AMPLIFICADORES BJT ch05 v3

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Eletrônica I Cap. 5
Amplificadores Bipolares
CH5 Bipolar Amplifiers 2
 Amplificadores a Transistor Bipolar
Amplificador de Tensão
Em um Amplificador de Tensão ideal , a impedância de entrada é infinita e a impedância 
de saída é zero.
Na realidade, as impedância de entrada e saída se “afastam” de seus valores ideais.
CH5 Bipolar Amplifiers 3
Impedâncias de Entrada e Saída
A figura acima mostra as técnicas para obtenção das 
impedâncias de entrada e saída
Rx=
V x
i x
CH5 Bipolar Amplifiers 4
Impedância de Entrada - Exemplo I
O cálculo da impedância de entrada requer a análise de 
pequenos sinais/modelo CA.
vx
i x
=rπ
CH5 Bipolar Amplifiers 5
Impedância vista do Coletor
Considerando o efeito Early (efeito finito de ro), a impedância vista do 
colector é igual à impedância de saída intrínseca do transistor quando 
o emissor está ligado à terra.
Rout=ro
CH5 Bipolar Amplifiers 6
Impedância vista do Emissor
A impedância vista do emissor de um transistor é aproximadamente 
igual ao inverso da sua transcondutância (gm), quando a base está 
ligada à terra no modelo CA.
vx
i x
=1
gm+
1
r π
Rout≈
1
gm
(V A=∞)
 
CH5 Bipolar Amplifiers 7
Regras principais sobre Impedâncias (Z)
 
 a) Z vista da base b) Z vista do coletor c) Z vista do emissor
CH5 Bipolar Amplifiers 8
Polarização do BJT
Transistores e circuitos devem ser polarizados porque:
1) transistores devem operar na Região Ativa
2) parâmetros de pequenos sinais (modelo CA) dependem das condições de polarização.
 
CH5 Bipolar Amplifiers 9
 Análise
(Corrente Contínua - CC) x (Pequenos Sinais - CA)
Análise Corrente Contínua (CC) determina o ponto de operação para 
obtenção dos parâmetros de pequenos sinais (CA).
As fontes CC são zeradas no modelo CA.
 
CH5 Bipolar Amplifiers 10
Exemplo de uma Polarização Ruim
O microfone é ligado ao amplificador, numa tentativa para 
amplificar o sinal de saída do microfone.
Infelizmente, não há corrente de polarização CC No transistor 
para uma amplificação linear (Região Ativa).
 
CH5 Bipolar Amplifiers 11
Exemplo de outra Polarização Ruim
A base do amplificador está ligada a Vcc, tentando estabelecer uma 
polarização DC.
O sinal de saída produzido pelo microfone, na base do transistor, está em curto 
com Vcc, aterrando o referido sinal conforme pode ser observado no modelo 
CA.
 
CH5 Bipolar Amplifiers 12
Polarização com Resistor de Base
Supondo um valor constante para VBE, pode-se calcular tanto IB como Ic 
, e, após, determinar as tensões nos terminais do transistor (VX,VY e VE).
O ponto de polarização é sensível às variações do parâmetro β.
IB=
V CC−V BE
RB
,IC=β
V CC−V BE
RB
 
CH5 Bipolar Amplifiers 13
Polarização Melhorada: Divisor de Tensão Resistivo
Usando o Divisor de Tensão Resistivo para configurar VBE, é possível 
produzir um IC que independa de  , considerando a corrente de base 
pequena quando comparada à corrente no resistor R1 ou R2.
Assim, devemos supor que IB << I1 = I2
V X=
R2
R1+R2
V CC
IC=I Sexp (
R2
R1+R2
V CC
V T
)
 
CH5 Bipolar Amplifiers 14
Contabilizando a Corrente de Base
Com uma relação apropriada entre R1 e R2, IC pode ser insensível a ; no 
entanto, a sua dependência exponencial em relação aos desvios dos 
resistores (R1 ou R2) torna a referida polarização menos interessante.
IC=I Sexp(V Thev−IBRThevV T )
 
CH5 Bipolar Amplifiers 15
Polarização com Resistência de Emissor
 A presença de RE ajuda a absorver o erro em VX de modo que VBE 
permanece relativamente constante.
 Esta técnica de polarização é menos sensível a  I1 >> IB) e às 
variações de VBE. 
 
