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Amplificadores Diferenciais
Eletrnica Analgica II
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Introduo
- Amplificador Operacional (amp op) ou AO
- O termo refere -se a um amplificador que realiza uma operao matemtica.
- Inicialmente, implementao do amp op com componentes discretos.
- Nos anos 80, utilizao de circuitos integrados (CIs).
Amp op implementado com vlvulas Amp op na forma de um CI
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Introduo
- Amplificador Operacional (amp op) ou AO
- um amplificador de ganho alto, impedncia de entrada muito alta e impedncia de sada baixa.
- Geralmente, pode operar em frequncias de 0 a acima de 20 MHz.
- Um CI amp op um bloco funcional com pinos externos.
- Conectando -se esses pinos a tenses de alimentao e alguns componentes, pode -se construir rapidamente vrios tipos de circuitos convenientes.
Como alguns circuitos integrados so construdos?
R: Seo 17.1 Livro Malvino
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Amplificador Diferencial
- Componentes prticos que podem ser produzidos em um CI
- Transistores, diodos e resistores;
- Capacitores menores que 50 pF.
- Ausncia de capacitores de acoplamento e de desvio (bypass).
- Acoplamento direto entre os estgios.
- Amplificador diferencial (amp dif) o circuito de entrada utilizado em muitos amp op.
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Amplificador Diferencial
- Forma geral
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Amplificador Diferencial
- Forma geral
- Dois estgios CE em paralelo com um resistor de emissor comum.
- Duas entradas e duas sadas (tenso entre os coletores).
- O circuito completo considerado um estgio.
- Idealmente, o circuito simtrico com transistores e resistores de coletor idnticos.
- A voltagem de sada
vout =v c2 vc1
- Com simetria perfeita, v out = 0 quando v 1 = v 2.
- Na figura, v 1 maior que v 2.
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Amplificador Diferencial
- Forma modificada
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Amplificador Diferencial
- Forma modificada
- Informaes sobre as vrias caractersticas de entrada de um tpico CI amp op.
- Entrada dupla, sada nica.
- Quando V 1 , a corrente de emissor do transistor da esquerda . Isto eleva a tenso na extremidade superior
de R E, que equivale diminuio do V BE do transistor da direita. V BE menor significa menor corrente de coletor no transistor correspondente, o que aumenta a tenso de sada.
- V1 tenso de sada . Por isso, a entrada de tenso V 1
chamada de entrada no - inversora.
- V2 tenso de sada . Por isso, a entrada de tenso V 2
chamada de entrada inversora.
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Amplificador Diferencial
- Forma modificada
- Smbolo diagrama de blocos
- Entrada diferencial e sada nica
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Amplificador Diferencial
- Amp dif com resistores de base
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Amplificador Diferencial
- Amp dif com resistores de base
- Corrente de cauda: corrente atravs do resistor de emissor;
- Quando os transistores so idnticos, corrente divide -se igualmente entre Q 1 e Q 2;
- Pela lei de Ohm, equao ideal para a corrente de cauda
- Pode-se incluir a queda V BE
- VBE, aproximadamente 0,7 V (transistores de silcio).
E
EET
R
VI
E
BEEET
R
VVI
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Amplificador Diferencial
- Amp dif com resistores de base
- Pode-se incluir o efeito da resistncia de base utilizando
ccBE
BEEET
RR
VVI
2
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.1: Considere os transistores idnticos com
cc = 100. Qual a tenso de sada?
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.1: Soluo 1
- Idealmente, a extremidade superior do resistor emissor est no potencial do terra, assim
- Cada emissor fornece metade dessa corrente de cauda
- A corrente de coletor do transistor da direita aproximadamente 0,5 mA
AK
V
R
VI
E
EET m 1
15
15
mA 5,0mA 15,0EI
VKVVout 5,715mA5,015
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.1: Soluo 2
- Pela segunda aproximao
- Corrente de emissor em cada transistor
- e a tenso de sada
AK
VV
R
VVI
E
BEEET m 953,0
15
7,015
mA 477,0mA 953,05,0EI
VKVVout 85,715mA477,015
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.1: Soluo 3
- Pela resposta quase exata
- Corrente de emissor em cada transistor
- e a tenso de sada
- Respostas melhoram a cada refinamento.
- Ignorar 0,7V produz um erro menor que 5%.
AKK
VV
RR
VVI
ccBE
BEEET m 943,0
2003315
7,015
2
mA 472,0mA 943,05,0EI
VKVVout 92,715mA472,015
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.2: Se cc = 100 para os dois transistores do amp dif do exemplo anterior, qual a corrente de base, e a tenso de base?
- Soluo: a corrente ideal de cauda 1 mA. A metade disso 0,5 mA. A corrente de base em cada transistor
- A tenso nas duas bases
A5 100
mA5,0
cc
EB
II
VKVB 165,033A5
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.3: Considere agora que o transistor da esquerda tem cc = 90 e o transistor da direita tem cc= 110. Quais so as correntes de base? E as tenses de base?
