amplificadores de potencia de rf - lee.eng.uerj.brgil/circom/amplificadores de potencia de...

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificadores de potência de RFObjetivo: Amplificar sinais de RF em níveis suficientes para a sua transmissão (geralmente através de uma antena) com bo m rendimento energético.

PRFPe RF

Rg

Amplificador de potência

de RF

+

RL

PCC

VCC

Pperd

ηηηη = PRF/PCC

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

iC

ππππ 2ππππ0t

iC


iC


Conceito de “Classe” de um amplificador transistoriz ado

Classe A :condução durante 2ππππ

Classe B :condução durante ππππ

Classe C :condução < ππππ

iC

Amplificador de potência de RF

RL

Rg

+

Q1

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

• Classe D : Q1 trabalha em comutação

• Classe E : Q1 trabalha em comutação em tensão zero

iC

t

t

vCE

Controle

iC

Amplificador de potência de RF

RL

Rg

+

Q1

+

-vCE

Conceito de “Classe” de um amplificador transistoriz ado

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroTipos de amplificadores de potência de RF

Rg


de RF

+

RLVCC

vg

+

-vs

Amplificadores lineares: a forma de onda da tensão de saída vs éproporcional à entrada vg.

Amplificadores não lineares: a forma de onda da tensão de saída vs não é proporcional à de entrada vg. Caso particular: tensão de saída vs proporcional a VCC.

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Rg

+

Polarização

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

Amplificador “Classe A” com carga no circuito de polarização

Circuito básico

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE IB

iC

vCE

VCC/RL

VCC

t

vCE1

tiC1

PRF = ic12·RL/2 PCC = ic1·VCC

η η η η = PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)

Escolhemos um ponto de operação

Logo ηηηη aumenta com iC1. Mas o aumento de iC1 é limitado


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE IB

iC

vCE

VCC/RL

VCC

Valor máximo de iC1

ηηηηmax = ic1·RL/(2·VCC) con iC1 = VCC/2RL

Logo: ηηηηmax = 1/4 = 25%

25% é um rendimento máximo muito baixo!

iC1 = VCC/2RL

t

vCE1 = VCC/2t


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente

Circuito básico

Rg

+

Polarização

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

+ -

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Implementação da fonte de corrente

+

-

A tensão na fonte de corrente deve ser conforme a figu ra

+

-

Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-IB

iC

vCE

VCC/RL

VCC

Reta de carga

CC

Reta de carga CA com inclinação 1/R L

Escolha do ponto de operação para um valor de I C

Esta é a reta de carga CA com os maiores níveis de tensão e corrente e compatível com tensão positiva na fonte de corrente


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

tvCE1

tIC

VCC/RL

VCC

IB

iC

vCE

Reta de carga

CC

Reta de carga CA

PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC η η η η = Ic·RL/(2·VCC)Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-vCE1

Logo, ηηηη cresce com IC, que está limitado a IC = VCC/2RL


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

tvCE1

PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC η η η η = Ic·RL/(2·VCC)

Com IC = VCC/2RL, ηηηηmax = 1/4 = 25%.

O rendimento também é baixo!

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-vCE1

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

+

-

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

+

-vCE1

t

IC

VCC/RL

VCC

IB

iC

vCE

Reta de carga CC

Reta de carga CA


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificador “Classe A” com polarização por resistência de coletor

Circuito básico

Rg

+

Polarização

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiL

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

VCC

iC

IB

vCE

VCC/RL

Reta de carga

CC

iC1

vCE1

Ponto de operação

Reta de carga CA com inclinação -(RC+RL)/(RL·RC)

Como escolher R C para obter o rendimento máximo?

Qual será o rendimento máximo?

Não demonstrado aqui: Condição de rendimento máximo é : RC = 2·RL e ηηηηmax = 1/(6 + 4· 2) = 8,57% ... Ainda mais baixo!

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiL

Amplificador “Classe A” com polarização por resistência de coletor

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroResumo dos amplificadores “Classe A” já vistos

• Toda a componente CA de iC circula na carga.

• A carga dissipa a componente continua.

