Prof. Antonio Carlos Santos. Aula 9: Transistor como amplificador

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1 IF-UFRJ lmntos d ltrônica Analógica Prof. Antonio Carlos Santos Mstrado Profissional m nsino d Física Aula 9: Transistor como amplificador st matrial foi basado m liros manuais xistnts na litratura (id rfrências) na intrnt foi confccionado xclusiamnt para uso como nota d aula para as práticas d Laboratório do Curso d lmntos d ltrônica Analógica. Pla forma rápida qu foi confccionado, algumas parts foram xtraídas quas rbatim d outros autors citados na lista d rfrências. Trata-s d um txto m procsso d constant modificação. Por gntilza, m inform os rros qu ncontrar. Dpois do transistor tr sido polarizado com um ponto Q próximo da mtad da linha d carga podmos acoplar um pquno sinal ca à bas. Isto produz flutuaçõs na corrnt do coltor d msma forma frqüência. O amplificador é chamado amplificador linar (ou d alta fidlidad) s l não mudar a forma do sinal. Capacitors d acoplamnto d driação Um capacitor d acoplamnto faz a passagm d um sinal ca d um ponto a outro (quial a um curto para um sinal ca), pois a ratância X c (ωc) -1 é pquna para grands frqüências. O alor do capacitor d acoplamnto dpnd da frqüência mais baixa qu ocê stá tntando acoplar. Como ocê d lmbrar d aulas antriors, a corrnt altrnada no circuito abaixo (Fig.1) é: V Th Z q I Ond a impdância quilnt m séri é dada por Z q 2 (R Th + R L ) 2 + X c 2 À mdida qu a frqüência aumnta, X c diminui até s tornar muito mnor do qu R Th + R L. Nst caso, a corrnt ating um alor máximo IV th / (R Th + R L ). m outras palaras, o capacitor acopla o sinal connintmnt quando X c << R Th + R L. Utilizarmos a sguint rgra X c 0,1R, para a frqüência d ntrada mais baixa do amplificador. Nsta caso o acoplamnto é dito stabilizado. Fig. 1 capacitor d acoplamnto ntr a font a carga. Trra CA Um capacitor d driação é smlhant a um capacitor d acoplamnto, xcto qu l acopla um ponto não atrrado a um ponto atrrado, conform ilustra a Fig

2 Fig. 2 capacitor d driação Na figura 2, o capacitor s comporta idalmnt como um curto para um sinal ca. Por isto o rsistor stá conctado a uma trra ca. A mnos qu sja fita alguma rcomndação m contrário, todos os capacitors d acoplamnto d driação são considrados stabilizados, o qu qur dizr qu funcionam aproximadamnt como circuitos abrtos para a corrnt contínua como curto-circuito para a corrnt altrnada. Torma da suprposição para os amplificadors (circuitos quialnts ca cc) Num amplificador a transistor, a font cc stablc corrnts tnsõs quiscnts (uniform, constant). A font ca produz ntão flutuaçõs nssas corrnts tnsõs. O jito mais simpls d s analisar o circuito é diidindo a anális cc uma anális ca. m outras palaras, podmos usar o torma da suprposição. Aqui stão os passos a srm sguidos na aplicação da suprposição aos circuitos com transistors: 1-Para ncontrar o circuito quialnt cc: Rduza a font ca a zro; isto significa por m curto uma font d tnsão ou abrir uma font d corrnt. Abra todos os capacitors. O circuito qu prmanc é chamado circuito quialnt cc. Com st circuito, podmos calcular qualqur corrnt tnsão cc qu stirmos intrssados. 2- Para ncontrar o circuito quialnt ca: Rduza a font cc a zro; isto significa por m curto uma font d tnsão ou abrir uma font d corrnt. Ponha m curto todos os capacitors d acoplamnto d driação. O circuito qu sobra é chamado circuito quialnt ca. st é o circuito qu d sr usado ao s calcular as tnsõs as corrnts ca. 3-A corrnt total m qualqur ramo do circuito é a soma da corrnt cc da corrnt ca atraés dss ramo. A tnsão total atraés d qualqur ramo é a soma das tnsõs ca cc atraés d qualqur ramo. Vamos aplicar o torma da suprposição ao amplificador a transistor da Fig. 3. O rsultado é o circuito da Fig. 4 para o quialnt cc o da Fig. 5 para o quialnt ca. 28

