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CURSO: Eletroeletrônica MODALIDADE: Presencial

DISCIPLINA: Eletrônica Geral II CÓDIGO:

PROFESSOR: Roberto Soldi

CARGA HORÁRIA SEMESTRAL: 80

SEMESTRE/ANO: 1/2013 SEMESTRE DO CURSO: 3

PRÉ-REQUISITOS:

AMPLIFICADORES – Parte 1

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INTRODUÇÃO

Em sua forma mais simples, um amplificador recebe um sinal de entrada, aumenta sua

amplitude (o amplifica) e fornece um sinal de saída para um outro estágio ou um

transdutor. Neste amplificador, é importante que o sinal de saída seja uma réplica

exata do sinal de entrada no que diz respeito à forma de onda do sinal (a diferença

entre a entrada e a saída deveria ser apenas a amplitude).

Quando a forma da onda do sinal de saída tem a mesma forma que a onda do sinal de

entrada, é chamada de amplificador de classe A. Outras classes de amplificadores

como os amplificadores das classes B, AB e C e outros, também amplificam o sinal,

mas alteram sua forma em alguma maneira importante. Os amplificadores são

normalmente operados com dois tipos diferentes de tensões e ambos são importantes

e necessários. Uma das tensões utilizadas é a tensão contínua necessária para

alimentar e operar os dispositivos. A outra tensão é o sinal a ser amplificado.

Existem diversas maneiras de se referir a amplificadores. Se um amplificador for

usado para transformar a fraca tensão de um sinal em forte tensão de sinal, é

chamado de amplificador de tensão. Se o amplificador mudar a tensão de um sinal

numa corrente de um nível bastante elevado para operar um transdutor, é chamado de

amplificador de potência.

Os nomes classe A, classe B, e classe C referem-se á maneira pela qual o dispositivo

amplificador é polarizado. Os amplificadores da classe A não são sempre melhores

que os amplificadores da classe B.

Os termos acoplamento RC, acoplamento por impedância, acoplamento por

transformador e acoplamento direto referem-se à maneira com que o sinal é passado

de um estágio amplificador para o próximo amplificador. Os métodos de acoplamento

dos amplificadores serão estudados num próximo capítulo.

Os amplificadores podem também ser identificados de acordo com o tipo de sinal

amplificado. Desta forma, temos amplificadores de áudio e amplificadores de

radiofrequência.

Nesta apostila veremos as classes de amplificadores e os métodos de polarização

relacionados com estas classes de amplificadores.

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Cap. 1. CONCEITOS

Transistores Bipolares de Junção

A eletrônica moderna começou com o aparecimento do transistor em 1947. Um transistor é feito de três camadas, geralmente de silício (elemento químico encontrado em grande quantidade na natureza). No processo de fabricação do transistor, se uma das camadas é enriquecida com elétrons, passa a ser chamada N; se é empobrecida, isto é, perde elétrons, vira camada P. Há dois tipos de transistores que podem ser construídos com camadas P e N: · transistores NPN; · transistores PNP.

Todo transistor possui três terminais. Aquele que está ligado à camada do meio chama-se base. Os que estão ligados às camadas das pontas, chamam-se emissor e coletor. A figura ao lado ilustra os transistores PNP e NPN com seus símbolos. A figura a seguir, mostra o aspecto físico de vários transistores, com a identificação dos terminais.

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Os transistores funcionam de maneira semelhante ao registro de água. Entre coletor e emissor do transistor aplica-se uma tensão elétrica, e entre a base e o emissor faz-se circular uma corrente, que irá controlar a corrente entre coletor e emissor. A corrente da base deve ser obtida por uma tensão elétrica adequada. Se a base é P, o pólo positivo da tensão deve ser ligado na base, e o negativo no emissor. Assim, os elétrons em excesso no emissor são acelerados em direção à base. Como a base é fina (veja figura a seguir), os elétrons entram no coletor.

Assim como no registro de água o controle de abertura faz variar o fluxo de água, no transistor a corrente de base controla a corrente entre coletor e emissor. A figura ao lado mostra como deve ser ligado um transistor NPN, de tal forma que a corrente de base (ali chamada de IB) controle a corrente do coletor (IC) e do emissor (IE).

