Transistor Biasing

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A operação em regime permanente de um transistor depende muito de sua corrente de base, tensão de coletor e valores de corrente de coletor e, portanto, se o transistor deve operar corretamente como um amplificador linear, ele deve ser polarizado corretamente em torno de seu ponto de operação.

Estabelecer o ponto operacional correto requer a seleção de resistores de polarização e resistores de carga para fornecer a corrente de entrada apropriada e as condições de tensão do coletor. O ponto de polarização correto para um transistor bipolar, NPN ou PNP, geralmente fica em algum lugar entre os dois extremos de operação com relação a estar “totalmente LIGADO” ou “totalmente DESLIGADO” ao longo de sua linha de carga CC. Este ponto central de operação é chamado de “Ponto Operacional Quiescente”, ou Q-point abreviadamente.

Quando um transistor bipolar é polarizado de modo que o ponto Q esteja próximo ao meio de sua faixa de operação, que é aproximadamente a meio caminho entre o corte e a saturação, diz-se que ele está operando como um amplificador Classe A. Este modo de operação permite que a tensão de saída aumente e diminua em torno do ponto Q do amplificador sem distorção conforme o sinal de entrada oscila em um ciclo completo. Em outras palavras, a saída está disponível para todos os 360o do ciclo de entrada.

Então, como configuramos essa polarização de ponto Q de um transistor? – A polarização correta do transistor é obtida usando um processo comumente conhecido como Polarização de Base.

Mas antes de começarmos a olhar para os possíveis arranjos diferentes de polarização do transistor, vamos primeiro nos lembrar de um circuito de transistor único básico junto com suas tensões e correntes, conforme mostrado à esquerda.

A função do “nível de polarização DC” é definir corretamente o ponto Q dos transistores, definindo sua corrente de coletor (IC) para um valor de estado constante e estável, sem qualquer sinal de entrada externo aplicado à base dos transistores.

Este estado estacionário ou ponto operacional DC é definido pelos valores da tensão de alimentação DC dos circuitos (Vcc) e o valor de quaisquer resistores de polarização conectados ao terminal Base dos transistores.

Uma vez que as correntes de polarização de base dos transistores são correntes CC de estado estacionário, o uso apropriado de capacitores de acoplamento e bypass ajudará a bloquear quaisquer correntes de polarização de outro estágio do transistor que afetem as condições de polarização do próximo. As redes de polarização de base podem ser usadas para configurações de transistor de base comum (CB), coletor comum (CC) ou emissor comum (CE). Neste tutorial simples de polarização de transistor, veremos os diferentes arranjos de polarização disponíveis para um Amplificador de Emissor Comum.

Polarização de base de um amplificador emissor comum

Um dos circuitos de polarização mais frequentemente usados para um circuito de transistor é com a auto-polarização do circuito de polarização do emissor, onde um ou mais resistores de polarização são usados para configurar os valores DC iniciais para as três correntes de transistor, (IB), ( Eu posso morrer ).

As duas formas mais comuns de polarização do transistor bipolar são: Beta Dependente e Beta Independente. As tensões de polarização do transistor são amplamente dependentes do transistor beta, (β), portanto, a polarização configurada para um transistor pode não ser necessariamente a mesma para outro transistor, pois seus valores de beta podem ser diferentes. A polarização do transistor pode ser obtida usando um único resistor de realimentação ou usando uma rede divisora de tensão simples para fornecer a tensão de polarização necessária.

A seguir estão cinco exemplos de configurações de polarização de base de transistor de uma única fonte (Vcc).

Polarização de base fixa de um transistor

O circuito mostrado é chamado de “circuito de polarização de base fixa”, porque a corrente de base dos transistores, IB permanece constante para determinados valores de Vcc e, portanto, o ponto de operação dos transistores também deve permanecer fixo. Esta rede de polarização de dois resistores é usada para estabelecer a região de operação inicial do transistor usando uma polarização de corrente fixa.

Este tipo de arranjo de polarização de transistor também é polarização dependente de beta, pois a condição de operação em estado estacionário é uma função do valor beta β dos transistores, de modo que o ponto de polarização irá variar em uma ampla faixa para transistores do mesmo tipo que as características do transistores não serão exatamente os mesmos.

O diodo emissor do transistor é polarizado diretamente pela aplicação da tensão de polarização de base positiva necessária por meio do resistor limitador de corrente RB. Assumindo um transistor bipolar padrão, a queda de tensão do emissor-base direto seria de 0,7V. Então o valor de RB é simplesmente: (VCC – VBE)/IB onde IB é definido como IC/β.

Com este tipo de resistor único de arranjo de polarização, as tensões e correntes de polarização não permanecem estáveis ​​durante a operação do transistor e podem variar enormemente. Além disso, a temperatura operacional do transistor pode afetar adversamente o ponto operacional.

 

Feedback do coletor polarizando um transistor

Esta configuração de feedback de coletor de polarização automática é outro método de polarização dependente de beta que requer dois resistores para fornecer a polarização DC necessária para o transistor. A configuração do coletor para a realimentação da base garante que o transistor esteja sempre polarizado na região ativa, independentemente do valor de Beta (β). A tensão de polarização de base DC é derivada da tensão do coletor VC, proporcionando assim uma boa estabilidade.

Neste circuito, o resistor de polarização de base, RB, é conectado ao coletor de transistores C, em vez de ao barramento de tensão de alimentação, Vcc. Agora, se a corrente do coletor aumenta, a tensão do coletor cai, reduzindo o acionamento da base e, portanto, reduzindo automaticamente a corrente do coletor para manter o ponto Q dos transistores fixo. Portanto, este método de polarização de feedback do coletor produz feedback negativo em torno do transistor, pois há um feedback direto do terminal de saída para o terminal de entrada por meio do resistor, RB.

