Amplificadores Diferenciais Aula 17 - lsi.usp.brlsi.usp.br/~acseabra/grad/2306_files/PSI2306_2013 -...

Amplificadores DiferenciaisAula 17

PSI 2306 –EletrônicaProgramação para a Segunda Prova

17ª Aula: Amplificadores Diferenciais e Operacionais

Ganho e Rejeição de Modo Comum

Ao final desta aula você deverá estar apto a:

- Determinar o ganho de modo comum em circuitos de entrada(amplificadores diferenciais) de AOs

- Analisar o desempenho de amplificadores diferenciais quando se aplicam sinais comuns e sinais diferenciais às suas entradas

- Determinar a influência de características não ideiais nos ganhosde modo diferencial e de modo comum (descasamentos entre transistores, entre resistores ou não idealidade da fonte de corrente)

Circuitos Amplificadores DiferenciaisGanho de Modo Comum e Relação de Rejeição de Modo Comum (CMRR)

ruído sobre VCM

saturados!

Como calcular o ganho (de modo comum) de tensão nesse circuito?É similar a um circuito Amplificador Fonte Comum com Resistência de Fonte!

Circuitos Amplificadores DiferenciaisO Amplificador FC com Resistência de Fonte

1 1m i

gs im s

g vv vg RR

1 1i m i

v g vi ig RR

o d D im s

g Rv i R vg R

11o m D D

i m ss

v g R Rv g R R

= aberto

para a Saída entre Dreno Individual e Terra

1 2O O D

icm icmSS

v v Rv v R

meio circuito demodo comum!!

icm icm SS

Geralmente R gv v Rv v R

12metade

id m DA g R

ACMRR g RA

id m Ddaaula passada A g R

v Rv R

2metade

para a Saída entre os Dois Drenos

2 1 0O Ocm

2 1O Od m D

v vA g Rv

2O O D

icm icm SS

v v Rv v R

Circuitos Amplificadores Diferenciais

Amplificadores DiferenciaisAula 17 – parte2

PSI 2306 –EletrônicaProgramação para a Segunda Prova

17ª Aula: Amplificadores Diferenciais e Operacionais

Ganho e Rejeição de Modo Comum

- Determinar o ganho de modo comum em circuitos de entrada(amplificadores diferenciais) de AOs

- Analisar o desempenho de amplificadores diferenciais quando se aplicam sinais comuns e sinais diferenciais às suas entradas

- Determinar a influência de características não ideiais nos ganhosde modo diferencial e de modo comum (descasamentos entre transistores, entre resistores ou não idealidade da fonte de corrente)

para a Saída entre os Dois Drenos: Efeito do descasamento de RD

2O O D

cmicm SS

v v RAv R

O Od m D

Considerando o efeito de Rdesprezível em A

v vA g Rv

2 0( )d m SSD

A g RCMRR se RRAR

DO icm

D DO icm

Se R gRv vRR Rv v

Circuitos Amplificadores DiferenciaisGanho de Modo Comum e Relação de Rejeição de Modo Comum (CMRR)para a Saída entre os Dois Drenos: Efeito do descasamento de gm

1 1 1 1

2 2 2 2

d m gs d m

i g v i gi g v i g

1 2 1 2( ) ss d d SS d d

vComo v i i R i iR

1/SS m

icms icm d d

Como Q e Q seguidores e R gvv v i iR

Circuitos Amplificadores DiferenciaisGanho de Modo Comum e Relação de Rejeição de Modo Comum (CMRR)para a Saída entre os Dois Drenos: Efeito do descasamento de gm

2( )d m SS

A g RCMRR gAg

1 2 1 2

m icmd

m m SS m m m

m m mm icmd

m m SS

g vig g R se g g g

e g g gg vig g R

1 21 22 2

m icm m icmd d

m SS m SS

g v g vi e ig R g R

1 2 2 1 2m icm

O O d D d D Dm SS

g vv v i R i R Rg R

cm d m DSS m

gRA e A g RR g

Circuitos Amplificadores DiferenciaisResumo

Ganho de Modo Diferencial (Ad)

