Amplificadores
Analisaremos aqui o funcionamento do transistor como amplificador e as classes de amplificação. É sugerido que o leitor tenha conhecimento sobre o funcionamento dos transistores, o que pode ser encontrado em um outro artigo aqui no blog em Transistores.
Configuração do Transistor
O transistor é um componente que controla uma corrente alta através de uma corrente baixa. Por esse princípio, o transistor deveria possuir quatro terminais, dois para a corrente controladora e dois para a corrente controlada.
Como o transistor possui três terminais, sua aplicação nos circuitos eletrônicos é feita de forma que um dos terminais pertença à entrada e à saída, simultaneamente.
Configuração emissor-comum
Nesta configuração o terminal do emissor é comum à entrada e à saída.
Configuração base-comum
Nesta configuração o terminal da base é comum à entrada e à saída.
Configuração coletor-comum
Nesta configuração o terminal do coletor é comum à entrada e à saída.
Amplificadores de Pequenos Sinais
Amplificação
A amplificação é um processo que tem o objetivo de aumentar a intensidade de um sinal em níveis de tensão ou de corrente.
Um amplificador deve reproduzir na saída o sinal aplicado na entrada, mantendo as mesmas características de frequência e forma.
Sinal elétrico
Sinal elétrico é qualquer variação de tensão ou corrente por meio da qual se conduz uma informação.
O sinal elétrico pode ser proveniente de várias fontes, tais como: microfones, captadores, cápsulas de gravação / reprodução, antenas, etc. Pode ser puro ou variar sobre um nível de tensão CC.
Na imagem abaixo temos uma demonstração de variação de um sinal elétrico que ocorre sobre o eixo de referência zero volt.
Na próxima imagem temos a variação sobre um nível de tensão CC.
Observe no eixo vertical em que marca a tensão, a variação ocorre sobre o eixo de zero volt e assim a tensão assume valores positivos e negativos. Já no caso em que a variação ocorre sobre o níevel CC a tensão só assume valores positivos.
Amplificador Emissor-Comum
O amplificador emissor-comum é largamente empregado, pois apresenta elevado ganho de tensão e de corrente, ou seja, consegue amplificar um sinal elétrico em níveis de tensão e de corrente. Sua configuração básica é apresentada na imagem abaixo.
Os resistores Rb1, Rb2, Rc e Re são responsáveis pela polarização do transistor.
Os capacitores C1 e C2 são responsáveis pelo acoplamento do amplificador com a fonte de sinal e com os estágios seguintes.
O acoplamento por meio de capacitores ou de transformadores é necessário para evitar a incidência de um nível de tensão CC que possa alterar a polarização do transistor, tirando-o do seu ponto quiescente.
Em um outro artigo aqui no blog em Transistores, foi visto que na polarização por divisor de tensão na base, faz-se necessário a inclusão do resistor de emissor pois assim aumenta a estabilidade térmica do circuito, ou seja, o transistor tende a manter sua polarização, independentemente das variações de temperatura.
No amplificador emissor comum o resistor RE causa uma queda no ganho do circuito, prejudicando o seu desempenho.
Acrescentando-se um capacitor em paralelo com o resistor RE, chamado de capacitor de desacoplamento, obtém-se um estágio amplificador com boa estabilidade térmica e ganho elevado.
Quando o amplificador estiver sem sinal de entrada, o capacitor se comporta como um circuito aberto não interferindo na polarização. Na presença de um sinal de entrada, o capacitor se comporta como um curto-circuito, fazendo com que o emissor do transistor fique conectado à massa do circuito.
Funcionamento do amplificador emissor comum
No momento em que o sinal aplicado à entrada do amplificador for positivo, ocorre um aumento na corrente de base, aumentando a corrente de coletor e diminuindo a tensão Vce.
No momento em que o sinal de entrada for negativo, ocorre uma queda na corrente de base, que por sua vez provoca uma queda na corrente de coletor e um aumento na tensão Vce.
Comparando os sinais de entrada e saída do amplificador, observa-se uma inversão de fase entre esses sinais.
Neste artigo analisaremos na simulação apenas o amplificador emissor-comum. Os outros ficarão para outra ocasião.
Primeiramente precisamos polarizar o transistor antes do mesmo receber o sinal elétrico que será amplificado. Caso o leitor não tenha conhecimento da polarização, pode ver neste outro artigo aqui no blog na seção de polarização por divisor de tensão em Transistores. Após isso o sinal a ser amplificado é aplicado na entrada do amplificador.
Na imagem abaixo temos o circuito para simulação do amplificador.
O sinal de entrada para este amplificador é de 500 mV com frequência de 60 Hz.
