Polarização de amplificador para encontrar o ponto ideal de operação sem distorção

Critérios de polarização para projetar circuitos com transistor e obter boa excursão do sinal, sem distorção. Em algumas aplicações a distorção é bem vinda.

É uma sequência objetiva de conceitos para serem consultados e aplicados. Ou, ainda, para você relembrar sem perder muito tempo.

Parâmetros que influenciam a polarização

O ponto de operação quiescente Q em projetos práticos de circuitos transistorizados é escolhido para garantir:

  • Operação do transistor dentro de uma faixa especificada de forma a obter linearidade;
  • Uma possível excursão linear máxima do sinal;
  • Não ultrapassar a máxima potência dissipada (Pc,max) no terminal coletor.

O ponto quiescente é verificado em relação à variação de temperatura e às diferenças nos parâmetros do amplificador. As especificações de projeto fixarão os limites aceitáveis dessas variações.

Alguns parâmetros independentes que podem causar desvio do ponto de operação Q em um transistor de junção bipolar:

  • Grande diferença no ganho de corrente β entre transistores de mesmo tipo.
  • Variação da corrente de saturação reversa de coletor ICBO em função da temperatura.
  • Variações na tensão quiescente base-emissor VBEQ e função da temperatura.
  • Variações nas tensões de alimentação em função de regulação imperfeita.
  • Variações nas resistências do circuito causadas pela tolerância e/ou pelos efeitos de temperatura.

Algumas causas de variação de parâmetros são importantes em todos os projetos, como os efeitos da temperatura. Outras causas, como a variação de β ou as tolerâncias de resistores, são mais específicas ou mais importantes na produção em série de amplificadores iguais.

Variação de β

Mesmo com a diferença nos valores de β (espalhamento de β), a corrente quiescente de coletor pode ser estabilizada quando é:

  1. Utilizado um resistor de emissor;
  2. Mantida uma relação entre as resistências dos circuitos do emissor e da base.

A relação entre essas resistências (2) é dada por:

Rb << β.Re

Após alguns simples desenvolvimentos matemáticos, teremos que:

Icq ≅ (VBB – VBE)/Re

Assim, vemos que o β não aparece na equação do ponto Q. Com Icq podemos encontrar, no gráfico da reta de carga ou nas equações, o VCEQ. O VBB e o Rb citados aqui são encontrados após aplicar o Teorema de Thevenin ao amplificador.

A escolha da reta de carga e do ponto Q adequados são feitos com base em várias considerações. Exemplos:

  • Fonte de alimentação VCC disponível;
  • Excursão de corrente desejada;
  • Dissipação de potência quiescente desejada. E outras.

Para que o ganho de corrente não seja reduzido pela atenuação do circuito de entrada, Rb precisa ser a maior possível. Essa condição pode ser alcançada pela seguinte equação:

Rb ≅ βmin × Re /10

Como o β varia em diferentes transistores de mesmo tipo, a equação acima mostra o βmin desse intervalo de variação.

Fator de estabilidade da polarização

Na análise do fator de estabilidade (ou análise da sensibilidade), estamos interessados nas mudanças que uma grandeza física sofrerá. Estas mudanças são em função das alterações de outras grandezas das quais a grandeza física depende.

Por exemplo, a grandeza Icq depende de variáveis como VBE, β, VCC etc. O que acontecerá com Icq quando estas variáveis mudarem? É aqui que entra a análise de sensibilidade, representada pela letra S e definido por:

Equação de sensibilidade para polarização de amplificador

 

 

Controlar variação com a temperatura para melhor polarização

A corrente Icbo e a tensão VBE dependem da temperatura. Então, o ponto Q será dependente da temperatura.

Porém, a situação mais frequente é termos uma maior influência da variação de VBE. Assim, tendemos a desprezar o efeito das variações de Icbo. Muitas aplicações são possíveis em eletrônica, então é bom analisar o que se deseja em cada caso antes de desprezar variações.

Compensação de temperatura

Agora sabemos que precisamos controlar a variação de VBE para que a corrente de polarização Icq fique em torno de um valor aceitável.

Uma forma de reduzir a variação de VBE devida a temperatura é usar o método de compensação de temperatura por meio da polarização com diodo:

  1. Conectamos o diodo em série com um resistor;
  2. Depois, conectamos este conjunto ao transistor, entre a base e o Terra (referência de circuito).

É importante escolher o diodo de forma que sua característica “case” com a da junção base-emissor do transistor, pois assim ambos terão a mesma dependência da temperatura. Matematicamente, teremos a seguinte representação:

Variações na tensão do diodo e de Vbe com a temperaura para projetos de polarizaçãoCom um único diodo não conseguimos a melhor compensação de temperatura. Podemos conectar dois diodos em série para melhorar, caso em que podemos considerar igual a “0” equação ΔIeq/ΔT ao desenvolvemos as equações do circuito.

Esta equação indica que a variação da corrente quiescente no emissor, em função da temperatura, é nula.

Em algumas aplicações, porém, desejamos fazer com que essa equação tenha um valor diferente de zero. Pode-se preferir um valor específico (negativo ou positivo).

Transistor FET

Em um transistor FET, as características vi (do gráfico de resposta) variam com a temperatura como no transistor bipolar de junção (TBJ).

Ao contrário da considerável variação de β entre TBJs de mesmo tipo, nos FETs isto não ocorre. As mesmas técnicas de controle de variação da polarização podem ser aplicadas em FETs de canal p ou canal n.

Etapas de polarização do JFET

Etapas de polarização do JFET

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Potência e temperatura

Projetos práticos com transistor geralmente envolvem tanto considerações elétricas quanto térmicas. Isto porque a potência média máxima que o transistor pode dissipar é limitada pela temperatura que a junção coletor-base suporta.

Então, precisamos calcular a temperatura máxima de operação, que no silício fica na faixa de 150°C a 200°C. Se a temperatura for ultrapassada o transistor poderá ser danificado.

O fabricante do transistor especifica várias grandezas no datasheet relacionadas à potência e temperatura, como as seguintes:

  • Potência média máxima no terminal coletor, que pode ser ultrapassado por um instante, desde que o transistor não tenha tempo suficiente para se aquecer a ponto de fundir-se.
  • Informações sobre as resistências térmicas θjc e θca;
  • Curva de variação da dissipação máxima no coletor com a temperatura do invólucro.

No transistor FET

Quando está conduzindo, o circuito de chave com FET (ou TEC) de potência tem uma resistência efetiva RTEC que aumenta com a temperatura à taxa de 0,7%/°C (0,7 por cento por grau centígrado), aproximadamente.

Essa relação entre resistência e temperatura pode ser expressa como (T1 e T2 são as temperaturas de interesse):

Equação de temperatura do transistor FET para polatizaçãoQuando o FET de potência está conduzindo, a potência dissipada é:

Potência no transistor FET para auxiliar a polarização Nesta equação, IDS é a corrente direta na chave. Ao dissipar potência, a temperatura no FET aumenta, o que faz a Rtec também aumentar, provocando uma dissipação ainda maior.

Observação sobre realimentação

A polarização com realimentação faz com que o ponto de operação fique estável mesmo com uma grande faixa de variação dos parâmetros.

Sem a realimentação podemos ter grandes variações, mas a importância disso depende da aplicação, como geralmente ocorre em eletrônica.


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Crédito da imagem em destaque no início: Wtshymanski (File:BJT CE load line.svg) – Wikimedia Commons