Amplificadores - Guia Rápido

Cada materialna natureza tem certas propriedades. Essas propriedades definem o comportamento dos materiais. A Ciência dos Materiais é um ramo da eletrônica que lida com o estudo do fluxo de elétrons em vários materiais ou espaços, quando estão sujeitos a diversas condições.

Devido à mistura de átomos em sólidos, em vez de níveis de energia simples, haverá bandas de níveis de energia formados. Este conjunto de níveis de energia, que são compactados, são chamados deEnergy bands.

Tipos de Materiais

A banda de energia em que os elétrons de valência estão presentes é chamada Valence band, enquanto a banda na qual os elétrons de condução estão presentes é chamada Conduction band. A diferença de energia entre essas duas bandas é chamada deForbidden energy gap.

Eletronicamente, os materiais são amplamente classificados como isolantes, semicondutores e condutores.

Insulators- Os isolantes são materiais em que a condução não pode ocorrer, devido ao grande vão vedado. Exemplos: Madeira, Borracha.
Semiconductors- Semicondutores são materiais em que o gap de energia proibido é pequeno e a condução ocorre se alguma energia externa for aplicada. Exemplos: silício, germânio.
Conductors- Os condutores são materiais em que a lacuna de energia proibida desaparece à medida que a banda de valência e a banda de condução se tornam muito próximas e se sobrepõem. Exemplos: cobre, alumínio.

De todos os três, os isoladores são usados onde a resistividade à eletricidade é desejada e os condutores são usados onde a condução tem que ser alta. Os semicondutores são aqueles que suscitam um interesse específico na forma como são utilizados.

Semicondutores

UMA Semiconductoré uma substância cuja resistividade fica entre os condutores e isoladores. A propriedade de resistividade não é a única que decide um material como semicondutor, mas tem poucas propriedades como segue.

Os semicondutores têm resistividade menor que os isolantes e maior que os condutores.
Os semicondutores têm coeficiente de temperatura negativo. A resistência em semicondutores, aumenta com a diminuição da temperatura e vice-versa.
As propriedades condutoras de um semicondutor mudam, quando uma impureza metálica adequada é adicionada a ele, o que é uma propriedade muito importante.

Os dispositivos semicondutores são amplamente utilizados no campo da eletrônica. O transistor substituiu os volumosos tubos de vácuo, dos quais o tamanho e o custo dos dispositivos diminuíram e essa revolução continuou aumentando seu ritmo, levando a novas invenções como a eletrônica integrada. Os semicondutores podem ser classificados conforme mostrado abaixo.

Um semicondutor em sua forma extremamente pura é considerado um intrinsic semiconductor. Mas a capacidade de condução dessa forma pura é muito baixa. Para aumentar a capacidade de condução do semicondutor intrínseco, é melhor adicionar algumas impurezas. Este processo de adição de impurezas é chamado deDoping. Agora, este semicondutor intrínseco dopado é chamado deExtrinsic Semiconductor.

As impurezas adicionadas são geralmente pentavalent e trivalentimpurezas. Dependendo desses tipos de impurezas, outra classificação é feita. Quando umpentavalent impureza é adicionada a um semicondutor puro, é chamado de N-type extrinsic Semiconductor. Bem, quando umtrivalent impureza é adicionada a um semicondutor puro, é chamado de P-type extrinsic Semiconductor.

Junção PN

Quando um elétron se move de seu lugar, um buraco é formado ali. Portanto, um buraco é a ausência de um elétron. Se for dito que um elétron é movido do terminal negativo para o positivo, isso significa que um buraco está sendo movido do terminal positivo para o negativo.

Os materiais mencionados acima são os fundamentos da tecnologia de semicondutores. oN-type material formado pela adição de impurezas pentavalentes tem electrons as its majority carrierse buracos como operadoras minoritárias. Enquanto oP-type material formado pela adição de impurezas trivalentes tem holes as its majority carriers e elétrons como portadores minoritários.

Vamos tentar entender o que acontece quando os materiais P e N são unidos.

Se um material tipo P e um tipo N são aproximados um do outro, ambos se unem para formar uma junção, como mostrado na figura abaixo.

Um material tipo P tem holes Enquanto o majority carriers e um material tipo N tem electrons Enquanto o majority carriers. À medida que cargas opostas se atraem, poucos buracos no tipo P tendem a ir para o lado n, enquanto poucos elétrons no tipo N tendem a ir para o lado P.

À medida que ambos viajam em direção à junção, buracos e elétrons se recombinam entre si para neutralizar e formar íons. Agora, nesta junção, existe uma região onde os íons positivos e negativos são formados, chamada dePN junction ou barreira de junção conforme mostrado na figura.

A formação de íons negativos no lado P e íons positivos no lado N resulta na formação de uma região carregada estreita em cada lado da junção PN. Esta região agora está livre de portadores de carga móveis. Os íons presentes aqui têm estado estacionários e mantêm uma região de espaço entre eles sem quaisquer portadores de carga.

Como esta região atua como uma barreira entre os materiais do tipo P e N, isso também é chamado de Barrier junction. Este tem outro nome chamado deDepletion regiono que significa que esgota ambas as regiões. Ocorre uma diferença de potencial V _D devido à formação de íons, através da junção chamada dePotential Barrieruma vez que impede o movimento adicional de buracos e elétrons através da junção. Esta formação é chamada deDiode.

Polarização de um diodo

Quando um diodo ou quaisquer dois componentes terminais são conectados em um circuito, ele tem duas condições de polarização com a alimentação fornecida. Eles sãoForward biased condição e Reverse biased doença.

Condição de polarização direta

Quando um diodo é conectado a um circuito, com seu anode to the positive terminal e cathode to the negative terminal de alimentação, então tal conexão é considerada forward biased doença.

Este tipo de conexão torna o circuito cada vez mais inclinado para frente e ajuda na condução. Um diodo conduz bem na condição de polarização direta.

Condição de polarização reversa

Quando um diodo é conectado a um circuito, com seu anode to the negative terminal e cathode to the positive terminal de alimentação, então tal conexão é considerada Reverse biased doença.

Esse tipo de conexão torna o circuito cada vez mais polarizado reverso e ajuda a minimizar e prevenir a condução. Um diodo não pode conduzir na condição de polarização reversa.

Com as informações acima, agora temos uma boa ideia do que é uma junção PN. Com esse conhecimento, vamos prosseguir e aprender sobre transistores no próximo capítulo.

Depois de conhecer os detalhes sobre uma única junção PN, ou simplesmente um diodo, vamos tentar ir para a conexão de duas junções PN. Se outro material do tipo P ou material do tipo N for adicionado a uma única junção PN, outra junção será formada. Tal formação é simplesmente chamada deTransistor.

UMA Transistor é um dispositivo semicondutor de três terminais que regula o fluxo de corrente ou tensão e atua como uma chave ou porta para sinais.

Usos de um transistor

Um transistor atua como an Amplifier, onde a intensidade do sinal deve ser aumentada.
Um transistor também atua como um switch para escolher entre as opções disponíveis.
Isso também regulates a entrada current and voltage dos sinais.

Detalhes de construção de um transistor

O transistor é um dispositivo de estado sólido de três terminais que é formado pela conexão de dois diodos costas com costas. Por isso temtwo PN junctions. Três terminais são extraídos dos três materiais semicondutores presentes nele. Este tipo de conexão oferece dois tipos de transistores. Eles sãoPNP e NPN o que significa que um material do tipo N entre dois Ptypes e o outro é um material do tipo P entre dois tipos N respectivamente.

A ilustração a seguir mostra a construção básica de transistores

Os três terminais retirados do transistor indicam Emitter, Base e Collectorterminais. Eles têm sua funcionalidade conforme discutido abaixo.

Emissor

O lado esquerdo da estrutura mostrada acima pode ser entendido como Emitter.
Isso tem um moderate size e é heavily doped já que sua função principal é supply um número de majority carriers, ou seja, elétrons ou lacunas.
Como este emite elétrons, é chamado de Emissor.
Isso é simplesmente indicado com a letra E.

Base

O material do meio na figura acima é o Base.
Isto é thin e lightly doped.
Sua principal função é pass a maioria transporta do emissor para o coletor.
Isso é indicado pela letra B.

Colecionador

O material do lado direito na figura acima pode ser entendido como um Collector.
Seu nome implica sua função de collecting the carriers.
Isto é um bit largerem tamanho do que o emissor e a base. Isto émoderately doped.
Isso é indicado pela letra C.

Os símbolos dos transistores PNP e NPN são mostrados abaixo.

o arrow-head nas figuras acima indicadas o emitterde um transistor. Como o coletor de um transistor tem que dissipar uma potência muito maior, ele se torna grande. Devido às funções específicas de emissor e coletor, eles sãonot interchangeable. Portanto, os terminais devem ser sempre mantidos em mente ao usar um transistor.

Em um transistor prático, há um entalhe próximo ao cabo do emissor para identificação. Os transistores PNP e NPN podem ser diferenciados usando um multímetro. A imagem a seguir mostra como são diferentes transistores práticos.

Até agora discutimos os detalhes de construção de um transistor, mas para entender a operação de um transistor, primeiro precisamos saber sobre a polarização.

Transistor Biasing

Como sabemos que um transistor é uma combinação de dois diodos, temos duas junções aqui. Como uma junção é entre o emissor e a base, isso é chamado deEmitter-Base junction e da mesma forma, o outro é Collector-Base junction.

Biasingestá controlando a operação do circuito, fornecendo fonte de alimentação. A função de ambas as junções PN é controlada fornecendo polarização ao circuito por meio de alguma fonte CC. A figura abaixo mostra como um transistor é polarizado.

Ao observar a figura acima, entende-se que

O material tipo N é fornecido com alimentação negativa e o material tipo P recebe alimentação positiva para fazer o circuito Forward bias.
O material tipo N é fornecido com alimentação positiva e o material tipo P recebe alimentação negativa para fazer o circuito Reverse bias.

Ao aplicar o poder, o emitter base junction é sempre forward biasedcomo a resistência do emissor é muito pequena. ocollector base junction é reverse biasede sua resistência é um pouco maior. Uma pequena polarização direta é suficiente na junção do emissor, enquanto uma alta polarização reversa deve ser aplicada na junção do coletor.

A direção da corrente indicada nos circuitos acima, também chamada de Conventional Current, é o movimento da corrente do buraco que é opposite to the electron current.

Operação do Transistor PNP

A operação de um transistor PNP pode ser explicada observando-se a figura a seguir, na qual a junção base do emissor é polarizada direta e a junção base coletor é polarizada reversamente.

A voltagem V_EEfornece um potencial positivo no emissor que repele os buracos no material tipo P e esses buracos cruzam a junção emissor-base, para alcançar a região da base. Há uma porcentagem muito baixa de buracos que se re-combinam com elétrons livres da região N. Isso fornece uma corrente muito baixa que constitui a corrente de baseI_B. Os furos restantes cruzam a junção base do coletor, para constituir a corrente do coletorI_C, que é a corrente do buraco.

Quando um buraco atinge o terminal do coletor, um elétron do terminal negativo da bateria preenche o espaço do coletor. Este fluxo aumenta lentamente e a corrente de minoria de elétrons flui através do emissor, onde cada elétron entra no terminal positivo deV_EE, é substituído por um orifício movendo-se em direção à junção do emissor. Isso constitui a corrente do emissorI_E.

Portanto, podemos entender que -

A condução em um transistor PNP ocorre através de orifícios.
A corrente do coletor é ligeiramente menor que a corrente do emissor.
O aumento ou diminuição da corrente do emissor afeta a corrente do coletor.

Operação do transistor NPN

A operação de um transistor NPN pode ser explicada observando-se a figura a seguir, na qual a junção emissor-base é polarizada para frente e a junção coletor-base é polarizada reversamente.

A voltagem V_EEfornece um potencial negativo no emissor que repele os elétrons no material tipo N e esses elétrons cruzam a junção emissor-base, para chegar à região da base. Lá, uma porcentagem muito baixa de elétrons se recombina com buracos livres da região P. Isso fornece uma corrente muito baixa que constitui a corrente de baseI_B. Os orifícios restantes cruzam a junção base do coletor, para constituir a corrente do coletorI_C.

Quando um elétron sai do terminal coletor e entra no terminal positivo da bateria, um elétron sai do terminal negativo da bateria V_EEentra na região do emissor. Este fluxo aumenta lentamente e a corrente de elétrons flui através do transistor.

Portanto, podemos entender que -

A condução em um transistor NPN ocorre por meio de elétrons.
A corrente do coletor é superior à corrente do emissor.
O aumento ou diminuição da corrente do emissor afeta a corrente do coletor.

Vantagens dos transistores

Existem muitas vantagens de usar um transistor, como -

Ganho de alta tensão.
A tensão de alimentação mais baixa é suficiente.
Mais adequado para aplicações de baixa potência.
Menor e mais leve.
Mecanicamente mais forte do que tubos de vácuo.
Nenhum aquecimento externo necessário como tubos de vácuo.
Muito adequado para integração com resistores e diodos para produzir ICs.

Existem algumas desvantagens, como eles não podem ser usados para aplicações de alta potência devido à menor dissipação de energia. Eles têm impedância de entrada mais baixa e são dependentes da temperatura.

Qualquer transistor tem três terminais, o emitter, a base, e as collector. Usando esses 3 terminais, o transistor pode ser conectado em um circuito com um terminal comum para entrada e saída em três diferentes configurações possíveis.

Os três tipos de configurações são Common Base, Common Emitter e Common Collectorconfigurações. Em cada configuração, a junção do emissor é polarizada direta e a junção do coletor é polarizada reversa.

Configuração de Base Comum (CB)

O próprio nome implica que o Baseterminal é considerado como terminal comum para entrada e saída do transistor. A conexão de base comum para os transistores NPN e PNP é mostrada na figura a seguir.

Para fins de compreensão, vamos considerar o transistor NPN na configuração CB. Quando a tensão do emissor é aplicada, visto que é polarizada para frente, os elétrons do terminal negativo repelem os elétrons do emissor e a corrente flui através do emissor e da base para o coletor para contribuir com a corrente do coletor. A tensão do coletor V _CB é mantida constante durante todo o processo.

Na configuração do CB, a corrente de entrada é a corrente do emissor I_E e a corrente de saída é a corrente do coletor I_C.

Fator de amplificação atual (α)

A razão da mudança na corrente do coletor (ΔI _C ) para a mudança na corrente do emissor (ΔI _E ) quando a tensão do coletor V _CB é mantida constante, é chamada deCurrent amplification factor. É denotado porα.

$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$em V _CB constante

Expressão para corrente de coletor

Com a ideia acima, vamos tentar desenhar alguma expressão para a corrente de coletor.

Junto com o fluxo da corrente do emissor, há alguma quantidade de corrente de base I_Bque flui através do terminal de base devido à recombinação do buraco do elétron. Como a junção da base do coletor é polarizada reversamente, há outra corrente que é transmitida devido a portadores de carga minoritários. Esta é a corrente de fuga que pode ser entendida comoI_leakage. Isso se deve às operadoras de carga minoritárias e, portanto, muito pequenas.

A corrente do emissor que atinge o terminal coletor é

$$\alpha I_E$$

Corrente de coletor total

$$I_C = \alpha I_E + I_{leakage}$$

Se a tensão base do emissor V _EB = 0, ainda assim, flui uma pequena corrente de fuga, que pode ser denominada I _CBO (corrente base do coletor com saída aberta).

A corrente do coletor, portanto, pode ser expressa como

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_C + I_B$$

$$I_C = \alpha (I_C + I_B) + I_{CBO}$$

$$I_C (1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C = \left ( \frac{\alpha}{1 - \alpha} \right )I_B + \left ( \frac{1}{1 - \alpha} \right )I_{CBO}$$

Portanto, o derivado acima é a expressão para corrente de coletor. O valor da corrente do coletor depende da corrente de base e da corrente de fuga junto com o fator de amplificação da corrente daquele transistor em uso.

Características da configuração CB

Esta configuração fornece ganho de tensão, mas nenhum ganho de corrente.
Sendo V _CB constante, com um pequeno aumento na tensão base do emissor V _EB , a corrente do emissor I _E aumenta.
A corrente do emissor I _E é independente da tensão do coletor V _CB .
A tensão do coletor V _CB pode afetar a corrente do coletor I _C apenas em tensões baixas, quando V _EB é mantido constante.
A resistência de entrada R_ié a razão da mudança na tensão base do emissor (ΔV _EB ) para a mudança na corrente do emissor (ΔI _E ) na tensão base do coletor constante V _CB .

$R_i = \frac{\Delta V_{EB}}{\Delta I_E}$em V _CB constante

À medida que a resistência de entrada é de valor muito baixo, um pequeno valor de V _EB é suficiente para produzir um grande fluxo de corrente de emissor de corrente I _{de E} .
A resistência de saída R_oé a razão da mudança na tensão de base do coletor (ΔV _CB ) para a mudança na corrente do coletor (ΔI _C ) na corrente de emissor constante IE.

$R_o = \frac{\Delta V_{CB}}{\Delta I_C}$na constante I _E

Como a resistência à saída é um valor muito elevado, uma grande alteração na V _CB produz uma muito pequena mudança na corrente de colector I _C .
Esta configuração oferece boa estabilidade contra aumento de temperatura.
A configuração CB é usada para aplicações de alta frequência.

Configuração do Emissor Comum (CE)

O próprio nome implica que o Emitterterminal é considerado como terminal comum para entrada e saída do transistor. A conexão do emissor comum para os transistores NPN e PNP é mostrada na figura a seguir.

Assim como na configuração do CB, a junção do emissor é polarizada direta e a junção do coletor é polarizada reversa. O fluxo de elétrons é controlado da mesma maneira. A corrente de entrada é a corrente de baseI_B e a corrente de saída é a corrente do coletor I_C aqui.

Fator de amplificação de corrente de base (β)

A proporção da mudança na corrente do coletor (ΔI _C ) para a mudança na corrente de base (ΔI _B ) é conhecida comoBase Current Amplification Factor. É denotado por β.

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

Relação entre β e α

Vamos tentar derivar a relação entre o fator de amplificação da corrente de base e o fator de amplificação da corrente do emissor.

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

Nós podemos escrever

$$\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

Dividindo por ΔI _E

$$\beta = \frac{\Delta I_C/\Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

Nós temos

$$\alpha = \Delta I_C / \Delta I_E$$

Portanto,

$$\beta = \frac{\alpha}{1 - \alpha}$$

A partir da equação acima, é evidente que, à medida que α se aproxima de 1, β atinge o infinito.

Conseqüentemente, the current gain in Common Emitter connection is very high. Esta é a razão pela qual esta conexão de circuito é mais usada em todas as aplicações de transistor.

