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1 Eletrônica II 1 - Transistores de efeito de campo FET é um dispositivo de três terminais utilizado em várias aplicações que em muito se assemelham às funções do transistor TBJ. A diferença é que o TBJ é um dispositivo controlado por corrente e o JFET é um dispositivo controlado por tensão. Fig. 1 Transistores TBJ e FET No FET a corrente I será função da tensão V GS aplicada ao circuito de entrada. É importante ter em mente que o TBJ é um dispositivo bipolar e o FET um dispositivo unipolar (depende unicamente da condução de elétrons). O transistor FET é usado como pré-amplificador de vídeo para câmeras de TV, estágios amplificadores de RF para receptores de comunicações, instrumentos de medição, etc. e que realiza muitas funções do TBJ apesar das diferenças conferidas aos dois transistores. Uma das características mais importantes do FET é a alta impedância de entrada. Essa característica é muito relevante no projeto de amplificadores lineares. Existem dois tipos básicos: o FET de junção (JFET) e o FET de porta isolada (IGFET) também chamado de MOSFET (MOSFET de depleção ou MOSFET de intensificação). FET TBJ Impedância de entrada Maior Menor Variação da corrente de saída Menor Maior Ganho de tensão Menor Maior Estabilidade da temperatura Maior Menor Tamanho do dispositivo Menor Maior 1.1 Construção e características do JFET Como visto o JFET é um dispositivo de três terminais, sendo que um deles controla a corrente entre os outros dois. Para esse transistor, o dispositivo de canal n será o principal e haverá parágrafos e seções a respeito do impacto do uso de um JFET de canal p. Fig. 2 Transistor JFET Na ausência de um potencial aplicado, o potencial JFET possui duas junções p-n não polarizadas. O resultado é uma região de depleção em cada junção, semelhante à mesma região de um diodo não-

Eletronica II

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Fet e Mosfet Resumão

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  • 1

    Eletrnica II

    1 - Transistores de efeito de campo

    FET um dispositivo de trs terminais utilizado em vrias aplicaes que em muito se assemelham

    s funes do transistor TBJ.

    A diferena que o TBJ um dispositivo controlado por corrente e o JFET um dispositivo

    controlado por tenso.

    Fig. 1 Transistores TBJ e FET

    No FET a corrente I ser funo da tenso VGS aplicada ao circuito de entrada.

    importante ter em mente que o TBJ um dispositivo bipolar e o FET um dispositivo unipolar

    (depende unicamente da conduo de eltrons).

    O transistor FET usado como pr-amplificador de vdeo para cmeras de TV, estgios

    amplificadores de RF para receptores de comunicaes, instrumentos de medio, etc. e que realiza

    muitas funes do TBJ apesar das diferenas conferidas aos dois transistores.

    Uma das caractersticas mais importantes do FET a alta impedncia de entrada. Essa caracterstica

    muito relevante no projeto de amplificadores lineares.

    Existem dois tipos bsicos: o FET de juno (JFET) e o FET de porta isolada (IGFET) tambm

    chamado de MOSFET (MOSFET de depleo ou MOSFET de intensificao).

    FET TBJ

    Impedncia de entrada Maior Menor

    Variao da corrente de sada Menor Maior

    Ganho de tenso Menor Maior

    Estabilidade da temperatura Maior Menor

    Tamanho do dispositivo Menor Maior

    1.1 Construo e caractersticas do JFET Como visto o JFET um dispositivo de trs terminais, sendo que um deles controla a corrente entre

    os outros dois. Para esse transistor, o dispositivo de canal n ser o principal e haver pargrafos e

    sees a respeito do impacto do uso de um JFET de canal p.

    Fig. 2 Transistor JFET

    Na ausncia de um potencial aplicado, o potencial JFET possui duas junes p-n no polarizadas. O

    resultado uma regio de depleo em cada juno, semelhante mesma regio de um diodo no-

  • 2

    polarizado. Uma regio de depleo no possui portadores livres e, por isso, no permite a

    conduo atravs da regio.

    VGS=0V, VDS>0V

    Porta conectada fonte para dar condio VGS=0V.

    Resultado: terminal de porta e fonte no mesmo potencial e uma regio de depleo na

    extremidade inferior de cada material p.

    Aplicando VDD (=VDS), estabelece-se a corrente ID.

    ID=IS. Fig. 3 JFET com VGS=0V e VDS>0V.

    Note que a regio de depleo na parte superior maior que a inferior (fig. 3). A regio superior do

    material est polarizada reversamente em cerca de 1,5V e a regio inferior polarizada reversamente

    em apenas 0,5V (fig. 4).

    Fig. 4 Variao dos potenciais reversos de polarizao atravs da juno p-n de um JFET de canal n.

    medida que a tenso VDS aumenta, a corrente aumenta (lei de Ohm).

    Fig. 5 ID x VDS para VGS=0V.

  • 3

    Elevando o valor de VDS a um valor em que as duas regies de depleo se toquem, surge a

    condio de estrangulamento (VP). ID no cortada pois ele limitada pela corrente mxima IDSS.

    Fig. 6 Condio de estrangulamento

    Se VDS>VP JFET caractersticas de uma fonte de corrente. Logo: IDSS mxima se VGS=0V e

    VDS>|VP|.

    Fig. 7 Fonte de corrente equivalente para VGS=0V, VDS>VP

    VGS

  • 4

    Resistor controlado por tenso

    A regio esquerda da linha pinch-off (grfico da fig. 8), chamada de hmica ou regio de

    resistncia controlada por tenso. (VDS

  • 5

    Fig. 12 JFET de canal n

    (a) VGS=0V, ID=IDSS

    (b) Corte (ID=0A) VGS menor que o nvel de pinch-off

    (c) ID varia entre 0A e IDSS para VGS menor ou igual a 0V e maior do que a tenso de pinch-off.

    1.2 Caracterstica de transferncia

    Equao de Shockley (JFET):

    (

    ) , onde a varivel de controle, e so constantes.

    A curva caracterstica de transferncia definida pela equao de Shockley no afetada pelo

    circuito no qual o dispositivo empregado.

    Fig. 13 Curva de transferncia a partir das curvas caractersticas de dreno

    Se VGS=0V, ID=IDSS

    Se VGS=VP, ID=0mA

    Exemplo 1 Esboce a curva de transferncia definida por IDSS=12mA e VP=-6V.

  • 6

    Exemplo 2 Esboce a curva de transferncia para um dispositivo de canal p, com IDSS=4mA e

    VP=3V.

    Matchad

    Folha de dados: Alldatasheet.com

    1.3 Relaes importantes JFET TBJ

    (

    )

  • 7

    1.4 Emprego do MOSFET MOSFET (transistor de efeito de campo): tipo depleo e tipo intensificao.

    MOSFET tipo depleo canal n Fig. 14 MOSFET tipo depleo de canal n

    No h conexo eltrica direta entre o terminal de porta e o canal de um MOSFET, pois a camada

    SiO2 representa uma camada isolante.

    A camada isolante de SiO2 na construo do MOSFET a responsvel pela alta impedncia de

    entrada do dispositivo.

    A fig. 15 mostra o MOSFET tipo depleo de canal n com VGS=0V e uma tenso VDD aplicada.

    Fig. 15 MOSFET tipo depleo de canal n

    Fig. 16 Curvas caractersticas de dreno e de transferncia para um MOSFET tipo depleo de canal n

  • 8

    Exemplo 3 Esboce a curva de transferncia para um MOSFET tipo depleo de canal n com

    IDSS=10mA e VP=-4V.

    MOSFET tipo depleo canal p Fig. 17 MOSFET tipo depleo de canal p com IDSS=6mA e VP= +6V

    Fig. 18 Smbolos grficos para (a) MOSFETs tipo depleo de canal n (b) MOSFETs tipo depleo de canal p

    MOSFET tipo intensificao canal n

    No MOSFET tipo intensificao a curva de transferncia no definida pela equao Shockley

    e a corrente de dreno para esse dispositivo nula antes de a tenso porta fonte atingir

    determinado valor.

    Fig. 19 MOSFET tipo intensificao de canal n

  • 9

    Observe na fig. 19 que no existe um canal entre as duas regies dopadas tipo n. Essa a

    principal diferena que existe entre a construo do MOSFET tipo depleo e o MOSFET tipo

    intensificao.

    A caracterstica de transferncia dada pela equao no linear controlada pela tenso porta-

    fonte que a tenso limiar, e pela constante k definida pelo dispositivo empregado.

    ( ) , onde ( ) e ( ) representam um ponto particular das curvas do

    dispositivo ligado. A equao que determina o valor de k : ( )

    ( ( ) ) .

    Fig. 20 Curvas caractersticas de dreno de um MOSFET tipo intensificao de canal n com VT=2V e k=0,278 x

    10-3

    A/V2.

    Para valores de VGS menores do que o nvel de limiar, a corrente de dreno de um MOSFET tipo

    intensificao 0mA.

    Fig. 21 Esboo das curvas caractersticas de transferncia de um MOSFET tipo intensificao de canal n

    Fig. 22 MOSFET tipo intensificao de canal p com VT=2V e k=0,5 x 10

    -3 A/V

    2

    MOSFET tipo intensificao canal p

    Fig. 23 Smbolos para (a) MOSFET tipo intensificao de canal n e (b) MOSFET tipo intensificao de canal p

  • 10

    1.5 Polarizao do FET As relaes gerais que podem ser aplicadas anlise cc dos amplificadores a FET so:

    Para o JFET e o MOSFET tipo depleo, a equao de Shockley relaciona as variveis de entrada e

    sada:

    (

    )

    Para o MOSFET tipo intensificao, a seguinte equao aplicvel:

    ( )

    Essas equaes dependem apenas do dispositivo. Elas no mudam para qualquer configurao do

    circuito, uma vez que o dispositivo opera na regio ativa.

    JFET

    Configurao com polarizao fixa Fig. 24 Configurao com polarizao fixa. JFET de canal n.

    A configurao da fig. 24 inclui os valores Ca Vi e V0 mais os capacitores de acoplamento (C1 e

    C2).

    Os capacitores de acoplamento so circuitos abertos para anlise cc e baixas impedncias (curto-

    circuito) para anlise ca.

  • 11

    O resistor RG est presente para assegurar que Vi aparea na entrada do amplificador FET na

    anlise ca.

    Para a anlise cc:

    ( )

    A queda de zero volt atravs de permite a substituio desse resistor por um curto circuito

    equivalente redesenhado na fig. 25:

    Fig. 25 Circuito para anlise cc

    O valor resultante de corrente de dreno ID agora controlado pela Equao de Shockley:

    (

    )

    Exemplo 4: Determine os seguintes parmetros para o circuito da figura abaixo:

    VGSQ, IDQ, VDS, VD, VG, VS.

    Equaes: ...

    Configurao com autopolarizao

  • 12

    A configurao com autopolarizao elimina a necessidade de duas fontes cc. A tenso de controle

    porta-fonte agora determinada pela tenso atravs do resistor RS colocado no terminal da fonte da

    configurao, como mostrado na fig. 26.

    Fig. 26 Configurao de JFET com autopolarizao

    Para a anlise cc, os capacitores podem novamente serem substitudos por circuitos abertos, e o

    resistor RG pode ser substitudo por um curcto-circuito equivalente, j que IG=0A.

