J. A . De Lima DEE/Faculdade de Engenharia, Campus de Guaratinguetá/UNESP Maio 96

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Laboratório de Circuitos Eletrônicos

Amplificador a Transistor Bipolar em Montagem Emissor-Comum

Rev. 2.5 1. Objetivos i) Utilização do conceito de Reta de Carga para definição do ponto quiescente Q em um amplificador a transistor bipolar. ii) Projeto de um estágio amplificador em montagem Emissor-Comum, com melhor estabilidade do ponto quiescente através da polarização de emissor. iii) Introdução ao conceito de resposta em freqüência e banda passante. iv)Verificação do produto ganho x banda-passante = constante em um sistema de 1a-ordem (aproximado) com realimentação negativa (resistor de emissor). 2. Equipamento Necessário - osciloscópio de duplo canal - fonte de tensão - gerador de áudio - multímetro - protoboard - transistor NPN (BC 547) - resistores e capacitores - cabos e conectores - papel milimetrado 3. Amplificador em Montagem Emissor Comum (EC) Considere o amplificador em montagem Emissor-Comum com polarização de emissor indicado na Figura 1a (saída em aberto) e Figura 1b (cm carga RL). A presença do resistor RE melhora a estabilidade o ponto quiescente (ou ponto de repouso) face às variações de temperatura e dos parâmetros do transistor, como, por exemplo, β e ICBO . Em circuitos de polarização simples, tais variações afetam a corrente de coletor, e diretamente, o ponto quiescente estabelecido por projeto. A polarização de emissor, através de realimentação negativa na tensão base-emissor VBE, minimiza os efeitos das variações na corrente de coletor. Se, por exemplo, há um acréscimo de IC, a queda em RE aumenta, diminuindo VBE, uma vez que VB permanece praticamente constante, imposto por VDD, RB1 e RB2. A corrente de base IB então diminui, ocorrendo o mesmo com IC, estabilizando o ponto quiescente, em primeira aproximação. Realimentação negativa é um dos conceitos mais importantes e utilizados em eletrônica e será formalmente estudada no curso de teoria. O ganho de tensão para pequenos sinais do amplificador em montagem Emissor Comum com polarização de emissor; é dado, aproximadamente, por

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AV = - [β / ( β+1)] (Rpar / RE ) (1)

onde β corresponde ao ganho de corrente do transistor para pequenos sinais em baixas freqüências, Rpar corresponde à associação paralela entre RL, RC e a resistência AC (ou dinâmica) entre coletor e emissor do transistor (rce), finita devido ao efeito Early ou efeito de modulação da base. O sinal negativo evidencia uma inversão de fase (180o) do sinal de saída em relação à entrada.

Amplificador em montagem Emissor-Comum com saída em aberto (Figura 1a) e com carga (Figura 1b). Admitindo β >> 1 e RL, RC << rce , Rpar ≅ RL // RC e eqn. (1) pode ser rescrita

AV ≅ - (Rpar / RE ) (2)

ou seja, o ganho para pequenos sinais do estágio é definido através de uma razão de resistores, sujeita apenas às variações relativas dos mesmos devido à tolerância e temperatura, e independente dos parâmetros do transistor. Deve-se notar que o ganho é inversamente proporcional a RE, evidenciando a redução do ganho devido à realimentação negativa. Acoplamento AC Os capacitores de acoplamento CB1 e CB2 tem como função bloquear (ou eliminar) a componente DC do sinal, permitindo apenas a passagem da componente alternada. Deste modo, o nível DC do sinal vs não interfere na polarização do estágio seguinte, sendo esta prática utilizada em amplificação multi-estágios, como ilustrado na Figura 2, no caso de um amplificador de áudio.

Figura 2. Amplificador Multi-Estágio

vs

Cb1RB1

RB2

RE

RC

Q1

Cb2

vout

VCC

VB

VE

VC

vs

Cb1RB1

RB2

RE

RC

Q1

Cb2

vout

VCC

VB

VE

VC

RL

A1 1

Vin ~

Vout

Pré-Amplificador Estagio deSaida

Alto-Falante

A2

Amp. Intermediario

C1 C2 C3

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O capacitor de acoplamento deve, portanto, ser calculado de modo que o módulo de sua reatância (|XC| = 1/(ωC)) seja desprezível face à impedância de entrada do estágio seguinte, na faixa de freqüência do sinal a ser amplificado. Desse modo, a queda do sinal sobre o capacitor torna-se também desprezível. No caso do amplificador Emissor Comum, impõe-se XC1 << Rin, onde Rin é a impedância de entrada do amplificador, como representado na Figura 3.

Figura 3. Conceito de impedância de entrada AC

No caso, vin - a tensão AC ou de pequenos sinais - à entrada do amplificador é obtida através de um divisor de tensão,

vin = vs Rin/(Rin + XCB1) (3)

ou seja, para que vs ≅ vin, deve-se ter XCB1 << Rin . 4. Polarização de Emissor Para se calcular o valor de IB imposto pela polarização de base, determina-se o circuito equivalente Thévenin à esquerda do terminal de base (B) no amplificador da Figura 1, obtendo-se o circuito indicado na Figura 4, onde

RTh = RB1 // RB2 (4) e

VTh = VCC RB2 / ( RB1 + RB2 ) (5)

Cb1 Rin~vs

vxc

vin

Cb1RB1

RB2

RE

RC

Q1

VCC

Rin

vin

vs

AC

VTh

RTh

RE

RC

Q1B

VCC

IB

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Figura 4. Thévenin equivalente da polarização de base

