8. amplificadores de potencia
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Amplificadores de Potência
Prof. Douglas Bressan RiffelProf. Douglas Bressan Riffel
Amplificadores de PotenciaIdéia fundamental:Idéia fundamental: Amplificar sinais até níveis suficientes com um bom rendimento energético. g
PCC η = PRF/PCCRg
η PRF/PCC
PAmplificador
+PRFPe
RF
de potencia de RF RL
VCC
PPperd
“Classes” de um amplificador de Potência
RAmplificador de potencia de RF
Rg
+iC
potencia de RF+
RL
QQ1
iC iC iC
π 2π0t
π 2π0t
π 2π0t
Classe A: Classe B: Classe C:Classe A:condução durante 2π
Classe B:condução durante π
Classe C:condução < π
R“Classes” de um amplificador de Potência
Amplificador de potencia de RF
Rg
+iC
potencia de RF+
+ RL+
-vCE
iC
Q1-
• Clase D: Q1 trabalha em comutaçãot
vCE
• Clase E: Q1 trabalha em comutação a tensão zero
t
tControl
ATE-UO EC amp pot 03
Tipos de amplificadores de potência de RF
Rg
Amplificador de potencia
+
V vg+
vpde RF RL
VCC-vs
Amplificadores lineares: a forma de onda da tensão de saída vs é proporcional a da entrada vg.p p g
Amplificadores não lineares: a forma de onda da tensão de saída vs não é proporcional a de entrada vg. Caso especialmente ginteressante: tensão de saída vs proporcional a VCC.
Amplificador “Classe A” com a carga em um circuito de polarização (I)p ç ( )
Circuito básico
iCRLPolarização
RL
VCC
Rg
CC
+g
+ Q1-
vCE
1
iAmplificador “Classe A” com a carga
em um circuito de polarização (II)iCRL
V iV /RElegemos um
ponto de trabalho
p ç ( )
VCC
+
iCVCC/RLponto de trabalho
Q -vCE IB
Q1vCEt
iC1
VCC
tPRF = ic1
2·RL/2 PCC = ic1·VCCt
vCE1η = PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)
Logo η cresce com iC1. Entretanto, o crescimento de iC1 tem um limite
iCRAmplificador “Classe A” com a carga
em um circuito de polarização (III)CRL
VCCiCVCC/RL
Máximo valor de iC1
em um circuito de polarização (III)
CC
+CC L
Q1-
vCE IBiC1 = VCC/2RL1
vCE
VCC
t
VCC
ηmax = ic1·RL/(2·VCC) com iC1 = VCC/2RL tηmax ic1 RL/(2 VCC) com iC1 VCC/2RL
Por tanto: ηmax = 1/4 = 25%vCE1 = VCC/2t
25% é um rendimento máximo muito baixo!
Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (I)p ( )
Circuito básico
Polarização ICVCC
Rg
CC
++ -
g
+ Q1RL-
vCE
1
Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (II)
Realização física de uma fonte de corrente
++
p ( )
ICVCC
IVCC
++
iC+ -
IC
i+ ---
RL+
iC iLRL+
iC iL
Q1-
vCE
Q1
L
-vCE
Q1 Q1
Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (III)
Escolha do ponto de trabalho para um valor de IC
p ( )
ICVCC
+ iCVCC/RL
Reta de
i+ --
IB
Reta de carga
contínua
RL+
iC iLvCE
Q
L
-vCE VCC
Reta de carga com umainclinação de 1/RQ1 inclinação de 1/RL
Esta é a reta de carga com maiores níveis de tensão ecorrente, compatível com uma tensão positiva na fontede corrente
Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (IV)
VCC/RLiC
+
p ( )
I
Recta de carga en continua
Recta de carga en alterna
ICVCC
+
v
tIC
IB
viC i
+ --vCE1
tVCC
vCE
RL+
iC iL
tvCE1Q1
-vCE
PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC η = Ic·RL/(2·VCC)Q1
Logo, η cresce com IC e tem o limite em IC = VCC/2RL.
Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (V)
VCC/RLiC
p ( )
ICVCC
+IC
VCC
+IC
VCCICVCCICVCC
++IC IB
Reta de carga alternada
C
iC iL
+ --vCE1
C
iC iL
+ --C
iC iL
+ -
C
iC iL
C
iC iL
+ ---vCE1
tv
Reta de carga contínua
RL+vCE
L
RL+vCE
L
RL+vCE
L
RL+vCE
L
RL+vCE
++vCE
L
VCC
vCE
tvCE1
Q1-Q1-Q1-Q1-Q1---
PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC η = Ic·RL/(2·VCC)
Com IC = VCC/2RL, ηmax = 1/4 = 25%.O que permanece muito baixo.
