Eletrnica Aula 07 CINUPPE Amplificador bsico n Amplificador
Eletrônica Aula 07 CIN-UPPE
Amplificador básico n Amplificador básico – É um circuito eletrônico, baseado em um componente ativo, como o transistor ou a válvula, que tem como função amplificar um sinal de entrada e suas variações (corrente e tensão). Esta amplificação será refletida em uma carga Rc, de onde o sinal amplificado é retirado. http: //myspace. eng. br/eng/ampclas 1. asp#clas_a
Amplificador básico R 1, R 2, R 3 são usados para polarização do transistor Sinal de entrada Polarização Sinal efetivo em N Filtra sinal DC C 1, atua como filtro, para evitar que variações de corrente em R 3 na freqüência de operação do circuito. Componente DC e CA
Amplificador básico Amplificador com transistor – Polarização CC – Acoplamento CA n Após a polarização do transistor no ponto Q, próximo ao centro da reta de carga, podemos aplicar uma tensão CA na base do transistor. n Esta tensão é amplificada e aparece no coletor do transistor com a mesma forma da onda da base. n VCC C 2 RL RG C 1 CE
Acoplamento com capacitor n O capacitor em circuitos que trabalham com sinais AC podem ser usados para duas funções básicas: – Permite que apenas os sinais CA sejam transmitidos pelo circuito amplificador. – Curto circuitar sinais CA acima de determinada freqüência. (filtro). n Esta característica está diretamente associada ao valor de sua reatância capacitiva: XC = 1/2 f. C Esta fórmula mostra que a reatância é inversamente proporcional ao valor da freqüência. Ou seja, quanto maior for a freqüência menor será a reatância capacitiva. n Assim: n Para sinais DC os capacitores funcionam como circuitos abertos. n Para sinais CA, em alta freqüência, os capacitores funcionam com curto-circuito. n
Acoplamento com capacitor n Função do capacitor – Em baixa freqüência o capacitor atua como um circuito aberto • I=0 – Em alta freqüência o capacitor conduz, deixando passando a componente alternada do sinal (CA) • I = VG/(RG+R 2) • Está corrente é a corrente máxima que pode circular no circuito, se considerando que a reatância capacitiva tende a zero em alta freqüências. I VG
Acoplamento com capacitor n Em um circuito CA o valor do capacitor deve ser tal, que o mesmo deve agir como curto (valor relativo pequeno de resistência) na menor freqüência de operação desejada. – Exemplo: • Se desejamos amplificar sinais de 20 a 20 KHz, devemos dimensionar o capacitor para que ele funcione como curto circuito a partir de 20 Hz. – O capacitor neste estágio deve interferir o mínimo possível na corrente do circuito (trabalhar em curto – circuito). Isto significa que sua reatância capacitiva deve ser baixa. Em geral, este valor, deve ser no máximo 10% do valor da resistência da malha: XC < 0, 1 (RG+R 2)
Acoplamento com capacitor n Corrente no circuito RC: I = VG/ (R 2+XC 2) – Para XC < 0, 1 R – Com R = RG+R 2 I = VG/ (R 2+0, 1 R 2) – I = VG/ 1, 01 R 2 => I = 0, 995 VG/R – Esta corrente é apenas 1% menor que a corrente máxima do circuito, dada por I = VG/R, afetando o mínimo o comportamento do circuito. Assim, podemos tratar um capacitor como em curto-circuito quando sua reatância for pelo menos 10 vezes menor que a resistência total do circuito.
Acoplamento com capacitor Freqüência crítica e de quina n Freqüência crítica – é a freqüência onde a reatância do capacitor é igual a resistência total do circuito. Esta freqüência é chamada de freqüência de quebra (break frequency). – XC = R, onde R = RG+R 2 Tensão no capacitor fc – Neste caso, a corrente I = 0, 707 I máx – A freqüência neste ponto, a freqüência crítica, é dada por: fc = 1/2 RC
Acoplamento com capacitor Freqüência crítica e de quina n Freqüência de quina é a freqüência no circuito (fh), na qual o capacitor se comporta como um curto circuito. fh > 10 n fc Acima desta freqüência de quina, a corrente de carga está dentro de 1% de seu valor máximo.
