Eletrônica
Aula 07
CIN-UPPE
Amplificador básico
Amplificador básico
– É um circuito eletrônico, baseado em um componente ativo,
como o transistor ou a válvula, que tem como função amplificar
um sinal de entrada e suas variações (corrente e tensão). Esta
amplificação será refletida em uma carga Rc, de onde o sinal
amplificado é retirado.
http://myspace.eng.br/eng/ampclas1.asp#clas_a
Amplificador básico
R1, R2, R3 são usados para polarização do transistor
Sinal de
entrada
Polarização Sinal efetivo
em N
Filtra sinal DC
C1, atua como filtro, para evitar que
variações de corrente em R3 na freqüência
de operação do circuito.
Componente DC e CA
Amplificador básico
Amplificador com transistor
– Polarização CC
– Acoplamento CA
Após a polarização do transistor no ponto Q, próximo ao centro da reta
de carga, podemos aplicar uma tensão CA na base do transistor.
Esta tensão é amplificada e aparece no coletor do transistor com a
mesma forma da onda da base.
VCC
C2 RL
RG
C1
CE
Acoplamento com capacitor
O capacitor em circuitos que trabalham com sinais AC podem
ser usados para duas funções básicas:
– Permite que apenas os sinais CA sejam transmitidos pelo circuito
amplificador.
– Curto circuitar sinais CA acima de determinada freqüência. (filtro).
Esta característica está diretamente associada ao valor de sua
reatância capacitiva:
XC = 1/2πfC
Esta fórmula mostra que a reatância é inversamente
proporcional ao valor da freqüência. Ou seja, quanto maior for a
freqüência menor será a reatância capacitiva.
Assim:
Para sinais DC os capacitores funcionam como circuitos
abertos.
Para sinais CA, em alta freqüência, os capacitores
funcionam com curto-circuito.
Acoplamento com capacitor
Função do capacitor
– Em baixa freqüência o capacitor atua como um circuito aberto
• I=0
– Em alta freqüência o capacitor conduz, deixando passando a
componente alternada do sinal (CA)
• I = VG/(RG+R2)
• Está corrente é a corrente máxima que pode circular no
circuito, se considerando que a reatância capacitiva tende a
zero em alta freqüências.
I
VG
Acoplamento com capacitor
Em um circuito CA o valor do capacitor deve ser tal, que o
mesmo deve agir como curto (valor relativo pequeno de
resistência) na menor freqüência de operação desejada.
– Exemplo:
• Se desejamos amplificar sinais de 20 a 20 KHz, devemos
dimensionar o capacitor para que ele funcione como curto
circuito a partir de 20 Hz.
– O capacitor neste estágio deve interferir o mínimo possível na
corrente do circuito (trabalhar em curto – circuito). Isto significa
que sua reatância capacitiva deve ser baixa. Em geral, este valor,
deve ser no máximo 10% do valor da resistência da malha:
XC < 0,1 (RG+R2)
Acoplamento com capacitor
Corrente no circuito RC:
I = VG/√ (R2+XC2)
– Para XC < 0,1 R
– Com R = RG+R2
I = VG/√ (R2+0,1R2)
– I = VG/√ 1,01R2 =>
I = 0,995 VG/R
– Esta corrente é apenas 1% menor que a corrente máxima
do circuito, dada por I = VG/R, afetando o mínimo o
comportamento do circuito. Assim, podemos tratar um
capacitor como em curto-circuito quando sua reatância for
pelo menos 10 vezes menor que a resistência total do
circuito.
Acoplamento com capacitor
Freqüência crítica e de quina
Freqüência crítica – é a freqüência onde a reatância do
capacitor é igual a resistência total do circuito. Esta freqüência é
chamada de freqüência de quebra (break frequency).
– XC = R, onde R = RG+R2
Tensão no capacitor
fc
– Neste caso, a corrente I = 0,707 I máx
– A freqüência neste ponto, a freqüência crítica, é dada por:
fc = 1/2πRC
Acoplamento com capacitor
Freqüência crítica e de quina
Freqüência de quina é a freqüência no circuito (fh), na qual o capacitor
se comporta como um curto circuito.
fh > 10 fc
Acima desta freqüência de quina, a corrente de carga está dentro de
1% de seu valor máximo.
