Eletrônica Básica
Aula013:   Amplificador de Pequenos Sinais
Bibliografia: Microeletrônica - Vol.1 Sedra e Smith e Eletrônica Vol 1 - Malvino

Amplificador de Pequenos Sinais

Capacitores de Acoplamento

Um capacitor  de acoplamento, acopla  um ponto não aterrado a outro ponto não aterrado (acoplar significa deixar passar  somente o sinal, bloqueando a componente contínua). Por exemplo no circuito da Fig01 se o capacitor  estiver bem dimensionado (X_C <<  R₁ +R₂),  em R_L teremos só a parte alternada da tensão de entrada (V_e) e com amplitude dada pelo divisor de tensão composto por R₁ e R₂ , isto é, o capacitor  terá reatância  desprezível face a R₁ + R₂ na menor freqüência de operação do  circuito.

Equações: Para um bom acoplamento     X_C <<  R₁ +R₂     ou      

onde f_min é  a menor freqüência de operação do  circuito, por exemplo se for um amplificador de áudio 

f_min =20Hz.

Obs:  >> significa muito maior, e muito maior é pelo menos dez vezes maior.

                             ( a )                                                        ( b )

Fig01: Capacitor de acoplamento de diferentes valores acoplando circuitos iguais

Experiência16 – Capacitores de Acoplamento         

       1. Abra  o arquivo ExpEG16 MicroCap8   ou   ExpEG16 Multisim2001  ou   ExpEG16 Multisim9   e localize  os circuitos da Fig01. Calcule qual o valor estimado da tensão em R₂ (V_S) e qual a sua forma de onda. Não esqueça que em CA as fontes CC  podem ser consideradas como curto circuitos. Inicie a simulação,  e meça o valor de pico a pico e RMS da tensão de entrada (V_e) e de saída (V_saída), para C=10uF. Use a tabela I para indicar os valores medidos e calculados.

Tabela I

 2. Repita o item 1  considerando agora C = 0,1 uF.Use a tabela II para indicar os valores medidos e calculados.

Tabela II

Amplificador Emissor Comum de Pequenos  Sinais

    Quando polarizamos um transistor, aplicamos uma tensão de polarização CC (V_BE) à base. Quando um sinal é aplicado à entrada do amplificador a  tensão oscilará acima e abaixo de   V_BE, portanto existirá uma variação de tensão ao redor do ponto quiescente (DV_BE) o que provocará uma variação (DI_E) de corrente ao redor do valor quiescente. Um amplificador é chamado de pequeno sinais se a amplitude do sinal for suficientemente pequena de forma que a operação do mesmo se dá na região linear da curva IExVBE. 
A figura2 mostra um sinal, DV_BE, aplicado na base e a resposta,  DI_E.

Fig02:  Curva IExVBE de um transistor - Arquivo MicroCap8

Na figura02 definimos a resistência incremental ou resistência dinâmica da junção base emissor como sendo:

 r_e’  pode ser calculada aproximadamente por:

onde I_E  é a corrente quiescente de emissor e 25mV é uma constante a  temperatura de 25^ºC. 

A analise dos amplificadores que serão feitas a partir de agora usa o modelo simplificado de Ebers Moll para determinar os principais parâmetros AC tais como  ganho de tensão, impedância de entrada e impedância de saída.

Modelo Simplificado do Transistor Em Baixas Freqüências

Este modelo é para freqüências baixas, pois não considera as capacitâncias parasitárias. Observe a notação usada par representar um sinal:

i_c=ΔI_C=variação da corrente de coletor ao redor do ponto Q

i_b=ΔI_B=variação da corrente de base ao redor do ponto Q

v_be=ΔV_BE=variação da tensão  base emissor  ao redor do ponto Q

v_ce=ΔV_CE=variação da tensão  de coletor ao redor do ponto Q

                    ( a )                                                                             ( b )

Fig03: ( a ) sinais de corrente e tensão em um transistor ( b ) Modelo simplificado para pequenos sinais

A analise de um amplificador é dividida em duas partes: O circuito em CC e o circuito em CA. A resposta no circuito global (figura4) é a superposição das respostas no circuito CC e circuito CA. A figura a seguir mostra um estagio amplificador emissor comum completo com os capacitores de acoplamento e desacoplamento.

Fig04: Amplificador EC  completo

Circuito Equivalente CC de um Amplificador Emissor Comum

Para obter o circuito equivalente para CC, os capacitores deverão ser considerados como circuito aberto. As correntes e tensões presentes no circuitos são contínuas (ponto quiescente). Resulta o circuito da figura  5 a seguir. Neste circuito deveremos determinar o ponto quiescente

Fig05: Circuito equivalente CC do amplificador da figura04

Circuito Equivalente CA de um Amplificador Emissor Comum Para Pequenos Sinais

Para obter o circuito equivalente para CA, os capacitores e as fontes CC são considerados curto-circuito. As correntes  e tensões presentes no circuitos são variações, isto é: DV_BE, DV_CE DI_B, DI_E e DI_C. Neste circuito deveremos determinar as impedâncias de entrada e saída e os ganho de tensão e corrente.

