Eletrônica analógica - Teoria

Amplificadores de pequenos sinais- Uma das aplicações mais utilizadas e comuns do transistor bipolar é a de amplificador de pequenos sinais. Esse tipo de circuito possibilitou o surgimento do rádio e do gravador portáteis que se popularizaram nos anos 60 e 70.

Neste capítulo, você aprenderá a projetar um pré-amplificador, conhecerá as três configurações básicas do amplificador a transistor e suas características, bem como a maneira de interligar vários estágios amplificadores, inclusive o de potência, a fim de obter um circuito amplificador de alto ganho.

Configurações básicas- São três as configurações básicas segundo as quais um transis tor pode ser utilizado como um amplificador, dependendo do terminal que for ligado ao “terra” do cir cuito para os sinais alternados:

• Emissor comum (EC);
• Coletor comum (CC);
• Base comum (BC).

Como cada uma delas apresenta características próprias, seu uso é voltado para aplicações específicas. A idéia básica dessas configurações é apresentada a seguir.

Configuração emissor comum - O circuito apresentado a seguir é um amplificador na configuração emissor comum cujo circuito de polarização é o de corrente de emissor constante com divisor de tensão na base.  Os componentes C1 e C2 são os capacitores de acoplamento. O primeiro impede que o nível CC da polarização interfira no sinal CA da entrada (V_ent). Da mesma forma, C2 bloqueia o nível CC na saída, permitindo que apenas o sinal CA amplificado chegue à saída (V_S). C3 é o capacitor de desacoplamento cuja função é desacoplar (curto-circuitar) o resistor de emissor do circuito para os sinais alternados, com o objetivo de proporcionar um ganho de tensão maior.

Análise do circuito amplificador

A análise de qualquer amplificador é feita em duas etapas:

• Análise CC ou análise de polarização;
• Análise CA ou análise das variações.

Análise CC de amplificadores - A análise CC consiste em determinarmos o ponto quiescente (Q) do circuito. Para isto, todos os capacitores são retirados do circuito, pois para CC a reatância capacitiva é elevadíssima. Determinar o ponto Q do circuito significa calcular os valores de Ib, Ic e Vce do transistor.Deste modo, o circuito equivalente para CC do amplificador apresentado anteriormente passa a ser o mostrado a seguir.

Análise CA de amplificadores

A análise CA consiste em determinarmos as impedâncias e os ganhos do amplificador. Para isto todos os capacitores e fontes de alimentação CC são curto-circuitados pois, para CA, a reatância capacitiva e a impedância da fonte CC são baixíssimas.

Redesenhando  o circuito, o modelo equivalente para CA do amplificador mostrado anteriormente passa a ser o mostrado a seguir.

Na análise CA,  devemos calcular os valores dos ganhos, de tensão (A_V ou G_V), de corrente (A_I ou G_I) e de potência (A_P ou G_P) e das impedâncias de entrada (Z_ent) e de saída (Z_S).

Por definição temos:

Quando se faz a análise CA, é conveniente substituir o transistor pelo modelo CA de Ebers-Moll visto a seguir:

Observação

Para transistor PNP, devemos inverter a seta da fonte de corrente I_C.

A resistência R’_E que aparece neste modelo equivalente é a resistência dinâmica da junção base-emissor.  Para amplificadores de pequenos sinais, a resistência dinâmica é definida por:

Nessa igualdade,  I_E é a corrente de polarização do transistor, obtida na análise CC.

Substituindo o transistor do circuito equivalente CA pelo modelo de Ebers-Moll teremos:

Ganho em tensão (G_V)

O ganho em tensão indica o quanto o sinal de entrada foi amplificado na saída.