Amplificador “Classe A” com polarização por resistência no coletor (I)p ( )
Circuito básico
RPolarização
RC
VCC+ -iC
Rg
CC
+iC
iLg
+ Q1-
vCE RL
1
Amplificador “Classe A” com polarização por resistência no coletor (II)
iCVCC/RLR
p ( )
IBi
Ponto de trabalho
RC
VCC+ -iC
vReta de carga
iC1
+v
CiL
VCC
vCEcarga
CCvCE1Q1
-vCE RL
Reta de carga CA com umainclinação -(RC+RL)/(RL·RC)
Q l l d R bt di i t á i ?Qual valor de RC para se obter o rendimiento máximo?Quanto vale o rendimiento máximo?A condição de rendimiento máximo é quando R = √2 R eA condição de rendimiento máximo é quando RC = √2·RL eηmax = 1/(6 + 4· √2) = 8,57%.
Resumo dos amplificadores “Classe A” (até agora)
RC
V
RC
V
RC
VIC
VCC
+IC
VCCICVCCICVCC
++iCRLiCRL
VCC
+v R
+ -iCiL
VCC
+v R
+ -iCiL
VCC
+v R
+ -
R
+ -iCiLiC iL
+ --iC iL
+ -iC iLiC iL
+ ---VCC
+
VCC
+
Q1-
vCE RLQ1
-vCE RL
Q1-
vCE RLRL
η = 8 57%Q
RL+
-vCE
Q
RL+
-vCE
Q
RL+
-vCE
Q
RL+
-vCE
+
-
+
-vCEQ1
-vCE
Q1-
vCE
ηmax = 25%
T d t
ηmax = 8,57%Q1Q1Q1Q1 ηmax = 25%ηmax
• Toda a componente•A componente alternada de i circula pela carga e• Toda a componente
alternada de iC circula pela carga.• Entretanto a fonte
• Toda a componente alternada de iC circula pela carga.• Entretanto, a fonte de
de iC circula pela carga e pela resistência de polarização.• A resistência de• Entretanto, a fonte
enxerga uma carga contínua.
Entretanto, a fonte de corrente se dissipa continuamente.
A resistência de polarização dissipa-se continuamente.
ÉÉ possível encontrar um elemento de polarização que não dissipe nem alternada nem contínua?
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (I)p ( )
Circuito básico
LCHPolarização
VCC+ -iC
Rg+
vCE R
iRL
+ Q1-
CE RL
O indutor LCH deve possuir uma impedância CH p pmuito maior que RL na freqüência de trabalho
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (II)
Circuito equivalente básico
p ( )
LC LCH RLLCH
VCC+ -iC
LCH
VCC
RL
iC
+iC
iRL +v
C
iRL
Q1-
vCE RLQ1
-vCE
Em ambos os casos:Toda a componente alternada de i circ la pela carga• Toda a componente alternada de iC circula pela carga.
• No indutor, obviamente, não se dissipa potência ativa.
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (III)
Outra possibilidade, mas com um grau de liberdade a maisp ( )
Lm RL’RL VCC
+iC
i ’
RL
iC i1:n
+vCE
iRL’VCC+v
C iRL
Q1-
Q1-
vCERL’ = RL/n2
iRL’ = iRL’·nRL RL
Como no caso anterior:• Toda a componente alternada de iC circula pela cargaC g(modificada pela relação de transformação do transformador).• No indutor, obviamente, não se dissipa potência ativa.
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (IV)
Circuito em estudo
R t d
p ( )
LCH RL
iCIB
Reta de carga CC
VCC
+iC
i
B
+vCE
iRL
Reta de carga
Q1-
VCC vCE
galternada com inclinação de
-1/RL Ponto de trabalho
Como escolher o melhor ponto de trabalho?
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (V)
iCReta de carga
continuaLCH RLLCH RL
p ( )
IBVCC
+
L
iCiRL
VCC
+
L
iCiRL
iQ1
+
-vCE
iRL
Q1
+
-vCE
iRL
A componente alternadavCE
VCC
iC1Q1Q1 A componente alternada
no transistor é a mesmada carga
t
CCVCC+iC1·RLPRF = (ic1·RL)2/(2·RL)
PCC = ic1·VCCCC c1 CC
η = PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)
O máximo valor de i R é i R = V e por tanto η = 1/2 = 50%O máximo valor de ic1·RL é ic1·RL = VCC e, por tanto, ηmax = 1/2 = 50%.Melhorou muito, mas ainda permanece baixo!
