Circuitos Eletrônicos Analógicos Amplificadores

EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2018
Amplificadores Elementares
Transistorizados
Prof. Jader A. De Lima

• Amplificadores Básicos (Estágio Simples)
• Transistores Bipolares (BJTs)
• Transistores MOS (MOSFETs)

Amplificador linear: A = d(Vout)/d(Vin) = constante

Attenuation
Means loss of energy weaker signal
When a signal travels through a medium it loses energy
overcoming the resistance of the medium
Amplifiers are used to compensate for this loss of energy
by amplifying the signal.

Measurement of Gain/Attenuation
To show the loss or gain of energy the unit
“decibel” is used.
dB = 10log10P2/P1
P1 - input signal
P2 - output signal

Suppose a signal travels through a transmission medium and its
power is reduced to one-half. This means that P2 is (1/2)P1. In this
case, the attenuation (loss of power) can be calculated as
A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing one-half the power.






=
1
2
log20
V
V
AVdB 





=
1
2
log20
I
I
AIdB
A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing 0.707 of voltage (current).

Decibel is also used to measure signal power in milliwatts. In
this case, it is referred to as dBm and is calculated as dBm =
10 log10 Pm , where Pm is the power in milliwatts.
A power level of 0 dBm corresponds to a power of 1 milliwatt.
Ex: Power of a signal with dBm = −30.

(a) Thévenin (b) Norton
Representação de uma fonte de sinal

Amplificador de tensão como quadripolo
• rin: resistência de pequenos-sinais de entrada
• rout: resistência de pequenos-sinais de saída
• Av : ganho de tensão em aberto Av = (Vout/Vin)

• Caso prático:
• carga do amplificador (RL)
• Resistência da fonte de sinal (RS)
• Há algum efeito no ganho total Vout/Vs?

Lout
L
invout
Rr
R
VAV
+
=
Sin
in
in
Rr
r
VsV
+
=
Lout
L
Sin
in
v
out
Rr
R
Rr
r
A
Vs
V
++
=
atenuação do sinal

Exercício: determinar o ganho total na cadeia de 3 estágios.
Verificar que o ganho total difere de 10 x 100 x 1

• modelo pequenos-sinais BJT
• modelo pequenos-sinais MOSFET

• Tipos de Amplificadores
Amplificador de tensão Amplificador de corrente
Amplificador de transresistenciaAmplificador de transcondutância

Typical magnitude response of an amplifier. |T(v)| is the magnitude of the
amplifier transfer function - that is, the ratio of the output Vo(v) to the input Vi(v).

1. Montagem Emissor-Comum (CE: common emitter)
• terminal de emissor é comum a ambos os sinais de entrada e saída.
• sinal de entrada é aplicado à base
• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do coletor
Amplificadores Básicos a BJT

• Ganho de tensão (condição de contorno: coletor em aberto):
inmm
C
out
vgvg
R
v
==− π
Cm
0Ioutin
out
V Rg
v
v
A −==
=
Observa-se que:
i)em relação à entrada, a saída apresenta inversão de fase.
ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância gm = IC/VT, sendo IC a
corrente de DC do coletor e VT é a tensão térmica (@ 25mV@300o
K).

Ex: no caso de Av = -38.5, tem-se as correspondentes formas de onda,
para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV (admite-se que
a alimentação VCC seja suficientemente alta para permitir a excursão
de saída)

• Resistência de Entrada:
• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de
entrada (condição de contorno: coletor em aberto, ou iout = 0):
x
x
i
r
v
=
π
E
T
E
x
x
0ioutin
I
V
rr
i
v
r β=β=== π=

• Resistência de Saída:
saída (condição de contorno: curto-circuito à entrada (vin = 0):
π+= vg
R
v
i m
C
x
x
C
x
x
0vinout R
i
v
r ===

• A polarização de Q1 em sua região ativa é fundamental para que o
amplificador opere em sua região linear.
• O ponto quiescente Q é caracterizado por IBQ, ICQ e VCEQ

• formas de onda referentes a uma entrada triangular.