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiL

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiL

Q1

RC

VCC

+

-vCE RL

+ -

RL

+ -iCiL

ηηηηmax = 8,57%Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

+ -

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

iC iL

Q1

IC

RL

VCC

+

-vCE

+

-

+

-vCE

iC iL

+ -

+

-

+

-

ηηηηmax = 25%

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

Q1

iCRL

VCC

+

-vCE

ηηηηmax = 25%


• A fonte de corrente dissipa a componente continua.

• A componente CA de iCcircula na carga e na resistência de polarização.

• Na resistência de polarização se dissipa as componentes CC e CA.

É possível conseguir que os elementos e circuitos de polarização não dissipem energia CC ou CA?

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificador “Classe A” com polarização por bobina de choque no coletor

Circuito básico

Rg

+

Polarização

Q1

LCH

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

A bobina L CH deve apresentar uma impedância muito maior que R L na freqüência de trabalho

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito equivalente

Q1

LCH

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Em ambos casos:


• Na bobina (indutor perfeito), não há dissipação de p otência.

Amplificador “Classe A” com polarização por bobina de choque no coletor

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Outra possibilidade de implementação, com um grau de l iberdade maior

Q1

Lm

VCC

+

-vCE

RL’

iCiRL’

É como no caso anterior:

• Toda a componente CA de iC circula na carga (modificada pela relação de transformação do transformador).

• No transformador (ideal), não há dissipação de potên cia.

Q1

VCC+

-vCE

RL

iC iRL

1:n

RL’ = RL/n2

iRL’ = iRL’·n


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito em estudo

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

VCC

iC

IB

vCE

Reta de carga CA com inclinação

-1/RL

Reta de carga CC

Ponto de trabalho

Como se deve escolher o ponto de operação para obter o máximo rendimento possível?


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

t

vCE

VCC

iC

IB

Reta de carga CC

iC1

VCC+iC1·RLPRF = (ic1·RL)2/(2·RL)

PCC = ic1·VCC

η η η η = PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

A componente CA no transistor é a mesma que na carga

O máximo valor de ic1·RL é ic1·RL = VCC e portanto ηηηηmax = 1/2 = 50%.O rendimento melhorou mas ainda é baixo!


Reta de carga CA com inclinação

-1/RL

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

VCC

Reta de carga CCiC

IB

vCE

2VCC

t

Situação com máximo sinal que se pode operar

iC1=VCC/RL

2iC1

tQ1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Qual é o rendimento quando o sinal não é o máximo possível?

ηηηηmax = 50%.


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

Q1

LCH

VCC

+

-vCE

RL

iCiRL

VCC

Reta de carga CCiC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

Inclin. -1/R L

t∆∆∆∆vCE

t

∆∆∆∆iC

PRF = (∆∆∆∆vCE)2/(2·RL)

PCC = VCC2/RL

η η η η = PRF/PCC = 0,5·(∆∆∆∆vCE/VCC)2


Situação com excursão do sinal abaixo do máximo

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

tvCE sat

VCC-vCE sat

(VCC-vCE sat)/RL

VCC

Reta de carga CCiC IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

Inclin. -1/R L

Com transistores reais (não idealizados)

PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)

PCC = VCC·(VCC-vCE sat)/RL

η η η η = 0,5·(VCC-vCE sat)/ VCC


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Sinal modulado em amplitude

VCC

Reta de carga CCiC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

Inclin. -1/R L

t

vp

vm

vce(ωωωωmt, ωωωωpt)

vce(ωωωωmt, ωωωωpt) = ∆∆∆∆vCE(ωωωωmt)·sen( ωωωωpt)∆∆∆∆vCE(ωωωωmt) = vp[1 + m·sen(ωωωωmt)]m = vm/vp

ηηηη(ωωωωmt) = 0,5·[∆∆∆∆vCE (ωωωωmt)/VCC]2 ⇒⇒⇒⇒

ηηηη(ωωωωmt) = 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m·sen(ωωωωmt)] 2

ηηηηmed = 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m2/2]ηηηηmed max ⇒⇒⇒⇒ vp = VCC/2, m = 1ηηηηmed max = 0,125·[1 + 1/2] = 18,75% Também é muito baixo!