Uma vez que a tensão de polarização é derivada da queda de tensão no resistor de carga, RL, se a corrente de carga aumentar, haverá uma queda de tensão maior em RL e uma tensão de coletor reduzida correspondente, VC. Este efeito causará uma queda correspondente na corrente de base, IB que por sua vez, traz o IC de volta ao normal.

A reação oposta também ocorrerá quando a corrente do coletor dos transistores for reduzida. Então, esse método de polarização é chamado de polarização automática, com a estabilidade dos transistores usando este tipo de rede de polarização de feedback sendo geralmente boa para a maioria dos projetos de amplificadores.

 

Polarização do transistor de realimentação dupla

Adicionar um resistor adicional à rede de polarização de base da configuração anterior melhora ainda mais a estabilidade em relação às variações em Beta, (β), aumentando a corrente que flui através dos resistores de polarização de base.

A corrente que flui através de RB1 é geralmente definida em um valor igual a cerca de 10% da corrente do coletor, IC. Obviamente, também deve ser maior do que a corrente de base necessária para o valor mínimo de Beta, β.

Uma das vantagens deste tipo de configuração de polarização automática é que os dois resistores fornecem polarização automática e feedback Rƒ ao mesmo tempo.

 

Polarização do transistor com realimentação do emissor

Este tipo de configuração de polarização de transistor, frequentemente chamada de polarização de auto-emissor, usa feedback do emissor e do coletor de base para estabilizar a corrente do coletor ainda mais. Isso ocorre porque os resistores RB1 e RE, bem como a junção base-emissor do transistor, estão todos efetivamente conectados em série com a tensão de alimentação, VCC.

A desvantagem dessa configuração de feedback do emissor é que ela reduz o ganho de saída devido à conexão do resistor de base. A tensão do coletor determina a corrente que flui através do resistor de feedback, RB1 produzindo o que é chamado de “feedback degenerativo”.

A corrente fluindo do emissor, IE (que é uma combinação de IC + IB) faz com que uma queda de tensão apareça em RE em tal direção, que inverte a polarização da junção base-emissor.

Portanto, se a corrente do emissor aumenta, devido a um aumento na corrente do coletor, a queda de tensão I * RE também aumenta. Como a polaridade dessa tensão inverte a polaridade da junção base-emissor, o IB diminui automaticamente. Portanto, a corrente do emissor aumenta menos do que teria ocorrido se não houvesse um resistor de polarização automática.

Geralmente, os valores do resistor são ajustados de forma que a queda de tensão no resistor do emissor RE seja de aproximadamente 10% do VCC e a corrente que flui através do resistor RB1 seja 10% da corrente do coletor IC.

Portanto, este tipo de configuração de polarização do transistor funciona melhor com tensões de alimentação relativamente baixas.

 

Polarização do transistor do divisor de tensão

Aqui, a configuração do transistor emissor comum é polarizada usando uma rede divisora ​​de tensão para aumentar a estabilidade. O nome dessa configuração de polarização vem do fato de que os dois resistores RB1 e RB2 formam uma rede divisora ​​de tensão ou potencial através da alimentação com sua junção de ponto central conectada ao terminal de base dos transistores, conforme mostrado.

Esta configuração de polarização do divisor de tensão é o método de polarização de transistor mais amplamente usado. O diodo emissor do transistor é polarizado diretamente pelo valor de tensão desenvolvido através do resistor RB2. Além disso, a polarização da rede do divisor de tensão torna o circuito do transistor independente das mudanças em beta, pois as tensões de polarização definidas na base dos transistores, no emissor e nos terminais do coletor não dependem dos valores do circuito externo.

Para calcular a tensão desenvolvida no resistor RB2 e, portanto, a tensão aplicada ao terminal da base, simplesmente usamos a fórmula do divisor de tensão para resistores em série.

Geralmente, a queda de tensão no resistor RB2 é muito menor do que no resistor RB1. Claramente, a tensão de base dos transistores VB em relação ao aterramento será igual à tensão em RB2.

A quantidade de corrente de polarização que flui através do resistor RB2 é geralmente definida como 10 vezes o valor da corrente de base necessária IB, de modo que seja suficientemente alta para não ter efeito na corrente do divisor de tensão ou mudanças em Beta.

O objetivo do Transistor Biasing é estabelecer um ponto operacional quiescente conhecido, ou ponto Q para o transistor bipolar funcionar com eficiência e produzir um sinal de saída não distorcido. A polarização correta de CC do transistor também estabelece sua região de operação CA inicial com circuitos de polarização práticos usando uma rede de polarização de dois ou quatro resistores.

Em circuitos de transistores bipolares, o ponto Q é representado por (VCE, IC) para os transistores NPN ou (VEC, IC) para transistores PNP. A estabilidade da rede de polarização da base e, portanto, o ponto Q é geralmente avaliada considerando a corrente do coletor como uma função de Beta (β) e da temperatura.

Aqui, vimos brevemente cinco configurações diferentes para “polarizar um transistor” usando redes resistivas. Mas também podemos polarizar um transistor usando diodos de silício, diodos zener ou redes ativas, todas conectadas ao terminal de base dos transistores. Nós também poderíamos polarizar corretamente o transistor a partir de uma fonte de alimentação de dupla tensão, se assim quiséssemos.

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