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EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2016
Amplificadores Elementares Transistorizados
Prof. Jader A. De Lima
EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2016
• Amplificadores Básicos (Estágio Simples)
• Transistores Bipolares (BJTs)• Transistores MOS (MOSFETs)
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Amplificador linear: A = d(Vout)/d(Vin) = constante
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AttenuationMeans loss of energy weaker signalWhen a signal travels through a medium it loses energy
overcoming the resistance of the mediumAmplifiers are used to compensate for this loss of energy
by amplifying the signal.
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Measurement of Gain/Attenuation
To show the loss or gain of energy the unit “decibel” is used.
dB = 10log10P2/P1
P1 - input signal
P2 - output signal
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Suppose a signal travels through a transmission medium and its power is reduced to one-half. This means that P2 is (1/2)P1. In this case, the attenuation (loss of power) can be calculated as
A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing one-half the power.
1
2log20VVAVdB
1
2log20IIAIdB
A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing 0.707 of voltage (current).
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Decibel is also used to measure signal power in milliwatts. In this case, it is referred to as dBm and is calculated as dBm = 10 log10 Pm , where Pm is the power in milliwatts.
A power level of 0 dBm corresponds to a power of 1 milliwatt.
Ex: Power of a signal with dBm = −30.
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(a) Thévenin (b) Norton
Representação de uma fonte de sinal
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Amplificador de tensão como quadripolo
• rin: resistência de pequenos-sinais de entrada• rout: resistência de pequenos-sinais de saída• Av : ganho de tensão em aberto Av = (Vout/Vin)
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• Caso prático: • carga do amplificador (RL)• Resistência da fonte de sinal (RS)
• Há algum efeito no ganho total Vout/Vs?
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Lout
Linvout
RrRVAV
Sin
inin
RrrVsV
Lout
L
Sin
inv
out
RrR
RrrA
VsV
atenuação do sinal
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Exercício: determinar o ganho total na cadeia de 3 estágios. Verificar que o ganho total difere de 10 x 100 x 1
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• modelo pequenos-sinais BJT
• modelo pequenos-sinais MOSFET
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• Tipos de Amplificadores
Amplificador de tensão Amplificador de corrente
Amplificador de transresistenciaAmplificador de transcondutância
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Typical magnitude response of an amplifier. |T(v)| is the magnitude of the amplifier transfer function - that is, the ratio of the output Vo(v) to the input Vi(v).
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1. Montagem Emissor-Comum (CE: common emitter)• terminal de emissor é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à base• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do coletor
Amplificadores Básicos a BJT
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• Ganho de tensão (condição de contorno: coletor em aberto):
inmmC
out vgvgRv
Cm
0Ioutin
outV Rg
vvA
Observa-se que:
i)em relação à entrada, a saída apresenta inversão de fase. ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância gm = IC/VT, sendo IC a corrente de DC do coletor e VT é a tensão térmica (@ 25mV@300oK).
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Ex: no caso de Av = -38.5, tem-se as correspondentes formas de onda, para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV (admite-se que a alimentação VCC seja suficientemente alta para permitir a excursão de saída)
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• Resistência de Entrada:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (condição de contorno: coletor em aberto, ou iout = 0):
xx i
rv
E
TE
x
x0ioutin
IVrr
ivr
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• Resistência de Saída:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída (condição de contorno: curto-circuito à entrada (vin = 0):
vgRvi m
C
xx
Cx
x0vinout R
ivr
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• A polarização de Q1 em sua região ativa é fundamental para que o amplificador opere em sua região linear.
• O ponto quiescente Q é caracterizado por IBQ, ICQ e VCEQ
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• formas de onda referentes a uma entrada triangular.
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• Polarização do transistor
Equivalente Thévenin para cálculo do ponto quiescente
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→
RTh = RB1 // RB2
VTh = VCC RB2 / ( RB1 + RB2 )
IB = (VTh - VBE ) / RTh + ( +1) RE AV - (RC / RE )
→ Presença de RE estabiliza o ganho
• DC:
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2. Montagem Base-Comum (CB: common base)
• terminal de base é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado ao emissor• sinal de saída – em fase - é retirado do coletor
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• Ganho de tensão (coletor em aberto):
vgRv mCout
vvin
Cm
0Ioutin
outV Rg
vvA
• Embora o ganho de tensão seja idêntico – em módulo – ao apresentado pela montagem CE, a saída está agora em fase com a entrada.
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• Resistência de Entrada:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (coletor em aberto, ou iout = 0):
E
TE0ioutin
IVrr
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• Resistência de Saída:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):
E
EAo
IVrcer
oC0vinout r//Rr
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3. Montagem Coletor-Comum (CC: common collector)
• terminal de coletor é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à base• sinal de saída – em fase - é retirado do emissor • montagem CC também é chamada de seguidor de emissor
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• Ganho de tensão (emissor em aberto, Iout = 0):
outin vvv
E
E
EEEmEout
rRv
r1
r1Rv
rvvgRv
1Rrvv
E
Eoutin
1Rr
1vvA
E
E0ioutin
outV
• para rE << RE, tem-se um ganho de tensão aproximadamente unitário, estando os sinais de entrada e saída em fase.
