UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO

FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA

RELATÓRIO

AMPLIFICADOR CLASSE A

BRUNO TAGLIETTI

TIAGO SUTILI

WILLIAN CORSO

LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA IV

CARLOS ALLAN CABALLERO PETERSEN

ENGENHARIA ELÉTRICA

7º SEMESTRE

PASSO FUNDO, JUNHO DE 2010.

AMPLIFICADOR CLASSE A

1.0 INTRODUÇÃO

O processamento de sinais elétricos advindos das mais diversas fontes constitui uma

parte fundamental da Engenharia Elétrica, porém em muitos casos a amplitude do sinal que

deverá se analisado é extremamente reduzida devido aos mais diversos fatores, desde grandes

atenuações devido aos meios de transmissão até economia de energia. Tendo isto em vista a

amplificação destes sinais é crucial para diversas implementações.

Neste âmbito existem diversos modelos de circuito que amplificam desta a amplitude

das ondas constituintes dos sinais, até sua potência, permitindo que sejam aplicados sobre

circuitos de baixa impedância sem grandes perdas. Estes modelos se diferem por inúmeras

características construtivas e operacionais, porém dentre as de maior relevância podemos citar

a fidelidade da amplificação e o rendimento do amplificador.

Graças às propriedades que definem um “Amplificador Classe A” em relação a estas

duas características ele ainda ocupa um nicho do mercado eletro-eletrônico muito importante,

pois apesar de possuir um rendimento extremamente baixo ele é capaz de proporcionar uma

resposta de amplitude e fase extremamente linear e interessante para aplicações onde alta

fidelidade é fundamental, em especial o processamento de sinais de áudio.

2.0 AMPLIFICADORES CLASSE A

Durante muito tempo as válvulas constituíam os únicos elementos ativos disponíveis

no mercado eletrônico, nesta época a variedade de estruturas de amplificadores de potência

era extremamente reduzida, e os “Amplificadores Classe A” eram sinônimo de amplificação

com alta fidelidade e qualidade, apesar de seu rendimento baixíssimo. Anos depois os

componentes ativos de estado sólido surgiram, dentre eles podemos citar todos os

transistores, que possibilitaram a criação de diversas novas estruturas de circuitos destinados a

amplificação da potência de sinais. Deste então muitas classes de amplificadores surgiram e se

aproximaram da alta fidelidade proporcionada pelo “Classe A” com um rendimento mais

interessante, porém está classe permanece viva e presente no mercado, sendo utilizada

especialmente em amplificadores de áudio de grande qualidade.

As principais características destes amplificadores, grande fidelidade e baixo

rendimento, são proporcionadas por uma característica estrutural fundamental nestas

construções: uma corrente elétrica flui constantemente pelos dispositivos ativos de saída do

circuito, desta forma, mesmo para uma entra nula existirá uma grande corrente circulando, o

que ocasiona um grande desperdício de energia, porém como evitasse o chaveamento destes

componentes muitas características não lineares são eliminadas.

Existem dois tipos básicos de amplificadores “Classe A”. O primeiro é constituído

basicamente pela estrutura de um amplificador “Classe AB”, onde um par diferencial é

polarizado por uma tensão de controle “V bias”, o que permite que os transistores deste par

fiquem sempre na iminência da condução. Neste caso um grande aumento de nesta tensão “

V bias” proporciona um comportamento muito próximo de um amplificador “Classe A”.

Porém a estrutura mais comum, e no caso o objeto de estudo deste trabalho, é a

segunda. Nesta estrutura novamente dois componentes ativos são utilizados, porém o

primeiro funciona como uma fonte de corrente para o segundo, que deve estar ligado como

um “seguidor de emissor”.

Abaixo temos a representação dos principais modelos de amplificadores “Classe A”,

abrangendo as duas estruturas básicas anteriormente citadas.

FIGURA I – Configurações básicas de amplificadores Classe A

Nesta imagem podemos perceber que as figuras “a” e “b” são constituídas

basicamente por um transistor ligado como “seguidor de emissor” polarizado por uma fonte

de corrente, onde no primeiro caso está é composta somente por um resistor, e no segundo

possuímos um controle mais preciso graças a um elemento ativo que está realizando está

função, como veremos mais adiante está é a situação do circuito analisado neste projeto. Já as

imagens de “c” até “e” representam variações na configuração básica de um “push-pull”

característico de amplificadores “Classe B” e “Classe AB”, que como comentado anteriormente

possuem algumas propriedades alteradas para ter um comportamento semelhante a um

amplificador “Classe A” de maior fidelidade, na última representação este conceito está

extremamente evidente, pois somente a tensão “V bias” foi alterada.

