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Eletrônica Básica 1
Aula 14: Amplificador Emissor Comum de Pequenos Sinais sem Realimentação
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA,
A. Microeletronica

1. Amplificador de pequenos sinais
     Um amplificador de pequenos sinais como o nome diz amplifica pequenos sinais. O que significa pequeno sinal? Um sinal que varia ao redor do ponto Q em um trecho aproximadamente linear das curvas caracteristicas de forma que não apresenta distorção. A Figura 1 mostra um ampliifcador emissor comum tipico para pequenos sinais. Observem os 3 capacitores no circuito, C1 e C2 são chamados de capacitores de acoplamento e tem como finalidade permitir que somente o sinal passe de um ponto para outro bloqueando a componente continua (polarização). O capacitor CE é chamado de capacitor de desacoplamento ou bypass e tem como finalidade desacoplar o emissor em CA (aterrar o emissor em CA). Então antes de estudar o amplificador de pequenos sinais voce aprenderá sobre esses capacitores.


Figura 1 - Amplificador Emissor Comum (AEC) de pequenos sinais

1.1.   Capacitores de acoplamento
       Um capacitor  de acoplamento, acopla  um ponto não aterrado a outro ponto não aterrado (acoplar significa deixar passar  somente o sinal, bloqueando a componente contínua). Por exemplo no circuito da Figura 2 se o capacitor  estiver bem dimensionado (XC <<  R1 +R2),  em RL teremos só a parte alternada da tensão de entrada (Ve) e com amplitude dada pelo divisor de tensão composto por R1 e R2 , isto é, o capacitor  terá reatância  desprezível face a R1 + R2 na menor freqüência de operação do  circuito.
Equações: Para um bom acoplamento    XC << RT  onde RT= Rs+RL    ou  



onde fmin é  a menor freqüência de operação do  circuito, por exemplo se for um amplificador de áudio   fmin =20Hz.
Obs:  >> significa muito maior, e muito maior é pelo menos dez vezes maior.  A Figura 2a mostra um capacitor C acoplando dois pontos 1 e 2. A Figura 2b mostra as formas de onda nos pontos 1 e 2. Observar que no ponto 1 a tensão tem uma componente continua, 4 V. No ponto 2 não existe componente continua e o valor da amplitude depende dos valores de Rs e RL.



                           ( a )                                                                                                ( b )
Figura 2 -  ( a ) Capacitor de acoplamento acoplando dois pontos não aterrados 1 e 2 ( b ) formas de onda no ponto 1 e no ponto 2

Dimensionamento de C
Para um bom acoplamento a reatancia do capacitor deve ser muito menor que a resistencia total em serie:  Xc<<<RT=20 k, isto é, Xc<2 k logo:


ou


Adotar o valor comercial mais proximo superior C=1 mF

2. Experiencia: Capacitor de acoplamento
2.1.  Abra o arquivo ExpEN1_25 Capacitor de acoplamento  e identifique  o circuitos da Figura 2a. Calcule qual o valor estimado da tensão em RL (VS) de pico a pico,  e qual a sua forma de onda para C=10 mF. Use a tabela 1 para indicar os valores medidos e  calculados

Tabela 1 - Capacitor de acoplamento - C=10 mF
Valor de VRL
Calculado (pico a pico)Medido com osciloscopio (pico a pico)Voltimetro (RMS)



2.2.  Repita o item 1  considerando agora C = 0,1 mF.Use a tabela 2 para indicar os valores medidos e calculados.
Tabela 2 - Capacitor de acoplamento - C=0,1 mF
Valor de VRL
Calculado (pico a pico)Medido com osciloscopio (pico a pico)Voltimetro (RMS)



2.3. Escreva as suas conclusões.

3. Amplificador emissor comum de pequenos  sinais
     Quando um transistor é polarizado,  uma tensão de polarização CC  é aplicada à base (VBE) e ao coletor (VCE). Quando um sinal é aplicado à entrada do amplificador a  tensão oscilará acima e abaixo de   VBE, portanto existirá uma variação de tensão (DVBE)  ao redor do ponto quiescente o que provocará uma variação (DIE) de corrente ao redor do valor quiescente.
Atenção!!!  Um amplificador é chamado de pequeno sinais se a amplitude do sinal for suficientemente pequena de forma que a operação do mesmo se dá na região linear da curva IExVBE.  A Figura 3 mostra um sinal, DVBE, aplicado na base e a resposta,  DIE.


