EletrnicaAula 07 CIN-UPPE

Amplificador bsicoAmplificador bsico um circuito eletrnico, baseado em um componente ativo, como o transistor ou a vlvula, que tem como funo amplificar um sinal de entrada e suas variaes (corrente e tenso). Esta amplificao ser refletida em uma carga Rc, de onde o sinal amplificado retirado.

http://myspace.eng.br/eng/ampclas1.asp#clas_a

Amplificador bsicoR1, R2, R3 so usados para polarizao do transistor

Sinal de entrada

Polarizao Sinal efetivo em N

Filtra sinal DC

C1, atua como filtro, para evitar que variaes de corrente em R3 na freqncia de operao do circuito.

Componente DC e CA

Amplificador bsicoAmplificador com transistor Polarizao CC Acoplamento CA Aps a polarizao do transistor no ponto Q, prximo ao centro da reta de carga, podemos aplicar uma tenso CA na base do transistor. Esta tenso amplificada e aparece no coletor do transistor com a mesma forma da onda da base.VCC C2 RL RG C1

CE

Acoplamento com capacitorO capacitor em circuitos que trabalham com sinais AC podem ser usados para duas funes bsicas: Permite que apenas os sinais CA sejam transmitidos pelo circuito amplificador. Curto circuitar sinais CA acima de determinada freqncia. (filtro).

Esta caracterstica est diretamente associada ao valor de sua reatncia capacitiva:

XC = 1/2fCEsta frmula mostra que a reatncia inversamente proporcional ao valor da freqncia. Ou seja, quanto maior for a freqncia menor ser a reatncia capacitiva. Assim: Para sinais DC os capacitores funcionam como circuitos abertos. Para sinais CA, em alta freqncia, os capacitores funcionam com curto-circuito.

Acoplamento com capacitorFuno do capacitor Em baixa freqncia o capacitor atua como um circuito aberto I=0 Em alta freqncia o capacitor conduz, deixando passando a componente alternada do sinal (CA) I = VG/(RG+R2) Est corrente a corrente mxima que pode circular no circuito, se considerando que a reatncia capacitiva tende a zero em alta freqncias.

I

VG

Acoplamento com capacitorEm um circuito CA o valor do capacitor deve ser tal, que o mesmo deve agir como curto (valor relativo pequeno de resistncia) na menor freqncia de operao 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 estgio deve interferir o mnimo possvel na corrente do circuito (trabalhar em curto circuito). Isto significa que sua reatncia capacitiva deve ser baixa. Em geral, este valor, deve ser no mximo 10% do valor da resistncia da malha:

XC < 0,1 (RG+R2)

Acoplamento com capacitorCorrente 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 apenas 1% menor que a corrente mxima do circuito, dada por I = VG/R, afetando o mnimo o comportamento do circuito. Assim, podemos tratar um capacitor como em curto-circuito quando sua reatncia for pelo menos 10 vezes menor que a resistncia total do circuito.

Acoplamento com capacitor Freqncia crtica e de quinaFreqncia crtica a freqncia onde a reatncia do capacitor igual a resistncia total do circuito. Esta freqncia chamada de freqncia de quebra (break frequency). XC = R, onde R = RG+R2

Tenso no capacitor

fc

Neste caso, a corrente I = 0,707 I mx A freqncia neste ponto, a freqncia crtica, dada por: fc = 1/2RC

Acoplamento com capacitor Freqncia crtica e de quinaFreqncia de quina a freqncia no circuito (fh), na qual o capacitor se comporta como um curto circuito.

fh > 10 fcAcima desta freqncia de quina, a corrente de carga est dentro de 1% de seu valor mximo.

Capacitor de desvio (bypass)Neste tipo de circuito, o capacitor colocado em paralelo com o resistor. O efeito prtico deste circuito desviar a corrente do resistor em freqncias altas, atravs do efeito de curto-circuito, criando um terra virtual. Neste caso, a tenso sobre o resistor cai para zero (em altas freqncias). Terra CA

A alta freqncia de quina: fh > 10 fc

Amplificador bsicoAmplificador com transistor Exemplo: Anlise Modelo CC Modelo CA

VCC C2 RL

RG

C1

CE

Anlise CC Polarizao do transistorPara se fazer a anlise CC necessrio: Eliminar as fontes CA. Abrir todos capacitores (freqncia zero) Anlise do circuito equivalente cc.

VCC

Objetivo da polarizao CC: - Colocar o transistor em uma regio de operao adequada, mantendo parmetros de amplificao como iC, VCE, iE, estveis, o mais independentes possvel dos parmetros de fabricao () ou que afetam o funcionamento do transistor (ex. temperatura).

