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1 A seguir, uma demonstração do livro. Para adquirir a versão completa em papel, acesse:

2 ELETRÔNICA, princípios e aplicações 2 Capítulo 8 Amplificador de Sinais Sumário do capítulo: 8.1 Introdução, Capacitores de acoplamento e derivação, Superposição de efeitos CC e CA, Resistência CA do emissor, Parâmetros β e hfe, Amplificador com emissor aterrado, Distorção do sinal de saída, Resposta em frequência, Ganho de tensão, Impedância de entrada, Impedância de saída, Exemplo - Determinação do ganho de tensão do amplificador, Exemplo - Determinação das impedâncias de entrada e saída, Exercícios propostos, 135 Objetivos do capítulo: saber a função dos capacitores de acoplamento e passagem no circuito; saber como determinar o equivalente CC e CA do circuito amplificador; ter o conceito de resistência CA ou dinâmica de emissor; conhecer o que provoca distorção do sinal de saída do amplificador; saber como se determina o ganho de tensão do amplificador; saber como se determinam as impedâncias de entrada e saída do amplificador.

3 ELETRÔNICA, princípios e aplicações Introdução Com o transistor bipolar de junção polarizado com um ponto de operação Q idealmente próximo ao meio da reta de carga, pode-se acoplar um sinal CA de baixa amplitude à base desse transistor, que produzirá variações na corrente de coletor, com a mesma forma e frequência. Por exemplo, se a entrada for uma onda senoidal de frequência de 1 khz, a saída será uma onda senoidal de maior amplitude com uma frequência de 1 khz. O amplificador é chamado amplificador linear de alta fidelidade se não mudar a forma do sinal. Desde que a amplitude do sinal seja pequena, o transistor usará somente uma pequena parte da reta de carga e a operação será linear, como se mostra na Figura 8.1. Figura 8. 1 operação linear Figura 8. 2 operação não linear Por outro lado, se o sinal de entrada for elevado, as variações ao longo da reta de carga, levarão o transistor à saturação, ou ao corte ou a ambas, provocando distorções no sinal de saída, fazendo com que a operação não seja linear, como se mostra na Figura Capacitores de acoplamento e derivação Os capacitores de acoplamento são utilizados para interligar diferentes estágios do circuito sem que ocorram modificações das condições CC desses estágios, evitando assim alteração das condições de polarização. Um capacitor de acoplamento faz a passagem de um sinal CA de um ponto ao outro do circuito, bloqueando-se o sinal CC. Para que isto aconteça, a reatância capacitiva Xc precisa ser muito pequena comparada com a resistência em série do circuito. X c 1 2 f C Figura 8. 3 capacitores de acoplamento e derivação O capacitor de derivação ou passagem (By Pass) tem a função de desviar a componente CA do sinal através de um trecho de menor impedância no circuito, comportando-se idealmente como um curto circuito para o sinal CA. Por isso, o emissor do transistor está em curto circuito com o terra (terra CA) no que se refere ao sinal CA. Um capacitor de derivação não perturbará a tensão CC, pois se comporta como circuito em aberto para a corrente CC.

4 ELETRÔNICA, princípios e aplicações 4 Figura 8. 4 substituição dos capacitores por um curto circuito 8.3 Superposição de efeitos CC e CA A fonte de tensão CC permite fixar as correntes e tensões de operação (quiescentes) no transistor do amplificador. A fonte CA de sinal produz variações nessas correntes e tensões contínuas do circuito e, então, o sinal é processado pelo circuito do amplificador. A forma mais simples de se analisar o circuito é dividindo a análise em duas partes: uma análise CC e uma análise CA. Circuitos equivalentes CC e CA O procedimento na aplicação da superposição de efeitos nos circuitos com transistores será mostrado a seguir, assim como a obtenção dos circuitos equivalentes CC e CA. Figura 8. 5 amplificador emissor comum Circuito equivalente CC Deve-se desativar a fonte CA. Desativar uma fonte significa colocar em curto circuito uma fonte de tensão ou abrir uma fonte de corrente. Deve-se substituir também cada capacitor por um equivalente aberto. O circuito que permanece é chamado circuito equivalente CC, como se mostra na Figura 8.6. Com este circuito, se pode calcular qualquer corrente e tensão CC. Figura 8. 6 circuito equivalente CC do amplificador

