Experimento 2 - Amplicador de

Múltiplos Estágios

Rodrigo Daniel da Silva

Engenharia de Controle e Automação

UNESP - Campus Experimental de Sorocaba

Circuitos Eletrônicos

22/04/2015

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Sumário

1 Resumo 3

2 Objetivos 4

3 Introdução Teórica 5

4 Procedimentos Experimentais 7

4.1 Etapa I - Amplicador em Cascata com 2 transistores . . . . . 7

4.2 Etapa II - Amplicador em Cascata com 3 transistores . . . . 8

5 Resultados Obtidos 9

5.1 Resultados Etapa I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5.1.1 Resultados Teóricos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5.1.2 Resultados Simulados: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5.1.3 Resultados Físicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

5.1.4 Tabela com o resumo dos resultados: . . . . . . . . . . 11

5.2 Resultados Etapa II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.2.1 Resultados Teóricos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.2.2 Resultados Simulados: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5.2.3 Resultados Físicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.2.4 Tabela com o resumo dos resultados: . . . . . . . . . . 14

6 Conclusões 16

7 Referências 16

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1 Resumo

A necessidade de amplicação de um sinal CA é importante para a eletrô-

nica. Com a amplicação do sinal podemos construir componentes de menor

tamanho e melhor performance. Dessa forma, a utilização de amplicadores

de múltiplo estágio utilizando transistores é fundamental. Observamos que o

ganho de tensão pode ser considerável na utilização de amplicadores monta-

dos em cascata utilizando-se dois ou mais transistores, observamos também

que o ganho em cascata varia em função do tipo de montagem utilizada e

não da quantidade de transistores, uma vez que, em certas montagens, por

exemplo, amplicador Darlington a ampliação é apenas unitária, sendo esse

tipo de amplicador utilizado mais para casamento de impedâncias.

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2 Objetivos

Esse experimento visa analisar o ganho CA de amplicadores de múltiplo

estágio utilizando dois e três transistores. Busca-se vericar e comparar

os valores calculados, simulados e realizados experimentalmente através da

utilização dos dispositivos físicos a m de confrontar os valores teóricos com

os valores obtidos experimentalmente.

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3 Introdução Teórica

Os transistores possuem diversas aplicações e o que determina qual dessas

aplicações será utilizada é nada mais e nada menos do que o usuário. Uma

das aplicações mais utilizadas do transistor é no que se trata da amplicação

e comutação de sinais. A amplicação do transistor ocorre devido a sua

composição (semicondutores). A dopagem dos materiais que constituem o

transistor determina qual será o comportamento deste, no caso do transistor

NPN temos respectivamente uma junção dopada com elétrons (tipo N), uma

região dopada com lacuna (tipo P) e mais uma região dopada com elétrons.

Isso ocasiona num comportamento bem especico quando se trata dos 3

terminais desse componente. Inserindo-se uma pequena corrente na base, é

possível ocasionar uma grande corrente entre o coletor e o emissor, e qualquer

pequena variação dessa corrente de base já gera uma grande variação na

corrente entre o coletor e emissor. Isso é valido para quando o transistor

está atuando na região ativa que corresponde a uma junção emissor-base

polarizada diretamente e uma junção base coletor polarizada reversamente.

Pode-se observar as junções do transistor na Figura 1 .

Figura 1: Esquema dos transistores NPN

No entanto, em algumas aplicações são necessários ganhos que somente

um transistor não é capaz de fornecer, nesses casos entra o conceito dos

amplicadores de múltiplos estágios. O amplicador de múltiplos estágios

consiste em interconectar dois ou mais transistores juntos num sistema de

modo que isso ocasione um ganho signicativo. Um dos circuitos utilizados

com essa característica é o de circuito conhecido como transistor de Darling-

ton (Figura 2), que nada mais é do que a ligação de dois transistores em

cascata.

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Figura 2: Transistor de Darlington

Essa ligação entre os transistores pode ser feita ligando-se os transisto-

res diretamente um ao outro, ou utilizando capacitores entre estes (Figura

3). Este amplicador onde utiliza-se o capacitor é chamado de amplicador

em cascata acoplado capacitivamente. Ele é o modelo mais simples e lar-

gamente utilizado, e faz com que a tensão CA na saída do primeiro estágio

seja aplicada ao terminal de entrada do próximo estágio. Isso possibilita a

isolação CC entre os estágios e mantém-se assim as condições de polarização

inalteradas.