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (VI)
R t d
Situação com o máximo sinal que se pode operar
p ( )
Reta de carga contínuaiC
IB2iC1LCH RLLCH RL BCH
VCC
+
L
iCi
CH
VCC
+
L
iCi
vCE
iC1=VCC/RL
tQ1
+
-vCE
iRL
Q1
+
-vCE
iRL
VCC
CE
2VCC
tQ1Q1 ηmax = 50%.
tQual é o rendimento máximo quando o sinal não é a máxima
possível?
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (VII)
Situação com o sinal abaixo do máximo que se pode operar
R t d
p ( )
LCH
V
RLLCH
V
RL
Reta de carga contínuaiC
IB2·VCC/RL
VCC
+iC
iRL
VCC
+iC
iRL
B
ΔiC
Q1-
vCE
Q1-
vCE
vCE
Pend. -1/RL
tVCC
CE
2VCC
t
PRF = (ΔvCE)2/(2·RL)
tΔvCE
RF ( CE) ( L)
PCC = VCC2/RL
η = P /P = 0 5·(Δv /V )2η = PRF/PCC = 0,5·(ΔvCE/VCC)2
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (VIII)
Reta de carga contínuaiCCom transistores reais
p ( )
contínuaiC IB2·VCC/RL(não idealizados)
(VCC-vCE sat)/RL Pend. -1/RL
vCE
L
VCC 2VCCPRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)PCC = VCC·(VCC-vCE sat)/RL
tvCE sat
VCC-vCE sat
CC CC ( CC CE sat) L
η = 0,5·(VCC-vCE sat)/ VCC
Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (IX)
Sinal modulado em amplitudeReta de carga iv
vce(ωmt, ωpt)
p ( )
continuaiCIB
2·VCC/RLvp
vm
Pend 1/Rv (ω t ω t) = Δv (ω t)·sen(ω t)
VvCE
Pend. -1/RLvce(ωmt, ωpt) = ΔvCE(ωmt)·sen(ωpt)ΔvCE(ωmt) = vp[1 + m·sen(ωmt)]m = vm/vp VCC 2VCC
m p
η(ωmt) = 0,5·[ΔvCE (ωmt)/VCC]2 ⇒η(ωmt) = 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m·sen(ωmt)]2
tηmed = 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m2/2]ηmed max ⇒ vp = VCC/2, m = 1ηmed max ⇒ vp VCC/2, m 1ηmed max = 0,125·[1 + 1/2] = 18,75% Voltando a ser muito baixo!
Amplificador “Classe B” com um único transistor (I)Circuito básico
Circuito ressonante a uma frequencia do sinal de RF
Circuito básico
frequencia do sinal de RF
L C
PolarizaçãoL
VCC+ -iVCC
R
CC
+R
iCiRL +
Rg
+ Q1-
vCERL
-vRL
iC
Q1
180º
Amplificador “Classe B” com um único transistor (II)
L C -
vRLL C
Equivalente RLiC
+
vRL
VCC+ -iCVCC
i
VCC+vCE
iRL+vCE R
iRL +vRL iC
180ºQ1
-CE
iCQ1
-vCE RL-
180C
180º
Equivalente (salvo para uma tensãoiC i L
RLC
-
vRL para uma tensão sobre a fonte)
C
180º
iC L iRL +RL
Circuitos equivalentes (I)
Amplificador “Classe B” com um único transistor (III)Circuitos equivalentes (I)
iC CiC +C
L RL
C
180º
iCpico
-vRL
i
180
C +iCca
iCpico(1-1/π)
iC L RL -vRL
IC iCpico/πIC
180ºiCcaC Cpico
Não genera tensão na carga
Circuitos equivalentes (II)
Amplificador “Classe B” com um único transistor (IV)Circuitos equivalentes (II)
iCcaiCpico(1-1/π) iCca1 iCpico/2= + Harmônicos
iCca(ωt) iRL(ωt)180º= +
C +iCca1 Arm. Os harmônicos se curto-circuitam pelo
L RL -vRL
curto circuitam pelo capacitor
iCca1 (ωt) = (iCpico/2)·sen(ωt)ivRL(ωt) = RL·iRL(ωt) = -RL·iCca1(ωt)
vRL(ωt) = -RL·(iCpico/2)·sen(ωt) iCca1 iCpico/2
iCca1
R
+vRL