Capacitor de desvio (bypass) Neste tipo de circuito, o capacitor é colocado em paralelo com o resistor. n O efeito prático deste circuito é desviar a corrente do resistor em freqüências altas, através do efeito de curto-circuito, criando um terra virtual. Neste caso, a tensão sobre o resistor cai para zero (em altas freqüências). n Terra CA A alta freqüência de quina: fh > 10 fc
Amplificador básico Amplificador com transistor – Exemplo: n Análise – Modelo CC – Modelo CA n VCC C 2 RL RG C 1 CE
Análise CC – Polarização do transistor n Para se fazer a análise CC é necessário: – Eliminar as fontes CA. – Abrir todos capacitores (freqüência zero) – Análise do circuito equivalente cc. VCC Objetivo da polarização CC: - Colocar o transistor em uma região de operação adequada, mantendo parâmetros de amplificação como i. C, VCE, i. E, estáveis, o mais independentes possível dos parâmetros de fabricação ( ) ou que afetam o funcionamento do transistor (ex. temperatura).
BJT – Polarização com divisor de tensão Equivalente Thevenin Encontrar VBB e RBB
Tensão na base Resistência equivalente IB VBB IB deve ser pequena para não afetar a polarização Considerando: IE IC IB
Polarização com realimentação n Em geral, devemos escolher um valor RB << RE para termos uma condição de realimentação efetiva, ou seja, fazer com que a corrente do coletor, e conseqüentemente VCE, independam (muito) do ganho do transistor, assim: a) IB (VBB – VBE)/ RE b) IC IE (VBB – VBE)/ RE c) VCE = VCC-IC(RC+RE ) => VCE = VCC-(RC+RE ). (VBB – VBE)/ RE d) VBB VBE+IERE , neste caso IE IC constante no ponto de operação Q
Análise CC n Estabilidade do circuito: utilização do do resistor no emissor (RE) V BB = RBIB+VBE+IERE constante Se IC IE aumenta, então VE = REIE também aumenta, mas desde que VBB e RB não mudam na malha BE, IB deveria diminuir, reduzindo assim o valor de IC para seu valor original de projeto. Se IC diminui IB aumenta e aumentará IC.
Análise CC n Observação importante na polarização do transistor: – De fato VBE oscila um pouco e pode mudar de 0. 6 V a 0. 8 V e assim devemos garantir que IERE seja bem maior que as oscilações em VBE. – As mudanças em VBE são em geral em torno de 0. 1 V, assim deveríamos considerar que em circuitos CC, VE = IERE >> 0. 1 V, ou seja: VE > 10 x 0. 1 V = 1 V
Exemplo CC n Projete um circuito estável com um ponto Q de IC = 5. 0 m. A e VCE = 7. 5 V. Considere entre 100 e 400. Q (ponto de operação)
n Análise n Encontrar VCC, RE, R 1, R 2 n Encontrar VCC – Em geral o ponto Q é localizado no meio da linha de carga: • VCC= 2 VCE= 2 x 7. 5 V = 15. 0 V n Encontrar RC e RE –Encontrar equação de tensão da malha CE +15 V • VCE = VCC-IC(RC+RE ) => RC+RE = 7. 5/(5. 0 x 10 -3) RC+RE = 1. 5 K = 1. 2 K • A escolha é livre, mas devemos assegurar que VE=IE. RE > 1 V Assim, RE > 1/IE. Como IE IC, RE > 200 Se fizermos RE = 220 , RC= 1. 2 K = 220
Análise CA n Para se fazer a análise CA é necessário: – Eliminar as fontes DC. – Curto-circuitar todos os capacitores – Combinar os resistores, R 1, R 2, substituindo-os pelo seu equivalentes (RB), substituindo-o pelo seu modelo de pequeno sinal. R 1 R 2 R 4 RL
Operação em pequeno sinal n O ponto de operação de um amplificador (ponto Q) é importante, desde representa ponto de este que o funcionamento DC do amplificador. Q (ponto de operação) IE Q (ponto de operação) VBE Distorção da onda (indesejável p/amplificadores de alta fidelidade)