Nessa igualdade,  V_S = - R_C × I_C       

V_ent = (b+1) × R’_E × I_b

I_C = b.I_b

Assim,

Considerando  b = b+1 e cancelando os termos iguais teremos:   

Observação - O sinal negativo indica apenas inversão de fase entre a entrada e a saída do circuito pois se  V_ent ­,  I_C ­,  V_Rc ­,  V_S ¯ , uma vez que V_S = V_CC – V_Rc

O ganho em tensão também pode ser expresso em uma unidade de volume chamada de decibel (dB), através da relação:  G_V(dB) = 20 log½G_V ½

Observação - A função do resistor de emissor R_E é aumentar a estabilidade térmica do circuito de polarização porém, para os sinais alternados ele é curto-circuitado (desacoplado) por C3 com o objetivo de elevar o ganho em tensão. Sem o capacitor de desacoplamento (C3), o ganho seria:

1. Ganho em corrente (G_I)- O ganho em corrente indica o quanto a corrente CA de entrada foi amplificada na saída.     G_I = A_I = b
2. Ganho em potência (G_P)

O ganho em potência indica o quanto a potência do sinal de entrada foi amplificada na saída.

G_p = A_p =  ½G_V ½. G_i  =                     G_p = A_p =

O ganho em potência também pode ser expresso em decibéis: G_p(dB) = 10 log G_p

4. Impedância de entrada (Z_ent)- Podemos dizer que Z_ent é a impedância vista pelo gerador de sinal, na entrada do amplificador.

Observe que Z_ent = R_b // (b+1) × R’_E      Þ   Z_ent = Rb × (b+1) × R’_E/R_b + (b+1) × R’_E

Observação- Se o valor de b for elevado, podemos considerar  b+1 = b.

Na prática, o valor de Zent é determinado através de um potenciômetro colocado em série com o capacitor de acoplamento de entrada. Varia-se P1 até se obter Vb = Vent/2. Quando isso acontecer, teremos P1 = Zent, pois formou-se um divisor de tensão com Vent, P1 e Zent. Em seguida, mede-se P1 com o ohmímetro e está determinado Zent.

Impedância de saída (ZS)- Podemos dizer que ZS é a impedância vista pela carga, na saída do amplificador. Neste caso, ZS = RC

Na prática, o valor de ZS é determinado com o auxílio de um potenciômetro conectado na saída do amplificador. Inicialmente mede-se o valor da tensão na saída (Vs) com a chave aberta. Em seguida, fecha-se a chave e ajusta-se P2 até se obter a metade do valor de Vs medido inicialmente. Retira-se P2 e mede-se sua resistência. O valor encontrado será igual ao da impedância de saída do amplificador.

Cálculo dos capacitores- As capacitâncias dos capacitores de acoplamento (C1 e C2) e desacoplamento (C3) dependem da menor freqüência (fmin) do sinal de entrada a ser amplificado e da impedância (Z) ou resistência (R)  ligada a eles. A reatância desses capacitores deve ser, no mínimo, dez vezes menor que a impedância prevista para eles.

Reta de carga CA - Quando aplicamos um sinal alternado na entrada de um amplificador transistorizado, este produzirá variações na corrente de base que, por sua vez, provocará alterações no ponto quiescente (Q).

Estas variações do ponto Q não são as mesmas que ocorrem ao longo da reta de carga CC pois as resistências de carga CA são diferentes das resistências de carga CC. O amplificador possui, portanto, duas retas de carga:

Uma reta de carga CC para o circuito de polarização;

Uma reta de carga CA para o circuito equivalente CA.

Para traçarmos a reta de carga CA, necessitaremos de, no mínimo, dois pontos:

1. para V_CE = 0 V  Þ  I_C = I_CQ + V_CEQ / Z_S
2. para I_C = 0 A   Þ  V_CE = V_CEQ + Zs × I_CQ

Para que o sinal de entrada seja amplifi cado sem distorção na saída, é necessá rio que as variações se restrinjam à regi ão ativa. Caso a amplitude do sinal abran ja as regiões de corte e/ou de saturação, na saída teremos o ceifamento (distorção) do semi ciclo positivo e/ou negativo da senóide amplificada.

Compliance CA de saída (C_CA)

A compliance CA de saída é o máximo sinal de pico a pico que um amplificador pode fornecer, sem distorção. Ela depende da reta de carga CA e consequentemente do ponto quiescente. Os limites de tensão dos semiciclos positivo e negativo sem distorção são obtidos na reta de carga AC:

• Limite do semiciclo positivo = V_CEQ;
• Limite do semiciclo negativo = Z_S × I_CQ.

A compliance CA de saída será igual ao dobro do menor limite do semiciclo.