    O resultado o circuito da fig. 27:

    Fig. 27 Anlise cc da configurao com autopolarizao

    Equaes: ...

    Exemplo 5: Determine os seguintes parmetros para o circuito da figura abaixo:

    VGSQ, IDQ, VDS, VS, VG, VD.

  • 13

    Polarizao por divisor de tenso Fig. 28 Configurao da polarizao por divisor de tenso

    Fig. 29 Circuito redesenhado da figura 28 para anlise cc

    Equaes...

    Fig. 30 Esboo da equao do circuito para a configurao com divisor de tenso

  • 14

    Exemplo 6: Determine os seguintes parmetros para o circuito da figura abaixo: IDQ, VGSQ, VD, VS,

    VDS, VDG.

    MOSFET

    Tipo depleo

    Anlise semelhante ao JFET.

    Exemplo 7: Para o MOSFET tipo depleo de canal n da figura abaixo, determine: IDQ, VGSQ e VDS.

    Tipo intensificao

  • 15

    Fig. 31 Curva caracterstica de transferncia de um MOSFET tipo intensificao de canal n

    Configurao de polarizao com realimentao

    Fig. 32 Configurao de polarizao com realimentao

    Fig. 33 Equivalente cc do circuito da fig. 32

    Equaes: ...

    Exemplo 8: Determine IDQ e VGSQ para o MOSFET tipo intensificao da figura abaixo:

  • 16

    Configurao de polarizao com divisor

    Fig. 34 Configurao com polarizao por divisor de tenso para um MOSFET de intensificao de canal n

    Equaes:...

    Exemplo 9: Determine IDQ, VGSQ, VDS para o circuito a figura abaixo:

    1.6 Circuitos combinados Combinao de configuraes em TBJ e FET.

    Exemplo 10: Determine os nveis VD e VC para o circuito da figura abaixo:

  • 17

    1.7 Projeto Para a elaborao de um projeto existem outras limitaes alm das condies cc do circuito em

    questo.

    rea de aplicao, nvel de amplificao desejada, potncia do sinal e as condies de operao so

    algumas das consideraes para sua realizao.

    Deve-se se tomar cuidado com nveis de rudo nas condies reais para evitar distores e

    descasamento de impedncia.

    Nem sempre as condies do projeto na anlise cc existem disponveis no mercado. Normalmente

    se faz a anlise cc e depois verifica os dispositivos disponveis para venda.

    2 Anlise do FET para pequenos sinais

    Os amplificadores com transistor de efeito de campo so dispositivos muito pequenos e leves, com

    baixo consumo de potncia e aplicveis a uma ampla faixa de frequncias.

    JFET e MOSFET podem ser usados em amplificadores com ganhos de tenso similares.

    MOSFET tipo depleo possui uma impedncia de entrada muito mais alta que o JFET.

    O FET pode ser usado como amplificador linear ou como dispositivo digital em circuitos lgicos.

    O circuito fonte-comum o mais conhecido, fornecendo um sinal invertido amplificado.

    Pode ser encontrado tambm circuitos de dreno comum (seguidor de fonte) com ganho unitrio e

    sem inverso do sinal.

    Circuitos porta-comum permitem ganho sem inverso.

    Os circuiots amplificadores ca com FET podem ser analisados por meio de um software (PSpice,

    Eletronics Workbench).

  • 18

    2.1 Operao com pequenos sinais

    Iremos fazer agora anlise ca para dispositivos FET.

    Importante: Um dos principais componentes do modelo ca reflete o fato de que uma tenso ca

    aplicada aos terminais porta-fonte do dispositivo controla a corrente entre os terminais dreno-fonte.

    Fig. 35 Definio de gm usando a curva caracterstica de transferncia

    Exemplo 11: Determine o valor de gm para um JFET que apresenta Idss=8mA e Vp=-4V nos

    seguintes pontos de polarizao cc.

    (a) VGS=-0,5V

    (b)VGS=-1,5V

    (c)VGS=-2,5V

    Exemplo 12: Para o JFET com a curva caracterstica de transferncia do exemplo anterior:

    (a) Determine o valor mximo de gm.

    (b) Determine o valor de gm para: VGS=-0,5V; VGS=-1,5V; VGS=-2,5V.

  • 19

    Fig. 36 Circuito equivalente ca do FET

    Exemplo 13: Sabendo-se que yfs=3,8mS yos=20S, esboce o modelo equivalente ca do FET.

    Circuito JFET com polarizao fixa

    Fig. 37 Configurao do JFET com polarizao fixa

    Fig. 38 Substituio do circuito equivalente ca do JFET no circuito da fig. 37... (Quadro)

    Fig. 39 Circuito redesenhado

  • 20

    Circuito JFET com autopolarizao

    Rs com desvio Fig. 40 Configurao do JFET com autopolarizao

    Fig. 41 Circuito equivalente ca da fig. 40

    Fig. 42 Circuito redesenhado da fig. 41

  • 21

    Rs sem desvio

    Fig. 43 Configurao JFET com autopolarizao incluindo o efeito de Rs com rd

    Fig. 44 Incluso dos efeitos de rd n configurao de autopolarizao do JFET

    Circuito JFET com divisor de tenso Fig. 45 Configurao do JFET com divisor de tenso

  • 22

    Fig. 46 Circuito da fig. 45 sob condies ca

    Fig. 47 Circuito redesenhado da fig. 46

    2.2 Seguidor de fonte (Dreno comum) Circuito JFET

    Fig. 48 Configurao seguidor-de-fonte JFET

  • 23

    Fig. 49 Circuito da fig. 48 aps a introduo do modelo equivalente ca

    Fig. 50 Circuito redesenhado da fig. 49

    Fig. 51 Determinao de Zo

    2.3 Circuito JFET na configurao porta comum Fig. 52 Configurao porta-comum do JFET

  • 24

    Fig. 53 Circuito equivalente ca do JFET

    2.4 Projeto de circuitos amplificadores com FET

    Cuidados ao se projetar um circuito amplificador:

    Obter de uma condio de polarizao cc desejada;

    Obter um ganho de tenso ca pedido;

    Aplicar equaes aproximadas;

    Um parmetro escolhido para o projeto cc ter uma influncia importante na resposta ca;

    A resistncia RG pode ser substituda por um curto-circuito equivalente na configurao com

    realimentao porque IG0A no domnio cc;

    Para anlise ca IG proporciona uma alta impedncia importante entre Vo e Vi;

    gm maior para pontos de operao mais prximos do eixo ID (VGS=0V), o que requer que

    RS seja relativamente pequeno;

    Muitas vezes preciso buscar um equilbrio entre um ponto de operao especfico e seu

    impacto na resposta ca.

    Exemplo 14: Escolha os valores de RD e RS para o circuito da figura abaixo para produzir um

    ganho igual a 8, usando um valor relativamente alto de gm para esse dispositivo definido em

    VGS=1/4VP.

  • 25

    Exemplo 15: Determine os valores de RD e RS para o circuito da figura do exemplo anterior, de

    modo a produzir um ganho igual a 8 se o capacitor de desvio Cs for retirado.

    3 Resposta em frequncia do TBJ e JFET

    Logartmo

    Fig. 54 Folha de grfico semilog

    O log de 2 na base 10 aproximadamente 0,3. O intervalo de 1 (log101=0) para 2 , portanto, 30%

    da extenso total. O log de 3 na base 10 0,4771, aproximadamente 48% da extenso (quase a

    metade da distncia entre os pontos de potncia de 10 na escala log). Como log1050,7, marca-se o

    ponto correspondente no grfico a 70% do intervalo total. Observe que o intervalo o mesmo entre

    quaisquer dois nmeros que diferem apenas pela potncia de 10 (figura 54).

    Fig. 55 Identificao da posio das marcas em uma escala log

  • 26

    Observe os valores numricos resultantes e o espaamento, pois normalmente os grficos

    apresentam apenas as marcaes indicadas na figura 55.

    No se esquea de que o grfico de uma funo em uma escala log pode modificar o aspecto da

    forma de onda quando comparado ao grfico em uma escala linear. Uma reta no grfico de uma

    funo linear pode se tornar uma curva em uma escala log, enquanto o grfico de uma funo no-

    linear em uma escala linear pode produzir uma linha reta numa escala log. O importante

    interpretarmos os resultados extrados considerando o espaamento das figuras 54 e 55.

    Decibis

    Fig. 56 Configurao empregada na discusso da equao de decibel em termos das tenses

    O efeito de impedncias diferentes (R1R2) costuma ser ignorado, e a equao de GdB aplicada

    apenas para estabelecer uma base de comparao entre os valores tenso ou corrente. Para essas

    situaes, o ganho em decibel deve ser denominado ganho de tenso ou corrente em decibis, para

    diferenci-lo do decibel empregado para valores de potncia.

    Uma das vantagens de usar uma relao logartmica a maneira como ela pode ser aplicada em

    estgios em cascata. Por exemplo, o ganho de tenso total de uma sistema em cascata dado por:

    | | | || || | | |

    Aplicando a relao logartmica apropriada obtemos:

    | | | | | | | | | | ( )

    Isso significa que o ganho em decibel de um sistema em cascata simplesmente asoma dos ganhos

    em dB de cada estgio:

    OBS.: Ver tabela 11.2 livro texto.

    Exemplo 16: Encontre o valor do ganho que corresponde a um ganho em dB de 100.

    Esse exemplo mostra a faixa de valores em dB que encontramos em dispositivos reais.

    Exemplo 17 Um amplificador com 40 W de sada conectado a um alto falante de 10 Ohms.

    (a) Calcule a potncia de entrada quando o ganho de potncia de 25 dB.

    (b) Calcule a tenso de entrada quando o ganho de tenso do amplificador de 40 dB.

  • 27

    Consideraes gerais sobre frequncia

    A frequncia do sinal aplicado pode ter um efeito pronunciado na resposta de um circuito simples

    ou multi-estgio. A anlise realizada at ento se baseou no espectro de frequncias mdias. Em

    baixas frequncias no se pode mais substituir os capacitores de acoplamento e de desvio por

    curtos-circuitos, pois, nessa faixa de frequncia, suas reatncias no so mais desprezveis. Em altas

    frequncias, os parmetros dependentes da frequncia dos circuitos equivalentes para pequenos

    sinais e as capacitncias parasitas do circuito limitaro a resposta do sistema. O aumento do nmero

    de estgios em um sistema em cascata limitar tambm tanto a resposta em alta frequncia como a

    resposta para baixas frequncias.

    A curvas de ganho de um amplificador com acoplamento RC, direto e por transformador, so

    mostradas na figura 57.

    Fig. 57 Ganho versus frequncia para (a) amplificadores com acoplamento RC; (b) amplificadores com

    acoplamento a transformador; (c) amplificadores com acoplamento direto

    Observe que a escala horizontal uma escala logartmica, permitindo a representao das regies de

    baixas e altas frequncias. Para cada grfico, as regies de baixas, altas e mdias frequncias foram

    definidas. Alm disso, os motivos principais da reduo do ganho nas altas e baixas frequncias

    foram indicados dentro de parnteses. Para o amplificador com RC, a queda nas baixas frequncias

    devida ao aumento na reatncia de CC, CS ou CE e, nas altas frequncias, a queda resultado da

    capacitncia parasita de alguns elementos e do ganho dependente da frequncia dos dispositivos

    ativos. Para compreender a queda no ganho em sistemas com acoplamento por transformador,

    necessrio compreender tanto a operao de transformao quanto o circuito equivalente do

    transformador.