CH5 Bipolar Amplifiers 16
Técnica de Auto polarização
A técnica utiliza a tensão de coletor para prover Vx e IB necessárias.
Uma característica importante desta técnica é que colector tem um 
potencial mais elevado que a base, garantindo assim que o transistor 
trabalhe na região ativa.
 
CH5 Bipolar Amplifiers 17
Resumo das Técnicas de Polarização 
 
CH5 Bipolar Amplifiers 18
 Topologias/Configurações possíveis para o 
Amplificador Bipolar 
Existem três maneiras possíveis de se aplicar uma entrada em um amplificador e três 
possíveis maneiras de se obter a saída, perfazendo 6 possibilidades = 3 (base, emissor e 
coletor) x 1 (um dos terminais) x 2 (duas saídas para cada terminal) = 6.
No entanto, existem apenas três combinações úteis de entrada / saída, das seis 
possibilidades existentes.
 
CH5 Bipolar Amplifiers 19
Topologia Emissor – Comum (EC)
 
CH5 Bipolar Amplifiers 20
Modelo de Pequenos Sinais/CA
Topologia Emissor – Comum (EC)
Av=
vout
vin
−
vout
RC
=gm vπ=gm v in
Av=−gmRC
CH5 Bipolar Amplifiers 21
Limitação da Configuração EC em relação ao Ganho 
de Tensão 
A Transcondutância gm é um parâmetro CA, mas é função do Ponto de Operação e pode 
ser escrita como IC / VT.
O ganho de tensão da Configuração EC pode ser escrito como a razão de VRC e VT.
VRC é a diferença de potencial entre Vcc e VCE; 
Para que o transistor esteja na região ativa, VC > VB ou, neste caso em que o emissor 
está aterrado, VCE > VBE.
|Av|=
IC RC
V T
|Av|=
V RC
V T
|Av|<
V CC−V BE
V T
 
CH5 Bipolar Amplifiers 22
Compromisso
Ganho de Tensão x Excursão do Sinal
 
CH5 Bipolar Amplifiers 23
Impedância de Entrada/Saída da Configuração EC
Rin=
vX
iX
=rπ
Rout=
vX
iX
=RC
 
CH5 Bipolar Amplifiers 24
Ganho de Corrente
Outro parâmetro do amplificador é o Ganho de Corrente, o qual é 
definido como a relação da corrente fornecida à carga com a corrente 
que flui na entrada.
Para o estágio EC, o Ganho de Corrente é igual a . 
A I=
iout
iin
A I|CE=β
 
CH5 Bipolar Amplifiers 25
Resistor de Emissor
A inserção de uma resistência em série com o emissor, "degenera" o 
estágio EC.
Esta topologia (EC com Resistor de Emissor ou EC com Emissor 
Degenerado) diminui o ganho do amplificador, mas melhora outros 
aspectos, tais como a linearidade e a impedância de entrada. 
 
CH5 Bipolar Amplifiers 26
 Modelo Pequenos – Sinais (AC)
Curiosamente, este ganho é igual à resistência de Coletor/Carga (Rc) dividida 
por 1 / gm mais a resistência total colocado em série com o emissor (RE). 
Note a redução do ganho devido à inserção de RE no denominador.
Av=−
gmRC
1+gmRE
Av=−
RC
1
gm
+RE
 
CH5 Bipolar Amplifiers 27
Resistor de Emissor - Exemplo I
A impedância de entrada de Q2 pode ser combinada em paralelo com 
RE para se obter uma impedância equivalente que degenera Q1.
Av=−
RC
1
gm1
+RE||rπ 2
 
CH5 Bipolar Amplifiers 28
Resistor de Emissor - Exemplo II
Neste exemplo, a impedância de entrada do Q2 podem ser 
combinada em paralelo com RC para produzir impedância 
equivalente de colector para a terra.
Av=−
RC||rπ 2
1
gm1
+RE
 