iRL
RL -RL
Chamamos vce a componente alternada de
Amplificador “Classe B” com um único transistor (V)
Retas de carga, ponto de trabalho (estático) e excursão
do ponto de trabalho
ce pvCE. Então:vce(ωt) = vRL(ωt) = -RL·(iCpico/2)·sen(ωt) ⇒
( t) (R /2) i ( t) (R /2) ip
L C
vce(ωt) = -(RL /2)·iCpico·sen(ωt) = -(RL /2)·iCPortanto:ΔvCE = iCpico·RL/2
iCIB
L
V+VCC
Reta de carga contínua
Inclinação2·VCC/RL
CE Cpico L/
IBVCC
+
+ -iCiRL +
Inclinação-2/RL
iC i
vCEQ -vCE RL-
vRL
Inclinação 0
iCpicoPonto de trabalho
vCEiC
Q1VCC
Inclinação 0
180ºt
180º
tΔvCE
Cálculo do rendimento máximo possível
Amplificador “Classe B” com um único transistor (VI)Cálculo do rendimento máximo possível
iCReta de carga
continua2·V /RL CL C
IBInclinação-2/RL
2·VCC/RL
VCC+ -iCi
VCC
+VCC+ -iC
i
VCC
++ iCpicoPonto de trabalho
+
-vCE RL
iRL +
-vRL
+
-
+
-vCE RL
iRL +
-
+
-vRL iCpico/π
Δv =
vCE
VCC
Inclinação 0
180ºtQ1
- LQ1-- L
ΔvCE =iCpico·RL/2
tΔvCE
PRF = (ΔvCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL)2/(8·RL)PCC = VCC·iCpico/π tp
η = PRF/PCC = iCpico·RL·π/(8·VCC)
O má imo alor de i é i = 2 V /R e portantoO máximo valor de iCpico é iCpico max = 2·VCC/RL e, portanto:ηmax = π/4 = 78,5% Uma melhora notável!
Amplificador “Classe B” com um único transistor (VII)
Situação com o máximo sinal que se pode operar
L C
VCC
L C
VCC2·VCC/RL
iCReta de carga
continua
VCC
+
+ -iCiRL
VCC
+VCC
++
+ -iCiRL
VCC
++
CC LIB
Q1-
vCE RL-vRL
Q1--
vCE RL--vRL
180ºtηmax = π/4 = 78,5%
vCE
VCC 2·VCCηmax π/4 78,5%
tt
Cálculo da potência máxima dissipada pelo transistor PT
Amplificador “Classe B” com um único transistor (VIII)Cálculo da potência máxima dissipada pelo transistor, PTr
PRF = (iCpico·RL)2/(8·RL) iC Recta de carga en continua2·V /RPCC = VCC·iCpico/π
PTr = PCC - PRF ⇒
P = V i / (i R )2/(8 R )
IB2·VCC/RL
PTr = VCC·iCpico/π - (iCpico·RL)2/(8·RL)PTr tem um máximo em:
i = 4·V /(π·R )iCpico/π
iCpico
iCpico PTmax = 4 VCC/(π RL)Note-se que:
iCpico PTmax < iCpico max = 2·VCC/RLvCEVCC180ºt
iCpico PTmax iCpico max 2 VCC/RL
PTrmax = 2·VCC2/(π2·RL)
A potência máxima de RF é:
CC
t ΔvCEPRF max = (iCpico max·RL)2/(8·RL) ⇒PRF max = VCC
2/(2·RL)Portanto:PTrmax = 4·PRF max/π2 = 0,405·PRF max
C t i t i
Amplificador “Classe B” com um único transistor (IX)
Com transistores reais
Reta de carga tíi contínuaiC IB2·VCC/RL
Inclinação-2/RL2·(VCC-vCE sat)/RL2 (VCC vCE sat)/RL
vCE
t
PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)
VCC 2VCC
V -v
180ºt
PCC = VCC·2·(VCC-vCE sat)/(π·RL)η = π·(VCC-vCE sat)/(4·VCC) ⇒ t vCE sat
VCC-vCE sat
η = 0,785·(VCC-vCE sat)/VCC
Amplificador “Classe B” com um único transistor (X)
Sinal modulado em amplitude
Reta de carga
vpvm
iCIB
Reta de carga contínua
Inclinação2/R
2·VCC/RLΔvCE(ωmt) = vp[1 + m·sen(ωmt)] B-2/RL
CE( m ) p[ ( m )]
m = vm/vp
PRF = [ΔvCE(ωmt)]2/(2·RL)iCpico(ωmt)
