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Compreendendo o Design de Circuitos com Transistores: Tutorial

26 de fevereiro de 2023 0 Comentários Leitura: 12 min

O projeto de circuito eletrônico usando transistores bipolares é bastante simples, usando princípios de projeto simples e algumas equações.

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Veja também: Tipos de circuitos transistorizados

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Os circuitos transistorizados estão no centro da tecnologia de design de circuitos eletrônicos de hoje. Embora os circuitos integrados sejam usados para muitos circuitos hoje em dia, o projeto básico do circuito do transistor é frequentemente necessário em uma variedade de áreas.

Embora o uso de componentes eletrônicos discretos com transistores use mais componentes, é possível adaptar o circuito para fornecer exatamente a funcionalidade necessária. Conseqüentemente, os circuitos que usam transistores discretos e alguns componentes eletrônicos adicionais ainda estão no centro do projeto de circuitos eletrônicos.

Isso significa que entender o design do circuito do transistor ainda é importante, pois não apenas permite que os circuitos básicos do transistor sejam projetados, mas também fornece uma maior compreensão da operação de circuitos integrados baseados na tecnologia do transistor bipolar.

Sumário

Noções básicas de transistor bipolar

Obviamente, o principal componente eletrônico em qualquer circuito de transistor é o próprio transistor. Esses componentes eletrônicos podem ser obtidos de forma discreta, ou podem estar dentro de um circuito integrado.

Os transistores são fabricados em uma variedade de formatos e podem ser obtidos para cumprir uma variedade de funções, desde sinal pequeno até alta potência e áudio para RF e comutação.

Eles também vêm como transistores PNP e transistores NPN – destes, os transistores NPN são mais amplamente utilizados, pois tendem a se encaixar no sistema de aterramento negativo amplamente utilizado, e também seu desempenho é melhor em termos de velocidade.

Embora os transistores NPN sejam mais amplamente usados, isso não significa que os transistores PNP não sejam usados. Eles geralmente encontram aplicações que complementam os transistores NPN e alguns outros circuitos.

Estrutura básica do transistor e símbolos do circuito

O transistor bipolar está disponível há mais de setenta anos – sua tecnologia está muito bem estabelecida e, embora a tecnologia do transistor de efeito de campo seja provavelmente mais amplamente usada em circuitos integrados, os transistores bipolares ainda são usados em grandes quantidades em vários circuitos analógicos e digitais, tanto dentro circuitos integrados e como componentes eletrônicos discretos.

O transistor bipolar foi inventado pela primeira vez em 1949 por uma equipe de cientistas que trabalhavam no Bell Labs nos EUA. Sua descoberta torna a leitura interessante.

Nota sobre a história do transistor:

O transistor bipolar foi inventado por três pesquisadores que trabalhavam nos Laboratórios Bell: John Bardeen, Walter Brattain e William Schockley. Eles estavam trabalhando em uma ideia que usava um efeito de campo para controlar a corrente em um semicondutor, mas não conseguiram fazer a ideia funcionar. Eles voltaram seu foco para outra possibilidade e fizeram um dispositivo de três terminais usando dois pontos de contato espaçados em uma pastilha de germânio. Essa ideia funcionou e eles foram capazes de demonstrar que proporcionava ganhos no final de 1949.

Parâmetros de projeto de circuito de transistor

Antes de iniciar o projeto de circuito eletrônico para um circuito transistorizado, é necessário definir os requisitos para os circuitos: alguns dos principais parâmetros associados aos circuitos transistorizados.

Pode haver vários parâmetros necessários nos requisitos para o projeto do circuito do transistor:

Ganho de tensão: O ganho de tensão costuma ser um requisito fundamental para o projeto de circuitos eletrônicos. O ganho de tensão do circuito é o aumento da tensão da entrada para a saída do circuito. Em termos matemáticos, o ganho de tensão, A_v é a tensão de saída dividida pela tensão de entrada.O ganho de tensão é um dos principais objetivos de muitos circuitos porque permite o “tamanho”
Ganho de corrente: O ganho de corrente do circuito geralmente é importante no projeto de circuitos eletrônicos, especialmente quando o circuito está conduzindo uma carga de baixa impedância. Freqüentemente, um circuito sem ganho de tensão e apenas ganho de corrente é necessário para permitir que um circuito com uma saída de impedância relativamente alta acione outro circuito que tenha uma impedância mais baixa.Existem muitos exemplos disso: um oscilador de RF geralmente precisa de um estágio de buffer para garantir que o próprio circuito do oscilador não seja carregado indevidamente, mas uma saída é necessária para acionar outros circuitos. O ganho de corrente também é usado em circuitos de alimentação onde o elemento de passagem em série do regulador de tensão precisa fornecer níveis significativos de corrente, mas usando uma referência de tensão de baixa corrente. Existem muitos outros exemplos de onde o ganho de corrente é necessário.Como o ganho de tensão, o ganho de corrente de um circuito compara os níveis de entrada e saída, mas em termos de corrente. O ganho de corrente é igual à corrente de saída dividida pela corrente de entrada.
Impedância de entrada: A impedância de entrada de um circuito de transistor é sempre importante. Ele determina a carga no estágio anterior e também é importante em circuitos de RF onde o casamento de impedância é um parâmetro importante.Em muitos projetos de circuitos eletrônicos, uma alta impedância de entrada é desejável porque significa que o estágio anterior não é carregado indevidamente. Se a impedância de entrada do circuito do transistor for muito baixa, ele carregará o anterior, reduzindo o nível do sinal e possivelmente causando distorção em alguns casos. Configurar um estágio de transistor para fornecer a impedância de entrada correta é um elemento-chave do processo de projeto de circuito eletrônico.
Impedância de saída: A impedância de saída também é importante. Se o circuito do transistor estiver conduzindo um circuito de baixa impedância, sua saída deve ter uma baixa impedância, caso contrário, uma grande queda de tensão ocorrerá no estágio de saída do transistor e, em alguns casos, pode ocorrer distorção do sinal.Se a impedância de carga for baixa, normalmente é necessário um circuito com alto ganho de corrente e um formato de circuito adequado pode ser escolhido durante o processo de projeto do circuito eletrônico. Se uma impedância de saída mais alta for permitida, um circuito com um ganho de tensão mais alto geralmente é mais adequado.
Resposta de frequência: A resposta de frequência é outro fator importante que afetará o projeto do circuito do transistor. Projetos de circuitos de baixa frequência ou transistores de áudio são muito diferentes daqueles usados para aplicações de RF. Além disso, a escolha dos componentes eletrônicos dentro do circuito governa a resposta: os transistores, bem como os valores do capacitor e do resistor no projeto do circuito eletrônico, todos afetam a resposta de frequência.Na parte inicial do projeto do circuito, é necessário ter um requisito definido para a resposta de frequência necessária e, em seguida, o circuito pode ser projetado de acordo com o requisito.
Tensão e corrente de alimentação: Um dos principais parâmetros para qualquer circuito são os requisitos de energia em termos de tensão e corrente necessários. Dessa forma, pode-se garantir que a tensão correta seja fornecida com a capacidade de corrente necessária no estágio de projeto do circuito eletrônico.
Dissipação de potência: Outro parâmetro muito aliado à tensão e corrente fornecida ao circuito é a potência que é dissipada. Se a dissipação de energia for alta, pode ser necessário fazer arranjos para resfriar e geralmente remover o calor do circuito e, em particular, de quaisquer componentes eletrônicos que possam dissipar grandes quantidades de calor. Normalmente, este será o transistor, mas outros componentes também podem dissipar o calor.

Função do circuito do transistor

Existem muitas funções diferentes que os circuitos de transistor podem executar. Existem normalmente blocos padrão para as funções comuns como amplificador, oscilador, filtro, fonte de corrente, amplificador diferencial e uma série de outros.

Esses formatos de circuito padrão são amplamente utilizados e podem ser adotados e os valores dos componentes eletrônicos determinados durante o processo de projeto de circuito eletrônico.