CH5 Bipolar Amplifiers 29
Impedância de Entrada do Estágio EC com Resistor 
de Emissor
Com o Resistor de Emissor, a Impedância de Entrada é 
aumentada de r para [r + (+1)RE]; um efeito desejável.
V A=∞
vX=rπ iX+RE(1+β ) iX
Rin=
v X
iX
=rπ+( β+1 )RE
 
CH5 Bipolar Amplifiers 30
Impedância de Saída do Estágio EC com Resistor de 
Emissor
A presença do Resistor de Emissor não altera a Impedância 
de Saída neste caso.
V A=∞
v in=0=vπ+(vπrπ +gm v π)RE⇒ v π=0
Rout=
v X
iX
=RC
 
CH5 Bipolar Amplifiers 31
Capacitor no Emissor
Na Análise CC o capacitor é um “CKT aberto” e a Fonte de 
Corrente polariza o amplificador.
Na Análise CA, o capacitoré “curto CKT” e o amplificador 
considera o RE e ignora a Fonte de Corrente .
 
CH5 Bipolar Amplifiers 32
Exemplo: Estágio EC com RE como Caixa Preta
1ª APROXIMAÇÃO: gm >> 1/ r → Den = 1 + gm RE
2ª APROXIMAÇÃO: gm RE >> 1 ou RE >> 1/gm → Den = gm RE 
Gm = 1/ RE → Gm será linear e independente dos parâmetros do transistor.
V A=∞
iout=gm
vin
1+(r π
−1+gm)RE
Gm=
iout
vin
≈
gm
1+gm RE
 
CH5 Bipolar Amplifiers 33
Estágio EC com Resistor de Base
V A=∞
vout
v in
=
vA
v in
.
vout
vA
vout
v in
=
−βRC
r π+( β+1 )RE+RB
Av≈
−RC
1
gm
+RE+
RB
β+1
Utilizem as relações abaixo para 
confirmar a expressão ao lado do 
Ganho de Tensão, Av:
 1) 
 2) gm = / r 

 
CH5 Bipolar Amplifiers 34
Impedância de Entrada/Saída
Rin1 é mais importante na prática , pois RB é frequentemente a 
impedância de saída do estágio anterior.
V A=∞
Rin1=r π+( β+1 )RE
Rin 2=RB+r π2+( β+1)RE
Rout=RC
 
CH5 Bipolar Amplifiers 35
Exemplo III
Av=
−(RC||R1)
1
gm
+R2+
RB
β+1
Rin=r π+( β+1 )R2+RB
Rout=RC||R1
 
CH5 Bipolar Amplifiers 36
Impedância de Saída com Resistor de Emissor 
considerando o efeito finito de VA
 O Resistor de Emissor multiplica a impedância de Saída (ro) por um 
fator de [ 1+gm(RE||r) ]. 
 Isto melhora o ganho do amplificador e o faz uma Fonte de Corrente 
 mais eficiente. 
∞
Rout=[1+gm(RE||r π )]rO+RE||r π
Rout=rO+( gm rO+1)(RE||r π )
Rout≈rO [1+gm(RE||rπ )]
 
CH5 Bipolar Amplifiers 37
Dois Casos especiais
RE>> rπ
Rout≈rO(1+gmr π )≈βrO
RE<< rπ
Rout≈(1+gmRE)rO
1)
2)
 
CH5 Bipolar Amplifiers 38
Análise por Inspeção
Este circuito aparentemente complicado pode ser simplificado 
reconhecendo que o capacitor cria uma curto AC para a terra, e, 
gradualmente, transformando o circuito em uma topologia mais conhecida.
Rout=[1+gm(R2||r π )] rO||R1Rout1=[1+gm(R2||rπ )]rORout=R1||Rout1
 
CH5 Bipolar Amplifiers 39
Exemplo: Resistência de Emissor Ativa
 A configuração acima é chamada “Cascode”.
Rout=[1+gm1(rO2||rπ 1 )]rO1
 