Capacitor de desvio (bypass)
Neste tipo de circuito, o capacitor é colocado em paralelo com o
resistor.
O efeito prático deste circuito é desviar a corrente do resistor
em freqüências altas, através do efeito de curto-circuito, criando
um terra virtual. Neste caso, a tensão sobre o resistor cai para
zero (em altas freqüências).
Terra CA
A alta freqüência de quina:
fh > 10 fc
Amplificador básico
Amplificador com transistor
– Exemplo:
Análise
– Modelo CC
– Modelo CA
VCC
C2 RL
RG
C1
CE
Análise CC – Polarização do transistor
Para se fazer a análise CC é necessário:
– Eliminar as fontes CA.
– Abrir todos capacitores (freqüência zero)
– Análise do circuito equivalente cc.
VCC
Objetivo da polarização CC:
- Colocar o transistor em uma região de operação
adequada, mantendo parâmetros de amplificação
como iC, VCE, iE, estáveis, o mais independentes
possível dos parâmetros de fabricação
(β) ou
que afetam o funcionamento do
transistor
(ex. temperatura).
BJT – Polarização com divisor de tensão
Equivalente Thevenin
Encontrar VBB e RBB
Tensão na base
Resistência equivalente
IB
VBB
Considerando: IE≈ IC ≈ βIB
IB deve ser pequena para não afetar a polarização
Polarização com realimentação
Em geral, devemos escolher um valor RB << β RE para termos uma
condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente
do coletor, e conseqüentemente VCE, independam (muito) do ganho do
transistor, assim:
a) IB≈ (VBB – VBE)/ βRE
b) IC≈ IE ≈ (VBB – VBE)/ RE
c) VCE = VCC-IC(RC+RE ) => VCE = VCC-(RC+RE ).(VBB – VBE)/ RE
d) VBB ≈ VBE+IERE , neste caso IE ≈ IC ≈ constante no ponto de operação Q
Análise CC
Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (RE)
VBB = RBIB+VBE+IERE
constante
constante
Se IC ≈ IE aumenta, então VE = REIE também aumenta, mas desde
que VBB e RB não mudam na malha BE, IB deveria diminuir, reduzindo
assim o valor de IC para seu valor original de projeto.
Se IC diminui IB aumenta e aumentará IC.
Análise CC
Observação importante na polarização do transistor:
– De fato VBE oscila um pouco e pode mudar de 0.6 V a 0.8V e assim
devemos garantir que IERE seja bem maior que as oscilações em
VBE.
– As mudanças em VBE são em geral em torno de 0.1 V, assim
deveríamos considerar que em circuitos CC, VE = IERE >> 0.1V, ou
seja:
VE > 10x 0.1V = 1V
Exemplo CC
Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5.0 mA e
VCE = 7.5 V. Considere β entre 100 e 400.
Q (ponto de operação)
Análise
Encontrar VCC, RC, RE, R1, R2
Encontrar VCC
– Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga:
• VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V
Encontrar RC e RE
–Encontrar equação de tensão da malha CE
+15V
•VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3)
RC+RE = 1.5K Ω
= 1.2 KΩ
Ω
• A escolha é livre, mas devemos assegurar que
VE=IE.RE > 1V
Assim, RE > 1/IE . Como IE ≈ IC, RE > 200 Ω
Se fizermos
RE = 220 Ω, RC= 1.2K Ω
= 220 Ω
Análise CA
Para se fazer a análise CA é necessário:
– Eliminar as fontes DC.
– Curto-circuitar todos os capacitores
– Combinar os resistores, R1, R2, substituindo-os pelo seu
equivalentes (RB), substituindo-o pelo seu modelo de pequeno
sinal.
R1
R2
R4
RL
Operação em pequeno sinal
O ponto de operação de um amplificador (ponto Q) é
importante, desde que este representa o ponto de
funcionamento DC do amplificador.