Como o sinal é de baixa frequência o transistor não apresentou o ganho descrito no manual do fabricante, pois para se ter o ganho descrito pelo fabricante somente com sinal de alta frequência. No nosso caso o ganho ficou em 12,78. Com isso aplicamos um sinal de 0,5 V na entrada e na saída tivemos 6,39 V. O sinal aplicado na entrada foi com offset de 0 V. Assim tivemos o sinal variando de 0,5 V positivo até 0,5 V negativo com onda senoidal.
Este circuito de nossos testes, o leitor tendo interesse na aquisição do circuito montado em placa de circuito eletrônico,poderá adquirir (comprar) como todos os outros circuitos simulados aqui.
No caso de compra o leitor precisa levar em consideração os dados apresentados aqui pois o circuito de amplificador é muito específico e só funciona dentro das condições projetadas.
Nota: Todo circuito que possui simulação aqui no blog pode ser adquirido (comprado) para um teste prático dos dados apresentados aqui ou uso geral. O circuito será enviado montado em placa de circuito eletrônico. Obs.: No caso do circuito simulado neste artigo, leve em consideração que o leitor não manifestando interesse na aquisição da fonte, o envio é apenas da placa (sem fonte). Para a compra faça contato apenas no link a seguir, contato, e informe alguns dados que são: link do artigo que possui o circuito simulado, o circuito para envio em placa e quantas unidades pretende comprar.
A tensão de alimentação do amplificador foi de 16 Vcc.
Referente ao ganho que optamos, isso se deve pelo fato de que para um sinal menor que 500 mV não conseguiríamos uma avaliação para teste prático com um sinal muito baixo. Dessa forma optamos por uma frequência menor, para um ganho menor e uma tensão 500 mV.
Para uma avaliação prática deste circuito amplificador será preciso usar um gerador de funções para se obter o sinal senoidal de entrada de 500 mV e um osciloscópio, tendo também o leitor a opção de simular o circuito em análise.
A frequência até podemos aumentar para ver o resultado, mas com o aumento da frequência do sinal de entrada o ganho do amplificador aumentará e na saída não teremos uma onda senoidal como é o propósito de um amplificador.
Como temos uma tensão de alimentação de 16 Vcc, esta será a amplitude máxima que podemos ter na saída do amplificador e dessa forma de nada adiantaria um aumento de ganho do amplificador se a fonte deste projeto é de 16 Vcc.
Vejamos agora o resultado apresentado na simulação deste circuito amplificador.
Na imagem abaixo temos o 500 mV apresentado na simulação como a entrada do amplificador.
Veja na imagem abaixo o resultado da simulação da saída do amplificador com valor de 6,39 V.
Características do amplificador emissor-comum
- Ganho de corrente: alto (dezenas de vezes).
- Ganho de tensão: alto (dezenas de vezes).
- Impedância de entrada: média (centenas de ohms).
- Impedância de saída: alta (centenas até milhares de ohms).
Amplificador Coletor-Comum
O amplificador coletor-comum possui um elevado ganho de corrente e m ganho de tensão unitário,ou seja, ele amplifica o sinal em nível de corrente, porém não amplifica em nível de tensão. Devido a esta característica, o amplificador coletor-comum também é chamado de seguidor de tensão.
Sua utilização é feita nos estágios finais de amplificadores de potência e também em fontes reguladas. A configuração básica é apresentada na imagem abaixo.
Os capacitores C1 e C2 são responsáveis pelo acoplamento dos sinais do amplificador, enquanto os resistores Rb e Re pela polarização do transistor.
Funcionamento do amplificador coletor comum
Quando um sinal positivo é aplicado à entrada do amplificador coletor-comum, a corrente de base aumenta, aumentando também a corrente de coletor. O aumento da corrente de coletor faz com que aumente também a queda de tensão no resistor Re.
No instante em que o sinal aplicado à entrada for negativo, ocorre o processo inverso, ou seja, a corrente de base, a corrente de coletor e a tensão sobre Re diminuem.
A variação na tensão de saída ocorre na mesma proporção que a variação da entrada. Por esse motivo o circuito é chamado de seguidor de tensão.
No amplificador coletor-comum não ocorre a inversão de fase do sinal de saída com relação ao sinal de entrada, como visto no amplificador emissor-comum.
Características do amplificador coletor-comum
- Ganho de corrente: alto.
- Ganho de tensão: aproximadamente unitário.
- Impedância de entrada: alta (centenas até milhares de ohms).
- Impedância de saída: baixa.
Amplificador Base-Comum
O amplificador base-comum é uma configuração de amplificador que apresenta alto ganho de tensão. Seu funcionamento baseia-se na modificação da tensão Vbe pelo sinal de entrada. Na figura abaixo temos a configuração básica para o amplificador base-comum.
Os resistores Re, Rc, Rb1 e Rb2 são responsáveis pela polarização do transistor. Os capacitores C1 e C2 são responsáveis pelo acoplamento dos sinais do amplificador, enquanto C3 efetua o desacoplamento dos sinais.
