AMPLIFICADORES POTENCIA RAZAVI ch13v2

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Cap. 13 - Estágios de Saída e Amplificadores de 
Potência
 13.1 Considerações Gerais
 13.2 Coletor Comum como Amplificador de Potência
 13.3 Estágio Push-Pull
 13.4 Push-Pull melhorado
 13.5 Considerações sobre Grandes Sinais
 13.6 Proteção Contra Curto Circuito
 13.7 Dissipação Térmica
 13.8 Eficiência
 13.9 Classificação dos Amplificadores de Potência 
 
1
Amplificadores de Potência - Motivação
 Acionar uma carga com Alta Potência/Baixa Impedância.
 Telefones móveis necessitam em média de 1W de 
potência na antena. 
 Sistemas de Áudio necessitam de dezenas a centenas de 
Watts de potência.
 Amplificadores de Voltage/Corrente não são adequados 
a essas aplicações. 
2CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Características dos Amplificadores de Potência
 Amplificam “Grandes Sinais”, cuja saída possui carga com 
pequena resistência.
 Potência na saída igual ou superior a 1 W.
 Trabalha com Correntes Elevadas.
 Requer grande excursão de sinal (Grandes Sinais).
 Drena grande quantidade de energia das Fontes de Alimentação.
 Dissipa grande quantidade de potência, portanto gera calor.
3CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Indicadores de Desempenho 
dos Amplificadores de Potência
 Não linearidade ou Distorção de Harmônico Total (DTH)
 Eficiência
 Demanda de Tensão
4CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Coletor Comum- CC 
Grandes Signais
5CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Se Pout=V
2
RMS /RL ,V RMS=V p/√2, RL=8Ωe Pout=1W .
EntãoV p=4V eV out=V p .sen(w . t).
SeV i . n=V out+V BE, então V i. n=(V p+V BE). sen (w . t) ,V BE=0.8V .
Coletor Comum- CC 
Grandes Signais - Situação I 
Quando Vin cresce, Vout também cresce, segue Vin e Q1 provê mais 
corrente.
6CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Coletor Comum- CC
Grandes Signais - Situação II
No entanto, quando Vin decresce, Vout também decresce, 
“cortando” Q1 resultando um valor constante para Vout = RL . I1.
7CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Exemplo 13.1: Coletor Comum
1
1ln
0.5 211
out
in T out
L S
in out
VV V I V
R I
V V V mV
é ùæ ö
- + =ê úç ÷
è øë û
= Þ » -
( )1 1 1
1 1
ln
0.01 390
C
in T C L
S
C in
IV V I I R
I
I I V mV
= + -
» Þ »
8CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
I s=5.10
−15 v in=0,5Va) Determine Vout, se e
b)Determine Vin, se Q1 conduzir apenas 1 % de I1
Linearidade do Coletor Comum
Quando Vin decresce a forma de onda na saída será limitada/”clipada”, 
introduzindo uma característica não linear à relação I/O.
9CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Estágio Push-Pull 
 Quando Vin cresce, Q1 está conduzindo e push/empurra 
corrente na direção de RL. 
 Quando Vin decresce, Q2 está conduzindo e pulls/puxa a 
corrente de RL.
10CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Curva Característica de Entrada e Saída 
Grandes Sinais para Vin
 Para valores positivos de Vin, Q1 desloca a saída para baixo/direita; 
 Para valores negativos de Vin, Q2 desloca a saída para cima/esquerda.
Vout=Vin-VBE1 , +Vin
Vout=Vin+|VBE2| , -Vin
11CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Características Gerais I/O do Estágio Push-Pull
Para pequenos valores de Vin, existe uma Zona Morta na Curva 
Característica, na qual Q1 e Q2 estão simultaneamente cortados, 
implicando uma não-linearidade grosseira na relação I/O.
12CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Ganho do Push-Pull
 O estágio push-pull exibe um ganho que tende para a unidade 
quando Q1 or Q2 está conduzindo.
 Quando Vin é muito pequeno, o ganho é zerado (Zona Morta).
13CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Resposta Senoidal do Estágio Push-Pull
 Para grandes valores de Vin, a saída segue a entrada com uma 
diferença “DC” fixa, porém, quando Vin torna-se pequeno a saída cai 
para zero e surge " Distorção - Crossover ".
14CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
 Estágio Push-Pull melhorado
 Com uma bateria de VB inserida entre as bases de Q1 e Q2, a 
zona morta é eliminada.
VB=VBE1+|VBE2|
15CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Implementação de VB
 Se VB=VBE1+|VBE2|, a escolha natural seria utilizar dois diodos em 
série.
 A fonte de corrente I1 deve ser utilizada para polarizar D1, D2 e Q1.
16CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Exemplo: Fluxo de Corrente I 
1 1 2in B BI I I I= - +
Iin
Se β1=β2>>1
Quando Vout= 0 ,
IRL = 0, Ic1 = Ic2 
=> 
IB1= IB2
17CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Exemplo: Fluxo de Corrente II
 VD1≈VBE → Vout≈Vin
Se I1=I2 & IB1≈IB2
→
Ao contrário do 
exemplo anterior
 Iin= 0 quando Vout=0
18CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Adição de Estágio – Emissor Comum - EC
Um estágio EC (Q4) é adicionado para prover Ganho de Tensão à 
entrada (Vin), cuja saída amplificada, no coletor de Q4, será também 
amplificada pelo par Q1 e Q2.
19CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Análise do Ponto de Polarização
 Para análise do Ponto de Polarização, o circuito original pode ser 
simplificado conforme o CKT da direita, pois a tensão de catodo de 
D1 ou anodo de D2 , VA = 0.