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• Resistência de Entrada:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (emissor em aberto, ou iout = 0):
v
rR1
rvRgRvv
E
EEmEx
EE
x
EE
E
xx
Rrv
rrR1
vrvi
EEx
xin Rr
ivr
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• Resistência de Saída:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por simples inspeção visual:
1R
g1//R
1Rr//Rr S
mE
SeE0vinout
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+VCC
-VCC
Vi ~
RL
QN
QP
Vo
3a. Estágio de Saída Push-Pull Classe B
Estágio Push-Pull em Classe B
Vi
Vo
- Vcc + Vcesatp
Vcc - Vcesatn
VbenVbep
crossover
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3b. Estágio de Saída Push-Pull classe AB(eliminar distorção de cruzamento)
+VCC
-VCC
Vin ~
R3
R4
RL
QN
QP
R2
R1
Q1Vbb
CB
Vo
push-pull com multiplicador de VBE
Vbb = VBE1 (1 + ( R2 / R1 ))
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1. Montagem Fonte-Comum (CS: common source)• terminal de fonte é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à porta• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do dreno
Amplificadores Básicos a MOSFET
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• Ganho de tensão (dreno em aberto):
inm1mD
out vgvgRv
Dm
0Ioutin
outV Rg
vvA
Observa-se que:
i)em relação á entrada, a saída apresenta inversão de fase. ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância. Para o MOSFET na saturação, tem-se
DGS
Dm I
VIg 2
ID: a corrente DC do dreno = (W/L)nCox : fator de ganho do transistor
2
2THGSD VVI
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• MOSFET
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VDSat = VGS – Vt : saturation voltage
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Ex: Av = -3.85, tem-se as correspondentes formas de onda, para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV.
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• Resistência de Entrada:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):
x
x0ioutin
ivr
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• Resistência de Saída:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída na condição de contorno de curto-circuito à entrada (vin = 0):
gsmD
xx vg
Rvi
Dx
x0vinout R
ivr Sendo vgs = 0,
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• amplificador CS com resistor de degeneração de fonte RS, e respectivo circuito equivalente para pequenos-sinais.• A degeneração de fonte possibilita uma estabilização do ganho (Av = -RD/RS)
S1m1in Rvgvv
Sm
in1
Rg1vv
D1mout Rvgv
Sm
D
Sm
Dm
in
out
Rg1
RRg1
Rgvv
Impondo-se, por projeto, 1/gm << RS:
S
D
in
out
RR
vv
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2. Montagem Porta-Comum (CG: common gate)
• terminal de gate é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à fonte• sinal de saída – em fase - é retirado do dreno
gsmDout vgRv
gsin vv
Dm
0Ioutin
outV Rg
vvA
• Ganho de tensão (dreno em aberto):
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• Resistência de Entrada:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):
xm1mx vgvgi
mx
x0ioutin
g1
ivr
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• Resistência de Saída:
• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):
oDx
o
x
D
xx
r1
R1v
rv
Rvi oD0vinout r//Rr
D
EAdso
IVrr
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3. Montagem Dreno-Comum (CD: common drain)
• terminal de dreno é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à porta• sinal de saída – em fase - é retirado da fonte • montegem CD também é chamada de seguidor de fonte
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• Ganho de tensão (fonte em aberto):
o
outL1mL
o
out1mLout
rvRvgR
rvvgRv
1mLo
Lout vgR
rR1v
1outin vvv
)vv(gRrR1v outinmL
o
Lout
inomL
L
mLout v1
rgRR
gR1v
oLm
0ioutin
outV
r//Rg11
1vvA
• para ro >> RL e gmro >>1, tem-se um ganho de tensão aproximadamente unitário, estando os sinais de entrada e saída em fase.
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• Resistência de Entrada:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (fonte em aberto, ou iout = 0):
x
xin
ivr
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• Resistência de Saída:
• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por simples inspeção visual e = 0:
mL
moL0vinout
g1//R
g1//r//Rr
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DSDSTHGSD VVVVI
21
2
2THGSD VVI
1expT
BEoEE
VVJAI (triode)
(sat)
oxCLW
THGSm VVg 5.02 DI
t
EmVIg
BJT MOSFET
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Ex: Determinar:•Ponto de operação•Ganho de tensão para pequenos sinais•Qual mínimo VDD que garante M1 na região de saturação?
Dados:•VTH = 0.6V (tensão de limiar)• = 420 cm2/(V.s)•Cox = 600nF/cm2
• = 0 (efeito modulação canal)
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22 6.0121
2 oxTHGSD C
LWVVI
mAVVI THGSD 12.16.01.n600.42018.0
1021
222
VmxRIVV DDDDS 14.112.15008.1
VmAxVVg THGSm /6.54.0014.0
VVmxgmRAv D /8.25006.5
VmRIVVVVVV
DDDSATDD
THGSDSAT
96.050012.14.04.0
min
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Collector current waveforms for transistors operating in (a) class A, (b) class B,
Estágios de Sáida (Estágios de Potência)
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(Continued) (c) class AB, and (d) class C amplifier stages.
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Estágios de Sáida (Estágios de Potência)
Classe A - Seguidor de Fonte
oLm
0ioutin
outV
r//Rg11
1vvA
x
xin
ivr
mL
moL0vinout
g1//R
g1//r//Rr
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Vin
VL
Vbe
- RL Is
Vcc - Vcesat
Vcc - Vcesat + Vbe
- RL Is + Vbe
Vin
VL
Vcc
-Vcc
IsRL
Q1
~
VaVs
Rs
• Classe A (seguidor de emissor) com fonte de corrente
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Source: Razavi
• Bipolar Cascode Amplifier
Cascode Amplifiers
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• MOSFET Cascode Amplifier
Source: Razavi
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REFERÊNCIAS:
• Fundamentals of Microelectronics, B. Razavi, John Wiley and Sons, 2006
• Microelectronic Circuits, A. Sedra and K. Smith, Oxford university Press, 5th Edition, 2003