seminario

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

amplificadores Classe B 97.doc
Seminário Eletrônica II		 Amplificadores Classe B
�
Índice
1
Introdução ao Estudo dos Amplificadores
..................................
4
2
Amplificadores de Potência
..................................
5
3
Amplificadores Classe B
..................................
7
3.1
Classe B em detalhes
..................................
7
4
Polarização do Amplificador Classe B
..................................
11
5
Potência do Amplificador Classe B
..................................
12
5.1
Potência de Entrada (DC)
..................................
12
5.2
Potência de saída (AC)
..................................
12
5.3
Potência dissipada pelos transistores
..................................
12
5.4
Considerações de Máxima Potência
..................................
12
6
Exemplos
..................................
13
7
Distorções no Amplificador Classe B
..................................
15
7.1
Distorção Cross-Over
..................................
15
7.2
Relação Sinal-Ruído
..................................
16
8
Distorções harmônicas, harmônicas totais e 2o harmônico
..................................
17
8.1
Distorções harmônicas 
..................................
17
8.2
Harmônicas totais
..................................
17
8.3
2º harmônico
..................................
17
9
Potência de sinal com distorção
..................................
19
10
Exercícios
..................................
20
Bibliografia
..................................
22
�
1 – Introdução ao Estudo dos Amplificadores
Quando falamos em amplificadores, pensamos logo em amplificadores de potência e, mais especificamente em amplificadores de áudio. No entanto o conceito de amplificação é um conceito bastante genérico.
Um amplificador pode ser representado por um macro modelo com dois terminais de entrada e dois de saída que recebe um sinal de entrada, e fornece uma versão amplificada deste sinal para um dispositivo de saída ou outro dispositivo amplificador.
A entrada é vista como uma carga (impedância) para qualquer circuito conectado a ela (microfones, cápsulas fonográficas, gerador) e a saída pode ser representada por uma fonte de tensão com uma impedância interna. A fonte de tensão de saída é a tensão de entrada multiplicada por um fator. Esse fator, representa o ganho do circuito amplificador. 
O fator que determina o tipo de classe de operação de um amplificador, é o modo como os transistores do estágio de saída operam na tentativa de se obter maior linearidade e/ou rendimento.
Diagrama em blocos de um amplificador básico
Onde:
Vg: Tensão do gerador;		Vi: tensão de entrada;
Vo: tensão de saída;		VL: Tensão na carga;
Zi: impedância entrada;		Zo: impedância de saída;
A: Fator de Ganho 
�
2 - Amplificadores de Potência
Os amplificadores para grandes sinais, ou amplificadores de potência, fornecem potência suficiente a uma carga de saída a fim de acionar um dispositivo de potência, tipicamente na faixa de alguns watts a dezenas de watts. As características principais de um amplificador de potência são a eficiência de potência do circuito, a máxima quantidade de potência que o circuito é capaz de oferecer, e o casamento de impedância com dispositivo de saída. 
Ao utilizarmos amplificadores de potência, cuja finalidade seja excitar um transdutor qualquer, e que este elemento necessite de elevada potência para seu acionamento, a escolha dos componentes, os métodos de cálculo, enfim todas as considerações acerca do projeto desse novo estágio, serão bem diferentes das adotadas para o projeto de circuitos pré-amplificadores, que trabalham com sinais de baixo nível. Dessa forma, devemos levar em consideração qual a potência que deverá ser obtida, qual será a de corrente e tensão do coletor ambas aliadas a um mínimo de distorção exigido.
Além dos aspectos abordados, é imprescindível levar em conta o item temperatura, sobre a qual devemos ter total controle. Para isso utilizamos métodos adequados de escolha de componentes e lançamos mão do uso de dissipadores de calor. 
Os amplificadores de potência estão divididos por classe, que representam a variação do sinal de saída, sobre um ciclo de operação, para um ciclo completo do sinal de entrada, levando sempre em conta o fator eficiência.
Abaixo, apresentaremos princípios básicos e principais características de algumas dessas classes de operação. 
Amplificadores Classe A: a variação do sinal de saída é de um ciclo completo de 360º, sobre o sinal de entrada. Isto requer que o transistor a ser utilizado seja polarizado em um nível que em pelo menos metade da oscilação do sinal de saída, ele possa variar para cima e para baixo, sem ser restringido pela tensão da fonte de alimentação ou atingir 0 V. O ponto quiescente do transistor encontra-se no meio da reta de carga, oscilando somente na região linear da curva do transistor.