  • 28

    Para cada sistema da figura 57, h uma faixa de frequncias na qual o valor do ganho igual ou

    prximo ao valor nas frequncias mdias. Para estabelecer os limites de frequncia em que temos

    um alto ganho relativo, 0,707AVmed o ganho escolhido para especificar a frequncia de corte. As

    frequncias correspondentes f1 e f2 so normalmente chamadas de frequncias de canto, corte,

    banda, quebra, ou meia potncia. O fator 0,707 foi escolhido porque, nesse nvel, a potncia de

    sada metade do valor na banda mdia, isso , nas mdias frequncias: (quadro...)

    3.1 Anlise para baixas frequncias

    Para o amplificador TBJ ou FET de nico estgio, nas baixas frequncias, a frequncia de corte

    determinada pela combinao R-C pelos capacitores CC, e pela rede CE e CS que determina os

    parmetros resistivos. Pode ser estabelecido para cada elemento capacitivo um circuito R-C

    semelhante ao da figura 58 e pode ser determinada a frequncia na qual a tenso cai a 0,707 do seu

    valor mximo. Uma vez determinadas as frequncias de corte para cada capacitor, a frequncia de

    corte inferior do sistema pode ser determinada.

    Fig. 58 Combinao R-C que definir a frequncia de corte inferior

    Comearemos analisando com a combinao R-C em srie da figura 58 e com o desenvolvimento

    de um mtodo que resulte no traado da curva de resposta com um mnimo de tempo e esforo. Em

    frequncias muito altas:

    Sendo assim o capacitor pode ser substitudo pelo curto-circuito equivalente (figura 59). Isso resulta

    em Vo Vi para altas frequncias.

    Fig. 59 Circuito R-C da figura 58 em frequncias muito altas

    Em f =0 Hz:

  • 29

    A aproximao de circuito aberto pode ser aplicada, como mostra a figura 60:

    Fig. 60 Circuito R-C da figura 59 em f=0Hz

    Comparando esses dois extremos, a razo variar da forma mostrada na figura 61.

    medida que a frequncia aumenta, a reatncia capacitiva diminui, e maior a poro da tenso de

    entrada que surge nos terminais de sada.

    As tenses de sada e entrada so relacionadas pela regra do divisor de tenso:

    Com a amplitude de Vo determinada por:

    Fig. 61 Resposta em baixas frequncias do circuito R-C da figura 58

    Para o caso especial onde XC=R:

    | |

    |

    Essa situao est mostrada na figura 61. A sada 70,7% da entrada. A frequncia em que isso

    ocorre :

    Em logaritmo:

    (quadro...)

  • 30

    Fig. 62 Diagrama de Bode para a regio de baixas frequncias

    Observe que esses resultados fornecem uma reta quando colocados em uma escala log. Na mesma

    figura desenhada outra reta para a condio de 0dB, onde f f1. Conforme j mencionado, os

    segmentos de reta (assntotas) so precisos para 0dB quando f f1, para a reta horizontal, e quando

    f1 f, para a reta inclinada.

    Vimos que, no entanto, que quando f-f1, h uma queda de 3dB no ganho em relao ao valor no

    meio da faixa. Utilizando essa informao associada ao traado dos segmentos de reta, podemos

    montar um grfico razoavelmente exato da resposta em frequncia, como indicado na figura 62. O

    grfico de assntotas com pontos de quebra associados chamado de diagrama de Bode da

    amplitude versus frequncia.

    Os clculos da curva mostram que:

    Multiplicando-se a frequncia por 2, equivalente a 1 oitava, obtm-se uma alterao de 6dB

    no ganho, como pode ser observado pelo aumento de ganho de f1/2 para f1.

    Para uma variao de 10:1 na frequncia, equivalente a uma dcada, h uma variao de

    20dB no ganho, como pode ser notado de f1/10 para f1.

    A partir de agora, podemos obter um grfico em decibel para uma funo com o formato da

    equao do ganho em dB (Av(dB)). Primeiro determine f1 do circuito e depois esboce duas assntotas

    uma ao longo da reta de 0dB e a outra passando por f1, com uma inclinao de 6dB/oitava ou

    20dB/dcada. Finalmente, encontre o ponto de 3dB em f1 e esboce a curva.

    Exemplo 18 Para o circuito da figura abaixo:

    (a) Determine a frequncia de corte.

    (b) Esboce as assntotas e localize o ponto de -3dB.

    (c) Esboce a curva de resposta em frequncia.

  • 31

    3.2 Resposta em baixas frequncias

    Amplificador TBJ

    Fig. 63 Amplificador TBJ com carga RL, com capacitores que afetam a resposta em baixas frequncias

    (Quadro...)

    CS,CC e CE afetaro a resposta apenas em baixas frequncias. Para as frequncias no meio da faixa,

    os equivalentes de curto-circuito dos capacitores podem ser inseridos. Embora cada um afete o

    ganho em faixas de frequncias semelhantes, a frequncia de corte inferior mais alta determinada

    por CS, CC, CE ter o maior impacto sobre a resposta, pois a ltima frequncia de corte antes do

    meio da faixa. Se as frequncias esto relativamente distantes entre si, a frequncia de corte mais

    alta determinar a frequncia de corte inferior do sistema. Se houver duas ou mais frequncias de

  • 32

    corte altas, o resultado ser o aumento da frequncia de corte inferior e a reduo da banda

    passante resultante do sistema. Em outras palavras, h uma interao entre elementos capacitivos

    que pode afetar a frequncia de corte inferior do sistema. No entanto, se as frequncias de corte

    estabelecidas por cada capacitor diferirem suficientemente entre si, o efeito de uma sobre a outra

    poder ser desprezado.

    Exemplo 19:

    (a) Determine a frequncia de corte inferior para o circuito da figura abaixo, utilizando os

    seguintes parmetros:

    CS=10F, CE=20 F, CC=1 F

    RS=1k, R1=40K, R2=10K, RE=2K, RC=4K, RL=2,2K

    =100 ro=, VCC=20V

    Fig. 64 - Resposta em frequncia devido a CS

  • 33

    Fig. 65 - Resposta em frequncia devido a CC

    Fig. 66 - Resposta em frequncia devido a CE

  • 34

    Fig. 67 - Resposta em frequncia devido a CS, CC e CE

    O fato de fLE ser significativamente maior que fLS ou fLC sugere que esse ser o fator predominante

    na determinao da resposta de baixa frequncia para o sistema completo. Observe a grande

    semelhana entre o grfico que tem sob influncia apenas de CE com o grfico geral com a

    influncia de CS, CC e CE ao mesmo tempo. Ambos confirmam, sem dvida, o fato de que a mais

    alta das frequncias de corte inferior tem o maior impacto sobre a frequncia de corte inferior para o

    sistema.

    (b) Esboce a resposta em frequncia utilizando um diagrama de Bode.

  • 35

    OBS: No se esquea de que a anlise realizada nesta seo no se limita ao circuito analisado

    (figura 63). Para qualquer configurao de transistor, simplesmente isole cada combinao R-C

    formada por um elemento capacitivo e determine as frequncias de corte. As frequncias resultantes

    determinaro, ento, se h uma forte interao entre os elementos capacitivos na determinao da

    resposta completa e qual elemento o maior responsvel pela frequncia de corte mais baixa do

    circuito. A anlise realizada na prxima seo far um paralelo com a desenvolvida anteriormente

    na determinao das frequncias de corte inferiores do amplificador FET.

    Amplificador FET

    Fig. 68 Elementos capacitivos que afetam a resposta em baixas frequncias de um amplificador JFET

    Resumo...

  • 36

    Exemplo 20:

    a) Determine a frequncia de corte inferior para o circuito da figura 68, utilizando os seguintes

    parmetros:

    CG=0,01F CC=0,5F CS=2 F

    Rsig=10K RG=1M RD=4,7K RL=2,2K

    IDSS=8mA Vp=-4V rd= VDD=20V

    b) Esboce a resposta em frequncia, utilizando um diagrama de Bode.

    3.3 Efeito da capacitncia Miller

    Para qualquer amplificador inversor, a capacitncia de entrada ser incrementada pelo efeito da

    capacitncia Miller, que sensvel ao ganho do amplificador e capacitncia intereletrodos

    (parasita) entre os terminais de entrada e sada do dispositivo ativo.

    Veja seo 11.8 livro texto.

    3.4 Respostas em altas frequncias

    Amplificador TBJ

    - Parmetros do circuito

  • 37

    Figura 69 Combinao RC que definir a frequncia de corte superior

    Figura 70 Grfico assinttico definido pelo ganho

    Figura 71 Circuito com capacitores que influenciam a resposta em altas frequncias

    Figura 72- Modelo ca equivalente para altas frequncias

  • 38

    - Variao de hfe ou

    Figura 73- Circuito equivalente ca para pequenos sinais em alta frequncia de Giacoletto ( hbrido)

    Figura 74 hfe, hfb versus frequncia na regio de altas frequncias

    Exemplo 21: Para o circuito da figura abaixo, com os parmetros abaixo determine:

    Rs=1K, R1= 40K, R2= 10K, RE=2K,

    RC=4K, RL=2,2K, CS=10F, CC=1F,

    CE=20F, =100, ro=, VCC=20V,

    Cbe=36pF, Cbc=4pF, Cce=1pF, Cwi=6pF, Cwo=8pF.

  • 39

    a) Determine fHi e fHo.

    b) Encontre f e fT.

    Figura 75 Resposta em frequncia completa

  • 40

    Figura 76- Resposta completa pelo PSpice

    Amplificador FET

    Figura 77- Elementos capacitivos que afetam a resposta em altas frequncias do FET

  • 41

    Figura 78- Circuito equivalente para altas frequncias FET

    Figura 79- Circuito equivalente de Thvenin para os circuitos de entrada e sada

    Exemplo 22: Determine utilizando os parmetros dados e o circuito abaixo:

    CG= 0,01F, CC= 0,5F, CS= 2F, Rsig= 10K, RG= 1M, RD= 4,7K,

    RS= 1K, RL= 2,2K, IDSS= 8mA, Vp= -4V, rd=, VDD= 20V,

    Cgd= 2pF, Cgs= 4pF, Cds= 0,5pF, Cwi= 5pF, Cwo= 6pF

    a) Frequncias de corte superiores.

  • 42

    Figura 80- Resposta em frequncia completa para o FET

    Captulo 4 Configuraes compostas

    Neste captulo, apresentamos vrias conexes de circuitos que, embora no sejam configuraes

    emissor-comum, coletor-comum ou base-comum padro, ainda so bastante importantes, sendo

    amplamente utilizadas em circuitos discretos ou em circuitos integrados. A conexo em cascata

    composta de estgios em srie, enquanto a conexo cascode coloca um transistor em cima do

    outro. Ambas as formas de conexo so encontradas em circuitos prticos. A conexo

    Darlington e a conexo par realimentado trazem mltiplos transistores conectados para operar

    como se fossem um nico transistor, para melhorar seu desempenho, normalmente com um

    ganho de corrente muito maior.