Operação em pequeno sinal n Como reduzir a distorção da onda na saída? – Uma forma seria redução da tensão na base, o que reduziria o movimento do ponto de operação instantâneo. Quanto menor for a excursão ou a variação, menor será a curvatura que aparece no gráfico. – Se o sinal for suficientemente pequeno, o gráfico terá uma aparência linear. Uma regra prática estabelece que a corrente de CA pico a pico no emissor deve ser em torno de 10% do valor CC do emissor. – Esta regra não elimina em todo a distorção, mas reduz a níveis aceitáveis para a maioria das aplicações. IE Q (ponto de operação) Menos distorção VBE
Resistência CC e CA Resistência CC no transistor: – RCC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0, 7 V) e I é a corrente de operação do transistor. • Exemplo para IE = 1 m. A, RCC = 0, 7 V/1 m. A = 700 n Resistência dinâmica CA do transistor: – Esta resistência é a variação da tensão base-emissor dividida pela variação de corrente no emissor. – RCA = VBE/ IE • Exemplo para VBE = 1 m V e IE = 40 A, n – RCA = 1 m. V/40 A = 25 n Regra prática: – A resistência CA aplicada a todos os transistores varia de acordo com a temperatura de operação do transistor. Para 25 o. C: RCA = 25 m. V/ IE ou r´e = 25 m. V/IE a 50 m. V/ IE – Esta equação se baseia em uma junção base-emissor perfeita e depende da temperatura de operação do transistor. – Este efeito resistivo ocorre dentro do transistor.
Ganhos de corrente CC e CA n Ganho de corrente CC – CC= IC/IB (h. FE) n Ganho de Corrente CA – = IC/ IB ou = ic/ib (hfe)
Exemplo - Amplificador Emissor Comum n Características: – Inversão de fase em 180 o entre os sinais de entrada e saída – O capacitor de saída bloqueia a tensão CC – Não deve há tensão CA no emissor na freqüência de trabalho – Não há tensão CA na fonte de alimentação devido ao filtro da fonte. VCC C 2 RL RG C 1 CE Inversão de fase (180 o)
Análise CA n Para se fazer a análise CA é necessário: zent (base) ib R 1 R 2 vb R 4 RL R 1 e R 2 estão em paralelo A impedância CA de entrada vista pela base é dada por: zent (base) = vb/ib (variação de tensão e corrente de base)
Modelo T – análise CA n Junção T abaixo é uma foram de visualizar o interior do transistor. ic RG vc = ic. rc ib vb r´e R 1 || R 2 ie vb Ie = vb/r´e Resistência interna do transistor RC || RL
Modelo II – análise CA n Este modelo CA do transistor é chamado modelo II porque ele se parece com um II. RG VG R 1 || R 2 ib r´e ic RC || RL vb -Impedância de entrada zent (base) = vb/ib , onde: Vb = ie. r´e. -Assim: - zent (base) = ie. r´e /ib onde ie /ib (CA), daí: zent (base) = r´e Impedância de entrada do estágio amplificador: zent = R 1 || R 2 || r´e
Amplificador para pequenos sinais exemplo n Características: – Um amplificador, sem ou com realimentação, deve ser capaz de reproduzir sinais com a máxima fidelidade, distorcendo o mínimo possível o sinal de entrada. – O amplificador é em geral pouco eficiente no que diz respeito a energia necessária para amplificação do sinal. Apenas uma pequena parte da potência DC é usada para amplificação. O limite teórico à eficiência deste amplificador é em geral algo em torno de 50%, ou seja, para cada watt da saída usamos 2 watts d. c. na entrada.