Funcionamento do amplificador base comum
Os resistores Rb1 e Rb2 são responsáveis pela aplicação de uma tensão fixa à base do transistor. Quando um sinal positivo é aplicado à entrada do amplificador, a tensão no emissor aumenta, diminuindo a tensão Vbe. Com a redução na tensão Vbe a corrente de base também diminui, reduzindo a corrente de coletor. A queda na corrente de coletor faz a tensão Vce aumentar e, com isso, uma pequena variação no sinal em nível de tensão faz com que a tensão de saída varie bastante.
Na aplicação de um sinal negativo o processo ocorre de maneira inversa.
Nos estágios amplificadores em base-comum, o sinal de saída em nível de tensão está em fase com o sinal de entrada, enquanto que as variações de corrente estão defasadas em 180°.
Os amplificadores base-comum são empregados em amplificadores de RF nos receptores, devido ao seu alto ganho de tensão.
Características do amplificador base-comum
- Ganho de corrente: aproximadamente unitário.
- Ganho de tensão: alto (dezenas até centenas de ohms).
- Impedância de entrada: baixa (dezenas de ohms).
- Impedância de saída: alta (dezenas até centenas de kΩ).
Amplificadores de Potência
Um amplificador deve amplificar linearmente um sinal aplicado à sua entrada sem alterar as suas características iniciais. Um bom amplificador deve reproduzir uma faixa de frequência entre 20 Hz e 20 kHz (faixa de áudio). Para isto, os amplificadores são especificados por classes de operação.
Classes de amplificadores
De acordo com a sua configuração os amplificadores são divididos em tipos de classes de operação.
Amplificador classe A
O amplificador classe A é caracterizado pela amplificação de todo o sinal de entrada por um único transistor. Essa configuração é semelhante ao amplificador emissor-comum.
Na imagem abaixo temos um exemplo de configuração de um amplificador classe A.
A desvantagem do amplificador classe A é a de consumir corrente da fonte, mesmo sem sinal na entrada, pois o transistor fica polarizado no centro da reta de carga.
O sinal de saída no amplificador classe A está defasado 180° em relação ao sinal de entrada.
Amplificador classe B
O amplificador classe B usa dois transistores no estágio final, um PNP e outro NPN, cada um responsável pela amplificação de um semiciclo do sinal de entrada.
No amplificador classe B é importante que os dois transistores tenham as mesmas características, caso contrário ocorrerá distorção do sinal.
Amplificador classe AB
O amplificador classe AB utiliza dois transistores iguais no estágio final de amplificação. O acoplamento é feito por meio de um transformador driver, que inverte os sinais de maneira que apenas um transistor amplifique um semiciclo.
Este tipo de amplificador é utilizado nos módulos de potência automotivos, devido à sua simplicidade e alto desempenho.
Amplificador classe C
Neste tipo de amplificador, menos da metade do sinal de entrada é amplificado, sendo o restante recuperado por bobinas, capacitores e resistores, ligados em paralelo. Este tipo de amplificador é utilizado para amplificar sinais de alta frequência, muito empregado, portanto, nos estágios finais de transmissores.
Distorção nos Amplificadores
Distorção harmônica
A distorção harmônica ocorre quando um amplificador consegue amplificar a onda fundamental, porém não reproduz corretamente os harmônicos desse som. Neste caso, os sons produzidos são desagradáveis, já que os harmônicos estão sendo deteriorados.
Distorção por cross-over
É um tipo de distorção que se manifesta nos amplificadores em volume baixo, quando os transistores de saída não são polarizados corretamente.
Distorção por intermodulação
Ocorre com mais frequência nos aparelhos transistorizados, devido ao tempo de resposta do amplificador ser diferente para as diversas frequências.
Distorção em alto volume
É um tipo de distorção que se manifesta quando o volume do amplificador está no máximo. Este tipo de distorção pode ser evitado usando-se o recurso da realimentação negativa ou positiva. Na realimentação negativa o sinal é amplificado, invertido e aplicado à entrada do circuito. Na realimentação positiva parte do sinal de saída retorna à entrada sem inversão.
A realimentação positiva deve ser evitada, pois pode ocorrer o efeito microfonia, que ocorre quando o microfone está próximo ao alto-falante e se caracteriza por um apito alto e contínuo.
Nota: Todo circuito que possui simulação aqui no blog pode ser adquirido (comprado) para um teste prático dos dados apresentados aqui ou uso geral. O circuito será enviado montado em placa de circuito eletrônico. Obs.: No caso do circuito simulado neste artigo, leve em consideração que o leitor não manifestando interesse na aquisição da fonte, o envio é apenas da placa (sem fonte). Para a compra faça contato apenas no link a seguir, contato, e informe alguns dados que são: link do artigo que possui o circuito simulado, o circuito para envio em placa e quantas unidades pretende comprar.
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