Amplificadores

Ao aplicarmos uma tensão contínua a um circuito com transistor o sinal que sairá no coletor terá a mesma forma do sinal de entrada e com o mesmo tamanho. Entretanto se aplicarmos um sinal alternado ao circuito o sinal na saída do coletor terá a mesma forma do sinal de entrada porém com maior amplitude; assim a essa variação de amplitude nos chamamos de amplificação.

No estudo de circuitos com transistores, serão levados em consideração os circuitos que tem como característica a ampliação do sinal de saída, por tanto será estudado os sinais CA de um circuito para outro através de capacitores conectados ao circuito, que terão como função transmitir os sinais CA.

CAPACITORES DE ACOPLAMENTO E CAPACITORES DE DESVIO (BYPASS)

Os capacitores de acoplamento como o próprio nome diz, acopla ou transmiti sinais CA de um circuito para o outro.

Os capacitores de desvio (Bypass) desviam ou curto-circuitam os sinais CA para a terra.

Através da reatância capacitiva podemos entender melhor o funcionamento dos capacitores utilizados em amplificadores.

A reatância capacitiva é inversamente proporcional a freqüência e a capacitância. Se aumentarmos a freqüência a reatância cairá, portanto se a freqüência for muito alta a reatância se aproxima a zero significando que o capacitor é um curto-circuito. Se a freqüência diminui a zero a reatância torna-se infinita logo o capacitor é um circuito aberto.

Funções dos Capacitores

O capacitor de acoplamento age como um curto em altas freqüências e está conectado em série com o circuito.

O capacitor de desvio é conectado em paralelo com o resistor e age como um curto em altas freqüências.

Teorema da Superposição no Amplificador.

Vamos utilizar o teorema da Superposição para analisarmos o circuito abaixo. Vamos separar as fontes do circuito através de uma analise CA e uma analise CC.

Faremos primeiro uma analise CC no circuito e para tanto teremos que imaginar os capacitores abertos no circuito. Logo temos

1º Reduzimos a fonte CA a zero.

2º Abrimos todos os capacitores.

3º Analisamos o circuito equivalente CC.

Reduzir a fonte Ca equivale a substituí-la por um curto- circuito.

Abrir os capacitores significa desconectá-los. O circuito que permanece após essa transformação é o circuito equivalente CC.

Depois de feita a analise CC no circuito, vamos fazer a analise CA do mesmo circuito.

1º Reduzimos todas as fontes CC a zero.

2º Curto- circuitamos todos so capacitores.

3º Analisamos o circuito equivalente CA.

Reduzir a fonte CC à zero é o mesmo que curto- circuitá-la. Curto- circuitar todos os capacitores significa fechar um curto entre seus terminais.

O circuito que permanece após essa transformação é o circuito equivalente CA.

Exemplo de um circuito amplificador e sua analise CA e CC.

Faremos primeiro a analise CC. O circuito equivalente CC será:

Acharemos os valores de VB, VE, IE, VCE

I= 0.8mA

VB = 1.8 V

1.1V

1.1mA

4,94V

Faremos agora a analise CA do circuito. O circuito equivalente será:

Podemos ainda reduzir o circuito de tal maneira que teremos a seguinte estrutura:

O paralelo da resistência RC com RL na analise CA é chamada de resistência Ca do

coletor ( )

Obs: Faremos a analise do gráfico do diodo Emissor (IxV)

---=--------------------------------------- Quando adicionamos um sinal CA ao cir-

---------------------------------------- Q cuito com transistor polarizado o ponto de

--------------------------------- operação (Q) se move para cima e para

Baixo nas proximidades do ponto quiescente

Dependendo do ciclo da onda senoidal. A esta

nova posição nós damos o nome de Ponto de

Operação Instantâneo.

Quando o sinal senoidal de uma fonte CA passa entre os terminais Base- Emissor de um transistor o sinal senoidal aumenta para seu valor de pico positivo, o ponto de operação instantâneo move-se para cima do ponto Q e quando o sinal senoidal aumenta para seu valor de pico negativo o ponto de operação instantâneo move-se para baixo do ponto Q.

O mesmo acontece com o eixo da corrente do emissor. Essas ondas senoidais não são semelhantes. O semiciclo positivo da corrente do emissor é alongado e o semiciclo positivo da tensão é comprimido devido a cura do diodo. A essa diferença damos o nome de Distorção.