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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.

Matematicamente temos:

com VCB constante (1)

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.

Matematicamente temos:

com VCE constante (2)

Façamos então uma análise dessas expressões para termos uma idéia de grandeza

dos parâmetros alfa e beta. Aplicando as leis de Kirchhoff para corrente, temos:

IC + IB - IE = 0 (3)

Resolvendo:

IE = IC + IB (4)

Como IB é muito menor do que IE e IC , podemos então dizer que IE é um pouco maior

do que IC (aproximadamente iguais). Logo, dividindo IC por IE , resulta em um valor

menor do que 1, e podemos dizer então que:

α < 1

Como IC é muito maior do que IB , o resultado da divisão entre IC e IB , resulta em um

número muito maior do que 1, e podemos dizer que:

β >>> 1

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RELAÇÃO ENTRE O ALFA E O BETA

A relação entre o alfa e o beta pode ser mostrada de maneira bastante simples, a

partir da expressão (3), onde temos:

IB = IE - IC (5)

de (1) temos: IC = αIE (6)

substituindo (6) em (5), temos: IB = IE - αIE , logo:

IB = IE ( 1 - α ) (7)

dividindo IC por IB, temos:

(8)

Como IC / IB = β, temos:

(9)

De (9), tiramos:

β ( 1 - α ) = α

β - βα = α

β = α + βα

β = α ( 1 + β )

Normalmente alfa e beta são definidos apenas para medir corrente contínua, mas

muitas vezes são utilizados por alguns autores, para medir indistintamente corrente

alternada e corrente contínua. Para trabalhar com corrente alternada, utiliza-se um

artifício bem simples: injeta-se uma corrente na entrada e mede-se a corrente na

saída; injeta-se uma outra corrente na entrada e mede-se a nova corrente na saída.

Com isto obteremos uma variação dessas correntes na entrada e na saída, de onde

obtemos:

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∆IB , ∆IC e ∆IE

Desta forma, o quociente da variação da corrente da entrada com a variação da

corrente da saída, nos simulará o ganho de corrente alternada.

Neste caso é importante que o resultado dessa variação seja o mais reduzido possível,

para que possamos obter um ganho real. Desta forma temos:

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PRÁTICA

MATERIAIS NECESSÁRIOS

1 - Fonte DC: 0 +5 +12V

1 - Multímetro analógico ou digital

Transistores: TIP 41, TIP 42 e 2N3055

Resistores: 390 Ω e outros

DETERMINAÇÃO DO ββββ:

1- Monte o circuito abaixo:

2- Ajuste o valor do resistor R2 até obter um VCE entre 3 e 5V.

3- Faça as medidas das tensões Vce e Vbe e complete a tabela 1.

4- Calcule as correntes de coletor e base e complete a tabela 1.

Tabela 1

Transistor VBE VCE IB IC ββββ CC (Ic/Ib

TIP 41 V V mA mA

2N3055 V V mA mA

+12V +5V

390Ω R2

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5- Monte o circuito abaixo:

6- Ajuste o valor do resistor R2 até obter um VCE entre 3 e 5V.

7- Faça as medidas das tensões Vce e Vbe e complete a tabela 2.

8- Calcule as correntes de coletor e base e complete a tabela 2.

Tabela 2

Transistor VBE VCE IB IC ββββ CC (Ic/Ib

TIP 42 V V mA mA

9- Compare os valores de β (hFE) obtidos no experimento com os valores encontrados no

datasheet dos componentes. Explique:

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________

+12V

390Ω R2

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Amplificador: Dispositivo ao qual se aplica um sinal de pequena amplitude e que produz um

sinal com a mesma forma do sinal aplicado mas de maior amplitude.

Linearidade de um amplificador: Faz com que o sinal de saída do amplificador seja uma

réplica exata do sinal de entrada, embora com maior amplitude.