Q (ponto de operação)
IE
Q (ponto de operação)
VBE
Distorção da onda
(indesejável p/amplificadores de alta fidelidade)
Operação em pequeno sinal
Como reduzir a distorção da onda na saída?
– Uma forma seria redução da tensão na base, o que reduziria o
movimento do ponto de operação instantâneo. Quanto menor for a
excursão ou a variação, menor será a curvatura que aparece no
gráfico.
– Se o sinal for suficientemente pequeno, o gráfico terá uma
aparência linear.
Uma regra prática estabelece que a corrente de CA pico a pico no
emissor deve ser em torno de 10% do valor CC do emissor.
– Esta regra não elimina em todo a distorção, mas reduz a níveis
aceitáveis para a maioria das aplicações.
IE
Q (ponto de operação)
Menos distorção
VBE
Resistência CC e CA
Resistência CC no transistor:
– RCC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a
corrente de operação do transistor.
• Exemplo para IE = 1mA, RCC = 0,7V/1 mA = 700Ω
Resistência dinâmica CA do transistor:
– Esta resistência é a variação da tensão base-emissor dividida pela
variação de corrente no emissor.
– RCA = ∆VBE/ ∆IE
• Exemplo para ∆VBE = 1m V e ∆IE = 40 µA,
– RCA = 1mV/40 µA = 25Ω
Regra prática:
– A resistência CA aplicada a todos os transistores varia de acordo
com a temperatura de operação do transistor. Para 25 oC:
RCA = 25mV/ IE ou r´e = 25mV/IE a 50 mV/ IE
– Esta equação se baseia em uma junção base-emissor perfeita e
depende da temperatura de operação do transistor.
– Este efeito resistivo ocorre dentro do transistor.
Ganhos de corrente CC e CA
Ganho de corrente CC
– βCC= IC/IB (hFE)
Ganho de Corrente CA
– β= ∆ IC/ ∆ IB ou β= ic/ib (hfe)
Exemplo - Amplificador Emissor Comum
Características:
– Inversão de fase em 180o entre os sinais de entrada e saída
– O capacitor de saída bloqueia a tensão CC
– Não deve há tensão CA no emissor na freqüência de trabalho
– Não há tensão CA na fonte de alimentação devido ao filtro da
fonte.
VCC
C2 RL
RG
C1
CE
Inversão de fase (180o)
Análise CA
Para se fazer a análise CA é necessário:
zent (base)
ib
R1
R4
R2
RL
vb
R1 e R2 estão em paralelo
A impedância CA de entrada vista pela base é dada por:
zent (base) = vb/ib (variação de tensão e corrente de base)
Modelo T – análise CA
Junção T abaixo é uma foram de visualizar o interior do transistor.
ic
RG
vc = ic.rc
ib
vb
r´e
R1 || R2
ie
vb
Ie = vb/r´e
Resistência interna do transistor
RC || RL
Modelo II – análise CA
Este modelo CA do transistor é chamado modelo II porque ele se
parece com um II.
RG
ib
ic
VG
R1 || R2
βr´e
RC || RL
vb
-Impedância de entrada zent (base) = vb/ib , onde:
Vb = ie. r´e .
-Assim:
- zent (base) = ie. r´e /ib onde ie /ib ≈ β (CA), daí:
zent (base) = β r´e
Impedância de entrada do estágio amplificador:
zent = R1 || R2 || β r´e
Amplificador para pequenos sinais
exemplo
Características:
– Um amplificador, sem ou com realimentação, deve ser capaz de
reproduzir sinais com a máxima fidelidade, distorcendo o mínimo
possível o sinal de entrada.
– O amplificador é em geral pouco eficiente no que diz respeito a
energia necessária para amplificação do sinal. Apenas uma
pequena parte da potência DC é usada para amplificação. O limite
teórico à eficiência deste amplificador é em geral algo em torno de
50%, ou seja, para cada watt da saída usamos 2 watts d.c. na
entrada.