BJT Polarizao com divisor de tenso

Equivalente Thevenin

Encontrar VBB e RBB

Tenso na base

Resistncia equivalente

IB

VBB

Considerando: IE IC IB

IB deve ser pequena para no afetar a polarizao

Polarizao com realimentaoEm geral, devemos escolher um valor RB VCE = VCC-(RC+RE ).(VBB VBE)/ REd) VBB VBE+IERE , neste caso IE IC constante no ponto de operao Q

Anlise CCEstabilidade do circuito: utilizao do do resistor no emissor (RE)VBB = RBIB+VBE+IERE

constante constante Se IC IE aumenta, ento VE = REIE tambm aumenta, mas desde que VBB e RB no 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 aumentar IC.

Anlise CCObservao importante na polarizao 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 oscilaes em VBE. As mudanas em VBE so em geral em torno de 0.1 V, assim deveramos considerar que em circuitos CC, VE = IERE >> 0.1V, ou seja:

VE > 10x 0.1V = 1V

Exemplo CCProjete um circuito estvel com um ponto Q de IC = 5.0 mA e VCE = 7.5 V. Considere entre 100 e 400.

Q (ponto de operao)

AnliseEncontrar VCC, RC, RE, R1, R2 Encontrar VCC Em geral o ponto Q localizado no meio da linha de carga: VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V

Encontrar RC e REEncontrar equao de tenso da malha CE VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3) RC+RE = 1.5K A escolha livre, mas devemos assegurar que VE=IE.RE > 1V Assim, RE > 1/IE . Como IE IC, RE > 200 Se fizermos RE = 220 , RC= 1.2K = 220 = 1.2 K

+15V

Anlise CAPara se fazer a anlise CA necessrio: 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

Operao em pequeno sinalO ponto de operao de um amplificador (ponto Q) importante, desde que este representa o ponto de funcionamento DC do amplificador.Q (ponto de operao) IE

Q (ponto de operao)

VBE

Distoro da onda(indesejvel p/amplificadores de alta fidelidade)

Operao em pequeno sinalComo reduzir a distoro da onda na sada? Uma forma seria reduo da tenso na base, o que reduziria o movimento do ponto de operao instantneo. Quanto menor for a excurso ou a variao, menor ser a curvatura que aparece no grfico. Se o sinal for suficientemente pequeno, o grfico ter uma aparncia linear.Uma regra prtica estabelece que a corrente de CA pico a pico no emissor deve ser em torno de 10% do valor CC do emissor.

Esta regra no elimina em todo a distoro, mas reduz a nveis aceitveis para a maioria das aplicaes.IE

Q (ponto de operao)

Menos distoroVBE

Resistncia CC e CAResistncia CC no transistor: RCC = V/I, onde V a tenso do diodo base-emissor (0,7V) e I a corrente de operao do transistor. Exemplo para IE = 1mA, RCC = 0,7V/1 mA = 700 Resistncia dinmica CA do transistor: Esta resistncia a variao da tenso base-emissor dividida pela variao de corrente no emissor. RCA = VBE/ IE Exemplo para VBE = 1m V e IE = 40 A,

RCA = 1mV/40 A = 25 Regra prtica: A resistncia CA aplicada a todos os transistores varia de acordo com a temperatura de operao do transistor. Para 25 oC: RCA = 25mV/ IE ou re = 25mV/IE a 50 mV/ IE Esta equao se baseia em uma juno base-emissor perfeita e depende da temperatura de operao do transistor. Este efeito resistivo ocorre dentro do transistor.

Ganhos de corrente CC e CAGanho de corrente CC CC= IC/IB (hFE)

Ganho de Corrente CA = IC/ IB ou = ic/ib (hfe)

Exemplo - Amplificador Emissor ComumCaractersticas: Inverso de fase em 180o entre os sinais de entrada e sada O capacitor de sada bloqueia a tenso CC No deve h tenso CA no emissor na freqncia de trabalho No h tenso CA na fonte de alimentao devido ao filtro da fonte.

VCC C2 RL RG C1

CE

Inverso de fase (180o)

Anlise CAPara se fazer a anlise CA necessrio: zent (base) ibR1 R2 R4 RL

vbR1 e R2 esto em paralelo

A impedncia CA de entrada vista pela base dada por: zent (base) = vb/ib (variao de tenso e corrente de base)

Modelo T anlise CAJuno T abaixo uma foram de visualizar o interior do transistor.

ic RG ib vb R1 || R2 vb Ie = vb/re Resistncia interna do transistor re ie

vc = ic.rc

RC || RL

Modelo II anlise CAEste modelo CA do transistor chamado modelo II porque ele se parece com um II.