3 Fig. 3 Circuito ral Fig. 4 circuito quialnt cc 29

4 Fig. 5- Circuito quialnt ca Notação Para s mantr o cc difrnt do ca, é uso comum mprgar ltras maiúsculas índics para as quantidads cc: I, I C, I B para as corrnts cc no missor, coltor bas, rspctiamnt, V,V C, V B para as tnsõs cc; i, i c, i b para as corrnts ca no missor, coltor bas, rspctiamnt,, c, b para as tnsõs ca. Rsistência CA do diodo missor bta ca Ao fixar o ponto Q, stamos isualizando o transistor da Fig. 6 substituído plo circuito quialnt também da Fig. 6 ( modlo brs-moll). Até agora, fizmos a aproximação d V para 0,7 V. Vamos r no qu implica o modlo brs- Moll para um sinal ca. Fig. 6 Modlos cc ca d brs-moll A Fig. 7 mostra a cura do diodo rlacionando I V. Na ausência d um sinal ca o transistor funciona no ponto Q, gralmnt localizado no mio da linha d carga cc. Quando um sinal ca aciona um transistor, ntrtanto, a corrnt a tnsão do missor ariam. S o sinal for pquno, o ponto d funcionamnto oscilará snoidalmnt m torno d Q o funcionamnto srá aproximadamnt linar (xpansão d primira ordm m séri d Taylor m torno do ponto Q). Por isso, as ariaçõs na tnsão na corrnt são aproximadamnt proporcionais. Colocando d outra forma, no qu s rfr ao sinal ca, o diodo aparc como s foss uma rsistência ca do missor dada por V r ' I A sgunda igualdad d-s ao fato d qu as ariaçõs na tnsão bas-missor corrnt no missor srm quialnts a uma tnsão uma corrnt ca. O alor d r dpnd da posição do ponto Q. Quanto mais alto na cura stir Q, mnor s torna r. A quação da junção pn rtangular é dada por: i b 30

5 I di dv r' I S dv di V IS V 1 ( I + I ) I ( I + IS) I S 25mV Fig. 7- Variaçõs na tnsão da bas-missor produzm ariaçõs na corrnt do missor. O amplificador com missor atrrado A Fig. 3 mostra um amplificador C. Como o missor é driado para o trra, st amplificador às zs é chamado amplificador com missor atrrado (amplificador C); isto significa qu o missor stá ligado ao trra ca não ao trra cc. É colocada uma pquna onda snoidal à bas. Isto produz ariaçõs na corrnt da bas. Por causa d βi c /i b, a corrnt do coltor é uma onda snoidal amplificada d msma frqüência. sta corrnt snoidal do coltor flui atraés da rsistência do coltor produz uma tnsão d saída amplificada. Dido às flutuaçõs ca na corrnt do coltor, a tnsão d saída da Fig. 8 oscila snoidalmnt acima abaixo da tnsão quiscnt. Obsr qu a tnsão da saída stá inrtida rlatiamnt à tnsão ca d ntrada, significando qu la stá dfasada d 180 o com a ntrada. O ganho d tnsão d um amplificador é a razão da tnsão ca d saída pla tnsão ca d ntrada: A Pla dfinição d rsistência i ntrada /r.plo fato da corrnt do coltor sr aproximadamnt igual à corrnt do missor (i c i ), a tnsão d saída é dada por saída -i R C. O sinal ngatio é usado para indicar a inrsão d fas. ntão sáida R A r' C saída ntrada R r' ntrada C 31

6 xrcícios (ntrgar na próxima aula): 1- A font ca da Fig. 1 pod tm uma frqüência ntr 100 Hz 200 Hz. Para s tr um acoplamnto stabilizado ao longo dsta faixa, qu alor d tr o capacitor d acoplamnto? Dados: R th 1 kω R L 3 kω. 2- Na figura abaixo, dsjamos um capacitor d acoplamnto stabilizado para todas as frqüências ntr 500 Hz 1 mhz. Qu alor l tr tr? 3- Dsnh o circuito cc quialnt para o amplificador da figura abaixo. 4- Calcul r o ganho A para o amplificador da qustão 3. Rfrências: [1] A. P. Malino, ltrônica ol. 1, McGraw-Hill (1986). 32