Expressão para corrente de coletor

Na configuração do emissor comum, I _B é a corrente de entrada e I _C é a corrente de saída.

Nós sabemos

$$I_E = I_B + I_C$$

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$= \alpha(I_B + I_C) + I_{CBO}$$

$$I_C(1 - \alpha) = \alpha I_B + I_{CBO}$$

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

Se o circuito de base estiver aberto, ou seja, se I _B = 0,

O coletor emissor de corrente com base aberta é I _CEO

$$I_{CEO} = \frac{1}{1 - \alpha}I_{CBO}$$

Substituindo o valor disso na equação anterior, obtemos

$$I_C = \frac{\alpha}{1 - \alpha}I_B + I_{CEO}$$

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

Portanto, a equação para a corrente do coletor é obtida.

Joelho Tensão

Na configuração CE, mantendo a corrente de base I _B constante, se V _CE for variado, I _C aumenta quase a 1v de V _CE e permanece constante depois disso. Este valor de V _CE até o qual a corrente do coletor I _C muda com V _CE é chamado deKnee Voltage. Os transistores, enquanto operam na configuração CE, são operados acima desta tensão de joelho.

Características da configuração CE

Esta configuração fornece bom ganho de corrente e ganho de tensão.
Mantendo V _CE constante, com um pequeno aumento em V _BE a corrente de base I _B aumenta rapidamente do que nas configurações de CB.
Para qualquer valor de V _CE acima tensão joelho, eu _C é aproximadamente igual a βI _B .
A resistência de entrada R_ié a razão da mudança na tensão do emissor de base (ΔV _BE ) para a mudança na corrente de base (ΔI _B ) na tensão de emissor do coletor constante V _CE .

$R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$em V _CE constante

À medida que a resistência de entrada é de valor muito baixo, um pequeno valor de V _BE é suficiente para produzir um grande fluxo de corrente da corrente de base I _B .
A resistência de saída R_oé a relação de alteração da tensão de colector emissor (AV _EC ) para a mudança na corrente de colector (ΔI _C ) em constante I _B .

$R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$em constante I _B

Como a resistência de saída do circuito CE é menor do que a do circuito CB.
Esta configuração é geralmente usada para métodos de estabilização de polarização e aplicações de frequência de áudio.

Configuração de coletor comum (CC)

O próprio nome implica que o Collectorterminal é considerado como terminal comum para entrada e saída do transistor. A conexão do coletor comum para os transistores NPN e PNP é mostrada na figura a seguir.

Assim como nas configurações CB e CE, a junção do emissor é polarizada direta e a junção do coletor é polarizada reversa. O fluxo de elétrons é controlado da mesma maneira. A corrente de entrada é a corrente de baseI_B e a corrente de saída é a corrente do emissor I_E aqui.

Fator de Amplificação Atual (γ)

A proporção da mudança na corrente do emissor (ΔI _E ) para a mudança na corrente de base (ΔI _B ) é conhecida comoCurrent Amplification factorna configuração do coletor comum (CC). É denotado por γ.

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

O ganho atual na configuração CC é o mesmo que na configuração CE.
O ganho de tensão na configuração CC é sempre menor que 1.

Relação entre γ e α

Vamos tentar traçar alguma relação entre γ e α

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_B}$$

$$\alpha = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}$$

$$I_E = I_B + I_C$$

$$\Delta I_E = \Delta I_B + \Delta I_C$$

$$\Delta I_B = \Delta I_E - \Delta I_C$$

Substituindo o valor de I _B , obtemos

$$\gamma = \frac{\Delta I_E}{\Delta I_E - \Delta I_C}$$

Dividindo por ΔI _E

$$\gamma = \frac{\Delta I_E / \Delta I_E}{\frac{\Delta I_E}{\Delta I_E} - \frac{\Delta I_C}{\Delta I_E}}$$

$$= \frac{1}{1 - \alpha}$$

$$\gamma = \frac{1}{1 - \alpha}$$

Expressão para coletor atual

Nós sabemos

$$I_C = \alpha I_E + I_{CBO}$$

$$I_E = I_B + I_C = I_B + (\alpha I_E + I_{CBO})$$

$$I_E(1 - \alpha) = I_B + I_{CBO}$$

$$I_E = \frac{I_B}{1 - \alpha} + \frac{I_{CBO}}{1 - \alpha}$$

$$I_C \cong I_E = (\beta + 1)I_B + (\beta + 1)I_{CBO}$$

O texto acima é a expressão para corrente de coletor.

Características da configuração CC

Esta configuração fornece ganho de corrente, mas nenhum ganho de tensão.
Na configuração CC, a resistência de entrada é alta e a resistência de saída é baixa.
O ganho de tensão fornecido por este circuito é menor que 1.
A soma da corrente do coletor e da corrente de base é igual à corrente do emissor.
Os sinais de entrada e saída estão em fase.
Esta configuração funciona como saída do amplificador não inversor.
Este circuito é usado principalmente para casamento de impedância. Isso significa acionar uma carga de baixa impedância de uma fonte de alta impedância.

A alimentação CC é fornecida para a operação de um transistor. Esta alimentação DC é fornecida às duas junções PN de um transistor que influencia as ações das portadoras majoritárias nessas junções de emissor e coletor.

As junções têm polarização direta e polarização reversa com base em nossos requisitos. Forward biased é a condição em que uma tensão positiva é aplicada ao tipo p e uma tensão negativa é aplicada ao material tipo n. Reverse biased é a condição em que uma tensão positiva é aplicada ao tipo n e uma tensão negativa é aplicada ao material tipo p.

Transistor Biasing

O fornecimento de tensão DC externa adequada é chamado de biasing. A polarização direta ou reversa é feita nas junções do emissor e do coletor do transistor.

Esses métodos de polarização fazem o circuito do transistor funcionar em quatro tipos de regiões, como Active region, Saturation region, Cutoff region e Inverse active region(raramente usado). Isso é entendido dando uma olhada na tabela a seguir.

Junção Emissora	Junção do coletor	Região de Operação
Polarizado	Polarizado	Região de saturação
Polarizado	Polarizado reverso	Região ativa
Polarizado reverso	Polarizado	Região inversa ativa
Polarizado reverso	Polarizado reverso	Região cortada

Entre essas regiões, a região ativa inversa, que é apenas o inverso da região ativa, não é adequada para nenhuma aplicação e, portanto, não é usada.

Região ativa

Esta é a região em que os transistores têm muitas aplicações. Isso também é chamado delinear region. Um transistor, enquanto nesta região, atua melhor como umAmplifier.

O diagrama de circuito a seguir mostra um transistor funcionando na região ativa.

Esta região fica entre a saturação e o corte. O transistor opera na região ativa quando a junção do emissor é polarizada para frente e a junção do coletor é polarizada reversamente.

No estado ativo, a corrente de coletor é β vezes a corrente de base, ou seja

$$I_C = \beta I_B$$

Onde I _C = corrente de coletor, β = fator de amplificação de corrente e I _B = corrente de base.

Região de Saturação

Esta é a região em que o transistor tende a se comportar como uma chave fechada. O transistor tem o efeito de curto-circuito entre seu coletor e emissor. As correntes do coletor e do emissor são máximas neste modo de operação.

A figura a seguir mostra um transistor trabalhando na região de saturação.

O transistor opera na região de saturação quando as junções do emissor e do coletor são polarizadas para frente.

No modo de saturação,

$$\beta < \frac{I_C}{I_B}$$

Como na região de saturação, o transistor tende a se comportar como uma chave fechada,

$$I_C = I_E$$

Onde I _C = corrente do coletor e I _E = corrente do emissor.

Região de Corte

Esta é a região em que o transistor tende a se comportar como uma chave aberta. O transistor tem o efeito de abrir o coletor e a base. As correntes do coletor, do emissor e da base são todas zero neste modo de operação.

A figura abaixo mostra um transistor trabalhando na região de corte.

O transistor opera na região de corte quando as junções do emissor e do coletor são polarizadas reversamente.

Como na região de corte, a corrente de coletor, corrente de emissor e correntes de base são nulas, podemos escrever como

$$I_C = I_E = I_B = 0$$

Onde I _C = corrente do coletor, I _E = corrente do emissor e I _B = corrente de base.

Até agora, discutimos diferentes regiões de operação de um transistor. Mas, entre todas essas regiões, descobrimos que o transistor opera bem na região ativa e, portanto, também é chamado delinear region. As saídas do transistor são a corrente do coletor e as tensões do coletor.

Características de saída

Quando as características de saída de um transistor são consideradas, a curva se parece com a seguinte para diferentes valores de entrada.

Na figura acima, as características de saída são desenhadas entre a corrente do coletor I_C e tensão do coletor V_CE para diferentes valores de corrente de base I_B. Estes são considerados aqui para diferentes valores de entrada para obter diferentes curvas de saída.

Linha de carga

Quando um valor para a corrente de coletor máxima possível é considerado, esse ponto estará presente no eixo Y, que nada mais é do que o Saturation point. Da mesma forma, quando um valor para a tensão máxima possível do coletor coletor é considerado, esse ponto estará presente no eixo X, que é oCutoff point.

Quando uma linha é desenhada unindo esses dois pontos, essa linha pode ser chamada de Load line. Isso é chamado assim porque simboliza a saída na carga. Esta linha, quando desenhada sobre a curva característica de saída, faz contato em um ponto denominadoOperating point ou quiescent point ou simplesmente Q-point.

O conceito de linha de carga pode ser entendido a partir do gráfico a seguir.

A linha de carga é desenhada juntando os pontos de saturação e corte. A região que fica entre esses dois é olinear region. Um transistor atua como um bom amplificador nesta região linear.

Se esta linha de carga for desenhada apenas quando a polarização DC for dada ao transistor, mas no input sinal é aplicado, então tal linha de carga é chamada de DC load line. Considerando que a linha de carga desenhada sob as condições em que uminput signal junto com as tensões DC são aplicadas, tal linha é chamada de AC load line.

Linha de carga DC

Quando o transistor recebe a polarização e nenhum sinal é aplicado em sua entrada, a linha de carga desenhada sob tais condições pode ser entendida como DCdoença. Aqui não haverá amplificação, pois osignal is absent. O circuito será como mostrado abaixo.

O valor da tensão do coletor emissor em qualquer momento será

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

Como V _CC e R _C são valores fixos, o acima é uma equação de primeiro grau e, portanto, será uma linha reta nas características de saída. Esta linha é chamada deD.C. Load line. A figura abaixo mostra a linha de carga DC.

Para obter a linha de carga, os dois pontos finais da linha reta devem ser determinados. Sejam esses dois pontos A e B.

Para obter A

Quando colector emissor tensão V _CE = 0, a corrente de colector é máxima e é igual a V _CC / R _C . Isso dá o valor máximo de V _CE . Isso é mostrado como

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$0 = V_{CC} - I_C R_C$$

$$I_C = V_{CC}/R_C$$

Isso dá o ponto A (OA = V _CC / R _C ) no eixo da corrente do coletor, mostrado na figura acima.

Para obter B

Quando a corrente do coletor I _C = 0, então a tensão do coletor emissor é máxima e será igual ao V _CC . Isto dá o valor máximo de I _C . Isso é mostrado como

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

$$= V_{CC}$$

(AS I _C = 0)

Isso dá o ponto B, que significa (OB = V _CC ) no eixo da tensão do coletor emissor mostrado na figura acima.

Conseqüentemente, determinamos a saturação e o ponto de corte e aprendemos que a linha de carga é uma linha reta. Portanto, uma linha de carga DC pode ser desenhada.

Linha de carga AC

A linha de carga DC, discutida anteriormente, analisa a variação das correntes e tensões do coletor, quando nenhuma tensão AC é aplicada. Enquanto a linha de carga CA fornece a tensão de pico a pico ou a oscilação de saída máxima possível para um determinado amplificador.

Devemos considerar um circuito AC equivalente de um amplificador CE para nosso entendimento.

Pela figura acima,

$$V_{CE} = (R_C // R_1) \times I_C$$

$$r_C = R_C // R_1$$

Para um transistor operar como um amplificador, ele deve permanecer na região ativa. O ponto quiescente é escolhido de tal forma que a excursão máxima do sinal de entrada seja simétrica em ambos os semiciclos negativos e positivos.

Conseqüentemente,

$V_{max} = V_{CEQ}$ e $V_{min} = -V_{CEQ}$

Onde V _CEQ é a tensão do coletor do emissor no ponto quiescente

O gráfico a seguir representa a linha de carga CA desenhada entre os pontos de saturação e de corte.

No gráfico acima, o IC atual no ponto de saturação é

$$I_{C(sat)} = I_{CQ} + (V_{CEQ}/r_C)$$

A tensão V _CE no ponto de corte é

$$V_{CE(off)} = V_{CEQ} + I_{CQ}r_C$$

Portanto, a corrente máxima para aquele correspondente V _CEQ = V _CEQ / (R _C // R ₁ ) é

$$I_{CQ} = I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

Portanto, ao adicionar correntes quiescentes, os pontos finais da linha de carga CA são

$$I_{C(sat)} = I_{CQ} + V_{CEQ}/ (R_C // R_1)$$

$$V_{CE(off)} = V_{CEQ} + I_{CQ} * (R_C // R_1)$$

Linha de carga AC e DC

Quando as linhas de carga CA e CC são representadas em um gráfico, pode-se entender que não são idênticas. Ambas as linhas se cruzam noQ-point ou quiescent point. Os pontos finais da linha de carga AC são saturação e pontos de corte. Isso é entendido na figura abaixo.

Da figura acima, entende-se que o ponto quiescente (o ponto escuro) é obtido quando o valor da corrente de base IB é de 10mA. Este é o ponto onde as linhas de carga CA e CC se cruzam.

No próximo capítulo, discutiremos o conceito de quiescent point ou o operating point em detalhe.

Quando uma linha é desenhada unindo os pontos de saturação e corte, tal linha pode ser chamada de Load line. Esta linha, quando desenhada sobre a curva característica de saída, faz contato em um ponto denominadoOperating point.

Este ponto operacional também é chamado de quiescent point ou simplesmente Q-point. Pode haver muitos desses pontos de interseção, mas o ponto Q é selecionado de tal forma que, independentemente da oscilação do sinal CA, o transistor permanece na região ativa.

O gráfico a seguir mostra como representar o ponto operacional.

O ponto operacional não deve ser perturbado, pois deve permanecer estável para obter amplificação fiel. Portanto, o ponto quiescente ou ponto Q é o valor onde oFaithful Amplification é alcançado.

Amplificação fiel

O processo de aumentar a intensidade do sinal é denominado Amplification. Esta amplificação, quando feita sem nenhuma perda nos componentes do sinal, é chamada deFaithful amplification.

Faithful amplificationé o processo de obtenção de porções completas do sinal de entrada aumentando a intensidade do sinal. Isso é feito quando o sinal CA é aplicado em sua entrada.

No gráfico acima, o sinal de entrada aplicado é completamente amplificado e reproduzido sem perdas. Isso pode ser entendido comoFaithful Amplification.

O ponto de operação é escolhido de tal forma que fica no active region e ajuda na reprodução do sinal completo sem nenhuma perda.

Se o ponto de operação for considerado próximo ao ponto de saturação, a amplificação será como abaixo.

Se o ponto de operação for considerado próximo ao ponto de corte, a amplificação será como abaixo.

Portanto, a localização do ponto de operação é um fator importante para obter uma amplificação fiel. Mas para o transistor funcionar corretamente como um amplificador, seu circuito de entrada (ou seja, a junção base-emissor) permanece polarizado direto e seu circuito de saída (isto é, junção coletor-base) permanece polarizado reverso.

O sinal amplificado contém, portanto, a mesma informação que no sinal de entrada, enquanto a força do sinal é aumentada.

Fatores-chave para amplificação fiel

Para garantir uma amplificação fiel, as seguintes condições básicas devem ser satisfeitas.

Corrente de coletor de sinal zero adequada
Tensão mínima adequada do emissor de base (V _BE ) em qualquer instante.
Tensão mínima adequada do coletor-emissor (V _CE ) em qualquer instante.

O cumprimento dessas condições garante que o transistor funcione sobre a região ativa com polarização direta de entrada e polarização reversa de saída.

Corrente de coletor de sinal zero adequada

Para entender isso, vamos considerar um circuito de transistor NPN como mostrado na figura abaixo. A junção base-emissor é polarizada direta e a junção coletor-emissor é polarizada reversa. Quando um sinal é aplicado na entrada, a junção base-emissor do transistor NPN é polarizada para frente para meio ciclo positivo da entrada e, portanto, aparece na saída.

Para meio ciclo negativo, a mesma junção obtém polarização reversa e, portanto, o circuito não conduz. Isto leva aunfaithful amplification conforme mostrado na figura abaixo.

Vamos agora introduzir uma bateria V _BB no circuito de base. A magnitude desta tensão deve ser tal que a junção base-emissor do transistor deve permanecer polarizada para frente, mesmo para meio ciclo negativo do sinal de entrada. Quando nenhum sinal de entrada é aplicado, uma corrente DC flui no circuito, devido ao V _BB . Isso é conhecido comozero signal collector currentI _C .

Durante o meio ciclo positivo da entrada, a junção base-emissor é polarizada mais para frente e, portanto, a corrente do coletor aumenta. Durante o meio ciclo negativo da entrada, a junção de entrada é menos polarizada para frente e, portanto, a corrente do coletor diminui. Portanto, ambos os ciclos da entrada aparecem na saída e, portanto,faithful amplification resultados, conforme mostrado na figura abaixo.

Portanto, para uma amplificação fiel, a corrente adequada do coletor de sinal zero deve fluir. O valor da corrente do coletor de sinal zero deve ser pelo menos igual à corrente máxima do coletor devido apenas ao sinal.

V _BE Mínimo Adequado a qualquer momento

A tensão mínima de base para o emissor V _BE deve ser maior do que a tensão de ativação para a junção ser polarizada diretamente. A tensão mínima necessária para um transistor de silício conduzir é de 0,7 V e para um transistor de germânio conduzir é de 0,5 V. Se a tensão do emissor de base V _BE for maior do que esta tensão, a barreira de potencial é superada e, portanto, a corrente de base e as correntes de coletor aumentam acentuadamente.

Portanto, se V _BE cair para baixo para qualquer parte do sinal de entrada, essa parte será amplificada em menor extensão devido à pequena corrente de coletor resultante, que resulta em amplificação infiel.