Uma maneira de diminuir a distorção é manter a tensão da base pequena reduzindo assim o movimento do ponto de operação instantâneo e quanto menor a variação menor será a curvatura que aparece no gráfico.

Resistência CA do diodo Emissor

Por definição a resistência CA é igual a variação da tensão Base-Emissor dividida pela variação da corrente de emissor.

No entanto iremos considerar para os nossos cálculos a seguinte formula da resistência CA do diodo emissor.

Onde iremos representar

Obs: na analise CA todos os parâmetros a serem calculados irão ser representados por letras minúsculas.

Ganho de Corrente CA ( )

Na analise CC sabemos que o ganho de corrente ( é representado pela seguinte

formula:

Na analise CA o ganho de corrente é representado pela seguinte formula:

Nas folhas de especificações técnicas o ganho de corrente é representado por

Assim para exemplo acima podemos calcular a resistência do emissor:

Amplificador Emissor Comum (EC)

O circuito amplificador EC tem como característica principal o capacitor de desvio (CE) curto- circuitado para sinais CA em alta freqüência. Logo o emissor estará aterrado sendo esse o motivo do nome do amplificador.

O gerador tem uma tensão senoidal pico a pico e a resistência interna do gerador terá sempre valor pequeno na faixa de Ohms.

A tensão é transmitida ou acoplada por meio de um capacitor de entrada à base. O valor da tensão da base será menor que a tensão no gerador devido a queda de tensão na resistência interna do gerador. A tensão da base aparece no diodo emissor devido ao emissor está aterrado ocasionando uma tensão CA e uma corrente CA correspondente no diodo.

A ocasionando uma tensão e uma corrente CA na resistência CA do coletor,

como o capacitor de acoplamento bloqueia o sinal CC, a tensão CA do coletor será invertida e amplificada na carga.

Obs: não há tensão CA no emissor porque o capacitor é um curto para CA.

Analise de um Amplificador EC

Para à analise de um EC devemos primeiro fazer a analise CC depois reduzi-lo a um circuito equivalente CA.

Calculo da Impedância de Entrada da Base (

Podemos calcular a através da seguinte formula:

Se simplificarmos o circuito, visualizamos o interior do transistor. O circuito terá a seguinte representação:

Teremos então que ´; substituindo na equação anterior veremos que

como teremos então a seguinte formula:

Impedância de Entrada do Estágio (

Estágio é o nome dado ao circuito que contem um transistor com resistores de polarização e capacitores.

A impedância de entrada do estágio será o paralelo dos resistores de polarização com impedância de entrada da base.

Esta impedância será sempre menor que a impedância da base.

Exemplo: Faça a analise CC e CA do circuito abaixo calculando o valor da impedância de entrada.

1-

2-

Parâmetros de um Amplificador

Na analise feita para amplificadores até agora estudada vimos se necessário a utilização de circuitos equivalentes onde substituímos os transistores por elementos tais como capacitores, resistores e etc.. Estes elementos associados desempenham as mesmas funções dos transistores.

Alguns parâmetros serão mostrados neste tópico dando-se maior ênfase ao ganho de tensão e impedância de entrada e saída de um transistor, sendo também utilizado nas especificações técnicas de transistores.

Parâmetros Híbridos

São métodos matemáticos avançados para a análise de circuitos com transistor. Eles representam a ferramenta básica para o cálculo exato do ganho de tensão, impedância de entrada e saída de um amplificador com transistor.

O circuito abaixo utiliza os parâmetros híbridos, sua analise será feita supondo o transistor operando em baixa freqüência.

As equações do sistema são:

Calculo da Impedância de Entrada (

Se então e assim

Ω)

O ganho de Corrente ( )

Calculo do Ganho de Tensão ( )

Se , então

Calculo da admitância de saída ( )

Para um amplificador EC as formulas utilizadas são:

onde

Ex: Sabendo-se que ;

determine :o ganho de tensão e corrente; a impedância de entrada e saída do EC.

AMPLIFICADOR DE TENSÃO

Quando um amplificador é otimizando para seu ganho de tensão, ele é chamado de amplificador de tensão. O ganho de tensão é calculado pela razão entre a tensão de saída na carga do amplificador e a tensão de entrada da base do amplificador.