 O CKT da direita é semelhante a um espelho de corrente.
 A relação entre IC1 e IC3 é mostrada acima. 
VA=0 Vout=0
IC1=[IS,Q1/IS,D1]×[IC3]
20CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Análise de Pequenos Sinais
Supondo que 2rD seja pequeno e (gm1+gm2)RL seja muito maior que 1, o 
circuito tem ganho de tensão (AV) mostrado acima.
AV=-gm4(rπ1||r π2)(gm1+gm2)RL
21CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Análise da Resistência de Saída
3 4
1 2 1 2 1 2
||1
( )( || )
O O
out
m m m m
r rR
g g g g r rp p
» +
+ +
 Se β é baixo, o segundo termo da resistência de saída cresce.
 Isso torna-se crítico quando a carga (RL) tem baixa resistência.
22CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Exemplo: Polarização
EC AV=5
Estágio de Saída AV=0.8
RL=8Ω
βnpn= 2βpnp=100
IC1≈IC2
( )
1 2
1
1 2
1 2
1 2
3 4
1
2
4
6.5
|| 133
195
m m
m m
C C
C C
g g
g g
I I mA
r r
I I A
p p
m
-
+ =
W
» » W
» »
= W
» »
23CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Problema da Corrente de Base
 195 µA de corrente de base em Q1 suporta somente 19.5 mA de 
corrente de colector. 
 Este valor é insuficiente para fornecer elevadas correntes de 
operação (centenas de mA). 
24CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Modificação do Estágio CC/PNP
 Substituir um simples PNP como “CC” por uma combinação 
um NPN (Q2), implicando uma desejável redução da resistência 
de saída.
( )2 3
1
1out m
R
gb
»
+
25CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Exemplo: Resistência de Entrada
( )
3
2 3
3 2 3
1
1
1
( 1)
L
in in in
L
m
in L
Ri v v
r R
g
r R r
p
p
b
b b
æ ö
ç ÷
ç ÷= -
ç ÷+ç ÷+è ø
= + +
26CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Corrente de Polarização Adicional
 I1 é adicionado à base de Q2 para prover uma polarização 
adicional à corrente de polarização de Q3 .
 A capacitância na base de Q2 pode ser carregada/descarregada 
rapidamente.
27CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Exemplo: Mínimo Vin 
Min Vin≈0
Vout≈|VEB2|
Min Vin≈VBE2
Vout≈|VEB3|+VBE2
28CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Projeto HiFi
 Com a realimentação negativa, a linearidade é melhorada, 
provendo mais fidelidade. 
29CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
++
--
Proteção Contra Curto-Circuito 
 Qs e r são usados para "roubar" alguma corrente de base de 
Q1, quando a saída é acidentalmente curto circuitada para a 
terra, evitando danos ao circuito.30CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Coletor Comum - Regime de Potência
1 2
P
av CC
VP I Væ ö= -ç ÷
è ø
 A potência máxima dissipada em Q1 ocorre na ausência de 
sinal.
31CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Pav,max=I 1V CC
Exemplo: Dissipação de Potência
( )1 10
1 1
1 sin
T
I p EE
I EE
P I V t V dt
T
P I V
w= -
= -
ò
32CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Potência Média na 
Fonte de Corrente (I1)
Estágio Push-Pull - Regime de Potência
4
CCP P
av
L
VV VP
R p
æ ö= -ç ÷
è ø
2
,max 2
CC
av
L
VP
Rp
=
Máxima potência ocorre para os valores de Vpentre 0 e 4Vcc/π.
33CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Example: Push-Pull Pav 
4
CCP P
av
L
VV VP
R p
æ ö= -ç ÷
è ø
Se Vp = 4VCC/π → Pav=0
Impossível, pois Vp < VCC)
34CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Dissipador
 O Dissipador, provê grande superfície para dissipar o calor do 
chip.
35CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Mitigação da Fuga Térmica
1 21 2
, 1 , 2 , 1 , 2
C CD D
S D S D S Q S Q
I II I
I I I I
=
 Os Diodos de Polarização impedem a Fuga Térmica, uma vez que as 
correntes (IC) em Q1 e Q2 acompanham as correntes (ID) de D1 e D2, 
enquanto suas correntes saturação (IS,De IS,C) variam com a 
temperatura.
36CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Eficiência
out
out ckt
P
P P
h =
+
Eficiência ( ) é definida como a potência média disponibilizada 
para a carga/Potência Útil (Pout = Pu = PL) dividida pela potência 
drenada das fontes (Ptotal = Pout + PCKT).
Coletor Comum Push-Pull 
( )
2
2
1
2
2 2 2
4
P L
EF
P L CC P
P
EF
CC
V R
V R I V V
V
V
h
h
=
+ -
= I1=VP/RL
( )
2
2
1
2
2 2 / 4
4
P L
PP
P L CC P
PP P CC
V R
V R I V V
V V
h
p
ph
=
+ -
= I1=VP/RL
37CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
η
Exemplo: Eficiência 
Coletor Comum
VP=VCC/2
1
15
h =
Push-Pull
I1=(VP/RL)/β
1
4
P
CC P
V
V V
h
p b
=
+
38CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Compromisso x Classes de Amplificadores de 
Potência
Classe A: Alta Linearidade e
 Baixa Eficiência
Classe B: Alta Eficiência e
Baixa linearidade
39CH 13 Output Stages and Power Amplifiers
Classe AB: Compromisso 
entre as Classes A e B
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