Eletrônica Aula 06 CIN-UPPE

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1 Eletrônica Aula 06 CIN-UPPE

2 Amplificador básico (classe A)! 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 R c, de onde o sinal amplificado é retirado.

3 Amplificador básico R 1, R 2, R 3 e R C são usados para polarização do transistor Sinal de entrada Polarização Sinal efetivo em N Filtra sinal DC C1, atua como filtro. R3 é utilizado para melhorar a polarização, mas é eliminado para sinais AC. Componente DC e CA

4 Amplificador básico! Amplificador com transistor Polarização CC (visto na aula 4) 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.! Observem que nesta configuração o sinal é invertido na sáida V CC C 2 R L R G C 1 C E

5 Análise CA Acoplamento com capacitores! 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 da reatância capacitiva do capacitor: X C = 1/2πfC! Esta fórmula mostra que a reatância é inversamente proporcional ao valor da freqüência. Ou seja, quanto maior for a freqüência menor será a reatância capacitiva.! Assim:! Para sinais DC os capacitores funcionam como circuitos abertos.! Para sinais CA, de alta freqüência, os capacitores funcionam com curto-circuito.

6 Análise CA Acoplamento com capacitores! Função do capacitor Em baixa freqüência o capacitor atua como um circuito aberto I = 0 Em alta freqüência o capacitor conduz, deixando passar a componente alternada do sinal (CA) I = V G /(R G +R 2 ) Está corrente é a corrente máxima que pode circular no circuito, considerando-se que a reatância capacitiva tende a zero em alta freqüências.(reatância capacitiva tende a zero) I V G

7 Análise CA Acoplamento com capacitores! 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 acima de 20 Hz, devemos dimensionar o capacitor para que ele funcione como curto circuito a partir de 20 Hz. O capacitor neste estágio (ou seja a reatância capacitiva) 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: X C < 0,1 (R G +R 2 )

8 Análise CA Acoplamento com capacitores! Corrente no circuito RC: I = V/Z => I = V G / (R 2 +X C2 ) R Para X C < 0,1 R Com R = R G +R 2 X C I = V G / (R 2 +0,1R 2 ) Z I = V G / 1,01R 2 => I = 0,995 V G /R Esta corrente é apenas 1% menor que a corrente máxima do circuito, dada por I = V G /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.

9 Capacitor de desvio (bypass)! Neste tipo de circuito, o capacitor é colocado em paralelo com o resistor.! O efeito prático deste circuito é desviar a corrente do resistor em freqüências altas, através do efeito de curto-circuito, criando um terra virtual. Neste caso, a tensão sobre o resistor cai para zero (em altas freqüências). Terra CA A alta freqüência de quina: f h frequência na qual o capacitor se comporta como curto-circuito, ou melhor, sua reatância capacitiva chega a aproximadamente 10% da impedância a qual o capacitor está acoplado.

10 Amplificador básico! Amplificador com transistor (Exemplo) - Classe A (emissor Comum)! Análise CA V CC C 2 R L R G C 1 C E

11 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 (R B ). Combinar R 4 e R L v i z i i i Modelo CA de um transistor R 4 R 1 R 2 R L i C z o v o

12 Parâmetros de Análise - CA! Impedância de entrada (Z i )! Impedância de saída (Z o )! Ganho de tensão (A v )! Ganho de corrente (A i ) i i v i Z i Modelo CA de um transistor Z o i o v o R L A v = v o /v i A i = i o /i i

13 Modelo de um BJT para pequenos sinais! Modelo r e do transistor Este modelo emprega um diodo e uma fonte de corrente controlada para modelar o transistor na região de interesse. Este modelo é sensível ao valor cc de operação do amplificador.! Modelo híbrido equivalente do transistor Os parâmetros híbridos (V e I) são definidos em um ponto de operação do transistor. Ambos os modelos são usados para análise CA de um BJT

14 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. I B Q (ponto de operação) Q (ponto de operação) Distorção da onda (indesejável p/amplificadores de alta fidelidade) V BE

15 Modelo r e do transisor (modelo CA)! Configuração emissor comum I C = βi B B C I C = βi B I B E I E I E =(β+1)i B βi B (β>>1)