Cálculo de Tensão de Entrada (

Depois de se calcular a impedância de entrada do emissor EC o circuito pode ser representado da seguinte maneira:

No circuito acima o gerador (VG ) tem uma corrente de gerador ( que pode ser

calculado através da formula:

Assim podemos calcular a tensão de entrada como

O circuito é similar ao circuito de Thevenin podendo assim se calcular a tensão em

Através de divisor de tensão.

Calculo da tensão CA no coletor (

A corrente da base é calculando pela formula:

Sabendo que a corrente de coletor é calculando pela seguinte formula

podemos então calcular a tensão de saída na resistência CA do coletor pela seguinte formula:

Podemos também calcular a tensão de saída através da corrente de emissor ( )

como

Calculo do Ganho de Tensão

O Ganho de Tensão informa a capacidade de ampliação do circuito. Tem como símbolo a letra A e é definido como a tensão de saída dividida pela tensão de entrada.

Ex: Nos circuitos anteriores determine e e o A.

Estágios em Cascata

Para se ter um maior ganho de tensão na saída de um amplificador, podemos conectar dois estágios. Esse circuito é chamado de Estágios em Cascata que acopla a tensão de saída amplificada do primeiro transistor na base do segundo transistor que vai ampliar ainda mais o sinal tornando-o maior que o sinal de entrada.

O circuito abaixo mostra um amplificador em cascata

O circuito equivalente CA abaixo mostra como o circuito da base do estágio 2 aparece para o sinal CA no coletor do 1º estágio

A impedância de entrada da base do 2º estágio é:

A impedância de entrada do 2º estágio são os três resistores em paralelo

Análise do primeiro estágio:

A resistência CA do coletor do 1º estágio é igual ao paralelo do resistor do coletor (RC)

e a impedância de entrada do 2º estágio.

Logo o ganho de tensão do 1º estágio é:

Calculo da tensão da base do 1º estágio é:

onde (1º ESTÁGIO)

Calculo da tensão CA no coletor do 1º estágio é:

onde (1º ESTÁGIO)

Análise do 2º Estágio

Devido a tensão CA na base do 2º estágio ser igual a tensão CA do coletor do 1] estágio temos:

O ganho de tensão no 2º estágio e:

A tensão de saída do 2º estágio e:

Ganho de tensão total e:

Para a análise de um amplificador de dois estágios seguimos o seguinte procedimento:

1º Calcular impedância de entrada do 2º estágio

2º Calcular a impedância de entrada do 2º estágio

3º Calcular a resistência CA do coletor do 1º estágio

4 º Ganho de tensão do 1º estágio

5º Tensão na base do 1º estágio

6º Tensão CA no coletor do 1º estágio

7º Tensão na base do 2º estágio

8º Ganho de tensão do 2º estágio

9º Ganho total

Ex: Faça a análise do circuito em cascata abaixo

Amplificador Seguidor de Emissor ou Coletor- Comum

Sobrecarga: ocorre quando se conecta a saída de EC um resistor de carga de valor bem menor que a resistência CC do coletor causando uma diminuição no ganho de tensão, pois há uma diminuição na resistência CA do coletor. Uma forma de se evitar a sobrecarga é usando um seguidor de emissor.

Se conecta entre a saída de EC e a pequena resistência de carga um amplificador coletor comum.

O seguidor de emissor tem uma impedância de entrada tão alta que não sobrecarrega o EC. A figura abaixo mostra um seguidor comum.

O circuito equivalente CA do amplificador Coletor – Comum

Calculo da resistência externa CA do emissor

Calculo da impedância de entrada da Base:

)

Calculo da impedância de entrada do estágio

Calculo do ganho de tensão

Ex:

Amplificador Cascata Emissor- Comum e Coletor- Comum

Uma forma de evitar a sobrecarga no amplificador EC quando conectado a uma carga de baixa resistência é acoplar um seguidor de emissor e o amplificador EC. O sinal pode ser acoplado por meio de capacitor de acoplamento ou diretamente.

O circuito abaixo mostra esse acoplamento sem os resistores de polarização do

seguidor de emissor (

Como não há resistência de polarização no seguidor de emissor a impedância de entrada do estágio será igual à impedância da base logo.

