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Eletrônica Aula 06
CIN-UPPE
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Amplificador básico (classe A) ! Amplificador básico
– É um circuito eletrônico, baseado em um componente ativo, como o transistor ou a válvula, que tem como função amplificar um sinal de entrada e suas variações (corrente e tensão). Esta amplificação será refletida em uma carga Rc, de onde o sinal amplificado é retirado.
http://myspace.eng.br/eng/ampclas1.asp#clas_a
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Amplificador básico
C1, atua como filtro. R3 é utilizado para melhorar a polarização, mas é eliminado para sinais AC.
Filtra sinal DC
Sinal de entrada
Polarização Sinal efetivo em N
Componente DC e CA
R1, R2, R3 e RC são usados para polarização do transistor
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! Amplificador com transistor – Polarização CC (visto na aula 4) – Acoplamento CA
! Após a polarização do transistor no ponto Q, próximo ao centro da reta de carga, podemos aplicar uma tensão CA na base do transistor.
! Esta tensão é amplificada e aparece no coletor do transistor com a mesma forma da onda da base.
! Observem que nesta configuração o sinal é invertido na sáida
RG
RL
CE
C2
C1
VCC
Amplificador básico
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! O capacitor em circuitos que trabalham com sinais AC podem ser usados para duas funções básicas: – Permite que apenas os sinais CA sejam transmitidos pelo circuito
amplificador. – Curto circuitar sinais CA acima de determinada freqüência. (filtro).
! Esta fórmula mostra que a reatância é inversamente proporcional ao valor da freqüência. Ou seja, quanto maior for a freqüência menor será a reatância capacitiva.
! Assim: ! Para sinais DC os capacitores funcionam como circuitos
abertos. ! Para sinais CA, de alta freqüência, os capacitores
funcionam com curto-circuito.
XC = 1/2πfC
! Esta característica está diretamente associada ao valor da reatância capacitiva do capacitor:
Análise CA – Acoplamento com capacitores
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! Função do capacitor – Em baixa freqüência o capacitor atua como um circuito aberto
• I = 0 – Em alta freqüência o capacitor conduz, deixando passar a
componente alternada do sinal (CA) • I = VG/(RG+R2) • Está corrente é a corrente máxima que pode circular no
circuito, considerando-se que a reatância capacitiva tende a zero em alta freqüências.(reatância capacitiva tende a zero)
I
VG
Análise CA – Acoplamento com capacitores
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! Em um circuito CA o valor do capacitor deve ser tal que o mesmo deve agir como curto (valor relativo pequeno de resistência) na menor freqüência de operação desejada. – Exemplo:
• Se desejamos amplificar sinais acima de 20 Hz, devemos dimensionar o capacitor para que ele funcione como “curto circuito” a partir de 20 Hz.
XC < 0,1 (RG+R2)
– O capacitor neste estágio (ou seja a reatância capacitiva) deve interferir o mínimo possível na corrente do circuito (trabalhar em curto – circuito). Isto significa que sua reatância capacitiva deve ser baixa. Em geral, este valor, deve ser no máximo 10% do valor da resistência da malha:
Análise CA – Acoplamento com capacitores
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! Corrente no circuito RC:
– Para XC < 0,1 R – Com R = RG+R2
– I = VG/√ 1,01R2 => I = 0,995 VG/R
– Esta corrente é apenas 1% menor que a corrente máxima do circuito, dada por I = VG/R, afetando o mínimo o comportamento do circuito. Assim, podemos tratar um capacitor como em curto-circuito quando sua reatância for pelo menos 10 vezes menor que a resistência total do circuito.
I = V/Z => I = VG/√ (R2+XC2)
I = VG/√ (R2+0,1R2)
XC
R
Z
Análise CA – Acoplamento com capacitores
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Capacitor de desvio (bypass) ! Neste tipo de circuito, o capacitor é colocado em paralelo com o
resistor. ! O efeito prático deste circuito é desviar a corrente do resistor
em freqüências altas, através do efeito de curto-circuito, criando um terra virtual. Neste caso, a tensão sobre o resistor cai para zero (em altas freqüências).
fh frequência na qual o capacitor se comporta como curto-circuito, ou melhor, sua reatância capacitiva chega a aproximadamente 10% da impedância a qual o capacitor está acoplado.