• Polarização do transistor
Equivalente Thévenin para cálculo do ponto quiescente

→
RTh = RB1 // RB2
VTh = VCC RB2 / ( RB1 + RB2 )
IB = (VTh - VBE ) / [ RTh + ( β+1) RE ] AV ≅ - (RC / RE )
→ Presença de RE estabiliza o ganho
• DC:

 Simulação com LTSPICE

 Ponto de Operação (Ponto Quiescente)

 Simulação AC (Pequenos Sinais)

 efeito da temperatura no ganho

 Simulação Transiente (Grandes Sinais)

 FFT

2. Montagem Base-Comum (CB: common base)
• terminal de base é comum a ambos os sinais de entrada e saída.
• sinal de entrada é aplicado ao emissor
• sinal de saída – em fase - é retirado do coletor

• Ganho de tensão (coletor em aberto):
π−= vgRv mCout
π−= vvin
Cm
0Ioutin
out
V Rg
v
v
A +==
=
• Embora o ganho de tensão seja idêntico – em módulo – ao apresentado pela
montagem CE, a saída está agora em fase com a entrada.

entrada (coletor em aberto, ou iout = 0):
E
T
E0ioutin
I
V
rr ===

saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):
E
EA
o
I
V
rcer ≅=
oC0vinout r//Rr ==

3. Montagem Coletor-Comum (CC: common collector)
• terminal de coletor é comum a ambos os sinais de entrada e saída.
• sinal de entrada é aplicado à base
• sinal de saída – em fase - é retirado do emissor
• montagem CC também é chamada de seguidor de emissor

• Ganho de tensão (emissor em aberto, Iout = 0):
outin vvv += π
E
E
EE
EmEout
r
R
v
r
1
r
1
Rv
r
v
vgRv ππ
π
π
π ≅





β
+=





+=










+= 1
R
r
vv
E
E
outin
1
R
r
1
v
v
A
E
E
0ioutin
out
V
+
+==
=
• para rE << RE, tem-se um ganho de tensão aproximadamente unitário,
estando os sinais de entrada e saída em fase.

entrada (emissor em aberto, ou iout = 0):
π
π
π
π 





+≅





++= v
r
R
1
r
v
RgRvv
E
E
EmEx
( )EE
x
E
E
E
x
x
Rr
v
r
r
R
1
v
r
v
i
+β
=
β





+
==
π
π
( )EE
x
x
in Rr
i
v
r +β==

saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por simples inspeção
visual:






+β
+=





+β
+==
1
R
g
1
//R
1
R
r//Rr
S
m
E
S
eE0vinout

+VCC
-VCC
Vi ~
RL
QN
QP
Vo
3a. Estágio de Saída Push-Pull Classe B
Estágio Push-Pull em Classe B
Vi
Vo
- Vcc + Vcesatp
Vcc - Vcesatn
Vben
Vbep
crossover

3b. Estágio de Saída Push-Pull classe AB
(eliminar distorção de cruzamento)
+VCC
-VCC
Vin ~
R3
R4
RL
QN
QP
R2
R1
Q1Vbb
CB
Vo
push-pull com multiplicador de VBE
Vbb = VBE1 (1 + ( R2 / R1 ))

1. Montagem Fonte-Comum (CS: common source)
• terminal de fonte é comum a ambos os sinais de entrada e saída.
• sinal de entrada é aplicado à porta
• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do dreno
Amplificadores Básicos a MOSFET

• Ganho de tensão (dreno em aberto):
inm1m
D
out
vgvg
R
v
==−
Dm
0Ioutin
out
V Rg
v
v
A −==
=
Observa-se que:
i)em relação á entrada, a saída apresenta inversão de fase.
ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância. Para o MOSFET na
saturação, tem-se
D
GS
D
m I
V
I
g β2=
∂
∂
=
ID: a corrente DC do dreno
β = (W/L)µnCox : fator de ganho do transistor
( )2
2
THGSD VVI −=
β

• MOSFET

VDSat = VGS – Vt : saturation voltage

Ex: Av = -3.85, tem-se as correspondentes formas de onda,
para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV.

entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):
∞→==
x
x
0ioutin
i
v
r

saída na condição de contorno de curto-circuito à entrada (vin = 0):
gsm
D
x
x vg
R
v
i +=
D
x
x
0vinout R
i
v
r ===Sendo vgs = 0,

• amplificador CS com resistor de degeneração de fonte RS, e
respectivo circuito equivalente para pequenos-sinais.
• A degeneração de fonte possibilita uma estabilização do ganho
(Av = -RD/RS)
S1m1in Rvgvv +=
Sm
in
1
Rg1
v
v
+
=
D1mout Rvgv −=
S
m
D
Sm
Dm
in
out
R
g
1
R
Rg1
Rg
v
v
+
−
+
−=
Impondo-se, por projeto, 1/gm << RS:
S
D
in
out
R
R
v
v
−≅