Obs: se não há resistência de polarização não haverá a resistência CA do emissor (

Assim para o amplificador EC a impedância do estágio do CC será a carga, logo podemos fazer toda à analise CA e CC do amplificador.

Ex. Faça a analise do circuito abaixo, determine o ganho de tensão.

Agora faremos a analise dos amplificadores em cascata EC e CC, com as resistências de

polarização do seguidor de emissor.

Faremos primeiro a analise CC e CA do seguidor de emissor até o cálculo da

impedância do estágio que será para o amplificador EC a carga em seguida faremos

a analise CC e CA do EC até o cálculo da tenção de saída que será a tensão de entrada do seguidor de emissor podendo assim finalizar a analise.

Amplificador Base – Comum

O amplificador Base – Comum tem como característica uma impedância de entrada relativamente baixa, uma impedância de saída alta e um ganho de tensão alto. É assim chamado por ter sua base aterrada.

A configuração é mostrada abaixo:

Na analise CC teremos a corrente de emissor dado pela forma

O circuito equivalente CA é mostrado abaixo

O cálculo da resistência CA do emissor é

O cálculo da impedância da base é

O cálculo da impedância de entrada do estágio é

O cálculo da impedância de saída é

O cálculo do ganho de tensão é

Ex:

Amplificador Darlington

Consiste na ligação em cascata de seguidores em emissor, tipicamente um par. Tem como característica principal um aumento na impedância de entrada e uma diminuição na impedância de saída. Seu ganho total de tensão é aproximadamente igual a um (1).

A corrente de base de vem do emissor de , logo o ganho de corrente total será

igual ao produto dos ganhos de corrente de e

O circuito abaixo representa um amplificador Darlington, ao fazer a analise CC deste

amplificador veremos que há uma queda de tensão em e também uma queda

de tensão em . Como há um divisor de tensão aplicado a base de podemos

determinar a corrente do emissor de , como:

A corrente do emissor de é igual a corrente de base de , assim

Circuito Darlington

N a analise CA temos:

Impedância de entrada do 2º estágio da Base

Se a resistência CA do emissor do 2º estágio for ignorado a impedância de entrada da base do 1º estágio será:

Como é muito maior então

Impedância de entrada do circuito será:

Impedância de saída do 1º estágio é:

Impedância do 2º estágio

Ex: Dado o circuito. Fazer a analise CA

Amplificador de Potência

Os transistores estudados até o momento foram transistores de pequenos sinais e analisamos o ganho de tensão de cada tipo de amplificador.

Os transistores agora estudados serão transistores de grande sinal. Todo amplificador tem duas cargas, uma carga CC e uma carga CA. Por isso todo amplificador possue duas retas de carga: uma reta de carga CA e uma reta de carga CC.

Estudaremos a reta de carga CA para analisarmos as operações em grande sinal.

Reta de carga CA e reta de carga CC.

No amplificador EC estudado anteriormente o sinal CA de entrada produz variações nas tensões de base e coletor e nas três correntes do transistor, como o emissor e um terra para CA a tensão não variava.

Diferença entre resistências CA e CC para o coletor.

A resistência CA do coletor na analise CA e calculada pelo paralelo entre e das

resistências CC. Como a resistência CA do coletor é diferente da resistência CC do coletor o ponto de operação Q no gráfico abaixo se move ao longo da nova reta de carga.

Ponto de Saturação e Corte CA

Os pontos de saturação e corte CA sobre a reta de carga CA será diferente da reta de carga CC e a reta de carga CA será mais inclinada porque a resistência CC do coletor.

Embora as retas sejam diferentes, elas incluem o ponto Q. As correntes e a tensão no ponto Q terão as seguintes notações.

Cálculo da corrente quiescente do coletor

Cálculo da tensão quiescente do coletor

Equação da reta de carga CA

Quando o transistor está saturado assim, temos:

Quando o transistor está para o corte , temos

Compliância CA de saída.

É a tensão de saída pico a pico sem ceifamento de um amplificador. A compliância CA de um amplificador EC é dada pelo menor valor das equações abaixo.

Ex: Dados os valores abaixo, calcule: a reta de carga CA; seu ponto de

saturação; ponto de corte e o valor máx. de pico a pico da tensão CA.