Figura 3 - Curva IExVBE de um transistor

Na Figura 3   define-se  a resistência incremental ou resistência dinâmica da junção base emissor como sendo:



re’  pode ser calculada aproximadamente por:

onde IE é a corrente quiescente de emissor e 25 mV é uma constante a  temperatura de 25ºC.
     A analise dos amplificadores de pequenos sinais que serão feitas a partir de agora usam o modelo simplificado chamado T  para determinar os principais parâmetros CA tais como  ganho de tensão, impedância de entrada e impedância de saída. Comparado a outros modelos  requer pouco calculo e por isso mesmo é indicado. Os resultados não são muito diferentes.
Obs: A resistencia estatica é simplesmente a tensão CC dividida pela corrente CC, isto é, R=V/I


3.1. Modelo simplificado do transistor em baixas freqüências
     Este modelo (circuito equivalente) é para freqüências baixas, pois não considera as capacitâncias parasitárias, isto é, as capacitancias parasitarias são consideradas em aberto, pois em geral aparecem em paralelo com o transistor. Observe a notação usada par representar um sinal:

ic=ΔIC=variação da corrente de coletor ao redor do ponto Q
ib=ΔIB=variação da corrente de base ao redor do ponto Q
vbe=ΔVBE=variação da tensão  base emissor  ao redor do ponto Q
vce=ΔVCE=variação da tensão  de coletor ao redor do ponto Q

                          ( a )                                                              ( b )
Figura 4 -  Circuito equivalente do transistor para baixas frequencias ( a ) sinais de corrente e tensão em um transistor ( b ) Modelo simplificado para pequenos sinais

    A analise de um amplificador é dividida em duas partes: O circuito em CC e o circuito em CA. A resposta global no circuito, Figura 4,  é a superposição das respostas no circuito CC e circuito CA. A Figura 5 a seguir mostra um estagio amplificador emissor comum completo com os capacitores de acoplamento e desacoplamento e a indicação das tensões em alguns pontos. Observe que a tensão total é composta de uma parte CC e de uma parte CA.


Figura 5 - Amplifciador Emissor Comum completo com a indicação das formas de ondas nos principais pontos

3.2.  Circuito equivalente CC de um amplificador emissor comum
      Para obter o circuito equivalente para CC, os capacitores deverão ser considerados como circuito aberto. As correntes e tensões presentes no circuitos são contínuas (ponto quiescente). Resulta o circuito da figura 6.  A analise deste circuito já foi feita quando o ponto quiescente (polarização) foi calculado.


Figura 6 -  Circuito equivalente CC do amplificador da figura 5

3.3. Circuito equivalente CA de um amplificador emissor comum para pequenos sinais
    Para obter o circuito equivalente para CA, os capacitores e as fontes CC são considerados "curto-circuito" para variações, isto é, a variação de tensão entre seus terminais é zero, ou de outra forma, se for usado um voltimetro CA para medir a tensão nos terminais desses componentes será indicado zero.
As correntes  e tensões presentes no circuitos são variações, isto é: DVBE, DVCE DIB, DIE e DIC. Neste circuito deveremos determinar as impedâncias de entrada e saída e os ganho de tensão e corrente.
Tem alguma variação nos terminais da bateria Vcc? Não, a tensão é constante, então dizemos que os seus terminais estão em "curto-circuito" para variações. Então o circuito equivalente para variações é indicado na Figura 7.


Figura 7 - Circuito equivalente CA (circuito para variações)


3.4. Amplificador EC - Resistência de fonte zero e carga infinita
     A analise CA é feita  inicialmente considerando o caso em que a resistência da fonte (Rs) de sinal é nula e a carga (RL)  ligada na saída é infinita. A Figura 8  mostra o circuito nessas condições.

Figura 8 - Amplificador EC com Rs=0 e carga (RL) infinita


Observe que o  equivalente CC do circuito da Figura 8 é igual ao da Figura 6 e o circuito equivalente CA está indicado na Figura 9.
   
                                     ( a )                                                                                                  ( b )
Figura 9 - Circuito equivalente CA do circuito da Figura 8  ( a ) com transistor   ( b ) com circuito equivalente do transistor

Obs: No circuito equivalente CA  da Figura 9 o emissor está aterrado pois o capacitor CE é um curto circuito (se estiver dimensionado adequadamente). Os resistores R1 e R2 estão em paralelo pois a bateria é um curto circuito para variações (DV=0). Observar tambem   na Figura 9 que o sinal de entrada do gerador de sinais (Vg) é igual ao sinal aplicado na base (Ventr). Para esse circuito a impedância de entrada (Zentr) que o gerador Vg "enxerga" é:
Zentr=R1//R2//Zentr(base)   onde

onde hfe é ganho de corrente CA (é o beta CA) que é diferente do beta CC. É um dos parametros do transistor no modelo H (hibrido).
O ganho de tensão entre a saída (Vsaida) e a entrada (Vg=Ventr) é dado por:

onde re’   é a resistência incremental da junção base emissor definida anteriormente.