A alta freqüência de quina:
Terra CA
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Amplificador básico
! Amplificador com transistor (Exemplo) - Classe A (emissor Comum)
! Análise CA
RG
RL
CE
C2
C1
VCC
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Análise CA ! Para se fazer a análise CA é necessário:
– Eliminar as fontes DC. – Curto-circuitar todos os capacitores. – Combinar os resistores, R1, R2, substituindo-os pelo seu
equivalentes (RB). – Combinar R4 e RL
R1 R2 RL
Modelo CA de
um transistor
vi
vo
zi
ii zo
iC
R4
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Parâmetros de Análise - CA ! Impedância de entrada (Zi) ! Impedância de saída (Zo) ! Ganho de tensão (Av) ! Ganho de corrente (Ai)
Modelo CA de
um transistor Zi Zo
ii
vi
io
vo
Av = vo/vi
Ai = io/ii
RL
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! Modelo r’e do transistor – Este modelo emprega um diodo e uma fonte de corrente
controlada para modelar o transistor na região de interesse. Este modelo é sensível ao valor cc de operação do amplificador.
! Modelo híbrido equivalente do transistor – Os parâmetros híbridos (V e I) são definidos em um ponto de
operação do transistor.
Ambos os modelos são usados para análise CA de um BJT
Modelo de um BJT para pequenos sinais
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Operação em pequeno sinal
! O ponto de operação de um amplificador (ponto Q) é importante, desde que este representa o ponto de funcionamento DC do amplificador.
Q (ponto de operação)
Q (ponto de operação)
VBE
IB
Distorção da onda (indesejável p/amplificadores de alta fidelidade)
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Modelo r’e do transisor (modelo CA)
! Configuração emissor comum
IC = βIB
IE =(β+1)IB ≅ βIB (β>>1)
IC = βIB
IB IE
C
B
E
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! Cálculo da Impedância de entrada (Zi) – Cálculo em função de ib e vbe
iC = βIB ii =iB
IE
C
B
E
vbe r’e vi zi
Modelo re do transisor (modelo CA)
Zi = vi/ii=vbe/iB≅iE.r’e/iB= βiB.r’e/iB= β.r’e
Resistência entre base e emissor(diodo)
zi = βr’e r’e
r’e = 25mV/IE a 50 mV/ IE
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Resistência CC e CA ! Resistência CC no transistor:
– RCC = V/I, onde V é a tensão do diodo base-emissor (0,7V) e I é a corrente de operação do transistor.
• Exemplo para IE = 1mA, RCC = 0,7V/1 mA = 700Ω ! Resistência dinâmica CA do transistor:
– Esta resistência é a variação da tensão base-emissor dividida pela variação de corrente no emissor.
– RCA = ΔvBE/ ΔiE • Exemplo para ΔvBE = 1m V e ΔiE = 40 µA,
– RCA = 1mV/40 µA = 25Ω ! Regra prática:
– A resistência CA aplicada a todos os transistores varia de acordo com a temperatura de operação do transistor. Para 25 oC:
– Esta equação se baseia em uma junção base-emissor perfeita e depende da temperatura de operação do transistor.
– Este efeito resistivo ocorre dentro do transistor.
RCA = 25mV/ IE ou r´e = 25mV/IE a 50 mV/ IE
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! Cálculo da impedância de saída (zo) – Cálculo em função de ic e vce
Modelo r’e do transisor (modelo CA)
ro
zo
c
e
Inclinação = Δic/ Δvce = 1/ro
Δic
Δvce
Quanto maior for a inclinação menor será a impedância de saída. Como trabalhamos em geral na região onde Δic é muito pequeno, a impedância de saída é muito grande, no ponto de Operação (ponto Q).