Para efeitos de análise podemos considerar que a entrada de sinal para nosso

amplificador seja simplesmente uma onda senoidal, onde picos de tensão positivos e negativos

irão existir. Em um amplificador “Classe A” o sinal deve ser amplificado em toda sua extensão

pelo mesmo componente, desta forma, se analisarmos o ângulo de condução deste estágio

teremos algo semelhante ao gráfico abaixo:

FIGURA II – Ângulo de condução em um amplificador Classe A

Deste modo podemos perceber a necessidade de uma corrente de polarização “ I q”

extremamente alta, uma vez que a mesma deve ser capaz de diminuir a sua intensidade no

pico negativo sem que atinja valores negativos, uma vez que os componentes ativos somente

são capazes de conduzir corrente em uma direção. Graças a esta propriedade o rendimento

desta classe de amplificadores atinge no máximo a casa dos “25%”, porém normalmente se

aproxima dos “10%”.

Porém é esta característica que também confere a estes amplificadores sua grande

fidelidade ao sinal amplificado, uma vez que não há a necessidade de alteração do

componente que conduz o sinal, evitando efeitos que ocasionam distorções como o

“crossover”.

2.1 Análise

Abaixo temos a representação do circuito que servirá como base para nossa análise.

FIGURA III – Circuito do amplificador Classe A.

Iniciamos nossa análise pelos transistores. Neste caso o MOSFET “Q1” é responsável

pela amplificação em si, deste modo ele estará exposto a uma grande corrente. Pelas suas

características construtivas os transistores deste tipo são extremamente interessantes para

uso em grandes potências, o que justifica a sua escolha em detrimento de um BJT.

Do mesmo modo as características de “Q2” indicam a necessidade de um MOSFET.

Este transistor em especial é o responsável pela formação da corrente de polarização “ I q”,

funcionando como a fonte de corrente do circuito. Já “R9” e “R10” estarão ligados em uma

chave seletora que permitirá a seleção da corrente “I q” entre dois valores: “1,5 A” ou “3 A”.

Por fim temos o transistor “Q3” que irá funcionar como controle térmico, uma vez que

é ele que gera a tensão de polarização de “Q2”, e uma variação na temperatura do circuito irá

ocasionar uma variação nesta tensão, reduzindo a corrente de trabalho e o aquecimento do

circuito.

É interessante que uma tensão de “15V ” seja mantida entre os dois transistores

MOSFET, desta forma o melhor rendimento do circuito será obtido. Para possibilitar este

controle temos o potenciômetro representado no circuito por “R5”, que em conjunto com “R1

” e “R8” deve ser capaz de estabelecer este nível de tensão. Já a polarização de “Q3” é

realizada pelo resistor “R2” em conjunto com o capacitor “C4”.

Já “R4” trabalha como um supressor de oscilações no gate de “Q1” que poderiam

tornar o circuito instável, porém um valor muito grande do mesmo acarretará uma diminuição

da velocidade de resposta do circuito e distorções em altas freqüências. O resistor “R7” tem

função semelhante em “Q2”, caso sua velocidade de resposta seja muito comprometida um

capacitor deverá ser ligado em paralelo com este resistor.

Por fim devemos analisar a alimentação do circuito. Idealmente o mesmo foi projetado

para trabalhar em uma faixa de valores de “0V ” até “−30V ”, porém na prática a obtenção

de valores negativos não é possível. O que é praticável é a obtenção de valores relativamente

negativos em relação a uma referencia. Neste intuito a implementação prática do circuito

envolverá a ligação do terminal positivo da fonte de alimentação no terminal de terra, deste

modo a referência estará em “+30V ” e o terminal negativo em “0V ” estará em “−30V ” em

relação a referencia. Deste modo a ligação entre o terminal positivo da fonte e o terminal de

terra deverá ser conectado no ramo superior do circuito mostrado na “Figura III” representado

no caso por “Gnd”, já o terminal negativo será conectado no ramo inferior nomeado como “

Vcc”.