Figura 3: Circuito com acoplamento feito por capacitor

Caso o acoplamento não seja feito por um capacitor, é possível ainda

assim obter um grande ganho de corrente mas nesse caso é necessário analisar

a polarização dos transistores simultaneamente. Na ligação de Darlington

pode-se analisar o circuito multiplicando-se o coeciente β de cada transistor,

6

desse modo o circuito que relaciona os dois transistores pode ser analisado

considerando ganho total dos transistores como β1×β2. Dentre as vantagens

que os amplicadores de darlington possuem, pode-se destacar:

• Maior ganho de corrente

• A queda de tensão em saturação é constante

• Requer menos espaço do que os transistores normais

E como principal problema é possível destacar o fato de que comparado

com um transistor comum, apresenta maior defasagem em altas frequências

e isso pode tronar-se facilmente instável.

4 Procedimentos Experimentais

4.1 Etapa I - Amplicador em Cascata com 2 transis-

tores

Calculou-se teoricamente o ganho obtido através do circuito da Figura

4. Após o calculo dos valores, o mesmo circuito foi analisado utilizando o

software de simulação Pspice. Por m, montou-se o circuito sicamente a

m de comparar os resultados. Em todas as situações obteve-se através os

valores de tensão de entrada e saída e quando possível as imagens das ondas

de entrada e saída a m de comparar os três casos.

Figura 4: Amplicador em cascata com 2 transistores

Utilizando-se Vcc = 12 V, transistores com β = 100 e os seguintes dispo-

sitivos:

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R1 180 KΩR2 68 KΩRc 3.3 KΩRe 2.7 KΩRL 1 KΩ

C1 = C2 10 µFCe1 = Ce2 470 µF

Cb 68 nF

Tabela 1: Componentes do Amplicador com 2 Transistores

Para a tensão CA de entrada, no simulador e nos cálculos utilizamos

diretamente o valor de 1 mV, porém, para chegar a esse valor sicamente

precisamos incluir um divisor de tensão utlizandos os resistores RD1 = 10KΩ

e RD2 = 1KΩ com Vca=10 mV e frequência de 1 KHz.

4.2 Etapa II - Amplicador em Cascata com 3 transis-

tores

Agora, utilizando-se um circuito amplicador de multiestágio com 3 tran-

sistores (Figura 5) calculou-se teoricamente o ganho obtido e após o calculo

dos valores, o mesmo circuito foi analisado utilizando o software de simula-

ção Pspice. Por m, montado-se o circuito sicamente a m de comparar os

resultados. Em todas as situações obteve-se através os valores de tensão de

entrada e saída e quando possível as imagens das ondas de entrada e saída a

m de comparar os três casos.

Figura 5: Amplicador em cascata com 3 transistores

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5 Resultados Obtidos

5.1 Resultados Etapa I

5.1.1 Resultados Teóricos:

Para a análise teórica recorremos à modelagem matemática do circuito,

observando que temos dois amplicadores emissor comum em cascata, con-

forme Figura 6

Figura 6: Modelo Simplicado para análise

Onde:

Rg = 50 Ω

Z1entrada = R1//R2//βr′e

Z1saida = RC

A1 =RC

r′e

Z2entrada = R1//R2//βr′e

Z2saida = RC

A2 =RC

r′e

r′e =25 mV

IE

Para o circuito acima, IE = 3.3−0.750Kβ

+2.7K= 0.8 mA

Logo, r′e = 30Ω e portanto temos:

9

Z1entrada = 180K//68K//100 × 30 ≈ 3KΩ

Z1saida = 3.3KΩ

A1 =3.3K

30≈ 110

Z2entrada = 180K//68K//100 × 30 ≈ 3KΩ

Z2saida = 3.3KΩ

A2 =3.3K

30≈ 110

Assim, temos que as tensões são:

V ′entrada = 1mV × 3K

50 + 3K≈ 1 mV

A1V′entrada = 110 × 1 mV ≈ 110 mV

V ′′entrada = 110 mV × 3K

3.3K + 3K≈ 52 mV

A2V′′entrada = 110 × 52 mV ≈ 6 V

Vsaida = 6 V × 1K

3.3K + 1K≈ 1.4 V

Dessa forma, o ganho nal foi de:

VsaidaVentrada

=1.4V

1mV≈ 1400

5.1.2 Resultados Simulados:

Abaixo segue imagem das ondas de entrada e saída produzidas através

da simulação:

Observe que o ganho nesse caso é de:

VsaidaVentrada

=1.5V

1mV≈ 1500

10

Figura 7: Ondas de Entrada e Saída Simuladas

5.1.3 Resultados Físicos:

Abaixo segue imagem das ondas de entrada (amarelo) e saída (azul) pro-

duzidas através da montagem física do circuito:

Figura 8: Ondas de Entrada e Saída Montagem Física

Apenas observando que a onda de entrada ainda passa pelo divisor de

tensão que deixa a tensão de entrada em aproximadamente 1 mV

VsaidaVentrada

=1.3V

1mV≈ 1300

5.1.4 Tabela com o resumo dos resultados:

Abaixo segue tabela com o resumo dos resultados.