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito ressonante na freqüência de sinal de RF

Amplificador “Classe B” com um transistor

Circuito básico

Rg

+

Polarização

iC

180º

Q1

L

VCC

+

-vCE

RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Equivalente

iC

180ºQ1

L

VCC+

-vCE

RLiCiRL

C

+

-

vRL

iC

180º

iC L

RLC

iRL +

-

vRL

iC

180º

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

iCL RL

C +

-vRL

IC iCpico /ππππIC

180º

iCcaiCpico (1-1/ππππ)

iCca

Circuitos equivalentes

Não gera tensão na carga

iC

L RL

CiC

180º

iCpico

+

-vRL


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

L RL

C +

-vRL

iCca(ωωωωt) iRL(ωωωωt)

Circuitos equivalentes

180º

iCcaiCpico (1-1/ππππ)

iCca1 iCpico /2=iCca1

+ Harmônicos

Harm. Os harmônicos se “curtocircuitam”pelo condensador

iCca1 (ωωωωt) = (iCpico /2)·sen(ωωωωt)

vRL(ωωωωt) = RL·iRL(ωωωωt) = -RL·iCca1(ωωωωt)

vRL(ωωωωt) = -RL·(iCpico /2)·sen(ωωωωt) iCca1 iCpico /2

iCca1

RL

+

-vRL

iRL


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

vCE

iC

IB

Retas de carga, ponto de operação (estático) e excursão do ponto de

trabalho

iC

180º

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

VCC

Reta de carga CC

Inclinação 0

Inclinação-2/RL

2·VCC/RL

t∆∆∆∆vCE

180ºt

iCpico

Ponto de Operação

Chamamos vce a componente alternada devCE. Então:

vce(ωωωωt) = vRL(ωωωωt) = -RL·(iCpico /2)·sen(ωωωωt) ⇒⇒⇒⇒vce(ωωωωt) = -(RL /2)·iCpico ·sen(ωωωωt) = -(RL /2)·iCEntão:

∆∆∆∆vCE = iCpico ·RL/2


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Cálculo do rendimento máximo possível

∆∆∆∆vCE =iCpico ·RL/2

vCE

iC

IB

VCC

Reta de carga CC

Inclinação 0

Inclinação-2/RL

2·VCC/RL

t∆∆∆∆vCE

180ºt

iCpico

Ponto de operação

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

Q1

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

PRF = (∆∆∆∆vCE)2/(2·RL) = (iCpico ·RL)2/(8·RL)PCC = VCC·iCpico /ππππη η η η = PRF/PCC = iCpico ·RL·ππππ/(8·VCC)

O valor máximo de iCpico é iCpico max = 2·VCC/RL e portanto :

ηηηηmax = ππππ/4 = 78,5% Melhorou bastante!

iCpico /ππππ


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

180ºt

Q1

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

Q1

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

ηηηηmax = ππππ/4 = 78,5%

Situação com o máximo sinal que pode operar

2·VCC/RL

vCE

iC

IB

VCC

Reta de carga CC

2·VCC

t


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Cálculo da potência máxima dissipada no transistor, PTr

PRF = (iCpico ·RL)2/(8·RL)

PCC = VCC·iCpico /ππππPTr = PCC - PRF ⇒⇒⇒⇒

PTr = VCC·iCpico /ππππ - (iCpico ·RL)2/(8·RL)

PTr possui um máximo em:

iCpico PTmax = 4·VCC/(ππππ·RL)

Deve-se notar que:

iCpico PTmax < iCpico max = 2·VCC/RL

PTrmax = 2·VCC2/(ππππ2·RL)

A potência máxima de RF é:

PRF max = (iCpico max ·RL)2/(8·RL) ⇒⇒⇒⇒

PRF max = VCC2/(2·RL)

Então:

PTrmax = 4·PRF max/ππππ2 = 0,405·PRF max

iCpico /ππππ

vCE

iC

IB

VCC

Reta de carga CC

2·VCC/RL

t ∆∆∆∆vCE

180ºt

iCpico


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Com transistores reais (não idealizados)

PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)

PCC = VCC·2·(VCC-vCE sat)/(ππππ·RL)