Amplificadores Classe B: O sinal de saída fornecido por um circuito classe B varia sobre a metade do ciclo do sinal de entrada, ou seja, varia de 180o (semiciclo). Isto ocorre porque o transistor do amplificador trabalha com o ponto quiescente próximo a região de corte. 
Amplificadores Classe AB: no amplificador classe AB, a oscilação do sinal de saída ocorre entre 180º e 360º. Neste tipo de amplificador, o ponto de operação se encontra em uma região intermediária do centro da reta de carga ao ponto de corte.
Para obter uma amplificação completa do sinal de entrada, também é necessário uma amplificação do tipo “push-pull”;
Amplificador Classe C: o sinal de saída opera em menos de 180º do sinal de entrada do amplificador; o ponto de operação do transistor está situado dentro da região de corte, de maneira que o transistor conduz menos que a metade de um sinal senoidal aplicado à sua entrada.
Amplificadores classe D: esta classe de amplificadores opera usando sinais pulsados (digitais), ligados por um curto intervalo de tempo e desligados por um longo intervalo (usando circuitos de amostragem-e-retenção) para recriar a saída de muitos trechos do sinal de entrada. A vantagem desta classe é que o amplificador está ligado (usando potência) apenas por curtos intervalos, tornando a eficiência global muito alta.
Classe
A
B
AB
C
D
Ciclo de operação
360º
180º
180º a 360º
Menor que 180º
Operação por pulsos
Eficiência de Potência
25 a 50%
78,5%
Entre 25% e 78,5%
_
Acima de 90%
Comparação de classes de amplificadores*
Figura 1: formas de onda de corrente para transistores em estágio: (a) classe A, (b) classe B, (c) classe AB, (d) classe C
*Classe C geralmente não é usado para transferir grandes quantidades de potência; portanto, a eficiência não é dada.
�
3 - Amplificadores Classe B
Em um amplificador classe B, utiliza-se um par
de dispositivos (transistores) com a particularidade de que cada dispositivo conduz alternadamente por um ângulo de 180º do sinal de entrada, ou seja, um dispositivo amplifica o semiciclo positivo, e o outro, o semiciclo negativo. 
Figura 2: Circuito Classe B
O amplificador classe B possui um alto rendimento da conversão da tensão de alimentação CC em tensão alternada de sinal CA, com uma menor dissipação de potência nos transistores.
Em contrapartida, os amplificadores classe B ampliam significativamente o problema da distorção, pois surge a distorção Crossover (cruzamento de zero), que acontece entre a passagem do semiciclo positivo para o semiciclo negativo. Nesta passagem ocorre que, em determinado período de tempo, ambos os transistores estão simultâneamente cortados não ocorrendo amplificação do sinal.
3.1 – Classe B em detalhes
Quando a tensão de entrada é igual a zero os dois transistores estarão em corte e a tensão de saída é nula.
Quando a tensão de entrada varia positivamente e ultrapassa 0,5 V, o transistor T1 conduz e funciona como seguidor de emissor. Neste caso, a tensão de saída segue a tensão de entrada (v0=v1-vBEM) e T1 fornece corrente à carga. Enquanto isso, a junção base-emissor de T2	 estará reversamente polarizada pela tensão base-emissor de T1 (aproximadamente 0,7 V), e T2 estará em corte.
Quando a tensão de entrada varia negativamente e ultrapassa -0,5 V, T2 entrará em condução, funcionando também como seguidor de emissor, e novamente a tensão de saída seguirá a tensão de entrada (v0=v1 + vEBP), com T2 fornecendo corrente à carga e T1 entrando em corte.
Figura 3: Polarização Classe B
�
3.2 – Configurações de circuitos classe B
Existem várias configurações possíveis de circuitos para se obter operação classe B. Abaixo, apresentaremos as mais comuns.
3.2.1 – Circuitos Push-Pull Acoplados a Transformador
Este circuito usa um transformador de entrada com derivação central para produzir sinais de polaridades opostas para os 2 transistores de entrada e um transformador de saída para acionar a carga num modo de operação push-pull.
Figura 4: Circuito push-pull acoplado a transformador
Uma desvantagem desta configuração é que o trafo de saída é uma fonte inerente de distorção, já que a curva de histerese do mesmo é altamente não linear.
3.2.2 – Circuitos de Simetria Complementar
Este circuito utiliza transistores complementares (NPN e PNP) de modo a obter um ciclo completo de saída, usando meio ciclos de operação de cada transistor. Um único sinal de entrada é aplicado na base dos transistores que conduzem em meio ciclos opostos da entrada. 
Figura 5: Circuito push-pull com simetria complementar
Uma das desvantagens desta configuração é a necessidade da utilização de duas fontes de tensão separadas e a outra é a existência da distorção crossover.
				
