (TJB) 3.2.1 – Introdução A base para a análise da operação do transistor de junção bipolar em pequenos sinais (amplificadores de tensão) é a aplicação dos conceitos de circuitos equivalentes os quais chamamos de modelos, onde considera-se um modelo como a combinação de elementos de circuito, apropriadamente escolhidos, que se aproximam melhor da operação real de um dispositivo semicondutor, sob condições de operação específicas. Um amplificador pode se apresentar sob duas condições específicas de operação, a condição AC e a condição DC. Para cada uma destas condições podemos desenvolver um circuito equivalente. Tomemos como exemplo, o circuito representado pela Figura abaixo: FIG 3.6. Circuito amplificador para pequenos sinais. Da análise deste circuito, poderemos montar dois modelos, um para cada condição de operação. -OSTENSIVO 3-10 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 3.2.2 - Modelamento para a condição DC Como sabemos, nesta condição de operação os capacitores são considerados como circuito aberto e desta maneira o circuito poderá ser modelado de acordo com o representado na Figura abaixo. FIG 3.7. Modelamento para condição DC. Neste modelo poderemos calcular tudo o que foi explicado quando estudamos os métodos de polarização do circuito amplificador emissor comum. 3.2.3 – Modelamento para a condição AC Da mesma forma poderemos montar o modelo de circuito para a condição AC, se considerarmos os capacitores e fontes de alimentação DC como curto circuitos. Fazendo esta consideração, o circuito tomará o aspecto do modelo representado na Figura abaixo -OSTENSIVO 3-11 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG 3.8. Modelamento AC para o circuito amplificador. Se estabelecermos um ponto comum (terra) e rearranjarmos os elementos da Figura acima, vamos assumir que o novo circuito será representado pela Figura abaixo, ficando apenas dependente do modelo a ser usado na implementação do transistor designado pelo tipo de circuito equivalente escolhido. FIG 3.9. Circuito equivalente para um amplificador. Analisando o conteúdo da Figura 3.9, podemos determinar quantidades importantes presentes no sistema. Como o transistor é um dispositivo amplificador, podemos imaginar como a tensão de saída (Vo) está relacionada com a tensão de entrada (Vi). Esta relação, conhecemos como ganho de tensão (Av). Nesta configuração, Ii = Ib e Io = Ic o que define o ganho de corrente (Ai). A impedância de entrada (Zi) e a impedância de saída (Zo) serão -OSTENSIVO 3-12 ORIGINAL  OSTENSIVO CIAA-117/079 também duas quantidades muito importantes que serão estudadas mais adiante. Mas, para determinarmos estas quantidades, as quais chamamos de parâmetros, necessitamos fazer o modelamento do transistor em si, e introduzir o modelo no circuito equivalente para a condição AC e, só assim, teremos condições de determinar a operação matemática do circuito. 3.2.4 – Modelamento de um transistor bipolar Como vimos anteriormente, na análise dos modelamentos do amplificador, que no circuito da Figura 3.9, dependeríamos do modelamento apresentado para o transistor, para determinarmos os parâmetros do circuito amplificador. O modelamento de um transistor tem como objetivo facilitar a sua análise operacional em sinais AC, em função das tensões, correntes e freqüências envolvidas. Partiremos do princípio que é possível substituir-se um transistor, que é um dispositivo ativo, por um circuito equivalente ou modelo elétrico, formado apenas por “bipolos” lineares (componentes passivos). Ao mesmo tempo, a maneira de se analisar um circuito pode ser simplificada, se for utilizado um modelo matemático adequado para representá-lo. 3.2.5 - Quadripolos – Parâmetros Híbridos Para os fabricantes de transistores, o modelo empregado para os transistores bipolares é o chamado modelo híbrido. Neste modelo, são definidos os parâmetros estáticos do transistor. Estes parâmetros formarão com o circuito externo ao transistor, as características básicas do amplificador que são: impedância de entrada (Zi), impedância de saída (Zo), ganho de tensão (Av) e ganho de corrente (Ai). Existem outros modelos que podem ser aplicados, inclusive mais modernos, e que fornecem aproximações bem razoáveis na análise dos circuitos amplificadores. Mas, devemos tomar conhecimento destes apresentados nesta publicação, pois são os parâmetros que serão sempre citados nos manuais dos fabricantes. Qualquer circuito formado por elementos lineares, pode ser representado por um único dispositivo denominado quadripolo, de tal forma que este possa ser modelado matematicamente, como o representado na Figura abaixo: -OSTENSIVO 3-13 ORIGINAL OSTENSIVO CIAA-117/079 FIG 3.10. Quadripolos V1 – Tensão de entrada V2 – Tensão de saída I1 – Corrente de entrada I2 – Corrente de saída Estas quatro grandezas envolvidas podem ser relacionadas entre si através de funções lineares, fixando-se duas variáveis dependentes e duas variáveis independentes. Logo, conclui-se que existem vários modelos matemáticos que se pode formar, mas o modelo escolhido pelos fabricantes de componentes foi fixar V1 e I2 como variáveis dependentes e I1 e V2 como variáveis independentes, de maneira que; V 1=f 1 ( I 1 ,V 2) I 2=f 2 ( I 1 ,V 2 ) Este modelo é denominado híbrido ou modelo H, exatamente por mesclar, tensão e corrente, como variáveis dependentes e independentes. Para