Símbolos de circuito:

Ganho de tensão:

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Ganho de potência e ganho de corrente:

Ganho expresso em decibéis:

As fontes de alimentação de um amplificador:

- Amplificador com duas fontes de alimentação CC:

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Representação gráfica:

A amplificação de um circuito linear é comumente representada por uma reta, conforme o

gráfico a seguir. A reta neste caso é resultado da equação X(t) = 2Y(t) + 2.

O ganho é dado pela inclinação da curva (neste caso igual a 2)

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Saturação de um amplificador:

Sinal de

entrada

Sinal de

saída

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Características de transferência não lineares e polarização:

Amplificador alimentado só com uma fonte de CC (positiva)

Característica de transferência (não linear)

Técnica para obter amplificação linear: Polarização do circuito, que consiste na aplicação de

uma tensão contínua VI de modo que o circuito funcione num ponto do meio da característica.

Ponto Q – ponto de funcionamento estático (ou de quiescência).

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MODELOS DE CIRCUITOS PARA AMPLIFICADORES

Amplificador de tensão:

Amplificador de tensão alimentado por um fonte de tensão e com uma carga ligada à saída:

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Amplificadores de corrente:

Amplificador de corrente alimentado por uma fonte de corrente e com uma carga ligada à saída.

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Cap 2. Principais Classes de Amplificadores

2.1 Amplificador Classe A:

A Figura 1 mostra a relação entre o sinal de entrada co sinal de saída para um amplificador de

classe A. Abaixo do sinal de-entrada pode ser observada urna linha pontilhada marcada com

interrupção. Se o sinal atravessar esta linha, o amplificador é desligado durante curtos períodos

de tempo. Para operação em classe A não é permitido ao sinal atravessar esta linha. De fato,

numa operação classe A não é geralmente permitido ao sinal aproximar-se deste ponto de

interrupção. Também é igualmente importante que a altura dos meios ciclos positivos não seja

grande demais.

Figura 1

O sinal de saída é uma réplica do sinal de entrada, exceto por um detalhe importante: o sinal é

invertido. Uma outra maneira de expressar isto é dizer que o sinal de saída está defasado de

1800, com relação ao sinal de entrada. Quando o sinal de entrada for numa direção positiva, o

sinal de saída estará numa direção negativa. Quando o sinal de entrada estiver numa direção

negativa, o sinal de saída estará numa direção positiva. As formas das ondas de entrada e de

saída são as mesmas, exceto por este fato. O fato de o sinal de saída estar invertido é

freqüentemente chamado de inversão de fase. Mais adiante, neste capitulo, você irá ver por que

isto ocorre.

A inversão de fase não constitui um problema importante, na maioria dos amplificadores.

Geralmente, um segundo amplificador irá inverter de novo a fase para sua posição original. Isto

está ilustrado na Figura 2. Observe que, depois do primeiro estágio, o sinal é invertido em fase

(de cabeça para baixo) e, no segundo estágio, o sinal é novamente invertido. A saída do segundo

estágio está em fase com a entrada do amplificador. Quando dois sinais estão em fase, isto

significa que os dois estão positivos ou negativos no mesmo instante.

Figura 2

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Se o circuito for usado como amplificador de áudio, a inversão de fase não tem nenhum efeito

sobre o sinal sonoro de saída. O ouvido não reage aos tipos de inversão de fase descritos aqui.

Uma outra característica importante de um amplificador classe A é que existe sempre uma

corrente de saída através do dispositivo amplificador. Isto está certo, quer haja ou não um sinal

sendo amplificado.

Em resumo, um amplificador classe A é um amplificador no qual o sinal de saída é semelhante

ao sinal de entrada com duas diferenças principais: possui geralmente maior amplitude e sua

fase pode ser invertida. Existe sempre um fluxo de corrente através do dispositivo amplificador

em operação classe A.

2.2 Amplificador Classe B:

Num amplificador classe B existe um sinal de saída durante, apenas, meio ciclo do sinal de

entrada. Isto está ilustrado na Figura 1 Observe que o sinal de entrada está acima da linha de

interrupção durante um meio ciclo e abaixo da linha de interrupção, durante o meio ciclo

seguinte. Durante o meio ciclo em que o sinal está abaixo da linha de interrupção, não há sinal

de saída do amplificador.

