FACULDADE DE ENGENHARIA APOSTILA DE ELETRÔNICA II CAPÍTULO 01 TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

APOSTILA DE ELETRÔNICA II

CAPÍTULO 01 – TRANSISTOR COMO

AMPLIFICADOR

1.1. Modelo de um amplificador genérico.

Um amplificador pode ser representado genericamente pelo símbolo da figura 1.

Figura 1

A letra A representa a amplificação ou ganho do circuito e pode fazer referência aos ganhos de tensão (Av), corrente (Ai) ou potência (Ap). Há vários modelos usados para representar o comportamento de um amplificador. Utilizaremos um modelo bem simples, como o apresentado na figura 2.

Figura 2

Esse modelo é composto de três parâmetros básicos: impedância de entrada Zi, impedância de saída e ganho de tensão. Observe que o modelo do amplificador não inclui a fonte de sinal de entrada, que denominaremos genericamente de gerador, nem a carga. No modelo do amplificador há um gerador interno cuja tensão vale Avo.vi que representa a tensão vi efetivamente presente na entrada do amplificador, multiplicada pelo ganho sem carga Avo. A tensão na saída do amplificador sem carga é denominada VLo e seu valor é igual à tensão do gerador interno, ou seja, VLo=Avo.vi

1.2. Comportamento do amplificador:

Analisando as relações entre os parâmetros do amplificador e as características do gerador e da carga através da figura 3.

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Figura 3

Um gerador AC genérico possui impedância interna Zg e produz uma tensão vg. Ao ser ligado à entrada do amplificador, apenas a

tensão vi é amplificada, pois Zg e Zi formam um divisor de tensão,

sendo:

v

= [ Zi / ( Zg + Zi)] . v

ANÁLISE DA ENTRADA

Se Zi >> Zg, praticamente toda a tensão do gerador é amplificada (VI=VG), mas a potência de entrada é muito baixa, pois a corrente tende a

zero.

Se Zi << Zg, a tensão vi praticamente se anula, embora a

corrente de entrada atinja quase o valor máximo. Nesse caso, a potência na entrada também é muito baixa.

Se Zi = Zg, ocorre o casamento de impedância na entrada. Nesse caso, a tensão Vi é metade da tensão Vg e a corrente de entrada é metade

do seu valor máximo, mas a potência transferida do gerador à entrada do amplificador atinge seu valor máximo. É o que se denomina máxima transferência de potência.

ANÁLISE DA SAÍDA

Analisando a saída do amplificador, se nenhuma carga for ligada, a tensão é VLo= Avo.vi. Porém, ao ligar uma carga ZL, ela forma um

divisor de tensão com a impedância de saída Zo do amplificador, de modo que a tensão VL na carga é uma parcela de VLo. Sendo assim:

VL = [ Z

/ (Zo + Z

)] . VLo

Se ZL >> Zo, praticamente toda a tensão do gerador é

transferida à carga (VL=VLo), mas a potência nela é muito baixa, pois a corrente tende a zero.

Se ZL << Zo, a tensão transferida à carga praticamente se anula,

embora a corrente atinja quase o valor máximo. Nesse caso, a potência na carga é também muito baixa.

Se ZL = Zo, ocorre um casamento de impedância na saída, o que

garante a máxima transferência de potência do amplificador à carga, mas com VL sendo a metade do valor máximo VLo, o mesmo ocorrendo com a corrente.

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As relações entre Zi e Zg e entre Zo e ZL devem ser

estabelecidas em função da aplicação do amplificador e demais circuitos envolvidos num determinado sistema.

Os ganhos de tensão e de potência de um amplificador são calculados da seguinte maneira:

a) sem carga:

Avo = VLo/vi

b) com carga:

Av = VL/vi

c) potência de entrada:

Pi = Vipp

/ 8.Zi

P

= VLpp

/ 8.Z

e) ganho de potência:

Ap = P

/Pi

1.3. Ganhos em Decibel

Os ganhos de tensão e de potência são normalmente dados em decibel (dB), isto é, em décimos de Bel, que é a unidade de medida do logarítmo da relação entre duas grandezas iguais.

a) ganho de tensão:

Av(dB) = 20.logAv

Ap(dB) = 10.logAp

O ganho em decibel tem algumas características próprias: a) O ganho unitário corresponde a 0dB, o ganho maior que um

(amplificação) corresponde, em decibel, a um valor positivo e o ganho menor que um (atenuação) corresponde, em decibel, a um valor

negativo.

b) Ganhos muito elevados são representados por valores bem menores em decibel.

c) Quando um ganho de potência dobra ou cai pela metade, em decibel, corresponde a somar ou subtrair 3dB

d) Quando um ganho de potência dobra ou cai pela metade, o ganho de tensão é multiplicado ou dividido por 21/2_{, o que, em decibel,}

corresponde a somar ou subtrair 3dB.

e) O produto entre ganhos, em decibel, corresponde à soma entre eles.