ηηηη = ππππ·(VCC-vCE sat)/(4·VCC) ⇒⇒⇒⇒

ηηηη = 0,785·(VCC-vCE sat)/VCC

VCC

Reta de carga CCiC IB

vCE

2VCC

2·VCC/RLInclinação-2/RL

tvCE sat

VCC-vCE sat

2·(VCC-vCE sat)/RL

180ºt


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Sinal modulado em amplitude

vCE

iC

IB

VCC

Reta de carga CC

Inclinação 0

Inclinação-2/RL

2·VCC/RL

Ponto de operação

∆∆∆∆vCE(ωωωωmt) = vp[1 + m·sen(ωωωωmt)]

m = vm/vp

PRF = [∆∆∆∆vCE(ωωωωmt)] 2/(2·RL)

PCC = VCC·iCpico (ωωωωmt)/ππππ

∆∆∆∆vCE(ωωωωmt) = iCpico (ωωωωmt)·RL/2 ⇒⇒⇒⇒

PCC = VCC·2·∆∆∆∆vCE(ωωωωmt)/(ππππ·RL)

ηηηη = PRF/PCC = ππππ·∆∆∆∆vCE(ωωωωmt)/()/()/()/(4·VCC)

ηηηη = 0,785·vp[1 + m·sen(ωωωωmt)]/VCC

ηηηηmed = 0,785·vp/VCC

ηηηηmed max ⇒⇒⇒⇒ vp = VCC/2 ⇒⇒⇒⇒ ηηηηmed max = 39,26%

t

∆∆∆∆vCE(ωωωωmt)

iCpico (ωωωωmt)

vp

vm


UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificador “Classe B” com dois transistoresCircuito básico: Montagem em contrafase ou Push-

Pull

RL’ = RL/n2

Rg

+

Q1

VCC

+

-vRL

RL

iC1

iRL

1:1:niC2

+

-vCE1

+

-

vCE2

+ -

Q2

Polarização

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

iB1

180ºQ1

VCC

iC1

iC2

+

-vCE1

+

-

vCE2

Q2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

iB1

iB2

iB2

180º

iC1

180º

iC2

180º

iRL

Amplificador “Classe B” com dois transistoresCircuito básico: Montagem em contrafase

ou Push-Pull

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

iC1

180º

iC2

180º

+VCC

iC1

iC2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

iRL

RL’ = RL/n2

iC1

180º

iC1

180º

iC2

180º

iC2

180º

+VCC

iC1

iC2

+

-vRL

+

-

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

iRLiRL

RL’ = RL/n2

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC

vCE1

iC1

IB1

VCC/RL’

Reta de carga CC

Inclinação -1/RL’

t

iCpico

t

iCpico

Ponto de Operação

Amplificador “Classe B” com dois transistoresCircuito básico: Montagem em contrafase ou Push-

Pull

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Cálculo do rendimento máximo

PRF = iCpico2·RL’/2

PCC = 2·VCC·iCpico /ππππη η η η = iCpico ·RL’·ππππ/(4·VCC) ⇒⇒⇒⇒

η η η η = 0,785·iCpico ·RL’/VCC

Como:

iCpico max = VCC/RL’, então:

ηηηηmax = ππππ/4 = 78,5%

Como no caso de um transistor

Amplificador “Classe B” com dois transistores

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

ηηηηmax = 78,5%

Máximo sinal que se pode operar

Q1

VCC

iC1

iC2

+

-vCE1

+

-

vCE2

Q2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

Q1

VCC

iC1

iC2

+

-vCE1

+

-

+

-vCE1

+

-

vCE2

+

-

+

-

vCE2

Q2

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

+

-vRL

+

-

+

-vRL

RL

iRL

1:1:n

VCC

vCE1

iC1

IB1

Reta de carga CC

IB1

iC2

vCE2

Ponto de Operação

VCC/RL’

t

VCC/RL’

t

Amplificador “Classe B” com dois transistores

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroGanho dos amplificadores “Classe A” com bobina, “Cla sse B” com um transistor e “Classe B” com dois transistor es

Para facilitar, calcula-se a “Transresistência” ∆∆∆∆vRL/∆∆∆∆iB

Em todos os casos: ∆∆∆∆vRL= VCC, ∆∆∆∆iB = ∆∆∆∆iC/ββββ

2·VCC/RL

vCE

iC

IB

VCC 2·VCC

∆∆∆∆iC

2·VCC/RL

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

vCE

iC

IB

iC

IBIB

VCC 2·VCC

∆∆∆∆iC

Classe B,1 Trans.