3.0 SIMULAÇÃO

Com todos os componentes e parcelas do circuito analisados e seu funcionamento

plenamente entendido passamos para a simulação do mesmo utilizando o software “Proteus

ISIS 7.0 Professional”. O circuito simulado é exatamente o mesmo apresentado na “Figura III”,

tendo a chave seletora posicionada entre “R9” e “R10” posicionada para que a corrente de

trabalho seja de aproximadamente “3 A”.

Inicialmente iremos analisar os limites de funcionamento do circuito. Para isto

variamos a tensão de entrada até que a o sinal de saída sofresse com distorções e seus picos

de tensão fossem atenuados. Como comentado anteriormente a tensão encontrada entre “Q1

” e “Q2” idealmente deveria ser de “15V ”, portando o sinal máximo de saída também deveria

estar nesta faixa de valores, já que o ganho de tensão do circuito é unitário a tensão máxima

de entrada também deveria estar posicionada em um valor próximo. Nas simulações

encontramos:

V ¿max=V outmax

=14,8V ≅ 15V

Posteriormente a análise foi focada na resposta de freqüência do sinal. Para isto

trabalhamos com um sinal de referência na entrada de “4 V p” e variamos sua freqüência até

encontrarmos uma atenuação de “3dB”, o que representaria uma queda na tensão do sinal de

saída levando-o a aproximadamente “2,82V p”. Após variar a freqüência da entrada por uma

grande faixa de valores encontramos a largura de banda, porém uma ressalva deve ser feita: o

amplificador apresentou um ganho unitário na tensão até grandes freqüências, porém uma

distorção no sinal começou a ser observada graças a não linearidades dos componentes,

especialmente dos transistores, portanto o circuito opera em toda a largura de banda

calculada, entretanto sem a linearidade esperada.

V o=2,7V @5Hz

AdB=20 log( 2,74 )=−3,41dB

V o=2,85V @150kHz

AdB=20 log( 2,854 )=−2,94dB

BW=f c2−f c1

BW=150k−5

BW ≅ 150kHz

Podemos concluir que a largura de faixa inclui todo o espectro de freqüências onde

ondas de áudio se distribuem. Em uma análise mais completa podemos afirmar inclusive que

as não linearidades observadas e comentadas anteriormente não constituem um problema em

freqüências próximas a largura de faixa de ondas de áudio.

Por fim a simulação de uma grande quantidade de sinais com amplitudes e freqüências

variadas, porém respeitando a amplitude máxima encontrada anteriormente e a freqüência do

espectro de áudio, foi possível observar uma grande linearidade do sinal tanto em sua fase

como em sua amplitude. Como esperado nesta faixa de valores o ganho de tensão

apresentado foi unitário, uma vez que este amplificador destinasse a amplificação exclusiva da

potência do sinal, permitindo que o mesmo seja aplicado a cargas de baixa impedância

apresentado uma boa tensão e corrente de saída.

4.0 IMPLEMENTAÇÃO

Como já comentamos anteriormente o modo de operação de “Q1” e “Q2” acarreta

uma grande perda de energia pela conversão de corrente elétrica em calor graças ao “Efeito

Joule”, para evitar conseqüências do aquecimento nestes componentes os mesmos foram

montados sobre um grande dissipador de calor e 2 “coolers” foram posicionados para auxiliar

no seu resfriamento. Outro cuidado foi o uso de fios com uma espessura elevada graças a

grande corrente circulante na área de potência do circuito. Na montagem inicial em uma

“Protoboard” todo o circuito de potência foi montado separadamente, somente o circuito de

controle foi montado na “Protoboard”. Para implementação final utilizamos uma Placa de

Circuito Impresso, onde novamente tomamos o cuidado de utilizar trilhas espessas

especialmente no circuito de potência e de alimentação, sendo que os transistores

continuaram isolados e montados em um dissipador.

FIGURA IV – Placa de circuito impresso do amplificador Classe A.

5.0 RESULTADOS

Com o circuito implementado foi possível analisarmos a sua resposta real,

considerando todas as não linearidades e os componentes não ideais utilizados em sua

montagem.