1.4. Capacitor de acoplamento

Quando a freqüência aumenta a oposição da corrente no resistor não muda.

Um capacitor é diferente, pois quando a freqüência aumenta, a oposição à passagem de corrente diminui.

Quando um amplificador está funcionando, existem dois modos fundamentais em que os capacitores são usados. Primeiro, eles são

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usados para acoplar ou transmitir os sinais CA de um circuito para o outro. Segundo, eles são usados para desviar ou curto-circuitar os sinais CA para a terra. De qualquer forma, a reatância capacitiva inserida no circuito depende da relação:

X

= 1 / 2π f C

Quando a frequência é alta suficiente, a reatância capacitiva se aproxima de zero. Isso significa que um capacitor é um curto-circuito para sinais CA em altas freqüências.

O oposto também é verdadeiro, ou seja, quando a freqüência diminui, a reatância torna-se infinita. Isso significa que o capacitor é um circuito aberto para sinais CC em baixas freqüências.

Um capacitor de acoplamento transmite uma tensão CA de um ponto para outro. Em baixas freqüências, o capacitor age como circuito aberto e a corrente é aproximadamente zero. Em altas freqüências o capacitor age como um curto.

Para que o capacitor funcione corretamente ele deve agir como um curto-circuito na menor freqüência do gerador.

Para isso faça da reatância capacitiva pelo menos 10 vezes menor que a resistência total do circuito.

X

< 0,1 R

6. Freqüência Crítica

A freqüência crítica de um circuito é definida quando a reatância capacitiva é igual a resistência total do circuito.

f

= 1 / 2π R C

7. Freqüência Crítica e Alta Freqüência de Quina

O capacitor de acoplamento age como um curto em altas freqüências. Afirmamos que a freqüência crítica deve ser 10 vezes menor que a resistência total do circuito. A regra diz que a Alta Freqüência de Quina deve ser 10 vezes maior que a Freqüência

Crítica.

f

= 10 . f

A freqüência de Quina é a freqüência referência da qual a partir daí a corrente de carga começa a fluir pelo circuito (circuito fechado).

Acima dessa freqüência a corrente de carga se limita a 1% do seu valor máximo.

8. Capacitor de Desvio (bypass)

A figura 04 mostra um capacitor de desvio conectado e paralelo com um resistor para desviar a corrente CA do mesmo.

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Quando a freqüência é suficientemente alta, o capacitor age como um curto circuito, levando o ponto A à terra.

Figura 04

Quando a freqüência do gerador for igual ou maior que o valor da freqüência de Quina, o capacitor de Desvio agirá como um curto e o ponto A será aterrado para os sinais CA.

9. Teorema da Superposição nos Amplificadores

A figura 05 a seguir mostra um amplificador com transistor. A tensão VCC é a tensão CC de polarização do TBJ para

estabelecer o ponto Q.

A tensão VG é a tensão CA do gerador de sinais.

O capacitor C1 acopla o sinal do gerador à base do TBJ.

O capacitor C2 acopla o sinal amplificado à carga.

O capacitor CE desvia o sinal CA do emissor para o referencial

terra.

Figura 05 10. Circuitos Equivalentes CC e CA

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O modo mais simples de analisar um circuito amplificador é dividindo a análise em duas partes: análise CC e análise CA.

Utilizando o Teorema da Superposição pode-se calcular os efeitos produzidos por cada fonte funcionando separadamente e depois somar os efeitos individuais para obter o efeito total.

Para isolar cada fonte e transformar o circuito numa forma mais simples, os capacitores deverão ser abertos para o sinal CC e curto-circuitados para o sinal CA.

ANÁLISE CC Reduza a fonte CA a zero

Abra todos os capacitores

Analise o circuito equivalente CC ANÁLISE CA

No circuito original, reduza todas as fontes CC a zero Curto-circuitar todos os capacitores

Analisar o circuito equivalente CA ANÁLISE FINAL

Some a corrente CC e a corrente CA para obter a corrente total num ramo

Some a tensão CC e a tensão CA para obter a tensão total em qualquer nó ou em qualquer resistor

12. Resistência CA da junção base-emissor Através da Lei de Ohm, sabemos que:

R = V / I

onde: R é a resistência CC do circuito.

A resistência CA é definida como sendo a tensão CA aplicada num componente dividida pela corrente CA que circula por ele.

