eletronica geral ii - parte 1 - amplificadores - 2014
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Amplificadores: ConceitosDisciplina: Eletrônica Geral II
Prof. Roberto Soldi2014 - I
2
Conceitos
Amplificador: recebe um sinal de entrada, aumenta sua amplitude (o amplifica) e fornece um sinal de saída para um outro estágio ou um transdutor.
Importante: o sinal de saída deve ser uma réplica exata do sinal de entrada no que diz respeito àforma de onda do sinal (a diferença entre a entrada e a saída deveria ser apenas a amplitude).
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Conceitos
Tipos:Amplificador de tensãoAmplificador de potênciaAmplificador de corrente
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Conceitos
Classes:Classe AClasse BClasse ABClasse CClasse DOutras
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Conceitos
Tipo de Sinal:ÁudioRFVídeo
Implementação:Componentes discretos *Integrados
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Conceitos
Transistores Bipolares de Junção
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Conceitos
Identificação dos terminais
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Conceitos
Princípio de funcionamento
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Conceitos
Alfa e Beta
O alfa de um transistor é a relação entre a corrente de coletor ( IC ) e a corrente de emissor ( IE ), com a tensão entre a base e o coletor ( VCB ) constante.
O beta de um transistor é a relação entre a corrente de coletor ( IC ) e a corrente de base ( IB ) com a tensão entre o coletor e o emissor ( VCE ) constante.
Aula Pratica
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ConceitosLinearidade de um amplificador: Faz com que o sinal de saída do amplificador seja uma réplica exata do sinal de entrada, embora com maior amplitude.
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Conceitos
Símbolos utilizados:
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Conceitos
Ganho de tensão:
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Conceitos
Ganho de Potência:
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Conceitos
Rendimento:
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Conceitos
Amplificador Classe A
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Conceitos
Amplificador Classe B
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ConceitosSaturação do amplificador:
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Conceitos
Polarização:
Para obter amplificação linear: Polarização do circuito, que consiste na aplicação de uma corrente contínua de modo que o circuito funcione no centro da reta de carga.
Ponto Q: ponto de funcionamento estático (ou de quiescência).
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Polarização
CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO EM EMISSOR COMUM
A principal desvantagem deste circuito é a sua susceptibilidade à variação do βCC.
Em circuitos digitais, com o uso de βCC(sat), isto não éproblema.
Mas em circuitos que trabalham na região ativa, o ponto de operação varia sensivelmente com o βCC.
Exemplo:No circuito ao lado determine a tensão VCE e a corrente IC.Considere β = 100
+12V+5V
390Ω33K
Polarização
Exemplo 1:No circuito ao lado determine a tensão VCE e a corrente IC.Considere β = 1001: Ib = (5 – 0,7) / 33K = 0,13 mA2: Ic = β x 0,13 mA = 13 mA3: Vrc = 390 x 13mA = 5,1 V4: Vce = 12 – 5,1 = 6,9 V
+12V+5V
390Ω33K
Polarização
IcIb
Ib = 0,13 mAIc = 13 mAVce = 6,9 V +12V+5V
390Ω33K
Polarização
IcIb
Ic sat = 30 mA
Exemplo 2:No circuito ao lado determine a tensão VCE e a corrente IC.Considere β = 200
1: Ib = (5 – 0,7) / 33K = 0,13 mA2: Ic = β x 0,13 mA = 26 mA3: Vrc = 390 x 26mA = 10,1 V4: Vce = 12 – 10,1 = 1,9 V
+12V+5V
390Ω33K
Polarização
IcIb
Ib = 0,13 mAIc = 26 mAVce = 1,9 V +12V+5V
390Ω33K
Polarização
IcIb
Ic sat = 30 mA
Exercício:No circuito ao lado encontre o valor de R2 para Vce ≈ 6Volts.β = 100
Polarização
Solução:1: Se Vce = 6V, então VRC = 6V. 2: Ic = 6 / 560 = 10,7 mA3: Ib = 10,7 / 100 = 0,107mA4: VR2 = 12 – 0,7 = 11,3V5: R2 = 11,3 / 0,107mA ≈ 105K
Polarização
Solução:Vce = 6V Ic = 10,7 mAIb = 0,107mA
Polarização
Ib
Ic
Icsat = 21,4 mA
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Polarização
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO
A principal evolução do circuito em relação ao polarização por base é de fixar uma tensão na base, via os resistores R1 e R2.