Ganho de Modo Comum (Acm)

CMRR (Ad /Acm)

entre (vO 2 – vO1) para circuito ideal om D rg R 0 ∞

entre (vO2 – vO1) c/ não-idealidade da fonte de corrente (RSS)

m Dg R

entre uma saída (vO1) e terra consid. não-idealidade da fonte de corrente (RSS)

( )om Dg R r 2

m SSg R

entre (vO2 – vO1) c/ desbalanceamento em RD .

g REfeito de R desp em A

( )m SS se RD

entre (vO2 – vO1) c/ desbalanceamento nos transistores (gm) .

g REfeito de g desp em A

2( )m SS

Amplificadores DiferenciaisAula 19

PSI 2306 –EletrônicaProgramação para a Terceira Prova

19ª Aula: Amplificadores Diferenciais com Transitores BJT

- Comparar o desempenho do amplificador diferencial quandoimplementado com transistores FET ou TBJ

- Analisar o comportamento do amplificador diferencial com TBJ quando se aplicam:

- sinais diferenciais- sinais de modo comum

- Determinar o ganho diferencial para pequenos sinais

Amplificadores DiferenciaisO Par Diferencial com TBJ

v VC S

v Vi i ii i

i I eIi e

Na região Ativa(equiv. Reg. Saturação do FET)

Limites da região ativa: -Indo à saturação, vCE 0,3V -Indo ao corte, , vBE0,3V

Em modo comum Com desbalanceamento +1V

Com desbalanceamento 1V Para pequenos desbalanceamentos

( )/B E Tv v VSE

Para pequenos desbalanceamentos

( )/B E Tv v VSE

( )/B B Tv v VE

2 1E Ei i I

11 ( )/B B T

Ev v V

ii i e

11 ( )/B B T

Ev v V

ii i e

1 21 1/ /id T id TE Ev V v VI Ii e ie e

1 21 11 1/ /id T id T

E Ev V v V

i ieI e I e

Técnica para suavizar a inclinação na região linear

e OVR V

Amplificadores DiferenciaisO Par Diferencial com TBJ: Operação com Pequenos Sinais

1 21 1/ /id T id TC Cv V v VI Ii e i

id T iid T

v V v V

1 2 1 2( / )

/ /id T

id T Cid T id T

I v VSe v V iv V v V

1 22 2 2 2 2 2id id

C CT T

v vI I I Ii e iV V

Amplificadores DiferenciaisO Par Diferencial com TBJ: Operação com Pequenos Sinais

1 22 2Q Q

id idBE BE BE BE

v vv V e v V

/id Cc m

v II Ii gV V Vvi g

O O O m C id

O O Ov m C

v v v g R vv v vA g Rv v

Um Ponto de Vista Alternativo

c ei i

c mvi g

O m C idv g R v

2 1O O Od m C

v v vA g Rv v

Amplificadores DiferenciaisO Par Diferencial com TBJCalculando a Resistência de Entrada

c ei i

c mvi g

1( )e bi i

v vv rR

Com resistência no Emissor

1 2 2/

( )s Re

idid e

vR r ri

1 2 2/

( )( )c Reid e eR r R

1 2/s Re

O Od m C

v vA g Rv

1 2 22 2/

( )c Re

id e ed

v v Rv r

/s Red m C Ce

A g R Rr

1 2 2/

( )( )c Reid e eR r R

re1 re2 VTIE

25 mV0, 5 mA 50

Rid 2 1 re RE 2 101 (50 150) 40 k

40 0 810 40

, V/Vid id

s s id

2 2 10 502 2 50 150 10

Resistência total nos coletoresResistência total nos emissores

V/V( ) ( )