Figura 1

O formato de onda de saída para o amplificador de classe B mostra que é constituído de uma

série de meios ciclos. Como anteriormente, os formatos da onda de saída são invertidos, isto é,

são defasados de 180°, com o sinal de entrada. Também, possuem maior amplitude que o sinal

de entrada.

Você poderia perguntar se haveria alguma vantagem na operação de um amplificador em classe

B, sobre a operação em classe A. Uma vantagem muito importante é seu maior rendimento.

Você pode pensar dos amplificadores como se fossem gente. Se você der para eles um pouco de

tempo de folga, eles irão trabalhar de forma mais eficiente. O fato de um amplificador ser

desligado durante metade do ciclo de entrada significa que o amplificador possui um período de

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repouso. O rendimento de um amplificador de classe B é muito maior que o rendimento de um

amplificador de classe A.

Alguns dispositivos amplificadores são muito mais eficientes do que outros. Porém, qualquer

dispositivo amplificador (válvula, transistor bipolar ou transistor FET) será mais eficiente como

amplificador classe B, em comparação com o mesmo dispositivo operado como classe A.

Um amplificador classe B pode ser usado nos casos onde a distorção do sinal de saída não

constitui nenhum problema. A distorção é uma medida de quanto o sinal e saída difere do sinal

de entrada. Um sinal altamente distorcido é um sinal no qual a forma do sinal de saída não

parece muito com o sinal de entrada. O sinal de saída de um amplificador no qual o sinal de

saída contém, apenas, meio ciclo do sinal.

Dois amplificadores classe B podem se ligados de tal forma que um amplifica apenas o meio

ciclo positivo do sinal e o outro amplifica apenas o meio ciclo negativo do sinal. Estes dois

amplificadores eficientes produzem uma saída não distorcida, conforme indicado na Figura 2 Os

dois meios ciclos foram combinados num componente de circuito, como, por exemplo, um

transformador, de modo que o sinal de saída contém ambos os meios ciclos.

Figura 2

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Cap. 3. O TRANSISTOR BIPOLAR COMO AMPLIFICADOR

CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO EM EMISSOR COMUM Fontes de alimentação e resistores polarizam um transistor, isto é, eles estabelecem valores específicos de tensões e correntes nos seus terminais, determinando, portanto, um ponto de operação no modo ativo (o ponto de operação). A Figura 3-6 mostra o circuito de polarização por base. A principal desvantagem dele é a sua susceptibilidade à variação do βCC. Em circuitos digitais, com o uso de βCC(SAT), isto não é problema. Mas em circuitos que trabalham na região ativa, o ponto de

operação varia sensivelmente com o βCC. Pois: IC = βCC *IB.

Figura 3-6

POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO O circuito mais usado em amplificadores é chamado de polarização por divisor de tensão. A Figura 3-7 mostra o circuito. 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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Figura 3-7

Para a análise da tensão em VR2, observar que R1 e R2 formam um divisor de tensão. Supondo I>> IB: R2

VR2 = ---------------- VCC (Eq. 3-4)

R1 + R2

* a tensão VR2 não depende de βCC

Com o valor de VR2 é simples o cálculo de IE. Deve-se olhar a malha de entrada:

VR2 = VBE + VE (Eq. 3-5) como VE = IE RE

VR2 - VBE

ΙΕ = −−−−−−−−−−−− (Eq. 3-6)

RE

Análise da malha de saída:

VCC = RC IC + VCE + RE IE (considerando IE = IC)

VCC = IC (RC + RE) + VCE (Eq. 3-7)

VCC - VCE

IC = ----------------------- (Eq. 3-8)

(RC + RE)

Notar que βCC não aparece na fórmula para a corrente de coletor. Isto quer dizer que o circuito é imune a variações em βCC, o que implica um ponto de operação estável. Por isso a polarização por divisor de tensão é amplamente utilizada.

