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Eletrônica analógica - Teoria
Amplificadores de
pequenos sinais
Uma das aplicações mais utilizadas e comuns do transistor bipolar é a de amplificador
de pequenos sinais. Esse tipo de circuito possibilitou o surgimento do rádio e do
gravador portáteis que se popularizaram nos anos 60 e 70.
Neste capítulo, você aprenderá a projetar um pré-amplificador, conhecerá as três
configurações básicas do amplificador a transistor e suas características, bem como a
maneira de interligar vários estágios amplificadores, inclusive o de potência, a fim de
obter um circuito amplificador de alto ganho.
Configurações básicas
São três as configurações básicas segundo as quais um transistor pode ser utilizado
como um amplificador, dependendo do terminal que for ligado ao “terra” do circuito
para os sinais alternados:
• Emissor comum (EC);
• Coletor comum (CC);
• Base comum (BC).
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
18
Eletrônica analógica - Teoria
Como cada uma delas apresenta características próprias, seu uso é voltado para
aplicações específicas. A idéia básica dessas configurações é apresentada a seguir.
Configuração emissor comum
O circuito apresentado a seguir é um amplificador na configuração emissor comum
cujo circuito de polarização é o de corrente de emissor constante com divisor de
tensão na base.
Os componentes C1 e C2 são os capacitores de acoplamento. O primeiro impede
que o nível CC da polarização interfira no sinal CA da entrada (Vent). Da mesma forma,
C2 bloqueia o nível CC na saída, permitindo que apenas o sinal CA amplificado
chegue à saída (VS). C3 é o capacitor de desacoplamento cuja função é desacoplar
(curto-circuitar) o resistor de emissor do circuito para os sinais alternados, com o
objetivo de proporcionar um ganho de tensão maior.
Análise do circuito amplificador
A análise de qualquer amplificador é feita em duas etapas:
• Análise CC ou análise de polarização;
• Análise CA ou análise das variações.
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
18
Eletrônica analógica - Teoria
Análise CC de amplificadores
A análise CC consiste em determinarmos o ponto quiescente (Q) do circuito. Para
isto, todos os capacitores são retirados do circuito, pois para CC a reatância
capacitiva é elevadíssima. Determinar o ponto Q do circuito significa calcular os
valores de Ib, Ic e Vce do transistor.
Deste modo, o circuito equivalente para CC do amplificador apresentado
anteriormente passa a ser o mostrado a seguir.
Análise CA de amplificadores
A análise CA consiste em determinarmos as impedâncias e os ganhos do
amplificador. Para isto todos os capacitores e fontes de alimentação CC são curto-
circuitados pois, para CA, a reatância capacitiva e a impedância da fonte CC são
baixíssimas.
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Eletrônica analógica - Teoria
Redesenhando o circuito, o modelo equivalente para CA do amplificador mostrado
anteriormente passa a ser o mostrado a seguir.
Na análise CA, devemos calcular os valores dos ganhos, de tensão (AV ou GV), de
corrente (AI ou GI) e de potência (AP ou GP) e das impedâncias de entrada (Zent) e de
saída (ZS).
Por definição temos:
S
S
S
ent
ent
ent
IVP
ent
S
I
ent
S
V
I
V
Z
I
V
Z
GGG
I
I
G
V
V
G
=
=
⋅=
=
=
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
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Eletrônica analógica - Teoria
Quando se faz a análise CA, é conveniente substituir o transistor pelo modelo CA de
Ebers-Moll visto a seguir:
Observação
Para transistor PNP, devemos inverter a seta da fonte de corrente IC.
A resistência R’E que aparece neste modelo equivalente é a resistência dinâmica da
junção base-emissor.
Para amplificadores de pequenos sinais, a resistência dinâmica é definida por:
E
E
I
mV25
'R =
Nessa igualdade, IE é a corrente de polarização do transistor, obtida na análise CC.