5 ELETRÔNICA, princípios e aplicações 5 O circuito equivalente CC pode ser redesenhado como segue: Figura 8. 7 circuito equivalente CC redesenhado Circuito equivalente CA Deve-se desativar a fonte CC. Os capacitores de acoplamento e de derivação devem ser substituídos por um equivalente curto-circuito. O circuito que permanece é chamado circuito equivalente CA, como se mostra na Figura 8.8. Figura 8. 8 circuito equivalente CA do amplificador O circuito equivalente CA pode ser redesenhado, como se mostra na Figura 8.9. Figura 8. 9 circuito equivalente CA redesenhado A corrente total em qualquer ramo do circuito será igual à soma das correntes CC e CA através desse ramo. A tensão total em qualquer ramo será também igual à soma das tensões CA e CC. Na análise de circuitos com sinais contínuos e alternados, é utilizada uma notação para representação de tensões e correntes. Grandezas contínuas, como tensões e correntes CC são representadas por letras maiúsculas. Por exemplo, usam-se: VE, VC, VB, IE, IC, IB. Grandezas alternadas, como tensões e correntes CA são representadas por letras minúsculas. Por exemplo, usam-se: ve, vc, vb, ie, ic, ib. 8.4 Resistência CA do emissor Conhecido o ponto de operação Q no modo linear, o transistor será substituído pelo equivalente como se mostra na Figura 8.10.

6 ELETRÔNICA, princípios e aplicações 6 Figura equivalente CC do transistor Na ausência de um sinal CA, o transistor funciona no ponto de operação Q geralmente localizado próximo ao meio da reta de carga CC. Quando um sinal CA aciona o transistor, a corrente e a tensão do emissor variam. Se o sinal for pequeno, o ponto de operação oscilará de Q a um ponto A e a seguir, para um ponto B e de volta para Q, repetindo o ciclo. Essas variações ocorrem em IE e VBE como mostra a Figura Figura ponto de operação (ponto quiescente) Se o sinal for pequeno, os picos A e B serão próximos de Q e o funcionamento será aproximadamente linear. Onde: re = resistência CA do emissor V BE V re I = tensão CA do diodo equivalente base emissor I E = corrente CA através do emissor BE E Com o transistor polarizado no amplificador, o diodo equivalente base-emissor é substituído pela resistência CA do emissor. Figura equivalente CA do transistor Como re é a razão entre a variação em VBE e a variação em IE, seu valor depende da posição do ponto Q. Quando mais alto na curva estiver Q, menor se torna re porque a mesma variação na tensão da base-emissor produz uma variação maior na corrente do emissor. A inclinação da curva do diodo no ponto Q determina o valor de re. Da equação da junção PN, demonstra-se que:

7 ELETRÔNICA, princípios e aplicações 7 25mV re IE Essa equação é válida à temperatura ambiente, por volta de 25 o C. O valor de re aumenta aproximadamente 1% para cada aumento de 3 o C. A corrente IE é a corrente de polarização no emissor. 8.5 Parâmetros e h fe A razão entre as correntes contínuas, IC do coletor e IB da base, é denominada. Essa razão não é linear e, portanto depende da localização do ponto Q. Nas folhas de dados do transistor, é especificado o valor de para um valor específico de IC. Somente algumas folhas de dados trazem uma curva de em função de IC. O hfe é uma quantidade de pequeno sinal que depende da localização do ponto Q. 8.6 Amplificador com emissor aterrado ic hfe ib A Figura 8.13 mostra um amplificador na configuração emissor comum. Um sinal de baixa amplitude aplicado à base produz variações na corrente da base. Devido à, a corrente do coletor é amplificada mantendo a mesma frequência do sinal na base. Esta corrente do coletor flui através da resistência do coletor e produz uma tensão de saída amplificada obtida entre o coletor e o terra. Figura amplificador com emissor aterrado Devido às variações na corrente do coletor, a tensão de saída, varia em torno da tensão VCE quiescente. Durante o semiciclo positivo da tensão de entrada, a corrente da base aumenta, fazendo aumentar a corrente do coletor. Isto produz uma queda de tensão maior através da resistência do coletor e, portanto, a tensão do coletor-emissor diminui e obtém-se o primeiro semiciclo negativo da tensão de saída. Do mesmo modo, no semiciclo negativo da tensão de entrada, flui uma corrente menor do coletor e a queda de tensão através do resistor de coletor diminui. Por essa razão, a tensão do coletor ao terra aumenta e obtém-se o semiciclo positivo da tensão de saída. Como se pode observar, a tensão de saída está defasada em 180 o em relação à tensão de entrada. onde A é o fator de amplificação. V saída A V entrada

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