Amplificador de Pequenos Sinais

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9. Amplificador de Sinal 
 
O termo amplificador nos remete ao conceito de ampliar um sinal ou 
um som através da amplitude. 
 
 
9.1. TIPOS DE AMPLIFICADORES 
 
Os amplificadores podem ser divididos em várias categorias: 
 
� Quanto à amplitude dos sinais: 
 
Amplificador de Pequeno Sinal ou Baixa Potência – são circuitos 
onde os sinais de entrada são da ordem de centenas de µV a algumas 
dezenas de mV ou com algumas centenas de mW de potência; 
 
Amplificador de Média Potência – são circuitos onde os sinais de 
entrada são na ordem de centenas de mV ou algumas unidades de Watt de 
potência; 
 
Amplificador de Potência – são circuitos onde as tensões de entrada 
são ordem de centenas de mV ou com potências na ordem de centenas de 
Watts. 
 
� Quanto à freqüência temos: 
 
Amplificadores de baixa freqüência – são os que operam com 
freqüências na faixa de 0,1Hz à 30kHz; 
 
Amplificadores de média freqüência – operam com freqüências na 
faixa de LF (Low Frequency - Baixa Freqüência); 
 
Amplificadores de Alta Freqüência – operam com freqüências de 
VHF (Very High Frequency). 
 
Porém, para efeito de estudo dos amplificadores, eles podem ser 
divididos apenas em três categorias que são: 
 
- Amplificadores de baixa potência e freqüência; 
- Amplificadores de Potência; 
- Amplificadores de alta freqüência. 
 
 
 
 
 
Vamos a partir de agora enfocar mais os amplificadores de baixa 
potência e freqüência, pois é o mais utilizado. 
 
9.2. AMPLIFICADOR DE SINAL EMISSOR COMUM 
 
Anteriormente, estudamos os três principais circuitos utilizados para a 
polarização de transistores de junção bipolar. Agora, iremos considerar os 
transistores devidamente polarizados com seus pontos de operação 
próximos ao meio da reta de carga para uma máxima excursão do sinal de 
entrada sem distorção. 
 
O amplificador emissor comum atua como amplificador de tensão em 
muitos sistemas de áudio e de controle. O objetivo é dar ganho inicial de 
tensão ao sinal ca proveniente de uma fonte de sinal qualquer. 
 
Ao injetarmos um pequeno sinal ca à base do transistor, ele se somará 
a tensões cc de polarização e induzirá flutuações na corrente de coletor de 
mesma forma e freqüência. 
 
Ele será chamado de amplificador linear (ou de alta-fidelidade → Hi-Fi) 
se não mudar a forma do sinal na saída. Desde que a amplitude do sinal de 
entrada seja pequena, o transistor usará somente uma pequena parte da reta 
de carga e a operação será linear. Por outro lado se o sinal de entrada for 
muito grande, as flutuações ao longo da reta de carga levarão o transistor à 
saturação e ao corte. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Um circuito amplificador é mostrado na figura abaixo. A polarização é 
por divisor de tensão na base. A entrada do sinal é acoplada à base do 
transistor via o capacitor Ci e a saída do sinal é acoplada à carga RL através 
do capacitor Co. O capacitor funciona como uma chave aberta para corrente 
cc e como chave fechada para a corrente alternada. Esta ação permite obter 
um sinal ca de uma estágio para outro sem perturbar a polarização cc de 
cada estágio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
���� INVERSÃO DE FASE 
 
Devido às variações ca na corrente do coletor, a tensão de saída da 
figura a seguir oscila senoidalmente acima da tensão quiescente. Observe 
que a tensão de saída está invertida relativamente à tensão ca de entrada, 
significando que ela está defasada em 180º com a entrada. Durante o 
semiciclo positivo da tensão de entrada, a corrente de base aumenta, 
fazendo crescer a corrente de coletor. Isto produz uma queda de tensão 
maior através da resistência do coletor; portanto a tensão do coletor diminui, 
e obtemos o primeiro semiciclo negativo da tensão de saída. 
Reciprocamente, no semiciclo negativo da tensão de entrada, flui uma 
corrente menor do coletor, e a queda de tensão através do resistor do coletor 
diminui. Por esta razão, a tensão do coletor ao terra aumenta e obtemos o 
semiciclo positivo da tensão de saída. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
���� TEOREMA DA SUPERPOSIÇÃO PARA AMPLIFICADORES 
 