Uma das principais características que define o funcionamento de um amplificador é a

sua potência de saída. Neste caso em específico temos uma grande ligação entre a amplitude

do sinal de entrada com o sinal de saída, uma vez que, como comentado anteriormente, o

ganho de tensão do circuito é unitário, desta forma a potência na saída do circuito é

dependente direta da amplitude do sinal de entrada. Em nossos testes aplicamos uma grande

gama de amplitudes no sinal de entrada, verificando a resposta do circuito, e observamos que

o mesmo conseguia responder sem nenhuma distorção no sinal até aproximadamente “

14,5V p”, após este ponto uma distorção considerável podia ser observada o que não é

interessante para sua aplicação prática, desta forma é neste ponto que caracterizaremos a

potência máxima de saída do circuito em “1kHz”.

Pout=V out2

RL

=V ¿2

8

Poutmax=

V outmax

2

RL

Poutmax=14,5

2

8

Poutmax=26,28W

Outro parâmetro fundamental para caracterizarmos um amplificador operacional é a

sua resposta em freqüência. Desta forma aplicamos um sinal de “4 ,062V ” de amplitude à

entrada do amplificador e variamos a sua freqüência observando o sinal de saída. Os dados

obtidos estão presentes na tabela abaixo, onde estão também os dados obtidos através da

simulação do circuito. Os dados da simulação a partir de “50kHz” apresentaram uma grandes

distorção no semicírculo negativo inexistente no circuito prático, portanto a partir deste ponto

a comparação entre as duas respostas é desaconselhável. Apresentamos na mesma tabela a

diferença do ganho encontrado nas medições práticas e nas simulações.

f ¿

Prático Simulação |∆| V out Ganho V out Ganho

5Hz 3,412V −1,51dB 3,391V −1,56dB 0,05dB

10Hz 3,875V −0,41dB 3,861V −0,44 dB 0,03dB

15Hz 3,927V −0,29dB 3,931V −0,28dB 0,01dB

20Hz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

50Hz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

100Hz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

1kHz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

5kHz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

10kHz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

20kHz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

25kHz 4,062V 0dB 4,062V 0dB 0dB

50kHz 3,812V −0,55dB 3,912V −0 ,32dB 0 ,23dB

100kHz 3,625V −0,98dB 3,843V −0 ,48dB 0 ,50dB

150kHz 3,545V −1,18dB 3,742V −0 ,71dB 0 ,47 dB

200kHz 3,438V −1,44 dB 3,714V −0 ,77dB 0 ,67dB

300kHz 3,389V −1,57dB 3,618V −1 ,05 dB 0 ,52dB

500kHz 3,312V −1,77dB 3,519V −1 ,24dB 0 ,53dB

750kHz 3,211V −2,04 dB 3,413V −1 ,51dB 0 ,53dB

1MHz 3,118V −2,29dB 3,387V −1 ,57 dB 0 ,72dB

Com os valores obtidos e apresentados na tabela anterior foi possível traçarmos um

gráfico comparando a resposta em freqüência das medições reais com as medições feitas a

partir das simulações. O gráfico gerado pelo programa “Matlab” está representado abaixo.

FIGURA IV – Resposta em freqüência real e simulada

Como é possível observarmos no gráfico a resposta em freqüência encontrada nas

medições com o circuito já implementado e as encontradas nas simulações são bem próximas

até aproximadamente a freqüência onde a resposta das simulações passou a se comportar de

forma estranha, distorcendo o sinal.

Uma análise específica da resposta real revela um circuito com um comportamento

muito bom para sua aplicação mais comum, a amplificação de sinais de áudio, já que na faixa

de “20Hz” até “20kHz” a resposta foi plana, apresentando um ganho unitário constante. Um

detalhe interessante é que mesmo realizando medições até “1MHz” não encontramos uma

queda superior a “3dB”, o que caracterizaria a segunda freqüência de corte deste circuito,

desta forma podemos afirmar que o mesmo possui uma banda de passagem extremamente

grande, o que para a maior parte das aplicações é desvantajoso, uma vez que permite a

passagem de sinais de alta freqüência indesejáveis, o que tornará o circuito extremamente

ruidoso. Portanto recomenda-se que para determinadas aplicações, em especial a amplificação

de sinais de áudio, a banda de passagem do circuito seja reduzida em estágios anteriores a

este.