V _CE Mínimo Adequado a qualquer momento

Para alcançar uma amplificação fiel, a tensão do coletor emissor V _CE não deve cair abaixo da tensão de ligação, que é chamada deKnee Voltage. Se V _CE for menor do que a tensão de joelho, a junção da base do coletor não terá polarização reversa adequada. Então o coletor não pode atrair os elétrons que são emitidos pelo emissor e eles irão fluir para a base, o que aumenta a corrente de base. Assim, o valor de β cai.

Portanto, se V _CE cair para baixo para qualquer parte do sinal de entrada, essa parte será multiplicada em menor extensão, resultando em amplificação infiel. Portanto, se V _CE for maior que V _KNEE, a junção coletor-base está com polarização reversa adequada e o valor de β permanece constante, resultando em amplificação fiel.

Para que um transistor atue como um amplificador, ele deve ser polarizado corretamente. Discutiremos a necessidade de uma polarização adequada no próximo capítulo. Aqui, vamos nos concentrar em como um transistor funciona como um amplificador.

Amplificador de transistor

Um transistor atua como um amplificador, aumentando a força de um sinal fraco. A tensão de polarização DC aplicada à junção da base do emissor faz com que ele permaneça na condição de polarização direta. Essa polarização direta é mantida independentemente da polaridade do sinal. A figura abaixo mostra a aparência de um transistor quando conectado como um amplificador.

A baixa resistência no circuito de entrada permite que qualquer pequena mudança no sinal de entrada resulte em uma mudança apreciável na saída. A corrente de emissor causada pelo sinal de entrada contribui a corrente de colector, que quando flui através da resistência de carga R _L , resulta em uma grande queda de tensão através dela. Assim, uma pequena tensão de entrada resulta em uma grande tensão de saída, o que mostra que o transistor funciona como um amplificador.

Exemplo

Permita que haja uma mudança de 0,1 V na tensão de entrada sendo aplicada, o que produz ainda uma mudança de 1 mA na corrente do emissor. Essa corrente do emissor obviamente produzirá uma mudança na corrente do coletor, que também seria de 1mA.

Uma resistência de carga de 5kΩ colocada no coletor produziria uma tensão de

5 kΩ × 1 mA = 5V

Assim, observa-se que uma mudança de 0,1v na entrada dá uma mudança de 5v na saída, o que significa que o nível de tensão do sinal é amplificado.

Desempenho do amplificador

Como o modo de emissor comum de conexão é geralmente adotado, vamos primeiro entender alguns termos importantes com referência a este modo de conexão.

Resistência de entrada

Como o circuito de entrada é polarizado direto, a resistência de entrada será baixa. A resistência de entrada é a oposição oferecida pela junção base-emissor ao fluxo do sinal.

Por definição, é a razão entre a pequena mudança na tensão de base-emissor (ΔV _BE ) e a mudança resultante na corrente de base (ΔI _B ) na tensão de coletor-emissor constante.

Resistência de entrada, $R_i = \frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_B}$

Onde R _i = resistência de entrada, V _BE = tensão base-emissor e I _B = corrente base.

Resistência de saída

A resistência de saída de um amplificador a transistor é muito alta. A corrente do coletor muda muito ligeiramente com a mudança na tensão do coletor-emissor.

Por definição, é a razão da mudança na tensão coletor-emissor (ΔV _CE ) para a mudança resultante na corrente do coletor (ΔI _C ) na corrente de base constante.

Resistência de saída = $R_o = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_C}$

Onde R _o = resistência de saída, V _CE = tensão coletor-emissor e I _C = tensão coletor-emissor.

Carga Coletora Eficaz

A carga é conectada no coletor de um transistor e para um amplificador de estágio único, a tensão de saída é retirada do coletor do transistor e para um amplificador de múltiplos estágios, a mesma é coletada de um estágio em cascata do circuito do transistor.

Por definição, é a carga total vista pela corrente CA do coletor. No caso de amplificadores de estágio único, a carga efetiva do coletor é uma combinação paralela de R _C e R _o .

Carga Coletora Eficaz, $R_{AC} = R_C // R_o$

$$= \frac{R_C \times R_o}{R_C + R_o} = R_{AC}$$

Por isso, para um único amplificador de fase, a carga efectiva é igual à carga de colector R _C .

Em um amplificador de vários estágios (ou seja, com mais de um estágio de amplificação), a resistência de entrada R _i do próximo estágio também aparece.

A carga efetiva do coletor torna-se uma combinação paralela de R _C , R _o e R _i , ou seja,

Carga Coletora Eficaz, $R_{AC} = R_C // R_o // R_i$

$$R_C // R_i = \frac{R_C R_i}{R_C + R_i}$$

Como a resistência de entrada R _i é muito pequena, a carga efetiva é reduzida.

Ganho Atual

O ganho em termos de corrente quando as mudanças nas correntes de entrada e saída são observadas, é chamado de Current gain. Por definição, é a relação entre a variação da corrente do coletor (ΔI _C ) e a variação da corrente de base (ΔI _B ).

Ganho atual, $\beta = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B}$

O valor de β varia de 20 a 500. O ganho de corrente indica que a corrente de entrada torna-se β vezes na corrente de coletor.

Ganho de tensão

O ganho em termos de tensão quando as mudanças nas correntes de entrada e saída são observadas, é chamado de Voltage gain. Por definição, é a relação entre a variação da tensão de saída (ΔV _CE ) e a variação da tensão de entrada (ΔV _BE ).

Ganho de tensão, $A_V = \frac{\Delta V_{CE}}{\Delta V_{BE}}$

$$= \frac{Change \: in\: output \: current \times effective\: load}{Change \: in\: input \: current \times input \: resistance}$$

$$= \frac{\Delta I_C \times R_{AC}}{\Delta I_B \times R_i} = \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B} \times \frac{R_{AC}}{R_i} = \beta \times \frac{R_{AC}}{R_i}$$

Para uma única fase, R _AC = R _C .

No entanto, para vários estágios,

$$R_{AC} = \frac{R_C \times R_i}{R_C + R_i}$$

Onde R _i é a resistência de entrada do próximo estágio.

Ganho de potência

O ganho em termos de potência quando as mudanças nas correntes de entrada e saída são observadas, é chamado de Power gain.

Por definição, é a relação entre a potência do sinal de saída e a potência do sinal de entrada.

Ganho de potência, $A_P = \frac{(\Delta I_C)^2 \times R_{AC}}{(\Delta I_B)^2 \times R_i}$

$$= \left ( \frac{\Delta I_C}{\Delta I_B} \right ) \times \frac{\Delta I_C \times R_{AC}}{\Delta I_B \times R_i}$$

= Ganho de corrente × ganho de tensão

Portanto, esses são todos os termos importantes que se referem ao desempenho dos amplificadores.

Biasing é o processo de fornecer tensão DC que auxilia no funcionamento do circuito. Um transistor é baseado a fim de tornar a junção da base do emissor polarizada para frente e a junção da base do coletor polarizada reversamente, de modo que ele se mantenha na região ativa, para funcionar como um amplificador.

No capítulo anterior, explicamos como um transistor atua como um bom amplificador, se as seções de entrada e saída forem polarizadas.

Transistor Biasing

O fluxo adequado de corrente do coletor de sinal zero e a manutenção da tensão do coletor-emissor adequada durante a passagem do sinal é conhecido como Transistor Biasing. O circuito que fornece polarização de transistor é chamado deBiasing Circuit.

Necessidade de polarização DC

Se um sinal de voltagem muito baixa for fornecido à entrada do BJT, ele não poderá ser amplificado. Porque, para um BJT, para amplificar um sinal, duas condições devem ser atendidas.

A tensão de entrada deve exceder cut-in voltage para o transistor ser ON.
O BJT deve estar no active region, para ser operado como um amplifier.

Se as tensões e correntes CC apropriadas forem fornecidas através do BJT por fontes externas, de modo que o BJT opere na região ativa e sobreponha os sinais CA a serem amplificados, então este problema pode ser evitado. A tensão DC e as correntes fornecidas são escolhidas de modo que o transistor permaneça na região ativa durante todo o ciclo AC de entrada. Portanto, a polarização DC é necessária.

A figura abaixo mostra um amplificador de transistor que é fornecido com polarização DC nos circuitos de entrada e saída.

Para que um transistor seja operado como um amplificador fiel, o ponto de operação deve ser estabilizado. Vamos dar uma olhada nos fatores que afetam a estabilização do ponto de operação.

Fatores que afetam o ponto operacional

O principal fator que afeta o ponto de operação é a temperatura. O ponto operacional muda devido à mudança na temperatura.

Conforme a temperatura aumenta, os valores de I _CE , β, V _BE são afetados.

I _CBO é dobrado (para cada 10 ^o aumento)
V _BE diminui 2,5 mv (para cada 1 ^{o de} aumento)

Portanto, o principal problema que afeta o ponto de operação é a temperatura. Portanto, o ponto de operação deve ser independente da temperatura de modo a obter estabilidade. Para conseguir isso, circuitos de polarização são introduzidos.

Estabilização

O processo de tornar o ponto operacional independente das mudanças de temperatura ou variações nos parâmetros do transistor é conhecido como Stabilization.

Uma vez que a estabilização é alcançada, os valores de I _C e V _CE tornam-se independentes das variações de temperatura ou substituição do transistor. Um bom circuito de polarização auxilia na estabilização do ponto de operação.

Necessidade de estabilização

A estabilização do ponto de operação deve ser alcançada pelas seguintes razões.

Dependência da temperatura de I _C
Variações individuais
Escapamento térmico

Vamos entender esses conceitos em detalhes.

Dependência de temperatura de I _C

Como a expressão para corrente de coletor I _C é

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

$$= \beta I_B + (\beta + 1) I_{CBO}$$

A corrente de fuga do coletor I _CBO é muito influenciada pelas variações de temperatura. Para sair disso, as condições de polarização são definidas de modo que a corrente do coletor de sinal zero I _C = 1 mA. Portanto, o ponto de operação precisa ser estabilizado, ou seja, é necessário manter I _C constante.

Variações Individuais

Como o valor de β e o valor de V _BE não são iguais para todos os transistores, sempre que um transistor é trocado, o ponto de operação tende a mudar. Portanto, é necessário estabilizar o ponto de operação.

Escapamento térmico

Como a expressão para corrente de coletor I _C é

$$I_C = \beta I_B + I_{CEO}$$

$$= \beta I_B + (\beta + 1)I_{CBO}$$

O fluxo da corrente do coletor e também a corrente de fuga do coletor causam dissipação de calor. Se o ponto de operação não estiver estabilizado, ocorre um efeito cumulativo que aumenta essa dissipação de calor.

A autodestruição de tal transistor não estabilizado é conhecida como Thermal run away.

A fim de evitar thermal runawaye a destruição do transistor, é necessário estabilizar o ponto de operação, ou seja, manter I _C constante.

Fator de Estabilidade

Entende-se que I _C deve ser mantido constante, apesar das variações de I _CBO ou I _CO . O grau de sucesso de um circuito de polarização em mantê-lo é medido porStability factor. É denotado porS.

Por definição, a taxa de variação da corrente do coletor I _C em relação à corrente de fuga do coletor I _CO na constante β e I _B é chamadaStability factor.

$S = \frac{d I_C}{d I_{CO}}$na constante I _B e β

Portanto, podemos entender que qualquer mudança na corrente de fuga do coletor altera em grande medida a corrente do coletor. O fator de estabilidade deve ser o mais baixo possível para que a corrente do coletor não seja afetada. S = 1 é o valor ideal.

A expressão geral do fator de estabilidade para uma configuração CE pode ser obtida como abaixo.

$$I_C = \beta I_B + (\beta + 1)I_{CO}$$

Diferenciando a expressão acima em relação a I _C , obtemos

$$1 = \beta \frac{d I_B}{d I_C} + (\beta + 1)\frac{d I_{CO}}{dI_C}$$

$$1 = \beta \frac{d I_B}{d I_C} + \frac{(\beta + 1)}{S}$$

Desde a $\frac{d I_{CO}}{d I_C} = \frac{1}{S}$

$$S = \frac{\beta + 1}{1 - \beta \left (\frac{d I_B}{d I_C} \right )}$$

Por isso, o factor de estabilidade S depende β, I _B e _C .

A polarização em circuitos de transistor é feita usando duas fontes DC V _BB e V _CC . É econômico minimizar a fonte CC para uma fonte em vez de duas, o que também torna o circuito simples.

Os métodos comumente usados de polarização de transistor são

Método do resistor de base
Polarização do coletor para a base
Polarização com resistor de feedback do coletor
Polarização do divisor de tensão

Todos esses métodos têm o mesmo princípio básico de obter o valor necessário de I _B e I _C de V _CC nas condições de sinal zero.

Método do resistor de base

Neste método, um resistor R _B de alta resistência é conectado na base, como o nome indica. A corrente de base zero de sinal necessária é fornecida por V _CC , que flui através de R _B . A junção do emissor da base é polarizada para frente, já que a base é positiva em relação ao emissor.

O valor necessário da corrente de base do sinal zero e, portanto, da corrente do coletor (como I _C = βI _B ) pode ser feito fluir selecionando o valor apropriado do resistor de base RB. Portanto, o valor de R _B deve ser conhecido. A figura abaixo mostra a aparência de um método de resistor de base de circuito de polarização.

Seja I _C a corrente de coletor de sinal zero necessária. Portanto,

$$I_B = \frac{I_C}{\beta}$$

Considerando o circuito fechado de V _CC , base, emissor e terra, ao aplicar a lei de tensão de Kirchhoff, obtemos,

$$V_{CC} = I_B R_B + V_{BE}$$

$$I_B R_B = V_{CC} - V_{BE}$$

Portanto

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{I_B}$$

Uma vez que V _BE é geralmente muito pequeno em comparação com V _CC , o primeiro pode ser negligenciado com poucos erros. Então,

$$R_B = \frac{V_{CC}}{I_B}$$

Sabemos que V _CC é uma quantidade fixa conhecida e I _B é escolhido com algum valor adequado. Como R _B pode ser encontrado diretamente, este método é chamado defixed bias method.

Fator de estabilidade

$$S = \frac{\beta + 1}{1 - \beta \left ( \frac{d I_B}{d I_C} \right )}$$

No método de polarização de polarização fixa, I _B é independente de I _{C de} modo que,

$$\frac{d I_B}{d I_C} = 0$$

Substituindo o valor acima na equação anterior,

Fator de estabilidade, $S = \beta + 1$

Assim, o fator de estabilidade em uma tendência fixa é (β + 1), o que significa que I _C muda (β + 1) vezes mais do que qualquer mudança em I _CO .

Vantagens

O circuito é simples.
Apenas um resistor R _E é necessário.
As condições de polarização são definidas facilmente.
Nenhum efeito de carregamento, pois nenhum resistor está presente na junção base-emissor.

Desvantagens

A estabilização é fraca porque o desenvolvimento de calor não pode ser interrompido.
O fator de estabilidade é muito alto. Portanto, há grandes chances de fuga térmica.

Portanto, esse método raramente é empregado.

Coletor para polarização de base

O colector de circuito de polarização de base é igual ao circuito de polarização de base, excepto que o resistor de base R _B é devolvido ao colector, em vez de a V _CC alimentação, como mostrado na figura abaixo.

Este circuito ajuda a melhorar consideravelmente a estabilidade. Se o valor de I _C aumenta, a tensão em R _L aumenta e, portanto, V _CE também aumenta. Este, por sua vez reduz a base atual I _B . Esta ação compensa um pouco o aumento original.

O valor requerido de R _B necessário para dar a corrente do coletor de sinal zero I _C pode ser calculado como segue.

A queda de tensão em R _L será

$$R_L = (I_C + I_B)R_L \cong I_C R_L$$

Da figura,

$$I_C R_L + I_B R_B + V_{BE} = V_{CC}$$

$$I_B R_B = V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L$$

Portanto

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L}{I_B}$$

$$R_B = \frac{(V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L)\beta}{I_C}$$

Aplicando KVL, temos

$$(I_B + I_C)R_L + I_B R_B + V_{BE} = V_{CC}$$

$$I_B(R_L + R_B) + I_C R_L + V_{BE} = V_{CC}$$

Portanto

$$I_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_L}{R_L + R_B}$$

Uma vez que V _BE é quase independente da corrente do coletor, obtemos

$$\frac{d I_B}{d I_C} = - \frac{R_L}{R_L + R_B}$$

Nós sabemos isso

$$S = \frac{1 + \beta}{1 - \beta (d I_B / d I_C)}$$

Portanto

$$S = \frac{1 + \beta}{1 + \beta \left ( \frac{R_L}{R_L + R_B} \right )}$$

Este valor é menor que (1 + β) que é obtido para o circuito de polarização fixa. Assim, há uma melhora na estabilidade.

Este circuito fornece um feedback negativo que reduz o ganho do amplificador. Assim, o aumento da estabilidade do coletor para o circuito de polarização da base é obtido ao custo do ganho de tensão CA.

Polarização com resistor de feedback do coletor

Neste método, o resistor de base R _B tem uma extremidade conectada à base e a outra ao coletor como o próprio nome indica. Neste circuito, a corrente de base do sinal zero é determinada por V _CB, mas não por V _CC .

É claro que V _CB para a frente polariza a junção base-emissor e, consequentemente, de corrente de base I _B flui através R _B . Isso faz com que a corrente do coletor de sinal zero flua no circuito. A figura abaixo mostra a polarização com o circuito do resistor de realimentação do coletor.

O valor requerido de R _B necessário para dar a corrente de sinal zero I _C pode ser determinado como segue.

$$V_{CC} = I_C R_C + I_B R_B + V_{BE}$$

$$R_B = \frac{V_{CC} - V_{BE} - I_C R_C}{I_B}$$

$$= \frac{V_{CC} - V_{BE} - \beta I_B R_C}{I_B}$$

Desde a $I_C = \beta I_B$

Alternativamente,

$$V_{CE} = V_{BE} + V_{CB}$$

$$V_{CB} = V_{CE} - V_{BE}$$

Desde a

$$R_B = \frac{V_{CB}}{I_B} = \frac{V_{CE} - V_{BE}}{I_B}$$

Onde

$$I_B = \frac{I_C}{\beta}$$

Matematicamente,

Fator de estabilidade, $S < (\beta + 1)$

Portanto, este método fornece melhor estabilidade térmica do que a polarização fixa.

Os valores do ponto Q para o circuito são mostrados como

$$I_C = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R_B/ \beta + R_C}$$

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C R_C$$

Vantagens

O circuito é simples, pois precisa de apenas um resistor.
Este circuito fornece alguma estabilização, para mudanças menores.

Desvantagens

O circuito não oferece uma boa estabilização.
O circuito fornece feedback negativo.

