Degeneração de emissor

Algo que muito se ouve falar, mas pouco explica-se, é como funciona a degeneração de emissor em amplificadores com transistores e qual a relação disso tudo com realimentação.

No post anterior (Teoria: Transistor e amplificador de transcondutância) vimos o modelo de transistor de Ebers-Moll.

Neste post vemos como a degeneração de emissor realiza realimentação no transistor.

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Degeneração de emissor e realimentação

Quando falamos de degeneração de emissor estamos interessados na resistência RE presente no emissor do transistor e como ela afeta o amplificador.

No post anterior, vimos que o transistor é um amplificador com características não-lineares, ou seja, a saída não é proporcional a entrada.

Para reduzir este problema, utilizamos um resistor de degeneração no emissor. Este resistor serve como realimentação negativa. Ele amostra a corrente de saída, convertendo ela em uma tensão que é subtraída da entrada.

Dessa forma, considerando o ganho de realimentação H é igual a resistência de emissor.

Assim, quando o transistor está operando com ganho G alto teremos que o ganho realimentado Gf será aproximadamente 1/RE.

Ou seja, se você aumentar a tensão de base em teremos na saída uma variação de corrente aproximadamente .

No entanto, quando a tensão de base está abaixo ou próxima de 0,6 V o ganho do transistor é extremamente baixo! E não observaremos a relação linear acima.

Por isso, quando projetamos amplificadores com transistores polarizamos o transistor para que a tensão de base seja consideravelmente alta em relação a tensão base-emissor de condução (geralmente VB = 2VBEon) para que haja uma queda de tensão no resistor de emissor e manter o transistor no modo ativo mesmo com um sinal extra aplicado na base por acoplamento capacitivo.

Gráfico do ganho do transistor

No gráfico acima podemos ver o ganho do transistor sem (em azul) e com (em verde) degeneração do emissor de 1000Ω. Assim como o ganho sem realimentação, o ganho realimentado fica praticamente em zero quando a tensão de base é menor que 0,5 V e passa a aumentar a partir dali.

No entanto, enquanto o ganho sem realimentação cresce exponencialmente, o ganho realimentado passa a ser controlado pela realimentação do resistor de degeneração. A partir da tensão de base de 1 V o ganho realimentado é cerca de 0,48 mA/V e para tensão de base de 2,5 V é cerca de 0,78 mA/V. Podemos ver que, mesmo com a tensão de base em 2,5V o ganho realimentado alcança apenas 78% do valor de 1 mA/V (1/RE).

Apesar de ainda não ser muito linear, o transistor com degeneração de emissor é muito mais linear que o apenas o transistor, especialmente se a polarização utilizar um ponto de operação em que o ganho realimentado é aproximadamente constante.

Código para o gráfico

Este é o código MATLAB/OCTAVE para gerar o gráfico.

% MATLAB/OCTAVE
% Código para gerar o gráfico de ganhos
%   de malha aberta    G=(iC/vBE) vs vBE
%   e de malha fechada Gf=(iC/vB) vs.vB

is = 1e-12; % 1pA
vt = 0.026; % 26mV
vbe = (0 : 0.01 : 0.8); % 0 até 0,8V
ic = is * (exp(vbe / vt) - 1);
G = ic./vbe; % Ganho de malha aberta

RE = 1000; % Resistor de emissor [Ohm]

ve = ic * RE; % Tensão de emissor
vb = ve + vbe; % Tensão de base

Gf = ic./vb; % Ganho de malha fechada

% Plot
figure(1)
xCoordMax = 2.5;

subplot(2,1,1)
plot(vbe,G, vb,Gf)
axis([0 xCoordMax 0 1/RE])
grid on
xlabel('v_B [V]')
legend({
  'G = i_C/v_{BE} ganho do transistor',
  'Gf = i_C/v_B ganho realimentado'
}, 'location','southeast')

subplot(2,1,2)
plot(vb,vb, vb,vbe)
axis([0 xCoordMax 0 1.2])
grid on
xlabel('v_B [V]')
legend({
  'v_B',
  'v_{BE}'
}, 'location','northeast')

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