Substituindo o transistor do circuito equivalente CA pelo modelo de Ebers-Moll
teremos:
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18
Eletrônica analógica - Teoria
1. Ganho em tensão (GV)
O ganho em tensão indica o quanto o sinal de entrada foi amplificado na saída.
ent
S
VV
V
V
AG ==
Nessa igualdade, VS = - RC ⋅ IC
Vent = (β+1) ⋅ R’E ⋅ Ib
IC = β.Ib
Assim,
bE
b
CVV
I'R)1(
.I
R-AG
⋅⋅+β
β
⋅==
Considerando β = β+1 e cancelando os termos iguais teremos:
E
C
VV
R'
R-
AG ==
Observação
O sinal negativo indica apenas inversão de fase entre a entrada e a saída do
circuito pois se Vent ↑, IC ↑, VRc ↑, VS ↓ , uma vez que VS = VCC – VRc
O ganho em tensão também pode ser expresso em uma unidade de volume
chamada de decibel (dB), através da relação:
GV(dB) = 20 logGV 
Observação
A função do resistor de emissor RE é aumentar a estabilidade térmica do circuito
de polarização porém, para os sinais alternados ele é curto-circuitado
(desacoplado) por C3 com o objetivo de elevar o ganho em tensão. Sem o
capacitor de desacoplamento (C3), o ganho seria:
E
C
V
R
R
G
−
=
2. Ganho em corrente (GI)
O ganho em corrente indica o quanto a corrente CA de entrada foi amplificada na
saída.
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Eletrônica analógica - Teoria
b
B
b
C
ent
S
II
I
I
I
I
I
I
AG ⋅β====
GI = AI = β
3. Ganho em potência (GP)
O ganho em potência indica o quanto a potência do sinal de entrada foi
amplificada na saída.
Gp = Ap = GV . Gi = β⋅





E
C
'R
R
Gp = Ap =
E
C
'R
R
⋅β
O ganho em potência também pode ser expresso em decibéis:
Gp(dB) = 10 log Gp
4. Impedância de entrada (Zent)
Podemos dizer que Zent é a impedância vista pelo gerador de sinal, na entrada do
amplificador.
Observe que Zent = Rb // (β+1) ⋅ R’E ⇒ Zent = Rb ⋅ (β+1) ⋅ R’E/Rb + (β+1) ⋅ R’E
Observação
Se o valor de β for elevado, podemos considerar β+1 = β.
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
19
Eletrônica analógica - Teoria
Na prática, o valor de Zent é determinado através de um potenciômetro colocado
em série com o capacitor de acoplamento de entrada.
Varia-se P1 até se obter Vb = Vent/2. Quando isso acontecer, teremos P1 = Zent,
pois formou-se um divisor de tensão com Vent, P1 e Zent. Em seguida, mede-se P1
com o ohmímetro e está determinado Zent.
5. Impedância de saída (ZS)
Podemos dizer que ZS é a impedância vista pela carga, na saída do amplificador.
Neste caso, ZS = RC
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
19
Eletrônica analógica - Teoria
Na prática, o valor de ZS é determinado com o auxílio de um potenciômetro conectado
na saída do amplificador.
Inicialmente mede-se o valor da tensão na saída (Vs) com a chave aberta. Em
seguida, fecha-se a chave e ajusta-se P2 até se obter a metade do valor de Vs
medido inicialmente. Retira-se P2 e mede-se sua resistência. O valor encontrado será
igual ao da impedância de saída do amplificador.
Cálculo dos capacitores
As capacitâncias dos capacitores de acoplamento (C1 e C2) e desacoplamento (C3)
dependem da menor freqüência (fmin) do sinal de entrada a ser amplificado e da
impedância (Z) ou resistência (R) ligada a eles.
A reatância desses capacitores deve ser, no mínimo, dez vezes menor que a
impedância prevista para eles.