Num amplificador transistorizado, a fonte cc estabelece correntes e 
tensões quiescentes. A fonte ca produz então, flutuações nessas correntes e 
tensões. O jeito mais simples de análise do circuito é dividindo a análise em 
duas partes: uma análise cc e uma análise ca. 
 
Em outras palavras, aplica-se o teorema da superposição. O teorema 
da superposição diz que se pode calcular os efeitos produzidos no diversos 
pontos de um circuito para cada fonte de alimentação funcionando sozinha. 
O efeito total será a soma de cada efeito individual. 
 
���� CIRCUITOS EQUIVALENTES CA E CC 
 
O circuito da figura abaixo tem duas fontes de alimentação (VCC e VS). 
Cria-se o circuito devido a fonte cc denominado equivalente cc. E depois o 
circuito devido a fonte ca denominado equivalente ca. 
 
EQUIVALENTE CC 
 
Análise do circuito considerando a fonte VCC e desprezando a fonte VS. 
Somente as correntes cc atuam neste caso e, portanto, os capacitores são 
desprezados. Seqüência: 
 
� Reduzir a fonte ca a zero (considerar a fonte VS em curto). 
� Abrir todos os capacitores. 
 
A figura abaixo mostra o circuito equivalente cc. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EQUIVALENTE CA 
 
Análise do circuito considerando a fonte VS e desprezando a fonte cc. 
Somente as correntes ca atuam neste caso e, portanto, os capacitores são 
considerados em curto. Seqüência: 
 
� Reduzir a fonte cc a zero (considerar a fonte VCC em curto). 
� Todos os capacitores em curto. 
 
A figura abaixo mostra o circuito equivalente ca. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
���� NOTAÇÃO 
 
A partir daqui, é conveniente distinguir os sinais contínuos dos 
alternados. Para isto as variáveis com suas letras e índices passam a ter a 
seguinte convenção: 
 
� letras e índices maiúsculos para as quantidades cc. → IC, VE, VCC. 
� letras e índices minúsculos para as quantidades ca. → ic, ve, vs. 
 
Sinal negativo para indicar tensões ou correntes senoidais 180° fora de 
fase. 
ve = - vk 
 
 
 
 
 
 
 ve vk 
 
 
 
� RESISTÊNCIA CA DO DIODO EMISSOR 
 
Ao polarizar corretamente o transistor, o modelo Ebers-Moll é uma 
alternativa boa e simples de representação do transistor. Até agora, o VBE foi 
aproximado para 0,7V. O modelo continua válido para pequenos sinais 
alternados, com uma alteração no diodo emissor. 
 
A figura abaixo mostra a curva do diodo relacionando IE e VBE. Na 
ausência de um sinal ca o transistor funciona no ponto Q, geralmente 
localizado no meio da linha de carga cc. Quando um sinal ca aciona o 
transistor, entretanto, a corrente e a tensão do emissor variam. Se o sinal for 
pequeno, o ponto de funcionamento oscilará senoidalmente de Q a pico 
positivo de corrente em A e, a seguir, para um pico negativo em B, e de volta 
para Q, onde o ciclo se repete. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Um sinal é considerado pequeno quando a oscilação de pico a pico na 
corrente do emissor (ie) for menor do que 10% do valor da corrente 
quiescente do emissor (IE). 
Se o sinal for pequeno, os picos A e B serão próximos de Q, e o 
funcionamento é aproximadamente linear. O arco A e B é quase uma linha 
reta. Logo, o diodo emissor para pequenos sinais ca se apresenta como uma 
resistência, chamada de resistência ca do emissor e pela lei de Ohm: 
 
 
 
 
 
onde: 
 
 
 
r’e = resistência ca do emissor; 
∆VBE = pequenavariação na tensão de base-emissor; 
∆IE = variação correspondente na corrente do emissor. 
 