16 Modelo r e do transisor (modelo CA)! Cálculo da Impedância de entrada (Z i ) Cálculo em função de i b e v be C i C = βi B Resistência entre base e emissor(diodo) i i =i B B r e z i v i v be r e I E z i = βr e E Z i = v i /i i =v be /i B i E.r e /i B = βi B.r e /i B = β.r e r e = 25mV/I E a 50 mv/ I E

17 Resistência CC e CA! Resistência CC no transistor: R CC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a corrente de operação do transistor. Exemplo para I E = 1mA, R CC = 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. R CA = Δv BE / Δi E Exemplo para Δv BE = 1m V e Δi E = 40 µa, R CA = 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 o C: 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. R CA = 25mV/ I E ou r e = 25mV/I E a 50 mv/ I E

18 Modelo r e do transisor (modelo CA)! Cálculo da impedância de saída (z o ) Cálculo em função de i c e v ce Baixa impedância Δv ce Δi c Inclinação = Δi c / Δv ce = 1/r o Q Alta impedância Quanto maior for a inclinação menor será a impedância de saída. Como trabalhamos em geral na região onde Δi c é muito pequeno, a impedância de saída é muito grande, no ponto de Operação (ponto Q). Δv ce Δi c Δi c c r o z o e Δv ce

19 Modelo r e do transisor (modelo CA) z i z o R L Ganho de tensão (r o Ω): Ganho de corrente(r o Ω): A v = v o /v i = βi B.R L / βi B. r e = R L /r e A i = i o /i i = i c./ i B =β= h fe Parâmetros de análise CA do transistor para pequenos sinais: - Impedância de entrada (Z i )= βr e (r e = 25mV/I E ) p/25 o C - Impedância de saída (Z o )= r o - Ganho de tensão (A v )= v o /v i = βi B.R L / I B.βr e = R L /r e - Ganho de corrente (A i )= i o /i i = i c./ I B =β= h fe

20 Modelo híbrido! Um circuito elétrico formado por elementos lineares pode ser representado por um único dispositivo denominado quadripólo, de modo a ser modelado matematicamente.! As quatro variáveis envolvidas no modelo(i 1,i 2,v 1,v 2 ) podem ser relacionadas entre si através de funções lineares, ficando duas variáveis independentes e duas dependentes.! O tipo de modelo que fixa a tensão de entrada v 1 e a corrente de saída i 2 como variáveis dependentes e a corrente de entrada i 1 e a tensão de saída v 2 como variáveis independentes é denominado modelo híbrido h. Parâmetros híbridos por terem dimensões diferentes.! Para relacionar essas tensões e correntes, o quadripólo deve ser formado por quatro parâmetros internos, definindo assim duas funções lineares da seguinte forma:

21 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais CA modelo híbrido equivalente! O modelo DC, em geral utilizado para polarização de transistores, não consegue representar adequadamente as pequenas variações CA.! Em BJT, existem 4 parâmetros de interesse: i B, i C, v BE,v CE Onde i B e v CE são variáveis independentes do sistema, enquanto que i c e v BE são variávies dependentes. Onde: v BE = f 1 (v CE,i B ) Amplificador Emissor Comum i C = f 2 (v CE,i B ) i B v BE = f 1 (v CE,i B ) i C = f 2 (v CE,i B ) v CE v BE V CE

22 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA! Se partimos da suposição de que as variações de um sinal em torno do ponto de polarização são pequenas, podemos supor que os parâmetros híbridos do transistor vão ser constantes.! V BE como função de i B e v CE

23 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA! i C como função de i B e v CE

24 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA! Considere os parâmetros i B, i C, V BE, V CE do transistor operando no ponto Q (ponto de operação) i B = I B +Δi B v CE = V CE +Δv CE " As mudanças Δ ib e Δv CE resultam nas mudanças CA de v BE e i c que podem ser encontradas pela série de Taylor na região vizinha ao ponto Q, ou seja:

25 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA! As derivadas parciais são calculadas no ponto Q:! Podemos denotar as mudanças CA em v BE e i C como Δv BE e Δi C por: v BE (I E +Δi B, V CE +Δi CE )=V BE +Δv BE i C (I E +Δi B, V CE +Δi CE )=i C +Δi C! Aplicando um pequeno sinal CA nós mudamos i B e v CE com pequenos valores Δi B e Δv CE que faz com que o transistor responda mudando v BE e I C, Δv BE e Δi CE.

