Polarização DC em Transistores - BJTs

Polarização DC em Transistores - BJTs

Em termos simples, a polarização em BJTs pode ser definida como um processo no qual um BJT é ativado ou LIGADO pela aplicação de uma magnitude menor de DC em seus terminais de base / emissor de modo que seja capaz de conduzir uma magnitude relativamente maior de DC em seus terminais coletores e emissores.



O funcionamento de um transistor bipolar ou BJTs em níveis DC é governado por vários fatores, que incluem uma gama de pontos operacionais sobre as características dos dispositivos.

Na seção 4.2 explicada neste artigo, verificaremos os detalhes sobre este intervalo de pontos operacionais para amplificadores BJT. Depois que as fontes CC especificadas são calculadas, um projeto de circuito pode ser criado para determinar o ponto operacional necessário.





Uma variedade dessas configurações é examinada neste artigo. Cada modelo discutido, além disso, identificará a estabilidade da abordagem, ou seja, exatamente o quão sensível o sistema poderia ser a um determinado parâmetro.

Embora várias redes sejam examinadas nesta seção, elas têm uma semelhança fundamental entre as avaliações de cada configuração, devido ao seguinte uso repetido da relação fundamental crucial:



Na maioria das situações, a corrente base IB passa a ser a primeira quantidade a ser estabelecida. Uma vez que o IB é identificado, os relacionamentos das Eqs. (4.1) via (4.3) poderia ser implementado para obter o resto das quantidades em questão.

As semelhanças nas avaliações ficarão rapidamente aparentes à medida que avançarmos com as seções subsequentes.

As equações para IB são tão idênticas para muitos dos designs que uma fórmula poderia ser derivada da outra simplesmente removendo ou inserindo um ou dois elementos.

O principal objetivo deste capítulo é estabelecer um grau de compreensão do transistor BJT que permitiria a você implementar uma análise CC de praticamente qualquer circuito que tenha o amplificador BJT como elemento.

4.2 PONTO DE OPERAÇÃO

A palavra enviesamento aparecendo no título deste artigo é um termo detalhado que significa implementação de tensões DC e para determinar um nível fixo de corrente e tensão em BJTs.

Para amplificadores BJT, a corrente DC e a tensão resultantes criam um ponto de operação nas características que estabelecem a região que se torna ideal para a necessária amplificação do sinal aplicado. Porque o ponto operacional passa a ser um ponto predeterminado nas características, ele também pode ser referido como ponto quiescente (abreviado como ponto Q).

'Quiescente' por definição significa silêncio, quietude, sedentarismo. A Figura 4.1 demonstra uma característica de saída padrão de um BJT com 4 pontos operacionais . O circuito de polarização pode ser desenvolvido para estabelecer o BJT em um desses pontos ou em outros dentro da região ativa.

As classificações máximas são indicadas nas características da Fig. 4.1 através de uma linha horizontal para a corrente de coletor mais alta ICmax e uma linha perpendicular na tensão de coletor-emissor mais alta VCEmax.

A limitação de potência máxima é identificada a partir da curva PCmax na mesma figura. Na extremidade inferior do gráfico podemos ver a região de corte, identificada por IB ≤ 0μ, e a região de saturação, identificada por VCE ≤ VCEsat.

A unidade BJT poderia estar inclinada para fora desses limites máximos indicados, mas a consequência de tal processo resultaria em deterioração significativa da vida útil do dispositivo ou quebra total do dispositivo.

Restringindo os valores entre a região ativa indicada, pode-se escolher uma variedade de áreas ou pontos operacionais . O ponto Q selecionado geralmente depende da especificação pretendida do circuito.

No entanto, podemos certamente levar em consideração algumas distinções entre o número de pontos ilustrados na Fig. 4.1 para fornecer algumas recomendações fundamentais sobre o ponto de operação e, portanto, o circuito de polarização.

Se nenhuma polarização estivesse sendo aplicada, o dispositivo inicialmente permaneceria totalmente desligado, fazendo com que um ponto Q ficasse em A - isto é, corrente zero através do dispositivo (e 0 V através dele). Como é essencial polarizar um BJT para habilitá-lo a reagir em toda a faixa de um determinado sinal de entrada, o ponto A pode não parecer apropriado.

Para o ponto B, quando um sinal é conectado ao circuito, o dispositivo mostrará uma variação na corrente e na tensão através do ponto de operação , permitindo que o dispositivo responda (e talvez amplifique) as aplicações positivas e negativas do sinal de entrada.

