Amplificadores a Transistores mod

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Amplificadores a Transistores
Introdução
Os transistores podem ser utilizados em projetos de amplificadores em circuitos analógicos. Os circuitos analógicos são empregados no processamento de sinais analógicos, que contém informações de sistemas físicos e que são observados em uma forma continua ou analógica.
	As variáveis físicas no mundo real tais como temperatura, pressão, umidade, velocidade e etc, são representadas por sinais analógicos, Figura 1.
Figura 1- a) sinal de Temperatura x Tempo.
	 Ao se efetuar o estudo de sistemas físicos são necessários em muitos casos excitar o sistema com um sinal conhecido, por exemplo um sinal senoidal conhecido, e se obter a resposta do sistema, através da aquisição do sinal por meio de um sensor ou transdutor Figura 2. 
A
				B						C	
Figura 2 – A - Um sistema de controle de posição de uma mesa X-Y; B – Tensão senoidal de alimentação do motor; C – Resposta do sistema ou posição da mesa obtida através de um transdutor de posição.
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Figura 3 – Sistema para calibração de um transdutor de pressão. A – Coluna de água utilizada como padrão; B - Placa com transdutor de pressão e circuito amplificador; C – curva de calibração do transdutor (Tensão x Pressão).
	Portanto, necessitamos de um sensor ou transdutor que fornecerá um sinal elétrico representando o mais exato possível a variável objeto de estudo ou medida. Isto é possível se a relação entre variável e o sinal elétrico de saída, (tensão, corrente) do transdutor for linear, por exemplo, a Figura 3 mostra a curva de calibração de um transdutor de pressão onde temos a variável objeto de medida é a pressão em cmH2O, e a saída é tensão em Volts. 
	A Figura 4 representa em termos de diagrama de bloco o processo da obtenção de um sinal elétrico de uma variável qualquer, onde a saída do transdutor será um sinal elétrico que será amplificado. 
Figura 4 – Representação de um sistema de medição de uma variável por um transdutor cuja saída elétrica será amplificada.
Princípio básico dos amplificadores
Operação básica para amplificadores
	Sabemos que os transistores para atuarem como amplificadores devem operar na região ativa e que atuam como uma fonte de corrente controlada por tensão. 
	Para o transistor MOSFET, a região ativa é quando está operando na região de saturação, a voltagem entre o gate G e a fonte S, vGS , o mesmo controla a corrente de dreno iD, como descrito pela Equação 1. A Equação 1 representa um modelo de primeira ordem de operação do MOSFET, podemos observar que a corrente de dreno independe de vDS.
Para o transdutor TBJ operando na região ativa a voltagem base-emissor, vBE, controla a corrente de coletor como descrito pela Equação 2, que é uma relação exponencial. A corrente de coletor independe da voltagem coletor-emissor, em virtude da junção coletor-base está polarizada inversamente de forma que o coletor é isolado. 
	A Figura 5 mostra o transistor NMOFET na região ativa, a condição de isolação do dreno é garantida quando vDS≥vOV. Como a sobre tensão dada pela Equação 3 implica que vGD≤VTn, o que garante o pinch-off do canal no fim do dreno.
Onde: vOV sobre tensão.
	VTn – tensão de limiar para NMOSFET.
Figura 5 – O NMOSFET operando no modo ativo. Como vGS = Vtn + vOV e vDS≥vov; então vGD≤VTn, garantindo canal pinch-off no fim do dreno.
	A Figura 6 mostra o transistor TBJ operando na região ativa. A polarização reversa do coletor-base é condição para que vCE≥0,3Volts. Desde que vBE tem valor usualmente na vizinhança de 0,7 Volts, vBC será menor que 0,4 Volts, o que é suficiente para prevenir uma junção larga de condução. 
Figura 6 – Para o TBJ, vBE ≅0,7V e vCE≥0,3V resulta em vBC≤0,4V o que é suficiente para que a junção coletor-base conduza. 
	As Equações 1 e 2 correspondentes as correntes do MOSFET e TBJ, respectivamente mostra que estes 2 dispositivos são não lineares. Como utilizar estes dispositivos como amplificadores já que para que possamos amplificar sinais devemos obter como resultado sinais o mais próximo possível do real, ou seja devemos trabalhar dentro de uma região linear.
Amplificador de voltagem
	Pelo exposto no item anterior vemos que o transistor é basicamente um amplificador de transcondutância uma vez que o sinal de entrada uma tensão em volts, enquanto a saída é uma corrente, iD para o MOSFET e iC para o TBJ npn. O nosso interesse é que o sinal de saída seja uma tensão em V volts. Para que se obtenha o sinal de saída em volts a corrente de saída passará através de um resistor e tomaremos a tensão através deste, como o sinal de saída. 
	A Figura 7 mostra a configuração de um amplificador simples usando um NMOSFET em Figura 7a, e um TBJ em Figura 7c as Figuras 7b e 7d mostram as características de transferência de voltagem para o NMOSFET e TBJ npn respectivamente. 
Figura 7 – a) amplificador NMOSFET, b) amplificador TBJ, c) característica de transferência de voltagem do NMOSFET e d) característica de transferência de voltagem do TBJ npn.
	Para o amplificador NMOSFET, Figura 7a, temos como sinal de entrada vGS e a voltagem de saída, (vo=vds), será obtida entre o dreno e o terra em vez de simplesmente através de resistor. Isto deve-se ao fato de se ter uma referência, (terra), comum entre a entrada e a saída. A voltagem de saída será dada pela Equação 4. 
 Equação 4
	Para o amplificador TBJ npn, Figura 7c, a voltagem de entrada vBE e a voltagem de saída, (vO=vCE), será dada pela Equação 5. 
 Equação 5 
A Característica de Transferência de Voltagem – CTV
 A Característica de transferência de Voltagem, CTV, mostrada na Figura 7b para o MOSFET e Figura 7d para o TBJ apresenta de maneira clara as regiões de operação do transistor. Para o amplificador MOSFET esta característica é plotada a partir relação vDS x vGS e para o TBJ da relação vCE x vBE. 
	Para curva do MOSFET vemos que, para vGS<Vt o transistor está na região de corte, iD=0, e de acordo com a Equação 4, vDS=VDD. Quando vGS aumenta em relação a Vt, o transistor liga e vDS decresce. Como vDs é inicialmente alto, o MOSFET opera na região de saturação, ou região ativa, e continua nesta região até vDs decrescer para o ponto em que fica abixo de vGs e Vt, neste ponto vDS = vGS – Vt. Ponto B. Para vGS maior que o ponto B o MOSFET opera na região de tríodo. 
	A CTV Figura 7b indica que o segmento de maior inclinação, trecho AB, corresponde a operação na região ativa, ou seja, tendo um ponto de operação como amplificador ocorrendo ao longo do segmento. 
	A equação que descreve o segmento AB pode ser obtida pela substituição da equação de corrente iD, Equação 1, na equação da tensão vDS, Equação 4, obtendo-se desta maneira a Equação 6. 
Equação 6
Esta equação mostra uma relação não linear. Como deseja-se que no processo de análise de um sinal analógico, a relação tem que ser linear condição importante, e que deve ser observada quando da amplificação do sinal, então deve-se procurar maneiras de forma que se tenha uma amplificação linear. Para que isto ocorra, a técnica utilizada para isto consiste em se trabalhar na polarização do transistor. 
	O ponto B na Figura 7b está no limite entre a região de saturação e de tríodo, logo é interessante determinar as suas coordenadas. Este ponto é obtido substituindo:
 , logo
Obtém-se então a Equação 7:
Este ponto pode ser caracterizado voltagem de sobretensão VOV pela Equação 8.
	