2. Montagem Porta-Comum (CG: common gate)
• terminal de gate é comum a ambos os sinais de entrada e saída.
• sinal de entrada é aplicado à fonte
• sinal de saída – em fase - é retirado do dreno
gsmDout vgRv −=
gsin vv −=
Dm
0Ioutin
out
V Rg
v
v
A +==
=
• Ganho de tensão (dreno em aberto):

entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):
xm1mx vgvgi =−=
mx
x
0ioutin
g
1
i
v
r ===

• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância
(resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):






+=+==
oD
x
o
x
D
x
x
r
1
R
1
v
r
v
R
v
i oD0vinout r//Rr ==
D
EA
dso
I
V
rr ≅=

3. Montagem Dreno-Comum (CD: common drain)
• terminal de dreno é comum a ambos os sinais de entrada e saída.
• sinal de entrada é aplicado à porta
• sinal de saída – em fase - é retirado da fonte
• montegem CD também é chamada de seguidor de fonte

• Ganho de tensão (fonte em aberto):
o
out
L1mL
o
out
1mLout
r
v
RvgR
r
v
vgRv −=





−=
1mL
o
L
out vgR
r
R
1v =





+
1outin vvv =−
)vv(gR
r
R
1v outinmL
o
L
out −=





+
in
omL
L
mL
out v1
rgR
R
gR
1
v =





++
( )oLm
0ioutin
out
V
r//Rg
1
1
1
v
v
A
+
==
=
• para ro >> RL e gmro >>1, tem-se um ganho de tensão aproximadamente
unitário, estando os sinais de entrada e saída em fase.

entrada (fonte em aberto, ou iout = 0):
∞→=
x
x
in
i
v
r

• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância
(resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por
simples inspeção visual e λ = 0:
m
L
m
oL0vinout
g
1
//R
g
1
//r//Rr ≅==

( ) 





−−= DSDSTHGSD VVVVI
2
1
β
( )2
2
THGSD VVI −=
β










−= 1exp
T
BE
oEE
V
V
JAI
(triode)
(sat)
oxC
L
W
µβ =
( ) =−= THGSm VVg β ( ) 5.0
2 DIβ
t
E
m
V
I
g =
BJT MOSFET

Ex: Determinar:
•Ponto de operação
•Ganho de tensão para pequenos sinais
•Qual mínimo VDD que garante M1 na região de saturação?
Dados:
•VTH = 0.6V (tensão de limiar)
•µ = 420 cm2
/(V.s)
•Cox = 600nF/cm2
•λ = 0 (efeito modulação canal)

( ) ( )22
6.01
2
1
2
−=−= oxTHGSD C
L
W
VVI µ
β
( ) ( ) mAVVI THGSD 12.16.01.n600.420
18.0
10
2
1
2
22
=−=−=
β
VmxRIVV DDDDS 14.112.15008.1 =−=−=
( ) VmAxVVg THGSm /6.54.0014.0 ==−= β
VVmxgmRAv D /8.25006.5 −=−=−=
VmRIVV
VVVV
DDDSATDD
THGSDSAT
96.050012.14.0
4.0
min =+=+=
=−=

Collector current waveforms for transistors operating in (a) class A, (b) class B,
Estágios de Sáida (Estágios de Potência)

(Continued) (c) class AB, and (d) class C amplifier stages.

Estágios de Sáida (Estágios de Potência)
Classe A - Seguidor de Fonte
( )oLm
0ioutin
out
V
r//Rg
1
1
1
v
v
A
+
==
=
∞→=
x
x
in
i
v
r
m
L
m
oL0vinout
g
1
//R
g
1
//r//Rr ≅==

Vin
VL
Vbe
- RL Is
Vcc - Vcesat
Vcc - Vcesat + Vbe
- RL Is + Vbe
Vin
VL
Vcc
-Vcc
Is
RL
Q1
~
Va
Vs
Rs
• Classe A (seguidor de emissor) com fonte de corrente

Source: Razavi
• Bipolar Cascode Amplifier
Cascode Amplifiers

• MOSFET Cascode Amplifier
Source: Razavi

REFERÊNCIAS:
• Fundamentals of Microelectronics, B. Razavi, John Wiley
and Sons, 2006
• Microelectronic Circuits, A. Sedra and K. Smith, Oxford
university Press, 5th Edition, 2003

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