Amplificador classe A - exemplo n Amplificador Classe A com o transistor 2 N 2222 – – – Identificação - É um tipo de transistor NPN de propósito geral Potência - 0. 5 W (capaz de dissipar 500 m. W) Vce - 40 V (não usar acima de 20 V) Ic - 0. 8 A (máxima) hfe – 75 (fator de amplificação de 75) (ganho DC) Ft - 250 MHz
Transistor 2 N 2222
Amplificador classe A - exemplo n Considerações: – Tensão de alimentação de 12 V – Transistor 2 N 2222 0. 68 68 2 N 2222 68
Amplificador classe A – Análise DC n Análise DC – Cálculo da tensão de base – Cálculo da corrente de base – Cálculo da impedância de entrada Tensão de base [R 2/(R 1 + R 2)] * 12 V = Base voltage (d. c. ) Se usamos 82 K for R 1 e 39 K for R 2 nós obteremos uma tensão de base de [39 K/(82 K + 39 K)] * 12 V = 3. 87 V (d. c. ) n Corrente de base (em torno de 1/10 a corrente do divisor de tensão) Ib = 12/ (R 1 + R 2) = 0. 1 m. A / 10 = 0. 01 m. A n
Amplificador classe A – Análise DC n Corrente de emissor (Ie) – A corrente do emissor corrente do coletor é dada por: Ie IC . Ib = 75* 0. 01 m. A = 0. 75 m. A (ver datasheet) n Tensão no emissor (Ve) – A tensão na base é superior em 0. 7 V a tensão do emissor. Assim, a tensão no emissor é de 3. 87 - 0. 75 = 3. 12 V n Resistência do emissor (Re) Re = 3. 12/. 00075 A = 4160 (4 K 7)
Amplificador classe A – Análise DC n Corrente de coletor (Ic) – A corrente do coletor é aproximadamente igual a do emissor. Neste exemplo Ie = 0. 75 m. A n Tensão no coletor (Ve) (considerar um bom ponto de operação) Vc = Vcc - (Ic * RL) onde RL é de fato R 4, ou seja, Vc = 12 V - (0. 00075 A * R 4) => Vc = 7. 24 V n Resistência do coletor (carga) (Rc) ? Rc deveria ser tal que colocasse o transistor numa boa posição na região ativa do transistor. Neste caso R 4 = 6 K 8 .
Amplificador classe A – Análise CA n Faixa de operação do circuito amplificador: – 300 a 3000 Hz Cálculo do capacitor de desacoplamento – XC < 0, 1 R, ou seja, XC < 2, 6 K n Vamos considerar XC 1000 – Assim: – Para freqüência de 300 HZ – XC = 1/2 f. C => C 1/(2 f. XC) => C 0. 53 F – Considerando esta capacitância, p/3000 Hz – XC = 100 n
Amplificador classe A – Análise CA n Capacitor do emissor (bypass) – Este capacitor deve ser tal, que o emissor deve ir o terra (0 V) para tensões CA. • Este capacitor bypass (C 2 ) deve ter o mesmo valor que C 1 e C 3. n Impedância de entrada Z(ent) ou R(ent) = r´e = . 25 m. V / Ie = hfe = 120 Z(ent) = [25 * 120] / 0. 7 (m. A) = 3 K
Amplificação CA - exemplo n Considerando: – Beta = 120 – Tensão de entrada de 10 m. V (CA) n Teremos: – Corrente de base (Ib) = 3. 3 A – Corrente de coletor = 120* Ib = 396 A. n A corrente amplificada do coletor, IC (CA) passa através de resistor de carga R 4 (6 K 8 ). – Usando lei de Ohm temos que a tensão no coletor pode ser dada por 396 u. A * 6800 = 2. 7 volts (CA) n O ganho de tensão do pequeno sinal: Vbase/VC = 2. 7/. 01 ou 270
Amplificação CA - exemplo n Circuito Final 7. 24 V (DC) 2. 7 V (CA) 0. 68 68 2 N 2222 10 m. V (CA) 68
Transistor 2 N 2222
2 N 2222 http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/electronic/loadline. html
2 N 2222 http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/electronic/loadline. html
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