 Equação 8 
Ou seja:
: 
Para o Transistor TBJ pode ser obtido de maneira semelhante. Neste caso, a região ativa ou o segmento AB do amplificador, a voltagem de saída é relacionada a voltagem de entrada pela Equação 9, mostrando também que se rem uma relação não linear. Da mesma forma utiliza-se a técnica da polarização para se obter uma amplificação linear. 
Equação 9
AmplificaçãoLinear obtida pela polarização do Transistor
	A polarização permite obter sempre uma amplificação linear dos Transistores MOSFET e TBJ. Consiste em selecionar uma voltagem CC para VGS, tendo como objetivo, obter ponto Q no segmento AB da CTV. As coordenadas para o ponto Q são as tensões VGS e VDS. A Equação 10 mostra a relação entre as tensões.
 Equação 10
	O ponto Q, é chamado de ponto de operação, também de ponto quiescente porque não está levado em consideração a componente do sinal a ser amplificado, Figura 8.
Figura 8 – Polarização do amplificador MOSFET, observa-se o ponto Q localizado no segmento AB que corresponde a região de saturação do Transistor.
	Após a determinação do ponto de operação, será considerado o sinal vGS(t) a ser amplificado, este será superposto a tensão de polarização VGS, Figura 9. 
Figura 9 – Amplificador MOSFET, vgs sinal a ser amplificado, VGS tensão de polarização
O valor instantâneo será vGS dado pela Equação 11.
Equação 11
Para obter o sinal de saída vDS(t), substituiremos o valor de vGS(t) na Equação 6, obteremos o valor ponto a ponto da saída. A Figura 10 mostra o exemplo de um sinal de uma onda triangular de pequena amplitude em um processo de amplificação. 
Figura 10 – Representação da amplificação de uma onda triangular de pequena amplitude.
 