    A conexo CMOS, usando transistores MOSFET de intensificao do tipo p e do tipo n em um

    circuito operando com potncia muito baixa, apresentada neste captulo. Grande parte da

    tecnologia mais recente em circuitos digitais utiliza CMOS, seja para permitir sua portabilidade

    com uma potncia de bateria muito baixa, seja para permitir uma densidade de integrao muito

    alta em circuitos integrados, com a menor dissipao de potncia possvel no pequeno espao

    ocupado pelo chip do CI.

    Tanto os circuitos discretos quanto os integrados utilizam a conexo fonte de corrente. A

    conexo espelho de corrente fornece corrente constante para vrios outros circuitos e

    especialmente importante em circuitos integrados lineares.

    O amplificador diferencial a parte bsica dos circuitos amplificadores operacionais. A

    conexo bsica de um circuito diferencial e sua operao so apresentadas neste captulo.

    Embora aparea no final do captulo, a conexo de circuito mais importante. Um circuito

    bipola-JFET utilizado em CIs a conexo BiFET, enquanto a conexo bipolar-MOSFET

    chamada BiMOS. Essas duas configuraes so utilizadas em circuitos lineares integrados.

  • 43

    4.1 Sistemas em cascata

    Figura 81 Amplificador FET em cascata

    A principal funo dos estgios em cascata atingir um ganho global maior. Como a polarizao cc

    e os clculos ca para um amplificados em cascata seguem as equaes deduzidas para os estgios

    individuais, um exemplo demonstrar os diferentes clculos para se determinar a operao de

    polarizao cc e ca.

    Exemplo 23: Calcule a polarizao cc, o ganho de tenso, a impedncia de entrada, a impedncia

    de sada e a tenso de sada resultante para o amplificador em cascata mostrado na figura abaixo.

    Calcule a tenso na carga, se uma carga de 10K for conectada na sada.

    Amplificador TBJ em cascata

    Um amplificador em cascata com acoplamento RC construdo com TBJs mostrado na figura 82.

    Como antes, a vantagem dos estgios em cascata o grande ganho global de tenso. A polarizao

    cc obtida utilizando os procedimentos do captulo 4 do livro texto.

    Observe a figura 82:

  • 44

    Figura 82 Amplificador TBJ em cascata

    Exemplo 24: Calcule o ganho de tenso, a impedncia de entrada e a impedncia de sada para o

    amplificador TBJ em cascata da figura abaixo. Calcule a tenso de sada resultante se uma carga de

    10K for conectada sada.

    4.2 Conexo cascode

    Figura 83 Configurao cascode

  • 45

    Exemplo 25: Calcule o ganho de tenso para o amplificador Cascode da figura abaixo:

    4.3 Conexo Darlington

    Figura 84 Configurao de uma conexo Darlington

    Figura 85 Folha dados de um Transistor Darlington encapsulado (2N999)

  • 46

    Polarizao cc de um circuito Darlington

    Figura 86 Conexo Darlington

    Exemplo 26: Calcule as tenses e as correntes de polarizao cc no circuito abaixo:

    Circuito equivalente ca

    Para anlise ca tomemos como exemplo um circuito Darlington seguidor de emissor.

    Figura 87 Circuito Darlington para anlise ca

  • 47

    Figura 88 Circuito Darlington seguidor-de-emissor

    Figura 89 Circuito ca para determinar Zo

    Figura 90 Circuito ca para determinar Av

    4.3.1 Par realimentado

    estabelecida a conexo par realimentado quando dois transistores esto operando como o circuito

    Darlington. Observe a figura 91.

  • 48

    Figura 91 Conexo e operao de um par realimentado

    O par realimentado utiliza um transistor pnp acionando um transistor npn e ambos atuam

    efetivamente como se fossem um transistor pnp. Conforme ocorre com a Conexo Darlington, o par

    realimentado tambm possui um ganho de corrente elevado.

    Polarizao cc

    Quadro...

    Exemplo 28: Calcule as correntes e tenses de polarizao para o circuito da figura 91 para que Vo

    seja metade da tenso da fonte (ICRC=9V).

    Operao ca

    Figura 92 Circuito equivalente ca da figura 91

  • 49

    Impedncia de entrada ca, Zi Quadro...

    Ganho de corrente ca, Ai

    Quadro...

    Impedncia de sada ca, Zo

    Quadro...

    Ganho de tenso ca, AV Quadro...

    Exemplo 29: Calcule os valores ca de Zi, Zo, Ai e Av para o circuito da figura 92. Considere que

    ri1=3K.

    4.4 Amplificadores com acoplamento RC

    Nesse tipo de acoplamento o ganho diminui em baixas frequncias devido ao aumento das

    reatncias capacitivas (CC, CS, CE). Nas altas frequncias, a queda no ganho devido as

    capacitncias parasitrias.

  • 50

    Figura 93 Amplificadores na configurao emissor comum ligados em cascata atravs de um capacitor Cb

    OBS: A anlise do ganho de tenso, impedncia de entrada, impedncia de sada j foram

    mostrados em sees anteriores.

    4.5 Amplificador de 2 estgios com acoplamento RC e malha de

    realimentao

    Figura 94 (a) Circuito de realimentao srie de tenso, (b) Circuito equivalente sem realimentao

    O circuito da figura 94(a) mostra um amplificador com dois estgios em cascata, cujos ganhos de

    tenso so respectivamente Av1 e Av2. A sada do segundo estgio dirigida para a entrada por meio

    dos resistores R1 e R2. O sinal sobre o resistor Rl soma-se com sinal negativo ao sinal de entrada ve

    (este caso corresponde realimentao negativa da tenso srie).

    Considerando-se na figura 94(a) que o ganho de corrente do segundo estgio muito maior que a

    unidade, o erro cometido ser pequeno na utilizao das frmulas da faixa de passagem e da

    distoro harmnica, pois poderemos desprezar i face a i.

    O projeto com realimentao negativa pode ser avaliado atravs de um diagrama de blocos, como o

    da figura 95 e assim pode ser feito o estudo de estabilidade do sistema e desenvolver diversos

    projetos de malha de controle para diversas aplicaes seja ela industrial ou no. Exemplos: avies,

    celulares, eletrodomsticos, eletrnicos, plantas industriais, plataformas de petrleo, etc.

  • 51

    Figura 95 Diagrama de blocos em malha fechada

    Vantagens e desvantagens do acoplamento por rede RC

    O acoplamento RC bastante usado em circuitos transistorizados, por oferecer uma boa resposta de

    frequncia, sendo de simples confeco e preo relativamente baixo.

    Porm, embora esse acoplamento oferea uma boa resposta em frequncia, no o tipo de maior

    eficincia, em face das dificuldades em casar as impedncias entre estgios.

    Outra desvantagem desse tipo de acoplamento est no fato de apresentar grandes perdas quando

    usado em frequncias muito baixas.

    4.6 Amplificadores com acoplamento por transformador

    No acoplamento a transformador o enrolamento do primrio do transformador (T1) a impedncia

    de carga do coletor do primeiro estgio. Veja figura 96.

    O enrolamento secundrio de T1 desenvolve o sinal de CA, para a base do transistor do segundo

    estgio e tambm age como caminho de retorno de CC, da base.

    A resistncia muito baixa, no circuito de base, auxilia a estabilizao da polarizao no ponto de

    operao de CC. Com um resistor na entrada do emissor, o fator de estabilidade de corrente quase

    ideal.

    Como no h resistor de carga de coletor para dissipar potncia, a eficincia do amplificador

    acoplado a transformador se reduz, teoricamente, para 50%. Por este motivo, o processo de

    acoplamento a transformador muito usado em equipamentos portteis e operado com baterias.

    Figura 96 Amplificador com acoplamento a transformador

    Vantagens e desvantagens do acoplamento a transformador

    Os transformadores facilitam o equilbrio da carga de sada do transistor e o equilbrio da fonte,

    entrada do transistor, para obter o mximo de ganho de potncia, para um determinado estgio.

    A resposta em frequncia de um estgio acoplado por intermdio de transformador no to boa

    quanto do estgio acoplado por rede RC.

    A resistncia Shunt do enrolamento primrio, nas baixas frequncias, causa a queda de resposta

    nestas frequncias. Nas altas frequncias, a resposta reduzida pela capacitncia de coletor e pela

    reatncia de sada, entre os enrolamentos do transformador.

    Alm da resposta de frequncia ser pobre, os transformadores so mais caros, mais pesados, e

    ocupam maior rea que os resistores e capacitores empregados no acoplamento RC.

  • 52

    Portanto, o uso do acoplamento a transformador limitado, normalmente, quelas aplicaes que

    requerem alta eficincia de potncia de sada.

    4.7 Amplificadores com acoplamento Direto

    Quando o transistor de um estgio amplificador ligado diretamente ao transistor do estgio

    seguinte dizemos que o acoplamento direto, como mostrado na figura 97.

    Figura 97 Amplificador com acoplamento direto

    Este tipo de acoplamento usado para a amplificao de sinais chamados de corrente contnua,

    em virtude de a frequncia ser muito baixa.

    Observando o circuito da figura 97, vemos que um transistor PNP est ligado diretamente a um

    transistor NPN. A direo do fluxo de corrente indicada pelas setas. Se a corrente do coletor do

    primeiro estgio for maior que a corrente de base do estgio seguinte, devemos ligar o resistor RC

    (carga do coletor), como est indicado pela linha tracejada.

    Como o nmero de componentes necessrios no amplificador acoplado diretamente mnimo,

    teremos o mximo de economia e tambm a mxima fidelidade de sinal. Entretanto, o nmero

    de estgios que podem ser acoplados diretamente limitado.

    5 Amplificadores de potncia

    Um amplificador de potncia tem a funo de fornecer, a partir de pequenos sinais, grandes sinais

    s cargas de baixa impedncia (grandes correntes), portanto potncia.

    O rendimento de um sistema mostra a capacidade que ele tem de transformar potencia consumida

    em potencia til. Essa relao pode ser vista na equao abaixo:

    Classe de operao

    O que determina o tipo de classe de operao de um amplificador o modo como os transistores do

    estgio de sada operam, na tentativa de se obter maior linearidade (menor distoro) e/ou

    rendimento.

    Sero apresentadas algumas classes que se aplicam amplificadores de udio, pois existem outras

    que so utilizadas em amplificadores de alta frequncia (RF) ou controles de potncia.

  • 53

    Classe A: O sinal de sada varia por um ciclo de 360 completo. A figura 98(a) mostra que para isso

    necessrio que o ponto Q seja polarizado em um nvel que permita que o sinal varie para cima e

    para baixo sem atingir uma tenso suficientemente para ser restringida pelo valor da fonte de tenso

    ou desa a um ponto suficientemente baixo para atingir o valor inferior da fonte, ou 0V nessa

    descrio.

