Transistor bipolar: operação e regiões

Transistor bipolar: operação e regiões

Correntes, tensões, curvas características e modelos básicos do BJT antes da polarização.

O transistor bipolar de junção, ou BJT, possui três terminais: base, coletor e emissor. Em amplificadores, ele é polarizado na região ativa e pequenas variações em $V_{BE}$ produzem variações de corrente no coletor.

Objetivos

• usar corretamente as convenções de corrente e tensão de um BJT NPN;
• identificar corte, região ativa e saturação;
• interpretar uma família de curvas $I_C\times V_{CE}$;
• distinguir o modelo de grande sinal do modelo de pequenos sinais;
• explicar por que o ponto de operação precisa ser calculado antes do ganho.

Terminais e correntes

Para um transistor NPN operando na região ativa, adotamos correntes entrando na base e no coletor e saindo pelo emissor. Pela lei dos nós,

Os ganhos de corrente são definidos por

Como $\beta$ varia bastante entre componentes e com a corrente, um bom circuito de polarização não deve depender fortemente de seu valor exato.

Controle por corrente ou por tensão?

É comum apresentar o BJT como uma fonte de corrente controlada por corrente, usando $I_C\approx\beta I_B$. Essa relação é útil em cálculos aproximados de polarização.

Fisicamente, na região ativa, a relação mais fundamental é exponencial:

Logo, o BJT também pode ser entendido como um dispositivo de transcondutância: uma variação de $V_{BE}$ controla $I_C$. Essa visão será a base do modelo híbrido-$\pi$.

Regiões de operação do NPN

Para confirmar região ativa, não basta calcular uma corrente positiva. É necessário verificar se o resultado é coerente com as tensões dos terminais, por exemplo $V_C>V_B>V_E$ para um NPN de silício em operação ativa usual.

Família de curvas de saída

Uma família de curvas mostra $I_C$ em função de $V_{CE}$ para diferentes correntes de base. Na região ativa ideal, cada curva seria quase horizontal. Em um transistor real existe inclinação devido ao efeito Early.

À esquerda, para $V_{CE}$ pequeno, o transistor entra em saturação. No trecho quase horizontal, ele opera na região ativa. A extrapolação da inclinação das curvas está associada à tensão de Early $V_A$.

Circuito externo e reta de carga

O transistor não escolhe sozinho seu ponto de operação. Fonte e resistores impõem uma segunda relação. Em um circuito simples com $R_C$ ligado a $V_{CC}$,

quando o emissor está aterrado. Essa equação é uma reta no plano $I_C\times V_{CE}$. A interseção entre reta de carga e curva do transistor é o ponto quiescente, ou ponto-Q.

Para amplificar sem ceifamento imediato, o ponto-Q deve deixar margem para a tensão de coletor subir e descer. A posição adequada depende do circuito e da excursão desejada; não existe um único “ponto central” universal.

Modelos em níveis

Modelo de corte e saturação

Adequado para chaveamento: o BJT está desligado ou saturado. Não descreve bem a amplificação linear.

Modelo de queda constante

Em cálculos DC iniciais, adota-se frequentemente $V_{BE}\approx0{,}7\,\text{V}$ e $I_C\approx\beta I_B$. O resultado deve ser verificado quanto à região de operação.

Modelo exponencial

Relaciona $I_C$ e $V_{BE}$ e explica a sensibilidade térmica. É necessário para entender a linearização.

Modelo incremental

Substitui o transistor polarizado por um circuito linear válido apenas ao redor do ponto-Q. Seus parâmetros dependem de $I_C$. Portanto, análise de pequenos sinais sem análise DC anterior é incompleta.

Temperatura e dispersão

Para uma corrente aproximadamente constante, $V_{BE}$ costuma diminuir cerca de $2\,\text{mV}/^\circ\text{C}$. Além disso, $I_S$, $\beta$ e outros parâmetros variam entre transistores. Resistores de emissor, divisores rígidos e fontes de corrente são usados para reduzir a sensibilidade do circuito.

Essa variação também explica por que o casamento térmico será importante no par diferencial do Experimento 01.

Verificação rápida

1. Um cálculo forneceu $V_C<V_E$ enquanto o modelo adotado pressupunha região ativa. O que isso indica?
2. Por que $\beta$ não deve ser tratado como constante precisa?
3. Qual grandeza do ponto-Q determinará diretamente a transcondutância $g_m$?

O próximo passo é transformar fonte e rede de base em um problema sistemático de polarização e determinar o ponto-Q.