Δvce
Δic
Q Δic
Δvce
Alta impedância
Baixa impedância
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Modelo r’e do transisor (modelo CA)
zi zo
Ganho de tensão (ro ≅ ∞ Ω):
Av = vo/vi= βIB.RL/ βiB.r’e= RL/r’e
Ganho de corrente(ro ≅ ∞ Ω):
Ai = io/ii= ic./ iB=β= hfe
RL
Parâmetros de análise CA do transistor para pequenos sinais:
- Impedância de entrada (Zi)= βr’e (r’e = 25mV/IE) p/25 oC - Impedância de saída (Zo)= ro - Ganho de tensão (Av)= vo/vi= βIB.RL/ IB.βr’e= RL/r’e - Ganho de corrente (Ai)= io/ii= ic./ IB=β= hfe
‘
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Modelo híbrido ! Um circuito elétrico formado por elementos lineares pode ser
representado por um único dispositivo denominado quadripólo, de modo a ser modelado matematicamente.
! As quatro variáveis envolvidas no modelo(i1,i2,v1,v2 ) podem ser relacionadas entre si através de funções lineares, ficando duas variáveis independentes e duas dependentes.
! O tipo de modelo que fixa a tensão de entrada v1 e a corrente de saída i2 como variáveis dependentes e a corrente de entrada i1 e a tensão de saída v2 como variáveis independentes é denominado modelo híbrido h. Parâmetros híbridos por terem dimensões diferentes.
! Para relacionar essas tensões e correntes, o quadripólo deve ser formado por quatro parâmetros internos, definindo assim duas funções lineares da seguinte forma:
http://dc146.4shared.com/doc/-Qg_UB-Y/preview.html
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Modelo de transistor BJT para pequenos sinais – CA – modelo híbrido equivalente
! O modelo DC, em geral utilizado para polarização de transistores, não consegue representar adequadamente as pequenas variações CA.
! Em BJT, existem 4 parâmetros de interesse: – iB, iC, vBE,vCE
Onde iB e vCE são variáveis independentes do sistema, enquanto que ic e vBE são variávies dependentes.
VCE
Onde: vBE= f1(vCE,iB)
iC = f2(vCE,iB)
vBE= f1(vCE,iB)
iC = f2(vCE,iB) iB
vCE vBE
Amplificador Emissor Comum
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Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA
! VBE como função de iB e vCE
! Se partimos da suposição de que as variações de um sinal em torno do ponto de polarização são pequenas, podemos supor que os parâmetros híbridos do transistor vão ser constantes.
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Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA
! iC como função de iB e vCE
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! Considere os parâmetros iB, iC, VBE, VCE do transistor operando no ponto Q (ponto de operação) – iB = IB+ΔiB
– vCE = VCE+ΔvCE
Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA
" As mudanças ΔiB e ΔvCE resultam nas mudanças CA de vBE e ic que podem ser encontradas pela série de Taylor na região vizinha ao ponto Q, ou seja:
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! As derivadas parciais são calculadas no ponto Q:
! Podemos denotar as mudanças CA em vBE e iC como ΔvBE e ΔiC por:
– vBE(IE+ΔiB, VCE+ΔiCE)=VBE+ΔvBE
– iC(IE+ΔiB, VCE+ΔiCE)=iC+ΔiC
! Aplicando um pequeno sinal CA nós mudamos iB e vCE com pequenos valores ΔiB e ΔvCE que faz com que o transistor responda mudando vBE e IC, ΔvBE e ΔiCE.
Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA
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Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA
! Respostas do transistor a sinais CA são dadas por:
" As derivadas parciais são as inclinações das curvas próximas ao ponto de operação Q.
