Ampliador com estágio de saída classe AB

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1 Ampliador com eságio de saída classe AB - Inrodução Nese laboraório será esudado um ampliador com rês eságios empregando ransisores bipolares, com aplicação na faixa de áudio freqüência. O eságio de enrada é composo por um amplificador diferencial ligado a um segundo eságio do ipo emissor comum. A saída do segundo eságio aciona um par de ransisores complemenares operando em classe AB. Para redução da disorção e dependência do ganho com os parâmeros dos ransisores é empregada a écnica de realimenação. Q3 Q 4 Q 5 VO B2 Figura.. Diagrama de blocos do amplificador. 2- Primeiro e segundo eságios O circuio do primeiro e segundo eságio é apresenado na figura 2.. Os ransisores e compõem o par diferencial da enrada, e o ransisor um amplificador do ipo emissor comum. A saída do segundo eságio é o pono. As resisências B e B2 fornecem a correne de polarização para o par diferencial de enrada. A saída do par, C, é ligada à base do ransisor que em como resisência de carga. O ganho AC do amplificador em malha fechada é definido pelas resisências B2 e. 2.- Operação Para análise da operação do circuio vamos considerar B = B2 e. A correne de enrada dese eságio, I B_Q e I B_Q2 causa uma queda de ensão sobre B e B2. Como B = B2 e, emos V B =V B2. Dese modo, a ensão no pono deve esar no mesmo poencial do erminal do resisor B ligado ao erra, iso é, zero. O elo de realimenação ende a maner a saída no poencial zero na condição de repouso. Por exemplo, a ocorrência de uma perurbação que venha a elevar a ensão V S2 acarrea um aumeno em I C_Q2. Como I EE é aproximadamene consane, a correne I C_Q deve reduzir, aproximando o poencial de base de com. Dese modo, I C_Q3 diminui, levando a uma redução do poencial na saída V S2 aproximando ese valor para a condição inicial. obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4

2 B = B2 C I C_Q A I A 2 I B_Q2 I C_Q3 I B_Q A 3 B2 T V S2 B I EE EE Figura 2.. Esquema do primeiro e segundo eságio do amplificador Ganho de ensão O ganho de ensão em malha abera pode ser deerminado eliminando-se o elo de realimenação do amplificador. Para al, devemos imaginar que o sinal no pono A 2 é anulado inerligando-se, por exemplo, um capacior enre ese pono e o erra. Em seguida devemos considerar o ganho do par diferencial endo como carga C em paralelo com a resisência de enrada do segundo eságio, r i_s2. Assim, o ganho do primeiro eságio, A v_s, é dado por ( C / / ri _ s2) Av _ s = (2.) 2r e_ Q sendo ri _ s2 = rπ _ Q3 = VT / I B_ Q3 e re _ Q = VT / I E _ Q. O ganho do segundo eságio, A v_s2, é dado por A = gm (2.2) v _ s2 Q3 C3 sendo gm = I _ / V. O ganho do oal, A v_, será o produo enre A v_s e A v_s2. Deve-se noar que Q3 C Q3 T ese ganho é válido para pequenas variações de sinal. No caso de níveis mais elevados de excursão, o ganho muda conforme as novas condições de operação dos ransisores. Esa aleração do ganho indica uma não linearidade do amplificador. Para uma freqüência de operação al que a impedância de seja bem menor que, o ganho do amplificador em malha fechada é dado por Av _ Avf = (2.3) + A B sendo B o faor de realimenação dado por B3 / ( B2 + B3). Caso o ganho do amplificador seja elevado, al que << A v_ B, a relação (2.3) pode ser simplificada para B2 + B3 Avf = (2.4) B 2.3- Exemplo Vamos considerar as ensões de alimenação com sendo = 20V e = -20V. Impondo I EE =,6mA resula I C_Q I C_ 0,8mA. Supondo β Q β 00, emos I B_Q I B_ 8µA. Adoando B = B2 = 27kΩ, emos V B V B 2 0,22V. Como V S2 = 0V, resula V A V A 2-0,22V. A ensão de repouso no pono A 3 é igual a VA3 = VB VBE = 0, 82V, v_ B3 obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 2