O valor de Ic deve ser bem maior que IB para a corrente IB não influenciar na tensão sob R2.
Como regra prática, considerar a corrente Ic 20 vezes maior que IB.
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Polarização
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO
REGRAS PARA ANALISE DE CIRCUITO:
1) Supor Ic>> IB
R22) VR2 = ---------------- VCC
R1 + R2* a tensão VR2 não depende de βCC
VR2 - VBE 3) IE = ---------------
RE
30
Polarização
POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO
4) VCC = IC (RC + RE) + VCE
VCC - VCE 5) IC = -----------------------
(RC + RE) * βCC não aparece na equação
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Polarização
Exemplo: Encontre o VB, VE, VCE e IE para o circuito ao lado.
Aplicando a regra 2:
R22) VR2 = ---------------- VCC
R1 + R2
1KVR2 = ----------- * 30 = 3,85V
6K8 + 1K
VR2 = VB = 3,85
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Polarização
Aplicando a regra 3:
VR2 - VBE 3) IE = ---------------
RE
3,85 - 0,7IE = ------------ => IE = IC = 4,2 mA
750
VE = IE RE = 4,2m*750 => VE= 3,15V
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Polarização
Aplicando a regra 4:
4) VCC = IC (RC + RE) + VCE
30 = 4,2m * (3K + 750) + VCE
-VCE = 4,2mA (3,75K) -30 *(-1)
VCE = 30 – 15,75
VCE = 14,25V 3,15
14,3
12,55
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Polarização
EXERCÍCIO Encontre o VB, VE, VCE e IE para o circuito ao lado. Considere:
R1= 4KΩR2= 600ΩRc= 1,8KΩRe= 450ΩVcc = 10V
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PolarizaçãoREGRAS DE PROJETO1) VE = 0,1 VCC
2) VCE = 0,5 VCC
3) Para minimizar o efeito do βcc, considerar: R2 ≤ 0,1*βcc*RE (polarização por divisor de tensão firme). βcc: usar pior caso.
4) VCC = IC (RC + RE) + VCE
R25) VR2 = ---------------- VCC
R1 + R2
36
Polarização
Exemplo: Polarizar um transistor por divisão de tensão firme. Dados: VCC= 10V, IC= 10mA e βcc= 100.
Regra 1: VE = 0,1 VCC
VE= 0,1*10=> VE=1VComo IE = ICRE= VE/IE = 1/10mARE = 100Ω
Regra 2: VCE = 0,5 VCCVCE= 0,5 * 10VCE = 5 V
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Polarização
Regra 3: R2 ≤ 0,1*βcc*REUsar Bcc no pior caso: 100
R2 ≤ 0,1*100 *100 = 1000Ω
Regra 4: VCC = IC (RC + RE) + VCE10 = 10mA*(RC + 100) + 510 – 5 = 10mA*RC + 14 = 10mA*RC
4RC = ------------ => RC = 400Ω
10mA
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Polarização
Regra 5:R2
VR2 = ---------------- VccR1 + R2
10001,7 = -------------- * 10
1000 + R1
1700 + 1,7*R1 = 100001,7*R1 = 10000 – 1700 = 8300R1 = 8300 / 1,7 => R1 = 4882Ω
39
Polarização
Exercício em sala:Projete um circuito de polarização por divisor de tensão com as seguintes especificações: VCC = 20V, IC = 5mA, 80< βcc < 400
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VCC = 20V, IC = 5mA, 80< βcc < 400VE= 0,1*20=2VIE= ICRE= VE/IE => RE=400Ω
VCE= 0,5 VCC VCE = 10 V
R2 ≤ 0,1 * βCC * RER2 ≤ 0,1 * 80 * 400 => R2=3.200Ω
VCC = IC (RC + RE) + VCE20 = 5mA(RC + 400) + 1020 – 10 = 5mA*RC + 220 – 10 – 2 = 5mA*RCRC = 8/5mARC = 1600Ω
Polarização
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Se VE = 2,0 -> VR2 = 2,0 + 0,7 = 2,7V
R2VR2 = ---------------- VCC
R1 + R2
32002,7 = ------------- * 20
3200 + R1
8640 + 2,7*R1 = 64.000
R1 = 20.500 = 20KΩ
Polarização
42
Polarização
Aproxime os valores calculados para valores de mercado e recalcule o VCE:
43
PolarizaçãoExemplo: No circuito da figura abaixo, encontre as tensões VE e VCE de cada estágio:
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Polarização
Exemplo: No circuito da figura abaixo, encontre as tensões VE e VCE de cada estágio:
R2VR2 = ---------------- VCC
R1 + R21K
VR2 = ----------- * 15 => VR2=2,27V5K6 + 1K
IE = (VR2 – 0,7)/RE2,27 - 0,7
IE = ------------ => IE=13,1 mA120
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Polarização
VE = IE*RE = 13,1m*120VE= 1,57V
VCC = IC (RC + RE) + VCEVCE = VCC – IC*(RC+RE)VCE = 15-13,1m*(470+120)VCE=7,3V
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Polarização
• Exercícios: 3.3, 3.4, 3.5 e 3.6 da apostila (paginas 25 e 26).
