IF-UFRJ Elementos de Eletrônica Analógica Mestrado Profissional

IF-UFRJ
Elementos de Eletrônica Analógica
Mestrado Profissional em Ensino de Física
Prof. Antonio Carlos Santos
Aula 9: Transistor como amplificador
Este material foi baseado em livros e manuais existentes na literatura
(vide referências) e na internet e foi confeccionado exclusivamente
para uso como nota de aula para as práticas de Laboratório do Curso
de Elementos de Eletrônica Analógica. Pela forma rápida que foi
confeccionado, algumas partes foram extraídas quase verbatim de
outros autores citados na lista de referências. Trata-se de um texto em
processo de constante modificação. Por gentileza, me informe os erros
que encontrar.
Depois do transistor ter sido polarizado com um ponto Q próximo da metade da linha de carga podemos acoplar um
pequeno sinal ca à base. Isto produz flutuações na corrente do coletor de mesma forma e freqüência. O amplificador
é chamado amplificador linear (ou de alta fidelidade) se ele não mudar a forma do sinal.
Capacitores de acoplamento e de derivação
Um capacitor de acoplamento faz a passagem de um sinal ca de um ponto a outro (equivale a um curto para um sinal
-1
ca), pois a reatância Xc = (ωC) é pequena para grandes freqüências. O valor do capacitor de acoplamento depende da
freqüência mais baixa que você está tentando acoplar.
Como você deve lembrar de aulas anteriores, a corrente alternada no circuito abaixo (Fig.1) é:
VTh = ZeqI
Onde a impedância equivelente em série é dada por
2
2
2
Zeq = (RTh + RL) + Xc
À medida que a freqüência aumenta, Xc diminui até se tornar muito menor do que RTh + RL. Neste caso, a corrente
atinge um valor máximo I=Vth/ (RTh + RL). Em outras palavras, o capacitor acopla o sinal convenientemente quando Xc
<< RTh + RL. Utilizaremos a seguinte regra Xc ≤ 0,1R, para a freqüência de entrada mais baixa do amplificador. Nesta
caso o acoplamento é dito estabilizado.
Fig. 1 – capacitor de acoplamento entre a fonte e a carga.
Terra CA
Um capacitor de derivação é semelhante a um capacitor de acoplamento, exceto que ele acopla um ponto não
aterrado a um ponto aterrado, conforme ilustra a Fig. 2.
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Fig. 2 – capacitor de derivação
Na figura 2, o capacitor se comporta idealmente como um curto para um sinal ca. Por isto o resistor está conectado a
uma terra ca.
A menos que seja feita alguma recomendação em contrário, todos os capacitores de acoplamento e de derivação são
considerados estabilizados, o que quer dizer que funcionam aproximadamente como circuitos abertos para a corrente
contínua e como curto-circuito para a corrente alternada.
Teorema da superposição para os amplificadores (circuitos equivalentes ca e cc)
Num amplificador a transistor, a fonte cc estabelece correntes e tensões quiescentes (uniforme, constante). A fonte
ca produz então flutuações nessas correntes e tensões. O jeito mais simples de se analisar o circuito é dividindo a
análise cc e uma análise ca. Em outras palavras, podemos usar o teorema da superposição.
Aqui estão os passos a serem seguidos na aplicação da superposição aos circuitos com transistores:
1-Para encontrar o circuito equivalente cc: Reduza a fonte ca a zero; isto significa por em curto uma fonte de tensão
ou abrir uma fonte de corrente. Abra todos os capacitores. O circuito que permanece é chamado circuito equivalente
cc. Com este circuito, podemos calcular qualquer corrente e tensão cc que estivermos interessados.
2- Para encontrar o circuito equivalente ca: Reduza a fonte cc a zero; isto significa por em curto uma fonte de tensão
ou abrir uma fonte de corrente. Ponha em curto todos os capacitores de acoplamento e de derivação. O circuito que
sobra é chamado circuito equivalente ca. Este é o circuito que deve ser usado ao se calcular as tensões e as correntes
ca.
3-A corrente total em qualquer ramo do circuito é a soma da corrente cc e da corrente ca através desse ramo. A
tensão total através de qualquer ramo é a soma das tensões ca e cc através de qualquer ramo.
Vamos aplicar o teorema da superposição ao amplificador a transistor da Fig. 3. O resultado é o circuito da Fig. 4 para
o equivalente cc e o da Fig. 5 para o equivalente ca.
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Fig. 3 – Circuito real
Fig. 4 – circuito equivalente cc
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Fig. 5- Circuito equivalente ca
Notação
Para se manter o cc diferente do ca, é uso comum empregar letras maiúsculas e índices para as quantidades cc: IE, IC,
IB para as correntes cc no emissor, coletor e base, respectivamente, VE,VC , VB para as tensões cc; ie, ic, ib para as
correntes ca no emissor, coletor e base, respectivamente, ve,vc , vb para as tensões ca.
Resistência CA do diodo emissor e beta ca
Ao fixar o ponto Q, estamos visualizando o transistor da Fig. 6 substituído pelo circuito equivalente também da Fig. 6 (
modelo Ebers-Moll). Até agora, fizemos a aproximação de VBE para 0,7 V. Vamos ver no que implica o modelo EbersMoll para um sinal ca.
Fig. 6 – Modelos cc e ca de Ebers-Moll
A Fig. 7 mostra a curva do diodo relacionando IE e VBE. Na ausência de um sinal ca o transistor funciona no ponto Q,
geralmente localizado no meio da linha de carga cc. Quando um sinal ca aciona um transistor, entretanto, a corrente
e a tensão do emissor variam. Se o sinal for pequeno, o ponto de funcionamento oscilará senoidalmente em torno de
Q e o funcionamento será aproximadamente linear (expansão de primeira ordem em série de Taylor em torno do
ponto Q). Por isso, as variações na tensão e na corrente são aproximadamente proporcionais. Colocando de outra
forma, no que se refere ao sinal ca, o diodo aparece como se fosse uma resistência ca do emissor dada por
r 'e =
∆VBE vbe
=
∆I E
ie
A segunda igualdade deve-se ao fato de que as variações na tensão base-emissor e corrente no emissor serem
equivalentes a uma tensão e uma corrente ca. O valor de r’e depende da posição do ponto Q. Quanto mais alto na
curva estiver Q, menor se torna r’e . A equação da junção pn retangular é dada por:
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 eVkTBE