�
4 - Polarização do Amplificador Classe B
Tomando o circuito abaixo, para polarização dos transistores Q1 e Q2, temos que levar em consideração a fonte DC de entrada juntamente com a carga que vai ser ligada, porque será o RL que ira limitar a corrente máxima que ira passar pelo transistor.
A impedância de entrada será:
A corrente que irá circular em cada transistor vai depender da carga que vamos colocar no circuito, logo iremos ter em cada transistor como potência máxima quando ele estiver conduzindo :
Verificando nas características do transistor e escolhendo o qual se encaixa no seu projeto .
O cálculo da fonte simétrica que vai ser usada, consiste em semiciclos da onda com pico de 
. Portanto, a corrente média drenada da fonte de alimentação simétrica será 
. Isso implica que a potência média exigida da fonte de alimentação simétrica será a mesma:
�
A impedância de saída será:
5 - Potência do Amplificador Classe B
5.1 - Potência de entrada (DC)
Como já foi dito, cada transistor irá amplificar meio ciclo do sinal de entrada, isto significa que a fonte será solicitada a cada meio ciclo (como se fosse um retificador de onda completa) logo podemos escrever que: 
Então a potência fornecida pela fonte será: 
5.2 - Potência de saída (AC)
Pot. de saída eficaz Eficaz: 
5.3 - Potência dissipada pelos transistores
A potência dissipada pelos transistores e dada pela potência da fonte (potência consumida) menos a potência de saída:
5.4 – Considerações de máxima potência
A potência máxima de saída liberada para a carga quando em operação em classe B 
Máxima 
A corrente de pico é dada por: 
 e o valor máximo de 
Calculando o valor máximo da potência de entrada: 
Máxima 
(máximo 
)=
�
a eficiência máxima:
máximo 
Quando o sinal de entrada resulta numa oscilação menor do que a máxima oscilação do sinal de saída, a eficiência do circuito é menor do que 78,5%.
Em classe B a máxima potência de dissipada pelos dois transistores de saída ocorre quando a tensão de saída através da carga : 
 
A dissipação máxima de potência do transistor é: máxima 
6 - Exemplos
Um amplificador classe B fornece 8 Vpp de sinal para uma carga de 4 ohms sendo que a tensão fornecida pela fonte é de 13,4V. Determine:
Potência de entrada
Potência de saída
Eficiência do circuito
Potência dissipada pelos transistores de saída
Operando em classe B, quando a potência máxima na saída estará na carga
Resolvendo:
Com 8 Vpp de sinal e carga de 4 ohms teremos Ipico na carga:
	
Corrente necessária da fonte de alimentação:
Potência fornecida pela fonte de tensão:
	
Potência de saída:
	
Eficiência do amplificador:
	
potência dissipada pelos transistores de saída:
É necessário que seja dissipado o calor dos transistores. Este calor é dado pela diferença entre a potência de entrada liberada pelas fontes e a potência de saída liberada para a carga.
	