Os circuitos geralmente seguem circuitos comprovados que são usados há muitos anos. Esses circuitos têm sido frequentemente usados com o antigo tubo de vácuo ou tecnologia de válvula termiônica e funcionam igualmente bem com transistores bipolares, bem como transistores de efeito de campo, FETs e, às vezes, até mesmo amplificadores operacionais.

O formato básico é adotado e os valores dos componentes eletrônicos são determinados para fornecer o desempenho necessário. Geralmente, isso requer um pouco de experimentação, mas atualmente o software de simulação de circuito é capaz de replicar com precisão a operação do circuito, de modo que os valores dos componentes eletrônicos possam ser otimizado para o desempenho e a funcionalidade necessários.

Configuração ou topologia do circuito do transistor

Qualquer que seja a função geral do circuito, também é necessário considerar a topologia no início do processo de projeto do circuito eletrônico.

Os circuitos de transistores podem ser projetados usando diferentes topologias, cada uma oferecendo características diferentes, principalmente em termos de impedância de entrada e saída.

Essas topologias de configurações são escolhidas de acordo com os requisitos de projeto do circuito eletrônico e incluem emissor comum, coletor comum ou seguidor de emissor e base comum.

Leia mais sobre . . . . Configurações/Topologias de circuitos transistorizados.

Processo de projeto de circuitos transistorizados

Existem vários estágios no processo de projeto do transistor. Normalmente, eles são obtidos em uma ordem lógica, mas geralmente há uma revisão dos diferentes estágios para otimizar os valores dos vários componentes eletrônicos para fornecer o desempenho geral necessário.

Determinar os requisitos: Determinar os requisitos reais é uma etapa importante e acertar isso significa que o conceito do circuito não mudará posteriormente.
Definir função e topologia do circuito: Uma vez que os requisitos gerais foram estabelecidos para o dispositivo eletrônico completo, é necessário decidir sobre o circuito do transistor real. Por exemplo, existem muitos circuitos osciladores, filtros, amplificadores, etc. para transistores e o tipo ideal pode ser escolhido para o requisito específico. Isso geralmente também define a topologia real do circuito, ou seja, o uso de emissor comum, coletor comum, base comum, mas, se não, isso pode fazer parte da tomada de decisão geral neste momento, porque o carregamento nos osciladores, ganho, impedância de saída e similares pode ser considerado neste momento.
Configure as condições de polarização: Em qualquer circuito, uma das principais características do projeto do circuito eletrônico é garantir que os níveis de polarização para os dispositivos ativos: neste caso, os transistores bipolares sejam configurados corretamente. Se a polarização estiver incorreta, o circuito do transistor não funcionará. Determinar os valores dos componentes eletrônicos (principalmente os resistores) que definem o bias é uma das principais etapas do projeto.
Determine os valores dos componentes eletrônicos funcionais: Além de definir as condições de polarização, os valores dos outros componentes eletrônicos para fornecer a funcionalidade do circuito precisam ser determinados. Esta parte do processo de projeto de circuito eletrônico continua junto com a definição das condições de polarização, pois os valores de um afetarão o outro e vice-versa.
Revise os valores dos componentes eletrônicos para polarização e função: Com os valores do circuito definidos, sempre há uma pequena iteração necessária para equilibrar os requisitos de polarização e funcionalidade geral do circuito. É provável que haja alguma iteração em torno desse processo.
Circuito de teste: Testar o circuito é um elemento-chave de qualquer projeto. Freqüentemente, muitos laboratórios têm software de simulação de circuito e, portanto, o circuito pode ser simulado antes de ser construído para remover a maioria dos problemas. No entanto, o teste final é construir e executar o circuito em condições o mais próximo possível das condições operacionais.
Retrabalhar e modificar: Muitas vezes será necessário modificar o circuito eletrônico. Se isso for necessário, ele é retrabalhado e testado com os novos valores de componentes eletrônicos, layout, etc.

Estes representam alguns dos principais parâmetros de circuito necessários para um projeto de circuito de transistor. O conhecimento desses parâmetros pode reger a escolha da configuração do circuito e certamente regerá a determinação dos valores dos componentes e muitos outros fatores.

Assim, é necessário conhecer os parâmetros que regem a operação do circuito do transistor antes que o projeto possa ser iniciado.

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