10Xc ≤ Z ⇒ C =
Zf2
10
min ⋅⋅π
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
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Eletrônica analógica - Teoria
Desta forma, teremos:
C1 =
entmin Zf2
10
⋅⋅π
C2 =
Smin Zf2
10
⋅⋅π
C3 =
Emin Rf2
10
⋅⋅π
Reta de carga CA
Quando aplicamos um sinal alternado na entrada de um amplificador transistorizado,
este produzirá variações na corrente de base que, por sua vez, provocará alterações
no ponto quiescente (Q).
Estas variações do ponto Q não são as mesmas que ocorrem ao longo da reta de
carga CC pois as resistências de carga CA são diferentes das resistências de carga
CC. O amplificador possui, portanto, duas retas de carga:
• Uma reta de carga CC para o circuito de polarização;
• Uma reta de carga CA para o circuito equivalente CA.
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
19
Eletrônica analógica - Teoria
Para traçarmos a reta de carga CA, necessitaremos de, no mínimo, dois pontos:
1. para VCE = 0 V ⇒ IC = ICQ + VCEQ / ZS
2. para IC = 0 A ⇒ VCE = VCEQ + Zs ⋅ ICQ
Para que o sinal de entrada seja amplificado sem distorção na saída, é necessário
que as variações se restrinjam à região ativa. Caso a amplitude do sinal abranja as
regiões de corte e/ou de saturação, na saída teremos o ceifamento (distorção) do
semi ciclo positivo e/ou negativo da senóide amplificada.
Compliance CA de saída (CCA)
A compliance CA de saída é o máximo sinal de pico a pico que um amplificador pode
fornecer, sem distorção. Ela depende da reta de carga CA e consequentemente do
ponto quiescente.
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
19
Eletrônica analógica - Teoria
Os limites de tensão dos semiciclos positivo e negativo sem distorção são obtidos na
reta de carga AC:
• Limite do semiciclo positivo = VCEQ;
• Limite do semiciclo negativo = ZS ⋅ ICQ.
A compliance CA de saída será igual ao dobro do menor limite do semiciclo.
SENAI-SP – INTRANETAA257-06
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  • 1. Eletrônica analógica - Teoria Amplificadores de pequenos sinais Uma das aplicações mais utilizadas e comuns do transistor bipolar é a de amplificador de pequenos sinais. Esse tipo de circuito possibilitou o surgimento do rádio e do gravador portáteis que se popularizaram nos anos 60 e 70. Neste capítulo, você aprenderá a projetar um pré-amplificador, conhecerá as três configurações básicas do amplificador a transistor e suas características, bem como a maneira de interligar vários estágios amplificadores, inclusive o de potência, a fim de obter um circuito amplificador de alto ganho. Configurações básicas São três as configurações básicas segundo as quais um transistor pode ser utilizado como um amplificador, dependendo do terminal que for ligado ao “terra” do circuito para os sinais alternados: • Emissor comum (EC); • Coletor comum (CC); • Base comum (BC). SENAI-SP – INTRANETAA257-06 18
  • 2. Eletrônica analógica - Teoria Como cada uma delas apresenta características próprias, seu uso é voltado para aplicações específicas. A idéia básica dessas configurações é apresentada a seguir. Configuração emissor comum O circuito apresentado a seguir é um amplificador na configuração emissor comum cujo circuito de polarização é o de corrente de emissor constante com divisor de tensão na base. Os componentes C1 e C2 são os capacitores de acoplamento. O primeiro impede que o nível CC da polarização interfira no sinal CA da entrada (Vent). Da mesma forma, C2 bloqueia o nível CC na saída, permitindo que apenas o sinal CA amplificado chegue à saída (VS). C3 é o capacitor de desacoplamento cuja função é desacoplar (curto-circuitar) o resistor de emissor do circuito para os sinais alternados, com o objetivo de proporcionar um ganho de tensão maior. Análise do circuito amplificador A análise de qualquer amplificador é feita em duas etapas: • Análise CC ou análise de polarização; • Análise CA ou análise das variações. SENAI-SP – INTRANETAA257-06 18