∆VBE e ∆IE, na verdade são, respectivamente, uma tensão e uma corrente 
alternada. 
 
Rescrevendo: 
 
 
 
 
vbe = tensão ca através dos terminais da base-emissor; 
ie = corrente ca através do emissor. 
 
A figura abaixo mostra o modelo ca Ebers-Moll. Neste modelo, o diodo 
base-emissor é substituído pela resistência ca do emissor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Uma outra maneira de se conseguir o valore de r’e é através da 
seguinte fórmula: 
 
 
 
Obs.: r’e depende só de IE de polarização. 
 
 
� ββββCA - GANHO DE CORRENTE ALTERNADA 
 
A figura abaixo mostra a curva IC x IB. βCC é a razão entre a corrente de 
coletor e a corrente de base. Como o gráfico não é linear, βCC depende do 
valor do ponto Q. O ganho de corrente ca (chamado de βCA ou simplesmente 
 
 
 
β) é a relação entre a variação da corrente de coletor e a variação da 
corrente de base para pequenos sinais em torno do ponto Q. 
 
 
 
 
 
Graficamente ββββ é a inclinação da curva no ponto Q. Ele pode assumir 
diversos valores dependendo da posição Q. 
 
 
���� GANHO DE TENSÃO 
 
O ganho de tensão é: 
Av = vSAÍDA 
 vENTRADA 
 
 
A figura abaixo mostra o circuito equivalente ca para o amplificador 
emissor comum estudado até o momento. O resistor do coletor RC e o 
resistor R1 tem um dos lados aterrado, porque a fonte de tensão VCC aparece 
como um curto em ca. Por causa do circuito paralelo na entrada, a tensão VS 
aparece diretamente sobre o diodo emissor. 
 
 
 IB 
IC 
B 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Na figura abaixo, o mesmo circuito ao considerar o modelo Ebers-Moll. 
A tensão de entrada aparece com uma polaridade mais - menos para indicar 
o semiciclo positivo. A lei de Ohm aplicada em r’e: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Obs.: Lembrando que a tensão VSOURCE é a tensão senoidal de entrada 
aplicada à base do transistor através do capacitor Ci. 
 
 
Na figura acima, a malha do lado direito tem dois resistores em paralelo 
RC e RL. O resistor equivalente é: 
 
rC = RL // RC 
 
Na malha do lado direito a tensão de saída é a tensão sobre o resistor 
equivalente rC. 
 
 
 
então o ganho 
 
 
 
 
como a corrente do coletor é aproximadamente igual a corrente do emissor 
 
 
 
���� CURVA DE RESPOSTA EM FREQÜÊNCIA 
 
O comportamento de um amplificador em função da sua faixa de 
freqüência de operação está relacionado, nas freqüências mais baixas, com 
o valor dos capacitores de acoplamento e desacoplamento e, nas 
freqüências mais altas com as capacitâncias parasitas para junções 
coletor-base cc e emissor-base co, fornecidas pelos manuais dos fabricantes. 
 
Assim a nossa maior preocupação recai sobre o valor dos capacitores 
de acoplamento e desacoplamento, e o efeito deles na freqüência de corte 
inferior do amplificador, desconsiderando a freqüência de corte superior 
natural ou fixando-a através de um outro capacitor externo, como será 
visto mais adiante. 
 
FREQÜÊNCIA DE CORTE INFERIOR 
 
Num amplificador emissor comum, existem dois capacitores de 
acoplamento, Ci (de entrada) e Co (de saída), e um capacitor de desvio CE 
(de emissor). Cada um deles impõe ao amplificador uma freqüência de corte 
inferior diferente, devendo ser considerada, portanto apenas a maior delas, 
denominada freqüência de corte inferior dominante fCID. 
 