Sendo que está é a potência dissipada pelos 2 transistores
	
Operando em classe B a potência máxima na saída estará na carga quando 
.
 
a 
 e 
Sendo que o valor:
A eficiência circuito será menor que 78,5 % enquanto a oscilação do sinal de entrada for menor do que a máxima oscilação do sinal de saída entrada.
�
7 – Distorções no Amplificador Classe B
Apesar do menor consumo e do aumento do rendimento em relação ao classe A, o amplificador em classe B apresenta uma desvantagem, a qual é denominada de Distorção. 
Um sinal senoidal puro tem uma única frequência, na qual a tensão varia positivamente e negativamente pelo mesmo valor. Um sinal que varie menos do que um ciclo completo (360o) é considerado como tendo distorção.
Um amplificador ideal é capaz de amplificar um sinal senoidal puro onde a forma de onda resultante ainda é um sinal senoidal de frequência única. Quando ocorre distorção, a saída não será uma duplicata exata (a não ser em amplitude) do sinal de entrada.
A distorção pode ocorrer porque as características do dispositivo não são lineares, em cujo caso ocorre distorção não linear ou de amplitude. Isto pode ser observado com todas as classes de operação de amplificadores.
A distorção pode ocorrer também porque os elementos do circuito e dispositivos respondem a um sinal de entrada de forma diferente em várias frequências, sendo chamadas distorções de freqüência (distorção harmônica).
Uma técnica para descrever distorção com o período da forma de onda usa análise de Fourier, um método que descreve qualquer forma de onda periódica,
em termos de seus componentes de frequências fundamentais (chamadas componentes harmônicas) e de múltiplos inteiros destes componentes. A frequência original do sinal é chamada de frequência fundamental, e não é considerada um harmônico. A análise de Fourier não permite frequências harmônicas fracionárias.
7.1 – Distorção Crossover
Dado como exemplo um circuito equivalente CA de um seguidor de emissor classe B. Suponha que nenhuma polarização seja aplicada aos emissores. 
Nesse caso, a tensão CA que entra tem que aumentar até cerca de 0,7 V para vencer a barreira de potência. Por isso não há fluxo de corrente através de T1 quando o sinal é menor que 0,7 V. A ação é semelhante no outro semiciclo. Não há fluxo de corrente em T2 até que a tensão CA seja mais negativa do que –0,7 V.
Devido a ação de ceifamento entre os semiciclos, ele não é mais uma onda senoidal. Como o corte ocorre entre o instante em que um transistor corta o sinal e o outro conduz, chamamos de distorção por transição (ou distorção por “crossover”).
Para se reduzir a distorção por transição, precisamos aplicar uma pequena polarização direta para cada emissor. Isto significa localizar o ponto Q um pouco acima do corte.Como orientação, uma corrente Icq de 1 a 5% de Ic(sat) é suficiente para eliminar a distorção por transição.
No entanto, feito isso, estaremos modificando a classe do amplificador para AB.
Figura 6: Distorção Cross-Over