vCEInclinação 0
Ponto de trabalhoPRF [ΔvCE(ωmt)] /(2 RL)
PCC = VCC·iCpico(ωmt)/π
ΔvCE(ω t) = iC i (ω t)·RL/2 ⇒
VCC
ΔvCE(ωmt) iCpico(ωmt) RL/2 ⇒
PCC = VCC·2·ΔvCE(ωmt)/(π·RL)
η = PRF/PCC = π·ΔvCE(ω t)/(4·VCC)η = PRF/PCC = π ΔvCE(ωmt)/(4 VCC)
η = 0,785·vp[1 + m·sen(ωmt)]/VCC
η = 0 785·v /Vt
ηmed = 0,785·vp/VCC
ηmed max ⇒ vp = VCC/2 ⇒ ηmed max = 39,26%ΔvCE(ωmt)
Circuito básico: montado como Push-Pull (I)
Amplificador “Classe B” com dois transistores (I)Circuito básico: montado como Push Pull (I)
R ’ R / 2Polarização
RL’ = RL/n2Q1 iC1
iRL
+vRg
+ +RL
iRL
-vCE1
VCC-vRL
RL
-
+ -
1 1i
+
vCE2
Q 1:1:niC2
+Q2
Amplificador “Clase B” con dos transistores (II)
Circuito básico: montado como Push-Pull (II)
iB1
Q1 iiRL
180º Q1 iC1+vCE1
iRLiB1 iC1
VCC
- +vRL
180º
VCC
- -vRL
RLiC2
iC2
+
vCE2
Q2
RL
1:1:niB2
iB2
C2
180ºiB2
180º
Amplificador “Clase B” con dos transistores (III)Circuito básico: montado como Push Pull (III)
iC1
Circuito básico: montado como Push-Pull (III)
Reta de carga iC1
IB1
VCC/RL’contínua
Inclinação-1/RL’ B1
R ’ = R /n2R ’ = R /n2
iCpicoPonto de trabalho
vCE2 VCC
vCE1iC1
iC1
iRL
1:1:n
RL = RL/n
iC1iC1
iC1
iRL
1:1:n
RL = RL/n
ttvCE2 VCC
180º +VCC+
vRL
RL
180º180º +VCC+
vRL
++vRL
RL t
iCpico
IB1
V /R ’
iC2
180ºi
-RL
i
iC2
180º
iC2
180ºi
---RL
ii
iC2
VCC/RL’iC2 iRLiC2 iRLiRL
Amplificador “Clase B” con dos transistores (IV)
Cálculo do rendimento máximo possível
PRF = iCpico2·RL’/2
PCC = 2·VCC·iCpico/πiC1
VCC/RL’
Reta de carga contínua
Inclinação
η = iCpico·RL’·π/(4·VCC) ⇒η = 0,785·iCpico·RL’/VCC
IB1-1/RL’
iCpicoPonto de trabalho
Como:i = V /R ’ então: vCE2 VCC
vCE1t t
Ponto de trabalho
iCpico max = VCC/RL , então: ηmax = π/4 = 78,5%
I
vCE2 CC t
iCpico
Como no caso de um transistorIB1
iVCC/RL’
iC2
Situação com o máximo sinal que se pode operarAmplificador “Clase B” con dos transistores (V)
Situação com o máximo sinal que se pode operar
iC1Reta de carga
contínuaVCC/RL’
IB1
ηmax = 78,5% Ponto de trabalho
tηmax ,
Q1 iC1+Q1 iC1+++ VCC
vCE1vCE2 t
t
V
-vCE1
+
iRL
V
-vCE1
--vCE1
+
iRL
+++
iRL
IVCC
-
vCE2
-vRL
RL
VCC
-
vCE2
--
vCE2
-vRL
RL
-vRL
--vRL
RL
IB1
V /R ’iC2
+CE2
Q2 1:1:niC2
+CE2++CE2
Q2 1:1:n1:1:n iC2VCC/RL’
Ganancia de los amplificadores “Clase A” con bobina, “Clase B” con un transistor y “Clase B” con dos transistoresy
Por comodidad, calculamos la “Transresistencia” ΔvRL/ΔiB
iCIB
2·VCC/RL
1/RLΔiC
iCIB
2·VCC/RL
1/RLΔiCEn todos los casos: ΔvRL= VCC, ΔiB = ΔiC/β
vCE
C
vCE
C
iC1
IB1
VCC/RL’ iC1
IB1
VCC/RL’ iC1
IB1
iC1
IB1
iC1
IB1IB1
VCC/RL’
ΔvRL/ΔiB = RL·β
Clase A VCC 2VCCVCC 2VCC
2·VCC/RL
iCIB
2·VCC/RL
iCIB
iCIB
iCIB
iCIB
iCIB
iCIBIB vCE1
B1
ΔiC
vCE1
B1
vCE1
B1
vCE1
B1B1B1
ΔiCΔvRL/ΔiB RL β
ΔiCΔiC VCC
vCE1vCE2
Δi
VCC
vCE1vCE2 VCC
vCE1vCE1vCE2vCE2
ΔiClasse B,2 Trans.
vCE
VCC 2·VCC
vCEvCEvCEvCEvCE
VCC 2·VCCClasse B,1 Trans.