• Individual.• Entrega até o dia 18/03• Para cada dia de atraso haverá um desconto de 2 pontos.
• Cópia, ambos recebem nota zero.
Modelo de Ebers-Moll
4848
Curva do Transistor
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Reta de Carga
Reta de carga na curva do transistor
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Reta de Carga
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Amplificadores de SinalAo injetarmos um pequeno sinal ca à base do transistor, ele se somara às tensões cc de polarização e induzirá flutuações na corrente de coletor de mesma forma e freqüência.O circuito será chamado de amplificador linear (ou de Alta-Fidelidade - Hi-Fi) se a forma do sinal na saída for idêntica ao sinal de entrada.
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Amplificadores de Sinal
Desde que a amplitude do sinal de entrada seja pequena, o transistor usará somente uma pequena parte da reta de carga e a operação serálinear.
Por outro lado se o sinal de entrada for muito grande, as flutuações ao longo da reta de carga levarão o transistor à saturação e ao corte.
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Amplificadores de Sinal
Na figura ao lado a polarização épor divisor de tensão. A entrada do sinal é acoplada à base do transistor via o capacitor C1 e a saída do sinal é acoplada à carga RL através do capacitor C2. O capacitor funciona como uma chave aberta para corrente contínua
e como chave fechada para a corrente alternada. Esta ação permite transferir um sinal ca de um estágio para outro sem perturbar a polarização cc em cada estágio.
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Amplificadores de Sinal
CAPACITOR DE ACOPLAMENTOO capacitor de acoplamento faz a passagem de um sinal ca de um ponto a outro, sem perda significativa do sinal. Na figura ao lado a tensão ca no ponto A é transmitida ao ponto B.
Para não haver atenuação apreciável do sinal, a capacitância reativa XC, comparada com a resistência em série (RTH + RL), precisa ser bem menor.RTH é a impedância do circuito anterior (ou gerador de funções).
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Amplificadores de Sinal
Quanto menor a reatância capacitiva, melhor será o acoplamento, naturalmente não é possível uma reatância nula. Se a reatância for no máximo 10% da resistência total temos um acoplamento estabilizado. A fórmula da reatância capacitiva é:
1XC = --------
2πfCDuas incógnitas: a freqüência e a capacitância. Todo amplificador tem uma faixa de freqüências de operação. A escolha deve recair para o pior caso, ou seja, a menor freqüência do sinal.
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Amplificadores de Sinal
A resistência total (R) é a soma de RL e RTH. Para um acoplamento estabilizado: XC ≤ 0,1R.
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Amplificadores de Sinal
Exemplo: Suponha o projeto de um estágio com transistor na faixa de áudio, 20 Hz a 20kHz. O sinal de entrada entra no estágio via capacitor de acoplamento. Qual o valor mínimo para o capacitor se tivermos uma resistência total de 1 kΩ?
Solução: Cálculo do XC => Xc ≤ 0,1R => 0,1*1.000 =>100ΩA escolha da freqüência recai sobre a de menor valor f=20Hz.
