UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCOCENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIA

DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA E SISTEMAS

CONFIGURAÇÃO EMISSOR COMUM

Henrique Müller VasconcelosVitor Nunes de Lima

11 de Julho de 2004

Conteúdo1 Objetivo 2

2 Metodologia 22.1 Diagrama do circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Resultados esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3 Resultados obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3.1 Comportamento de VCE X VBE e IC X VBE . . . . . . . . . . 42.3.2 Comportamento do Ganho X VBE do Ganho X IC . . . . . . . 62.3.3 Medição da resistência de entrada e saída e da transcondutância 7

2.4 Análise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4.1 Cálculo de IS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4.2 Relação entre as análises para pequenos e grandes sinais . . . 8

3 Conclusão 10

4 Apêndice - Preparação 11

1

1 ObjetivoO transistor é um dispositivo de fundamental importância para a eletrônica, suas

aplicações variam desde amplificação de sinais a até o projeto de circuitos lógicodigitais e de memória.

Essa prática teve como objetivo estudar o comportamento desse dispositivo, maisespecificamente, obter os parâmetros do modelo para pequenos sinais da configu-ração emissor comum e relacioná-los com a curva para grandes sinais.

2 Metodologia

2.1 Diagrama do circuito

O circuito básico utilizado na prática foi o seguinte:

+12V

R110k 50%

Ven

R247k

Rb3,3k

Rcarga20k

Figura 1: Diagrama do circuito utilizado. Configuração emissor comum com otransistor bipolar NPN.

Foram feitas alterações no circuito da figura 1 em algumas etapas do experimento,essas alterações serão mostradas no momento adequado.

2.2 Resultados esperados

Utilizando valores obtidos no datasheet do transistor 2N3904 e sabendo que:

Ie = −IES(eVbeVT − 1) + αRICS(e

VbcVT − 1) (1)

Ic = −ICS(eVbcVT − 1) + αDIES(e

VbeVT − 1) (2)

Ib = −(Ie + Ic) (3)

Os resultados esperados para os gráficos de VCE X VBE, IC X VBE, ganho detensão X VBE e ganho de tensão X IC estão mostrados nas figuras 2,3,4 e 5.

2

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

2

4

6

8

10

12

VC

E

VBE

(V)

VCE

X VBE

Figura 2: Comportamento esperadopara VCEXVBE

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

831,52872n

2,26033µ

6,14421µ

16,7017µ

45,39993µ

123,4098µ

335,46263µ

I C

VBE

IC

X VBE

Figura 3: Comportamento esperadopara ICXVBE

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

50

100

150

200

250

300

350

Ganho

de

tensão

VBE

Ganho de tensão X VBE

Figura 4: Comportamento esperadopara o Ganho X VBE

0,0 100,0µ 200,0µ 300,0µ 400,0µ 500,0µ 600,0µ 700,0µ

0

50

100

150

200

250

Ganho

de

tensã

o

IC

(A)

Ganho de tensão X IC

Figura 5: Comportamento esperadopara o Ganho X IC

Para obter os resultados esperados para a resistência de entrada, resistência desaída e a transcondutância do circutio, deve-se refazer o modelo para pequenos docircuito sinais usando os valores do datasheet. Esse procedimento está mostradoabaixo.

Vp

rp

+

-Rcarga20k

Vsa

Rsa

R110k 40%

R247k

VenRb

3,3k

g vm p

Figura 6: Circuito equivalente para pequenos sinais da configuração utilizada

3

Segundo o datasheet e as condições de da prática, utilizou-se β = 300, IC =0, 3mA, VT = 28mV , VA = 100V . Logo temos:

gm =IC

VT

=0, 3mA

28mV= 10, 7mΩ−1

rπ =β

gm

=300

10, 7m= 28kΩ

rsa =VA

IC

=100

0, 3m= 333, 3kΩ

Como esses valores pode-se estimar a resistência de entrada e saída e a transcon-dutância do circuito como todo.

