EletrônicaAula 07

CIN-UPPE

Amplificador básico

Amplificador básico– É um circuito eletrônico, baseado em um componente ativo,

como o transistor ou a válvula, que tem como função amplificar um sinal de entrada e suas variações (corrente e tensão). Esta amplificação será refletida em uma carga Rc, de onde o sinal amplificado é retirado.

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

Amplificador básico

C1, atua como filtro, para evitar que variações de corrente em R3 na freqüência de operação do circuito.

Filtra sinal DC

Sinal de

entradaPolarização Sinal efetivo

em N

Componente DC e CA

R1, R2, R3 são usados para polarização do transistor

Amplificador com transistor– Polarização CC– Acoplamento CA

Após a polarização do transistor no ponto Q, próximo ao centro da reta de carga, podemos aplicar uma tensão CA na base do transistor.

Esta tensão é amplificada e aparece no coletor do transistor com a mesma forma da onda da base.

RG

RL

CE

C2

C1

VCC

Amplificador básico

Acoplamento com capacitor

O capacitor em circuitos que trabalham com sinais AC podem ser usados para duas funções básicas:– Permite que apenas os sinais CA sejam transmitidos pelo circuito

amplificador. – Curto circuitar sinais CA acima de determinada freqüência. (filtro).

Esta característica está diretamente associada ao valor de sua reatância capacitiva:

XC = 1/2πfC

Esta fórmula mostra que a reatância é inversamente proporcional ao valor da freqüência. Ou seja, quanto maior for afreqüência menor será a reatância capacitiva.

Assim: Para sinais DC os capacitores funcionam como circuitos

abertos. Para sinais CA, em alta freqüência, os capacitores

funcionam com curto-circuito.

Função do capacitor– Em baixa freqüência o capacitor atua como um circuito aberto

• I = 0– Em alta freqüência o capacitor conduz, deixando passando a

componente alternada do sinal (CA)• I = VG/(RG+R2)• Está corrente é a corrente máxima que pode circular no

circuito, se considerando que a reatância capacitiva tende a zero em alta freqüências.

Acoplamento com capacitor

I

VG

Em um circuito CA o valor do capacitor deve ser tal, que o mesmo deve agir como curto (valor relativo pequeno de resistência) na menor freqüência de operação 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 estágio deve interferir o mínimo possível na corrente do circuito (trabalhar em curto – circuito). Isto significa que sua reatância capacitiva deve ser baixa. Em geral, este valor, deve ser no máximo 10% do valor da resistência da malha:

Acoplamento com capacitor

XC < 0,1 (RG+R2)

Corrente no circuito RC:

– Para XC < 0,1 R – Com R = RG+R2

– I = VG/√ 1,01R2 => I = 0,995 VG/R

– Esta corrente é apenas 1% menor que a corrente máxima do circuito, dada por I = VG/R, afetando o mínimo o comportamento do circuito. Assim, podemos tratar um capacitor como em curto-circuito quando sua reatância for pelo menos 10 vezes menor que a resistência total do circuito.

Acoplamento com capacitor

I = VG/√ (R2+XC2)

I = VG/√ (R2+0,1R2)

Acoplamento com capacitor Freqüência crítica e de quina

Freqüência crítica – é a freqüência onde a reatância do capacitor é igual a resistência total do circuito. Esta freqüência é chamada de freqüência de quebra (break frequency).

– XC = R, onde R = RG+R2

– Neste caso, a corrente I = 0,707 I máx

– A freqüência neste ponto, a freqüência crítica, é dada por:

fc = 1/2πRC

Tensão no capacitor fc

Freqüência de quina é a freqüência no circuito (fh), na qual o capacitor se comporta como um curto circuito.

Acima desta freqüência de quina, a corrente de carga está dentro de 1% de seu valor máximo.

fh > 10 fc

Acoplamento com capacitor Freqüência crítica e de quina

Capacitor de desvio (bypass)

Neste tipo de circuito, o capacitor é colocado em paralelo com oresistor.

O efeito prático deste circuito é desviar a corrente do resistorem freqüências altas, através do efeito de curto-circuito, criando um terra virtual. Neste caso, a tensão sobre o resistor cai parazero (em altas freqüências).

fh > 10 fc

A alta freqüência de quina:

Terra CA

Amplificador básico

Amplificador com transistor– Exemplo:

Análise– Modelo CC– Modelo CA

RG

RL

CE

C2

C1

VCC

Análise CC – Polarização do transistor Para se fazer a análise CC é necessário:

– Eliminar as fontes CA.

– Abrir todos capacitores (freqüência zero)

– Análise do circuito equivalente cc.

VCC

Objetivo da polarização CC:

- Colocar o transistor em uma região de operação adequada, mantendo parâmetros de amplificaçãocomo iC, VCE, iE, estáveis, o mais independentespossível dos parâmetros de fabricação (β) ouque afetam o funcionamento do transistor (ex. temperatura).