7.2 - Relação Sinal/Ruído e Faixa Dinâmica 
O parâmetro "relação sinal/ruído" (signal/noise ratio) indica a diferença entre o nível mais alto de sinal que o equipamento pode operar e o nível de ruído existente no aparelho (no caso de mixers e amps, normalmente é ruído térmico; no caso de gravadores de fitas, é o ruído inerente à fita magnética). 
Os níveis são medidos em dB (decibel), que é uma medida relativa (baseada numa relação entre dois valores). No caso da relação sinal/ruído, mede-se a intensidade do ruído presente na saída do equipamento, sem sinal na entrada, e depois a intensidade do maior sinal que pode ser aplicado sem distorção. A diferença entre eles é mostrada em decibéis. 
A relação sinal/ruído geralmente é adotada para indicar também a faixa dinâmica (dynamic range) do equipamento, ou seja, a gama de intensidades que podem ocorrer no mesmo, e que vai desde o menor sinal até o máximo sinal sem distorção. 
A faixa dinâmica de um CD, por exemplo, é maior do que 90 dB, enquanto que num gravador cassete é em torno de 65 dB (se o gravador possuir Dolby ou dbx, essa faixa pode aumentar para uns 80 dB). 
�
8 – Distorções harmônicas, harmônicas totais e 2o harmônico
8.1 – Distorções harmônicas 
Um sinal tem distorção harmônica quando nele existe componentes de frequências diferentes do sinal fundamental.
Quando um sinal de frequência fundamental tem uma amplitude A1 e a n-ésima componente desse sinal tem uma frequência com amplitude An, a distorção harmônica será definida como:
-ésima distorção harmônica= 
.
8.2 – Harmônicas totais
Quando o sinal de saída tem vários componentes de distorções harmômicas individuais, o sinal pode ser considerado como tendo uma distorção harmônica total baseada nos elementos individuais combinados pela relação da seguinte equação:
% DHT=
Onde DHT= distorção harmônica total.
Como os componentes eletrônicos (transistores) não são perfeitamente lineares, eles criam uma pequena distorção no sinal de áudio, distorção essa que gera harmônicos antes inexistentes. Para medir a DHT, injeta-se um sinal puro (onda senoidal) na entrada do equipamento, e mede-se a composição harmônica do sinal na saída. Os níveis (intensidades) dos harmônicos são então somados e divididos pelo nível do sinal original (puro), obtendo-se assim a proporção (percentual) de harmônicos "criados" no equipamento em relação ao sinal original. 
Tipicamente, os valores de DHT em pré-amplificadores e mixers está abaixo de 0,01%. Em amplificadores de potência a DHT fica abaixo de 0,5%. 
8.3 – 2o harmônico
Figura 7: 2º harmônico
A figura acima mostra uma forma de onda utilizada para encontrar a distorção do 2o harmônico. Uma forma de onda de corrente de coletor é mostrada com o ponto quiescente , níveis de sinal máximo e mínimo, e o tempo no qual eles ocorrem marcados na forma de onda.
O sinal mostrado indica que alguma distorção está presente. Uma equação que aproximadamente descreve a forma de onda do sinal distorcido é:
	