VCC

vCE1

iC1

IB1

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC/RL’

∆∆∆∆iC

∆∆∆∆iC

VCC

vCE1

iC1

IB1

IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC/RL’

VCC

vCE1

iC1

IB1

vCE1

iC1

IB1

iC1

IB1IB1

IB1

iC2

vCE2

IB1

iC2

IB1IB1

iC2

vCE2

VCC/RL’

VCC/RL’

∆∆∆∆iC

∆∆∆∆iC

Classe B,2 Trans.

∆∆∆∆vRL/∆∆∆∆iB = RL·ββββ

∆∆∆∆vRL/∆∆∆∆iB = RL·ββββ/2 ∆∆∆∆vRL/∆∆∆∆iB = RL’·n·ββββ

Classe A VCC

iC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

1/RL∆∆∆∆iC

VCC

iC

IB

vCE

2VCC

2·VCC/RL

1/RL∆∆∆∆iC

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroComparação entre amplificadores “Classe A”, “Classe B”com um transistor e “Classe B” com dos transistores

LargaVCC/RL’Linear

RL’·n·ββββ/rBE78,5%Classe B,

2 transistores

Estreita2·VCC/RLNão linearRL·ββββ/(2·rBE)78,5%Classe B,

1 transistor

Larga2·VCC/RLLinearRL·ββββ/rBE50%Classe A

BandaiCmaxImpedância de

entradaGanho de

tensãoRendimento

máximoAmplificador

rBE = resistência dinâmica da junção base-emissorRL’ = RL/n2

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroCircuitos de polarização em classes A e B

À base do transistor

+VCC

Polarização

D

R

LCH

C

P

À base do transistor

+VCC

0

iB

VBE

Classe B

Classe ASobra no caso do

Push-Pull

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito ressonante

Amplificadores “Classe C”

Circuito básico

Rg

+

Polarização

Q1

L

VCC

+

-vCE

RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

O rendimento máximo teórico pode ser maior que 78,5%?

O que deverá ser sacrificado?

iC

< 180º

O circuito LC ressona livremente e repõem a energia que transfere àcarga nos períodos de condução do transistor.

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificadores “Classe C”

Como conseguir um ângulo de condução menor que 180º ?

VB+vγγγγBE

t

tφφφφC

Rg

+

+

-vCE

iC

vg

VB

+

-vBE

iB

iB

vg

Como conseguir proporcionalidade entre iB e vg?

vγγγγBErBE

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe


iB = 0• Se ωωωωt < (ππππ-φφφφC)/2 o ωωωωt > (ππππ+φφφφC)/2,

iB =Rg+rBE

Vg pico ·sen(ωωωωt) – (VB + vγγγγBE)• Se (ππππ-φφφφC)/2 < ωωωωt < (ππππ+φφφφC)/2,

Para conseguir proporcionalidade entre iB e vg devem ser atendidos:

- VB+vγγγγBE devem variar proporcionalmente com Vg pico .

- φφφφC deve ser constante.

Relações entre as variáveis:

• vg = Vg pico ·sen(ωωωωt)

• φφφφC = 2·arcos[(V B + vγγγγBE)/Vg pico ]

VB+vγγγγBE

t

t

vg

φφφφC

iB

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe


Rg

+

+

-vCE

iC

vg

VB

+

-vBE

iB

+ -

RB

CB

VB = (Vg pico – vγγγγBE)·RB/(RB + Rg + rBE)

VB + vγγγγBE = Vg pico ·RB/(RB + Rg + rBE) + vγγγγBE·(Rg + rBE)/(RB + Rg + rBE)

Se Vg pico ·RB >> vγγγγBE·(Rg + rBE), então:

VB + vγγγγBE ≈≈≈≈ Vg pico ·RB/(RB + Rg + rBE) quer dizer, proporcionalidade

Como: vg = VB + vγγγγBE + (Rg + rBE)·iB ⇒⇒⇒⇒ vg >> vBE ⇒⇒⇒⇒ Ganho pequeno

Realização prática

vBE = vγγγγBE + iB·rBE

vγγγγBErBE

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro


φφφφC = 2·arcos[(V B + vγγγγBE)/Vg pico ]

Então:

iB = [sen( ωωωωt) – cos( φφφφC/2)]· Vg pico /(Rg+rBE)

Portanto:

iC = [sen( ωωωωt) – cos( φφφφC/2)]·ββββ·Vg pico /(Rg+rBE)

O valor de pico vale:

iCpico = [1 – cos( φφφφC/2)]·ββββ·Vg pico /(Rg+rBE)

De outro modo:

iB =Rg+rBE

Vg pico ·sen(ωωωωt) – (VB + vγγγγBE)

Como:

iC = iCpico ·1 – cos( φφφφC/2)

sen(ωωωωt) – cos( φφφφC/2)

ββββ

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

ββββ

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

iC

φφφφc

ICpico

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe


IC iCca1iC

L RL

C +

-vRL

Harm.

iC = iCpico ·1 – cos( φφφφC/2)

sen(ωωωωt) – cos( φφφφC/2)

IC = ·1 – cos( φφφφC/2)

sen(φφφφC/2) – (φφφφC/2)·cos(φφφφC/2)iCpico

ππππ• Componente CC:

φφφφC– sen φφφφCiCpicoiCca1(ωωωωt) = · ·sen(ωωωωt)

1 – cos( φφφφC/2)2ππππ• Comp. Fundamental:

• Componentes harmônicas

O resto dos harmônicos se curtocircuitan pelo condensador

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Circuito equivalente CA

Portanto:

vRL(ωωωωt) = -RL·iCca1(ωωωωt)

vce(ωωωωt) = vRL(ωωωωt) = -RL·iCca1(ωωωωt)

iCca1(ωωωωt)

RL

+

-vRL


iCca1(ωωωωt)

t

vce = -RL· sen(ωωωωt)·1 – cos( φφφφC/2)

φφφφC– sen φφφφCiCpico

2ππππEntão:

ββββ

L

VCC

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-vRL

ββββ

L

VCC

+

-

+

-vCE RL

+ -iCiRL

C

VCC

+

-

+

-vRL

φφφφC– sen φφφφCiCpicoiCca1(ωωωωt) = · ·sen(ωωωωt)

1 – cos( φφφφC/2)2ππππ

vce = - · iCpico ·sen(ωωωωt)1 – cos( φφφφC/2)

φφφφC– sen φφφφCRL

2ππππ

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Inclin.-1/RL’

vCE

iC

IB

Retas de carga, ponto de operação (estático) e excursão do ponto de

operação

Reta de carga CA

t∆∆∆∆vCE

VCC

Reta de carga CC

Amplificadores “Classe C”Como:

vce = - · iCpico ·sen(ωωωωt)1 – cos( φφφφC/2)


2ππππEntão:

∆∆∆∆vCE = · iCpico1 – cos( φφφφC/2)


2ππππ

Logo:∆∆∆∆vCE = RL’·iCpico

RL’ = ·1 – cos( φφφφC/2)


2ππππ

sendo:

φφφφCt

iCpico

ππππ-φφφφC

2

vCE0Cálculo de vCE0:

vCE0 = VCC – ∆∆∆∆vCE·cos( φφφφC/2)

Valor da inclinação da “reta de carga”:

-1/[RL’·(1 – cos( φφφφC/2)]

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro


PRF = (∆∆∆∆vCE)2/(2·RL) = (iCpico ·RL’)2/(2·RL)

iCpico max = vCE0 min /[RL’·(1 – cos( φφφφC/2)] = [VCC(1 – cos( φφφφC/2))]/[RL’·(1 – cos( φφφφC/2)] ⇒⇒⇒⇒

iCpico max = VCC/RL’