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Amplificadores de Sinal
Como:XC = 1 / 2πfC
Isolando C, temos: C = 1 / 2πfXC
Como Xc ≤ 100Ω, então1
C≥----------------------- = 79,6 uF2*π*20*100
A capacitância deve ser igual ou maior que 79,6 uF
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Aula Pratica
Soma de sinais: CC + CA
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Amplificadores de SinalCAPACITOR DE DESVIOUm capacitor de desvio é semelhante a um capacitor de acoplamento, exceto que ele acopla um ponto qualquer a um ponto aterrado, como mostra a figura ao lado. O capacitor funciona idealmente como um curto-circuito para um sinal ca.
Assim o ponto A está em curto com o terra no que se refere ao sinal ca. O ponto A pode ser designado de terra ca.
O capacitor de desvio não perturba a tensão cc no ponto A porque funciona como um circuito aberto para corrente cc.
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Amplificadores de Sinal
O capacitor C3 da figura ao lado é um exemplo de capacitor de desvio. A sua função no circuito é a de aterrar o emissor para sinais ca e não interferir na polarização cc.
Normalmente todos os capacitores de acoplamento e desvio seguem a regra:XC <= 0,1R.
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Amplificadores de Sinal
TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO PARA AMPLIFICADORES
Num amplificador transistorizado, a fonte cc estabelece correntes e tensões em repouso. A fonte ca produz então, flutuações nessas correntes e tensões.
A maneira mais simples de análise do circuito é dividindo a análise em duas partes: uma análise cc e uma análise ca.
(teorema da superposição).
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Amplificadores de SinalCIRCUITO EQUIVALENTE CC
Significa a análise do circuito considerando a fonte VCC e desprezando a fonte VS. Somente correntes cc atuam neste caso e, portanto, os capacitores são desprezados. Procedimento:1- Reduzir a fonte ca a zero (considerar a fonte VS em curto).2- Abrir todos os capacitores.
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Amplificadores de SinalCIRCUITO EQUIVALENTE CA
Significa a análise do circuito considerando a fonte VS e desprezando a fonte VCC. Somente correntes ca atuam. Os capacitores são considerados em curto.Procedimento:1- Reduzir a fonte cc a zero (considerar a fonte VCC em curto).2- Todos os capacitores em curto.
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Amplificadores de Sinal
Obs.: 1- A corrente total em qualquer ramo é a soma das correntes cc e ca.
2- Igualmente a tensão total em qualquer ponto é soma das tensões cc e ca.
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Amplificadores de SinalβCA - GANHO DE CORRENTE
ALTERNADAA figura mostra a curva IC x IB. βcc é a razão entre a corrente de coletor e a corrente de base. Como o gráfico não é linear, βcc depende do valor do ponto Q. O ganho de corrente ca (chamado de βcaou simplesmente β) é a relação entre a variação da corrente de coletor e a variação da corrente de base para pequenos sinais em torno do ponto Q.
icβ = --------
ib
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Amplificadores de Sinal
AMPLIFICADOR COM EMISSOR ATERRADO
Um aumento da tensão Vs, provoca uma aumento na corrente Ic, e uma diminuição na tensão VCE.A forma de onda na saída é invertida em relação à entrada.
O ganho de tensão é dado por:rc
Av = - -----r’e
Quando temos capacitor no emissor: r’e = 25mV / IE
rC = RL // RCRL pode ser a carga.Caso existe um estágio posterior, considerar RL a Zent do estágio seguinte.
Amplificadores de Sinal
Exercício: Dado o circuito a seguir, e considerando o modelo de pequenos sinais para os transistores, qual o valor aproximado para o ganho de tensão (Vo/Vi)?
Amplificadores de Sinal
Resposta: rc
Av = - ----- e r’e = 25mV / IE r’e
IE depende da tensão no emissor e depende do divisor de tensão R1 e R2Tensão em R2 = 16 . 3k / (16K+3K) -> VR2 = 2,53 VoltsVe = VR2 – 0,7 = 1,83IE = Ve / 1K = 1,83 / 1K = 1,83 mAr’e = 25mV / 1,83 mAr’e = 13,66
rC = RL // RC neste caso rC = RC pois não há carga.Av = 3,5 K / 13,66Av = 256
Amplificadores de Sinal
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Amplificadores de Sinal
REALIMENTAÇÃOQuando uma parte do sinal de saída de um circuito éaplicado de volta á entrada do mesmo, dizemos que houve uma realimentação no circuito.
Quando o sinal aplicado novamente à entrada do circuito possui a mesma fase que o sinal existente na entrada, este processo é designado como realimentação positiva.