Ren =ven

ien= 21, 18kΩ

Rsa =vsa

isa= 18, 87kΩ

Gm =isavsa

= 9, 03mΩ−1

O que resulta no seguinte circuito equivalente:

g vm p

Vsa

18,87k

Ven

21,18k

Figura 7: Circuito equivalente ao da figura 6

2.3 Resultados obtidos

A obtenção dos dados foi feito em três etapas diferentes que serão apresentadasa seguir em separadamente.

2.3.1 Comportamento de VCE X VBE e IC X VBE

Nessa etapa o circuito utilizado foi seguinte:

+12V

Vsa

R1

R247k

Rcarga20k

2N3904

Figura 8: Circuito utilizado para os construir os gráficos de VCE X VBE e IC X VBE

4

Para realizar as medidas variou-se a posição do cursor do potenciômetro a fimde que a tensão VBE assumisse valores entre 0,0V e 1,0V e coletou-se VCE para cadatensão VBE. Para obter o valor de IC basta fazer uma simples conta:

IC =12− VCE

Rcarga

As dificuldades de realizar esse procedimento apareceram no momento de coletara tensão VCE quando a tensão VBE estava entre 0,5V e 0,6V, pois ,como era esperado,nessa região a variação de VCE era muito abrupta e uma pequena variação na posiçãodo cursor do potenciômetro causava uma grande variação na tensão coletada. Asolução encontrada para esse problema foi inverter a maneira o qual se fazia a coletados dados, ao invés de variar VBE e coletar VCE, variou-se VCE e armazenou-se atensão VBE correspondente. Dessa maneira foi possível obter diversos pontos naregião de variação abrupta.

Outra dificuldade foi no momento de medir a tensão VBE, pois, como a correnteIB é muito pequena e resistência de entrada do mutímetro é aproximadamente 1MΩ,logo, ao colocar o multímetro na base há uma grande variação de VCE. A soluçãoencontrada foi colocar um resistor grande (∼ 10MΩ) para aumentar a resistênciade entrada do aparelho de medição e considerar a um divisor de tensão entre esseresistor e o multímetro. Dessa maneira a influência do multímetor no circuito ficoudesprezível.

Obteve-se o seguinte resultados:

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

2

4

6

8

10

12

VC

E(V

)

VBE

(V)

Resultado esperado para VCE

X VBE

Pontos experimentais

Figura 9: Resultado de VCE X VBE

5

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

16,7017µ

45,39993µ

123,4098µ

335,46263µ

Região linear

I C(A

)

VBE

(V)

Resultado esperado de IC

X VBE

Pontos experimentais

Figura 10: Resultado de IC X VBE

2.3.2 Comportamento do Ganho X VBE do Ganho X IC

Nesta etapa utilizou-se o circuito mostrado na figura 1, onde ven era uma sinalsenoidal de amplitude e freqüência igual a 20mV e 1kHz respectivamente. Para obteros dados, variou-se o cursor do potenciômetro e coletou-se os valores de IC , VBE eda amplitude do sinal senoidal da saída (vsa).

A dificuldade encontrada nessa etapa foi basicamente a mesma da anterior. Podiaser visto claramente que ao se colocar o multímetro na base o sinal de saída vistono osciloscópio mudava completamente. A solução utilizada foi a mesma descritaanteriormente.

Obteve-se os seguintes resultados:

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0

50

100

150

200

250

300

350

Ganho

de

tensã

o

VBE

Resultado esperado do Ganho X VBE

Pontos experimentais

Figura 11: Resultado do Ganho X VBE

6

0,0 100,0µ 200,0µ 300,0µ 400,0µ 500,0µ 600,0µ 700,0µ

0

50

100

150

200

250G

anho

de

tensã

o

IC

(A)

Resultado esperado do Ganho X IC

Pontos experimentais

Figura 12: Resultado do Ganho X IC

2.3.3 Medição da resistência de entrada e saída e da transcondutância

Nessa etapa da prática utilizou-se o mesmo circuito da figura 1, porém o poten-ciômetro foi fixado de tal forma que corrente IC permanecesse em 0,3mA.O proced-imento usado para a medição foi o mesmo descrito na seção 2 da preparação.