  • 3. Eletrônica analógica - Teoria Análise CC de amplificadores A análise CC consiste em determinarmos o ponto quiescente (Q) do circuito. Para isto, todos os capacitores são retirados do circuito, pois para CC a reatância capacitiva é elevadíssima. Determinar o ponto Q do circuito significa calcular os valores de Ib, Ic e Vce do transistor. Deste modo, o circuito equivalente para CC do amplificador apresentado anteriormente passa a ser o mostrado a seguir. Análise CA de amplificadores A análise CA consiste em determinarmos as impedâncias e os ganhos do amplificador. Para isto todos os capacitores e fontes de alimentação CC são curto- circuitados pois, para CA, a reatância capacitiva e a impedância da fonte CC são baixíssimas. SENAI-SP – INTRANETAA257-06 18
  • 4. Eletrônica analógica - Teoria Redesenhando o circuito, o modelo equivalente para CA do amplificador mostrado anteriormente passa a ser o mostrado a seguir. Na análise CA, devemos calcular os valores dos ganhos, de tensão (AV ou GV), de corrente (AI ou GI) e de potência (AP ou GP) e das impedâncias de entrada (Zent) e de saída (ZS). Por definição temos: S S S ent ent ent IVP ent S I ent S V I V Z I V Z GGG I I G V V G = = ⋅= = = SENAI-SP – INTRANETAA257-06 18
  • 5. Eletrônica analógica - Teoria Quando se faz a análise CA, é conveniente substituir o transistor pelo modelo CA de Ebers-Moll visto a seguir: Observação Para transistor PNP, devemos inverter a seta da fonte de corrente IC. A resistência R’E que aparece neste modelo equivalente é a resistência dinâmica da junção base-emissor. Para amplificadores de pequenos sinais, a resistência dinâmica é definida por: E E I mV25 'R = Nessa igualdade, IE é a corrente de polarização do transistor, obtida na análise CC. Substituindo o transistor do circuito equivalente CA pelo modelo de Ebers-Moll teremos: SENAI-SP – INTRANETAA257-06 18
  • 6. Eletrônica analógica - Teoria 1. Ganho em tensão (GV) O ganho em tensão indica o quanto o sinal de entrada foi amplificado na saída. ent S VV V V AG == Nessa igualdade, VS = - RC ⋅ IC Vent = (β+1) ⋅ R’E ⋅ Ib IC = β.Ib Assim, bE b CVV I'R)1( .I R-AG ⋅⋅+β β ⋅== Considerando β = β+1 e cancelando os termos iguais teremos: E C VV R' R- AG == Observação O sinal negativo indica apenas inversão de fase entre a entrada e a saída do circuito pois se Vent ↑, IC ↑, VRc ↑, VS ↓ , uma vez que VS = VCC – VRc O ganho em tensão também pode ser expresso em uma unidade de volume chamada de decibel (dB), através da relação: GV(dB) = 20 logGV  Observação A função do resistor de emissor RE é aumentar a estabilidade térmica do circuito de polarização porém, para os sinais alternados ele é curto-circuitado (desacoplado) por C3 com o objetivo de elevar o ganho em tensão. Sem o capacitor de desacoplamento (C3), o ganho seria: E C V R R G − = 2. Ganho em corrente (GI) O ganho em corrente indica o quanto a corrente CA de entrada foi amplificada na saída. SENAI-SP – INTRANETAA257-06 19