Método de polarização do divisor de tensão

Entre todos os métodos de fornecer polarização e estabilização, o voltage divider bias methodé o mais proeminente. Aqui, dois resistores R ₁ e R ₂ são empregados, os quais são conectados a V _CC e fornecem polarização. O resistor R _E empregado no emissor fornece estabilização.

O nome divisor de tensão vem do divisor de tensão formado por R ₁ e R ₂ . A queda de tensão através de R ₂ polariza a junção base-emissor. Isso faz com que a corrente de base e, portanto, a corrente do coletor fluam nas condições de sinal zero. A figura abaixo mostra o método do circuito do divisor de tensão.

Suponha que a corrente fluindo através da resistência R ₁ seja I ₁ . Como a corrente de base I _B é muito pequena, portanto, pode-se presumir com razoável precisão que a corrente fluindo através de R ₂ também é I ₁ .

Agora, vamos tentar derivar as expressões para corrente do coletor e voltagem do coletor.

Corrente de coletor, I _C

Do circuito, é evidente que,

$$I_1 = \frac{V_{CC}}{R_1 + R_2}$$

Portanto, a tensão através da resistência R ₂ é

$$V_2 = \left ( \frac{V_{CC}}{R_1 + R_2}\right ) R_2$$

Aplicando a lei de tensão de Kirchhoff ao circuito de base,

$$V_2 = V_{BE} + V_E$$

$$V_2 = V_{BE} + I_E R_E$$

$$I_E = \frac{V_2 - V_{BE}}{R_E}$$

Desde I _E ≈ I _C ,

$$I_C = \frac{V_2 - V_{BE}}{R_E}$$

Pela expressão acima, é evidente que I _C não depende de β. O V _BE é tão pequeno que o I _C não é afetado pelo V _BE . Assim, I _C neste circuito é quase independente dos parâmetros do transistor e, portanto, uma boa estabilização é alcançada.

Tensão Coletor-Emissor, V _CE

Aplicando a lei de tensão de Kirchhoff ao lado do coletor,

$$V_{CC} = I_C R_C + V_{CE} + I_E R_E$$

Já que I _E ≅ I _C

$$= I_C R_C + V_{CE} + I_C R_E$$

$$= I_C(R_C + R_E) + V_{CE}$$

Portanto,

$$V_{CE} = V_{CC} - I_C(R_C + R_E)$$

R _E proporciona uma excelente estabilização neste circuito.

$$V_2 = V_{BE} + I_C R_E$$

Suponha que haja um aumento na temperatura, então a corrente do coletor I _C diminui, o que faz com que a queda de tensão em R _E aumente. Como a queda de tensão em R ₂ é V ₂ , que é independente de I _C , o valor de V _BE diminui. O valor reduzido de I _B tende a restaurar I _C ao valor original.

Fator de Estabilidade

A equação para Stability factor deste circuito é obtido como

Fator de estabilidade = $S = \frac{(\beta + 1) (R_0 + R_3)}{R_0 + R_E + \beta R_E}$

$$= (\beta + 1) \times \frac{1 + \frac{R_0}{R_E}}{\beta + 1 + \frac{R_0}{R_E}}$$

Onde

$$R_0 = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}$$

Se a razão R ₀ / R _E for muito pequena, então R0 / RE pode ser desprezado em comparação com 1 e o fator de estabilidade torna-se

Fator de estabilidade = $S = (\beta + 1) \times \frac{1}{\beta + 1} = 1$

Este é o menor valor possível de S e leva à estabilidade térmica máxima possível.

Até agora, vimos diferentes técnicas de estabilização. A estabilização ocorre devido à ação de feedback negativo. O feedback negativo, embora melhore a estabilidade do ponto de operação, reduz o ganho do amplificador.

Como o ganho do amplificador é uma consideração muito importante, algumas técnicas de compensação são usadas para manter a polarização excelente e a estabilização térmica. Vamos agora examinar essas técnicas de compensação de viés.

Compensação de diodo para instabilidade

Estes são os circuitos que implementam técnicas de compensação usando diodos para lidar com a instabilidade de polarização. As técnicas de estabilização referem-se ao uso de circuitos de polarização resistiva que permitem que I _B varie de modo a manter I _C relativamente constante.

Existem dois tipos de métodos de compensação de diodo. Eles são -

Compensação de diodo para instabilidade devido à variação V _BE
Compensação de diodo para instabilidade devido à variação de I _CO

Vamos entender esses dois métodos de compensação em detalhes.

Compensação de diodo para instabilidade devido à variação V _BE

Em um transistor de silício, as alterações no valor de V _BE resultados nas alterações na eu _C . Um diodo pode ser empregado no circuito emissor para compensar as variações de V _BE ou I _CO . Como o diodo e o transistor usados são do mesmo material, a tensão V _D através do diodo tem o mesmo coeficiente de temperatura que o V _BE do transistor.

A figura a seguir mostra a autopensação com estabilização e compensação.

O díodo D é inclinado para a frente pela fonte V _DD e a resistência R _D . A variação de V _BE com a temperatura é igual à variação de V _D com a temperatura, logo a quantidade (V _BE - V _D ) permanece constante. Portanto, a corrente I _C permanece constante apesar da variação em V _BE .

Compensação de diodo para instabilidade devido à variação de I _CO

A figura a seguir mostra o diagrama de circuito de um amplificador a transistor com diodo D usado para compensação da variação de I _CO .

Assim, a corrente de saturação reversa I _O do diodo aumentará com a temperatura na mesma taxa que a corrente de saturação do coletor do transistor I _CO .

$$I = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R} \cong \frac{V_{CC}}{R} = Constant$$

O díodo D é inclinado de forma inversa pelo V _BE e a corrente através dele é a corrente de saturação reversa eu _O .

Agora, a corrente de base é,

$$I_B = I - I_O$$

Substituindo o valor acima na expressão pela corrente do coletor.

$$I_C = \beta (I - I_O) + (1 + \beta)I_{CO}$$

Se β ≫ 1,

$$I_C = \beta I - \beta I_O + \beta I_{CO}$$

Ié quase constante e se I _O do diodo e I _CO do transistor rastreiam um ao outro ao longo da faixa de temperatura operacional, então I _C permanece constante.

Outras Compensações

Existem outras técnicas de compensação que se referem ao uso de dispositivos sensíveis à temperatura, como diodos, transistores, termistores, sensores, etc. para compensar a variação nas correntes.

Existem dois tipos populares de circuitos neste método, um usando um termistor e o outro usando um Sensistor. Vamos dar uma olhada neles.

Compensação de termistor

O termistor é um dispositivo sensível à temperatura. Possui coeficiente de temperatura negativo. A resistência de um termistor aumenta quando a temperatura diminui e diminui quando a temperatura aumenta. A figura abaixo mostra um amplificador de polarização automática com compensação de termistor.

Em um circuito amplificador, as mudanças que ocorrem em I _CO , V _BE e β com a temperatura, aumentam a corrente do coletor. O termistor é empregado para minimizar o aumento da corrente do coletor. Como a temperatura aumenta, a resistência R _T de termistor diminui, o que aumenta a corrente através dele e a resistência R _E . Agora, a voltagem desenvolvida através de R _E aumenta, o que inverte a polarização da junção do emissor. Esta polarização reversa é tão alta que o efeito dos resistores R ₁ e R ₂ fornecendo polarização direta também é reduzido. Esta ação reduz o aumento da corrente do coletor.

Assim, a sensibilidade à temperatura do termistor compensa o aumento da corrente do coletor, ocorrido devido à temperatura.

Compensação Sensistor

Um Sensistor é um semicondutor fortemente dopado com coeficiente de temperatura positivo. A resistência de um Sensistor aumenta com o aumento da temperatura e diminui com a diminuição da temperatura. A figura abaixo mostra um amplificador self-bias com compensação de Sensistor.

Na figura acima, o Sensistor pode ser colocado em paralelo com R ₁ ou em paralelo com R _E . Conforme a temperatura aumenta, a resistência da combinação paralela, termistor e R ₁ aumenta e sua queda de tensão também aumenta. Isso diminui a queda de tensão em R ₂ . Devido à diminuição dessa tensão, a polarização do emissor direto diminui. Como resultado disso, I _C diminui.

Portanto, ao empregar o Sensistor, o aumento na corrente do coletor, que é causado pelo aumento de I _CO , V _BE e β devido à temperatura, é controlado.

Resistência térmica

O transistor é um dispositivo dependente da temperatura. Quando o transistor é operado, a junção do coletor recebe forte fluxo de elétrons e, portanto, muito calor é gerado. Este calor, se aumentado além do limite permitido, danifica a junção e, portanto, o transistor.

Para se proteger de danos, o transistor dissipa o calor da junção para a caixa do transistor e de lá para o ar ao redor.

Deixe, a temperatura ambiente ou a temperatura do ar circundante = T _A^o C

E, a temperatura da junção coletor-base do transistor = T _J^o C

Como T _J > T _A , a diferença T _J - T _A é maior que a potência dissipada no transistor P _D será maior. Portanto,

$$T_J - T_A \propto P_D$$

$$T_J - T_A = HP_D$$

Onde H é a constante de proporcionalidade, e é chamado de Thermal resistance.

A resistência térmica é a resistência ao fluxo de calor da junção para o ar circundante. É denotado por H.

$$H = \frac{T_J - T_A}{P_D}$$

A unidade de H é ^o C / watt.

Se a resistência térmica for baixa, a transferência de calor do transistor para o ar será fácil. Se a caixa do transistor for maior, a dissipação de calor será melhor. Isso é conseguido com o uso de dissipador de calor.

Dissipador de calor

O transistor que controla potências maiores, dissipa mais calor durante a operação. Este calor, se não dissipado corretamente, pode danificar o transistor. Conseqüentemente, os transistores de potência são geralmente montados em grandes caixas de metal para fornecer uma área maior para obter o calor irradiado que é gerado durante sua operação.

A folha de metal que ajuda a dissipar o calor adicional do transistor é conhecida como heat sink. A capacidade de um dissipador de calor depende de seu material, volume, área, forma, contato entre a caixa e a pia e o movimento do ar ao redor da pia.

O dissipador de calor é selecionado após considerar todos esses fatores. A imagem mostra um transistor de potência com dissipador de calor.

Um minúsculo transistor na imagem acima é fixado a uma folha de metal maior para dissipar seu calor, de forma que o transistor não seja danificado.

Escapamento térmico

O uso de dissipador de calor evita o problema de Thermal Runaway. É uma situação em que um aumento na temperatura leva à condição de que, ainda mais, o aumento da temperatura leva à destruição do próprio dispositivo. Este é um tipo de feedback positivo incontrolável.

Heat sinknão é a única consideração; outros fatores como ponto de operação, temperatura ambiente e o tipo de transistor usado também podem causar fuga térmica.

Esperamos que você tenha adquirido conhecimento suficiente sobre o ponto operacional, sua estabilidade e as técnicas de compensação no capítulo anterior. Vamos agora tentar entender os conceitos fundamentais de um circuito amplificador básico.

Um sinal eletrônico contém algumas informações que não podem ser utilizadas se não tiverem a força adequada. O processo de aumentar a intensidade do sinal é denominadoAmplification. Quase todo equipamento eletrônico deve incluir algum meio para amplificar os sinais. Encontramos o uso de amplificadores em dispositivos médicos, equipamentos científicos, automação, ferramentas militares, dispositivos de comunicação e até mesmo em equipamentos domésticos.

A amplificação em aplicações práticas é feita usando amplificadores multiestágios. Vários amplificadores de estágio único são colocados em cascata para formar um amplificador de estágio múltiplo. Vamos ver como um amplificador de estágio único é construído, que é o básico para um amplificador de estágio múltiplo.

Amplificador de transistor de estágio único

Quando apenas um transistor com circuito associado é usado para amplificar um sinal fraco, o circuito é conhecido como single-stage amplifier.

Analisar o funcionamento de um circuito amplificador de estágio único nos torna mais fácil entender a formação e o funcionamento de circuitos amplificadores de estágio múltiplo. Um amplificador de transistor de estágio único possui um transistor, circuito de polarização e outros componentes auxiliares. O diagrama de circuito a seguir mostra a aparência de um amplificador de transistor de estágio único.

Quando um sinal de entrada fraco é fornecido à base do transistor, conforme mostrado na figura, uma pequena quantidade de corrente de base flui. Devido à ação do transistor, uma corrente maior flui no coletor do transistor. (Como a corrente do coletor é β vezes da corrente de base o que significa I _C = βI _B ). Agora, conforme a corrente do coletor aumenta, a queda de tensão no resistor R _C também aumenta, que é coletada como a saída.

Portanto, uma pequena entrada na base é amplificada como o sinal de maior magnitude e força na saída do coletor. Portanto, este transistor atua como um amplificador.

Circuito prático de um amplificador transistor

O circuito de um amplificador de transistor prático é mostrado abaixo, o que representa um circuito de polarização divisor de tensão.

Os vários elementos de circuito proeminentes e suas funções são descritos abaixo.

Circuito de polarização

Os resistores R ₁ , R ₂ e R _E formam o circuito de polarização e estabilização, o que ajuda a estabelecer um ponto de operação adequado.

Capacitor de entrada C _em

Este capacitor acopla o sinal de entrada à base do transistor. O condensador de entrada C _em permite que o sinal de CA, mas isola a fonte de sinal de R ₂ . Se este capacitor não estiver presente, o sinal de entrada é aplicado diretamente, o que muda a polarização em R ₂ .

Capacitor de acoplamento C _C

Este capacitor está presente no final de um estágio e o conecta ao outro estágio. Por acoplar dois estágios, é chamado decoupling capacitor. Este capacitor bloqueia DC de um estágio para entrar no outro, mas permite que AC passe. Por isso, também é chamado deblocking capacitor.

Devido à presença do capacitor de acoplamento C _C , a saída através do resistor R _L está livre da tensão CC do coletor. Se isso não estiver presente, as condições de polarização do próximo estágio serão drasticamente alteradas devido ao efeito de manobra de R _C , pois ele viria em paralelo ao R ₂ do próximo estágio.

Capacitor de desvio do emissor C _E

Este condensador é empregue em paralelo à resistência de emissor R _E . O sinal AC amplificado é passado por ele. Se não estiver presente, esse sinal passará por R _{E, o} que produz uma queda de tensão em R _E que realimentará o sinal de entrada reduzindo a tensão de saída.

O resistor de carga R _L

A resistência R _L conectada na saída é conhecida comoLoad resistor. Quando vários estágios são usados, R _L representa a resistência de entrada do próximo estágio.

Várias correntes de circuito

Vamos examinar várias correntes de circuito no circuito completo do amplificador. Isso já foi mencionado na figura acima.

Corrente de Base

Quando nenhum sinal é aplicado no circuito de base, a corrente de base CC I _B flui devido ao circuito de polarização. Quando o sinal AC é aplicado, a corrente base AC i _b também flui. Portanto, com a aplicação do sinal, a corrente de base total i _B é dada por

$$i_B = I_B + i_b$$

Corrente de coletor

Quando nenhum sinal é aplicado, uma corrente de coletor CC I _C flui devido ao circuito de polarização. Quando o sinal AC é aplicado, a corrente do coletor AC i _c também flui. Portanto, a corrente de coletor total i _C é dada por

$$i_C = I_C + i_c$$

Onde

$I_C = \beta I_B$ = corrente do coletor de sinal zero

$i_c = \beta i_b$ = corrente de coleta devido ao sinal

Corrente de Emissor

Quando nenhum sinal é aplicado, uma corrente de emissor CC I _E flui. Com a aplicação do sinal, a corrente total do emissor i _E é dada por

$$i_E = I_E + i_e$$

Deve ser lembrado que

$$I_E = I_B + I_C$$

$$i_e = i_b + i_c$$

Como a corrente de base é geralmente pequena, deve-se notar que

$I_E \cong I_C$ e $i_e \cong i_c$

Estas são as considerações importantes para o circuito prático do amplificador de transistor. Agora, deixe-nos saber sobre a classificação dos amplificadores.

Um circuito amplificador é aquele que fortalece o sinal. A ação do amplificador e as considerações importantes para o circuito prático do amplificador a transistor também foram detalhadas nos capítulos anteriores.

Vamos agora tentar entender a classificação dos amplificadores. Os amplificadores são classificados de acordo com muitas considerações.

Com base no número de fases

Dependendo do número de estágios de amplificação, existem amplificadores de estágio único e amplificadores de múltiplos estágios.

Single-stage Amplifiers - Este tem apenas um circuito de transistor, que é uma amplificação de estágio único.
Multi-stage Amplifiers - Possui circuito de transistor múltiplo, que fornece amplificação em vários estágios.

Com base em sua saída

Dependendo do parâmetro que é amplificado na saída, existem amplificadores de tensão e potência.

Voltage Amplifiers - O circuito amplificador que aumenta o nível de tensão do sinal de entrada, é chamado de amplificador de tensão.
Power Amplifiers - O circuito amplificador que aumenta o nível de potência do sinal de entrada, é chamado de amplificador de potência.

Com base nos sinais de entrada

Dependendo da magnitude do sinal de entrada aplicado, eles podem ser categorizados como sinal pequeno e amplificadores de sinal grande.

Small signal Amplifiers - Quando o sinal de entrada é tão fraco a ponto de produzir pequenas flutuações na corrente do coletor em comparação com seu valor quiescente, o amplificador é conhecido como amplificador de sinal pequeno.
Large signal amplifiers - Quando as flutuações na corrente do coletor são grandes, ou seja, além da parte linear das características, o amplificador é conhecido como amplificador de sinal grande.

Com base na faixa de frequência

Dependendo da faixa de frequência dos sinais usados, existem amplificadores de áudio e rádio.

Audio Amplifiers - O circuito amplificador que amplifica os sinais que se encontram na faixa de frequência de áudio, ou seja, de 20 Hz a 20 KHz, é chamado de amplificador de áudio.
Power Amplifiers - O circuito amplificador que amplifica os sinais que se encontram em uma faixa de frequência muito alta é chamado de amplificador de potência.

Com base em condições de polarização

Dependendo do modo de operação, existem amplificadores de classe A, classe B e classe C.

Class A amplifier - As condições de polarização no amplificador de potência classe A são tais que a corrente do coletor flui para todo o sinal CA aplicado.
Class B amplifier - As condições de polarização no amplificador de potência classe B são tais que a corrente do coletor flui por meio ciclo do sinal CA de entrada aplicado.
Class C amplifier - As condições de polarização no amplificador de potência classe C são tais que a corrente do coletor flui por menos de meio ciclo do sinal CA de entrada aplicado.
Class AB amplifier - O amplificador de potência classe AB é aquele que é criado combinando as classes A e B para ter todas as vantagens de ambas as classes e minimizar os problemas que elas apresentam.

