Conceito de Capacitância de Junção
Em transistores bipolares de junção (BJTs), existem duas capacitâncias principais: a capacitância entre a base e o emissor (Cbe) e a capacitância entre o coletor e a base (Ccb). Essas capacitâncias, também chamadas de capacitâncias de junção, limitam a resposta de alta frequência do transistor e podem introduzir distorções no sinal. A distorção ocorre porque essas capacitâncias não são fixas, mas variam conforme a tensão aplicada sobre as junções.
Modelo de Capacitor para as Regiões de Junção
Podemos pensar nas regiões da base, emissor e coletor de um transistor como as placas de um capacitor, separadas por regiões não condutoras. A base está separada do emissor pela junção base-emissor e do coletor pela junção base-coletor. Cada uma dessas junções possui uma capacitância associada, independentemente de estarem polarizadas diretamente (polarização direta) ou inversamente (polarização reversa).
Essa característica de armazenar carga é fundamental para entender a capacitância de junção. Em uma junção polarizada reversamente, forma-se uma região de depleção que se assemelha ao espaço entre as placas de um capacitor. Com o aumento da tensão reversa, a região de depleção se expande, aumentando a separação efetiva das “placas” e, consequentemente, reduzindo a capacitância.
Comportamento da Capacitância com a Polarização Reversa
O comportamento da capacitância de junção é influenciado principalmente pela junção base-coletor (Ccb), pois, em condições normais de operação, essa junção está polarizada reversamente. À medida que a tensão reversa sobre a junção aumenta, a região de depleção se expande, e a capacitância diminui. Esse fenômeno faz com que a capacitância Ccb varie conforme a tensão aplicada entre a base e o coletor.
Já a junção base-emissor (Cbe) geralmente está polarizada diretamente em operação normal, o que faz com que a capacitância nessa junção seja relativamente alta e menos influenciada pela tensão aplicada. Essa diferença entre Ccb e Cbe torna a capacitância da junção base-coletor especialmente relevante em circuitos de alta frequência, onde a variação da capacitância com a tensão pode afetar o desempenho do circuito.
Aplicações e Efeitos da Capacitância Variável
A variação da capacitância de junção com a tensão reversa é explorada intencionalmente em dispositivos como os diodos varicap (ou varactores). Nos varactores, a capacitância da junção varia com o ajuste da tensão reversa, permitindo que sejam usados para sintonizar circuitos eletronicamente. Esse efeito é útil em sistemas de rádio, onde é preciso ajustar a frequência de ressonância.
No entanto, em amplificadores de áudio, essa característica de capacitância variável é indesejável. A capacitância Ccb, que depende da tensão de sinal, introduz uma não linearidade que afeta a banda de frequência e o ganho em altas frequências. Isso causa distorção no sinal, reduzindo a qualidade sonora. Esse efeito de capacitância variável é mais pronunciado em transistores de potência, que tendem a ter capacitâncias de junção maiores do que os transistores de pequenos sinais.
Exemplo Prático: Capacitância em Transistores de Pequeno Sinal
Para entender melhor os valores de capacitância de junção em transistores, podemos examinar o transistor NPN de pequeno sinal 2N5551. Esse transistor possui uma capacitância base-coletor (Ccb) que varia de 5 pF com polarização reversa de 0 V (Vcb) até aproximadamente 1 pF a 100 V de polarização reversa. Em comparação, a capacitância base-emissor (Cbe) varia de 17 pF a 0,1 V de polarização reversa até 10 pF a 5 V de polarização reversa.
É importante notar que, no modo de operação típico, a junção base-emissor está polarizada diretamente, o que faz com que essa capacitância seja mais elevada e menos variável. Em transistores de potência, essas capacitâncias de junção são, geralmente, de uma ordem de grandeza maior que as dos transistores de pequeno sinal, o que faz com que o impacto da capacitância variável na distorção e na resposta em alta frequência seja ainda mais significativo.
Impacto na Performance de Amplificadores e Soluções Práticas
A capacitância de junção, especialmente a capacitância base-coletor (Ccb), impacta diretamente o desempenho de amplificadores, reduzindo a resposta em altas frequências e introduzindo distorções no sinal de áudio devido à sua variação com a tensão de sinal. Essa variação na capacitância cria uma não linearidade, já que o ganho de alta frequência de um estágio amplificador não permanece constante. Essa característica indesejada pode causar alterações perceptíveis na qualidade do áudio, prejudicando a fidelidade sonora, especialmente em amplificadores de áudio de alta qualidade.
Para mitigar esses efeitos, algumas técnicas são aplicadas em projetos de amplificadores. Uma delas é o uso de transistores de pequeno sinal com capacitância de junção reduzida em estágios onde a alta frequência e a linearidade são críticas. Em amplificadores de potência, o uso de circuitos de compensação e feedback ajuda a reduzir os efeitos da capacitância variável, promovendo uma resposta de frequência mais estável e linear.
Referências
- Cordell, Bob. Designing Audio Power Amplifiers. Este livro oferece insights técnicos avançados sobre o impacto da capacitância de junção e outros fatores nos projetos de amplificadores de áudio.
Sobre o Autor