CH5 Bipolar Amplifiers 40
Conexão Inadequada na Entrada 
O microfone tem uma resistência muito baixa, a qual aterra a 
base de Q1 , atenua a tensão de base e deixa Q1 sem uma 
corrente/tensão de polarização.
CH5 Bipolar Amplifiers 41
Acoplamento Capacitivo
O Capacitor de Acoplamento isola o microfone da malha de 
polarização DC, isto é, o microfone não interfere na 
polarização de Q1 (desejável) e , ainda, é um curto para as 
altas frequências (desejável).
CH5 Bipolar Amplifiers 42
Análise DC e AC
Av=−gm(RC||rO )
Rin=rπ||RB
Rout=RC||rO
CH5 Bipolar Amplifiers 43
Conexão de Saída Não Adequada
Uma vez que o Alto - Falante tem um indutor, conectando-o 
diretamente ao amplificador haveria um curto (análise CC) no 
coletor e, portanto, levaria o transistor á saturação.
CH5 Bipolar Amplifiers 44
Ainda nenhum Ganho !!!
Neste exemplo, o acoplamento AC, permite a polarização 
correta. No entanto, devido à pequena impedância de entrada 
do alto-falante, o ganho total cai consideravelmente.
CH5 Bipolar Amplifiers 45
Estágio EC Polarizado com Divisor de Tensão
Av=−gm(RC||rO )
Rin=rπ||R1||R2
Rout=RC||rO
CH5 Bipolar Amplifiers 46
Estágio EC Polarizado com Divisor de Tensão e 
Resistor de Emissor
Av=
−RC
1
gm
+RE
Rin=[rπ+(β+1)RE]||R1||R2
Rout=RC
V A=∞
CH5 Bipolar Amplifiers 47
Remoção do Resistor de Emissor na Análise CA
 Capacitor aterra RE para as altas frequências e portanto 
remove a degeneração.
Av=−gmRC
Rin=rπ||R1||R2
Rout=RC
CH5 Bipolar Amplifiers 48
Estágio EC Completo
Av=
−RC||RL
1
gm
+RE+
R s||R1||R2
β+1
CH5 Bipolar Amplifiers 49
Resumo dos conceitos acerca da Topologia EC
CH5 Bipolar Amplifiers 50
 Amplificador Base Comum (BC) 
Na topologia de base comum, o terminal de base é polarizado com 
uma tensão fixa, o emissor é alimentado com o Sinal de Entrada e o 
coletor é a Saída.
CH5 Bipolar Amplifiers 51
Ideia Central da Topologia BC
O ganho de tensão do Amplificador BC é idêntico em magnitude 
e oposto em fase, quando comparado ao Amplificador EC. 
Av=gm RC
CH5 Bipolar Amplifiers 52
Compromisso entre o Ganho e Linearidade
Para manter o transistor na região de ativa, a máxima queda de tensão 
em RC não pode exceder VCC-VBE.
Av=
IC
V T
.RC
Av⩽
V CC−V BE
V T
CH5 Bipolar Amplifiers 53
Exemplo 1 - BC
Av=gm RC=17 .2
R1=22.3KΩ
R2=67 .7KΩ
CH5 Bipolar Amplifiers 54
Impedância de Entrada - BC
A impedância de entrada no Amplificador BC é muito menor 
que no Amplificador EC.
RinBC=
1
gm
RinEC=rπ=
β
gm
CH5 Bipolar Amplifiers 55
Aplicação Prática da Topologia BC
O casamento de impedância é um recurso importante para se evitar reflexão do 
sinal/energia, conforme o teorema da máxima transferência de POTÊNCIA.
A baixa impedância de entrada do Amplificador BC pode ser usada para se obter 
um casamento com a impedância de 50 ohm nas linhas de Transmissão.
CH5 Bipolar Amplifiers 56
Impedância de Saída do Estágio BC
A impedância de saída do estágio BC é semelhante a do 
estágio EC.
Rout=rO||RC
CH5 Bipolar Amplifiers 57
BC com Resistência de Fonte (Rs)
Com a inclusão de um Resistor de Fonte, o sinal de entrada é atenuado 
antes de ele atingir o emissor do amplificador, implicando redução no 
ganho de tensão.