Com base no método de acoplamento

Dependendo do método de acoplamento de um estágio ao outro, existem amplificadores RC acoplados, Transformadores acoplados e acoplados diretamente.

RC Coupled amplifier - Um circuito amplificador de múltiplos estágios que é acoplado ao próximo estágio usando uma combinação de resistor e capacitor (RC) pode ser chamado de amplificador acoplado RC.
Transformer Coupled amplifier - Um circuito amplificador Multiestágio que é acoplado ao próximo estágio, com o auxílio de um transformador, pode ser denominado como um amplificador acoplado a Transformador.
Direct Coupled amplifier - Um circuito amplificador de múltiplos estágios que é acoplado diretamente ao próximo estágio, pode ser chamado de amplificador acoplado direto.

Com base na configuração do transistor

Dependendo do tipo de configuração do transistor, existem amplificadores CE CB e CC.

CE amplifier - O circuito do amplificador que é formado usando uma combinação de transistor configurada CE é chamado de amplificador CE.
CB amplifier - O circuito amplificador que é formado usando uma combinação de transistor configurada por CB é chamado de amplificador CB.
CC amplifier - O circuito amplificador que é formado usando uma combinação de transistor configurada CC é chamado de amplificador CC.

Qualquer amplificador de transistor, usa um transistor para amplificar os sinais que está conectado em uma das três configurações. Para um amplificador, é um estado melhor ter uma impedância de entrada alta, a fim de evitar o efeito de carregamento em circuitos de vários estágios e impedância de saída mais baixa, a fim de fornecer saída máxima para a carga. O ganho de tensão e o ganho de potência também devem ser altos para produzir uma saída melhor.

Vamos agora estudar diferentes configurações para entender qual configuração é mais adequada para um transistor funcionar como um amplificador.

Amplificador CB

O circuito amplificador que é formado usando uma combinação de transistor configurada por CB é chamado de amplificador CB.

Construção

O circuito amplificador de base comum usando o transistor NPN é mostrado abaixo, o sinal de entrada sendo aplicado na junção da base do emissor e o sinal de saída sendo retirado da junção da base do coletor.

A junção da base do emissor é polarizada diretamente por V _EE e a junção da base do coletor é polarizada reversamente por V _CC . O ponto de operação é ajustado com o auxílio dos resistores Re e R _c . Assim, os valores de I _c , I _b e I _cb são decididos por V _CC , V _EE , R _e e R _c .

Operation

When no input is applied, the quiescent conditions are formed and no output is present. As V_be is at negative with respect to ground, the forward bias is decreased, for the positive half of the input signal. As a result of this, the base current I_B also gets decreased.

The below figure shows the CB amplifier with self-bias circuit.

As we know that,

$$I_C \cong I_E \cong \beta I_B$$

Both the collector current and emitter current get decreased.

The voltage drop across R_C is

$$V_C = I_C R_C$$

This V_C also gets decreased.

As I_CR_C decreases, V_CB increases. It is because,

$$V_{CB} = V_{CC} - I_C R_C$$

Thus, a positive half cycle output is produced.

In CB configuration, a positive input produces a positive output and hence input and output are in phase. So, there is no phase reversal between input and output in a CB amplifier.

If CB configuration is considered for amplification, it has low input impedance and high output impedance. The voltage gain is also low compared to CE configuration. Hence CB configured amplifiers are used at high frequency applications.

CE Amplifier

The amplifier circuit that is formed using a CE configured transistor combination is called as CE amplifier.

Construction

The common emitter amplifier circuit using NPN transistor is as shown below, the input signal being applied at emitter base junction and the output signal being taken from collector base junction.

The emitter base junction is forward biased by V_EE and collector base junction is reverse biased by V_CC. The operating point is adjusted with the help of resistors R_e and R_c. Thus the values of I_c, I_b and I_cb are decided by V_CC, V_EE, R_e and R_c.

Operation

When no input is applied, the quiescent conditions are formed and no output is present. When positive half of the signal is being applied, the voltage between base and emitter V_be is increased because it is already positive with respect to ground.

As forward bias increases, the base current too increases accordingly. Since I_C = βI_B, the collector current increases as well.

The following circuit diagram shows a CE amplifier with self-bias circuit.

The collector current when flows through R_C, the voltage drop increases.

$$V_C = I_C R_C$$

As a consequence of this, the voltage between collector and emitter decreases. Because,

$$V_{CB} = V_{CC} - I_C R_C$$

Thus, the amplified voltage appears across R_C.

Therefore, in a CE amplifier, as the positive going signal appears as a negative going signal, it is understood that there is a phase shift of 180^o between input and output.

CE amplifier has a high input impedance and lower output impedance than CB amplifier. The voltage gain and power gain are also high in CE amplifier and hence this is mostly used in Audio amplifiers.

CC Amplifier

The amplifier circuit that is formed using a CC configured transistor combination is called as CC amplifier.

Construction

The common collector amplifier circuit using NPN transistor is as shown below, the input signal being applied at base collector junction and the output signal being taken from emitter collector junction.

The emitter base junction is forward biased by V_EE and collector base junction is reverse biased by V_CC. The Q-values of I_b and I_e are adjusted by R_b and R_e.

Operation

When no input is applied, the quiescent conditions are formed and no output is present. When positive half of the signal is being applied, the forward bias is increased because V_be is positive with respect to collector or ground. With this, the base current I_B and the collector current I_C are increased.

The following circuit diagram shows a CC amplifier with self-bias circuit.

Consequently, the voltage drop across R_e i.e. the output voltage is increased. As a result, positive half cycle is obtained. As the input and output are in phase, there is no phase reversal.

If CC configuration is considered for amplification, though CC amplifier has better input impedance and lower output impedance than CE amplifier, the voltage gain of CC is very less which limits its applications to impedance matching only.

Comparison between CB CE CC Amplifiers

Let us compare the characteristic details of CB, CE, and CC amplifiers.

Characteristic	CE	CB	CC
Input resistance	Low (1K to 2K)	Very low (30-150 Ω)	High (20-500 KΩ)
Output resistance	Large (≈ 50 K)	High (≈ 500 K)	Low (50-1000 KΩ)
Current gain	B high	α < 1	High (1 + β)
Voltage gain	High (≈ 1500)	High (≈ 1500)	Less than one
Power gain	High (≈ 10,000)	High (≈ 7500)	Low (250-500)
Phase between input and output	reversed	same	same

Due to the compatibility and characteristic features, the common-emitter configuration is mostly used in amplifier circuits.

In practical applications, the output of a single state amplifier is usually insufficient, though it is a voltage or power amplifier. Hence they are replaced by Multi-stage transistor amplifiers.

In Multi-stage amplifiers, the output of first stage is coupled to the input of next stage using a coupling device. These coupling devices can usually be a capacitor or a transformer. This process of joining two amplifier stages using a coupling device can be called as Cascading.

The following figure shows a two-stage amplifier connected in cascade.

The overall gain is the product of voltage gain of individual stages.

$$A_V = A_{V1} \times A_{V2} = \frac{V_2}{V_1} \times \frac{V_0}{V_2} = \frac{V_0}{V_1}$$

Where A_V = Overall gain, A_V1 = Voltage gain of 1^st stage, and A_V2 = Voltage gain of 2^nd stage.

If there are n number of stages, the product of voltage gains of those n stages will be the overall gain of that multistage amplifier circuit.

Purpose of coupling device

The basic purposes of a coupling device are

To transfer the AC from the output of one stage to the input of next stage.
To block the DC to pass from the output of one stage to the input of next stage, which means to isolate the DC conditions.

Types of Coupling

Joining one amplifier stage with the other in cascade, using coupling devices form a Multi-stage amplifier circuit. There are four basic methods of coupling, using these coupling devices such as resistors, capacitors, transformers etc. Let us have an idea about them.

Resistance-Capacitance Coupling

This is the mostly used method of coupling, formed using simple resistor-capacitor combination. The capacitor which allows AC and blocks DC is the main coupling element used here.

O capacitor de acoplamento passa a CA da saída de um estágio para a entrada de seu próximo estágio. Enquanto bloqueia os componentes DC das tensões de polarização DC para efetuar o próximo estágio. Vamos entrar em detalhes sobre esse método de acoplamento nos próximos capítulos.

Acoplamento de impedância

A rede de acoplamento que usa inductance e capacitance como elementos de acoplamento podem ser chamados de rede de acoplamento de impedância.

Neste método de acoplamento de impedância, a impedância da bobina de acoplamento depende de sua indutância e frequência do sinal, que é jwL. Este método não é tão popular e raramente é empregado.

Acoplamento de transformador

O método de acoplamento que usa um transformer as the couplingdispositivo pode ser chamado de acoplamento de transformador. Não há capacitor usado neste método de acoplamento porque o próprio transformador transporta o componente CA diretamente para a base do segundo estágio.

O enrolamento secundário do transformador fornece um caminho de retorno da base e, portanto, não há necessidade de resistência da base. Este acoplamento é popular por sua eficiência e casamento de impedância e, portanto, é mais usado.

Acoplamento Direto

Se o estágio de amplificador anterior estiver conectado ao próximo estágio de amplificador diretamente, é chamado de direct coupling. As condições de polarização do estágio do amplificador individual são projetadas de forma que os estágios possam ser conectados diretamente sem isolamento DC.

O método de acoplamento direto é usado principalmente quando a carga é conectada em série, com o terminal de saída do elemento do circuito ativo. Por exemplo, fones de ouvido, alto-falantes etc.

Papel dos capacitores em amplificadores

Além do propósito de acoplamento, existem outros propósitos para os quais poucos capacitores são especialmente empregados em amplificadores. Para entender isso, deixe-nos saber sobre o papel dos capacitores em amplificadores.

O capacitor de entrada C _em

O capacitor de entrada C _, presente no estágio inicial do amplificador, acopla o sinal AC à base do transistor. Este condensador C _no caso não esteja presente, a fonte de sinal será em paralelo ao resistor R ₂ e a tensão de polarização da base do transistor vai ser mudado.

Portanto, C _in permite que o sinal CA da fonte flua para o circuito de entrada, sem afetar as condições de polarização.

O capacitor de desvio de emissor C _e

O capacitor de by-pass do emissor C _e é conectado em paralelo ao resistor do emissor. Ele oferece um caminho de baixa reatância para o sinal AC amplificado.

Na ausência desse capacitor, a tensão desenvolvida em R _E será realimentada para o lado de entrada, reduzindo assim a tensão de saída. Assim, na presença de C _e, a CA amplificada passará por ele.

Capacitor de acoplamento C _C

O capacitor C _C é o capacitor de acoplamento que conecta dois estágios e evita a interferência CC entre os estágios e controla o deslocamento do ponto de operação. Isso também é chamado deblocking capacitor porque não permite que a tensão DC passe por ele.

Na ausência desse capacitor, R _C virá em paralelo com a resistência R ₁ da rede de polarização do próximo estágio e, portanto, alterando as condições de polarização do próximo estágio.

Consideração do amplificador

Para um circuito de amplificador, o ganho geral do amplificador é uma consideração importante. Para obter o ganho de tensão máximo, vamos encontrar a configuração de transistor mais adequada para cascata.

Amplificador CC

Seu ganho de tensão é menor que a unidade.
Não é adequado para estágios intermediários.

Amplificador CB

Seu ganho de tensão é menor que a unidade.
Portanto, não é adequado para cascateamento.

Amplificador CE

Seu ganho de tensão é maior que a unidade.
O ganho de tensão é aumentado ainda mais pela cascata.

As características do amplificador CE são tais que esta configuração é muito adequada para cascateamento em circuitos amplificadores. Portanto, a maioria dos circuitos do amplificador usa a configuração CE.

Nos capítulos subsequentes deste tutorial, explicaremos os tipos de amplificadores de acoplamento.

O acoplamento resistência-capacitância é, em curto prazo, acoplamento RC. Esta é a técnica de acoplamento mais usada em amplificadores.

Construção de um amplificador acoplado RC de dois estágios

Os detalhes de construção de um circuito amplificador de transistor acoplado RC de dois estágios são os seguintes. O circuito do amplificador de dois estágios tem dois transistores, conectados na configuração CE e uma fonte de alimentação comum V _CC é usada. A rede divisora de potencial R ₁ e R ₂ e o resistor R _e formam a rede de polarização e estabilização. O capacitor de by-pass do emissor C _e oferece um caminho de baixa reatância para o sinal.

O resistor R _L é usado como uma impedância de carga. O condensador de entrada C _no presente na fase inicial do sinal AC do amplificador casais para a base do transistor. O capacitor C _C é o capacitor de acoplamento que conecta dois estágios e impede a interferência CC entre os estágios e controla a mudança do ponto de operação. A figura abaixo mostra o diagrama de circuito do amplificador acoplado RC.

Operação do amplificador acoplado RC

Quando um sinal de entrada CA é aplicado à base do primeiro transistor, ele é amplificado e aparece na carga de coletor R _L que é então passada através do capacitor de acoplamento C _C para o próximo estágio. Isso se torna a entrada do próximo estágio, cuja saída amplificada aparece novamente em sua carga de coletor. Assim, o sinal é amplificado estágio por estágio de ação.

O ponto importante a ser observado aqui é que o ganho total é menor do que o produto dos ganhos dos estágios individuais. Isso ocorre porque quando uma segunda etapa é feita para seguir a primeira etapa, oeffective load resistancedo primeiro estágio é reduzido devido ao efeito de desvio da resistência de entrada do segundo estágio. Portanto, em um amplificador de vários estágios, apenas o ganho do último estágio permanece inalterado.

Como consideramos um amplificador de dois estágios aqui, a fase de saída é igual à de entrada. Porque a reversão de fase é feita duas vezes pelo circuito amplificador configurado CE de dois estágios.

Resposta de frequência do amplificador acoplado RC

A curva de resposta em frequência é um gráfico que indica a relação entre o ganho de tensão e a função da frequência. A resposta de frequência de um amplificador acoplado RC é mostrada no gráfico a seguir.

A partir do gráfico acima, entende-se que a frequência diminui ou diminui para as frequências abaixo de 50 Hz e para as frequências acima de 20 KHz. enquanto que o ganho de tensão para a faixa de frequências entre 50 Hz e 20 KHz é constante.

Nós sabemos isso,

$$X_C = \frac{1}{2 \pi f_c}$$

Isso significa que a reatância capacitiva é inversamente proporcional à frequência.

Em baixas frequências (ou seja, abaixo de 50 Hz)

A reatância capacitiva é inversamente proporcional à frequência. Em baixas frequências, a reatância é bastante alta. A reatância do capacitor de entrada C _in e do capacitor de acoplamento C _C são tão altas que apenas uma pequena parte do sinal de entrada é permitida. A reatância do condensador de passagem de emissor C _E também é muito alta durante baixas frequências. Portanto, ele não pode desviar a resistência do emissor de forma eficaz. Com todos esses fatores, o ganho de tensão diminui em baixas frequências.

Em altas frequências (ou seja, acima de 20 KHz)

Considerando novamente o mesmo ponto, sabemos que a reatância capacitiva é baixa em altas frequências. Portanto, um capacitor se comporta como um curto-circuito, em altas frequências. Como resultado disso, o efeito de carregamento do próximo estágio aumenta, o que reduz o ganho de tensão. Junto com isso, conforme a capacitância do diodo emissor diminui, ele aumenta a corrente de base do transistor devido à qual o ganho de corrente (β) é reduzido. Conseqüentemente, o ganho de tensão diminui em altas frequências.

Em frequências médias (ou seja, 50 Hz a 20 KHz)

O ganho de tensão dos capacitores é mantido constante nesta faixa de frequências, conforme mostrado na figura. Se a frequência aumenta, a reatância do capacitor C _C diminui, o que tende a aumentar o ganho. Mas essa capacitância reativa mais baixa aumenta o efeito de carregamento do próximo estágio pelo qual há uma redução no ganho.

Devido a esses dois fatores, o ganho é mantido constante.

Vantagens do amplificador acoplado RC

A seguir estão as vantagens do amplificador acoplado RC.

A resposta de frequência do amplificador RC fornece ganho constante em uma ampla faixa de frequência, portanto, mais adequado para aplicações de áudio.
O circuito é simples e de menor custo, pois utiliza resistores e capacitores baratos.
Ele se torna mais compacto com a atualização da tecnologia.

Desvantagens do amplificador acoplado RC

A seguir estão as desvantagens do amplificador acoplado RC.

A tensão e o ganho de potência são baixos devido à resistência efetiva da carga.
Eles se tornam barulhentos com a idade.
Devido ao casamento de impedância pobre, a transferência de energia será baixa.

Aplicações do amplificador acoplado RC

A seguir estão as aplicações do amplificador acoplado RC.

Eles têm excelente fidelidade de áudio em uma ampla faixa de frequência.
Amplamente utilizado como amplificadores de tensão
Devido ao casamento de impedância pobre, o acoplamento RC raramente é usado nos estágios finais.

Observamos que a principal desvantagem do amplificador acoplado RC é que a resistência de carga efetiva é reduzida. Isso ocorre porque a impedância de entrada de um amplificador é baixa, enquanto sua impedância de saída é alta.

Quando eles são acoplados para formar um amplificador de vários estágios, a alta impedância de saída de um estágio vem em paralelo com a baixa impedância de entrada do próximo estágio. Conseqüentemente, a resistência de carga efetiva é reduzida. Este problema pode ser superado por umtransformer coupled amplifier.

Em um amplificador acoplado a transformador, os estágios do amplificador são acoplados usando um transformador. Vamos entrar nos detalhes de construção e operacionais de um amplificador acoplado a transformador.

Construção de amplificador de transformador acoplado

O circuito amplificador no qual o estágio anterior é conectado ao estágio seguinte por meio de um transformador acoplado é denominado amplificador acoplado a transformador.

O transformador de acoplamento t _um é utilizado para alimentar a saída de um ^r fase para a entrada de 2 ^nd fase. A carga do coletor é substituída pelo enrolamento primário do transformador. O enrolamento secundário é conectado entre o divisor de potencial e a base do ^2º estágio, que fornece a entrada para o ^2º estágio. Em vez de um capacitor de acoplamento como no amplificador acoplado RC, um transformador é usado para acoplar quaisquer dois estágios, no circuito do amplificador acoplado ao transformador.

A figura abaixo mostra o diagrama de circuito do amplificador acoplado a transformador.

A rede divisora de potencial R ₁ e R ₂ e o resistor R _e juntos formam a rede de polarização e estabilização. O capacitor de by-pass do emissor C _e oferece um caminho de baixa reatância para o sinal. O resistor R _L é usado como uma impedância de carga. O condensador de entrada C _no presente na fase inicial do sinal AC do amplificador casais para a base do transistor. O capacitor C _C é o capacitor de acoplamento que conecta dois estágios e impede a interferência CC entre os estágios e controla a mudança do ponto de operação.