- Soluo: a corrente ideal de cauda 1 mA. A metade disso 0,5 mA. A corrente e tenso de base do transistor da esquerda so
- A corrente de base do transistor da direita
- Para transistores no idnticos, haver ligeira diferena nas duas correntes e tenses de base resultantes.
A5,56 90
mA5,0
11
cc
EB
II
VKVB 15,033A55,42A4,55
110
mA5,0
2
2
cc
EB
II
VKVB 183,033A56,51
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Amplificador Diferencial
- Corrente de compensao ( offset ) de entrada
- Diferena entre as correntes da base
- Indicao de quo prximas so as caractersticas dos dois transistores.
- O fato da corrente de um transistor ser maior que a do outro pode causar problemas se as resistncias de base forem muito grandes.
- Quanto maiores as resistncias da base, maiores sero as tenses de base.
21 BBoffin III
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Amplificador Diferencial
- Corrente de polarizao de entrada
- Mdia das duas correntes de base
- Corrente de base
- As folhas de dados de amps op sempre incluem os valores de I in(off) e I in(bias) .
- Para calcular as correntes de base
2
21 BBbiasin
III
21
offin
biasinB
III
22
offin
biasinB
III
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.4: Considere que na figura a seguir o transistor da esquerda tem cc = 90 e o transistor da direita tem cc = 110.Quais sero as duas correntes e tenses de base?
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.4: Soluo
- A corrente de cauda 15 A (15V/1M ), sendo a metade desse valor igual a 7,5 A.
- Corrente e tenso na base do transistor da esquerda
- Corrente e tenso na base do transistor da direita
- Correntes de base pequenas permitem utilizar resistncia de 1 M e ainda obter de tenses de base pequenas.
- Projetista tenta manter a tenso de base < que 0,1 V.
- Isto faz da corrente ideal de cauda uma boa aproximao
nA 3,8390
A 5,7
1
1
cc
EB
II VMnVB 0833,01A3,831
nA 2,68110
A 5,7
2
2
cc
EB
II VMnVB 0682,01A2,682
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.5: No exemplo anterior, qual a corrente de compensao de entrada? E a corrente de polarizao de entrada?
- A corrente de compensao de entrada a diferena entre as duas correntes de base
- A corrente de polarizao de entrada a mdia entre as duas correntes de base:
nAnAnAIII BBoffin 1,152,683,8321
nAnAnAII
I BBbiasin 8,752
2,683,83
2
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Amplificador Diferencial
- Exemplo 1.6: As folhas de dados de um CI amp op fornecem esses valores: I in(offset) = 20 nA e I in(bias) = 80 nA. Quais so as duas correntes de base?
- As folhas de dados fornecem valores absolutos para I in(offset) .
- Uma I in(offset) de 20 nA significa que uma corrente de base 20nA maior do que a outra.
- Admitindo que I B1 > I B2:
- Se I B1 < I B2 os valores sero contrrios.
nAnA
nAI
IIoffin
biasinB 902
2080
21
nAnA
nAI
IIoffin
biasinB 702
2080
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Anlise CA de um amp dif
- Outra forma de visualizar as tenses de entrada e de sada de um amp dif
- A tenso denominada v 1 a que o amp dif realmente responde.
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Anlise CA de um amp dif
- A tenso v 1 a que o amp dif amplifica para produzir o sinal de sada.
- Circuito da cauda uma fonte de corrente.
- O objetivo geral da polarizao de emissor produzir uma corrente de emissor bem estvel.
- Corrente ideal de emissor
- Uma vez que V EE e RE sejam ajustados, a corrente de emissor constante.
- Para simplificar a anlise ca, substitui -se a cauda por uma fonte de corrente.
E
EEE
R
VI
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Anlise CA de um amp dif
- Circuito da cauda uma fonte de corrente.
- A fonte de corrente produz uma corrente constante I T.
- Se os transistores forem idnticos, essa corrente de cauda de dividir igualmente entre os transistores.
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Anlise CA de um amp dif
- Circuito da cauda uma fonte de corrente.
- A tenso de sada ser igual tenso de alimentao do coletor menos a queda de tenso no resistor de coletor.
- Se v 1 for zero, a tenso de sada permanecer constante.
- Se v 1 > 0, a tenso de sada aumentar.
- Se v 1 < 0, a tenso de sada diminuir.
- Motivo: a corrente de cauda a soma das duas correntes de emissor.
- Admitindo v 1 > 0, a corrente do emissor de Q 1 aumenta.
- Como a corrente de cauda constante, a corrente de emissor de Q 2 tem de diminuir, pois
21 EET III
12 ETE III
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Anlise CA de um amp dif
- Circuito da cauda uma fonte de corrente.
- Uma menor corrente de emissor atravs de Q 2 significa uma menor corrente de coletor e uma maior tenso de sada.
- Por outro lado, quando v 1 < 0, a corrente de emissor de Q1 diminuir, o que forar a corrente de emissor de Q2 a aumentar.
- Isso significa que a corrente de coletor ser maior, o que produz uma tenso de sada baixa.
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Anlise CA de um amp dif
- Circuito equivalente ca.
- Aterrar os pontos VCC e VEE (reduzir fonte de tenso para zero).
- Abrir a fonte de corrente.