    Figura 98 Classes de operao de amplificadores

    O amplificador classe A possui uma baixa eficincia, principalmente com pequenos sinais de

    entrada, quando pouca potncia ca liberada para a carga. (25% de eficincia mxima para uma

    conexo de carga direta ou realimentada em srie e 50% para uma conexo utilizando

    transformador para ligar-se carga).

    Classe B: Um circuito classe B fornece um sinal de sada que varia sobre metade do ciclo da

    entrada, ou por 180 de sinal, como mostra a figura 98(b). Portanto o ponto de polarizao cc est

    em 0V, e a sada varia, ento, a partir desse ponto, durante meio ciclo. Obviamente, a sada no

    uma reproduo fiel da entrada se apenas meio ciclo est presente. So necessrios dois

    amplificadores classe B um para fornecer sada durante o semiciclo positivo e outro para operar

    no semiciclo de sada negativo. A combinao dos semiciclos fornece, ento, uma sada para os

    360 completos de operao. Esse tipo de conexo realiza a operao chamada de push-pull (iremos

    ver mais a frente ao longo do captulo). Observe que a operao classe B, por si s, gera um sinal de

    sada muito distorcido, pois o sinal de entrada reproduzido na sada somente para 180 da

    oscilao do sinal de sada.

    Esse tipo de classe fornece uma eficincia mxima que chega a 78,5%.

    Classe AB: Um amplificador pode ser polarizado em um valor cc acima do valor correspondente

    corrente zero de base da classe B e acima da metade do valor da fonte da classe AB. A operao

    classe AB requer ainda uma conexo push-pull para atingir um ciclo de sada completo, porm, o

    valor de polarizao cc geralmente est muito prximo do valor zero de corrente de base para uma

    melhor eficcia de potncia. Para operao classe AB, a oscilao do sinal de sada ocorre entre

    180 e 360 e no uma operao classe A nem classe B.

    Esse tipo de classe mantm sua eficincia entre 25% (ou 50%) e 78,5%.

    Classe C: A sada de um amplificador classe C polarizada para uma operao em menos de 180

    do ciclo operando apenas com circuitos sintonizados (ressonantes), os quais fornecem um ciclo

  • 54

    completo de operao para a frequncia sintonizada ou ressonante. Portanto essa classe de operao

    utilizada em amplificaes especiais de circuitos sintonizados, como as de rdio ou de

    comunicaes.

    A classe C geralmente no utilizada para transferir grandes quantidades de potencia; portanto, a

    eficincia no dada.

    Classe D: Esta classe de operao uma forma de amplificao para sinais pulsados (digitais), que

    permanecem ligados por um curto intervalo de tempo e desligados durante um longo intervalo.

    A utilizao de tcnicas digitais possibilita a obteno de um sinal que varia sobre um ciclo

    completo (utilizando circuitos de amostragem-e-reteno) para recriar a sada a partir de vrios

    trechos do sinal de entrada. A principal vantagem da operao classe D que o amplificador est

    ligado (utilizando potncia) durante curtos intervalos, e a eficincia global pode, na prtica, ser

    muito alta.

    Esse tipo de classe pode obter uma eficincia de potencia maior que 90% e fornece a operao mais

    eficiente de todas as classes de operao.

    A figura 99 mostra as classes de amplificadores com seus ciclos de operao e eficincia de

    potencia. Observe:

    Figura 99 Classes de amplificadores

    5.1 Amplificadores de grandes sinais

    Os amplificadores de grandes sinais so projetados para operarem com tenses e correntes mais

    elevadas que os amplificadores estudados em captulos e sees anteriores. Consequentemente se

    tenses e correntes so mais altas, as potncias envolvidas tambm sero.

    Os sinais tratados nesse captulo sero na faixa de volts e potencias na faixa de quilowats. Correntes

    de base mA e corrente de coleto e corrente de emissor normalmente A (mper). Fabricantes

    especificam na folha de dados os componentes especiais que so seguidos do nome de potncia,

    indicando que so para projetos de grandes sinais.

    Nas prximas sees iremos analisar com maiores detalhes os tipos de classes que introduzimos no

    incio desse captulo.

    5.2 Amplificador Classe A com alimentao srie

    A figura 100 nos mostra um circuito TBJ simples de polarizao cc fixa. Iremos utiliz-lo para

    explicar a amplificao Classe A.

  • 55

    Figura 100 Circuito de polarizao fixa

    - Operao com polarizao cc

    Quadro...

    Para que possamos perceber a importncia da polarizao cc na operao do amplificador de

    potncia, devemos considerar as caractersticas do coletor mostradas na figura 100. Uma reta de

    carga ca desenhada utilizando-se valores VCC e RC. A interseo do valor de IB de polarizao

    com a reta de carga cc determina ento o ponto de operao (ponto Q) para o circuito. Se a corrente

    quiescente de coletor for fixada na metade da oscilao possvel do sinal (entre 0 e VCC/RC), a

    corrente do coletor poder oscilar com uma amplitude mxima.

    Figura 101 Caractersticas do transistor com reta de carga e ponto Q

    Na operao ca, quando um sinal de entrada ca aplicado ao amplificado considerado na figura

    100, a sada varia em relao tenso e corrente de seu ponto de operao de polarizao cc. Um

    pequeno sinal de entrada, como o mostrado na figura 102, far ento a corrente de base varia acima

    e abaixo do ponto de polarizao cc, que far a corrente de coletor (sada), bem como a tenso

    coletor-emissor, variar em relao a seu ponto de polarizao cc.

  • 56

    Se o sinal de entrada ampliado, a sada aumenta sua amplitude de oscilao em torno do ponto de

    polarizao cc estabelecido at que a tenso ou a corrente de coletor atinjam seus limites. Para a

    corrente, essa condio representada pela corrente zero no limite inferior ou VCC/RC no limite

    superior de sua oscilao. Para tenso coletor-emissor, os limites so 0 V e VCC.

    Figura 102 Variao do sinal de entrada e sada do amplificador

    Consideraes de potncia

    A potencia de um amplificador fornecida pela fonte. Na ausncia de um sinal de entrada, a

    corrente cc drenada a corrente de polarizao do coletor, ICQ. A potncia drenada :

    ( )

    Mesmo com um sinal ca aplicado, a corrente mdia drenada da fonte permanece a mesma, de

    maneira que a equao acima representa a potncia de entrada fornecida ao amplificador

    classe A com realimentao-serie.

    Potencia de sada

    A tenso e a corrente de sada variando em torno do ponto de polarizao fornecem potencia

    ca para a carga. Essa potncia liberada para a carga, RC, no circuito da figura 100. O sinal ca,

    Vi, faz a corrente de base variar em torno da corrente de polarizao cc, e a corrente de coletor

    variar em torno de seu valor quiescente, ICQ. Conforme mostrado na figura 102, o sinal de

    entrada ca resulta em sinais ca de corrente e tenso. Quanto maior o sinal de entrada, maior a

    oscilao de sada, at o mximo fixado pelo circuito. A potencia ca liberada para a carga (RC)

    pode ser escrita de vrias maneiras.

    Utilizando sinais eficazes:

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

    Utilizando valores de pico para os sinais:

    ( ) ( ) ( )

    ( )

    ( )

    ( )

    ( )

  • 57

    Utilizando sinais pico-a-pico: A potncia ca liberada para a carga pode ser escrita utilizando:

    ( ) ( ) ( )

    ( )

    ( )

    ( )

    ( )

    Eficincia

    ( )

    ( )

    Eficincia mxima

    Para o amplificador classe A com realimentao-srie, a eficincia mxima pode ser determinada

    quando utilizamos as oscilaes mximas de tenses e correntes.

    Mxima VCE(p-p)=VCC

    Mxima IC(p-p)=VCC/RC

    ( ) ( )

    A mxima potncia de entrada pode ser calculada ao utilizarmos a corrente de polarizao cc fixada

    na metade do valor mximo:

    ( ) ( )

    A potncia mxima do amplificador classe A para alimentao-srie :

    ( )

    ( )

    Exemplo 30 Calcule a potencia de entrada, a potencia de sada e a eficincia do circuito

    amplificador na figura abaixo, para uma tenso de entrada que resulte em uma corrente de base de

    10mA de pico.

  • 58

    5.3 Amplificadores classe A com acoplamento a transformador

    O tipo de amplificador classe A com eficincia mxima de 50% utiliza transformador para acoplar o

    sinal de sada carga, conforme mostrado na figura 102. Esse um circuito simples utilizado para a

    apresentao de alguns conceitos bsicos.

    Figura 103 Amplificador de potncia de udio acoplado a transformador

    Ao do transformador

    Como sabemos um transformador pode aumentar ou diminuir os valores de tenso ou corrente de

    acordo com sua razo de espiras. Alm disso, a impedncia conectada de um lado de um

    transformador pode ser mostrada como tendo um valor maior ou menor (aumento ou reduo) no

    outro lado do transformador, dependendo do quadrado da razo entre espiras do transformador. A

    discusso a seguir considera a transferncia de potncia ideal (100%) do primrio para o

    secundrio; ou seja, nenhuma perda de potncia calculada.

    Transformao de tenso (vide figura 103-a)

    Transformao de corrente (vide figura 103-b)

    Transformao de impedncia (vide figura 103-c)

    (

    )

    Resistncia da carga refletida para o lado primrio:

    ou

    Figura 104 Operao do transformador: a) Transformao de tenso; b) Transformao de corrente; c)

    Transformao de impedncia

  • 59

    Exemplo 31 Calcule a resistncia efetiva vista sob o primrio de um transformador 15:1

    conectado a uma carga de 8.

    Exemplo 32 Que razo entre espiras de um transformador necessria para casar uma carga de

    alto-falante de 16 de maneira que a resistncia de carga efetiva vista pelo primrio seja de 10K

    ?

    Operao do estgio amplificador

    Reta de carga CC

    Considere a figura 103. A resistncia (cc) de enrolamento de um transformador determina a reta de

    carga para o circuito dessa figura. Essa resistncia cc geralmente pequena (prxima de zero) e,

    conforma mostrado na figura 105, uma reta de carga cc de 0 uma linha vertical. A resistncia

    do enrolamento de um transformador normalmente de alguns ohms, mas apenas o caso ideal ser

    considerado nesta discusso. No h queda de tenso cc atravs da resistncia de carga 0, e a reta

    de carga desenhada verticalmente do ponto de tenso, VCEQ=VCC.

    Ponto quiescente de operao

    O ponto de operao na curva caracterstica da figura 104 pode ser obtido graficamente pelo ponto

    de interseo da reta de carga cc e a corrente de base indicada pelo circuito. A corrente quiescente

    de coletor pode ento ser obtida do ponto de operao. No caso da operao classe A, tenha em

    mente que o ponto de polarizao cc determina as condies para a mxima oscilao do sinal no-

    distorcido para a corrente e a tenso coletor-emissor. Se o sinal de entrada produz uma oscilao de

    tenso menor do que a mxima possvel, a eficincia do circuito naquele instante ser menor do que

    25%. O ponto de polarizao cc portanto, importante na determinao da operao de um

    amplificador classe A com alimentao-srie.