Operação do amplificador transformador acoplado

Quando um sinal CA é aplicado à entrada da base do primeiro transistor, ele é amplificado pelo transistor e aparece no coletor ao qual o primário do transformador está conectado.

O transformador que é utilizado como dispositivo de acoplamento neste circuito tem a propriedade de alteração da impedância, o que significa que a baixa resistência de um estágio (ou carga) pode ser refletida como uma alta resistência de carga do estágio anterior. Portanto, a tensão no primário é transferida de acordo com a relação de espiras do enrolamento secundário do transformador.

Este acoplamento de transformador fornece uma boa combinação de impedância entre os estágios do amplificador. O amplificador acoplado a transformador é geralmente usado para amplificação de potência.

Resposta de frequência do amplificador acoplado ao transformador

A figura abaixo mostra a resposta de frequência de um amplificador acoplado a transformador. O ganho do amplificador é constante apenas para uma pequena faixa de frequências. A tensão de saída é igual à corrente do coletor multiplicada pela reatância do primário.

Em baixas frequências, a reatância do primário começa a cair, resultando em ganho diminuído. Em altas frequências, a capacitância entre as voltas dos enrolamentos atua como um condensador de desvio para reduzir a tensão de saída e, portanto, o ganho.

Assim, a amplificação dos sinais de áudio não será proporcional e alguma distorção também será introduzida, o que é chamado de Frequency distortion.

Vantagens do amplificador acoplado a transformador

A seguir estão as vantagens de um amplificador acoplado a transformador -

Um excelente casamento de impedância é fornecido.
O ganho alcançado é maior.
Não haverá perda de energia nos resistores do coletor e da base.
Eficiente em operação.

Desvantagens do amplificador acoplado ao transformador

A seguir estão as desvantagens de um amplificador acoplado a transformador -

Embora o ganho seja alto, ele varia consideravelmente com a frequência. Conseqüentemente, uma resposta de frequência ruim.
A distorção de frequência é maior.
Os transformadores tendem a produzir ruído de zumbido.
Os transformadores são volumosos e caros.

Formulários

A seguir estão as aplicações de um amplificador acoplado a transformador -

Principalmente usado para fins de casamento de impedância.
Usado para amplificação de potência.
Usado em aplicações onde a transferência de potência máxima é necessária.

O outro tipo de amplificador de acoplamento é o amplificador de acoplamento direto, que é especialmente usado para amplificar frequências mais baixas, como a amplificação de corrente fotoelétrica ou corrente de termopar ou algo parecido.

Amplificador de acoplamento direto

Como nenhum dispositivo de acoplamento é usado, o acoplamento dos estágios do amplificador é feito diretamente e, portanto, denominado como Direct coupled amplifier.

Construção

A figura abaixo indica o amplificador de transistor de acoplamento direto de três estágios. A saída do transistor primeira fase T ₁ está ligada à entrada do segundo transistor fase T ₂ .

O transistor no primeiro estágio será um transistor NPN, enquanto o transistor no próximo estágio será um transistor PNP e assim por diante. Isso ocorre porque as variações em um transistor tendem a cancelar as variações no outro. O aumento da corrente do coletor e a variação em β de um transistor são canceladas pela diminuição do outro.

Operação

O sinal de entrada quando aplicada na base do transístor T ₁ , torna-se amplificado devido à acção do transistor e aparecerá no monitor amplificados no resistor colector R _c do transístor T ₁ . Esta saída é aplicada à base do transístor T ₂ que mais amplifica o sinal. Desta forma, um sinal é amplificado em um circuito amplificador de acoplamento direto.

Vantagens

As vantagens do amplificador acoplado direto são as seguintes.

O arranjo do circuito é simples devido ao uso mínimo de resistores.
O circuito é de baixo custo devido à ausência de dispendiosos dispositivos de acoplamento.

Desvantagens

As desvantagens do amplificador acoplado direto são as seguintes.

Não pode ser usado para amplificar altas frequências.
O ponto operacional é alterado devido às variações de temperatura.

Formulários

As aplicações do amplificador acoplado direto são as seguintes.

Amplificações de baixa frequência.
Amplificações de baixa corrente.

Comparações

Vamos tentar comparar as características dos diferentes tipos de métodos de acoplamento discutidos até agora.

S.No	Especial	Acoplamento RC	Acoplamento de transformador	Acoplamento Direto
1	Resposta de freqüência	Excelente na faixa de frequência de áudio	Pobre	Melhor
2	Custo	Menos	Mais	Menos
3	Espaço e Peso	Menos	Mais	Menos
4	Impedância	Não é bom	Excelente	Boa
5	Usar	Para amplificação de voltagem	Para amplificação de potência	Para amplificar frequências extremamente baixas

Na prática, qualquer amplificador consiste em alguns estágios de amplificação. Se considerarmos a amplificação de áudio, ela tem vários estágios de amplificação, dependendo de nossa necessidade.

Amplificador de potência

Após o sinal de áudio ser convertido em sinal elétrico, ele passa por várias amplificações de tensão, após as quais a amplificação de potência do sinal amplificado é feita imediatamente antes do estágio de alto-falante. Isso é mostrado claramente na figura abaixo.

Enquanto o amplificador de tensão aumenta o nível de tensão do sinal, o amplificador de potência aumenta o nível de potência do sinal. Além de elevar o nível de potência, pode-se dizer que um amplificador de potência é um dispositivo que converte potência DC em AC e cuja ação é controlada pelo sinal de entrada.

A energia DC é distribuída de acordo com a relação,

Entrada de energia DC = saída de energia AC + perdas

Transistor de potência

Para tal amplificação de potência, um transistor normal não serviria. Um transistor que é fabricado para atender ao propósito de amplificação de potência é chamado dePower transistor.

Um transistor de potência difere dos outros transistores nos seguintes fatores.

É maior em tamanho, para lidar com grandes potências.
A região do coletor do transistor é grande e um dissipador de calor é colocado na junção da base do coletor para minimizar o calor gerado.
As regiões do emissor e da base de um transistor de potência são fortemente dopadas.
Devido à baixa resistência de entrada, requer baixa potência de entrada.

Portanto, há uma grande diferença na amplificação de tensão e na amplificação de potência. Portanto, vamos agora tentar entrar em detalhes para entender as diferenças entre um amplificador de tensão e um amplificador de potência.

Diferença entre amplificadores de tensão e potência

Vamos tentar diferenciar entre amplificador de tensão e potência.

Amplificador de tensão

A função de um amplificador de tensão é aumentar o nível de tensão do sinal. Um amplificador de voltagem é projetado para atingir a amplificação de voltagem máxima.

O ganho de tensão de um amplificador é dado por

$$A_v = \beta \left (\frac{R_c}{R_{in}} \right )$$

As características de um amplificador de voltagem são as seguintes -

A base do transistor deve ser fina e, portanto, o valor de β deve ser maior que 100.
A resistência do resistor de entrada R _em deve ser baixo quando comparado com a carga colector R _C .
A carga do coletor R _C deve ser relativamente alta. Para permitir alta carga do coletor, os amplificadores de tensão são sempre operados com baixa corrente do coletor.
Os amplificadores de tensão são usados para pequenas tensões de sinal.

Amplificador de potência

A função de um amplificador de potência é aumentar o nível de potência do sinal de entrada. É necessário para fornecer uma grande quantidade de energia e lidar com uma grande corrente.

As características de um amplificador de potência são as seguintes -

A base do transistor é engrossada para lidar com grandes correntes. O valor de β sendo (β> 100) alto.
O tamanho do transistor é aumentado, a fim de dissipar mais calor, que é produzido durante a operação do transistor.
O acoplamento do transformador é usado para casamento de impedância.
A resistência do coletor é reduzida.

A comparação entre amplificadores de tensão e potência é apresentada a seguir em forma de tabela.

S.No	Especial	Amplificador de tensão	Amplificador de potência
1	β	Alta (> 100)	Baixo (5 a 20)
2	R _C	Alto (4-10 KΩ)	Baixo (5 a 20 Ω)
3	Acoplamento	Normalmente acoplamento RC	Invariavelmente acoplamento de transformador
4	Tensão de entrada	Baixo (alguns m V)	Alto (2-4 V)
5	Corrente de coletor	Baixo (≈ 1 mA)	Alto (> 100 mA)
6	Potência da saída	Baixo	Alto
7	Impendência de saída	Alto (≈ 12 K Ω)	Baixo (200 Ω)

Os amplificadores de potência amplificam o nível de potência do sinal. Essa amplificação é feita na última etapa das aplicações de áudio. As aplicações relacionadas a frequências de rádio empregam amplificadores de potência de rádio. Mas ooperating pointde um transistor, desempenha um papel muito importante na determinação da eficiência do amplificador. omain classification é feito com base neste modo de operação.

A classificação é feita com base em suas frequências e também com base em seu modo de operação.

Classificação com base em frequências

Os amplificadores de potência são divididos em duas categorias, com base nas frequências que controlam. Eles são os seguintes.

Audio Power Amplifiers- Os amplificadores de potência de áudio aumentam o nível de potência dos sinais que possuem faixa de frequência de áudio (20 Hz a 20 KHz). Eles também são conhecidos comoSmall signal power amplifiers.
Radio Power Amplifiers- Amplificadores de potência de rádio ou amplificadores de potência sintonizados aumentam o nível de potência dos sinais que possuem faixa de radiofrequência (3 KHz a 300 GHz). Eles também são conhecidos comolarge signal power amplifiers.

Classificação com base no modo de operação

Com base no modo de operação, ou seja, a parte do ciclo de entrada durante a qual a corrente do coletor flui, os amplificadores de potência podem ser classificados como segue.

Class A Power amplifier - Quando a corrente do coletor flui em todos os momentos durante o ciclo completo do sinal, o amplificador de potência é conhecido como class A power amplifier.
Class B Power amplifier - Quando a corrente do coletor flui apenas durante a metade do ciclo positivo do sinal de entrada, o amplificador de potência é conhecido como class B power amplifier.
Class C Power amplifier - Quando a corrente do coletor flui por menos de meio ciclo do sinal de entrada, o amplificador de potência é conhecido como class C power amplifier.

Forma-se um outro amplificador denominado amplificador de Classe AB, se combinarmos os amplificadores de classe A e classe B de modo a aproveitar as vantagens de ambos.

Antes de entrar em detalhes sobre esses amplificadores, vamos dar uma olhada nos termos importantes que devem ser considerados para determinar a eficiência de um amplificador.

Termos que consideram o desempenho

O objetivo principal de um amplificador de potência é obter a potência máxima de saída. Para conseguir isso, os fatores importantes a serem considerados são a eficiência do coletor, a capacidade de dissipação de energia e a distorção. Vamos examiná-los em detalhes.

Eficiência do coletor

Isso explica como um amplificador converte bem a energia DC em AC. Quando a alimentação DC é fornecida pela bateria, mas nenhuma entrada de sinal AC é fornecida, a saída do coletor em tal condição é observada comocollector efficiency.

A eficiência do coletor é definida como

$$\eta = \frac{average\: a.c \: power \: output}{average \: d.c \: power\: input\: to \: transistor}$$

Por exemplo, se a bateria fornece 15W e a potência de saída CA é 3W. Então a eficiência do transistor será de 20%.

O principal objetivo de um amplificador de potência é obter a máxima eficiência do coletor. Portanto, quanto maior o valor da eficiência do coletor, mais eficiente será o amplificador.

Capacidade de dissipação de energia

Cada transistor é aquecido durante sua operação. À medida que um transistor de potência lida com grandes correntes, ele fica mais aquecido. Esse calor aumenta a temperatura do transistor, o que altera o ponto de operação do transistor.

Portanto, para manter a estabilidade do ponto de operação, a temperatura do transistor deve ser mantida dentro dos limites permitidos. Para isso, o calor produzido deve ser dissipado. Essa capacidade é chamada de capacidade de dissipação de energia.

Power dissipation capabilitypode ser definida como a capacidade de um transistor de potência dissipar o calor nele desenvolvido. Caixas de metal chamadas dissipadores de calor são usadas para dissipar o calor produzido nos transistores de potência.

Distorção

Um transistor é um dispositivo não linear. Quando comparada com a entrada, ocorrem poucas variações na saída. Em amplificadores de tensão, este problema não é predominante, visto que pequenas correntes são usadas. Mas em amplificadores de potência, como grandes correntes estão em uso, o problema de distorção certamente surge.

Distortioné definido como a mudança da forma de onda de saída da forma de onda de entrada do amplificador. Um amplificador que tem menor distorção, produz uma saída melhor e, portanto, é considerado eficiente.

Já nos deparamos com os detalhes da polarização do transistor, que é muito importante para a operação de um transistor como amplificador. Conseqüentemente, para obter uma amplificação fiel, a polarização do transistor deve ser feita de modo que o amplificador opere na região linear.

Um amplificador de potência Classe A é aquele em que a corrente de saída flui por todo o ciclo da alimentação de entrada CA. Portanto, o sinal completo presente na entrada é amplificado na saída. A figura a seguir mostra o diagrama de circuito do amplificador de potência Classe A.

Pela figura acima, pode-se observar que o transformador está presente no coletor como carga. O uso de transformador permite o casamento de impedância, resultando na transferência de potência máxima para a carga, por exemplo, alto-falante.

O ponto de operação deste amplificador está presente na região linear. É selecionado de forma que a corrente flua por todo o ciclo de entrada CA. A figura abaixo explica a seleção do ponto de operação.

As características de saída com ponto operacional Q são mostradas na figura acima. Aqui (I _c ) _Q e (V _ce ) _Q representam nenhuma corrente de coletor de sinal e tensão entre o coletor e o emissor, respectivamente. Quando o sinal é aplicado, o ponto Q muda para Q ₁ e Q ₂ . A corrente de saída aumenta para (I _c ) _máx e diminui para (I _c ) _mín . Da mesma forma, a tensão do coletor-emissor aumenta para (V _ce ) _max e diminui para (V _ce ) _min .

A energia DC retirada da bateria do coletor V _cc é fornecida por

$$P_{in} = voltage \times current = V_{CC}(I_C)_Q$$

Este poder é usado nas duas partes a seguir -

A potência dissipada na carga do coletor conforme o calor é fornecido por

$$P_{RC} = (current)^2 \times resistance = (I_C)^2_Q R_C$$

A potência dada ao transistor é dada por

$$P_{tr} = P_{in} - P_{RC} = V_{CC} - (I_C)^2_Q R_C$$

Quando o sinal é aplicado, a potência dada ao transistor é usada nas duas partes a seguir -

Energia CA desenvolvida em resistores de carga RC que constituem a saída de energia CA.

$$(P_O)_{ac} = I^2 R_C = \frac{V^2}{R_C} = \left ( \frac{V_m}{\sqrt{2}}\right )^2 \frac{1}{R_C} = \frac{V_m^2}{2R_C}$$

Onde I é o valor RMS da corrente de saída CA através da carga, V é o valor RMS da tensão CA, e V_m é o valor máximo de V.
A potência DC dissipada pelo transistor (região do coletor) na forma de calor, ou seja, (P _C ) _DC

Representamos todo o fluxo de potência no diagrama a seguir.

Este amplificador de potência classe A pode amplificar pequenos sinais com menos distorção e a saída será uma réplica exata da entrada com força aumentada.

Let us now try to draw some expressions to represent efficiencies.

Eficiência Geral

A eficiência geral do circuito amplificador é dada por

$$(\eta)_{overall} = \frac{a.c \: power \:delivered\: to \: the\: load}{total \: power\: delivered \: by \: d.c\: supply}$$

$$= \frac{(P_O)_{ac}}{(P_{in})_{dc}}$$

Eficiência do coletor

A eficiência do coletor do transistor é definida como

$$(\eta)_{collector} = \frac{average\: a.c \: power \:output}{average \:d.c\: power\: input\: to\: transistor}$$

$$= \frac{(P_O)_{ac}}{(P_{tr})_{dc}}$$

Expressão para eficiência geral

$$(P_O)_{ac} = V_{rms} \times I_{rms}$$

$$= \frac{1}{\sqrt{2}} \left [ \frac{(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}}{2} \right ] \times \frac{1}{\sqrt{2}} \left [ \frac{(I_C)_{max} - (I_C)_{min}}{2}\right ]$$

$$= \frac{[(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}] \times [(I_C)_{max} - (I_C)_{min}]}{8}$$

Portanto

$$(\eta)_{overall} = \frac{[(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}] \times [(I_C)_{max} - (I_C)_{min}]}{8 \times V_{CC} (I_C)_Q}$$

Vantagens dos amplificadores classe A

As vantagens do amplificador de potência Classe A são as seguintes -

A corrente flui para o ciclo de entrada completo
Pode amplificar pequenos sinais
A saída é a mesma que a entrada
Nenhuma distorção está presente

Desvantagens dos amplificadores classe A

As vantagens do amplificador de potência Classe A são as seguintes -

Baixa potência de saída
Baixa eficiência do coletor

O amplificador de potência classe A, conforme discutido no capítulo anterior, é o circuito no qual a corrente de saída flui para todo o ciclo da fonte de entrada CA. Também aprendemos sobre as desvantagens que ele tem, como baixa potência de saída e eficiência. A fim de minimizar esses efeitos, o amplificador de potência classe A acoplado a transformador foi introduzido.

o construction of class A power amplifierpode ser entendido com a ajuda da figura abaixo. Isso é semelhante ao circuito amplificador normal, mas conectado com um transformador na carga do coletor.

Aqui, R ₁ e R ₂ fornecem um arranjo de divisor potencial. O resistor Re fornece estabilização, C _e é o capacitor de bypass e R _e para evitar tensão CA. O transformador usado aqui é um transformador abaixador.

O primário de alta impedância do transformador é conectado ao circuito coletor de alta impedância. O secundário de baixa impedância é conectado à carga (geralmente alto-falante).

Transformer Action

O transformador usado no circuito coletor é para casamento de impedância. R _L é a carga conectada no secundário de um transformador. R _L 'é a carga refletida no primário do transformador.

O número de voltas no primário é n ₁ e o secundário é n ₂ . Sejam V ₁ e V ₂ as tensões primária e secundária e I ₁ e I ₂ as correntes primária e secundária, respectivamente. A figura abaixo mostra o transformador claramente.