3 supondo V BE_Q = 0,6V. Uma vez deerminado o poencial do pono A 3, o valor de EE pode ser calculado: EE = [ 0, 82 ( 20)] /, = 2kΩ. O valor de C pode ser escolhido de modo a gerar uma ensão um pouco maior que V BE para a 3 correne de coleor de repouso de, I C_Q. Assim, C = 0, 6 / 0, 8 0 =750Ω, podendo ser adoado o valor comercial de 820Ω. O valor de pode ser deerminado em função da correne de coleor de repouso de, I C_Q3. Supondo que o valor desejado para I C_Q3 seja 6mA, como V S2 = 0, emos 3 = 20 / 6 0,2kΩ, O ganho de ensão de malha abera depende da condição de operação dos ransisores. Vamos esimar ese ganho na condição de repouso, I C_Q I C_ 0,8mA e I C_Q3 6mA. No primeiro 3 6 eságio emos r i _ s 2 = 26 0 / 60 0 = 62Ω, e r 3 3 e _ /, = =32,5Ω, resulando 3 3 _ = (820 / /62) / 2 32, 5 = -2,. No segundo eságio gm Q3 = 6 0 / 26 0 = 65mA/V, A v s 3 resulando A v_ s 2 = 0, 65, 2 0 = Dese modo, A v _ = 2, na condição de repouso do amplificador. Para deerminação do ganho AC do circuio realimenado é necessário deerminarmos o valor o faor de realimenação B. Supondo =2,2kΩ, emos B= 2, 2 / ( , 2) =0,0752. Como << A v_ B, podemos adoar a relação (2.4), resulando A vf = 3,3. Noe que o valor do ganho realimenado ende a permanecer consane, apesar da variação do ganho do amplificador em malha abera enquano << A v_2 B for válido. O resulado, porano, é um amplificador mais linear devido ao elo de realimenação. 3- Eságio de saída No eságio de saída de um ampliador a correne enregue à carga, bem como a excursão do sinal, possuem níveis mais elevados que os eságios precedenes. Considerando eses dois faos, é imporane que ese eságio opere com eficiência para redução de perdas e dissipação de poência. Os ipos de eságios de saída são classificados em função do período em que o elemeno de saída aivo, normalmene um ransisor, esá em condução. Na figura 3. são ilusrados alguns ipos: classe A (condução 360 o ), classe B (condução 80 o ) e classe AB (condução ligeiramene maior que 80 o ). correne correne correne Classe A Classe B Classe AB angulo de angulo de condução condução Figura 3.. Inervalo de empo de condução para eságios de saída ipo A, B e AB. angulo de condução obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 3

4 À esquerda da figura 3.2 é ilusrado um circuio de um eságio classe B com ransisores bipolares. O funcionameno pode ser enendido supondo-se a enrada v I com um nível de ensão posiiva acima de 0,6V. Nesa condição, o ransisor conduz operando como um seguidor de emissor e o ransior enra em core. A ensão de saída segue a enrada com uma queda de V BE, vo = vi vbe _ QN. Para uma ensão de enrada negaiva o processo é reverido. A ensão v I menor que -0,6V leva a condução e o ransior ao core. Para uma ensão de enrada 0, 6V < v I < 0, 6V os dois ransisores permanecem em core e ensão de saída é igual a zero. Nesa região é inroduzida uma não linearidade na saída denominada disorção de cruzameno (crossover). No cenro da figura 3.2 é apresenada a curva de ransferência do circuio supondo que os ransisores enrem em condução com V BE > 0,6V (NPN) e V BE < -0,6V (PNP). A direia da mesma figura é ilusrada a disorção inroduzida pelo circuio quando acionado por uma forma de onda riangular. < -0,6V > 0,6V carga Figura 3.2. Eságio classe B com ransisores bipolares. A disorção de cruzameno do eságio classe B pode ser reduzida pela aplicação de uma ensão de polarização enre os erminais de base dos ransisores, vide o esquema da esquerda na figura 3.3. Na condição de repouso, a ensão V P maném os dois ransisores conduzindo em um nível de correne baixo. Uma elevação da ensão de enrada não alera a ensão enre a base dos ransisores; enreano, a ensão V BE_QN sofre uma elevação e a ensão V BE_QP é reduzida. Dese modo, a elevação da ensão leva o ransior a conduzir um nível de correne maior e reduz o nível de correne sobre. A siuação reversa se aplica quando a ensão de enrada orna-se negaiva. Assim, devido a ensão de polarização V P o cruzameno por zero na saída ocorre de maneira suave devido a condução simulânea dos ransisores nesa região. Deve-se noar, que ocorre uma dissipação de poência exra devido a condução simulânea dos ransisores. V P / 2 D E V P / 2 carga D 2 E2 carga Figura 3.3. Eságio classe AB com ransisores bipolares. obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 4