BJT – Polarização com divisor de tensão

Equivalente Thevenin

Encontrar VBB e RBB

VBB

Resistência equivalenteTensão na base

IB

IB deve ser pequena para não afetar a polarização

Considerando: IE≈ IC ≈ βIB

Polarização com realimentação Em geral, devemos escolher um valor RB << β RE para termos uma

condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente do coletor, e conseqüentemente VCE, independam (muito) do ganho do transistor, assim:

a) IB≈ (VBB – VBE)/ βRE

b) IC≈ IE ≈ (VBB – VBE)/ RE

c) VCE = VCC-IC(RC+RE ) => VCE = VCC-(RC+RE ).(VBB – VBE)/ RE

d) VBB ≈ VBE+IERE , neste caso IE ≈ IC ≈ constante no ponto de operação Q

Análise CC

Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (RE)

VBB = RBIB+VBE+IERE

constanteconstante

Se IC ≈ IE aumenta, então VE = REIE também aumenta, mas desdeque VBB e RB não 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 aumentará IC.

Análise CC

Observação importante na polarização 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 oscilações em VBE.

– As mudanças em VBE são em geral em torno de 0.1 V, assim deveríamos considerar que em circuitos CC, VE = IERE >> 0.1V, ou seja:

VE > 10x 0.1V = 1V

Exemplo CC

Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5.0 mA e VCE = 7.5 V. Considere β entre 100 e 400.

Q (ponto de operação)

Análise Encontrar VCC, RC, RE, R1, R2

Encontrar VCC

– Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga:• VCC= 2VCE= 2x7.5V = 15.0 V

Encontrar RC e RE

–Encontrar equação de tensão da malha CE

•VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7.5/(5.0x10-3)

RC+RE = 1.5K Ω

• A escolha é livre, mas devemos assegurar que VE=IE.RE > 1V

Assim, RE > 1/IE . Como IE ≈ IC, RE > 200 Ω

Se fizermos RE = 220 Ω, RC= 1.2K Ω = 220 ΩΩΩΩ

= 1.2 KΩΩΩΩ

+15V

Análise CA Para se fazer a análise CA é necessário:

– 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 R2R4

RL

Operação em pequeno sinal

O ponto de operação de um amplificador (ponto Q) é importante, desde que este representa o ponto de funcionamento DC do amplificador.

Q (ponto de operação)

Q (ponto de operação)

VBE

IE

Distorção da onda(indesejável p/amplificadores de alta fidelidade)

Como reduzir a distorção da onda na saída?– Uma forma seria redução da tensão na base, o que reduziria o

movimento do ponto de operação instantâneo. Quanto menor for a excursão ou a variação, menor será a curvatura que aparece no gráfico.

– Se o sinal for suficientemente pequeno, o gráfico terá uma aparência linear.

– Esta regra não elimina em todo a distorção, mas reduz a níveis aceitáveis para a maioria das aplicações.

Operação em pequeno sinal

Uma regra prática estabelece que a corrente de CA pico a pico no

emissor deve ser em torno de 10% do valor CC do emissor.

Q (ponto de operação)

VBE

IE

Menos distorção

Resistência CC e CA Resistência CC no transistor:

– RCC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a corrente de operação do transistor.

• Exemplo para IE = 1mA, RCC = 0,7V/1 mA = 700Ω Resistência dinâmica CA do transistor:

– Esta resistência é a variação da tensão base-emissor dividida pela variação de corrente no emissor.

– RCA = ∆VBE/ ∆IE• Exemplo para ∆VBE = 1m V e ∆IE = 40 µA,

– RCA = 1mV/40 µA = 25Ω Regra prática:

– A resistência CA aplicada a todos os transistores varia de acordo com a temperatura de operação do transistor. Para 25 oC:

– Esta equação se baseia em uma junção base-emissor perfeita e depende da temperatura de operação do transistor.

– Este efeito resistivo ocorre dentro do transistor.

RCA = 25mV/ IE ou r´e = 25mV/IE a 50 mV/ IE

Ganhos de corrente CC e CA

Ganho de corrente CC– βCC= IC/IB (hFE)

Ganho de Corrente CA

– β= ∆ IC/ ∆ IB ou β= ic/ib (hfe)

Exemplo - Amplificador Emissor Comum Características:

– Inversão de fase em 180o entre os sinais de entrada e saída– O capacitor de saída bloqueia a tensão CC– Não deve há tensão CA no emissor na freqüência de trabalho– Não há tensão CA na fonte de alimentação devido ao filtro da

fonte.

RG

RL

CE

C2

C1

VCC

Inversão de fase (180o)

Análise CA Para se fazer a análise CA é necessário:

R1 R2R4

RL

R1 e R2 estão em paralelo

A impedância CA de entrada vista pela base é dada por:zent (base) = vb/ib (variação de tensão e corrente de base)

zent (base)

ib

vb

Modelo T – análise CA Junção T abaixo é uma foram de visualizar o interior do transistor.

