Feedback e compensação

O objetivo básico da rede de polarização é estabelecer relações de tensão e corrente coletor-base-emissor no ponto operacional do circuito (o ponto operacional também é conhecido como ponto quiescente, ponto Q, ponto sem sinal, ponto inativo, ou ponto estático). Visto que os transistores raramente operam neste ponto Q, as redes de polarização básicas são geralmente usadas como referência ou ponto de partida para o projeto.

A configuração real do circuito e, especialmente, os valores da rede de polarização são selecionados com base nas condições do circuito dinâmico (oscilação de tensão de saída desejada, nível de sinal de entrada esperado, etc.) Uma vez que o ponto operacional desejado é estabelecido, a próxima função da rede de polarização é para estabilizar o circuito do amplificador neste ponto. A rede de polarização básica deve manter as relações de corrente desejadas na presença de mudanças de temperatura e fonte de alimentação e possível substituição do transistor.

Em alguns casos, as alterações de frequência e as alterações causadas pelo componente novamente também devem ser compensadas pela rede de polarização. Este processo é geralmente conhecido como estabilização de polarização. A estabilização de polarização adequada manterá o circuito do amplificador no ponto operacional desejado (dentro dos limites práticos) e evitará o descontrole térmico.

Fator de estabilidade 'S'

É definida como a taxa de variação da corrente de coletor em relação à corrente de saturação reversa, mantendo β e V _BE constantes. É expresso como

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

Métodos de estabilização de polarização

O método de tornar o ponto operacional independente das mudanças de temperatura ou variações nos parâmetros dos transistores é conhecido como stabilization. Existem vários esquemas para fornecer estabilização de polarização de amplificadores de estado sólido. Todos esses esquemas envolvem uma forma de feedback negativo. Ou seja, qualquer estágio nas correntes do transistor produz uma tensão correspondente ou mudança de corrente que tende a contrabalançar a mudança inicial.

Existem dois métodos fundamentais para produzir feedback negativo, feedback de tensão inversa e feedback de corrente inversa.

Feedback de tensão inversa

A figura a seguir mostra a rede de polarização de tensão inversa básica. A junção emissor-base é polarizada para frente pela tensão na junção de R ₁ e R ₂ . A junção base-coletor sofre polarização reversa pelo diferencial entre as tensões no coletor e na base.

Normalmente, o coletor de um amplificador de resistência acoplada está a uma voltagem cerca de metade daquela do Resistor de alimentação (R ₃ ), conectado entre o coletor e a base. Como a tensão do coletor é positiva, uma parte dessa tensão é realimentada para a base para suportar a polarização direta.

A polarização direta normal (ou ponto Q) na junção emissor-base é o resultado de todas as tensões entre o emissor e a base. À medida que as correntes de colector aumenta, uma queda de tensão maior é produzido através de R _L . Como resultado, a tensão no coletor diminui, reduzindo o feedback de tensão para a base por meio de R ₃ . Isso reduz a polarização direta da base do emissor, reduzindo a corrente do emissor e baixando a corrente do coletor para seu valor normal. Como há uma diminuição inicial na corrente do coletor, ocorre uma ação oposta e a corrente do coletor é elevada ao seu valor normal (ponto Q).

Qualquer forma de feedback negativo ou inverso em um amplificador tende a se opor a todas as mudanças, mesmo aquelas produzidas pelo sinal sendo amplificado. Este feedback inverso ou negativo tende a reduzir e estabilizar o ganho, bem como a mudança indesejada. Este princípio de estabilização de ganho por meio de feedback é usado em mais ou menos todos os tipos de amplificadores.

Feedback de corrente inversa

A figura a seguir mostra uma rede de polarização de corrente inversa distinta (emissor-feedback) usando um transistor NPN. O feedback de corrente é mais comumente usado do que o feedback de tensão em amplificadores de estado sólido. Isso ocorre porque os transistores são principalmente dispositivos operados por corrente, em vez de dispositivos operados por tensão.

O uso de uma resistência de feedback do emissor em qualquer circuito de polarização pode ser resumido da seguinte maneira: A corrente da base depende do diferencial de tensão entre a base e o emissor. Se a tensão diferencial for reduzida, menos corrente de base fluirá.

O oposto é verdadeiro quando o diferencial é aumentado. Toda a corrente fluindo pelo coletor. A tensão cai no resistor do emissor e, portanto, não é totalmente dependente. Conforme a corrente do coletor aumenta, a corrente do emissor e a queda de tensão no resistor do emissor também aumentam. Este feedback negativo tende a diminuir o diferencial entre a base e o emissor, diminuindo a corrente de base. Por sua vez, a corrente de base inferior tende a diminuir a corrente do coletor e contrabalançar o aumento da corrente do coletor inicial.

Compensação de polarização

Em amplificadores de estado sólido, quando a perda de ganho de sinal é intolerável em uma aplicação particular, técnicas de compensação são freqüentemente usadas para reduzir o desvio do ponto de operação. A fim de fornecer polarização máxima e estabilização térmica, os métodos de compensação e estabilização podem ser empregados juntos.

A figura a seguir mostra a técnica de compensação de diodo que utilizou a compensação de diodo e a estabilização de polarização automática. Se o diodo e o transistor forem do mesmo tipo, eles terão o mesmo coeficiente de temperatura em todo o circuito. Aqui, o diodo é polarizado diretamente. KVL para o circuito dado pode ser expresso como -

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

É claro a partir da equação acima que $ V_ {BE} $ segue VO wrt temperatura e Ic não terá efeito sobre as variações em $ V_ {BE} $. Este é um método eficaz para cuidar do ponto de operação do transistor devido à variação em $ V_ {BE} $.

Dispositivo de Compensação de Temperatura

Também podemos usar algum dispositivo sensível à temperatura para compensar as variações das características internas do transistor. O termistor tem coeficiente de temperatura negativo, o que significa que com o aumento da temperatura, sua resistência diminui exponencialmente. A figura a seguir mostra um circuito que usa termistor (R _T ) para reduzir o aumento da corrente do coletor devido à mudança em $ V_ {BE} $, ICO ou β com a temperatura.

Quando a temperatura aumenta, R _T diminui e a corrente alimentada por R _T em R _E aumenta. A queda de tensão de ação através de R _E está na direção oposta para polarizar o transistor. R _t age de modo a tender para compensar o aumento da IC, o que aumenta, devido ao aumento da temperatura.