aula 06 - Eletrônica

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Eletrônica 
Aula 06 
CIN-UPPE 
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 
Amplificador básico 
C1, atua como filtro, para evitar que 
variações de tensão em R3 afetem a 
freqüência de operação do circuito. 
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 
  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 
  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 
  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 
  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 de 20 a 20 KHz, 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 
  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 
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 
Amplificador básico 
  Amplificador com transistor (Exemplo) - Classe A (emissor Comum) 
  Análise CA 
RG 
RL 
CE 
C2 
C1 
VCC 
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 
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 
  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 
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) 
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 
  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 
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 
  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 
Modelo r’e do transisor (modelo CA) 
zi zo 
Ganho de tensão (ro ≅ ∞ Ω): 
Av = vo/vi= βIB.RL/ iB.βr’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 
‘ 
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. 
  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 
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. 
V
CE 
Onde: 
vBE= f1(vCE,iB) 
iC = f2(vCE,iB) 
vBE= f1(vCE,iB) 
iC = f2(vCE,iB) iB 
vCE 
Modelo de transistor BJT para 
pequenos sinais - CA 
  VBE como função de iB e vCE 
Modelo de transistor BJT para 
pequenos sinais - CA 
  iC como função de iB e vCE 
  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: 
  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 
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. 
  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 - resistência 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) 
Modelo híbrido (h) 
  Modelo equivalente da entrada do transistor 
Modelo híbrido (h) 
  Modelo equivalente da saída do transistor 
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. 
  Parâmetros híbridos (típicos) – transistor 2N3904 
Mínimo Maximo Medio 
Modelo híbrido (h) - exemplo 
  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 
Modelo híbrido (h) 
  Modelo híbrido-π através de uma fonte de corrente controlada. 
βre ‘ 
hie=hfe.r’e = β.r’e 
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 
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)  Zo – impedância de entrada 
c)  Zi – 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 ‘ 
  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) 
 iB= vi/βre 
Assim, 
 vo=-β(vi/βr’e )(RC || ro) e 
Portanto: 
 Av = vo/vi = - (RC || ro)/r’e 
Se ro>> RC 
 Av = - RC/r’e 
  Ganho de corrente: (Thevenin-Norton) 
Ai = io/ii 
Onde io = (ro)(βib)/ (ro+RC) 
 e 
 ii = (RBB)(ib)/(RBB +βr’e) 
Portanto: 
 Ai = (ro)(βib). (RBB +βr’e ) 
 (RBB)(ib) . (ro+RC) 
Se considerarmos 
 ro>> RC e RBB >> βr’e 
 Ai ≅ β 
*RBB=impedância equivalente 
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. 
Transistor 
 BC546, BC547