IB1
i
ΔiCIB1
i
IB1
i
IB1
i
IB1IB1
i
ΔiC2 Trans.
iC2 VCC/RL’iC2 VCC/RL’iC2iC2iC2 VCC/RL’ΔvRL/ΔiB = RL·β/2 ΔvRL/ΔiB = RL’·n·β
Comparação entre amplificadores “Classe A”, “Classe B” com um transistor e “Classe B” com dois transistorescom um transistor e Classe B com dois transistores
Amplificador Rendimento máximo
Ganho de tensão
Impedância de entrada iCmax Banda
Cl A 50% R β/r Linear 2 V /R LClasse A 50% RL·β/rBE Linear 2·VCC/RL Larga
Classe B,1 transistor 78,5% RL·β/(2·rBE) Não linear 2·VCC/RL Estreita1 transistor
Classe B,2 transistores 78,5% RL’·n·β/rBE
LinearVCC/RL’ Larga
rBE = resistência dinâmica da junção base-emissorR ’ = R /n2RL’ = RL/n2
Circuitos de polarização das classes A e B
Para a base+VCC
R
+VCC
Para a base do transistor
PolarizaçãoR
LCHPD
LCHP
CPara a base do transistoriB
Classe AInexistente no caso de Push-Pull
VBE
de Push-Pull
0 Classe B
Amplificadores “Classe C”Pode se atingir rendimentos máximos teóricos maiores que 78 5%?
Ci it bá i
Pode-se atingir rendimentos máximos teóricos maiores que 78,5%? O que deve-se sacrificar?
Circuito
Circuito básico
Cressonante
PolarizaçãoL
V
C
VCC VCC
+
+ -iCiRL +
Rg
+ Q -vCE
RL-
vRL
Q1iC
< 180º
Amplificadores “Classe C” lineares (I)
Como conseguir um ângulo de condução menor que 180º?Como conseguir um ângulo de condução menor que 180º?
iC vg
VB+vγBERg +
v
C
VBiBg
t+ -vCE
v
+vBEvg -
iBvγBE
tφC
BγrBE
φC
C i ?Como conseguir proporcionalidade entre iB e vg?
Amplificadores “Classe C” lineares (II)Relações entre as variáveis:
iVg pico·sen(ωt) – (VB + vγBE)
• Si (π φ )/2 < ωt < (π+φ )/2
Relações entre as variáveis:• vg = Vg pico·sen(ωt)
iB = 0• Si ωt < (π-φC)/2 o ωt > (π+φC)/2,
iB =Rg+rBE
• Si (π-φC)/2 < ωt < (π+φC)/2,
• φC = 2·arcos[(VB + vγBE)/Vg pico] vg
Para se obter a proporcionalidade entre iB e vg deve-se: VB+vγBE
- Variar VB+vγBEproporcionalmente a Vg pico.
tiB
- E que φC não varie.
tφC
Amplificadores “Classe C” lineares (III)i
VB+ - C lineares (III)
Rg +iC
iB RB
CB Realização física
+ -vCE+
v vγBEvg -
vBE
v = v + i ·r
γBErBE
VB = (Vg pico – vγBE)·RB/(RB + Rg + rBE)
vBE = vγBE + iB·rBE
g p γ g
VB + vγBE = Vg pico·RB/(RB + Rg + rBE) + vγBE·(Rg + rBE)/(RB + Rg + rBE)
Se Vg pico·RB >> vγBE·(Rg + rBE), então:g pico B γBE ( g BE)
VB + vγBE ≈ Vg pico·RB/(RB + Rg + rBE) ou seja, proporcional.