Nós sabemos isso

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{n_1}{n_2}\: and\: \frac{I_1}{I_2} = \frac{n_1}{n_2}$$

$$V_1 = \frac{n_1}{n_2}V_2 \: and\: I_1 = \frac{n_1}{n_2}I_2$$

Conseqüentemente

$$\frac{V_1}{I_1} = \left ( \frac{n_1}{n_2} \right )^2 \frac{V_2}{I_2}$$

Mas V ₁ / I ₁ = R _L '= resistência de entrada efetiva

E V ₂ / I ₂ = R _L = resistência de saída efetiva

Portanto,

$$R_L’ = \left ( \frac{n_1}{n_2}\right )^2 R_L = n^2 R_L$$

Onde

$$n = \frac{number \: of \: turns \: in \: primary}{number\: of\: turns\: in\: secondary} = \frac{n_1}{n_2}$$

Um amplificador de potência pode ser combinado tomando a relação de rotação adequada no transformador redutor.

Operação de Circuito

Se o valor de pico da corrente do coletor devido ao sinal for igual a zero da corrente do coletor do sinal, então a saída de potência CA máxima é obtida. Portanto, para obter uma amplificação completa, o ponto de operação deve estar no centro da linha de carga.

O ponto operacional obviamente varia quando o sinal é aplicado. A tensão do coletor varia em fase oposta à corrente do coletor. A variação da tensão do coletor aparece no primário do transformador.

Análise de Circuito

A perda de energia no primário é considerada insignificante, pois sua resistência é muito pequena.

A potência de entrada sob condição CC será

$$(P_{in})_{dc} = (P_{tr})_{dc} = V_{CC} \times (I_C)_Q$$

Sob a capacidade máxima do amplificador classe A, a voltagem oscila de (V _ce ) _max para zero e a corrente de (I _c ) _max para zero.

Conseqüentemente

$$V_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(V_{ce})_{max} - (V_{ce})_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(V_{ce})_{max}}{2}\right ] = \frac{2V_{CC}}{2\sqrt{2}} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}}$$

$$I_{rms} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left [\frac{(I_C)_{max} - (I_C)_{min}}{2} \right ] = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ \frac{(I_C)_{max}}{2}\right ] = \frac{2(I_C)_Q}{2\sqrt{2}} = \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}}$$

Portanto,

$$(P_O)_{ac} = V_{rms} \times I_{rms} = \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}} \times \frac{(I_C)_Q}{\sqrt{2}} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2}$$

Portanto,

Eficiência do coletor = $\frac{(P_O)_{ac}}{(P_{tr})_{dc}}$

Ou,

$$(\eta)_{collector} = \frac{V_{CC} \times (I_C)_Q}{2 \times V_{CC} \times (I_C)_Q} = \frac{1}{2}$$

$$= \frac{1}{2} \times 100 = 50\%$$

A eficiência de um amplificador de potência classe A é de quase 30%, ao passo que foi melhorada para 50% usando o amplificador de potência classe A acoplado a transformador.

Vantagens

As vantagens do amplificador de potência classe A acoplado a transformador são as seguintes.

Sem perda de potência do sinal nos resistores de base ou coletor.
Excelente combinação de impedância é alcançada.
O ganho é alto.
O isolamento DC é fornecido.

Desvantagens

As desvantagens do amplificador de potência classe A acoplado a transformador são as seguintes.

Os sinais de baixa frequência são menos amplificados comparativamente.
O ruído de zumbido é introduzido por transformadores.
Os transformadores são volumosos e caros.
Resposta de frequência ruim.

Formulários

As aplicações do amplificador de potência classe A acoplado a transformador são as seguintes.

Este circuito é onde o casamento de impedância é o principal critério.
Eles são usados como amplificadores de driver e às vezes como amplificadores de saída.

Até agora, vimos dois tipos de amplificadores de potência classe A. Os principais problemas que devem ser tratados são a baixa potência e a eficiência. É possível obter maior potência e eficiência do que a do amplificador Classe A usando um par de transistores combinacional denominadoPush-Pull configuração.

Neste circuito, usamos dois transistores complementares no estágio de saída com um transistor sendo um tipo NPN ou canal N, enquanto o outro transistor é um tipo PNP ou canal P (o complemento) conectado a fim de operá-los como PUSH a transistor to ON e PULL another transistor to OFFao mesmo tempo. Esta configuração push-pull pode ser feita em amplificadores classe A, classe B, classe C ou classe AB.

Construção de amplificador de potência Push-Pull Classe A

A construção do circuito amplificador de potência classe A na configuração push-pull é mostrada como na figura abaixo. Este arranjo reduz principalmente a distorção harmônica introduzida pela não linearidade das características de transferência de um único amplificador de transistor.

No arranjo de push-pull, os dois transistores idênticos T ₁ e T _2, têm os seus terminais emissor de curto-circuito. O sinal de entrada é aplicado aos transistores através do transformador T _r1 que fornece sinais de polaridade oposta para ambas as bases do transistor. Os coletores de ambos os transistores são conectados ao primário do transformador de saída T _r2 . Ambos os transformadores têm derivação central. A alimentação V _CC é fornecida aos coletores de ambos os transistores através do primário do transformador de saída.

Os resistores R ₁ e R ₂ fornecem o arranjo de polarização. A carga geralmente é um alto-falante que é conectado ao secundário do transformador de saída. A relação de espiras do transformador de saída é escolhida de forma que a carga corresponda bem à impedância de saída do transistor. Portanto, a potência máxima é fornecida à carga pelo amplificador.

Operação de Circuito

A saída é coletada do transformador de saída T _r2 . O primário deste transformador T _r2 praticamente não tem componente CC através dele. Os transístores T ₁ e T _2, têm os seus colectores ligados ao primário do transformador T _R2 de modo a que as suas correntes são iguais em magnitude e fluir em direcções opostas através do primário do transformador T _r2 .

Quando o sinal de entrada de corrente alternada for aplicada, a base do transístor T ₁ é mais positiva, enquanto a base do transístor T ₂ é menos positiva. Por isso o colector de corrente de i _c1 do transístor T ₁ aumenta enquanto o colector de corrente I _c2 da transistor T ₂ diminui. Essas correntes fluem em direções opostas em duas metades do primário do transformador de saída. Além disso, o fluxo produzido por essas correntes também estará em direções opostas.

Portanto, a tensão através da carga será a tensão induzida, cuja magnitude será proporcional à diferença das correntes do coletor, ou seja

$$(i_{c1} - i_{c2})$$

Da mesma forma, para o sinal de entrada negativo, a corrente de coletor i _c2 será maior do que i _c1 . Neste caso, a tensão desenvolvida através da carga será novamente devido à diferença

$$(i_{c1} - i_{c2})$$

Como $i_{c2} > i_{c1}$

A polaridade da tensão induzida na carga será invertida.

$$i_{c1} - i_{c2} = i_{c1} + (-i_{c2})$$

Para um melhor entendimento, consideremos a figura abaixo.

A operação geral resulta em uma tensão CA induzida no secundário do transformador de saída e, portanto, a energia CA é fornecida a essa carga.

Entende-se que, durante qualquer meio ciclo de sinal de entrada, um transistor está sendo conduzido (ou empurrado) profundamente em condução enquanto o outro é não condutor (puxado para fora). Daí o nomePush-pull amplifier. A distorção harmônica no amplificador Push-pull é minimizada de forma que todos os harmônicos pares são eliminados.

Vantagens

As vantagens do amplificador push-pull classe A são as seguintes

É obtida uma saída CA alta.
A saída está livre de harmônicos pares.
O efeito das tensões de ondulação é equilibrado. Eles estão presentes na fonte de alimentação devido à filtragem inadequada.

Desvantagens

As desvantagens do amplificador push-pull classe A são as seguintes

Os transistores devem ser idênticos, para produzir amplificação igual.
O rosqueamento central é necessário para os transformadores.
Os transformadores são volumosos e caros.

Quando a corrente do coletor flui apenas durante a metade do ciclo positivo do sinal de entrada, o amplificador de potência é conhecido como class B power amplifier.

Operação Classe B

A polarização do transistor em operação classe B é de tal forma que na condição de sinal zero, não haverá corrente de coletor. ooperating pointé selecionado para estar na tensão de corte do coletor. Então, quando o sinal é aplicado,only the positive half cycle é amplificado na saída.

A figura abaixo mostra as formas de onda de entrada e saída durante a operação em classe B.

Quando o sinal é aplicado, o circuito é polarizado direto para o meio ciclo positivo da entrada e, portanto, a corrente do coletor flui. Mas durante o meio ciclo negativo da entrada, o circuito é polarizado reversamente e a corrente do coletor estará ausente. Conseqüentementeonly the positive half cycle é amplificado na saída.

Como o meio ciclo negativo está completamente ausente, a distorção do sinal será alta. Além disso, quando o sinal aplicado aumenta, a dissipação de energia será maior. Mas quando comparado com o amplificador de potência classe A, a eficiência de saída é aumentada.

Bem, a fim de minimizar as desvantagens e obter baixa distorção, alta eficiência e alta potência de saída, a configuração push-pull é usada neste amplificador classe B.

Amplificador Push-Pull Classe B

Embora a eficiência do amplificador de potência da classe B seja maior do que a da classe A, já que apenas meio ciclo da entrada é usado, a distorção é alta. Além disso, a alimentação de entrada não é totalmente utilizada. Para compensar esses problemas, a configuração push-pull é introduzida no amplificador classe B.

Construção

O circuito de um amplificador de potência de push-pull classe B é composto por dois transístores idênticos T ₁ e T _2, cujas bases estão ligados para o secundário do transformador de entrada com derivação central T _r1 . Os emissores são curto-circuito e os colectores são dadas a V _CC fornecimento através do primário do transformador de saída T _r2 .

O arranjo do circuito do amplificador push-pull classe B é o mesmo do amplificador push-pull classe A, exceto que os transistores são polarizados no corte, em vez de usar os resistores de polarização. A figura abaixo detalha a construção de um amplificador de potência classe B push-pull.

A operação do circuito do amplificador push pull classe B é detalhada abaixo.

Operação

O circuito do amplificador push-pull classe B mostrado na figura acima esclarece que ambos os transformadores têm derivação central. Quando nenhum sinal é aplicado na entrada, os transistores de T ₁ e T ₂ são em corte fora condição e, portanto, não há correntes de colector de fluxo. Como nenhuma corrente é consumida do V _CC , nenhuma energia é desperdiçada.

Quando o sinal de entrada é fornecido, ele é aplicado ao transformador de entrada T _r1, que divide o sinal em dois sinais que estão 180 ^o defasados um do outro. Estes dois sinais são dadas para os dois transistores idênticos T ₁ e T ₂ . Para o meio ciclo positivo, a base do transístor T ₁ torna-se positiva e fluxos de corrente de colector. Ao mesmo tempo, o transistor T ₂ tem meio ciclo negativo, que lança o transistor T ₂ em condição de corte e, portanto, não flui corrente de colector. A forma de onda é produzida conforme mostrado na figura a seguir.

Para o próximo meio ciclo, o transistor T ₁ entra em corte fora condição e o transistor T ₂ entra em condução, para contribuir a saída. Portanto, para ambos os ciclos, cada transistor conduz alternadamente. O transformador de saída T _r3 serve para juntar as duas correntes produzindo uma forma de onda de saída quase não distorcida.

Eficiência de energia do amplificador Push-Pull Classe B

A corrente em cada transistor é o valor médio da meia volta sinusoidal.

Para meio ciclo seno, I _dc é dado por

$$I_{dc} = \frac{(I_C)_{max}}{\pi}$$

Portanto,

$$(p_{in})_{dc} = 2 \times \left [ \frac{(I_C)_{max}}{\pi} \times V_{CC} \right ]$$

Aqui o fator 2 é introduzido, pois há dois transistores no amplificador push-pull.

Valor RMS da corrente do coletor = $(I_C)_{max}/ \sqrt{2}$

Valor RMS da tensão de saída = $V_{CC} / \sqrt{2}$

Sob condições ideais de potência máxima

Portanto,

$$(P_O)_{ac} = \frac{(I_C)_{max}}{\sqrt{2}} \times \frac{V_{CC}}{\sqrt{2}} = \frac{(I_C)_{max} \times V_{CC}}{2}$$

Agora, eficiência máxima geral

$$\eta_{overall} = \frac{(P_O)_{ac}}{(P_{in})_{dc}}$$

$$= \frac{(I_C)_{max} \times V_{CC}}{2} \times \frac{\pi}{2 (I_C)_{max} \times V_{CC}}$$

$$= \frac{\pi}{4} = 0.785 = 78.5\%$$

A eficiência do coletor seria a mesma.

Conseqüentemente, o amplificador push-pull classe B melhora a eficiência do que o amplificador push-pull classe A.

Amplificador Simetria Complementar Push-Pull Classe B

O amplificador push pull que acabamos de discutir melhora a eficiência, mas o uso de transformadores com derivação central torna o circuito volumoso, pesado e caro. Para simplificar o circuito e melhorar a eficiência, os transistores utilizados podem ser complementados, conforme mostra o diagrama de circuito a seguir.

O circuito acima emprega um transistor NPN e um transistor PNP conectados na configuração push pull. Quando o sinal de entrada é aplicado, durante a metade do ciclo positivo do sinal de entrada, o transistor NPN conduz e o transistor PNP desliga. Durante o meio ciclo negativo, o transistor NPN é desligado e o transistor PNP conduz.

Desta forma, o transistor NPN amplifica durante o meio ciclo positivo da entrada, enquanto o transistor PNP amplifica durante o meio ciclo negativo da entrada. Como os transistores são complementares entre si, mas atuam simetricamente enquanto são conectados na configuração push pull de classe B, este circuito é denominado comoComplementary symmetry push pull class B amplifier.

Vantagens

As vantagens do amplificador de simetria complementar push pull classe B são as seguintes.

Como não há necessidade de transformadores com rosca central, o peso e o custo são reduzidos.
Não são necessárias tensões de sinal de entrada iguais e opostas.

Desvantagens

As desvantagens do amplificador classe B de simetria complementar push pull são as seguintes.

É difícil obter um par de transistores (NPN e PNP) com características semelhantes.
Exigimos tensões de alimentação positivas e negativas.

O amplificador de classe A e classe B discutido até agora tem poucas limitações. Vamos agora tentar combinar esses dois para obter um novo circuito que teria todas as vantagens dos amplificadores de classe A e B sem suas ineficiências. Antes disso, vamos passar também por outro problema importante, chamado deCross over distortion, a saída da classe B encontra.

Distorção cruzada

Na configuração push-pull, os dois transistores idênticos entram em condução, um após o outro, e a saída produzida será a combinação de ambos.

Quando o sinal muda ou cruza de um transistor para o outro no ponto de tensão zero, ele produz uma quantidade de distorção na forma de onda de saída. Para que um transistor conduza, a junção do emissor da base deve cruzar 0,7v, a tensão de corte. O tempo que leva para um transistor se tornar LIGADO a partir de DESLIGADO ou DESLIGADO é chamado detransition period.

No ponto de tensão zero, o período de transição de comutação dos transistores de um para o outro, tem seu efeito que leva aos casos em que ambos os transistores estão desligados ao mesmo tempo. Essas instâncias podem ser chamadas deFlat spot ou Dead band na forma de onda de saída.

A figura acima mostra claramente a distorção cruzada que é proeminente na forma de onda de saída. Esta é a principal desvantagem. Esse efeito de distorção cruzada também reduz o valor geral de pico a pico da forma de onda de saída, o que por sua vez reduz a potência máxima de saída. Isso pode ser mais claramente entendido por meio da característica não linear da forma de onda, conforme mostrado abaixo.

Entende-se que esta distorção cruzada é menos pronunciada para grandes sinais de entrada, pois causa graves perturbações para pequenos sinais de entrada. Esta distorção cruzada pode ser eliminada se a condução do amplificador for mais do que meio ciclo, de forma que os dois transistores não ficarão desligados ao mesmo tempo.

Essa ideia leva à invenção do amplificador de classe AB, que é a combinação de amplificadores de classe A e classe B, conforme discutido a seguir.

Amplificador de potência classe AB

Como o nome indica, a classe AB é uma combinação de amplificadores de classe A e classe B. Como a classe A possui o problema de baixa eficiência e a classe B possui problema de distorção, esta classe AB surge para eliminar esses dois problemas, aproveitando as vantagens de ambas as classes.

A distorção cruzada é o problema que ocorre quando ambos os transistores estão desligados no mesmo instante, durante o período de transição. Para eliminar isso, a condição deve ser escolhida para mais de meio ciclo. Conseqüentemente, o outro transistor entra em condução, antes que o transistor operacional mude para o estado de desligamento. Isso é obtido apenas usando a configuração de classe AB, conforme mostrado no diagrama de circuito a seguir.

Portanto, no projeto de amplificador de classe AB, cada um dos transistores push-pull está conduzindo por um pouco mais do que meio ciclo de condução na classe B, mas muito menos do que o ciclo completo de condução da classe A.

O ângulo de condução do amplificador classe AB é algo entre 180 ^o a 360 ^o dependendo do ponto de operação selecionado. Isso é entendido com a ajuda da figura abaixo.

A pequena tensão de polarização fornecida pelos diodos D ₁ e D ₂ , conforme mostrado na figura acima, ajuda o ponto de operação a ficar acima do ponto de corte. Conseqüentemente, a forma de onda de saída dos resultados da classe AB conforme visto na figura acima. A distorção de crossover criada pela classe B é superada por esta classe AB, assim como as ineficiências das classes A e B não afetam o circuito.

Portanto, a classe AB é um bom compromisso entre a classe A e a classe B em termos de eficiência e linearidade tendo a eficiência atingindo cerca de 50% a 60%. Os amplificadores de classe A, B e AB são chamados delinear amplifiers porque a amplitude e a fase do sinal de saída estão linearmente relacionadas à amplitude e fase do sinal de entrada.

Amplificador de potência classe C

Quando a corrente do coletor flui por menos de meio ciclo do sinal de entrada, o amplificador de potência é conhecido como class C power amplifier.

A eficiência do amplificador classe C é alta, enquanto a linearidade é pobre. O ângulo de condução para a classe C é inferior a 180 ^o . Geralmente é cerca de 90 ^o , ^o que significa que o transistor permanece ocioso por mais da metade do sinal de entrada. Assim, a corrente de saída será entregue por menos tempo em comparação com a aplicação do sinal de entrada.

A figura a seguir mostra o ponto operacional e a saída de um amplificador classe C.

Este tipo de polarização dá uma eficiência muito melhorada de cerca de 80% ao amplificador, mas introduz uma forte distorção no sinal de saída. Usando o amplificador de classe C, os pulsos produzidos em sua saída podem ser convertidos em uma onda senoidal completa de uma determinada frequência usando circuitos LC em seu circuito coletor.