A dificuldade encontrada foi manter a corrente do coletor fixa em 0,3mA, porémesse problema foi resolvido reajustando o cursor do potenciômetro.

Obteve-se o seguinte resultado:

Rsa = 18, 4kΩ

Ren = 12, 98kΩ

Gm = 8, 3mΩ−1

2.4 Análise

Para fazer a análise dos resultados obtidos, primeiro iremos determinar o valorde IS do transistor e verificar se está de acordo com os valores típicos. Em seguidaserá feita um relação entre as análise para pequenos e grande sinais.

2.4.1 Cálculo de IS

Na região linear mostrada na figura 10, a equação de IC pode ser simplificadada seguinte forma:

Como nessa região VBE > 0 e VBC < 0 podemos reescrever a equação 2 de umaforma mais simplificada.

7

Ic = −ICS(eVbcVT − 1)︸ ︷︷ ︸

∼0

+ αDIES(eVbeVT − 1)︸ ︷︷ ︸

∼αDIESeVbeVT

(4)

Ic ≈ ISeVbeVT (5)

Fazendo a regressão linear de ln Ic X VBE dos pontos experimentais da devidaregião, temos:

0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64

-10,0

-9,5

-9,0

-8,5

-8,0

-7,5

IS

= 0,268pA

ln(I

C)

VBE

(V)

Pontos na região ativaRegressão Linear

Figura 13: Regressão linear para o cálculo de IS

O resultado obtido para IS foi na ordem de 10−13, o que se encaixa perfeitamentecom os valores típicos.

2.4.2 Relação entre as análises para pequenos e grandes sinais

Os resultados mostrado nas figuras 9 e 10 representa o comportamento do tran-sistor para grandes sinais e as figuras 11 e 12 mostra o ganho de pequenos sinaispara cada ponto de operação. O que será feito agora é mostrar a relação entre essesresultados.

Na configuração emissor comum a tensão de entrada é Vbe e a tensão de saída éVsa, o ganho de tensão será alto se para uma pequena variação de Vbe (o pequenosinal) haja uma grande variação de Vce, ou seja, ∆Vce

∆Vbedeve ser um valor alto. Dessa

relação podemos chegar a seguinte conclusão:

Ganho = |∂Vce

∂Vbe

| (6)

Superpondo o dois gráficos (VCE X VBE e Ganho X VBE) pode-se enxergar essefato claramente.

8

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Ponto de ganho máximo

Ponto onde |DVCE

/DVBE

| é máximo

VBE

(V)

Pontos de VCE

X VBE

Pontos do ganho X VBE

Figura 14: Gráficos superpostos de VCE X VBE e Ganho X VBE

Pode-se perceber que o valor de VBE onde ∆Vce

∆Vbeé máximo é o mesmo valor onde

o Ganho é máximo, o que está de acordo com o que foi dito acima.A relação entre o gráfico IC X VBE e Ganho X IC pode ser visto comparando

os valores de IC correspondente a região linear da figura 10 e os valores de IC ondeo ganho é relativamente alto da figura 12. Percebesse que a faixa de valores é amesma, ou seja, essa é a região ativa do transistor.

9

3 ConclusãoEssa prática foi bastante gratificante em dois aspectos, tanto no ponto de vista

de verificar os conhecimentos teóricos no laboratório, como também no momento deimplementar soluções a problemas inesperados.

Pelo lado de verificar os conhecimentos teóricos, foi possível observar claramenteo transistor funcionado como um amplificador de sinais, que é uma das principaisfunções do transistor, como também foi visto que seu comportamento para grandessinais se encaixou muito bem com o resultado esperado e a relação entre pequenose grandes sinais ficou bastante clara e bem explicada pela teoria. Ou seja, em geralo transistor se comportou muito bem com aquilo que era previsto.

Além disso, outro fato que deve ser comentado é o aprendizado adquirido com asdificuldades que surgiam durante a realização da prática. A situação de se depararcom um problema, entender o porquê, achar uma solução prática e depois dissotudo verificar de os resultados obtidos estão de acordo com o esperado foi umatarefa bastante motivadora.

10

4 Apêndice - Preparação

11