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! A resposta do transistor para pequenos sinais CA é dado por:
Modelo de transistor BJT para pequenos sinais - CA
" Considerando as derivadas parciais próximas ao ponto de operação Q. Definimos então os parâmetros:
Onde: hie - impedância de entrada do transistor, dado em Ohms (Ω) hre - sem unidade (adimensional) - Representa a dependência da curva IB-VBE do transistor sobre o valor de VCE. É geralmente muito pequenas e é muitas vezes negligenciada (presume-se zero) hfe - sem unidade (adimensional) (ganho de corrente) hoe – condutância de saída, dado em mhos (Siemens)
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Determinação gráficas dos parametros h (exemplo real)
hfe
hoe
http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-5-teoria.pdf
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Determinação gráficas dos parametros h (exemplo real)
hie
hre
http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-5-teoria.pdf
![Page 30: Eletrônica - cin.ufpe.brcin.ufpe.br/~es238/arquivos/aulas/aula_06.pdf · de um transistor Z i Z o i i v i i o v o A v = v o/v i A ... Modelo híbrido equivalente do transistor –](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022022106/5be483d309d3f219598ce812/html5/thumbnails/30.jpg)
Parametros híbridos para diferentes configurações
Parametro Emissor Coletor Base comum comum comum
http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-5-teoria.pdf
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Modelo híbrido (h)
! Modelo equivalente da entrada do transistor
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Modelo híbrido (h)
! Modelo equivalente da saída do transistor
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Modelo híbrido (h)
! Modelo equivalente da entrada/saída do transistor
! O modelo equivalente de pequeno sinal é matematicamente válido apenas para sinais de pequena amplitude.
! Os parametros h são fornecidos pelo fabricante do dispositivo. Estes parâmetros podem mudar substancialmente dependendo do fabricante.
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! Parâmetros híbridos (típicos) – transistor 2N3904
Mínimo Maximo Medio
Modelo híbrido (h) - exemplo
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! Desconsiderando o componente hre, o qual é muito pequeno e usualmente ignorado em modelos analíticos, chegamos a um modelo denominado hibrido-π.
! Assim:
Modelo híbrido (h)
Ou melhor
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Modelo híbrido (h)
! Modelo híbrido-π através de uma fonte de corrente controlada.
βre ‘
hie=hfe.r’e = β.r’e
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Exemplo - Amplificador Emissor Comum ! Características:
– Inversão de fase em 180o entre os sinais de entrada e saída – O capacitor de saída bloqueia a tensão CC – Não deve há tensão CA no emissor na freqüência de trabalho – Não há tensão CA na fonte de alimentação devido ao filtro da
fonte.
CE
C2
VCC
Inversão de fase (180o)
C1
RC
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Análise do circuito ! Modelo CA para circuito com polarização por divisor e tensão:
Vi
R1 R2
βre
R’=R1 || R2
! Calcular: a) r’e – 25mV/IE (resistência do emissor)
b) Zi – impedância de entrada c) Zo – impedância de saída
d) Ganho de tensão Av (Av = Vo/Vi) e) Ganho de corrente Ai (Ai = io/ii)
Zi Zo
Zo =RC || ro
iC io ii
‘
Zi =R’ || βre ‘
vo
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! Impedância de entrada Zi: Zi =R’ || βr’e Onde R’ = R1||R2 = R1.R2/(R1+R2)
! Impedância de saída Zo: Zo =RC || ro
! Ganho de tensão: Av = vo/vi Onde vo = iC. Zo = -(βiB)(RC || ro) vi = iB.(βr’e) Portanto: Av = vo/vi = - (RC || ro)/r’e
Se ro>> RC Av = - RC/r’e
! Ganho de corrente: Ai = io/ii Onde io = βib- v0/ro
onde v0 = io.RC Logo: io = βib- i0.Rc/ro => io(1+Rc/ro) = βib
Assim, o ganho de corrente pode ser dado por:
Ai = io/ii = io/iB => Ai = β/(1+Rc/ro) Como em geral ro>> RC , temos
Ai ≅ β
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Polarização AC - problema Este tipo de montagem, com a inclusão de RE1 faz com que o circuito amplificador independa mais das características do transistor (r’e).
A solução com a adicão de um resistor RE1 ao emissor, faz com que o sinal AC veja uma resistência de emissor de RE1. Para o sinal DC, esta resistência é dada agora por RE =RE1+RE2.
As fórmulas para o amplificador emissor comum podem ser aplicadas aqui, substituindo r’E por r’e+RE1 na determinação do ganho do amplificador, no modelo AC. Na análise AC Cb remove RE2 do circuito.
Vantagens: - Aumenta a impedância de entrada - Mais estável em relação a variação de r’e
Desvantagem: - Reduz o ganho do circuito
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Transistor
BC546, BC547
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