Quando o sinal de entrada é usado de maneira ideal, a tensão e a corrente do BJT provavelmente mudarão ... entretanto, pode não ser o suficiente para ativar o dispositivo em corte ou saturação.

O ponto C pode ajudar a certos desvios positivos e negativos do sinal de saída, mas a magnitude pico a pico pode ser restrita à proximidade de VCE = 0V / IC = 0 mA.

Trabalhar no ponto C da mesma forma pode causar pouca preocupação com relação às não linearidades devido ao fato de que a lacuna entre as curvas IB pode estar se alterando rapidamente nesta área particular.

De modo geral, é muito melhor operar o dispositivo em que o ganho do dispositivo seja bastante consistente (ou linear), para garantir que a amplificação na oscilação geral do sinal de entrada permaneça uniforme.

O ponto B é uma região que apresenta maior espaçamento linear e, por isso, maior atividade linear, conforme indicado na Fig. 4.1.

O ponto D estabelece o dispositivo ponto de operação perto dos mais altos níveis de tensão e potência. A oscilação da tensão de saída no limite positivo é, portanto, restrita quando a tensão máxima não deve ser excedida.

O ponto B, como resultado, parece perfeito ponto de operação com relação ao ganho linear e as maiores variações possíveis de tensão e corrente.

Descreveremos isso de maneira ideal para amplificadores de pequenos sinais (Capítulo 8), no entanto, nem sempre para amplificadores de potência ... falaremos sobre isso mais tarde.

Dentro deste discurso, estarei focando principalmente na polarização do transistor em relação à função de amplificação de pequenos sinais.

Há outro fator de polarização extremamente crucial que precisa ser analisado. Tendo determinado e enviesado o BJT com um ideal ponto de operação , os efeitos da temperatura também devem ser avaliados.

A faixa de calor fará com que os limites do dispositivo, como o ganho de corrente do transistor (ac) e a corrente de fuga do transistor (ICEO), se desviem. Faixas de temperatura aumentadas causarão maiores correntes de fuga no BJT e, assim, modificarão a especificação operacional estabelecida pela rede de polarização.

Isso implica que o padrão de rede também precisa facilitar um nível de estabilidade de temperatura para garantir que os impactos das variações de temperatura sejam com mudanças mínimas no ponto de operação . Esta manutenção do ponto de operação pode ser estipulada com um fator de estabilidade, S, que significa o nível de desvios no ponto de operação causados ​​por uma mudança de temperatura.

Um circuito estabilizado de forma otimizada é aconselhável, e o recurso estável de vários circuitos de polarização essenciais será avaliado aqui. Para que o BJT seja polarizado dentro da região de operação linear ou efetiva, os pontos dados abaixo devem ser satisfeitos:

1. A junção base-emissor deve ser polarizada diretamente (tensão da região p fortemente positiva), permitindo a polarização direta de cerca de 0,6 a 0,7 V.

2. A junção base-coletor deve ser polarizada reversa (n-região fortemente positiva), com a voltagem polarizada reversa permanecendo em algum valor dentro dos limites máximos do BJT.

[Lembre-se de que para polarização direta a tensão na junção p-n será p -positivo, e para polarização reversa é revertido tendo n -positivo. Este foco na primeira letra deve lhe dar uma maneira de lembrar facilmente a polaridade de voltagem essencial.]

A operação nas áreas de corte, saturação e linear da característica BJT são geralmente apresentadas conforme explicado abaixo:

1 Operação de região linear:

Junção base-emissor polarizada para frente

Polarização reversa da junção base-coletor

dois. Operação da região de corte:

Polarização reversa da junção base-emissor

3 - Operação de região de saturação:

Junção base-emissor polarizada para frente

Junção base-coletor polarizada para frente

4.3 CIRCUITO FIXED-BIAS

O circuito de polarização fixa da Fig. 4.2 é projetado com uma visão geral bastante simples e descomplicada da análise de polarização CC do transistor.

Embora a rede implemente um transistor NPN, as fórmulas e cálculos podem funcionar de forma igualmente eficaz com uma configuração de transistor PNP simplesmente reconfigurando os caminhos de fluxo de corrente e as polaridades de tensão.

As direções de corrente da Fig. 4.2 são as direções de corrente genuínas e as tensões são identificadas pelas anotações universais de subscrito duplo.