 
Capacitor de Entrada 
 
O circuito de entrada equivalente ao modelo ac do amplificador emissor 
comum, considerando a influência do capacitor de entrada Ci na freqüência 
de corte inferior, é mostrado na figura abaixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pelo circuito de entrada simplificado, vê-se que ele é um filtro passa-
altas. 
 O capacitor Ci deve ser considerado um curto-circuito para freqüência 
acima da freqüência mínima de operação fm, desejada para o amplificador. 
Para isso a reatância capacitiva deve ser bem menor que (RiG + ZENT), de 
modo que não haja atenuação apreciável do sinal de entrada. Quanto menor 
a reatância capacitiva, melhor será o acoplamento, naturalmente não é 
possível uma reatância nula. Se a reatância for no máximo 10% da 
resistência total tem-se um acoplamento estabilizado. 
 
XCi > 
1 
2pi x f x Ci 
 
Das expressões acima tiramos a fórmula abaixo: 
 
Ci > 
N 
2pi x fm x (RiG + ZENT) 
 
Onde N é o numero de vezes menor que a freqüência mínima de operação 
desejada. Portanto, o valor de N deve ser escolhido conforme a freqüência 
de corte da resposta em freqüência desejada. 
 
Então podemos definir a freqüência de corte inferior da seguinte forma: 
 
fCi > 
1 
2pi x (RiG + ZENT) x Ci 
 
Exemplo: Suponha o projeto de um estágio com transistor na faixa de áudio, 
20Hz a 20kHz. O sinal de entrada entra no estágio via capacitor de 
acoplamento. Qual o valor mínimo para o capacitor se ele perceber uma 
resistência total de 10 kΩ? 
XCi < 
(RiG + ZENT) 
N 
Amplificador 
 
 
Solução: 
 
Utilizaremos um fator N=10 para termos um acoplamento estabilizado. 
A escolha da freqüência recai sobre a de menor valor f=20Hz. 
 
Substituindo os valores na equação, 
temos: 
 
 
 
 
 
A capacitância deve ser igual ou maior que 79,6µF. 
 
Capacitor de Saída 
 
O capacitor Co pode representar o circuito de saída do modelo híbrido 
do amplificador emissor comum para a freqüência de corte inferior da 
seguinte forma: 
 
 
 
 
 
 
Analogamente à análise feita no circuito de entrada, tem-se: 
 
XCo > 
1 
2pi x f x Co 
 
 
Portanto o valor de Co e da freqüência de corte inferior que ele impõe 
(em valor comercial) podem ser determinados por: 
 
CO> 
N 
2pi x fm x (RL + ZS) 
 
Capacitor de Desvio do Emissor 
 
Um capacitor de desvio é semelhante a um capacitor de acoplamento, 
exceto pelo fato de ele acoplar um ponto qualquer a um ponto aterrado, 
 
Ci > 
N 
2pi x fm x (RiG + ZENT) 
Ci > 
1 
0,2pi x 20 x (10.000) 
XCo < 
(RL + ZS) 
N 
fCi > 
1 
2pi x (RL + ZS) x Co 
 
 
como mostra a figura ao lado. O capacitor funciona idealmente como um 
curto para um sinal ca. 
Para determinar o capacitor de desvio do emissor, um cuidado 
importante deve ser tomado com relação à freqüência de corte inferior. Como 
o capacitor CE serve para manter a tensão de RE constante durante toda a 
banda de freqüência, se a freqüência de corte inferior 
imposta por ele for dominante, no intervalo 
correspondente a queda de 3dB, o capacitor CE pode 
provocar a realimentação negativa do sinal ca através 
de RE reduzindo ainda mais o ganho do amplificador. 
Isto pode ser evitado impondo-se para CE uma 
freqüência de corte inferior pelo menos quatro vezes 
menor que a freqüência de corte inferior dominante fCID 
(imposta por Ci ou CO), ou seja, fCi(CE) < fCID / 4, 
determinado-se o valor de CE a partir da expressão: 
 