5 O esquema do lado direio da figura 3.3 ilusra uma possível implemenação de um eságio classe B. Os diodos D e D 2 geram uma ensão de aproximadamene dois V BE para polarização dos ransisores e. A correne de repouso do eságio de saída é definida pelas resisências E e E2, e a queda de ensão sobre D e D Amplificador O circuio compleo do amplificador é apresenado na figura 4.. Convém desacar duas pequenas alerações no circuio. A primeira refere-se à inerligação enre a saída do segundo eságio, pono, e à enrada do par de ransisores operando em classe AB. Foram inseridos os diodos D e D 2 enre o coleor do ransior e a sua resisência de carga,. A segunda aleração é quano ao pono de omada da realimenação; como a saída do circuio é o pono S O, e o úlimo eságio não causa a inversão no sinal, a amosra do sinal deve ser feia nese pono. A operação do circuio é semelhane à descria no iem 2. O eságio de saída não inroduz nenhum ganho de ensão, e a saída S O segue o nível de ensão do pono. Devido ao ganho de correne proporcionado pelo eságio de saída, é possível acionar cargas mais elevadas. Como a realimenação é omada no pono S O a resisência de saída do amplificador é reduzida por (+A v_ B) vezes. C I C_Q Q 4 B2 I B_Q I EE B I B_Q2 A I A 2 S o ' '' D E4 E5 V SO D 2 Q 5 EE Figura 4.. Esquema do amplificador compleo. 5- Preparação 5.- Desenhe a curva caracerísica de ransferência dos circuios da figura 5.. Indique as coordenadas dos ponos noáveis em função de e. Considere que os ransisores enram em condução para V BE > 0,6V (NPN) e V BE < -0,6V (PNP), e a ensão V CE na região de sauração é igual a zero, V CE_SAT = 0V No circuio da figura 5.2 a saída do amplificador operacional é inerligada a um eságio de saída não linear. Desenhe as formas de onda soliciadas na figura. Considere o ganho do amplificador operacional muio elevado, e a excursão da ensão em sua saída limiada às ensões de alimenação. ecorde que o elo de realimenação ende a corrigir a não linearidade inroduzida pelo eságio de obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 5

6 saída. Noe que esa correção pode não ser aingida inegramene, caso a saída V A não consiga aingir a ensão necessária. = - = - 2 carga 2 Figura Projee um amplificador com dois eságios conforme o esquema da figura 2.. Imponha para a condição de repouso: I EE = 2,4mA e I C_Q3 = 7mA. Com relação aos ransisores e considere: β Q β 00 e V BE = 0,6V para I C =,2mA. Adoe B = B2 = 33kΩ. As ensões de alimenação disponíveis são: = 2V e = No amplificador projeado, iem 5.3, qual o ganho de ensão do conjuno realimenado para = 3,9kΩ? Suponha válida a relação (2.4) Considere agora que o amplificador projeado no iem 5.3 erá a sua saída inerligada a um eságio de saída conforme o esquema da figura 4.. Comene, de maneira sucina, as alerações que poderão ocorrer no pono de polarização DC do circuio e no ganho de ensão do circuio realimenado. + V A v B 9 - eságio de saída v B v i 5-5 V i - -9 v A v O v A v B Figura Pare práica 6.- Eságio de saída operando em classe B. Mone o circuio da figura 6. no lado direio da placa de monagem. Siga a sugesão apresenada ao lado da figura. eserve um espaço na pare esquerda da placa (próximo dos erminais de ligação) para os próximos iens. Observe que as ligações com as fones de alimenação devem ser feias direamene aos erminais. obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 6

7 6.2- Verifique o comporameno do circuio da figura 6. para dois casos: um sinal com uma ampliude de V PP e um sinal com uma ampliude de 3V PP. Para ambos os casos empregue uma freqüência de khz. Apresene no relaório a forma de onda do sinal V o de maneira similar ao esboço proposo no lado direio da figura 5.2, e comene os resulados obidos. = = TIP29 v o v I L 7,5Ω L TIP30 ligue direamene aos bornes da placa de monagem 0V Figura 6.. Eságio classe B Primeiro e segundo eságio do amplificador. Mone ao lado do circuio anerior o esquema da figura 6.2 conforme a sugesão apresenada. Observe que um novo componene foi inroduzido no circuio, o capacior C Pono de operação DC (primeiro e segundo eságios). Sem a aplicação de nenhum sinal meça os valores soliciados na abela 6. e compare com os valores esperados (iem 5.3) Ganho do amplificador (primeiro e segundo eságios). Ainda no circuio da figura 6.2, preencha a abela 6.2 para levanar o ganho de ensão do amplificador Avf = vso2 vi. Comene os resulados. 6.6 (opcional)- emova o capacior C 3 e observe o que ocorre na saída. Qual seria a explicação? Tabela 6.. Pono de operação DC - primeiro e segundo eságios. V A3 V EE I EE V C3 I CQ_3 =I C3 eórico práico Tabela 6.2. Ganho de ensão - primeiro e segundo eságios. B2 A vf eórico v i v So2 A vf práico 0,4Vpp,0Vpp 6.7- Amplificador compleo. Mone o esquema da figura 6.3 conforme sugesão apresenada na figura 6.4. Manenha os erminais de coleor dos ransisores Q 4 e Q 5 ligados direamene aos erminais de ligação da placa de monagem, para eviar inerferência enre o eságio de saída e os eságios aneriores. Os componenes em desaque servem para idenificar os ponos que sofreram alerações com relação às monagens dos iens aneriores. Os capaciores C VCC e C VEE previnem inerferências inroduzidas pela fiação. Coloque-os nas linhas de alimenação da placa de monagem. obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 7

8 = = C T 0.µ BC547 BC547 C 3 220p 33k B2 BC557 S O2 vi C EE C 3 v I B 33k A 3 3,9k v S2 B2 v S2 EE 0µ 0V B Figura 6.2. Circuio amplificador - primeiro e segundo eságios Verificação do pono DC de operação. Com o pono T conecado à saída S O ligue o circuio. Caso algum componene eseja muio aquecido ou a ensão de alimenação não eseja correa, desligue imediaamene a fone de alimenação e verifique as ligações. Preencha os valores da abela 6.3 e comene os resulados. Tabela 6.3. Pono de operação DC - amplificador compleo. V A3 V EE I EE V C3 I C_Q3 =I 3 V SO eórico práico 6.9- Ganho do ampliador compleo. Preencha a abela 6.4 para levanar o ganho de ensão do amplificador, Avf = vso vi. Comene os resulados; ocorreu aleração no ganho com relação ao iem 6.5? Caso não enha ocorrido alerações no ganho de ensão, qual a finalidade do eságio de saída? Tabela 6.4. Ganho de ensão - primeiro e segundo eságios. B2 A vf eórico v i v So A vf práico 0,4Vpp,0Vpp 6.0 (opcional)- Excursão do sinal na saída. Observe o sinal na saída e aumene a ensão de enrada aé que a forma de onda comece a apresenar disorção. Troque a resisência de carga por um valor mais elevado e observe o novo limie. Qual seria o moivo da limiação na excursão da saída (sugesão: considere o β dos Q 4 e Q 5 ransisores)? Como poderia ser conornado ese problema? 6. (opcional)- Funcionameno do amplificador com o eságio de saída operando em classe B. Para alerar o eságio de saída, inerligue os ponos e com um fio. Aplique um sinal na enrada e verifique o pequeno aumeno da disorção na saída no cruzameno por zero. Para faciliar a observação aumene a freqüência do sinal de enrada, 5kHz por exemplo. Qual seria a limiação que esaria impossibiliando a correção da linearidade do eságio de saída? obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 8

9 C VCC 0µF C BC557 C 5 220pF Q 4 TIP29 0,µF B2 33kΩ D N94 E4 0,47Ω A I A 2 T S o S o B 33kΩ BC547 A 3 EE BC547 3,9kΩ 0µF ' vide exo D 2 N94 '' E5 0,47Ω Q 5 TIP30 V SO L 8Ω C VEE 0µF Figura 6.3. Circuio do amplificador compleo. Q 4 Q 5 v S2 C D v S2 ' vi EE C 3 vide exo E4 L E5 0V B2 B D 2 0V Figura 6.4. Sugesão para monagem - amplificador compleo. v SO 6.2 (opcional)- Funcionameno do amplificador com o eságio de saída operando em classe B e realimenação no pono. Manendo a ligação do iem 6.8 alere a omada do pono de realimenação T para. epia a operação do iem 6.8 e verifique o aumeno da disorção. Explique em poucas palavras o moivo. 6.3 (opcional)- Operação com sinal de áudio. eorne as ligações conforme o esquema da figura 6.3, removendo as alerações inroduzidas nos iens 6.9 e 6.0. Troque a resisência de carga por um auo falane acondicionado numa caixa acúsica e aplique na enrada do amplificador um sinal de áudio proveniene de oca fias ou rádio. Faça uma avaliação do desempenho do amplificador para diferenes condições de volume, observando a saída no osciloscópio. obero d'amore - Lab. EEA-46 Ampliador com eságio de saída classe AB - revisão 2.4 9