Para a análise CC, o projeto pode ser separado dos níveis CA mencionados simplesmente trocando os capacitores por um equivalente de circuito aberto.

Além disso, a fonte CC VCC pode ser dividida em duas fontes separadas (apenas para realizar a avaliação), conforme comprovado na Fig. 4.3, apenas para permitir uma interrupção dos circuitos de entrada e saída.

O que isso faz é minimizar a ligação entre os dois com a corrente base IB. A separação é inquestionavelmente legítima, como mostrado na Fig. 4.3, onde VCC é conectado diretamente a RB e RC, assim como na Fig. 4.2.

circuito BJT de polarização fixa

Polarização direta da base-emissor

Polarização direta da base-emissor

Vamos primeiro analisar o loop do circuito emissor de base mostrado acima na Fig. 4.4. Se implementarmos a equação de tensão de Kirchhoff no sentido horário para o loop, derivamos a seguinte equação:

Podemos ver que a polaridade da queda de tensão em RB é determinada pela direção da corrente IB. Resolver a equação para o IB atual nos fornece o seguinte resultado:

Equação (4.4)

A equação (4.4) é definitivamente uma equação que pode ser facilmente memorizada, simplesmente lembrando que a corrente de base aqui se torna a corrente que passa por RB e aplicando a lei de Ohm de acordo com a qual a corrente é igual à tensão em RB dividida pela resistência RB .

A tensão em RB é a tensão aplicada VCC em uma extremidade menos a queda na junção base-emissor (VBE).
Além disso, devido ao fato de a alimentação VCC e a tensão base-emissor VBE serem grandezas fixas, a escolha do resistor RB na base estabelece a quantidade de corrente base para o nível de chaveamento.

Loop Coletor-Emissor

Loop Coletor-Emissor

A figura 4.5 mostra o estágio do circuito coletor emissor, onde a direção da corrente IC e a polaridade correspondente em RC foram apresentadas.
O valor da corrente do coletor pode ser visto como diretamente relacionado ao IB através da equação:

Equação (4.5)

Você pode achar interessante ver que, uma vez que a corrente de base depende das quantidades de RB, e IC está ligado a IB por meio de uma constante β, a magnitude de IC não é uma função da resistência RC.

Ajustar RC para algum outro valor não produzirá nenhum efeito no nível de IB ou mesmo de IC, enquanto a região ativa do BJT for mantida.
Dito isso, você descobrirá que a magnitude de VCE é determinada pelo nível de RC, e isso pode ser algo crucial a se considerar.

Se usarmos a lei de tensão de Kirchhoff no sentido horário através do circuito fechado mostrado na fig 4.5, ela produz as seguintes duas equações:

Equação (4.6)

Isso indica que a tensão através do coletor emissor do BJT dentro de um circuito de polarização fixa é a tensão de alimentação equivalente à queda formada em RC
Para dar uma olhada rápida na notação de subscrito simples e duplo, lembre-se de que:

VCE = VC - VE --------(4.7)

onde VCE indica a tensão que flui do coletor para o emissor, VC e VE são as tensões que passam do coletor e do emissor para o solo, respectivamente. Mas aqui, uma vez que VE = 0 V, temos

VCE = VC --------(4.8)
Também porque temos,
VBE = VB - AND -------- (4.9)
e porque VE = 0, finalmente obtemos:
VBE = VB -------- (4.10)

Lembre-se dos seguintes pontos:

Ao medir os níveis de tensão como VCE, certifique-se de colocar a ponta de prova vermelha do voltímetro no pino do coletor e a ponta de prova preta no pino do emissor, conforme mostrado na figura a seguir.

VC significa a tensão que passa do coletor para o terra e seu procedimento de medição também é mostrado na figura a seguir.

No caso presente, as duas leituras acima serão semelhantes, mas para redes de circuitos diferentes, podem mostrar resultados variáveis.

Isso implica que essa diferença nas leituras entre as duas medições pode ser crucial ao diagnosticar uma possível falha em uma rede BJT.

medir VCE e VC na rede BJT

Resolvendo um Exemplo Prático de Polarização BJT

Avalie o seguinte para a configuração de polarização fixa da Fig. 4.7.

Dado:
(a) IBQ e ICQ.
(b) VCEQ.
(c) VB e VC.
(d) VBC.

resolvendo o problema de polarização DC

No próximo capítulo, aprenderemos sobre Saturação BJT.

Referência

Transistor Biasing




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