26 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA! Respostas do transistor a sinais CA são dadas por: " As derivadas parciais são as inclinações das curvas próximas ao ponto de operação Q.

27 Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA " Considerando as derivadas parciais próximas ao ponto de operação Q. Definimos então os parâmetros: Onde: h ie - impedância de entrada do transistor, dado em Ohms (Ω) h re - sem unidade (adimensional) - Representa a dependência da curva I B -V BE do transistor sobre o valor de V CE. É geralmente muito pequenas e é muitas vezes negligenciada (presume-se zero) h fe - sem unidade (adimensional) (ganho de corrente) h oe condutância de saída, dado em mhos (Siemens)! A resposta do transistor para pequenos sinais CA é dado por:

28 Determinação gráficas dos parametros h (exemplo real) h fe h oe

29 Determinação gráficas dos parametros h (exemplo real) h ie h re

30 Parametros híbridos para diferentes configurações Parametro Emissor Coletor Base comum comum comum

31 Modelo híbrido (h)! Modelo equivalente da entrada do transistor

32 Modelo híbrido (h)! Modelo equivalente da saída do transistor

33 Modelo híbrido (h)! Modelo equivalente da entrada/saída do transistor! O modelo equivalente de pequeno sinal é matematicamente válido apenas para sinais de pequena amplitude.! Os parametros h são fornecidos pelo fabricante do dispositivo. Estes parâmetros podem mudar substancialmente dependendo do fabricante.

34 Modelo híbrido (h) - exemplo! Parâmetros híbridos (típicos) transistor 2N3904 Mínimo Maximo Medio

35 Modelo híbrido (h)! Desconsiderando o componente h re, o qual é muito pequeno e usualmente ignorado em modelos analíticos, chegamos a um modelo denominado hibrido-π.! Assim: Ou melhor

36 Modelo híbrido (h)! Modelo híbrido-π através de uma fonte de corrente controlada. βr e h ie =h fe.r e = β.r e

37 Exemplo - Amplificador Emissor Comum! Características: Inversão de fase em 180 o 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. V CC R C C 2 C 1 C E Inversão de fase (180 o )

38 Análise do circuito! Modelo CA para circuito com polarização por divisor e tensão: i i i C i o V i Z i Z i =R βr e βr R e 1 R 2 v o Z o Z o =R C r o R =R 1 R 2! Calcular: a) r e 25mV/I E (resistência do emissor) b) Z i impedância de entrada c) Z o impedância de saída d) Ganho de tensão A v (A v = V o /V i ) e) Ganho de corrente A i (A i = i o /i i )

39 ! Impedância de entrada Z i : Z i =R βr e Onde R = R 1 R 2 = R 1.R 2 /(R 1 +R 2 )! Impedância de saída Z o : Z o =R C r o! Ganho de tensão: A v = v o /v i Onde v o = i C. Z o = -(βi B )(R C r o ) v i = i B.(βr e ) Portanto: A v = v o /v i = - (R C r o )/r e Se r o >> R C A v = - R C /r e! Ganho de corrente: A i = i o /i i Onde i o = βi b - v 0 /r o onde v 0 = i o.r C Logo: i o = βi b - i 0.R c /r o => i o (1+R c /r o ) = βi b Assim, o ganho de corrente pode ser dado por: A i = i o /i i = i o /i B => A i = β/(1+r c /r o ) Como em geral r o >> R C, temos A i β

40 Polarização AC - problema Este tipo de montagem, com a inclusão de R E1 faz com que o circuito amplificador independa mais das características do transistor (r e ). A solução com a adicão de um resistor R E1 ao emissor, faz com que o sinal AC veja uma resistência de emissor de R E1. Para o sinal DC, esta resistência é dada agora por R E =R E1 +R E2. As fórmulas para o amplificador emissor comum podem ser aplicadas aqui, substituindo r E por r e +R E1 na determinação do ganho do amplificador, no modelo AC. Na análise AC C b remove R E2 do circuito. Vantagens: - Aumenta a impedância de entrada - Mais estável em relação a variação de r e Desvantagem: - Reduz o ganho do circuito

41 Transistor BC546, BC547

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