RC || RLR1 || R2

RGib

ie

ic

r´e

Ie = vb/r´e

vc = ic.rc

vb

Resistência interna do transistor

vb

Modelo II – análise CA

Este modelo CA do transistor é chamado modelo II porque ele se parece com um II.

RC || RLR1 || R2

RG

icβr´eVG

-Impedância de entrada zent (base) = vb/ib , onde:Vb = ie. r´e .

-Assim:

- zent (base) = ie. r´e /ib onde ie /ib ≈ β (CA), daí:

zent (base) = β r´e

Impedância de entrada do estágio amplificador:zent = R1 || R2 || β r´e

vb

ib

Amplificador para pequenos sinais exemplo

Características:

– Um amplificador, sem ou com realimentação, deve ser capaz de reproduzir sinais com a máxima fidelidade, distorcendo o mínimo possível o sinal de entrada.

– O amplificador é em geral pouco eficiente no que diz respeito a energia necessária para amplificação do sinal. Apenas uma pequena parte da potência DC é usada para amplificação. O limite teórico à eficiência deste amplificador é em geral algo em torno de 50%, ou seja, para cada watt da saída usamos 2 watts d.c. na entrada.

Amplificador Classe A com o transistor 2N2222– Identificação - É um tipo de transistor NPN de propósito geral

– Potência - 0.5W (capaz de dissipar 500mW)

– Vce - 40V (não usar acima de 20V)

– Ic - 0.8A (máxima)

– hfe – 75 (fator de amplificação de 75) (ganho DC)

– Ft - 250 MHz

Amplificador classe A - exemplo

Transistor 2N2222

Amplificador classe A - exemplo

Considerações:– Tensão de alimentação de 12 V

– Transistor 2N2222

2N2222

68

0.68

68

Análise DC

– Cálculo da tensão de base

– Cálculo da corrente de base

– Cálculo da impedância de entrada

Tensão de base

[R2/(R1 + R2)] * 12V = Base voltage (d.c.)

Se usamos 82KΩ for R1 e 39K Ω for R2 nós obteremos uma tensão de base de

[39K/(82K + 39K)] * 12V = 3.87V (d.c.)

Corrente de base (em torno de 1/10 a corrente do divisor de tensão)

Ib = 12/ (R1 + R2) = 0.1 mA / 10 = 0.01 mA

Amplificador classe A – Análise DC

Corrente de emissor (Ie)– A corrente do emissor ≈ corrente do coletor é dada por:

Ie ≈ IC ≈ β. Ib = 75* 0.01mA = 0.75 mA (ver datasheet)

Tensão no emissor (Ve)– A tensão na base é superior em 0.7 V a tensão do emissor. Assim,

a tensão no emissor é de 3.87 - 0.75 = 3.12 V

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

Amplificador classe A – Análise DC

Corrente de coletor (Ic)– A corrente do coletor é aproximadamente igual a do emissor.

Neste exemplo Ie = 0.75 mA

Tensão no coletor (Ve) (considerar um bom ponto de operação)Vc = Vcc - (Ic * RL) onde RL é de fato R4, ou seja,

Vc = 12V - (0.00075A * R4) => Vc = 7.24 V

Resistência do coletor (carga) (Rc) ?Rc deveria ser tal que colocasse o transistor numa boa posição na região ativa do transistor.

Neste caso R4 = 6K8 Ω.

Amplificador classe A – Análise DC

Faixa de operação do circuito amplificador:– 300 a 3000 Hz

Cálculo do capacitor de desacoplamento

– XC < 0,1 R, ou seja, XC < 2,6 KΩ

Vamos considerar XC ≈ 1000 Ω

– Assim:

– Para freqüência de 300 HZ

– XC = 1/2πfC => C ≈ 1/(2πf. XC) => C ≈ 0.53 µF

– Considerando esta capacitância, p/3000 Hz

– XC = 100 Ω

Amplificador classe A – Análise CA

Capacitor do emissor (bypass)– Este capacitor deve ser tal, que o emissor deve ir o terra (0V) para

tensões CA.

• Este capacitor bypass (C2 ) deve ter o mesmo valor que C1 e C3.

Impedância de entradaZ(ent) ou R(ent) = βr´e = β.25mV / Ie

β = hfe = 120

Z(ent) = [25 * 120] / 0.7 (mA) = 3K Ω

Amplificador classe A – Análise CA

Amplificação CA - exemplo

Considerando:– Beta = 120

– Tensão de entrada de 10 mV (CA)

Teremos:– Corrente de base (Ib) = 3.3 µA

– Corrente de coletor = 120* Ib = 396 µA.

A corrente amplificada do coletor, IC (CA) passa através de

resistor de carga R4 (6K8 Ω). – Usando lei de Ohm temos que a tensão no coletor pode ser dada

por 396uA * 6800 = 2.7volts (CA)

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

Circuito Final

2N2222

68

0.68

68

10 mV (CA)

2.7 V (CA)

Amplificação CA - exemplo

7.24 V (DC)

Transistor 2N2222

2N2222

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/loadline.html

2N2222

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