Fig06: Circuito equivalente CA do amplificador da figura04

Amplificador EC - Resistência de Fonte Zero e Carga Infinita

Comecemos a analise AC, inicialmente consideremos o caso em que a resistência da fonte (rS) de sinal é nula e a carga (R_L)  ligada na saída é infinita. A figura 7 a seguir mostra o circuito nessas condições.

Fig07: Amplificador EC com Rs=0 e carga (RL) infinita

Observe que neste circuito equivalente CC do circuito da figura 7 é igual ao da figura 5 e o circuito equivalente CA está indicado na figura 8 a seguir.

( a )

( b )

Fig08: Circuito equivalente CA  do amplificador da figura 7

Observar  na figura 8 que o sinal de entrada do gerador de sinais (Vg) é igual ao sinal aplicado na base (Ventr).

Para esse circuito a impedância de entrada (Z_entr) que o gerador Vg "enxerga" é:

Z_entr=R₁//R₂//Z_entr(base)   onde 

O ganho de tensão entre a saída (Vsaida) e a entrada (Vg=Ventr) é dado por:

onde r_e^’   é a resistência incremental da junção base emissor definida anteriormente. 

 O sinal de menos na expressão do ganho indica defasagem de 180º entre  a entrada e a saída.

Para a analise AC circuito da Fig07 podemos usar o modelo da Fig09 a seguir  para representar a entrada e a saída.

Z_entr=R₁//R₂//Z_entr(base) ,   Z_entr(base) = b.r_e^’     Z _saida = Rc e o ganho

Este circuito é obtido aplicando Thevenin ao circuito da figura 8a, na saída.

Fig09:Circuito equivalente AC para o circuito da figura07 

Observe que Vsaida=Av.Ventr

Experiência17: Amplificador EC - Parte I

1) Abra o arquivo ExpEg17 MicroCap8   ou  ExpEg17 Multisim2001  ou    ExpEg17 Multisim9    e  identifique o circuito da figura9. Ative-o. A partir da corrente quiescente de emissor calcule o valor de  r_e^’ usando a expressão acima . Calcule o ganho total (A_VT)  usando a expressão acima e o fato de que Vg=Ventr. Anote na tabela III  como A_VT(calc). 
Adotar b=200 para efeitos de cálculos.

2) Ative o circuito e meça a tensão de saída de pico a pico (Vsaídapp) anote na tabela III, em seguida calcule o ganho experimental, A_VT(exp) por Vsaídapp/Vgpp (Vgpp=20mV).

Fig10: Experiência17 - amplificador EC

Tabela III

3) Conclusões:

Amplificador EC com Resistência de Fonte (Rs) e Carga (RL)

Observe  o amplificador EC da figura10. Neste amplificador existe uma resistência da fonte de sinal (pode representar também a resistência de saída do estágio anterior) e uma carga (pode representar a resistência de entrada do estágio seguinte). Observe que o circuito em destaque é o mesmo analisado anteriormente, desta forma podemos usar o mesmo modelo da figura 9, adicionando a carga (R_L) e a resistência  da fonte (R_S).

Fig11: Amplificador EC com Resistência de Fonte (Rs) e Carga (RL)

Para a analise AC circuito da Fig10 podemos usar o modelo da Fig11   para representar a entrada e a saída.

                                          ( a )

( b )

Fig12: Circuito equivalente AC para o circuito da figura11

A impedância de entrada é calculada da mesma forma que antes, mas a tensão na entrada (Ventr) agora é uma parcela da tensão do gerador Vg.

Z_entr=R₁//R₂//Z_entr(base)   e Z_entr(base) = b.r_e^’

Na saída devido a carga também teremos uma divisão de tensão, e portanto a saída será dada por:

Experiência18: Amplificador EC - Parte II

1) Abra o arquivo ExpEg18 MicroCap8   ou  ExpEg18 Multisim2001  ou    ExpEg18 Multisim9   e identifique o circuito da figura10. Ative-o. Use o modelo acima para determinar a tensão de saída e em conseqüência o ganho. Calcule o ganho total (A_VT)  usando a expressão acima e anote na tabela IV  como A_VT(calc). 
Lembre-se que o ganho Av que aparece na expressão acima é o ganho entre a base e a saída considerando RL infinito sendo dado por:

2) Inicie a simulação do circuito e meça a tensão de saída de pico a pico (Vsaídapp) anote na tabela IV, em seguida calcule o ganho experimental, Av(expp) por Vsaídapp/Vgpp (Vgpp=40mV).

3) Estime a impedância de entrada a partir da medida do sinal na base (ventr), lembrando que, podemos escrever a tensão na base por:

como são dado v_g e R_S e podemos medir v_entr então podemos calculcular Z_entr.

3) Conclusões: