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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 )

Figura 1: Capacitor de acoplamento de diferentes valores acoplando circuitos iguais

A amplitude da tensão de saída (sinal) é calculado por:

No exemplo, se o capacitor estiver calculado  adequadamente, o sinal na carga será aproximadamente igual a 0,5V de pico, sem componente continua (clique aqui para obter o arquivo Microcap).

Caso o capacitor esteja dimensionado de forma errada, então o sinal de saída terá amplitude menor que 0,5V de pico (clique aqui para obter o arquivo Microcap).

Capacitor de Desacoplamento

Na figura 2,  capacitor C_E é chamado de capacitor de desacoplamento ou bypass. Pode ser considerado um capacitor de acoplamento também, a diferença é que no primeiro caso o capacitor acopla dois pontos não aterrados enquanto no segundo caso acopla um ponto (ponto B no exemplo) não aterrado ao terra.

Figura 2: Capacitor de desacoplamento

Experiência16 – Capacitores de Acoplamento         

       1. Abra  o arquivo (open the file)  EXP16.CIR  e localize  os circuitos da Figura 1. Calcule qual o valor estimado da tensão (sinal)  em R₂ (V_Saida=VR2).Anote na tabela 1. Não esqueça que em CA as fontes CC  podem ser consideradas como curto circuitos. Considerar Ve=2.sen(w.t)(V)/ 1kHz

2. Execute uma analise transiente  e meça o valor de pico a pico da tensão de entrada (V_e) e de saída (V_saída), para C=10uF. Anote na tabela 1.

Tabela :  Capacitor de acoplamento - Valores medidos e calculados  com capacitor de acoplamento de 10uF e f=1kHz

 3. Repita o item 1  considerando agora C = 0,01uF

Tabela II:Capacitor de acoplamento - Valores medidos e calculados  com capacitor de acoplamento de 0,01uF e f=1kHz

Amplificador Emissor Comum de Pequenos  Sinais

    Quando polarizamos um transistor, aplicamos uma tensão de polarização CC (V_BEQ) à base. Quando um sinal é aplicado na base (DV_BE)  a  tensão oscilará acima e abaixo de   V_BEQ,  o que provocará uma variação (DI_E) na corrente de emissor ao redor do valor quiescente (I_EQ) . 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 figura3 mostra  a curva característica de entrada, com  um sinal, DV_BE, aplicado na base e a resposta,  DI_E.

Figura 3:  Curva IExVBE de um transistor - Arquivo MicroCap8

Na figura 2 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 )

Figura 4: ( 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 (figura 5) é a superposição das respostas no circuito CC e circuito CA. A figura 5 a seguir  mostra um estagio amplificador emissor comum (EC) completo com os capacitores de acoplamento e desacoplamento.

Na Figura 5, vg é a fonte do sinal a ser amplificado,    Rs é a resistência de saída da fonte de sinal, C1 é o capacitor que acopla o sinal à entrada do amplificador, R1,R2, RC e RE são as resistências que determinam o ponto de polarização (Q), CE é o capacitor de desacoplamento ou bypass, que aterra o emissor em CA, C2 é o capacitor de acoplamento  que acopla o sinal de saída à carga (RL).

.

Figura 5: 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  6 a seguir. Neste circuito deveremos determinar o ponto quiescente

Figura 6: Circuito equivalente CC do amplificador da figura 3

Circuito Equivalente CA de um Amplificador Emissor Comum Para Pequenos Sinais em Baixas Frequencias

Para obter o circuito equivalente para CA, os capacitores e as fontes CC são considerados curto-circuito (deltaV=0). As correntes  e tensões presentes no circuitos são variações, isto é: delatV_BE, DeltaV_CE DeltaI_B, DeltaI_E e DeltaI_C. Neste circuito deveremos determinar as impedâncias de entrada (Zentr) e saída (Zsaida) e os ganho de tensão e corrente.

Obs: Como a frequencia de operação é baixa para as capacitâncias parasitarias (pF) serem consideradas circuito aberto e suficiente alta para os capacitores de acoplamento e desacoplamento serem considerados curto circuitos a impedância é resistiva, portanto podemos falar em resistência de entrada.

Figura 7: Circuito equivalente CA do amplificador da figura 3

Amplificador EC - Resistência de Fonte Zero e Carga Infinita

Comecemos a analise AC, inicialmente consideremos o caso em que a resistência da fonte  de sinal é nula (Rs=0) e a carga  ligada na saída é infinita (R_Lé aberto) . A figura 8 a seguir mostra o circuito nessas condições.

Figura 8: Amplificador EC com Rs=0 e carga (RL) infinita

Para obter o circuito equivalente CA, os capacitores e as fontes CC são consideradas "curto circuito"   e o circuito equivalente CA está indicado na figura 9 a seguir.

( a )

( b )

Figura 9: Circuito equivalente CA  do amplificador da figura 8

Observar  na figura 9 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 

onde h_FE=b

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

Av=Vsaida/Ventr     como Vsaida=-Rc.ic     e  ventr=re'.ib   então:

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

 Conclusões:        

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

• O ganho depende do transistor e da temperatura através de re'.

A impedancia de entrada que o gerador vg "ve" é:

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

O circuito da figura 9 pode ser simplificado. O circuito de entrada é  Zentr.  Para obter o circuito equivalente na saída, basta aplicar Thevenin ao circuito da figura 9b, na saída, resulta o circuito da figura 10.

Figura 10:Circuito equivalente AC simplificado  para o circuito da figura 8

Desta forma se vg é dado e o transistor é conhecido, a saida pode ser calculada.

Exercício Resolvido

Calcule Vsaida no circuito se ventr é 20mVpp/senoidal. Considerar Xc=0 para todos os capacitores.  Considerar divisor estável (I1=I2)  e V_BE=0,7V  e beta=400

Solução:

Primeiro deve ser determinado a corrente quiescente de emissor pois re' é estimado conhecendo-se I_EQ

A tensão quiescente na base vale:

re'=25mV/I_EQ= 25mV/5,27mA =  4,7 Ohms

Ganho de tensão: Vsaida/ventr=  - Rc/re'=- 820/4,7 = - 155

 Portanto se ve_entr=20mVpp  a saida será igual a:

Vsaida= -172x(20mVpp)= -3,44Vpp

Clique aqui para obter o arquivo

Experiência17: Amplificador EC - Parte I

1) Abra o arquivo EXP17.CIR  e  identifique o circuito da Figura 11. Calcule o ganho entre a saída (vsaida) e a entrada ( ventr) 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=400 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).

Figura 11: Experiência17 - amplificador EC com resistencia de fonte nula e resistência de carga infinita

Tabela III : amplificador EC valores medidos e calculados

3) Conclusões:

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

Observe  o amplificador EC da figura 12. 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 10, adicionando a carga (R_L) e a resistência  da fonte (R_S).

Figura 12:  Amplificador EC com Resistência de Fonte (Rs) e Carga (RL)

 Para a analise AC circuito da Figura 12 pode ser aproveitado a analise feita sem carga (RL) e resistência de fonte (Rs) somente adicionando Rs e RL como na figura 13 a seguir.

                                          ( a )

( b )

Figura 13: Circuito equivalente AC para o circuito da figura 12

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 (divisor de tensão).

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 (open the file) EXP18   e identifique o circuito da figura a seguir. Calcule o ganho total (A_VT=Vsaida/Vg)  e anote na tabela IV. 
 

Obs: Atenção o  ganho Av= Vsaida/Ventr  é dado por:

Acontece que agora existe Rs e portanto Ventr é diferente de Vg

2) Execute uma analise transiente  e meça a tensão de saída de pico a pico (Vsaídapp) anote na tabela IV, em seguida calcule o ganho  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.

 Tabela IV: Amplificador EC com resistencia de fonte e de carga - calculados e medidos

3) Conclusões:

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