Análise de transistor para funcionar com pequenos sinais e baixa frequência

O estudo de parâmetros híbridos do transistor é importante na análise detalhada geral de circuitos eletrônicos.

  • Imagem acima: a parte sombreada superior é o amplificador principal. A inferior azul é a realimentação.

Com o objetivo de analisar um circuito, se as excursões das correntes e tensões coletor-emissor e dreno-fonte forem muito pequenas, o transistor poderá ser substituído por um modelo equivalente de pequenos sinais.

Nesse caso, não se utiliza o método gráfico. O modelo linear poderá ser investigado através de métodos clássicos de análise de circuitos para que a resposta a pequenos sinais seja determinada.

A técnica de reflexão de impedância tem o objetivo de deixar os cálculos mais simples. Assim, podemos simplificar circuitos complexos até que estes possam ser resolvidos por inspeção.

O projeto de amplificadores de tensão ou de corrente é dividido em duas partes:

  1. Utilizar o método gráfico para ajustar a polarização, ou seja, determinar o ponto Q adequado.
  2. Utilizar o circuito incremental equivalente para fazer os cálculos de impedância e ganho nas frequências do sinal.

Importante destacar que estas duas partes não são completamente independentes, já que valores de componentes do modelo dependem do ponto Q .

Quadripólos

A análise ou o projeto de amplificadores transistorizados foca a atenção em dois pares de terminais (um na entrada e outro na saída). Com isso, podemos aplicar a teoria dos quadripólos.

Existem seis pares possíveis de equações, que relacionam as variáveis de entrada e saída, que podem ser usadas para definir completamente o comportamento dos terminais do quadripólo.

Os seis pares de equações que interligam a entrada e a saída em modelos de transistores envolvem os parâmetros impedância, admitância, híbrido e série, os quais são todos inter-relacionados.

Os parâmetros híbridos (h) são os mais importantes na maioria dos trabalhos com transistores, porque podem ser medidos facilmente.

Isto nos dá a possibilidade de fazer estimativas rápidas sobre o desempenho do circuito. Por isso, esses parâmetros são comumente fornecidos pelos fabricantes. Abaixo, uma tabela retirada de uma datasheet do transistor BC548.

Parâmetros híbridos ou h exibidos no datasheet do transistor BC548Observação sobre notação: a partir de agora, o que estiver ao lado da letra em negrito é considerado índice. Por exemplo: Vi é tensão de entrada. O “i” indica a entrada.

Parâmetros híbridos

Modelo de transistor com parâmetros híbridos

Na imagem acima, o terminal 1 é a base, o 2 é o coletor, o 3 o emissor. O “x” no índice é para ser substituído de acordo com a configuração. Assim, para emissor-comum, substituir o “x” por “e” para ficar hie, hoe etc.

Definições de parâmetros híbridos em modelos de transistores:

  • hi = impedância de entrada de curto-circuito. O índice i é de input.
  • hr = ganho inverso de tensão de circuito aberto. O índice r é de reverse.
  • hf = ganho direto de corrente de curto-circuito. O índice f é de forward (direto).
  • ho = admitância de saída de circuito aberto. O índice o indica open-circuit (circuito aberto).

O significado físico dos parâmetros híbridos (h) pode ser obtido das equações de definição ou do próprio circuito. Exemplo: no lado esquerdo (entrada) do quadripólo sabe-se que a equação para tensão é:

v1 = hi × i1 + hr × v2.

Para o lado esquerdo ter dimensão de tensão (V, volts), o lado direito também precisa ter dimensão de tensão. Assim, sabendo que a equação geral é v = r.i (r aqui é impedância) temos o seguinte:

  • O termo hv2 já está correto pelo termo v2 (tensão, V), o que leva a concluir que o hr é adimensional (apenas número).
  • O termo hi × i1 precisa ter dimensão de tensão, então deduzimos que o hi tem dimensão de impedância (Ω, ohm) por estar multiplicado pela corrente i1.

O modelo de parâmetros híbridos (h) é muito útil por alguns motivos:

  • Isola os circuitos de entrada e de saída, com a interação entre entrada e saída sendo feita pelas duas fontes controladas.
  • As duas partes do circuito estão arranjadas de forma a tornar simples considerar os circuitos da fonte e da carga. O circuito da entrada é um equivalente Thevenin, e o da saída um equivalente Norton.

Configurações de amplificador

Em um amplificador na configuração emissor comum (EC), para obtermos ganho de corrente elevado e boa estabilidade, a seguinte condição precisa ser satisfeita:

Condições com parâmetros híbridos * O símbolo << significa muito menor.

A parte referente ao ganho elevado está antes de Rb. A outra parte, à direita, começando em Rb, é para a boa estabilidade.

Algumas características importantes e iniciais para o amplificador na configuração Base-Comum:

  • Não fornece ganho de corrente, só de tensão.
  • Tem propriedades úteis para circuitos em altas frequências.
  • A resistência de entrada é geralmente muito menor do que a resistência de entrada do emissor-comum.
  • Fator de amplificação (ganho) de corrente direta [hfb = − α]. Isto é, [hfb ≅ − 1] e igual, em módulo, ao ganho (α) de corrente .

Algumas características da configuração coletor-comum (seguidor de emissor):

  • Como a impedância de entrada é elevada e a impedância de saída é baixa, o ganho de tensão é um pouco menor do que 1.
  • Comumente utilizada como transformador de impedância em circuitos de entrada.
  • Ao ser utilizada como circuito de entrada em projetos, a sua elevada impedância de entrada reduz o carregamento da fonte.
  • Quando utilizada como circuito de saída em projetos, ela isola o estágio anterior do amplificador de carga. Assim, o circuito coletor-comum fica entre o estágio anterior e o amplificador de carga.

Parâmetros híbridos em configurações com FET

Algumas características do modelo incremental de parâmetros do transistor FET no amplificador Fonte-Comum:

  • A entrada da porta é um circuito aberto nas frequências médias e baixas, de forma que hi seja infinita e o circuito de entrada do modelo seja aberto.
  • O hr é aproximadamente “zero”, porque em frequências médias a realimentação da saída para a entrada é desprezível. Nessas frequências, basta o circuito de saída para caracterizar o FET.
  • A resistência Dreno-Fonte é (aproximadamente) inversamente proporcional à corrente quiescente. Apenas para comparar, o hoe em transistores NPN e PNP é diretamente proporcional a Icq (corrente elétrica quiescente).
  • O fator de amplificação μ é definido como: μ = gm × rds, em que gm é a transcondutância.
  • O ganho de tensão é aproximadamente: Av = − gm × Rc, em que Rc é a resistência de carga.

O amplificador de Porta-Comum (dos FETs) é análogo ao de Base-Comum (dos TBJ) e é utilizado em alta-frequência ou como chave.

O transistor FET de porta dupla é usado em frequências muito altas (VHF) como modulador, multiplicador ou misturador. Também é usado como um amplificador que tem por característica uma capacitância dreno-porta muito pequena.


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Crédito da imagem em destaque no começo: Brews ohare (File:Small-signal current amplifier with feedback.PNG – Wikimedia Commons)