O sinal de menos na expressão do ganho indica defasagem de 180º entre  a entrada e a saída.
Para a analise CA circuito da Figura 8 pode  ser  usado o modelo da Figura 10 a seguir  para representar a entrada e a saída.

Zentr=R1//R2//Zentr(base) ,         Zentr(base)b.re’       Z saida = Rc e o ganho



                                           ( a )                                                                                                 ( b )
Figura 10 - Circuito equivalente CA do circuito da Figura 9  ( b )  
Circuito equivalente CA do circuito da Figura 9 simplificado

O  circuito da saida  é obtido aplicando Thevenin ao circuito da Figura 9b, na saída.

4. Experiência: Amplificador EC sem resistencia de fonte (Rs=0) e sem carga (RL infinita)
4.1. Abra o arquivo   ExpEN1_26_AEC_sem_Rs_e_sem_RL_sem_realimentacao e  identifique o circuito da Figura 9.
4.2.  Inicie a simulação, e  calcule  o valor de re ’   a partir da medida da corrente quiescente de emissor.  Calcule  o valor desse parametro usando a expressão acima .
4.3. Calcule o ganho total (AVT=Vsaida/Vg)  usando a expressão acima e o fato de que Vg=Ventr. Anote na tabela 3  como AVT(calc).
Adotar b=200 para efeitos de cálculos.

Figura 11 -  AEC para experiencia - Resistencia de fonte zero e resistencia de carga infinita

Tabela 3 - Medida do ganho do AEC resistencia de fonte nula carga infinita
IE(mA)
re
Zentr(base)
Zentr
AVT(calc)
Vsaidapp
AVT(Medido)



4.4. Escreva as suas conclusões.


5. Amplificador EC com resistência de fonte (Rs) e carga (RL)
      Observe  o amplificador EC da Figura 12. Neste amplificador existe uma resistência da fonte de sinal (que pode representar também a resistência de saída do estágio anterior), Rs, e uma carga (que pode representar a resistência de entrada do estágio seguinte), RL. Observe que o circuito em destaque é o mesmo analisado anteriormente, desta forma podemos usar o mesmo modelo da Figura 9, adicionando a carga (RL) e a resistência  da fonte (RS).




Figura 12 - Amplificador EC com resistência de  fonte (Rs) e carga (RL)

Para a analise CA circuito da Figura 12 pode ser  usado o modelo da Figura 10b   para representar o transistor as resistencias R1, R2 e Rc.
     
                                                   ( a )                                                                                                ( b )
Figura 13 - Circuito equivalente CA para o circuito  da Figura 12 ( a ) com transistor    ( b ) com circuito equivalente do transistor

A impedância de entrada é calculada  da mesma forma que antes, mas a tensão na entrada (Ventr) agora é uma  parcela da tensão do gerador Vg (é um divisor de tensão).

Zentr=R1//R2//Zentr(base)    e   Zentr(base) = b.re



Na  saída devido a carga, RL,  também tem  uma divisão de tensão,  e portanto a saída será dada por:


sendo

Como   




6. Experiência:   Amplificador EC com resistencia de fonte (Rs) e com carga (RL)
6.1. Abra o arquivo ExpEN1_27_AEC_com_Rs_e_com_RL_sem_realimentacao   e identifique o circuito da Figura 14.  Use o modelo  acima para calcular a tensão de saída (Vsaida) e em conseqüência  o ganho. Calcule o ganho total (AVT=Vsaida/Vg) usando a expressão  acima e anote na tabela 4  como AVT(calc).
Lembre-se que o ganho Av que aparece na expressão acima é o ganho  entre a base e a saída considerando RL infinito sendo dado por:

Figura 14 - AEC com resistencia de fonte (Rs) e resistencia de carga (RL)

6.2. Inicie a simulação do circuito e meça a tensão de saída de pico a  pico (Vsaídapp) anote na tabela 4, em seguida calcule o ganho experimental,  Av(expp) por Vsaídapp/Vgpp.
6.3. Estime a impedância de entrada a partir da medida  do sinal na base (ventr), lembrando que,  a tensão na base pode ser escrita por:
como são dado Vg e RS e é possivel  medir ventr então Zentr   pode ser calculada. Obs: Não esquecer que Ventr é somente o sinal variando ao redor da tensão quiescente de base.

Tabela 4 - Medida do ganho do AEC com resistencia de fonte   e com  resistencia de carga
Ventr
AVT(calc)
Vsaidapp(medido)
Av(exp)=Vsaidapp/40mV
Zentr(estimado)
AVT(Medido)


6.4. Escreva as suas conclusões.
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