O próximo passo é a caracterização da impedância de entrada do amplificador. Para

isto adicionamos uma resistência de valor conhecido em série com a entrada de sinal do

circuito, em nosso caso a resistência valia “10kΩ”. Em seguida aplicamos um sinal, e

observamos o seu valor na entrada do circuito, assim, comparando este valor com a sua

amplitude total encontramos uma relação que permite determinar o valor da impedância de

entrada “Z¿”. Em nosso caso a amplitude do sinal de referência foi de “2 ,062V ” e sua

freqüência foi de “1kHz”, nestas condições a amplitude do sinal após o resistor foi de “

1,750V ”, desta forma teremos:

V ¿=Z¿

Z¿+R.V ∴Z¿=

V ¿

V. (Z¿+R )∴Z¿=

V ¿

V −V ¿.R

Z¿=1,750

2,062−1,750.10k

Z¿=56,089 kΩ

É importante frisar que este cálculo representa o módulo da impedância de entrada,

uma vez que graças a presença de um capacitor esta impedância terá uma componente

imaginária e outra real. É também em decorrência disto que está impedância irá variar de

acordo com a freqüência do sinal de entrada, e irá aparecer uma defasagem entre o ângulo

deste sinal e do sinal de saída que também irá variar com a freqüência. O módulo encontrado

para está impedância revela um valor relativamente alto, o que é muito interessante para este

tipo de circuito, uma vez que em suas aplicações casuais ele costuma receber sinais de

baixíssima potência, assim com uma grande impedância na entrada ele evita que parte destes

sinais sofram maiores atenuações em estágios anterior, sendo desta forma toda a potência do

sinal entregue a ele.

Por fim podemos caracterizar a distorção observada no sinal. Variando a tensão de

entrada e a freqüência da mesma podemos observar que o circuito manteve uma grande

fidelidade entre o sinal de saída e de entrada para a maior faixa de valores, isto é

extremamente interessante para a maior parte das aplicações, e como comentado

anteriormente constitui uma das principais características dos amplificadores “Classe A”.

Distorções mais significativas só foram observadas a partir de sinais de entrada com tensões de

pico maiores do que “14,5V ” e com freqüências superiores à “100kHz”.

6.0 CONCLUSÃO

Este projeto tinha como objetivo inicial a análise e implementação de um amplificador

de potência “Classe A”, para que a partir destas etapas fosse possível o desenvolvimento de

uma melhor compreensão do funcionamento deste tipo de circuito.

Tendo isto em vista inicialmente realizamos uma análise teórica dos conceitos

envolvidos na amplificação de sinais, e em específico dos amplificadores “Classe A”. Deste

modo compreendemos as suas principais características, o que facilitou o entendimento do

circuito como um todo e a análise dos resultados obtidos.

Em seguida realizamos uma análise específica do circuito utilizado como modelo neste

projeto. Deste modo foi possível percebermos a função específica de cada componente, e mais

uma vez a percepção dos fenômenos envolvidos no funcionamento deste amplificador.

Detentores da total compreensão do modelo utilizado, o mesmo foi simulado, para que desta

maneira pudéssemos verificar a sua resposta às mais diversas entradas de sinal, e desta forma

todos os conceitos previamente estabelecidos fossem confirmados. Agora estávamos prontos

para efetuar a implementação do circuito, e a análise de seu funcionamento real.

Uma visão geral de todo o processo demonstra que todas as bases teóricas foram

confirmadas tanto pelas simulações como pelas medições realizadas no circuito real. Algumas

pequenas discrepâncias foram encontradas nos dados, porém a maior parte delas pode ser

atribuída à não linearidade dos componentes utilizados na montagem, e à falta de precisão de

alguns componentes como resistores e capacitores.

Tendo isto em vista podemos afirmar que os objetivos traçados inicialmente neste

projeto foram alcançados. E a partir dele fomos capazes de estabelecer uma maior

compreensão desta classe de amplificadores, reforçando o conhecimento previamente

estabelecido em nossas aulas de Eletrônica IV.

7.0 REFERÊNCIAS

1. AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA

João Manuel T. C. Simões Vaz

Obs.: Apostila disponibilizada para a cadeira de Eletrônica IV

2. AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA

Carlos Allan Caballero Petersen

Obs.: Apostila disponibilizada para a cadeira de Eletrônica IV

3. ÁUDIO POWER AMPLIFIER DESIGN HANDBOOK

Douglas Self

Editora Focal Press

Páginas: 299-302