IC


iC

vCE

IBInclinação-1/[RL’·(1 – cos( φφφφC/2)]

t∆∆∆∆vCE

VCC

φφφφCt

iCpico

ππππ-φφφφC

2

vCE0

PCC = VCC·IC

RL’ = ·1 – cos( φφφφC/2)


2ππππ

η η η η = PRF/PCC ⇒⇒⇒⇒

IC =ππππ·[1 – cos( φφφφC/2)]

sen( φφφφC/2) – (φφφφC/2)·cos( φφφφC/2)·iCpico

4·VCC·[sen( φφφφC/2) – (φφφφC/2)·cos( φφφφC/2)]

iCpico ·RL’·[φφφφC– sen φφφφC]η η η η = PRF/PCC =

Logo ηηηη aumenta com iCpico . Calculamos o valor máximo:

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro



4·[sen( φφφφC/2) – (φφφφC/2)·cos( φφφφC/2)]

[φφφφC– sen φφφφC]ηηηηmax =

Substituindo iCpico por iCpico max :

100

90

80

70

60

500 90 180 270 360

ηηηηmax [%]

φφφφC [º]

100

90

80

70

60

500 90 180 270 360

100

90

80

70

60

500 90 180 270 360

ηηηηmax [%]

φφφφC [º]

IC

iC

vCE

IBInclinação-1/[RL’·(1 – cos( φφφφC/2)]

t∆∆∆∆vCE

VCC

φφφφCt

iCpico max

ππππ-φφφφC

2

vCE0

Incl. -1/RL’

2·VCC

Situação com o máximo sinal que se pode operar

Classe A

Classe B

Classe C (exemplif.)

4·VCC·[sen( φφφφC/2) – (φφφφC/2)·cos( φφφφC/2)]

(VCC - vCE sat)·[φφφφC– sen φφφφC]ηηηηmax real =

Rendimento máximo real:

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

Linearidade: Difícil, sacrificando o ganho.

Rendimento máximo: Alto, 80-90 %.

Ganho: Baixo.

Impedância de entrada: Muito não linear.

Corrente de coletor: Picos elevados e estreitos.

Largura de banda: Pequena.


Resumo de características:

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificadores “Classe C”Modulador de amplitude

Q1

L

VCC

+

-vCE

RL

+ -iC

C

VCC’

+

-vRL

+-


de BF

VCC’

+

-

v tr

iC

vRL

vtr

VCC’ = VCC+vtr

vCC’

vCC

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificadores “Classe D”

+

-vRL

D1

RL

L

C

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

iLvRL

Circuito básico

vAVCC/2

-VCC/2

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroAmplificadores “Classe D”

L +

-vRL

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

vAVCC/2

-VCC/2= + Harmônicos

vRL∆∆∆∆vRL

∆∆∆∆vRL = (VCC/2)·4/π π π π = 2·VCC/ππππLogo, a tensão de saída é proporcional a alimentação ⇒⇒⇒⇒ Pode usar-se como modulador de amplitude.

Análise

Menor freqüência de operação devido aos transistores trabalharem em comutação.

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iro

L +

-vRL

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

L +

-vRL

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

+

-vRL

+

-

+

-vRL

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

D1

RLC

+VCC

iC2

D2

Q1

Q2

iC1

iD2

iD1

A

+

-vA

+

-

+

-vA

iL

+ -

VCC/2

Amplificadores “Classe D” e amplificadores “Classe E ”

iC1

iC2

vAiL

Classe D Classe EvAiL

iC1

iC2

iD2

iD1

vAiL

Comutação forçada dos diodos: deixam de conduzir quando os transistores começam a conduzir.

Comutação natural dos diodos: deixam de conduzir quando se inverte a corrente de ressonância.

UE

RJ

-C

ircui

tos

de C

omun

icaç

ão

Pro

f. G

il P

inhe

iroExemplo prático de amplificador de potência (obtido do ARRL Handbook 2001)

Amplificador linear Classe B em Push-Pull

Polarização

Push-Pull

Filtro passa-baixos

amplificadores de potencia de rf - lee.eng.uerj.brgil/circom/amplificadores de potencia de...

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