  • 60

    Figura 105 Retas de carga para um amplificador classe A acoplado a transformador

    Reta de carga CA

    Para prosseguir com a anlise ca, necessrio calcular a resistncia de carga ca vista quando se

    olha para o primrio do transformador e ento desenhar a reta de carga ca sobre a curva

    caracterstica do coletor. A tcnica de anlise grfica ocorre ento como se segue. Desenhe a reta de

    carga ca de maneira que ela passe atravs do ponto de operao e tenha um coeficiente angular de

    -1/RL (a resistncia de carga refletida), o coeficiente angular da reta de carga sendo o negativo do

    inverso da resistncia de carga ca. A oscilao do sinal de sada pode exceder o valor de VCC. A

    tenso desenvolvida atravs do primrio do transformador pode ser bem grande. necessrio,

    ento, aps a obteno da reta de carga ca, verificar se a oscilao de tenso no excede os valores

    nominais mximos do transistor.

    Oscilao do sinal e potencia de sada CA

    A figura 105 mostra as oscilaes dos sinais de tenso e corrente no circuito da figura 102. Das

    variaes do sinal mostradas, os valores pico-a-pico das oscilaes do sinal so:

    ( )

    ( )

    Potencia ca desenvolvida atravs do primrio do transformador:

    ( ) ( )( )

  • 61

    Figura 106 Grfico da operao de um amplificador classe A acoplado a transformador

    Para o transformador ideal, a tenso liberada para a carga:

    A potncia eficaz atravs da carga:

    Corrente de carga:

    Potncia de sada:

    ( )

    Exemplo 33 Calcule a potencia ca liberada para um alto-falante de 8 do circuito da figura

    abaixo. Os valores dos componentes do circuito da figura resultam em uma corrente de base cc de

    6mA, e o sinal de entrada (Vi) resulta em uma oscilao de corrente e base de 4mA de pico.

  • 62

    Eficincia

    Consideramos at agora o clculo da potencia ca liberada para a carga. Consideraremos, em

    seguida, a potncia de entrada fornecida pela fonte, as perdas de potncia no amplificador e a

    eficincia global de potencia do amplificador classe A acoplado a transformador.

    Potencia de entrada cc obtida da fonte:

    ( )

    Para o amplificador acoplado a transformador, a potencia dissipada pelo transformador pequena

    (devido pequena resistncia cc de uma bobina) e ser ignorada. Logo, a nica perda de potencia

    considerada aqui aquela dissipada pelo transistor de potencia e calculada utilizando:

    ( ) ( )

    Onde: PQ a potencia dissipada por calor. A equao acima deve ser utilizada quando utilizamos

    um amplificador classe A.

    Quando o sinal de entrada muito pequeno, com uma potencia ca muito pequena liberada para a

    carga, a potencia mxima dissipada pelo transistor.

    Quando o sinal de entrada grande e a potencia liberada para a carga tambm grande, menos

    potencia dissipada pelo transistor. Em outras palavras, a dissipao de potencia em um

    amplificador classe A atinge seu mximo quando a carga desconectada do amplificador; e o

    transistor dissipa a mnima quantidade de potencia quando a carga est drenando a mxima potencia

    possvel do circuito.

    Exemplo 34 Para o circuito da figura do exemplo 33 e seus resultados, calcule a potencia de

    entrada cc, a potencia dissipada pelo transistor e a eficincia do circuito para o sinal de entrada do

    mesmo.

    Mxima eficincia terica

    Para um amplificador classe A acoplado a transformador, a mxima eficincia terica atinge 50%.

    Com base nos sinais obtidos utilizando o amplificador, temos:

  • 63

    (

    )

    Exemplo 35 Calcule a eficincia do amplificador classe A acoplado a transformador para uma

    fonte de 12V e sadas de:

    a) V(p)=12V

    b) V(p)=6V

    c) V(p)=2V

    5.4 Operao do amplificador classe B

    Nesse tipo de operao, o transistor fica polarizado em um valor que o mantm cortado, sendo

    ligado somente quando o sinal aplicado. Ou seja, praticamente no h polarizao, e o transistor

    conduz corrente durante apenas semiciclo do sinal. Para obtermos sada para um ciclo completo de

    sinal, necessrio utilizar dois transistores e ter cada um deles conduzindo em semiciclos opostos.

    Parte do circuito empurra (push) o sinal alto durante um dos semiciclos e a outra parte puxa (pull) o

    sinal baixo durante o outro semiciclo. (circuito push-pull).

    Figura 107 Representao em bloco da operao push-pull

    Figura 108 Conexo de um amplificador push-pull carga: a) utilizando duas fontes de tenso; b)

    utilizando uma fonte de tenso

    - Potncia de entrada (CC)

    A potncia fornecida a uma carga por um amplificador drenada da fonte de alimentao (ou fontes

    de alimentao conforme mostrado na figura 108).

    ( )

  • 64

    Onde ICC a corrente mdia ou cc drenada das fontes de alimentao.

    ( )

    Onde I(p) o valor de pico da forma de onda da corrente de sada.

    - Potncia de sada (CA)

    ( ) ( )

    ou ( )

    ( )

    ( )

    - Eficincia

    ( )

    ( )

    Utilizando as equaes ( ) ( )

    e ( )

    ( ):

    ( )

    ( )

    ( )

    [( ) ( )]

    ( )

    A eficincia mxima em ( ) , onde o valor prximo de 78,5%.

    O livro texto mostra que a potencia dissipada pelos transistores de sada a diferena entre a

    potencia de entrada liberada pelas fontes e a potencia de sada liberada para a carga.

    ( ) ( )

    Onde a potencia dissipada pelos dois transistores (figura 109). A potencia consumida por cada

    transistor :

    Figura 109 Amplificador de udio classe B

    Exemplo 36 Para um amplificador classe B que fornea um sinal de 20V de pico para uma carga

    de 16 (alto-falante) e uma fonte de alimentao de VCC=30V, determine a potncia de entrada, a

    potencia de sada e a eficincia do circuito.

    Consideraes mxima de potncia

    Leia pgina 507 e 508.

    5.4.1 Circuitos amplificadores classe B

  • 65

    Nessa seo vamos ver alguns dos circuitos mais utilizados para o classe B.

    Os sinais de entrada para o amplificador podem ser um nico sinal, e o circuito ofereceria ento

    dois estgios de sada diferentes, cada um operando em metade do ciclo. Se a entrada for

    representada por dois sinais de polaridades opostas, dois estgios semelhantes poderiam ser

    utilizados, cada um operando um ciclo alternado devido ao sinal de entrada.

    Vimos que um circuito classe B fornece um sinal de sada que varia sobre metade do ciclo da

    entrada, ou por 180 de sinal.

    Uma maneira de obter a inverso de polaridade ou fase utilizar um transformador. Entradas de

    polaridade opostas podem ser facilmente obtidas utilizando amp-ops com duas sadas opostas, ou

    empregando alguns estgios de amp-ops para obter dois sinais de polaridades opostas.

    Existe tambm a possibilidade de obter uma operao de polaridade oposta utilizando uma nica

    entrada e transistores complementares, por exemplo, npn e pnp, ou nMOS e pMOS.

    O link abaixo mostra alguns projetos de amplificadores operacionais para algumas potencias muito

    utilizada:

    http://mpmendes-electronica.blogspot.com.br/2012/01/amplificador-de-potencia-de-audio.html

    A figura 110 mostra diferentes formas de obtermos sinais invertidos em fase a partir de um nico

    sinal.

    Figura 110 Circuitos separadores de fase: a) transformador com derivao central para fornecer sinais de

    fase oposta; b) Estgio TBJ com sada em fase no emissor e sada de fase oposta no coletor. Se o ganho

    prximo de 1 para cada sada, a mesma amplitude obtida. Dois estgios amp-op (c)

  • 66

    - Circuitos push-pull acoplados a transformador

    Figura 111 Circuito push-pull

    O circuito da figura 111 utiliza um transformador com derivao central para produzir sinais de

    polaridades opostas para os dois transistores (npn e pnp) de entrada e um transformador na sada

    para acionar a carga (alto-falante).

    Durante o primeiro semiciclo de operao, o transistor Q1 levado para a conduo, enquanto o

    transistor Q2 est cortado. A corrente I1 atravs do transformador produz o primeiro semiciclo de

    sinal para a carga. No segundo semiciclo ocorre o contrrio.

    Circuito push-pull

    Quando um transistor opera na classe B, ele ceifa um semiciclo. Para evitar distores dois

    transistores so usados em uma configurao push-pull. Isto que quer dizer que um transistor

    conduz em um semiciclo e o outro no outro semiciclo.

    Este tipo de configurao permite mais ganho do que um transistor poderia fornecer sozinho. Este

    amplificador pushpull (seguidor de emissor push-pull) usado onde a sada de alta potncia elevada

    e fidelidade so necessrias: estgios da sada do receptor, moduladores AM, etc.

    A fim de se evitar problemas de cross distortion, ambos os transistores deveriam estar ligeiramente

    polarizados, o que pode ser conseguido incluindo-se diodos ou resistores para uma prvia

    polarizao.

    Circuito de simetria complementar

    Utilizando transistores complementares (npn e pnp), podemos obter um ciclo completo de sada

    atravs da carga, utilizando semiciclos de operao de cada transistor (figura 112).

    Enquanto um nico sinal de entrada aplicado na base de ambos os transistores, estes, sendo de

    tipos opostos, conduziro em semiciclos opostos da entrada.

  • 67

    Uma desvantagem do circuito a necessidade de duas fontes de tenso separadas. Outra

    desvantagem a distoro de cruzamento (crossover) resultante no sinal de sada.

    Figura 112 Circuito de simetria complementar tipo push-pull

    A figura 113 mostra uma verso mais prtica de um circuito push-pull utilizando transistores

    complementares.

    Figura 113 Circuito push-pull com sistema complementar utilizando transistores Darlington

    - Amplificador push-pull quase-complementar

  • 68

    Em circuitos amplificadores de potencia prticos, prefervel usar transistores npn para ambos os

    dispositivos de sada de alta corrente. Como a conexo push-pull composta por dispositivos

    complementares, um transistor pnp de alta potencia deve ser utilizado.

    Um maneira prtica de obtermos operaes complementares utilizando os mesmos transistores npn

    casados para a sada oferecida pelo circuito quase-complementar.

    Figura 114 Amplificador de potencia push-pull quase-complementar sem transformador

    Esse um dos circuitos mais utilizados para amplificao de potencia.

    Exemplo 37 Para o circuito da figura abaixo, calcule a potencia de entrada, a potencia de sada, a

    potencia manipulada por cada transistor de sada e a eficincia do circuito para uma entrada de 12 V

    rms.

    Exemplo 38 Para o circuito do exemplo 37, calcule a mxima potencia de entrada, a mxima

    potencia de sada, a tenso de entrada para a mxima potencia de operao e a potencia dissipada

    pelos transistores de sada nessa tenso.

  • 69

    Exemplo 39 Para o circuito do exemplo 37, determine a mxima potencia dissipada pelos

    transistores de sada e a tenso de entrada em que isso ocorre.

    5.5 Distoro de amplificadores

    Um sinal senoidal puro tem uma nica frequncia na qual a tenso varia positiva e

    negativamente.

    Um sinal que varia menos do que um ciclo completo de 360 considerado como tendo

    distoro. Um amplificador ideal capaz de amplificar um sinal senoidal puro, produzindo uma

    forma de onda senoidal.