0 8 50 40, V/Vo id od

s s id

A v v vv v v

(b) o id od

s s id

A v v vv v v

A Realimentação em Circuitos EletrônicosAula 20

PSI2306: Eletrônica

Ao final deste curso você deverá estar apto a:

- Analisar e Projetar amplificadores com transistores bipolares e FET! considerando os requisitos de ganho (de tensão, corrente), impedância (de entrada/de saída) e a resposta em frequência

- Analisar e projetar circuitos com Amplificadores Operacionais(AOs) considerando as limitações de desempenho reais dos AOs

- Explicar e empregar conceitos de realimentação negativa paraajustar valores de ganho, impedância e resposta em frequência de amplificadores de um modo geral

- Identificar as principais configurações de amplificadores de potência e explicar suas características fundamentais

19ª Aula: A Realimentação em Circuitos Eletrônicos

- Explicar o que é a realimentação

- Explicar a importância da realimentação negativa

- Construir modelos para pequenos sinais para o transistor TBJ

- Analisar e projetar circuitos de polarização empregando modelospara pequenos sinais para o TBJ

- Esboçar as formas de onda em circuitos amplificadores básicos com TBJ

O Princípio da Realimentação

o ix Ax

f ox x

i s fx x x

1o i i

fs i f i i

x Ax Ax AAx x x x A x A

ganho de malha (+ ou )

quant. de realimentação

o f sx A x

Realimentação:

• Negativa Fechar a torneira quando a jarra está cheia(saída aumenta, entrada diminui)

• Positiva Desmoronamento de uma encosta(saída aumenta, entrada aumenta)

•A Realimentação negativa também é chamada de degenerativa

A Realimentação positiva também é chamada de regenerativa

O Princípio da RealimentaçãoAplicações:

• R. Positiva Não leva sempre à instabilidade, como em osciladores e filtros ativos

• R. Negativa Já vimos muitas!!!

sem realimentação!

com realimentação!

x AAx A

1f sAx xA

1 1, / !!!fSe A A

11i sx xA

o ix Ax

Sistemas (circuitos) unilaterais

1o f s sx A x x

A Realimentação Negativa

Propriedades da Realimentação Negativa:1. Dessensibilidade do ganho: o valor do ganho torna-se menos sensível às variações no

valor dos componentes do circuito, assim como variações causadas pela mudança de temperatura.

2. Redução da distorção não-linear: a saída torna-se mais proporcional à entrada (emoutras palavras, fazer o ganho constante independente do nível do sinal).

3. Redução do efeito do ruído: minimiza-se a contribuição na saída de sinais elétricosindesejáveis gerados pelos componentes do circuito e por interferências externas.

4. Controle das impedâncias de entrada e saída: pode-se ajustar as impedâncias de entradae de saída pela seleção apropriada da topologia da realimentação.

5. Extensão da faixa de passagem do amplificador.

A Realimentação NegativaDessensibilidade do Ganho A

Dessensibilidade do ganho não é redução do ganho, é tornar o ganho mais estável!

x AAx A

11 1( )

fA AA A A A

11 1( )

A AAComo AA A A A

A AA A A

A Realimentação Negativa2. Extensão da Faixa de Passagem

x AAx A

1 1 11 1 11 1

/ / /( )( )/ / ( )

H H M M Mf

M M H M H M

A As s A A AA s A A s A s As s

1 1/( ) ( )Hf H M Lf L MA A

A Realimentação NegativaRedução do Efeito do Ruído

S/R Vs /Vn

Vo VsA1A2

1 A1 A2 Vn

A11 A1A2

“A”

A Realimentação NegativaRedução da Distorção Não-linear

1000 “A” “Af”

11000 90 9

1 1000 0 01,

2100 50

1 100 0 01,fA

x AAx A

As Quatro Topologias da Realimentação

A Realimentação Negativa

Propriedades da Realimentação Negativa:1. Dessensibilidade do ganho: o valor do ganho torna-se menos sensível às variações no

valor dos componentes do circuito, assim como variações causadas pela mudança de temperatura.