Por outro lado, se o sinal reaplicado na entrada tiver fase oposta ao sinal já existente na entrada, o nome dado é realimentação negativa.
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Amplificadores de Sinal
A realimentação negativa é mais aplicada nos amplificadores e, a realimentação positiva, na maioria dos circuitos osciladores.
A realimentação negativa em amplificadores tem como desvantagem a diminuição do ganho. A sua grande vantagem éestabilização do circuito.
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Amplificadores de Sinal
AMPLIFICADOR COM REALIMENTAÇÃO PARCIALNo amplificador de emissor comum a tensão de saída éinversamente proporcional a r’e. E o valor de r’e depende do ponto de operação.
Isto é um problema para a tensão de saída, pois, ela se torna susceptível as variações de temperatura e troca de transistor.
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Amplificadores de SinalUma opção para estabilizar o ganho de tensão é deixar uma certa resistência de emissor sem ser desviada. Esse resistor não desviado recebe o nome de resistor de realimentação porque ele produz uma realimentação negativa.
rcAv = -----------
r'e + RE1
r’e = resistência do emissorEm geral RE1 >> r’e
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Amplificadores de Sinal
IMPEDÂNCIA DE ENTRADA
Na maioria das aplicações a fonte vs tem uma resistência em série como mostrado na figura ao lado:
No circuito equivalente, pode-se ver um divisor de tensão do lado da entrada do transistor. Isso significa que a tensão cana base será menor que a tensão vs.O divisor de tensão é formado pelo resistor RS e os resistores R1 //R2.
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Amplificadores de Sinal
A impedância de entrada do estágio (Zent) é a resultante do paralelo de R1, R2 e Zbase:Zent = R1 // R2 // ZbaseZent = R1 // R2 // β*r’e
No amplificador com realimentação parcial, aplica-se a mesma regra, a única diferença é a impedância de entrada da base. Ela será:Zbase = β(r’e + RE1)
Dado o circuito a seguir, e considerando o modelo de pequenos sinais para os transistores, qual o valor aproximado para a impedância de entrada da estrutura?A) 250 Ω.B) 2,5 kΩ.C) 700 Ω.D) 500 Ω.E) 1 kΩ.
Amplificadores de Sinal
Zent = R1 // R2 // β*r’er’e = 25mV / IEr’e = 13,66 (exercício anterior)
Zent = 16K // 3K // 125 . 13,66Zent = 16K // 3K // 1707Zent ~ 1K
Amplificadores de Sinal
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Amplificadores de Sinal
IMPEDÂNCIA DE SAÍDAA impedância de saída (sem contemplar a resistência de carga RL) é dada por: Zo = rc
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Amplificadores de Sinal
ESTÁGIOS EM CASCATA
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Amplificadores de Sinal
A polarização cc é analisada individualmente, os capacitores de acoplamento isolam os dois estágios entre si e também da entrada VS e saída RL (o resistor de carga pode, por exemplo, estar representando um terceiro estágio).
Os dois estágios são idênticos para polarização cc.VB= 1,8V VE= 1,1V IE= 1,1mA VC= 6,04V
Com o valor de IE, tem-se r’e : r’e = 25mV / IE r’e = 22,7Ω
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Amplificadores de Sinal
ANÁLISE DO PRIMEIRO ESTÁGIO
O segundo estágio age como uma resistência de carga sobre o primeiro. O valor desta carga é a impedância de entrada do segundo estágio Zentb.
Supondo β = 100:Zentb = R1A // R2A // β*r’e = 10K // 2K2 // 100*22,7 = 1KΩ
Na Figura, RC está em paralelo com Zentb:rc=RC//Zentb =3,6k//1k =783Ω
O ganho de saída do primeiro estágio é:AV= -783/22,7 = -34,5
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Amplificadores de SinalO primeiro e segundo estágios tem a mesma impedância de entrada
1KVb = ------------- * 1m = 0,625 Vpp
1K + 600
Logo a tensão ca de saída do primeiro estágio é:
VC=-34,5*0,625=-21,6mVpp
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Amplificadores de Sinal
ANÁLISE DO SEGUNDO ESTÁGIODevido ao capacitor de acoplamento entre os dois estágios, a tensão ca na base do segundo é igual a -21,6mVpp. rc=RC//RL =3,6k//10k =2647Ω
O segundo estágio tem um ganho de tensão de: AV= -2,65k/22,7= -117
Por fim, a tensão de saída éVsaída= -117*-21,6 mV= 2,53Vpp.