O ganho do estágio BC com Rs é semelhante ao estágio EC com Re, 
exceto pela não inversão de fase.
Av=
RC
1
gm
+RS
CH5 Bipolar Amplifiers 58
BC - Exemplo Prático
Uma antena geralmente tem baixa impedância de saída; portanto é 
necessária uma baixa impedância de entrada no estágio seguinte 
(Amplificador Base Comum).
CH5 Bipolar Amplifiers 59
BC - Impedância de Saída
A impedância de saída do BC é igual a RC em paralelo com a 
impedância vista do colector, Rout1.
Rout1=[1+gm(RE||rπ )] rO+(RE||r π)
Rout=RC||Rout1
CH5 Bipolar Amplifiers 60
Impedância de Saída - EC x BC
As impedâncias de saída do EC e do BC são as mesmas, se ambos os 
circuitos estão sob a mesma condição de polarização. 
Isto ocorre porque, no cálculo da impedância de saída do EC, a porta de 
entrada (Base) está ligada à terra, o que ocorre em ambos os modelos do 
circuito, EC e BC.
Além disso, ambas as configurações tem o mesmo modelo CA.
CH5 Bipolar Amplifiers 61
BC com Resistência de Base
 Com a adição da Resistência de Base o Ganho degrada.
vout
v in
≈
RC
RE+
RB
β+1
+ 1
gm
CH5 Bipolar Amplifiers 62
Comparação entre as configurações
EC com RE e BC com RB 
O ganho de tensão do amplificador de BC com resistência de base é 
exatamente o mesmo que no amplificador EC com a resistência de 
emissor, exceto pela não inversão de fase.
CH5 Bipolar Amplifiers 63
Impedância de Entrada com Resistência de Base
A impedância de entrada de BC com resistência de base é igual 1/gm 
mais RB divido por (+1). Isto está em contraste com o EC com RE, em 
que a resistência em série com o emissor (RE) é multiplicada por (+1) 
quando vista da base.
v X
iX
=
rπ+RB
β+1
≈ 1
gm
+
RB
β+1
CH5 Bipolar Amplifiers 64
Impedância de Entrada vista do Emissor e da Base
CH5 Bipolar Amplifiers 65
Exemplo- Impedância de Entrada - BC
 Para encontrar RX, vamos calcular inicialmente Req, tratá-la 
como uma Resistência de Base de Q2 e dividi-la por (+1). 
RX=
1
gm2
+ 1
β+1( 1gm1+ RBβ+1)
CH5 Bipolar Amplifiers 66
Polarização do Estágio BC
 Infelizmente nenhuma corrente de polarização pode fluir no emissor.
CH5 Bipolar Amplifiers 67
Ainda não está bom
Na pressa, o aluno liga o emissor à terra,pensando que vai fornecer 
um caminho para a corrente DC/polarização do amplificador. Mal sabe 
ele / ela que o sinal de entrada está sendo “curto-circuitado” para a 
terra também. O circuito ainda não pode amplificar.
CH5 Bipolar Amplifiers 68
Polarização adequada - BC
Rin=
1
gm
||RE
vout
v in
=
vout
vx
.
vx
v in
= 1
1+(1+gm RE )RS
gm RC
CH5 Bipolar Amplifiers 69
Redução da Impedância de Entrada devido à 
presença de RE
A redução da impedância de entrada devido a RE é ruim porque desvia 
parte da corrente de entrada para a terra em vez de Q1 (e Rc).
CH5 Bipolar Amplifiers 70
Criação de Vb
Divisor resistivo cria Vb, mas reduz o ganho.
Para solucionar esse problema, um capacitor CB é inserido a partir da 
base para aterrar o resistor R2.
CH5 Bipolar Amplifiers 71
Exemplo – Circuito de Polarização do BC
 Para o CKT mostrado, RE >> 1/gm. 
 R1 e R2 são escolhidos de modo que Vb tenha um valor apropriado e 
que a corrente do divisor seja muito maior que a de base.
CH5 Bipolar Amplifiers 72
Seguidor de Emissor – Coletor Comum