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Exemplo 3-4 Encontre o VB, VE, VCE e IE para o circuito da Figura 3-8. SOL.: Cálculo de VR2 a partir da Eq. 3-4

Figura 3-8

1K

VR2 = −−−−−−−−−−− ∗ 30 = 3,85V 6K8 * 1K

Cálculo de IE a partir da Eq. 3-6

3,85 - 0,7

IE = −−−−−−−−−−−− = 4,2 mA 750

Cálculo de VE

VE = IE RE = 4,2m*750= 3,15V Cálculo de VCE a partir da Eq. 3-7

VCE = 30- 4,2m*(3k+750)=14,3V

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REGRAS DE PROJETO Sempre ao polarizar um transistor, deseja-se manter o ponto Q de operação fixo independente de outros parâmetros externos, ou seja, espera-se um divisor de tensão estabilizado. Para minimizar o efeito do βCC, considerar:

R2 ≤ 0,01βCC RE (Eq. 3-9) onde o valor de βCC é o do pior caso, ou seja, o menor βCC que o transistor pode ter. O defeito desta regra, é o fato de um baixo R2 influenciar negativamente na impedância de entrada. Então como opção pode-se considerar: R2 ≤ 0,1βCC RE (Eq. 3-10) assim R2 será maior, mas com possibilidade de degradação na estabilidade do ponto Q. Quando se segue a regra da Eq. 3-10 designa-se o circuito de polarização por divisor tensão firme e quando se segue a regra da Eq. 3-9 é polarização por divisor de

tensão estabilizado.

Na escolha do ponto de operação da curva IC x VCE, deve-se dar preferência a um ponto central, isto é, VCE = 0,5 VCC ou IC = 0,5 IC(SAT). De forma que o sinal possa excursionar ao máximo tanto com o aumento de IB quanto com a diminuição. Por último, aplicar a regra de VE ser um decimo de VCC.

VE = 0,1 VCC (Eq. 3-11) Exemplo 3-5 Polarizar um transistor por divisão de tensão firme. Dados: VCC= 10V, IC= 10mA e βCC= 100 SOL.: Cálculo de RE aplicando a regra da Eq. 3-11 VE= 0,1*10=1V IE= IC

RE= VE/ IE = 100Ω cálculo de RC a partir da Eq. 3-8 e VCE= 0,5 VCC 10 – 5 RC = ------------ - 100 = 400Ω 10mA cálculo de R2 a partir da Eq. 3-10

R2 ≤ 0,1*100 *100 = 1000 R2 = 1000Ω cálculo de R1 Eq. 3-4 R2 1000 VR2 = ---------------- Vcc = ------------- * 10 R1 + R2 1000 + R1 R1 = 4888 = 4K7Ω

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EXERCÍCIOS Ex. 3-1) No circuito da figura abaixo, encontre as tensões VE e VCE de cada estágio.

Figura 3-9

Ex. 3-2) Projete um circuito de polarização por divisor de tensão com as seguintes especificações: VCC = 20V, IC = 5mA, 80< βCC < 400. Ex. 3-3) O transistor da figura abaixo tem um βCC =80. Qual a tensão entre o coletor e o terra? Para βCC = 125, calcule a tensão na base, a tensão no emissor e a tensão de coletor.

Figura 3-10

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Ex. 3-4) Qual a tensão do emissor e do coletor (os dois em relação ao terra) para cada estágio do circuito abaixo, sendo VCC = 10V.

Figura 3-11

Ex. 3-5) No exercício anterior, suponha VCC = 20V e calcule de cada estágio: VB, VE, VC

e IC . Ex. 3-6) Ainda em relação ao exercício 4. Considere VCC =20V. Indique o que ocorre com a tensão do coletor Q1 (aumenta, diminui, não altera) se:

• 1k8 aberto

• coletor emissor do Q1 em curto • 240 aberto

• 240 em curto

• 300 em curto

• 1k aberto

• 910 aberto Indique o que ocorre com a tensão do coletor Q1 (aumenta, diminui, não altera) se:

1k aberto 1k em curto 180 aberto 180 em curto 620 aberto 620 em curto coletor emissor de Q3 em curto coletor emissor de Q3 aberto 150 aberto 150 em curto