O ganho de tensão total é a razão entre a tensão de saída do segundo estágio pela tensão de entrada:
AVT = Vsaída 2°est. / Ventrada 1°est.= 2,53/0,625m= 4048ou seja, o ganho de tensão total é: AVT= AV1*AV2
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Amplificadores de Sinal
TRANSISTOR DARLINGTONA corrente da base do segundo transistor vem do emissor do primeiro transistor. Portanto, o ganho de corrente entre a primeira base e o segundo emissor é: β =β1*β2
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Amplificadores de Sinal
A principal vantagem da conexão Darlington é a alta impedância de entrada olhando para a base do primeiro transistor: Zent(base)= β * RE
Opera com como um único transistor com um βCC
entre 1.000 e 20.000. Ele pode ser tratado como um transistor comum exceto pelo valor de β e também pelo valor de VBE que passa a ser a soma dos dois VBE’s (1,4V).
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Amplificadores de Sinal
Exercícios do capítulo 4 Para dia 22/04 (dia da prova)Valendo notaEm caso de cópia será dado nota zero para ambos
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• Amplificador de Coletor Comum(seguidor de emissor):
Amplificadores de Sinal
90
• Ao se conectar a carga em um amplificador EC, o ganho de tensão diminuí. Quanto menor a resistência de carga, menor será o ganho. Esse problema é chamado de sobrecarga.
• Uma forma de evitar a sobrecarga é usar um amplificador cc (coletor comum), também conhecido como seguidor de emissor.
• O seguidor de emissor é colocado entre a saída do amplificador EC e a resistência de carga.
• Como o coletor está no terra para ca, ele é um amplificador coletor comum (CC). O gerador de sinal está acoplado à base do transistor por meio de um capacitor de acoplamento.
• Ganho de tensão (Av) =1• Impedância de entrada muito alta: Zent = R1 // R2
Amplificadores de Sinal
Exercício: Dado o circuito a seguir, e considerando o modelo de pequenos sinais para os transistores, qual o valor aproximado para o ganho de tensão (Vo/Vi)?
Amplificadores de Sinal
A) 95.B) 125.C) 35.D) 25.E) 75.
Solução: Considerar os dois estágios em separado. No primeiro o ganho de tensão é dado pela fórmula:
rcAv = -----------
r'eO segundo estágio é um seguidor de sinal, com ganho =1 (tem ganho apenas de potência):
Amplificadores de Sinal
Primeiro estágio (ex anterior) -> r’e = 13,66 ΩZenta = R1A // R2A // β*r’e = 16K // 3K // 125*13,67 = 1KΩ
rC = RL // RC Neste caso: RL = Zent do segundo estágio
Amplificadores de Sinal
Segundo estágio:Zent = R1 // R2 (Emissor comum)R1 = R2 = 22K R1 // R2 = 11KZent = 11K
Amplificadores de SinalGanho no Primeiro estágio:AV = rC / r’erC = Zent (2o estágio) // RCrC = 11K // 3,5K rC = 2,6KAV = 2,6K / 13,66 ~ 191
A pergunta era: Vo / ViComo Zent (1º estágio) = 1KΩTemos um divisor de tensão:Pelo divisor de tensão teremos na base do TR1:Vent = 1K / 2K = 0,5Então Vo/Vi = AV x 0,5 = 191 x0,5 Vo/Vi = 95
95
Amplificador de Base Comum:
Amplificadores de Sinal
96
Amplificador de Base Comum:
O ganho de tensão é o mesmo que do amplificador emissor comum sem realimentação parcial, apenas a fase é diferente.Uma das razões para o pouco uso do amplificador BC é sua baixa impedância de entrada. A fonte ca
que aciona o amplificador BC vê como impedância de entrada:
Ze = R’e
Amplificadores de Sinal
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Amplificadores de Potência
98
Amplificadores de Potência
Principais Classes• A• B• AB• C• D, G, H, I, T• Integrados
99
Amplificadores de Potência
Classe A:Ângulo de condução θ=360°O ponto de operação do transistor de saída estálocalizado no centro da região ativa e neste caso a polarização do transistor de saída é semelhante àpolarização de transistores de baixo sinal.