Amplificador classe A - exemplo
Amplificador Classe A com o transistor 2N2222
–
–
–
–
–
–
Identificação - É um tipo de transistor NPN de propósito geral
Potência - 0.5W (capaz de dissipar 500mW)
Vce - 40V (não usar acima de 20V)
Ic - 0.8A (máxima)
hfe – 75 (fator de amplificação de 75) (ganho DC)
Ft - 250 MHz
Transistor 2N2222
Amplificador classe A - exemplo
Considerações:
– Tensão de alimentação de 12 V
– Transistor 2N2222
0.68
68
2N2222
68
Amplificador classe A – Análise DC
Análise DC
– Cálculo da tensão de base
– Cálculo da corrente de base
– Cálculo da impedância de entrada
Tensão de base
[R2/(R1 + R2)] * 12V = Base voltage (d.c.)
Se usamos 82KΩ for R1 e 39K Ω for R2 nós obteremos uma
tensão de base de
[39K/(82K + 39K)] * 12V = 3.87V (d.c.)
Corrente de base (em torno de 1/10 a corrente do divisor de tensão)
Ib = 12/ (R1 + R2) = 0.1 mA / 10 = 0.01 mA
Amplificador classe A – Análise DC
Corrente de emissor (Ie)
– A corrente do emissor ≈ corrente do coletor é dada por:
Ie ≈ IC ≈ β. Ib = 75* 0.01mA = 0.75 mA (ver datasheet)
Tensão no emissor (Ve)
– A tensão na base é superior em 0.7 V a tensão do emissor. Assim,
a tensão no emissor é de 3.87 - 0.75 = 3.12 V
Resistência do emissor (Re)
Re = 3.12/.00075A = 4160 Ω (4K7)
Amplificador classe A – Análise DC
Corrente de coletor (Ic)
– A corrente do coletor é aproximadamente igual a do emissor.
Neste exemplo Ie = 0.75 mA
Tensão no coletor (Ve) (considerar um bom ponto de operação)
Vc = Vcc - (Ic * RL) onde RL é de fato R4, ou seja,
Vc = 12V - (0.00075A * R4) => Vc = 7.24 V
Resistência do coletor (carga) (Rc) ?
Rc deveria ser tal que colocasse o transistor numa boa posição na
região ativa do transistor.
Neste caso R4 = 6K8 Ω.
Amplificador classe A – Análise CA
Faixa de operação do circuito amplificador:
– 300 a 3000 Hz
Cálculo do capacitor de desacoplamento
– XC < 0,1 R, ou seja, XC < 2,6 KΩ
Vamos considerar XC ≈ 1000 Ω
– Assim:
– Para freqüência de 300 HZ
– XC = 1/2πfC => C ≈ 1/(2πf. XC) => C ≈ 0.53 µF
– Considerando esta capacitância, p/3000 Hz
– XC = 100 Ω
Amplificador classe A – Análise CA
Capacitor do emissor (bypass)
– Este capacitor deve ser tal, que o emissor deve ir o terra (0V) para
tensões CA.
• Este capacitor bypass (C2 ) deve ter o mesmo valor que C1 e
C3.
Impedância de entrada
Z(ent) ou R(ent) = βr´e = β.25mV / Ie
β = hfe = 120
Z(ent) = [25 * 120] / 0.7 (mA) = 3K Ω
Amplificação CA - exemplo
Considerando:
– Beta = 120
– Tensão de entrada de 10 mV (CA)
Teremos:
– Corrente de base (Ib) = 3.3 µA
– Corrente de coletor = 120* Ib = 396 µA.
A corrente amplificada do coletor, IC (CA) passa através de
resistor de carga R4 (6K8 Ω).
– Usando lei de Ohm temos que a tensão no coletor pode ser dada
por 396uA * 6800 = 2.7volts (CA)
O ganho de tensão do pequeno sinal:
Vbase/VC = 2.7/.01 ou 270
Amplificação CA - exemplo
Circuito Final
7.24 V (DC)
2.7 V (CA)
0.68
68
2N2222
10 mV (CA)
68
Transistor 2N2222
2N2222
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/loadline.html
2N2222
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/loadline.html