2. Extensão da faixa de passagem do amplificador.

3. Redução do efeito do ruído: minimiza-se a contribuição na saída de sinais elétricosindesejáveis gerados pelos componentes do circuito e por interferências externas.

4. Redução da distorção não-linear: a saída torna-se mais proporcional à entrada (emoutras palavras, fazer o ganho constante independente do nível do sinal).

5. Controle das impedâncias de entrada e saída: pode-se ajustar as impedâncias de entradae de saída pela seleção apropriada da topologia da realimentação.

A Realimentação Negativa1. Dessensibilidade do Ganho

Dessensibilidade do ganho não é redução do ganho, é tornar o ganho mais estável!

x AAx A

11 1( )

fA AA A A A

11 1( )

A AAComo AA A A A

A AA A A

A Realimentação Negativa3. Redução do Efeito do Ruído

S/R Vs /Vn

Vo VsA1A2

1 A1 A2 Vn

A11 A1A2

“A”

A Realimentação Negativa4. Redução da Distorção Não-linear

1000 “A” “Af”

11000 90 9

1 1000 0 01,

2100 50

1 100 0 01,fA

x AAx A

As Quatro Topologias da RealimentaçãoRealimentação da Tensão de saída Tensão na entrada

Realimentação SÉRIE-PARALELORealimentação da Corrente de saída Corrente na entrada

Realimentação PARALELO-SÉRIE

Realimentação da Corrente de saída Tensão na entradaRealimentação SÉRIE-SÉRIE

Realimentação da Tensão de saída Corrente na entradaRealimentação PARALELO-PARALELO

Em inglês:• série series• paralelo shunt

Portanto:

• série-série = series-series• série- paralelo = series-shunt• paralelo-série = shunt-series• paralelo-paralelo = shunt-shunt

Qual a topologia?

Realimentação da Tensão de saída Tensão na entradaRealimentação SÉRIE-PARALELO

Qual a topologia?(não está mostrando a polarização)

Realimentação da Corrente de saída Corrente na entradaRealimentação PARALELO-SÉRIE

Qual a topologia?(não está mostrando a polarização)

Realimentação da Corrente de saída Tensão na entradaRealimentação SÉRIE-SÉRIE

Qual a topologia?

Realimentação da Tensão de saída Corrente na entradaRealimentação PARALELO-PARALELO

Configuração Inversora

Qual a topologia?

Realimentação da Tensão de saída Tensão na entradaRealimentação SÉRIE-PARALELO

Configuração Não-inversora

A Realimentação Série-ParaleloAula 21

Realimentação SÉRIE-PARALELO

•Circuitos A e B são unilaterais (B não carrega o circuito A)

•Circuito A tem uma resistência de entrada Ri,ganho A e resistência de saída Ro

•Incorporou-se as resistências de fonte e carga no circuito A

Af VoVs

Rif VsIi

VsVi /Ri

RiVsVi

RiVi AVi

Rif Ri (1 A)

Zif (s) Zi (s) 1 A(s) (s)

( ) ( )O i s f s O

O s O s

V AV AV V AV VAV AV A V VA

Rof VtI

I Vt AVi

RoVi Vf Vo Vt

I Vt AVt

Rof Ro

1 AZof (s)

Zo (s )1 A(s)(s)

0sV tVI

A Realimentação Série-Paralelo (cont.)Aula 22

A Realimentação Série-Paralelo RevisitadaRealimentação da Tensão de saída Tensão na entrada

Não é ideal

Como Modelar Sistemas REAIS?

Não é ideal: OK!

Não é ideal: Melhorar

• Como criar um modelo para a malha ?• Precisamos pensar primeiro como são construídos os modelos

para quadripolos e escolher um modelo adequado

Relembrando os Parâmetros de Quadripolos(Redes de Dois Acessos)

• Quatro variáveis de acesso (V1, I1, V2, I2)• Se for uma rede linear, podemos usar duas variáveis como independentes

e duas dependentes. Explo:

V aI bIV cI dI

ou na forma matricial:1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

V z I z IV z I z I

Representação por Parâmetros de Impedância (z)

Transmissão direta!

Uma Aplicação da Representação por Parâmetros de Impedância (z)

E a malha ?

Representação por Parâmetros de Admitância (y)

Representação por Parâmetros Híbridos(Parâmetros h)

A Realimentação Série-Paralelo Revisitada(Sistema Real)

Parâmetros h

Transmissão direta!

A Realimentação Série-Paralelo Revisitada(Sistema Real: Determinação de )

A Realimentação Série-Paralelo Revisitada(Sistema Real: Determinação da Impedâncias)

• Ri e Ro são as resistências de entrada/saída de A• Rif e Rof são as resistências de E/S do amp. realimentado• Se excluirmos de Rif e Rof as resistências Rs e RL teremos Rin e Rout:

in if s

outof L

A Realimentação Série-Paralelo Revisitada(Sistema Real: Resumo)

A Realimentação Série-Paralelo

Exemplo 8.1

Estágios de Saída e Amplificadores de Potência:

Aula 23: Estágios Classe A

Amplificadores Operacionais e Circuitos Diferenciais(A 709)

Estágio de Potência

Estágios de Saída e Amplificadores de Potência(Recordando um Amplificador Realimentado de 2 Estágios)

Amplificador

Pré-Amplificador Amplificador de Potência

• Fornecer sinal para a carga sem perda no ganho• Lida com sinais de amplitudes elevadas• Linearidade é importante• Medida de distorção harmônica total (THD)• Deve ser eficiente

Estágios de Saída e Amplificadores de Potência

• Distorção Harmônica Total (THD)

Estágios de Saída e Amplificadores de Potência

• Eficiência

Pdiss-circuito Pdiss-carga (PL)

potência disponibilizada à carga( )potência fornecida pela fonte de alimentação( )

Fonte de Alimentação

Amplificadores de Potência(Tipos de Amplificadores)

•Amplificador Classe A: (linear)

•Amplificador Classe AB : (linear)

•Amplificador Classe B: (linear)

•Ampliciador Classe C: (linear, com filtro de saída)

•Amplificador Classe D: (não-linear, com filtro de saída)

Amplificadores de Potência

• Classe A • Classe B

• Classe AB • Classe C

• Classe D (chaveado, com filtro)

• Classe E, F, G, H...

Amplificadores de Potência(Amplificadores Classe D)

Vantagens (apesar da complexidade):- Redução de tamanho e peso- Maior eficiência- Redução em custo

Usos:-Home theaters-Celulares: Viva-voz-Amplificadores de instrumentos

Amplificadores de Potência(Amplificador Classe A)

LI I 1O I BEv v v

Seguidor de emissor

Fonte deCorrente

1 1(satde )MAX satO CC CEv V v Q

1 1min(cortede )E L O LI I I v IR Q

22 2min

(satde ) sat

CC CEO CC CE

V Vv V v Q I

Limite positivo:

Limite negativo:

se desprezarmos VCEsat

1CE CC Ov V v

1 1 1QD CE CP v i

sem sinal!!!•se RL=∞, Q1 deve suportar Pmédio= VCCI •se RL=0, I tende a infinito, deve-se providenciar um circuito de proteção!