Tipo de Análise Ganho

Calculado 1400Simulado 1500

Experimental 1300

Tabela 2: Ganhos obtidos na Etapa I

11

Observe que a variação do simulado e experimental com referencia ao

valor calculado é de aproximadamente 7%.

5.2 Resultados Etapa II

5.2.1 Resultados Teóricos:

Para a análise teórica recorremos à modelagem matemática do circuito,

observando que temos dois amplicadores em cascata, o primeiro é um emis-

sor comum e o segundo é um amplicador modelo Darlington, conforme

Figura 9

Figura 9: Modelo Simplicado para análise amplicador com 3 transistores

Onde:

Rg = 2 KΩ

Z1entrada = R1//R2//βr′e

Z1saida = RC

A1 =RC

r′e

Z2entrada = R1//R2

Z2saida = r′e3 +r′e2β3

+R1//R2//Rg

β3β2

A2 = 1

r′e =25 mV

IE

12

Para o circuito acima, IE1 = 2.14−0.72.14Kβ

+1K= 1.4 mA

Logo, r′e1 = 17.8Ω e portanto temos:

Efetuando a análise de malhas chegamos a IE2 = 6 µA e IE3 = 0.6 mA

Logo, r′e2 = 4.19KΩ e r′e3 = 40.98Ω. Assim, temos:

Z1entrada = 15K//2.5K//100 × 17.7 ≈ 960Ω

Z1saida = 3.3KΩ

A1 =3.3K

30≈ 110

Z2entrada = 20K//20K = 10KΩ

Z2saida = 83Ω

A1 =3.3K

17.7≈ 186

Assim, temos que as tensões são:

V ′entrada = 9mV × 960

960 + 2K≈ 3 mV

A1V′entrada = 186 × 3 mV ≈ 542 mV

V ′′entrada = 542 mV × 10K

10K + 3.3K≈ 408 mV

A2V′′entrada = 1 × 408 mV ≈ 408 mV

Vsaida = 408 V × 1K

83 + 1K≈ 376 mV

Dessa forma, o ganho nal foi de:

VsaidaVentrada

=376mV

9mV≈ 42

5.2.2 Resultados Simulados:

Abaixo segue imagem das ondas de entrada e saída produzidas através

da simulação:

Observe que o ganho nesse caso é de:

13

Figura 10: Ondas de Entrada e Saída Simuladas

VsaidaVentrada

=345mV

9mV≈ 38

5.2.3 Resultados Físicos:

Abaixo segue imagem das ondas de entrada (azul) e saída (amarelo) pro-

duzidas através da montagem física do circuito:

Figura 11: Ondas de Entrada e Saída Montagem Física

VsaidaVentrada

=500mV

10mV≈ 50

5.2.4 Tabela com o resumo dos resultados:

Abaixo segue tabela com o resumo dos resultados.

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Tipo de Análise Ganho

Calculado 42Simulado 38

Experimental 50

Tabela 3: Ganhos obtidos na Etapa II

Observe que a variação do simulado e experimental com referencia ao

valor calculado é de aproximadamente 10 a 20 %.

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6 Conclusões

Observou-se que o ganho na montagem em cascata de dois amplicadores

do tipo emissor comum foi elevado signicativamente. Apesar de acreditar-

mos que o ganho nal deve ser aproximadamente β1 × β2, ou seja, 10000,

na verdade isso não ocorre, pois temos a variação de impedância ao longo da

montagem e a carga que atuam no valor do ganho nal. Porém, um ganho

de aproximadamente 1500 pode ser considerado um bom resultado para a

aplicação. Interessante ressaltar também que a onda de saída não teve defa-

sagem de 180 graus em relação à onda de entrada, o que é comum quando

utilizamos um transistor apenas, mas no caso de dois transistores a defasa-

gem total seria de 360 graus o que corresponde a onda de entrada e saída em

fase.

Quanto ao amplicador utilizando 3 transistores, onde o temos um am-

plicador emissor comum e um do tipo Darlington observamos que o ganho

foi de aproximadamente 40. Não parece ser um ganho signicativo, contudo

o mais importante nesse tipo de montagem é a necessidade do casamento

das impedâncias de entrada e saída do circuito com a carga e a fonte, por

isso recorremos a utilização do Darlington que possui ganho unitário. Nesse

caso, como temos 3 transistores tivemos a defasagem de 180 graus da onda

de saída em relação à onda de entrada.

7 Referências

[1] SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C.. Microeletrônica. 5. ed. São

Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

[2] MALVINO, Albert Paul.. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Pearson

Prentice Hall, 2005.

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