100
Amplificadores de PotênciaA potência de saída, é uma referência apenas à potência útil entregue à carga. A potencia em RC/RE/Transistor é perdida.
VL2
PL = ------- (VL = tensão eficaz na carga)RL
(Vpp)2
PL = -------------8 RL
Vpp é o valor máximo de pico a pico da tensão ca (sem ceifamento). No denominador tem o número 8 resultante da conversão de RMS para pico a pico.
101
Amplificadores de Potência
Eficiência:
PL η = ------- 100% (PF = Potencia CC dissipada)
PF
Quanto maior a eficiência do amplificador, melhor. Amplificadores classe A tem baixa eficiência: no máximo 25% (teoricamente). Isso ocorre por causa de perdas de potência nos resistores de polarização, de coletor, de emissor e transistor.
102
Amplificadores de PotênciaCLASSE BGeralmente os amplificadores de potência classe B e AB utilizam dois transistores de potência num montagem denominada push-pull.
No amplificador classe B, cada um dos transistores de saída é polarizado num ponto de operação situado na região de corte do transistor, isto é, VBEQ =0.
Desta maneira, a corrente de coletor de cada transistor, circula durante um ângulo de condução θ=180°, ou seja, a cada semiciclo do sinal de entrada VBE.
103
Amplificadores de Potência
VccVCEQ = -------
2
RLAv = -----------
RL + r’e
A impedância de entrada na base com carga é:Zent(base) = β(RL + r’e) -> sendo r’e = 25mV / IE
Eficiência η máxima teórica: 78,5%
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Amplificadores de Potência
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Amplificadores de Potência
CLASSE ABA diferença para a classe B, é que cada um dos transistores de saída é polarizado num ponto de operação situado um pouco acima da região de corte do transistor, (VBEQ>0).
Cada um dos transistores conduz uma pequena corrente de base e, conseqüentemente, uma corrente de coletor proporcional a ela.
A corrente de coletor de cada transistor, circula durante um ângulo de condução de θ >180°, porém, menor que 360°.
CLASSE ABA eficiência teórica fica entre 50% e 78,5%.
A grande vantagem é a eliminação da distorção por crossover.
Amplificadores de Potência
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Amplificadores de Potência
CLASSE CNo amplificador classe C a polarização estáabaixo da tensão de corte: apenas uma parte de um semicicloestá presente na saída.
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Amplificadores de Potência
O trabalho com uma parte de um semiciclo aumenta a eficiência energética em comparação com a classe B.
No entanto, não pode ser empregado como amplificador de áudio porque o sinal não pode ser restaurado.
Amplificadores classe C podem ser usados em etapas de potência de transmissores de radiofreqüência, onde filtros e circuitos ressonantes posteriores restauram o sinal e eliminam harmônicos.
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Amplificadores de Potência
CLASSE DNos amplificadores classe D, os transistores operam como chaves, isto é, estão cortados ou saturados.
Se fossem ideais, a eficiência energética seria 100%. Como isso não existe, os valores práticos são menores, mas chegam perto de 90%.
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Amplificadores de Potência
Operação: Os Transistores são comandados por um sinal Vcproveniente de um comparador que, por sua vez, compara um sinal triangular com o sinal da entrada que queremos amplificar.Vc será negativo se Ve > Vt e positivo se Ve < Vt. Se Vc é negativo, Q1 está conduzindo e Q2 cortado (Vm ≈ +Vcc)Se Vc é positivo, Q1 está cortado e Q2 conduzindo (Vm ≈ -Vcc).
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Amplificadores de PotênciaO filtro passa-baixas formado por L e C deixa passar o valor médio da onda quadrada que chega ao alto-falante, recompondo o sinal senoidal. R1 e C1 compensam a reatância indutiva do alto-falante de forma que ele seja visto como uma carga resistiva.Para uma boa aproximação, a freqüência do sinal triangular deve ser muito superior à do sinal de entrada. Valores típicos estão na faixa de 100 kHz a 1 MHz, dependendo da fidelidade desejada.