RG VG

ib ic

R1 || R2

revb

RC || RL

-Impedncia de entrada zent (base) = vb/ib , onde: Vb = ie. re . -Assim: - zent (base) = ie. re /ib onde ie /ib (CA), da: zent (base) = re Impedncia de entrada do estgio amplificador: zent = R1 || R2 || re

Amplificador para pequenos sinais exemploCaractersticas: Um amplificador, sem ou com realimentao, deve ser capaz de reproduzir sinais com a mxima fidelidade, distorcendo o mnimo possvel o sinal de entrada. O amplificador em geral pouco eficiente no que diz respeito a energia necessria para amplificao do sinal. Apenas uma pequena parte da potncia DC usada para amplificao. O limite terico eficincia deste amplificador em geral algo em torno de 50%, ou seja, para cada watt da sada usamos 2 watts d.c. na entrada.

Amplificador classe A - exemploAmplificador Classe A com o transistor 2N2222 Identificao - um tipo de transistor NPN de propsito geral Potncia - 0.5W (capaz de dissipar 500mW) Vce - 40V (no usar acima de 20V) Ic - 0.8A (mxima) hfe 75 (fator de amplificao de 75) (ganho DC) Ft - 250 MHz

Transistor 2N2222

Amplificador classe A - exemploConsideraes: Tenso de alimentao de 12 V Transistor 2N2222

0.68 68 2N2222 68

Amplificador classe A Anlise DCAnlise DC Clculo da tenso de base Clculo da corrente de base Clculo da impedncia de entrada Tenso de base [R2/(R1 + R2)] * 12V = Base voltage (d.c.) Se usamos 82K for R1 e 39K for R2 ns obteremos uma tenso de base de [39K/(82K + 39K)] * 12V = 3.87V (d.c.) Corrente de base (em torno de 1/10 a corrente do divisor de tenso) Ib = 12/ (R1 + R2) = 0.1 mA / 10 = 0.01 mA

Amplificador classe A Anlise DCCorrente de emissor (Ie) A corrente do emissor corrente do coletor dada por: Ie IC . Ib = 75* 0.01mA = 0.75 mA (ver datasheet)

Tenso no emissor (Ve) A tenso na base superior em 0.7 V a tenso do emissor. Assim, a tenso no emissor de 3.87 - 0.75 = 3.12 V

Resistncia do emissor (Re)Re = 3.12/.00075A = 4160 (4K7)

Amplificador classe A Anlise DCCorrente de coletor (Ic) A corrente do coletor aproximadamente igual a do emissor. Neste exemplo Ie = 0.75 mA

Tenso no coletor (Ve) (considerar um bom ponto de operao)Vc = Vcc - (Ic * RL) onde RL de fato R4, ou seja, Vc = 12V - (0.00075A * R4) => Vc = 7.24 V

Resistncia do coletor (carga) (Rc) ?Rc deveria ser tal que colocasse o transistor numa boa posio na regio ativa do transistor. Neste caso R4 = 6K8 .

Amplificador classe A Anlise CAFaixa de operao do circuito amplificador: 300 a 3000 Hz

Clculo do capacitor de desacoplamento XC < 0,1 R, ou seja, XC < 2,6 K Vamos considerar XC 1000 Assim: Para freqncia de 300 HZ XC = 1/2fC => C 1/(2f. XC) => C 0.53 F Considerando esta capacitncia, p/3000 Hz XC = 100

Amplificador classe A Anlise CACapacitor do emissor (bypass) Este capacitor deve ser tal, que o emissor deve ir o terra (0V) para tenses CA. Este capacitor bypass (C2 ) deve ter o mesmo valor que C1 e C3.

Impedncia de entradaZ(ent) ou R(ent) = re = .25mV / Ie = hfe = 120 Z(ent) = [25 * 120] / 0.7 (mA) = 3K

Amplificao CA - exemploConsiderando: Beta = 120 Tenso de entrada de 10 mV (CA)

Teremos: Corrente de base (Ib) = 3.3 A Corrente de coletor = 120* Ib = 396 A.

A corrente amplificada do coletor, IC (CA) passa atravs de resistor de carga R4 (6K8 ). Usando lei de Ohm temos que a tenso no coletor pode ser dada por 396uA * 6800 = 2.7volts (CA)

O ganho de tenso do pequeno sinal:Vbase/VC = 2.7/.01 ou 270

Amplificao CA - exemploCircuito Final7.24 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

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