Eletrônica Aula 07 CIN-UPPE

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Amplificador básico 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. http://myspace.eng.br/eng/ampclas1.asp#clas_a

Amplificador básico R 1, R 2, R 3 são usados para polarização do transistor Sinal de entrada Polarização Sinal efetivo em N Filtra sinal DC C1, atua como filtro, para evitar que variações de corrente em R3 na freqüência de operação do circuito. Componente DC e CA

Amplificador básico Amplificador com transistor Polarização CC 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. V CC C 2 R L R G C 1 C E

Acoplamento com capacitor 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 de sua reatância capacitiva: 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, em alta freqüência, os capacitores funcionam com curto-circuito.

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

Acoplamento com capacitor 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 de 20 a 20 KHz, devemos dimensionar o capacitor para que ele funcione como curto circuito a partir de 20 Hz. O capacitor neste estágio 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 )

Acoplamento com capacitor Corrente no circuito RC: I = V G / (R 2 +X C2 ) Para X C < 0,1 R Com R = R G +R 2 I = V G / (R 2 +0,1R 2 ) 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.

Acoplamento com capacitor Freqüência crítica e de quina Freqüência crítica é a freqüência onde a reatância do capacitor é igual a resistência total do circuito. Esta freqüência é chamada de freqüência de quebra (break frequency). X C = R, onde R = R G +R 2 Tensão no capacitor f c Neste caso, a corrente I = 0,707 I máx A freqüência neste ponto, a freqüência crítica, é dada por: f c = 1/2πRC

Acoplamento com capacitor Freqüência crítica e de quina Freqüência de quina é a freqüência no circuito (f h ), na qual o capacitor se comporta como um curto circuito. f h > 10 f c Acima desta freqüência de quina, a corrente de carga está dentro de 1% de seu valor máximo.

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 > 10 f c

Amplificador básico Amplificador com transistor Exemplo: Análise Modelo CC Modelo CA V CC C 2 R L R G C 1 C E

Análise CC Polarização do transistor Para se fazer a análise CC é necessário: Eliminar as fontes CA. Abrir todos capacitores (freqüência zero) Análise do circuito equivalente cc. V CC Objetivo da polarização CC: - Colocar o transistor em uma região de operação adequada, mantendo parâmetros de amplificação como i C, V CE, i E, estáveis, o mais independentes possível dos parâmetros de fabricação (β) ou que afetam o funcionamento do transistor (ex. temperatura).

BJT Polarização com divisor de tensão Equivalente Thevenin Encontrar V BB e R BB

Tensão na base Resistência equivalente I B V BB Considerando: I E I C βi B I B deve ser pequena para não afetar a polarização

Polarização com realimentação Em geral, devemos escolher um valor R B << β R E para termos uma condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente do coletor, e conseqüentemente V CE, independam (muito) do ganho do transistor, assim: a) I B (V BB V BE )/ βr E b) I C I E (V BB V BE )/ R E c) V CE = V CC -I C (R C +R E ) => V CE = V CC -(R C +R E ).(V BB V BE )/ R E d) V BB V BE +I E R E, neste caso I E I C constante no ponto de operação Q

Análise CC Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (R E ) V BB = R B I B +V BE +I E R E constante constante Se I C I E aumenta, então V E = R E I E também aumenta, mas desde que V BB e R B não mudam na malha BE, I B deveria diminuir, reduzindo assim o valor de I C para seu valor original de projeto. Se I C diminui I B aumenta e aumentará I C.

Análise CC Observação importante na polarização do transistor: De fato V BE oscila um pouco e pode mudar de 0.6 V a 0.8V e assim devemos garantir que I E R E seja bem maior que as oscilações em V BE. As mudanças em V BE são em geral em torno de 0.1 V, assim deveríamos considerar que em circuitos CC, V E = I E R E >> 0.1V, ou seja: V E > 10x 0.1V = 1V

Exemplo CC Projete um circuito estável com um ponto Q de I C = 5.0 ma e V CE = 7.5 V. Considere β entre 100 e 400. Q (ponto de operação)

Análise Encontrar V CC, R C, R E, R 1, R 2 Encontrar V CC Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: V CC = 2V CE = 2x7.5V = 15.0 V Encontrar R C e R E Encontrar equação de tensão da malha CE +15V V CE = V CC -I C (R C +R E ) => R C +R E = 7.5/(5.0x10-3 ) R C +R E = 1.5K Ω = 1.2 KΩ A escolha é livre, mas devemos assegurar que V E =I E.R E > 1V Assim, R E > 1/I E. Como IE IC, R E > 200 Ω Se fizermos R E = 220 Ω, R C = 1.2K Ω = 220 Ω

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 (RB), substituindo-o pelo seu modelo de pequeno sinal. R 1 R 2 R 4 R L

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 E Q (ponto de operação) Q (ponto de operação) Distorção da onda (indesejável p/amplificadores de alta fidelidade) V BE

Operação em pequeno sinal Como reduzir a distorção da onda na saída? Uma forma seria redução da tensão na base, o que reduziria o movimento do ponto de operação instantâneo. Quanto menor for a excursão ou a variação, menor será a curvatura que aparece no gráfico. Se o sinal for suficientemente pequeno, o gráfico terá uma aparência linear. Uma regra prática estabelece que a corrente de CA pico a pico no emissor deve ser em torno de 10% do valor CC do emissor. Esta regra não elimina em todo a distorção, mas reduz a níveis aceitáveis para a maioria das aplicações. I E Q (ponto de operação) Menos distorção V BE

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 = V BE / I E Exemplo para V BE = 1m V e I 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: R CA = 25mV/ I E ou r e = 25mV/I E a 50 mv/ I E 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.