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Amplificadores de Potência
Classe G: Trabalha como um classe A em pequenas potências e como um classe AB em grandes potências possuindo rendimento em torno de 70%;
Classe H: É um classe AB que trabalha com dois níveis de tensão de alimentação. Um nível mais baixo para baixa potência e outro nível de tensão de alimentação maior para potências maiores, com isso os componentes dissipam menos energia conseguindo um rendimento maior. A desvantagem é a distorção causada pela comutação das fontes para um determinado nível de sinal. Possui rendimento em torno de 70%;
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Amplificadores de Potência
Classe I: Similar ao classe A mas a alimentação desse estágio é feita por um controlador do tipo classe D (modulação por pulso), com isso o amplificador classe A recebe somente energia o suficiente para alimentar a si próprio e a carga (alto-falante). Desta forma, variando a fonte de alimentação o classe I possui rendimento em torno de 75%;
Classe T: Seu funcionamento é parecido com um classe D mas possui bem menos distorção e pode trabalhar em toda a faixa audível (20Hz a 20KHz). O sinal de áudio entra no amplificador, é transformado digitalmente através de algoritmos em um sinal digital de frequência variável até 1.5MHz que depois é amplificado. Seu rendimento está em torno de 90% e possui menos distorção que um classe D.
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Amplificadores de Potência
Amplificador Integrado:
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Amplificadores de Potência
Exemplo
Projeto (15% da nota final):
Amplificadores de Potência
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Amplificadores de Potência
Bibliografia:Apostila Eletrônica - Prof. Roberto Angelo Bertoli. V3 setembro, 00. DEPARTAMENTO DE ELETRO-ELETRÔNICA, COLÉGIO TÉCNICO DE CAMPINAS - UNICAMP
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Transistores de Potência
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Transistor Bipolar de Potencia (BPT)
Referência Características
Aplicações Caixa Pinagem
BUT102 400/300V, 50A, 300W
ChaveamentoPotencia
1-Emissor2-Base3-Coletor
BUT98 850/450V, 30A, 200W
ChaveamentoPotencia
1-Base2-Coletor3-Emissor4-Coletor
BUT11 850/400V, 5A, 100W
ChaveamentoPotencia
1-Base2-Coletor3-Emissor4-Coletor
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Transistor Operando como Chave
Saturação:
IB é maior que IBSAT (garante a saturação)
Junção CB: diretamente polarizada, VCB varia de 0,4V a 0,5V.
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Transistor Operando como Chave
Corte:
IB e IC: aproximadamente zero
Junção CB: diretamente polarizada, VCB= Vcc
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Tensão e Corrente no Transistor
A potência dissipada pelas duas junções é dada por:
VBE = 0,7 voltsIB = pequena
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Regiões de Operação
1 – Corte:Ib = 0 e Ic = 0 ->
P = VBE . Ib + VCE . Ic -> P = 0
2 – Saturação:Ib ≠ 0 (mA) VBE = 0,7V VCE ≈ 0 ->
P = VBE . Ib + VCE . Ic -> P ≈ 0
3 – Ativa ou Transição:Ib ≠ 0 (mA) VBE = 0,7V
Ic ≠ 0 e VCE ≠ 0 -> P ≈ VCE . Ic
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Transistor Operando como Chave
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Transistor Operando como Chave
Passam para o estado ligado em menos de 1µs e para
desligado em menos de 2µs. São usados em aplicações
cuja freqüência chega à 100 kHz
DISPOSITIVOCAPACIDADE DE
POTÊNCIAVELOCIDADE DE CHAVEAMENTO
Transistor Bipolar Média Média
MOSFET Baixa Rápida
GTO Alta Lenta
IGBT Média Média
MCT Média Média
Tipos de Chave
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Características Físicas
Materiais utilizados na fabricação do transistor:
– Silício (Si);
– Germânio (Ge);
– Gálio (Ga);
– Alguns óxidos;
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Modelos de Transistores
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Aplicações no Campo da Eletrônica
Controle das deflexões verticais e horizontais de
dispositivos CRT (tubo de raios catódicos) que operam
em alta tensão;
Conversores de tensão, Fontes chaveadas
Ignição automotiva, reatores eletrônicos para lâmpadas;
Amplificação de sinais de áudio em aparelhos de som
(substituto das válvulas);
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Aplicações no Campo da Potência
Circuito de potencia para interfaceamento entre carga e o respectivo sistema de controle (CLP´s e FPGA´s), atua como chave no acionamento do relé:
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