− 1
I E = I S  e


dI E
eI
= Se
dVBE kT
r 'e =
eVBE
kT
=
e
(I E + I S )
kT
dVBE
kT
kT 25mV
=
≈
=
dI E
e(I E + I S ) eI E
IE
Fig. 7- Variações na tensão da base-emissor produzem variações na corrente do emissor.
O amplificador com emissor aterrado
A Fig. 3 mostra um amplificador CE. Como o emissor é derivado para o terra, este amplificador às vezes é chamado
amplificador com emissor aterrado (amplificador CE); isto significa que o emissor está ligado ao terra ca e não ao terra
cc. É colocada uma pequena onda senoidal à base. Isto produz variações na corrente da base. Por causa de β=ic/ib , a
corrente do coletor é uma onda senoidal amplificada de mesma freqüência. Esta corrente senoidal do coletor flui
através da resistência do coletor e produz uma tensão de saída amplificada.
Devido às flutuações ca na corrente do coletor, a tensão de saída da Fig. 8 oscila senoidalmente acima e abaixo da
tensão quiescente. Observe que a tensão da saída está invertida relativamente à tensão ca de entrada, significando
o
que ela está defasada de 180 com a entrada.
O ganho de tensão de um amplificador é a razão da tensão ca de saída pela tensão ca de entrada:
A=
vsaída
ventrada
Pela definição de resistência ie =ventrada/r’e .Pelo fato da corrente do coletor ser aproximadamente igual à corrente do
emissor (ic ≅ie), a tensão de saída é dada por vsaída ≅ -ieRC. O sinal negativo é usado para indicar a inversão de fase.
Então
vsáida ≅ −
A≅−
ventrada RC
r 'e
RC
r 'e
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Exercícios (entregar na próxima aula):
1- A fonte ca da Fig. 1 pode tem uma freqüência entre 100 Hz e 200 Hz. Para se ter um acoplamento
estabilizado ao longo desta faixa, que valor deve ter o capacitor de acoplamento? Dados: Rth = 1 kΩ e RL = 3
kΩ .
2- Na figura abaixo, desejamos um capacitor de acoplamento estabilizado para todas as freqüências entre 500
Hz e 1 mHz. Que valor ele ter ter?
3- Desenhe o circuito cc equivalente para o amplificador da figura abaixo.
4- Calcule r’e e o ganho A para o amplificador da questão 3.
Referências:
[1] – A. P. Malvino, Eletrônica vol. 1, McGraw-Hill (1986).
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