Adotando IE = ( β+1) IB, a corrente de base é, portanto, dada por

IB = (VTh - VBE ) / [ RTh + ( β+1) RE ] (6) 4.1 Estabilidade contra variações do parâmetro β Instabilidade do ponto quiescente relacionada com variações no parâmetro β devido à dispersão na fabricação, ou mesmo temperatura, pode ser minimizada através da polarização de emissor. Supondo IC1 e IC2 os valores quiescentes da corrente de coletor devido a diferentes valores de β1 e β2, respectivamente, tem-se

(IC2 / IC1 ) = (β2 / β1 ) [ (RTh + (β1 + 1) RE ) / (RTh + (β2 + 1) RE )] (7) ou seja, conhecendo-se a dispersão β2 / β1 , um limite para a variação IC2 / IC1 pode ser imposto através de uma relação entre o paralelo dos resistores de base RTh e RE. 5. Procedimento Experimental 1) Deduza, no relatório, a expressão (7) a partir do circuito equivalente da Figura 4. Suponha correntes IC1 e IC2 obtidas através de diferentes parâmetros β1 e β2. Considerando a característica IC x VCE para um transistor NPN BC547B típico, ilustrada na Figura 5: 2) Para RC = 1KΩ, calcule o valor de RE de modo a obter Av = -10 com saída em aberto. Defina a equação de Reta de Carga para o amplificador Emissor-Comum da Figura 1a. Utilizando a característica da Figura 5 e VCC = 10V, estabelecer um ponto quiescente [ICQ, IBQ, VCEQ], impondo como excursão mínima à saída de 2.5V de pico, mas objetivando também um valor máximo de excursão. Justifique sua escolha. 3) Calcule os valores de RB1, RB2 de modo a obter uma dispersão máxima de +/- 7.5% em ICQ, considerando uma dispersão em β de +/- 50% em relação ao seu valor típico obtido no ponto quiescente adotado. 4) Calcule CB1 de modo que sua reatância seja desprezível em relação à resistência AC de entrada do estágio. Demonstre, no relatório, que a mesma é dada por

rin ≅ RTh // (β +1) [( VT / IEQ ) + RE ] (8)

onde VT é a tensão térmica ( ≅ 25mV) e IEQ a corrente quiescente de emissor. Determine valores de CB2, para o caso de saída sem carga e RL = 1KΩ. Justifique.

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5) Monte o circuito da Figura 1a. Verifique o ponto quiescente do transistor e compare-o ao especificado. Justifique as possíveis variações. Caso haja importante desvio, recalcule-o baseado no valor experimental obtido. 6) Ajuste a saída do gerador de áudio para 200mV de pico e freqüência 1KHz. Verifique a excursão à saída do amplificador vout e determine o ganho para pequenos sinais. Reduza vs para 100mV e meça novamente o ganho. Compare os valores obtidos. Desenhe as formas de onda obtidas de forma detalhada.

Figura 5. Característica IC x VCE típica do BC547B 7) Mantendo vs em 100mV e utilizando o conceito de divisor resistivo, determine, experimentalmente, a resistência de entrada do amplificador, comparando-a com o valor teórico. Justifique possíveis variações. 8) Determine o valor de vs a partir do qual vout sofre distorções visíveis. Desenhe as formas de onda obtidas. Estabeleça uma relação entre este valor de vout e o ponto de polarização. 9) Monte o circuito da Figura 1b para RL = 1KΩ. Ajuste a saída do gerador de áudio para 200mV de pico e freqüência 1KHz. Verifique a excursão à saída do amplificador vout e determine o ganho para pequenos sinais. Desenhe as formas de onda obtidas de forma detalhada. Justifique o novo valor do ganho de tensão. 10) Freqüências de Corte do Amplificador em aberto. Com o circuito da Figura 1a, fixando-se vs = 100mV, na faixa de 1KHz - 30KHz, verifique que vout possui um valor máximo e praticamente constante.

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IB = 5µA

15µA

25µA

35µA

45µA

65µA

80µA

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a) Aumente a freqüência até vout cair a 0.707 de seu valor máximo. Esta freqüência corresponde à Freqüência de Corte Superior (fB) do amplificador. b) Diminua a freqüência até vout cair a 0.707 de seu valor máximo. Esta freqüência corresponde à Freqüência de Corte Inferior (fA) do amplificador. c) A Banda Passante (BW) do amplificador corresponde à diferença fB - fA. Calcule o produto Ganho x Banda Passante (GBW). 11) Freqüências de Corte do Amplificador com carga. Refazer o item anterior para o circuito da Figura 1b, com RL = 1KΩ. 12) Verifique se o parâmetro GBW permanece constante para ambos os amplificadores. 13) Utilizando o simulador SPICE, verificar, para o amplificador com saída em aberto e com carga:

i) ponto quiescente ii) banda passante, utilizar escala logarítmica para ganho (dB) e freqüência.

Estimar uma capacitância de carga (ponta de prova, osciloscópio, protoboard) de 200pF, aproximadamente.

Ambos itens podem ser obtidos através de análise .AC com opção de detalhe do ponto de operação do circuito. Acrescente no relatório as principais formas de onda, plenamente identificadas. 6. Conclusões Em forma de tabela, compare os principais valores teóricos, simulados e experimentais. Calcule os desvios percentuais. Em função dos resultados obtidos, comente sobre a realização dos objetivos propostos. Discuta as diferenças encontradas entre valores esperados e medidos, quantificando os erros e estabelecendo possíveis causas.

Pinagem do BC547 (vista frontal)

C B E

BC547