    Quando ocorre a distoro, a sada no uma duplicata exata (exceto no valor da amplitude) do

    sinal de entrada.

    Uma das tcnicas de descrever a distoro utiliza a anlise de Fourier. Esse mtodo descreve

    qualquer forma de onda peridica em termos dos componentes de frequncia (componentes

    harmnicos ou apenas harmnicos).

    - Distoro harmnica

    Consideramos que um sinal possui distoro harmnica quando h componentes harmnicos de

    frequncia (e no simplesmente o componente fundamental).

    | |

    | |

    Onde n-simo componente de frequncia e amplitude da frequncia fundamental.

    Exemplo 40 Calcule a distoro harmnica para um sinal de sada com amplitude

    fundamental de 2,5V, amplitude do segundo harmnico de 0,25V, amplitude do terceiro

    harmnico de 0,1V e amplitude do quarto harmnico de 0,05V.

    - Distoro harmnica total

    THD a distoro harmnica total.

    Exemplo 41 Calcule a distoro harmnica total para os componentes de amplitude dados no

    exemplo 40.

    - Distoro do segundo harmnico

    A figura 115 mostra uma forma de onda para uso na obteno da distoro do segundo

    harmnico. Uma forma de onda de corrente do coletor mostrada com ponto quiescente,

  • 70

    valores de sinal mximo e mnimo e o tempo no qual eles ocorrem. O sinal mostrado indica que

    alguma distoro est presente.

    Uma equao que aproximadamente descreve a forma de onda do sinal distorcido :

    Figura 115 Forma de onda para obtermos distoro do segundo harmnico

    No ponto 1 ( ):

    No ponto 2 ( ):

    No ponto 3 ( )

    Resolvendo as trs equaes:

    A distoro do segundo harmnico pode ser escrita como:

    | |

    Exemplo 42 Calcule a distoro do segundo harmnico se uma forma de onda de sada

    mostrada em um osciloscpio mostrar as seguintes medidas:

    a) VCEmin=1V, VCEmx=22V, VCEQ=12V

    b)VCEmin=4V, VCEmx=20V, VCEQ=12V

  • 71

    Potncia de sinal com distoro

    Quando ocorre distoro, a potencia de sada calculada para o sinal no-distorcido no mais

    correta.

    Quando h distoro, a potncia de sada liberada para o resistor de carga RC devido ao

    componente fundamental do sinal distorcido :

    A potencia total devida a todos os componentes harmnicos do sinal distorcido pode ser

    calculada utilizando:

    (

    )

    A potncia total tambm pode ser descrita em termos de distoro harmnica total:

    (

    )

    ( )

    Exemplo 43 Para uma leitura de distoro harmnica de D2=0,1, D3=0,02, D4=0,01, com I1=4

    A e RC= 8, calcule a distoro harmnica total, a potencia do componente fundamental e a

    potencia total.

    Descrio grfica de componentes harmnicos de sinal distorcido

    Uma forma de onda distorcida, tal como a que ocorre na operao classe B, pode ser

    representada, se utilizarmos a anlise de Fourier, por uma fundamental com componentes

    harmnicos.

    A figura 116(a) mostra um semiciclo positivo resultante da operao de um amplificador classe

    B. Utilizaqndo tcnicas de anlise de Fourier, o componente fundamental do sinal distorcido

    pode ser obtido conforme mostra a 116(b). Da mesma forma o segundo e o terceiro harmnicos

    so mostrados em 116(c) e 116(d). Utilizando a tcnica de Fourier, a forma de onda distorcida

    pode ser construda pela adio dos componentes fundamental e harmnico 116(e).

    Figura 116 Representao grfica de um sinal distorcido do uso de componentes harmnicos

  • 72

    Amplificador Classe C

    Nesse tipo de amplificador o ngulo de conduo fica abaixo de 180o. A conduo concentrada no

    pico negativo do sinal, onde a tenso sobre o elemento controlador menor, sendo necessrio carga

    em paralelo com circuito ressonante. Consegue-se eficincia da ordem de 70%, mas o amplificador

    no linear. utilizado em transmissores de FM, onde a amplitude constante, ou em estgios

    finais de AM, sendo neste caso a modulao de udio sobreposta polarizao de anodo (ou

    coletor/dreno), e o sinal RF de entrada mantido constante. A distoro harmnica reduzida a

    nveis aceitveis pelo efeito seletivo da ressonncia paralela.

    Figura 117 Classe C

    Figura 118 Anlise grfica do circuito da figura 117

    Amplificadores classe D

  • 73

    Neste tipo de circuito o elemento controlador trabalha saturado ou cortado sobre carga resistiva

    ou indutiva, apresentando forma de onda quadrada ou retangular na tenso de coletor ou dreno.

    A alta eficincia conseguida pelo fato do elemento controlador no ser submetido tenso e

    corrente simultaneamente a maior parte do tempo. A perda de energia ocorre na transio entre

    corte e saturao e deve ter o menor tempo possvel em relao ao perodo do sinal amplificado,

    o que limita a sua aplicao em frequncias altas.

    Uma vantagem deste modo de amplificao que pode ser linear, no sentido em que a potncia

    do sinal de sada pode ser proporcional a do sinal de entrada, desde que se faa varivel a

    proporo entre o tempo de saturao e o de corte segundo aquele sinal. Deste modo, o valor

    mdio do sinal de sada segue o sinal de entrada. A carga normalmente precedida de um filtro

    passa baixa com frequncia de corte abaixo da frequncia de comutao, deixando passar

    apenas o sinal amplificado. utilizado em fontes de alimentao chaveadas, onde o sinal de

    sada DC e a comutao entre 10Kz e 200KHz, e em amplificadores de udio e moduladores

    de alta eficincia, comutando entre 50KHz e 500KHz.

    A eficincia fica em torno de 90%, dependendo da frequncia de comutao e da velocidade dos

    comutadores.

    Figura 119 Classe D

    Figura 120 Anlise grfica do classe D (figura 119)

  • 74

    Figura 121 Anlise grfica do classe D (figura 119)

    5.5 Amplificadores push-pull

    Circuito push-pull

    Concebido por E. Colpitts, o qual basicamente um circuito balanceado onde duas vlvulas

    operaram em diversas classes de amplificao, por exemplo, A, AB, ou B, fornecendo grande

    potencia de sada e, ao mesmo tempo, cancelando sobremaneira a distoro.

    Figura 122 Circuito push-pull

    5.6 Dissipador para transistor de potncia

    Enquanto os circuitos integrados so utilizados para aplicaes de pequenos sinais e baixa potencia,

    muitas aplicaes de alta potencia ainda requerem transistores individuais.

    As melhorias introduzidas nas tcnicas de produo tm fornecido relaes de potencias mais altas

    em pastilhas de tamanho reduzido, aumentando a tenso mxima de avaria do transistor e

    fornecendo transistores de potencia de chaveamento rpido.

    A mxima potencia suportada por um dispositivo particular e a temperatura das junes do

    transistor esto relacionadas, pois a potencia dissipada pelo dispositivo provoca um aumento de

    temperatura na sua juno. Tcnicas apropriadas para dissipao de potencia permitem uma

    operao em torno de metade da potencia nominal mxima.

  • 75

    Os transistores de silcio apresentam maior resistncia temperatura comparados aos de germnio:

    Silcio: 150-200C

    Germnio:100-110C

    Para muitas aplicaes, a potencia mdia dissipada pode ser aproximada por:

    Essa dissipao de potencia, entretanto, somente permitida at uma temperatura mxima. Acima

    dessa temperatura, a capacidade de dissipao de potencia do dispositivo deve ser diminuda para

    que, em temperaturas mais altas do invlucro, a capacidade de potencia suportada seja reduzida

    para 0W na mxima temperatura do dispositivo.

    Quanto maior a potencia suportada pelo transistor, mais alta a temperatura do invlucro. Na

    verdade, o fator limitante na potencia suportada a temperatura da juno do coletor do dispositivo.

    Transistores de potencia so montados em grandes encapsulamentos de metal para fornecerem uma

    grande rea pela qual o calor gerado pelo dispositivo possa irradiar (ser transferido).

    Ainda assim, operando o transistor diretamente em contato com o ar (montando-o em uma placa de

    material plstico, por exemplo), restringe bastante a relao nominal de potencia do dispositivo.

    Se, em vez disso (como prtica usual), o transistor montado sobre alguma forma de dissipador, a

    sua capacidade de dissipar potencia pode se aproximar mais do valor nominal mximo. Quando o

    dissipador utilizado, o calor produzido pelo transistor dissipando potencia tem uma grande rea

    para irradiar (transferir) para o ar, mantendo a temperatura do invlucro em um valor mais baixo do

    que resultaria sem o uso de dissipador.

    Figura 123 - Dissipadores

    Figura 124 Curva tpica de delimitao de potencia para transistores de silcio

  • 76

    6 Realimentao e circuitos osciladores

    6.1 Conceitos gerais

    A realimentao para amp-op de um modo geral foi introduzida nos circuitos eltricos visando

    solucionar problemas tipo .

    Figura 125 Diagrama simplificado em blocos do amplificador realimentado

    O sinal de entrada, Vs (figura 125), aplicado a um circuito misturado, onde combinado com

    um sinal realimentado, Vf. A diferena entre esse sinais, Vi, ento a tenso de entrada para o

    amplificador.

    6.2 Tipos de conexo de realimentao

  • 77

    Existem quatro maneiras bsicas de conectar o sinal de realimentao. Tenso e corrente podem

    ser realimentadas para a entrada em srie ou em paralelo:

    1 Realimentao de tenso em srie

    Figura 126 Realimentao de tenso em srie

    Impedncia de entrada com realimentao

    Figura 127 Diagrama mais detalhado da realimentao de tenso em srie

    2 Realimentao de tenso em paralelo

    Figura 128 Realimentao de tenso em paralelo

  • 78

    Figura 129 Diagrama detalhado da realimentao de tenso em paralelo

    3 Realimentao de corrente em srie

    Figura 130 Realimentao de corrente em srie

    Figura 131 - Conexo de realimentao de corrente em srie

  • 79

    4 - Realimentao de corrente em paralelo

    Figura 131 Realimentao de corrente em paralelo

    Tenso se refere conexo da tenso de sada como entrada para o circuito de realimentao;

    corrente diz respeito drenagem de parte da corrente de sada atravs do circuito de

    realimentao; srie significa a conexo do sinal realimentado em srie com o sinal de entrada,

    e paralelo refere-se conexo do sinal realimentado em paralelo a uma fonte de corrente na

    entrada.

    A realimentao em srie tende a aumentar a resistncia de entrada, enquanto a realimentao

    em paralelo tende a diminuir a resistncia de entrada.

    A realimentao de tenso tende a diminuir a impedncia de sada, e a realimentao de

    corrente tende a aumentar a impedncia de sada.

    Em geral, impedncias de entrada mais elevadas e impedncias de sada mais baixas so

    desejadas para a maioria dos amplificadores em cascata.

