Eletrônica Aula 06

CIN-UPPE

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 Rc, de onde o sinal amplificado é retirado.

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

Amplificador básico

C1, atua como filtro. R3 é utilizado para melhorar a polarização, mas é eliminado para sinais AC.

Filtra sinal DC

Sinal de entrada

Polarização Sinal efetivo em N

Componente DC e CA

R1, R2, R3 e RC são usados para polarização do transistor

!  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

RG

RL

CE

C2

C1

VCC

Amplificador básico

!  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 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.

XC = 1/2πfC

!  Esta característica está diretamente associada ao valor da reatância capacitiva do capacitor:

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 = VG/(RG+R2) •  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

VG

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.

XC < 0,1 (RG+R2)

–  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:

Análise CA – Acoplamento com capacitores

!  Corrente no circuito RC:

–  Para XC < 0,1 R –  Com R = RG+R2

–  I = VG/√ 1,01R2 => I = 0,995 VG/R

–  Esta corrente é apenas 1% menor que a corrente máxima do circuito, dada por I = VG/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.

I = V/Z => I = VG/√ (R2+XC2)

I = VG/√ (R2+0,1R2)

XC

R

Z

Análise CA – Acoplamento com capacitores

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).

fh 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.

A alta freqüência de quina:

Terra CA

Amplificador básico

!  Amplificador com transistor (Exemplo) - Classe A (emissor Comum)

!  Análise CA

RG

RL

CE

C2

C1

VCC

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). –  Combinar R4 e RL

R1 R2 RL

Modelo CA de

um transistor

vi

vo

zi

ii zo

iC

R4

Parâmetros de Análise - CA !  Impedância de entrada (Zi) !  Impedância de saída (Zo) !  Ganho de tensão (Av) !  Ganho de corrente (Ai)

Modelo CA de

um transistor Zi Zo

ii

vi

io

vo

Av = vo/vi

Ai = io/ii

RL

!  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

Modelo de um BJT para pequenos sinais

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.

Q (ponto de operação)

Q (ponto de operação)

VBE

IB

Distorção da onda (indesejável p/amplificadores de alta fidelidade)

Modelo r’e do transisor (modelo CA)

!  Configuração emissor comum

IC = βIB

IE =(β+1)IB ≅ βIB (β>>1)

IC = βIB

IB IE

C

B

E

!  Cálculo da Impedância de entrada (Zi) –  Cálculo em função de ib e vbe

iC = βIB ii =iB

IE

C

B

E

vbe r’e vi zi

Modelo re do transisor (modelo CA)

Zi = vi/ii=vbe/iB≅iE.r’e/iB= βiB.r’e/iB= β.r’e

Resistência entre base e emissor(diodo)

zi = βr’e r’e

r’e = 25mV/IE a 50 mV/ IE

Resistência CC e CA !  Resistência CC no transistor:

–  RCC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a corrente de operação do transistor.

•  Exemplo para IE = 1mA, RCC = 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.

–  RCA = ΔvBE/ ΔiE •  Exemplo para ΔvBE = 1m V e ΔiE = 40 µA,

– RCA = 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 oC:

–  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.

RCA = 25mV/ IE ou r´e = 25mV/IE a 50 mV/ IE

!  Cálculo da impedância de saída (zo) –  Cálculo em função de ic e vce

Modelo r’e do transisor (modelo CA)

ro

zo

c

e

Inclinação = Δic/ Δvce = 1/ro

Δic

Δvce

Quanto maior for a inclinação menor será a impedância de saída. Como trabalhamos em geral na região onde Δic é muito pequeno, a impedância de saída é muito grande, no ponto de Operação (ponto Q).

Δvce

Δic

Q Δic

Δvce

Alta impedância

Baixa impedância

Modelo r’e do transisor (modelo CA)

zi zo

Ganho de tensão (ro ≅ ∞ Ω):

Av = vo/vi= βIB.RL/ βiB.r’e= RL/r’e

Ganho de corrente(ro ≅ ∞ Ω):

Ai = io/ii= ic./ iB=β= hfe

RL

Parâmetros de análise CA do transistor para pequenos sinais:

- Impedância de entrada (Zi)= βr’e (r’e = 25mV/IE) p/25 oC - Impedância de saída (Zo)= ro - Ganho de tensão (Av)= vo/vi= βIB.RL/ IB.βr’e= RL/r’e - Ganho de corrente (Ai)= io/ii= ic./ IB=β= hfe

‘

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(i1,i2,v1,v2 ) 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 v1 e a corrente de saída i2 como variáveis dependentes e a corrente de entrada i1 e a tensão de saída v2 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:

http://dc146.4shared.com/doc/-Qg_UB-Y/preview.html

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: –  iB, iC, vBE,vCE

Onde iB e vCE são variáveis independentes do sistema, enquanto que ic e vBE são variávies dependentes.

VCE

Onde: vBE= f1(vCE,iB)

iC = f2(vCE,iB)

vBE= f1(vCE,iB)

iC = f2(vCE,iB) iB

vCE vBE

Amplificador Emissor Comum

Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA

!  VBE como função de iB e vCE

!  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.

Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA

!  iC como função de iB e vCE

!  Considere os parâmetros iB, iC, VBE, VCE do transistor operando no ponto Q (ponto de operação) –  iB = IB+ΔiB

–  vCE = VCE+ΔvCE

Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA

"  As mudanças ΔiB e ΔvCE resultam nas mudanças CA de vBE e ic que podem ser encontradas pela série de Taylor na região vizinha ao ponto Q, ou seja:

!  As derivadas parciais são calculadas no ponto Q:

!  Podemos denotar as mudanças CA em vBE e iC como ΔvBE e ΔiC por:

–  vBE(IE+ΔiB, VCE+ΔiCE)=VBE+ΔvBE

–  iC(IE+ΔiB, VCE+ΔiCE)=iC+ΔiC

!  Aplicando um pequeno sinal CA nós mudamos iB e vCE com pequenos valores ΔiB e ΔvCE que faz com que o transistor responda mudando vBE e IC, ΔvBE e ΔiCE.

Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA

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.

!  A resposta do transistor para pequenos sinais CA é dado por:

Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA

"  Considerando as derivadas parciais próximas ao ponto de operação Q. Definimos então os parâmetros:

Onde: hie - impedância de entrada do transistor, dado em Ohms (Ω) hre - sem unidade (adimensional) - Representa a dependência da curva IB-VBE do transistor sobre o valor de VCE. É geralmente muito pequenas e é muitas vezes negligenciada (presume-se zero) hfe - sem unidade (adimensional) (ganho de corrente) hoe – condutância de saída, dado em mhos (Siemens)

Determinação gráficas dos parametros h (exemplo real)

hfe

hoe

http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-5-teoria.pdf

Determinação gráficas dos parametros h (exemplo real)

hie

hre

http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-5-teoria.pdf

Parametros híbridos para diferentes configurações

Parametro Emissor Coletor Base comum comum comum

http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-5-teoria.pdf

Modelo híbrido (h)

!  Modelo equivalente da entrada do transistor

Modelo híbrido (h)

!  Modelo equivalente da saída do transistor

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.

!  Parâmetros híbridos (típicos) – transistor 2N3904

Mínimo Maximo Medio

Modelo híbrido (h) - exemplo

!  Desconsiderando o componente hre, o qual é muito pequeno e usualmente ignorado em modelos analíticos, chegamos a um modelo denominado hibrido-π.

!  Assim:

Modelo híbrido (h)

Ou melhor

Modelo híbrido (h)

!  Modelo híbrido-π através de uma fonte de corrente controlada.

βre ‘

hie=hfe.r’e = β.r’e

Exemplo - Amplificador Emissor Comum !  Características:

–  Inversão de fase em 180o 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.

CE

C2

VCC

Inversão de fase (180o)

C1

RC

Análise do circuito !  Modelo CA para circuito com polarização por divisor e tensão:

Vi

R1 R2

βre

R’=R1 || R2

!  Calcular: a)  r’e – 25mV/IE (resistência do emissor)

b)  Zi – impedância de entrada c)  Zo – impedância de saída

d)  Ganho de tensão Av (Av = Vo/Vi) e)  Ganho de corrente Ai (Ai = io/ii)

Zi Zo

Zo =RC || ro

iC io ii

‘

Zi =R’ || βre ‘

vo

!  Impedância de entrada Zi: Zi =R’ || βr’e Onde R’ = R1||R2 = R1.R2/(R1+R2)

!  Impedância de saída Zo: Zo =RC || ro

!  Ganho de tensão: Av = vo/vi Onde vo = iC. Zo = -(βiB)(RC || ro) vi = iB.(βr’e) Portanto: Av = vo/vi = - (RC || ro)/r’e

Se ro>> RC Av = - RC/r’e

!  Ganho de corrente: Ai = io/ii Onde io = βib- v0/ro

onde v0 = io.RC Logo: io = βib- i0.Rc/ro => io(1+Rc/ro) = βib

Assim, o ganho de corrente pode ser dado por:

Ai = io/ii = io/iB => Ai = β/(1+Rc/ro) Como em geral ro>> RC , temos

Ai ≅ β

Polarização AC - problema Este tipo de montagem, com a inclusão de RE1 faz com que o circuito amplificador independa mais das características do transistor (r’e).

A solução com a adicão de um resistor RE1 ao emissor, faz com que o sinal AC veja uma resistência de emissor de RE1. Para o sinal DC, esta resistência é dada agora por RE =RE1+RE2.

As fórmulas para o amplificador emissor comum podem ser aplicadas aqui, substituindo r’E por r’e+RE1 na determinação do ganho do amplificador, no modelo AC. Na análise AC Cb remove RE2 do circuito.

Vantagens: -  Aumenta a impedância de entrada -  Mais estável em relação a variação de r’e

Desvantagem: - Reduz o ganho do circuito

Transistor

BC546, BC547