CH5 Bipolar Amplifiers 73
Ideia Central do Coletor Comum
Quando a entrada é aumentada por uma quantidade (ΔVin), a saída (VE) também é 
aumentada, no entanto, por uma quantidade (ΔVout) inferior a (ΔVin ), devido ao aumento 
da corrente de coletor e, por conseguinte, ao aumento da queda de tensão (VE) em RE.
No entanto, os valores absolutos de entrada e de saída continuam diferindo por uma 
mesma quantidade, pois VBE deve permanecer constante para um Ponto de Operação 
estabilizado.
Assim, VBE1 = VBE2.
CH5 Bipolar Amplifiers 74
Modelo de Pequenos Sinais
 O Ganho é menor que a unidade. 
vout
v in
= 1
1+
r π
β+1
⋅ 1
RE
≈
RE
RE+
1
gm
V A=∞
CH5 Bipolar Amplifiers 75
Coletor Comum em CI – Ganho unitário
O ganho de tensão tende para a unidade porque o coletor com corrente 
de polarização constante, aproximadamente igual a I1, resulta em um VBE 
constante, conforme VBE = vT.ln (Ic/Is) e, em consequência, Vout segue Vin.
Outro ponto de vista é considerar Re tendendo ao infinito por ter sido 
substituído pela fonte de corrente I1. Assim, Re >> 1/gm e Av tende para 1. 
Av=1
V A=∞
CH5 Bipolar Amplifiers 76
 Divisor de Tensão - Coletor Comum
V A=∞
CH5 Bipolar Amplifiers 77
Coletor Comum com Resistência de Fonte
vout
v in
=
RE
RE+
RS
β+1
+ 1
gm
V A=∞
CH5 Bipolar Amplifiers 78
 Impedância - Coletor Comum 
A impedância de entrada do emissor seguidor é exatamente a mesma 
que na configuração EC com emissor de degenerado. Isto não é 
surpreendente, pois a impedância de entrada do EC com a 
degeneração não depende da resistência do colector.
v X
iX
=r π+(1+β )RE
V A=∞
CH5 Bipolar Amplifiers 79
Coletor Comum como Buffer 
Uma vez que o seguidor de emissor aumenta a resistência de carga para um 
valor muito grande (multiplica por (+1)), esta configuração torna-se 
adequada como um buffer entre o amplificador EC e uma resistência pequena, 
isto é, de carga elevada, para aliviar o problema de degradação do ganho. 
CH5 Bipolar Amplifiers 80
Impedância de Saída
Seguidor de emissor reduz a impedância da fonte de um fator (+1) , 
resultando um bom Amplificador de Tensão (de ganho unitário).
Rout=( R sβ+1+ 1gm )||RE
CH5 Bipolar Amplifiers 81
Polarização
CH5 Bipolar Amplifiers 82
Resumo das três Topologias
Os três topologias de amplificador estudadas até agora têm 
propriedades diferentes e são utilizados em diferentes ocasiões.
EC ou BC tem ganho de tensão maior que 1 (um), enquanto o ganho de 
tensão do CC é no máximo 1 (um).
CH5 Bipolar Amplifiers 83
Exemplo I
vout
v in
=−
R2||RC
R1||RS
β+1
+ 1
gm
+RE
⋅
R1
R1+RS
CH5 Bipolar Amplifiers 84
Exemplo II
vout
v in
=−
RC
RS||R1
β+1
+ 1
gm
+R2
⋅
R1
R1+RS
CH5 Bipolar Amplifiers 85
Exemplo III
Rin=rπ1+R1+r π2
Av=
−RC
1
gm1
+
R1
β+1
+1
gm2
CH5 Bipolar Amplifiers 86
Exemplo IV
Av=
RC||R1
RS+
1
gm
CH5 Bipolar Amplifiers 87
Exemplo V
Rin=
1
β+1 [( RBβ+1+ 1gm2)||RE]+ 1gm1
CH5 Bipolar Amplifiers 88
Exemplo VI
vout
v in
=
RE||R2||rO
RE||R2||rO+
1
gm
+
RS||R 1
β+1
⋅
R1
R1+RS
Rout=(RS||R1β+1 + 1gm )||RE||R2||rO
CH5 Bipolar Amplifiers 89
Exemplo VII
Rin=rπ1+(β+1)(RE+RB1β+1 +1gm2 )
Rout=RC+
RB2
β+1
+1
gm3
Av=−
RC+
RB2
β+1 +
1
gm3
RB1
β+1
+
1
gm2
+
1
gm1
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