Da Figura 10, observa-se que o ganho em voltagem é obtido pela tangente a curva que passa pelo ponto Q. O sinal amplificado é obtido a partir da excursão do sinal em torno deste ponto. 
	Para o transistor TBJ o processo é o mesmo, o ponto Q será caracterizado pelas tensões VBE e VCE, Equações 11 e 12.
 Equação 11
 Equação 12
E o sinal a ser amplificado vbe será sobreposto a tensão de polarização VBE, Equação 13.
Equação 13
A Figura 11 mostra o caso do TBJ.
Figura 11 – Processo de amplificação do TBJ. 
Pequenos sinais Ganho em Voltagem
MOSFET
Considerando amplificador da Figura 12. Para um pequeno sinal de entrada vGS, o sinal de saída vDS, será proporcional ao sinal de entrada vGS, com uma constante de proporcionalidade dada pela inclinação do segmento linear da CTV em torno do ponto Q. O ganho de voltagem do amplificador é determinado pela avaliação da inclinação da tangente que passa pelo ponto de polarização Q, Equação 14.
Equação 14
	
Retomando a Equação 6, e substituindo vDS na Equação 14, tem-se:
 
Logo, o valor do ganho será:
	
Como:
 
Então teremos o ganho em tensão dado pela Equação 15,
 					Equação 15
Portanto, pode-se concluir que:
1 – O ganho é negativo, significando que o sinal de saída será deslocado de 180º em relação a entrada, Figura 12.
2 – O ganho é proporcional a resistência RD, ao parâmetro de transcondutância kn e a sobre tensão VOV.
Figura 12 – Amplificação de um sinal por um amplificador MOSFET, observa-se as características do sinal de saída em relação ao sinal de entrada.
	O ganho também pode ser expresso a partir da corrente de dreno ID, uma vez que está relacionada a sobre tensão VOV, Equação 16.
			Equação 16
Logo tem-se:
		
Substituindo na Equação 15, obtemos a Equação 16:
				Equação 16 
 
Podemos escrever esta equação como:
				
Como a máxima inclinação ocorre no ponto B então o ganho máximo |AVmax| é obtida pela polarização no ponto B e magnitude ocorre no ponto B.
Então: 
					
Transistor TBJ
Para o amplificador utilizando TBJ, Figura 12,
Figura 12 - Amplificador utilizando TBJ.
Pode ser obtido o ganho de forma semelhante, Equação 17:
					Equação 17
A partir das equações
 
O ganho será determinado pela Equação 18:
				Equação 18
Da Equação 18 conclui-se que:
1 – O ganho é negativo, significando que o sinal de saída será deslocado de 180° em relação a entrada, Figura 12.
2 – O ganho é proporcional a corrente de coletor IC e a resistência RC. 
O ganho é a razão entre a tensão através do resistor RC e a tensão VT e que a temperatura ambiente tem aproximadamente um valor de 25 mV. Esta relação é similar a do MOSFET. No denominador constante VT é uma constante física, no caso do MOSFET o denominador é uma constante de projeto VOV/2.
Usualmente o valor de VOV/2 é maior do que VT, portanto com o amplificador TBJ obtém-se um ganho maior do que no MOSFET. 
 
A
B
C
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Ponto de polarização ou de operação ou quiescente
Sinal a ser amplificado
Sinal a ser amplificado
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Prof. José Felício da Silva	Circuitos Eletrônicos 2	jfeliciodasilva@gmail.com