CE > 
4 
2pi x fCID x RE 
FREQÜÊNCIA DE CORTE SUPERIOR 
 
Como já mostrado anteriormente, a freqüência de corte superior é 
imposta pelas capacitâncias parasitas das junções do transistor, tendo uma 
ordem de grandeza muito maior que 30KHz, que é a freqüência máxima 
considerada para amplificadores de baixa freqüência. 
Portanto, em principio, seu cálculo pode ser desconsiderado, já que os 
transistores garantem uma resposta de freqüência plana até 30KHz. 
Por outro lado, muitas vezes é necessário fixar a freqüência de corte 
superior de um amplificador, para que ele tenha uma banda de freqüência 
bem determinada. Isso é comum, por exemplo, quando se deseja restringir a 
faixa defreqüência de áudio à faixa correspondente aos alto-falantes para 
sons graves (woofer – 20 a 100Hz), médios (mid range – 100Hz a 10KHz) ou 
agudos (tweeter – 10KHz a 200KHz). 
Para isso, pode-se acrescentar um capacitor CL em paralelo com a 
carga RL, ficando o circuito equivalente na saída do amplificador na figura 
abaixo: 
Ganho em dB 
Banda Passante 
3 dB 
 A 
 A/√√√√2 
log f 
 ganho máximo 
fCi fCs 
 
 
 
Porém como CO pode se considerado um curto para as freqüências 
acima da freqüência de corte inferior, o capacitor CL enxerga somente uma 
resistência de Thèvenin, dada por ZS || RL, Como mostra o seu circuito 
simplificado que nada mais é que um filtro passa-baixa. 
Assim, adotando uma freqüência máxima de operação desejada (fM) 
como freqüência de corte superior (fM = fCs), chega-se ao valor de CL e da 
freqüência de corte superior resultante (usando CL comercial) pelas 
expressões: 
 
 
 
 
 
CURVA DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA 
 
A figura abaixo mostra como geralmente varia o ganho de um 
amplificador em função da freqüência. Observe que há uma faixa 
intermediária onde o ganho é constante, que se estende aproximadamente 
desde uma década acima da freqüência fCi até uma década abaixo da 
freqüência fCs. Esta é a faixa de freqüências médias ou intermediárias do 
amplificador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
As freqüências fCi e fCs são conhecidas como freqüências de corte, e 
representam as freqüências onde o ganho é atenuado em √2/2 = 0.707 
vezes o ganho em freqüências médias. Ou, em termos de decibéis, cai 3 dB 
em relação ao ganho em freqüências médias (pois 20.log (0,707) = –3dB). 
Chamamos de banda passante, ou banda “B”, a diferença entre as 
freqüências de corte superior e inferior. 
 
 
CL > 
1 
2pi x fM x (RL || ZS) fCs > 
1 
2pi x (RL || ZS) x CL 
EXERCÍCIOS 
 
1) A fonte ca da figura abaixo pode ter uma freqüência entre 100Hz e 200Hz. Para ter um 
acoplamento estabilizado ao longo desta faixa, que valor deve ter o capacitor de 
acoplamento? 
 
 
 
 
2) Desenhe o circuito cc equivalente para o amplificador da figura abaixo. Rotule as três 
correntes com a notação cc padronizada. A seguir, desenhe o circuito ca equivalente. 
 
 
 
3) Desenhe os circuitos cc e ca equivalente para a figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4) Calcule o valor de r´e para cada uma destas correntes cc do emissor: 0,01mA, 0,05mA, 
0,1mA, 0,5mA, 1mA e 10mA. 
 
5) Qual o valor de r´e no amplificador do exercício 3? 
 
6) E no circuito abaixo? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7) Se vent = 1mV na figura abaixo, qual o valor de vsaída ?