Como: vg = VB + vγBE + (Rg + rBE)·iB ⇒ vg >> vBE ⇒ Pequeno Ganho.g B γBE ( g BE) B g BE q
Amplificadores “Classe C” lineares (IV)
V i ·sen(ωt) – (VB + v BE)
Como:
L CL C
φ = 2·arcos[(V + v )/V ]
iB =Rg+rBE
Vg pico sen(ωt) (VB + vγBE)L
VCC+ -iCVCC
L
VCC+ -iCVCC
φC = 2 arcos[(VB + vγBE)/Vg pico]Então:i = [sen(ωt) – cos(φ /2)]· V /(R +r )
+vCE R
CiRL +
vRL
++vCE R
CiRL ++
vRLiB = [sen(ωt) – cos(φC/2)] Vg pico/(Rg+rBE)e, portanto:i = [sen(ωt) – cos(φ /2)]·β·V /(R +r )
β - RL-β -- RL--
iC = [sen(ωt) – cos(φC/2)] β Vg pico/(Rg+rBE)O valor de pico vale:iC i = [1 – cos(φC/2)]·β·V i /(R +rBE)
iCiCpico = [1 – cos(φC/2)] β Vg pico/(Rg+rBE)Ou seja:
i = i ·sen(ωt) – cos(φC/2)
ICpico
iC = iCpico·1 – cos(φC/2)φc
Amplificadores “Classe C” lineares (V)
( t) ( /2)iC = iCpico·
1 – cos(φC/2)sen(ωt) – cos(φC/2)
IC = ·1 – cos(φC/2)
sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)iCpico
π• Componente contínua: (φC )
φC– senφCiCpicoiCca1(ωt) = · ·sen(ωt)1 – cos(φC/2)2π• 1º harmônico:
• Demais harmônicos
LC +
vO resto dos
IC iCca1iC L RL -
vRLArm.
harmônicos se curto-circuitam no capacitorp
Circuito equivalente de corrente alternada
Amplificadores “Clasde C” lineares (VI)Circuito equivalente de corrente alternada
iCca1(ωt) +iCca1(ωt)φC– senφCiCpicoiCca1(ωt) = · ·sen(ωt)1 (φ /2)2π
Portanto:RL -
vRLt
Cca1( ) ( )1 – cos(φC/2)2π
Portanto:
vRL(ωt) = -RL·iCca1(ωt)v (ωt) = v (ωt) = -R ·i (ωt)vce(ωt) = vRL(ωt) = -RL iCca1(ωt)
vce = -RL· sen(ωt)·1 – cos(φC/2)
φC– senφCiCpico
2πL C
VCC
L C
VCC(φC )Ou seja:
VCC
+
+ -iCiRL
CC
+VCC
++
+ -iCiRL
CC
++v = · i ·sen(ωt)
φC– senφCRL
β -vCE RL-
vRL
β --vCE RL--
vRLvce = - · iCpico·sen(ωt)
1 – cos(φC/2)2π
Amplificadores “Classe C” lineares (VII)Como:
φ φRRetas de carga, ponto de trabalho (estático) e variação
do ponto de trabalho
vce = - · iCpico·sen(ωt)1 – cos(φC/2)
φC– senφCRL
2π
Então:
i
p
Reta de carga
Então:ΔvCE = · iCpico1 – cos(φC/2)
φC– senφCRL
2πiC
IBReta de carga
contínua Ou seja:ΔvCE = RL’·iCpico
Incl.
carga
RL’ = · 1 – cos(φC/2)φC– senφCRL
2π
sendo:
iCpicoIncl. -1/RL’
vCEVCC
t
vCE0Cálculo de vCE0:vCE0 = VCC –
Δv
φCt π-φC
2ΔvCE·cos(φC/2)
Valor da inclinação da “reta de carga”:
tΔvCE -1/[RL’·(1 – cos(φC/2)]
Cálculo do rendimento máximo possível (I)
Amplificadores “Classe C” lineares (VIII)Cálculo do rendimento máximo possível (I)
PRF = (ΔvCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL’)2/(2·RL) iC
II li ãφ senφR IBInclinação-1/[RL’·(1 – cos(φC/2)]
iCP V I
RL’ = ·1 – cos(φC/2)
φC– senφCRL
2π
ICV
iCpico
vCE0
PCC = VCC·IC
IC =[1 (φ /2)]
sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)·iCpico
vCE
VCC
φCt π-φC
2
vCE0
η = P /P ⇒
π·[1 – cos(φC/2)] p
tΔvCE
2η = PRF/PCC ⇒
4·VCC·[sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)]
iCpico·RL’·[φC– senφC]η = PRF/PCC =
i /[R ’ (1 ( /2)] [V (1 ( /2))]/[R ’ (1 ( /2)]
Logo η cresce com iCpico. Calculamos o valor máximo:
iCpico max = vCE0 min/[RL’·(1 – cos(φC/2)] = [VCC(1 – cos(φC/2))]/[RL’·(1 – cos(φC/2)] ⇒iCpico max = VCC/RL’
Cálculo do rendimento máximo possível(II)
Amplificadores “Classe C” lineares (IX)Cálculo do rendimento máximo possível(II)
[φ – senφ ]
Sustituindo iCpico por iCpico max:Situação com o máximo sinal
4·[sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)]
[φC– senφC]ηmax =
[%][%]
iCque se pode operar
100
90
ηmax [%]100
90
100
90
ηmax [%]IB
Inclinação1/[R ’ (1 cos(φ /2)]
iCpico max
Cl B
Clase C (ejempl.)