��EMBED Equation.3
A forma de onda de corrente contém a corrente quiescente original 
��EMBED Equation.3, a qual ocorre com sinal zero de entrada; uma corrente dc adicional 
��EMBED Equation.3, devido à média diferente de zero do sinal distorcido; a componente fundamental do sinal ac distorcido, 
; e uma componente de segundo harmônico 
, em duas vezes a frequência fundamental. Embora outros harmônicos estejam também presentes, somente o segundo é considerado aqui. Equacionando a corrente resultante da equação acima em alguns pontos dos ciclo para aquela mostrada na forma de onda de corrente, obtemos as três relações seguintes:
Em 1 (
): 
Em 2 
: 
Em 3 
: 
Resolvendo as três equações precedentes simultaneamente, obtemos os seguintes resultados:
, 
A definição de distorção de segundo harmônico pode ser expressada em termos de tensões medidas de coletor-emissor:	
Inserindo os valores de 
 determinados acima, temos:	
Analogamente, a distorção de segundo harmônico pode ser expressa em termos das tensões medidas entre coletor-emissor:
	
��EMBED Equation.3
�
9 - Potência de sinal com distorção
Quando ocorre distorção, a potência de saída liberada para o resistor de carga RC devido à componente fundamental do sinal distorcido é:
A potência total devida a todos os componentes harmônicos do sinal distorcido pode ser calculada:
A potência total pode também ser expressa em termos da distorção harmônica total:
�
10 - Exercícios
1 – Para o circuito abaixo, calcule a potência de entrada, potência de saída:
�
2 – Para o mesmo circuito calcule também a potência manipulada por cada transistor e a eficiência se Vrms=14.
3 – Para um amplificador classe B usando uma fonte de 
=30 [V] e acionando uma carga de 16 [
], determine a máxima potência de entrada, potência de saída e a dissipação de cada transistor:
4- Calcule a eficiência de um amplificador classe B para uma fonte de tensão de 
com tensões de pico de saída de:
a) 
,			b)
 de eficiência
5- O que você notou no exercício acima:
Notamos que a tensão próxima da máxima tensão resulta numa eficiência próxima da máxima, enquanto uma oscilação pequena, fornece uma eficiência próxima de 20%. 
�
Bibliografia
Sedra,Smith – Microeletrônica – 4ª edição
Boylestead,Nashelsky – Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos – 5ª edição
Millman,Halkias - Eletrônica - Volume 2
Adriana Carvalho da Silva
Carlos Eduardo Marques Lopes
Carlos Eduardo Romeno
Denis Escudeiro Pereira
Giselle Carbone
Professor: 	Jairo Bertini
Turma: 	E41 - grupo 3
Grupo:	Adriana Carvalho da Silva - 	99004847
Alfonso B Gutierrez - 		95003334 
Marcos Augusto	P Silva - 	97003422
César R. Bandoni - 		95003354
Renato H. de Oliveira - 	96004635
Roberto Lotierzo - 		00005578
Data da Apresentação: 22/09/00
�EMBED PBrush���
�EMBED PBrush���
�EMBED PBrush���
� EMBED PBrush ���
� PAGE �3�
_1030881041.unknown
_1030881058.unknown
_1030881069.unknown
_1030881077.unknown
_1030881082.unknown
_1030881086.unknown
_1030881088.unknown
_1030881090.unknown
_1030881571/�
_1030881089.unknown
_1030881087.unknown
_1030881084.unknown
_1030881085.unknown
_1030881083.unknown
_1030881079.unknown
_1030881080.unknown
_1030881078.unknown
_1030881073.unknown
_1030881075.unknown
_1030881076.unknown
_1030881074.unknown
_1030881071.unknown
_1030881072.unknown
_1030881070.unknown
_1030881064.unknown
_1030881067.unknown
_1030881068.unknown
_1030881066.unknown
_1030881062.unknown
_1030881063.unknown
_1030881059.unknown
_1030881049.unknown
_1030881053.unknown
_1030881056.unknown
_1030881057.unknown
_1030881055.unknown
_1030881051.unknown
_1030881052.unknown
_1030881050.unknown
_1030881045.unknown
_1030881047.unknown
_1030881048.unknown
_1030881046.unknown
_1030881043.unknown
_1030881044.unknown
_1030881042.unknown
_1030881032.unknown
_1030881036.unknown
_1030881038.unknown
_1030881039.unknown
_1030881037.unknown
_1030881034.unknown
_1030881035.unknown
_1030881033.unknown
_1030855656.unknown
_1030881028.unknown
_1030881030.unknown
_1030881031.unknown
_1030881029.unknown
_1030881026.unknown
_1030881027.unknown
_1030855840.unknown
_1030881024.unknown
_1030880997/ÚÚ�
_1030855674.unknown
_1030854905.unknown
_1030855541.unknown
_1030855645.unknown
_1030855036.unknown
_1030854821.unknown
_1030854884.unknown
_1030854762.unknown
_1030517182/ole-[42, 4D, 7E, 5F, 02, 00, 00, 00]