R

= Δ V

/ Δ I

Na derivação da fórmula cima, podemos afirmar que a resistência CA no emissor

pode ser calculada como:

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Figura 06

Essa relação se aplica à todos os transistores. Ela baseia-se numa junção base- emissor perfeita, de modo que haver desvios nos transistores produzidos comercialmente. Mas quase todos os transistores comerciais tem uma resistência CA (dinâmica) do emissor que está entre 26mV/IE e 50mV/IE.

13. Ganho de corrente em CA

O ganho de corrente CC foi definido como sendo:

β

= I

/ I

ou h

= I

/ I

Sabemos ainda que as correntes CC são as correntes no ponto de operação do quiescente do transistor.

O ganho de corrente CA é a variação da corrente de coletor dividida pela variação da corrente de base:

β

= ΔI

/ ΔI

ou h

= i

/ i

14. Modelagem do TBJ para análise CC e CA de um amplificador EC. Para analisar um amplificador EC, é preciso reduzi-lo a um circuito equivalente CA, na qual a lei de Ohm possa ser aplicada. a) Impedância de entrada

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Com o circuito da figura 07 podemos ver um divisor de tensão do lado da entrada do transistor. Isso significa que a tensão CA na base será menor que a tensão CA no gerador. A tensão na resistência do gerador depende do valor de R1 em paralelo com R2,

porém existe outro fator a ser incluído nesse cálculo.

A junção da base- emissor introduzir no circuito uma resistência dinâmica re.

Portanto a impedância de entrada (input) do transistor pode ser definida como:

Z

= V

/ I

Para analisar o circuito do amplificador temos vários modelos de circuitos equivalentes como se segue:

Modelo T

Figura 08

A figura acima mostra uma junção T com fonte de corrente na parte superior e uma resistência re em paralelo com R1 e R2.

I

= v

/ r

e i

= v

/ r

Modelo re ou Modelo II

Figura 09

A figura 09 mostra um modelo re que, quando aplicado fornece

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Z

= V

/ I

Sendo: Vi = Ie . re

Ie é aproximadamente igual Ic β = IC / IB

Podemos afirmar que:

Z

= β . r

Z

i

= R

1

// R

2

// β.r

e

Essa impedância será sempre menor que a impedância de entrada da base.

Parâmetros híbridos ( parâmetros h)

Quando o transistor foi inventado o método conhecido para analisar e projetar circuitos transistorizados ficou conhecido como parâmetros h. Esse método matemático modela o transistor sobre o que acontece em seus terminais sem levar em consideração os processos físicos que têm lugar dentro do transistor. Esse método é mais complexo que o método do Modelo re, porem, as folhas de dados do transistor ainda se referem aos

parâmetros h fornecidos pelo fabricante. São eles:

h

= ganho de corrente CA

h

= impedância de entrada

h

= ganho reverso de tensão

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EXERCÍCIOS – CAPÍTULO 01 – TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

1) Como se comporta um capacitor em relação a CC e a CA? 2) Num circuito com capacitor de desvio CE um dos seus

terminais está aterrado para CA de altas freqüências? Explique.

3) Quais são as regras para se obter a análise de um circuito amplificador em relação a CC e a CA?

4) A tensão CA na base de um amplificador é menor ou maior que a tensão do gerador?

5) Por que a re (resistência dinâmica do emissor) depende da

corrente do emissor?

6) Calcular re para uma corrente de emissor de 100μA.

7) O emissor de um amplificador EC não tem tensão CA devido a existência do capacitor de desvio. Explique essa afirmação. 8) Por que a tensão de saída de um amplificador EC é defasada

180º em relação a entrada?

9) Qual a reatância de um capacitor de 10μF em uma freqüência de 1kHz? E em 100kHz?

10) Em um amplificador EC a tensão no resistor de carga é CC , CA ou as duas? Explique.

11) Num amplificador EC qual é a relação entre a corrente de entrada e a corrente de saída?

12) Por que a impedância de entrada de um amplificador EC é geralmente muito alta?

13) Dada a figura abaixo, determinar: a) A corrente e a tensão máxima na carga. b) A freqüência crítica e a freqüência de quina

c) Se a tensão no gerador for dobrada o que ocorre com a freqüência de quina?

d) Se todas as resistências forem dobradas o acontece com a tensão máxima, com a corrente máxima, com a freqüência crítica e a freqüência de quina?

e) Se a capacitância for reduzida a metade o que ocorre com a freqüência de quina?

14) Utilizando o circuito abaixo, determinar:

a) A corrente máxima no gerador e tensão máxima no capacitor. b) Sendo a tensão do gerador dobrada, qual é o valor da freqüência