80
70
60
80
70
60
80
70
60IC
-1/[RL’·(1 – cos(φC/2)]
Incl. -1/RL’Clase A
Clase B
500 90 180 270 360
φC [º]
500 90 180 270 360
500 90 180 270 360
φC [º] vC
VCC
φCt π-φC
vCE0 2·VCC
E
tΔvCE
2
(VCC - vCE sat)·[φC– senφC]
Rendimento máximo real:
t4·VCC·[sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)]
( CC CE sat) [φC φC]ηmax real =
Amplificadores “Classe C” lineares (X)
Resumo das características:
Linearidade: Difícil, sacrificando o ganho.
Rendimento máximo: Alto, 80-90 %.
Ganho: Baixo.
Impedância de entrada: Não muito linear.
Corrente de coletor: Picos altos e estreitos.
Largura de banda: Pequena.Largura de banda: Pequena.
ATE-UO EC amp pot 53
Amplificadores “Classe C” “não lineares” (I)O transistor trabalha “quase” em comutação
Circuito tL C
O transistor trabalha quase em comutação
iressonanteL
VCC+ -VCC
iC
L R
C +vRLVVCC
+R
+ -iCiRL +
• O circuito ressonante vibra
L RL -VCC
-vCE
RL-
vRL
i
• O circuito ressonante vibra livremente e repõe a energia que transfere a carga nos períodos de iC condução do transistor.
• O valor de pico da tensão de saída é i d t l dé aproximadamente o valor da tensão de alimentação:
v = V ·sen(ωt)vRL = VCC·sen(ωt)
• O rendimento é bastante alto.
Amplificadores “Classe C” “não lineares” (II)Modulador de amplitudeModulador de amplitude
Amplificador
-
vVCC’ = VCC+vtr
pde potência
de BF +
vtr vtr
L C +-
VCC’ vCC’
v
VCC+ -iC
VCC’iCvCC
+v RL
iC+
vRL v
Q1-
vCERL
-vRL vRL
Amplificadores “Classe D” (I)Circuito básico
+VCC
Circuito básico
iC1 iD1 iLD1
Q1 i VCC/2
L
vRL
+L
iC2
Q1
iD2
A
+
iL+ -
VCC/2
-vRLRL
CC2
D2
iD2 +
-vA
Q2-
vAVCC/2
-VCC/2
Amplificadores “Classe D” (II)Análise
vAVCC/2
+ H ô i
vRLΔvRL
Análise
+VCCA
-VCC/2
= + Harmônicos
D
iC1 iD1ΔvRL = (VCC/2)·4/π = 2·VCC/πLogo a tensão de saída é proporcional a D1
Q1 AiL VCC/2de alimentação ⇒ Pode-se utilizá-lo como modulador de amplitude.
L +vC
iC2 iD2 ++ -
• Menor frequencia de
-vRLRL
CD2
Q2-vA
Menor frequencia de operação, porque os transistores trabalham em comutação. Q2 ç
Amplificadores “Classe D” e “Classe E”Classe D Classe Ev
vAiL
Classe D Classe EvAiL
vAiL
L
Comutação forçada pelos diodos: bloqueiam quando os
+V+V+V+V
iC1 iC1
i
diodos: bloqueiam quando os transistores entram em condução.
+VCC
iC1 iD1
+VCC
iC1 iD1
+VCC
iC1 iD1
+VCC
iC1 iD1
iC2
iC2
iD1
D1
Q1 AiL VCC/2
D1
Q1 AiL VCC/2
D1
Q1 AiL VCC/2
D1
Q1 AiL VCC/2 iD2
L +
-vRLRL
C
iC2
D2
iD2 +vA
+ - L +
-vRLRL
C
iC2
D2
iD2 +vA
+ - +
-vRL
+
-
+
-vRLRL
C
iC2
D2
iD2 +vA
+ -
RLC
iC2
D2
iD2 +vA
++vA
+ - Comutação natural pelos diodos: bloqueiam quando se inverte a corrente ressonante.-LD2
Q2- -LD2
Q2- ---LD2
Q2- LD2
Q2---
Exemplo de um esquema real de amplificador de potência (obtido do ARRL Handbook 2001)pAmplificador linear Classe B em Push-Pull
Push-Pull
Filtro passa-baixa
Polarização
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