Ganhos de corrente CC e CA Ganho de corrente CC β CC = I C /I B (h FE ) Ganho de Corrente CA β= I C / I B ou β= i c /i b (h fe )

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 C 2 R L R G C 1 C E Inversão de fase (180 o )

Análise CA Para se fazer a análise CA é necessário: z ent (base) i b R 1 R 2 R 4 R L v b R 1 e R 2 estão em paralelo A impedância CA de entrada vista pela base é dada por: z ent (base) = v b /i b (variação de tensão e corrente de base)

Modelo T análise CA Junção T abaixo é uma foram de visualizar o interior do transistor. i c v c = i c.r c R G i b v b R 1 R 2 r e i e R C R L v b I e = v b /r e Resistência interna do transistor

Modelo II análise CA Este modelo CA do transistor é chamado modelo II porque ele se parece com um II. R G i b ic V G R 1 R 2 βr e R C R L v b -Impedância de entrada z ent (base) = v b /i b, onde: V b = i e. r e. -Assim: - z ent (base) = i e. r e /i b onde i e /i b β (CA), daí: z ent (base) = β r e Impedância de entrada do estágio amplificador: z ent = R 1 R 2 β r e

Amplificador para pequenos sinais exemplo Características: Um amplificador, sem ou com realimentação, deve ser capaz de reproduzir sinais com a máxima fidelidade, distorcendo o mínimo possível o sinal de entrada. O amplificador é em geral pouco eficiente no que diz respeito a energia necessária para amplificação do sinal. Apenas uma pequena parte da potência DC é usada para amplificação. O limite teórico à eficiência deste amplificador é em geral algo em torno de 50%, ou seja, para cada watt da saída usamos 2 watts d.c. na entrada.

Amplificador classe A - exemplo Amplificador Classe A com o transistor 2N2222 Identificação - É um tipo de transistor NPN de propósito geral Potência - 0.5W (capaz de dissipar 500mW) V ce - 40V (não usar acima de 20V) I c - 0.8A (máxima) h fe 75 (fator de amplificação de 75) (ganho DC) F t - 250 MHz

Transistor 2N2222

Amplificador classe A - exemplo Considerações: Tensão de alimentação de 12 V Transistor 2N2222 0.68 68 2N2222 68

Amplificador classe A Análise DC Análise DC Cálculo da tensão de base Cálculo da corrente de base Cálculo da impedância de entrada Tensão de base [R2/(R1 + R2)] * 12V = Base voltage (d.c.) Se usamos 82KΩ for R1 e 39K Ω for R2 nós obteremos uma tensão de base de [39K/(82K + 39K)] * 12V = 3.87V (d.c.) Corrente de base (em torno de 1/10 a corrente do divisor de tensão) I b = 12/ (R1 + R2) = 0.1 ma / 10 = 0.01 ma

Amplificador classe A Análise DC Corrente de emissor (I e ) A corrente do emissor corrente do coletor é dada por: I e I C β. I b = 75* 0.01mA = 0.75 ma (ver datasheet) Tensão no emissor (V e ) A tensão na base é superior em 0.7 V a tensão do emissor. Assim, a tensão no emissor é de 3.87-0.75 = 3.12 V Resistência do emissor (R e ) Re = 3.12/.00075A = 4160 Ω (4K7)

Amplificador classe A Análise DC Corrente de coletor (I c ) A corrente do coletor é aproximadamente igual a do emissor. Neste exemplo I e = 0.75 ma Tensão no coletor (V e ) (considerar um bom ponto de operação) V c = Vcc - (Ic * R L ) onde R L é de fato R4, ou seja, V c = 12V - (0.00075A * R 4 ) => V c = 7.24 V Resistência do coletor (carga) (R c )? Rc deveria ser tal que colocasse o transistor numa boa posição na região ativa do transistor. Neste caso R 4 = 6K8 Ω.

Amplificador classe A Análise CA Faixa de operação do circuito amplificador: 300 a 3000 Hz Cálculo do capacitor de desacoplamento X C < 0,1 R, ou seja, X C < 2,6 KΩ Vamos considerar X C 1000 Ω Assim: Para freqüência de 300 HZ X C = 1/2πfC => C 1/(2πf. X C ) => C 0.53 µf Considerando esta capacitância, p/3000 Hz X C = 100 Ω

Amplificador classe A Análise CA Capacitor do emissor (bypass) Este capacitor deve ser tal, que o emissor deve ir o terra (0V) para tensões CA. Este capacitor bypass (C 2 ) deve ter o mesmo valor que C 1 e C 3. Impedância de entrada Z(ent) ou R(ent) = βr e = β.25mv / I e β = h fe = 120 Z(ent) = [25 * 120] / 0.7 (ma) = 3K Ω

Amplificação CA - exemplo Considerando: Beta = 120 Tensão de entrada de 10 mv (CA) Teremos: Corrente de base (I b ) = 3.3 µa Corrente de coletor = 120* I b = 396 µa. A corrente amplificada do coletor, I C resistor de carga R4 (6K8 Ω). (CA) passa através de Usando lei de Ohm temos que a tensão no coletor pode ser dada por 396uA * 6800 = 2.7volts (CA) O ganho de tensão do pequeno sinal: V base /V C = 2.7/.01 ou 270

Amplificação CA - exemplo Circuito Final 7.24 V (DC) 0.68 68 2.7 V (CA) 10 mv (CA) 68 2N2222

Transistor 2N2222

2N2222 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/loadline.html

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