• O rendimento na conversão

potência na carga( )potência na fonte de alim.( )

2 22 12

ˆ ˆ( / )O OL

V VPR R

2S CCP V I

21 14 4

ˆ ˆ ˆO O O

L CC L CC

V V VIR V IR V

ˆ. O CCrend máximo quandoV V

25%MAX

Aula 24: Estágios Classe B

25%MAX

Amplificadores de Potência(Amplificadores Classe B)

nunca conduzemsimultaneamente! QN conduz, QP corta

QN corta, QP conduz

• Também conhecida como configuração push-pull

tensão na entrada

• Note a região de faixa morta que resulta em uma distorção de cruzamento (por zero) ou distorção de crossover

O rendimento da conversão de potência

ˆRMS O

V VPR R

1 OS S CC CC

VP P I V VR

ˆˆ ˆOO O

CCL L CC

VV V VR R V

78 5 254 4max , % ( %)CC

212max

ˆˆ senT O

RMS OVV V t dt

2( )RMSmédia

1 ˆ( ) /

médiaII f t dt p meia senóide

A dissipação de potência

D S LP P P 22 1

ˆ ˆO O

D CCL L

V VP VR R

• Dissipação quiescente é zero!• Quando se aplica um sinal:

2max, max,CC

D N D PL

derivando PD e igualando a zero:

A redução da distorção no cruzamento por zero:

00,7/A

• Limitação da resp em freq• Limitação por Slew-rate

Utilizando uma fonte de alimentação única:

Aula 25: Estágios Classe AB

25%MAX 78 5, %MAX

• Classe AB

Amplificadores de Potência(Amplificadores Classe AB)

Reduzindo a distorção no cruzamento por zero

2/BB TV VN P Q Si i I I e

vO v I

VBB2 vBEN

iN iP iL

vBEN vEBP VBB

VT lniNIS

2VT ln

iN iP IQ2

iN2 iLiN IQ

• Relações de potência do classe AB pratica// idênticas ao classe B• Notar apenas que em condições quiescentes o circuito classe AB

dissipa VCCIQ

Reduzindo a distorção no cruzamento por zero

2/BB TV VN P Q Si i I I e

vO v I

VBB2 vBEN

iN iP iL

vBEN vEBP VBB

VT lniNIS

2VT ln

iN iP IQ2

iN2 iLiN IQ

• Relações de potência do classe AB pratica// idênticas ao classe B• Notar apenas que em condições quiescentes o circuito classe AB

dissipa VCCIQ

A Resistência de Saída:

Rout reN //reP

reN VTiN

reP VTiP

Rout VTiN

Polarização usando diodos

IPOLARIZ. IQN.

V nVC Q SI I I e

( )/D BE T

V V nVD SI I e

II nI I

IDQ = baixo.

Com corrente para a carga:Q L

I II vai de para

nIPOLARIZ.

Estabilização térmica...

Amplificadores de Potência (Amplificadores Classe AB)

A corrente máxima através de QN é aproximadamente igual a iLmax = 10 V/0,1 k = 100 mA

Portanto, a corrente de base máxima em QN é aproximadamente 2 mA.

Para manter uma corrente mínima de 1 mA nos diodos, escolhemos IPOLARIZAÇÃO = 3 mA

A razão de área 3 produz uma corrente quiescente de 9 mA através de QN e QP.

A dissipação de potência quiescente é PDQ 2 15 9 270 mWPara vO = 0, a corrente da base de QN é 9/51 ≈ 0,18 mA,que faz circular uma corrente de 3 – 0,18 = 2,82 mA através dos diodos

Como os diodos têm IS = 13 10-13 A, a tensão VBB será VBB 2VT ln 2, 82 mA

IS 1, 26 V

Com vO = +10 V, a corrente através dos diodos aumentará para 1 mA, resultando em VBB ≈ 1,21 V

No outro extremo, com vO = –10 V, QN conduzirá uma corrente muito pequena; logo, sua corrente de base serádesprezivelmente pequena e a corrente IPOLARIZAÇÃO total (3 mA) circulará pelos diodos, resultando em VBB ≈ 1,26 V.

Polarização usando o multiplicador de VBE

V I R RRVR

POLARIZ R

I IIV VI

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