  • 80

    Exemplo 44 Determine o ganho de tenso e as impedncias de entrada e de sada de um

    circuito com realimentao de tenso em srie, tendo A=-100, Ri=10K, Ro=20K para uma

    realimentao de:

    a) = -0,1

    b) = -0,5

    O exemplo 44 mostra um caso de opo entre o ganho e a melhoria da resistncia de entrada e

    sada. A realimentao oferece a possibilidade de troca de parte do ganho disponvel do

    amplificador por melhorias em algumas caractersticas do circuito.

    Tenso em srie Tenso em

    paralelo

    Corrente em srie Corrente em

    paralelo

    Ganho de Tenso

    - -

    Impedncia de

    entrada ( ) ( )

    Impedncia de

    sada

    ( )

    ( )

    Benefcios da realimentao negativa:

    Considere como exemplo para anlise a tenso em srie com realimentao negativa.

    Reduo da distoro de frequncia

    Se a realimentao do amplificador for negativa e o termo :

    Se o circuito for puramente resistivo, o ganho para esse circuito no depender da

    frequncia, apesar do ganho do amplificador bsico depender.

    OBS: A distoro de frequncia reduzida consideravelmente em um circuito

    amplificador com realimentao de tenso negativa.

    Reduo do rudo e da distoro no-linear

    A realimentao do sinal tende a controlar a quantidade do rudo (como aquele originado de

    uma fonte de tenso) e a distoro no-linear.

    O responsvel por essa reduo o fator ( ). Entretanto h uma reduo do ganho total:

    .

    Caso outros estgios sejam adicionados no sistema, possvel que introduzam um rudo maior

    do que o amenizado pela realimentao negativa. Para diminuir esse problema (pode ser que

    somente isso no resolva), deve-se ento reajustar o ganho do amplificador com realimentao a

    fim de se obter um ganho mais alto e ao mesmo tempo reduzir o sinal de rudo.

    Efeito da realimentao negativa no ganho e na largura de banda

    Sendo o ganho total da realimentao de tenso em srie:

    , para

  • 81

    O amplificador com realimentao negativa apresenta um largura de banda maior (Bf) do que o

    amplificador sem realimentao (B).

    No ponto de 3dB o amplificador com realimentao possui uma frequncia de corte superior

    mais alta e a inferior mais baixa. Veja a figura 132.

    Figura 132 Efeito da realimentao negativa no ganho a na banda passante

    Estabilidade do ganho com a realimentao

    Alm de o fator proporcionar um valor de ganho bastante preciso, o amplificador com

    realimentao estvel se comparado ao amplificador sem realimentao.

    Quadro...

    Exemplo 45: Se um amplificador com ganho de -1000 e realimentao apresentar

    uma variao no ganho de 20% devido temperatura, calcule a variao no ganho dele com

    realimentao.

    6.3 Circuitos prticos com realimentao de tenso em srie

    a) Realimentao de tenso em srie com amplificador FET

    Na figura 133 uma parte do sinal de sada (Vo) obtida ao utilizarmos um circuito de

    realimentao atravs dos resistores R1 e R2.

    A tenso de realimentao Vf conectada em srie com o sinal da fonte Vs, sendo que a

    diferena entre eles o sinal de entrada Vi.

    Veja a figura 133.

  • 82

    Figura 133 Estgio de amplificador FET com realimentao de tenso srie

    - Sem realimentao, o ganho do amplificador :

    ( )

    Onde || ||( )

    ( )

    Substituindo...

    ( )

    [

    ]

    Exemplo 46 Calcule o ganho sem e com realimentao para o amplificador FET da figura

    133 e com os seguintes componentes: R1=80K, R2=20K, Ro=10K, RD=10K e

    gm=4000s.

    b) Realimentao de tenso em srie utilizando um amp-op

    Figura 134 Realimentao de tenso em srie com amp-op

    Sendo o ganho do amp-op igual a A:

    ( )

    ( )

  • 83

    Exemplo 47 Calcule o ganho do amplificador para um ganho do amp-op de A=100000 e

    resistncias R1=1,8K e R2=200K.

    c) Realimentao de tenso em srie usando circuito seguidor de emissor (TBJ)

    Figura 135 Circuito com realimentao de tenso em srie (seguidor-de-emissor)

    O sinal Vs a tenso de entrada, Vi.

    A tenso de sada, Vo, tambm a tenso de realimentao em srie com a tenso de entrada.

    A operao do circuito sem realimentao produz Vf=0.

    Sem realimentao o ganho do TBJ ser:

    ( )

    ( )( )

    Realimentao de corrente em srie

    Essa outra tcnica de realimentao possvel. Com ela possvel obter uma amostra da

    corrente de sada (Io), sendo possvel retornar para ela uma tenso proporcional em srie com a

    entrada.

    Figura 136 Amplificador com resistor emissor (RE) sem derivao para realimentao de corrente em

    srie: a) circuito amplificador; b) circuito equivalente ca sem realimentao

  • 84

    A figura 136 mostra um estgio amplificador com transistor (TBJ). Como o resistor RE do

    emissor no curto circuitado pelo capacitor, o circuito possui efetivamente uma realimentao

    de corrente em srie.

    A corrente atravs do resistor RE produz uma tenso de realimentao que se ope ao sinal

    aplicado pela fonte, de forma que a tenso de sada reduzida

    Para retirar a realimentao de corrente em srie, o resistor emissor deve ser removido ou

    desviado por um capacitor (CE).

    Sem realimentao:

    ( )

    ( )

    As impedncias de entrada e de sada so:

    ||( ) ( )

    ( )

    Com realimentao:

    ( ) (

    )

    As impedncias de entrada e sada so calculadas de acordo com a tabela:

    ( ) (

    )

    ( ) (

    )

    O ganho de tenso (A) com a realimentao:

    ( )

  • 85

    Exemplo 48 Calcule o ganho de tenso do circuito da figura abaixo.

    Realimentao de tenso em paralelo

    Figura 137 Amplificador com realimentao negativa de tenso em paralelo: a) circuito de ganho

    constante; b) circuito equivalente

    O circuito com amp-op de ganho constante da figura 137a proporciona uma realimentao de

    tenso em paralelo. Observando a figura 137b e as caractersticas ideais do amp-op Ii=0, Vi=0, e

    com ganho de tenso infinito, temos:

    O ganho com realimentao , portanto:

    ( )

    O ganho acima o ganho de resistncia de transferncia.

    O ganho de tenso :

    a) Realimentao de tenso em paralelo usando transistor FET

    - Sem realimentao:

  • 86

    Vf=0

    ( )

    A realimentao :

    - Com realimentao:

    ( )( )

    O ganho de tenso do circuito com realimentao, portanto, :

    (

    )

    ( )

    Figura 138 Amplificador com realimentao de tenso em paralelo utilizando um FET: a) circuito; b)

    circuito equivalente

    Exemplo 49- Calcule o ganho de tenso com e sem realimentao para o circuito 138a, com

    gm=5mS, RD=5,1K, RS=1K e RF=20K.

    6.4 Amplificador com realimentao consideraes sobre fase e

    frequncia

    At agora, nossa anlise considerou a operao de um amplificador com realimentao, na qual

    o sinal realimentado faz oposio ao sinal de entrada realimentao negativa.

    Para circuitos reais, essa condio s ocorre para uma parte da faixa central de frequncias em

    relao ao seu valor na faixa central de frequncias de operao.

  • 87

    Como o ganho do amplificador varia com a frequncia, em altas frequncias ele cai em relao

    ao seu valor na faixa central do espectro. Alm disso, o deslocamento de fase de um

    amplificador tambm depende da frequncia.

    Se, medida que a frequncia aumenta, o deslocamento de fase varia, parte do sinal

    realimentado adicionado ao sinal de entrada. Portanto, possvel que o amplificador comece a

    oscilar devido realimentao positiva.

    Se o amplificador oscila nas altas ou baixas frequncias, esse circuito no pode ser

    utilizado.

    Um projeto apropriado de amplificador com realimentao requer que o circuito seja estvel em

    toda a faixa de frequncias, e no apenas na de interesse. Caso contrrio, uma perturbao

    transiente pode levar um amplificador aparentemente estvel oscilao.

    Critrio de Nyquist

    Para avaliar a estabilidade de um amplificador com realimentao como uma funo da

    frequncia, o produto A e o deslocamento de fase entre a entrada e a sada so fatores

    determinantes.

    Uma das tcnicas mais utilizadas o critrio de Nyquist. O diagrama de Nyquist utilizado

    para traar o ganho e a fase como funo da frequncia em um plano complexo. Esse diagrama

    consiste da combinao de dois diagramas de Bode: o de ganho e deslocamento de fase versus o

    de frequncia, em apenas um diagrama.

    De forma rpida possvel saber se um amplificador estvel para todas as frequncias e

    quanto ele estvel em relao a algum critrio relativo a ganho ou a deslocamento de fase.

    Utilizao do critrio:

    Considere a figura 140 que mostra o plano complexo, com alguns pontos de vrios valores de

    ganho (A) plotados em diferentes ngulos de deslocamento de fase.

    Figura 140 Plano complexo mostrando pontos de ganho e fase tpicos

    Considerando o eixo real positivo como referncia (0):

    uma amplitude de A= 2 mostrada em um ngulo de fase 0 no ponto 1;

  • 88

    uma amplitude de A = 3 mostrada em um ngulo de deslocamento de fase de -135 no

    ponto 2;

    uma amplitude de A = 1 mostrada em um ngulo de deslocamento de fase de 180 no

    ponto 3.

    Se os pontos representando ganho e fase para um circuito amplificador forem plotados para

    frequncias crescentes, obteremos um diagrama de Nyquist.

    Figura 141 Diagrama de Nyquist

    Anlise do diagrama:

    Na origem, o ganho e a frequncia so nulos (para acoplamento RC).

    Nos pontos de frequncias cresentes, f1, f2 e f3, a fase e a amplitude de A crescem.

    Na frequncia representativa, f4, o valor de A o comprimento do vetor da origem at o ponto

    f4, e o deslocamento de fase o ngulo .

    Na frequncia f5, o deslocamento de fase 180.

    Nas frequncias mais altas, o ganho cai at 0.

    O critrio de estabilidade pode ser descrito da seguinte forma:

    O amplificador ser instvel se a curva de Nyquist traada envolver (circundar) o ponto -

    1; caso contrrio, ser estvel.

    Figura 142 Diagrama de Nyquist indicando as condies de estabilidade: a) estvel; b) instvel

  • 89

    OBS: Envolver o ponto -1 significa que, para um deslocamento de fase de 180, o ganho de

    malha (A) maior que 1; portanto, o sinal de realimentao est em fase com a entrada e

    grande o suficiente para resultar em um sinal de entrada maior do que o aplicado,

    gerando a oscilao.

    Margens de ganho e fase

    Devido o critrio de Nyquist, sabemos que um amplificador com realimentao estvel se o

    ganho de malha (A) for menor do que a unidade (0 dB) quando seu ngulo de fase 180.

    Podemos determinar tambem algumas margens de estabilidade para indicar quanto o

    amplificador est proximo de sua condio instvel.

    Margem de ganho (MG) definida como sendo o valor negativo de |A| em decibis na

    frequencia em que o ngulo de fase 180. Portanto, 0 dB, que corresponde a um