  • 7. Eletrônica analógica - Teoria b B b C ent S II I I I I I I AG ⋅β==== GI = AI = β 3. Ganho em potência (GP) O ganho em potência indica o quanto a potência do sinal de entrada foi amplificada na saída. Gp = Ap = GV . Gi = β⋅      E C 'R R Gp = Ap = E C 'R R ⋅β O ganho em potência também pode ser expresso em decibéis: Gp(dB) = 10 log Gp 4. Impedância de entrada (Zent) Podemos dizer que Zent é a impedância vista pelo gerador de sinal, na entrada do amplificador. Observe que Zent = Rb // (β+1) ⋅ R’E ⇒ Zent = Rb ⋅ (β+1) ⋅ R’E/Rb + (β+1) ⋅ R’E Observação Se o valor de β for elevado, podemos considerar β+1 = β. SENAI-SP – INTRANETAA257-06 19
  • 8. Eletrônica analógica - Teoria Na prática, o valor de Zent é determinado através de um potenciômetro colocado em série com o capacitor de acoplamento de entrada. Varia-se P1 até se obter Vb = Vent/2. Quando isso acontecer, teremos P1 = Zent, pois formou-se um divisor de tensão com Vent, P1 e Zent. Em seguida, mede-se P1 com o ohmímetro e está determinado Zent. 5. Impedância de saída (ZS) Podemos dizer que ZS é a impedância vista pela carga, na saída do amplificador. Neste caso, ZS = RC SENAI-SP – INTRANETAA257-06 19
  • 9. Eletrônica analógica - Teoria Na prática, o valor de ZS é determinado com o auxílio de um potenciômetro conectado na saída do amplificador. Inicialmente mede-se o valor da tensão na saída (Vs) com a chave aberta. Em seguida, fecha-se a chave e ajusta-se P2 até se obter a metade do valor de Vs medido inicialmente. Retira-se P2 e mede-se sua resistência. O valor encontrado será igual ao da impedância de saída do amplificador. Cálculo dos capacitores As capacitâncias dos capacitores de acoplamento (C1 e C2) e desacoplamento (C3) dependem da menor freqüência (fmin) do sinal de entrada a ser amplificado e da impedância (Z) ou resistência (R) ligada a eles. A reatância desses capacitores deve ser, no mínimo, dez vezes menor que a impedância prevista para eles. 10Xc ≤ Z ⇒ C = Zf2 10 min ⋅⋅π SENAI-SP – INTRANETAA257-06 19
  • 10. Eletrônica analógica - Teoria Desta forma, teremos: C1 = entmin Zf2 10 ⋅⋅π C2 = Smin Zf2 10 ⋅⋅π C3 = Emin Rf2 10 ⋅⋅π Reta de carga CA Quando aplicamos um sinal alternado na entrada de um amplificador transistorizado, este produzirá variações na corrente de base que, por sua vez, provocará alterações no ponto quiescente (Q). Estas variações do ponto Q não são as mesmas que ocorrem ao longo da reta de carga CC pois as resistências de carga CA são diferentes das resistências de carga CC. O amplificador possui, portanto, duas retas de carga: • Uma reta de carga CC para o circuito de polarização; • Uma reta de carga CA para o circuito equivalente CA. SENAI-SP – INTRANETAA257-06 19
  • 11. Eletrônica analógica - Teoria Para traçarmos a reta de carga CA, necessitaremos de, no mínimo, dois pontos: 1. para VCE = 0 V ⇒ IC = ICQ + VCEQ / ZS 2. para IC = 0 A ⇒ VCE = VCEQ + Zs ⋅ ICQ Para que o sinal de entrada seja amplificado sem distorção na saída, é necessário que as variações se restrinjam à região ativa. Caso a amplitude do sinal abranja as regiões de corte e/ou de saturação, na saída teremos o ceifamento (distorção) do semi ciclo positivo e/ou negativo da senóide amplificada. Compliance CA de saída (CCA) A compliance CA de saída é o máximo sinal de pico a pico que um amplificador pode fornecer, sem distorção. Ela depende da reta de carga CA e consequentemente do ponto quiescente. SENAI-SP – INTRANETAA257-06 19
  • 12. Eletrônica analógica - Teoria Os limites de tensão dos semiciclos positivo e negativo sem distorção são obtidos na reta de carga AC: • Limite do semiciclo positivo = VCEQ; • Limite do semiciclo negativo = ZS ⋅ ICQ. A compliance CA de saída será igual ao dobro do menor limite do semiciclo. SENAI-SP – INTRANETAA257-06 19