Os tipos de amplificadores que discutimos até agora não funcionam bem em frequências de rádio, embora sejam bons em frequências de áudio. Além disso, o ganho desses amplificadores é tal que não varia de acordo com a frequência do sinal, em uma ampla faixa. Isso permite a amplificação do sinal igualmente bem ao longo de uma faixa de frequências e não permite a seleção de determinada frequência desejada enquanto rejeita as outras frequências.

Portanto, surge a necessidade de um circuito que tanto seleciona como amplifica. Então, um circuito amplificador junto com uma seleção, como um circuito sintonizado, faz umTuned amplifier.

O que é um amplificador sintonizado?

Amplificadores sintonizados são os amplificadores que são empregados com o propósito de tuning. Ajustar significa selecionar. Entre um conjunto de frequências disponíveis, caso ocorra a necessidade de selecionar uma determinada frequência, rejeitando todas as outras frequências, tal processo é denominadoSelection. Esta seleção é feita usando um circuito chamadoTuned circuit.

Quando um circuito amplificador tem sua carga substituída por um circuito sintonizado, tal amplificador pode ser chamado de Tuned amplifier circuit. O circuito amplificador sintonizado básico se parece com o mostrado abaixo.

O circuito do sintonizador nada mais é do que um circuito LC, também chamado de resonant ou tank circuit. Ele seleciona a frequência. Um circuito sintonizado é capaz de amplificar um sinal em uma faixa estreita de frequências que são centralizadas na frequência de ressonância.

Quando a reatância do indutor equilibra a reatância do capacitor, no circuito sintonizado em alguma frequência, tal frequência pode ser chamada de resonant frequency. É denotado porf_r.

A fórmula para ressonância é

$$2 \pi f_L = \frac{1}{2 \pi f_c}$$

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

Tipos de circuitos sintonizados

Um circuito sintonizado pode ser um circuito sintonizado em série (circuito ressonante em série) ou um circuito sintonizado em paralelo (circuito ressonante paralelo) de acordo com o tipo de sua conexão ao circuito principal.

Circuito Sintonizado

O indutor e o capacitor conectados em série formam um circuito sintonizado em série, conforme mostrado no diagrama de circuito a seguir.

Na frequência ressonante, um circuito ressonante em série oferece baixa impedância, o que permite alta corrente através dele. Um circuito ressonante em série oferece impedância cada vez mais alta para as frequências distantes da frequência ressonante.

Circuito Paralelo Sintonizado

O indutor e o capacitor conectados em paralelo formam um circuito sintonizado em paralelo, conforme mostrado na figura abaixo.

Na frequência ressonante, um circuito ressonante paralelo oferece alta impedância que não permite alta corrente através dele. Um circuito ressonante paralelo oferece impedância cada vez mais baixa para as frequências distantes da frequência ressonante.

Características de um circuito sintonizado em paralelo

A frequência em que ocorre a ressonância paralela (ou seja, o componente reativo da corrente do circuito torna-se zero) é chamada de frequência ressonante f_r. As principais características de um circuito sintonizado são as seguintes.

Impedância

A relação entre a tensão de alimentação e a corrente da linha é a impedância do circuito sintonizado. A impedância oferecida pelo circuito LC é dada por

$$\frac{Supply \: voltage}{Line equation} = \frac{V}{I}$$

Na ressonância, a corrente da linha aumenta enquanto a impedância diminui.

A figura abaixo representa a curva de impedância de um circuito de ressonância paralelo.

A impedância do circuito diminui para os valores acima e abaixo da frequência ressonante f_r. Conseqüentemente, a seleção de uma determinada frequência e a rejeição de outras frequências são possíveis.

Para obter uma equação para a impedância do circuito, vamos considerar

Linha atual $I = I_L cos \phi$

$$\frac{V}{Z_r} = \frac{V}{Z_L} \times \frac{R}{Z_L}$$

$$\frac{1}{Z_r} = \frac{R}{Z_L^2}$$

$$\frac{1}{Z_r} = \frac{R}{L/C} = \frac{C R}{L}$$

Desde a, $Z_L^2 = \frac{L}{C}$

Portanto, a impedância do circuito Z _r é obtida como

$$Z_R = \frac{L}{C R}$$

Assim, na ressonância paralela, a impedância do circuito é igual a L / CR.

Corrente do circuito

Na ressonância paralela, o circuito ou corrente de linha I é dado pela tensão aplicada dividida pela impedância do circuito Z _r , ou seja,

Linha atual $I = \frac{V}{Z_r}$

Onde $Z_r = \frac{L}{C R}$

Como Z _r é muito alto, a corrente de linha I será muito pequena.

Fator de qualidade

Para um circuito de ressonância paralelo, a nitidez da curva de ressonância determina a seletividade. Quanto menor for a resistência da bobina, mais nítida será a curva ressonante. Conseqüentemente, a reatância indutiva e a resistência da bobina determinam a qualidade do circuito sintonizado.

A razão de reatância indutiva da bobina em ressonância para sua resistência é conhecida como Quality factor. É denotado porQ.

$$Q = \frac{X_L}{R} = \frac{2 \pi f_r L}{R}$$

Quanto maior o valor de Q, mais nítida será a curva de ressonância e melhor será a seletividade.

Vantagens dos amplificadores sintonizados

A seguir estão as vantagens dos amplificadores sintonizados.

O uso de componentes reativos como L e C, minimiza a perda de potência, o que torna os amplificadores sintonizados eficientes.
A seletividade e a amplificação da frequência desejada são altas, proporcionando maior impedância na frequência de ressonância.
Uma fonte de coletor menor VCC serviria, por causa de sua pouca resistência no circuito sintonizado em paralelo.

É importante lembrar que essas vantagens não são aplicáveis quando há uma alta carga resistiva do coletor.

Resposta de frequência do amplificador sintonizado

Para um amplificador ser eficiente, seu ganho deve ser alto. Este ganho de tensão depende de β, impedância de entrada e carga do coletor. A carga do coletor em um amplificador sintonizado é um circuito sintonizado.

O ganho de voltagem de tal amplificador é dado por

Ganho de tensão = $\frac{\beta Z_C}{Z_{in}}$

Onde Z _C = carga efetiva do coletor e Z _in = impedância de entrada do amplificador.

O valor de Z _C depende da frequência do amplificador sintonizado. Como Z _C é máxima a frequência de ressonância, o ganho do amplificador é máxima a esta frequência ressonante.

Largura de banda

A faixa de frequências em que o ganho de tensão do amplificador sintonizado cai para 70,7% do ganho máximo é chamada de Bandwidth.

A faixa de frequências entre f ₁ ef ₂ é chamada de largura de banda do amplificador sintonizado. A largura de banda de um amplificador sintonizado depende do Q do circuito LC, ou seja, da nitidez da resposta de freqüência. O valor de Q e a largura de banda são inversamente proporcionais.

A figura abaixo detalha a largura de banda e a resposta de frequência do amplificador sintonizado.

Relação entre Q e largura de banda

O fator de qualidade Q da largura de banda é definido como a relação entre a frequência de ressonância e a largura de banda, ou seja,

$$Q = \frac{f_r}{BW}$$

Em geral, um circuito prático tem seu valor Q maior que 10.

Sob esta condição, a frequência ressonante na ressonância paralela é dada por

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

Existem dois tipos principais de amplificadores sintonizados. Eles são -

Amplificador sintonizado
Amplificador de dupla sintonia

Amplificador Sintonizado Simples

Um circuito amplificador com uma única seção de sintonizador no coletor do circuito amplificador é chamado de circuito amplificador de sintonizador único.

Construção

Um circuito amplificador de transistor simples que consiste em um circuito sintonizado em paralelo em sua carga de coletor, forma um circuito amplificador sintonizado único. Os valores de capacitância e indutância do circuito sintonizado são selecionados de forma que sua freqüência de ressonância seja igual à freqüência a ser amplificada.

O diagrama de circuito a seguir mostra um circuito amplificador único sintonizado.

A saída pode ser obtida do capacitor de acoplamento C _C como mostrado acima ou de um enrolamento secundário colocado em L.

Operação

O sinal de alta frequência que deve ser amplificado é aplicado na entrada do amplificador. A frequência ressonante do circuito sintonizado em paralelo é igualada à frequência do sinal aplicado alterando o valor da capacitância do capacitor C, no circuito sintonizado.

Nesse estágio, o circuito sintonizado oferece alta impedância para a frequência do sinal, o que ajuda a oferecer alta saída em todo o circuito sintonizado. Como a alta impedância é oferecida apenas para a frequência sintonizada, todas as outras frequências que obtêm impedância inferior são rejeitadas pelo circuito sintonizado. Portanto, o amplificador sintonizado seleciona e amplifica o sinal de frequência desejado.

Resposta de frequência

A ressonância paralela ocorre na frequência ressonante f _r quando o circuito tem um Q alto. A frequência ressonante f _r é dada por

$$f_r = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

O gráfico a seguir mostra a resposta de frequência de um único circuito amplificador sintonizado.

Na frequência ressonante f _r, a impedância do circuito sintonizado em paralelo é muito alta e é puramente resistiva. A tensão em R _L é, portanto, máxima, quando o circuito está sintonizado na frequência de ressonância. Conseqüentemente, o ganho de tensão é máximo na frequência ressonante e cai acima e abaixo dela. Quanto maior o Q, mais estreita será a curva.

Amplificador Duplo Sintonizado

Um circuito amplificador com uma seção de sintonizador duplo no coletor do circuito amplificador é chamado de circuito amplificador de sintonizador duplo.

Construção

A construção de um amplificador de dupla sintonia é compreendida observando a figura seguinte. Este circuito consiste em dois circuitos sintonizados L ₁ C ₁ e L ₂ C ₂ na seção do coletor do amplificador. O sinal na saída do circuito sintonizado L ₁ C ₁ é acoplado ao outro circuito sintonizado L ₂ C ₂ através do método de acoplamento mútuo. Os detalhes do circuito restantes são iguais aos do circuito do amplificador sintonizado simples, conforme mostrado no diagrama de circuito a seguir.

Operação

O sinal de alta frequência que deve ser amplificado é fornecido à entrada do amplificador. O circuito de sintonia L ₁ C ₁ é sintonizado na frequência do sinal de entrada. Nessa condição, o circuito sintonizado oferece alta reatância à frequência do sinal. Consequentemente, uma grande saída aparece na saída do circuito sintonizado L ₁ C ₁ que é então acoplado ao outro circuito sintonizado L ₂ C ₂ através de indução mútua. Esses circuitos de dupla sintonia são amplamente usados para acoplar vários circuitos de receptores de rádio e televisão.

Resposta de frequência do amplificador duplo sintonizado

O amplificador de dupla sintonia tem a característica especial de couplingo que é importante para determinar a resposta de freqüência do amplificador. A quantidade de indutância mútua entre os dois circuitos sintonizados indica o grau de acoplamento, que determina a resposta de freqüência do circuito.

Para ter uma ideia sobre a propriedade de indutância mútua, vamos examinar o princípio básico.

Indutância mútua

Como a bobina transportadora de corrente produz algum campo magnético em torno dela, se outra bobina for trazida para perto desta bobina, de modo que esteja na região de fluxo magnético do primário, então o fluxo magnético variável induz um EMF na segunda bobina. Se esta primeira bobina é chamada dePrimary coil, o segundo pode ser chamado de Secondary coil.

Quando o EMF é induzido na bobina secundária devido ao campo magnético variável da bobina primária, então tal fenômeno é chamado de Mutual Inductance.

A figura abaixo dá uma ideia sobre isso.

O atual i_s na figura indicam a fonte de corrente enquanto i_indindica a corrente induzida. O fluxo representa o fluxo magnético criado em torno da bobina. Isso se espalha para a bobina secundária também.

Com a aplicação de tensão, a corrente i_sfluxos e fluxos são criados. Quando a corrente varia, o fluxo fica variado, produzindoi_ind na bobina secundária, devido à propriedade de indutância mútua.

Acoplamento

De acordo com o conceito de acoplamento de indutância mútua, será como mostrado na figura abaixo.

Quando as bobinas estão espaçadas, as ligações de fluxo da bobina primária L ₁ não irão ligar a bobina secundária L ₂ . Nesta condição, as bobinas teriamLoose coupling. A resistência refletida da bobina secundária nesta condição é pequena e a curva de ressonância será acentuada e o circuito Q é alto, conforme mostrado na figura abaixo.

Pelo contrário, quando as bobinas primária e secundária são aproximadas, elas têm Tight coupling. Sob tais condições, a resistência refletida será grande e o circuito Q será menor. São obtidas duas posições de máximos de ganho, uma acima e outra abaixo da frequência de ressonância.

Largura de banda do circuito duplo sintonizado

A figura acima afirma claramente que a largura de banda aumenta com o grau de acoplamento. O fator determinante em um circuito de dupla sintonia não é Q, mas o acoplamento.

Entendemos que, para uma determinada frequência, quanto maior o acoplamento, maior será a largura de banda.

A equação para largura de banda é dada como

$$BW_{dt} = k f_r$$

Onde BW _dt = largura de banda para circuito duplo sintonizado, K = coeficiente de acoplamento e f _r = frequência ressonante.

Esperamos que agora você tenha adquirido conhecimento suficiente sobre o funcionamento dos amplificadores sintonizados. No próximo capítulo, aprenderemos sobre amplificadores de feedback.

Um circuito amplificador simplesmente aumenta a força do sinal. Mas enquanto amplifica, ele apenas aumenta a força de seu sinal de entrada, quer ele contenha informações ou algum ruído junto com as informações. Este ruído ou alguma perturbação é introduzido nos amplificadores devido à sua forte tendência para introduzirhumdevido a mudanças repentinas de temperatura ou campos elétricos e magnéticos dispersos. Portanto, todo amplificador de alto ganho tende a gerar ruído junto com o sinal em sua saída, o que é muito indesejável.

O nível de ruído nos circuitos do amplificador pode ser consideravelmente reduzido usando negative feedback feito injetando uma fração de saída em oposição de fase ao sinal de entrada.

Princípio do amplificador de feedback

Um amplificador de feedback geralmente consiste em duas partes. Eles são oamplifier e a feedback circuit. O circuito de feedback geralmente consiste em resistores. O conceito de amplificador de feedback pode ser entendido a partir da figura a seguir.

Na figura acima, o ganho do amplificador é representado como A. o ganho do amplificador é a razão entre a tensão de saída V _o e a tensão de entrada V _i . a rede de realimentação extrai uma tensão V _f = β V _o da saída V _o do amplificador.

Esta tensão é adicionada para feedback positivo e subtraída para feedback negativo, da tensão do sinal V _s . Agora,

$$V_i = V_s + V_f = V_s + \beta V_o$$

$$V_i = V_s - V_f = V_s - \beta V_o$$

A quantidade β = V _f / V _o é chamada de razão de feedback ou fração de feedback.

Vamos considerar o caso de feedback negativo. A saída V _o deve ser igual à tensão de entrada (V _s - βV _o ) multiplicada pelo ganho A do amplificador.

Conseqüentemente,

$$(V_s - \beta V_o)A = V_o$$

$$A V_s - A \beta V_o = V_o$$

$$A V_s = V_o (1 + A \beta)$$

Portanto,

$$\frac{V_o}{V_s} = \frac{A}{1 + A \beta}$$

Seja A _f o ganho geral (ganho com o feedback) do amplificador. Isso é definido como a razão da tensão de saída V _o para a tensão de sinal aplicada V _s , ou seja,

$$A_f = \frac{Output \: voltage}{Input \: signal \: voltage} = \frac{V_o}{V_s}$$

Então, a partir das duas equações acima, podemos entender que,

A equação de ganho do amplificador de feedback, com feedback negativo é dada por

$$A_f = \frac{A}{1 + A \beta}$$

A equação de ganho do amplificador de feedback, com feedback positivo é dada por

$$A_f = \frac{A}{1 - A \beta}$$

Estas são as equações padrão para calcular o ganho dos amplificadores de feedback.

Tipos de Feedbacks

O processo de injetar uma fração da energia de saída de algum dispositivo de volta para a entrada é conhecido como Feedback. Foi descoberto que o feedback é muito útil para reduzir o ruído e tornar a operação do amplificador estável.

Dependendo se o sinal de feedback aids ou opposes o sinal de entrada, existem dois tipos de feedbacks usados.

Feedback Positivo

O feedback no qual a energia de feedback, ou seja, tensão ou corrente, está em fase com o sinal de entrada e, portanto, auxilia é chamado de Positive feedback.

Tanto o sinal de entrada quanto o sinal de feedback introduzem uma mudança de fase de 180 ^o , fazendo assim uma mudança de fase resultante de 360 ^{o em} torno do loop, para estar finalmente em fase com o sinal de entrada.

Embora o feedback positivo increases the gain do amplificador, ele tem as desvantagens, como

Aumentando a distorção
Instability

É por causa dessas desvantagens que o feedback positivo não é recomendado para os amplificadores. Se o feedback positivo for suficientemente grande, ele leva a oscilações, pelas quais os circuitos do oscilador são formados. Este conceito será discutido no tutorial OSCILADORES.

Avaliação negativa

O feedback no qual a energia de feedback, ou seja, a tensão ou a corrente está fora de fase com a entrada e, portanto, se opõe a ela, é chamado de negative feedback.

No feedback negativo, o amplificador introduz um deslocamento de fase de 180 ^o no circuito, enquanto a rede de feedback é projetada de modo a não produzir deslocamento de fase ou deslocamento de fase zero. Assim, a tensão de feedback resultante V _f está 180 ^o fora de fase com o sinal de entrada V _in .

Embora o gain do amplificador de feedback negativo é reduced, existem muitas vantagens de feedback negativo, como

Estabilidade de ganho melhorada
Redução na distorção
Redução de ruído
Aumento da impedância de entrada
Diminuição da impedância de saída
Aumento na faixa de aplicação uniforme

É por causa dessas vantagens que o feedback negativo é freqüentemente empregado em amplificadores.

O feedback negativo em um amplificador é o método de alimentar uma parte da saída amplificada para a entrada, mas em fase oposta. A oposição de fase ocorre quando o amplificador fornece deslocamento de fase de 180 ^o , enquanto a rede de feedback não.

Enquanto a energia de saída está sendo aplicada à entrada, para que a energia da tensão seja tomada como feedback, a saída é tomada em conexão em shunt e para a energia da corrente ser tomada como feedback, a saída é tomada em conexão em série.

Existem dois tipos principais de circuitos de feedback negativo. Eles são -

Feedback de tensão negativa
Feedback de corrente negativa

Feedback de tensão negativa

Neste método, o feedback de tensão para a entrada do amplificador é proporcional à tensão de saída. Isso é classificado em dois tipos -

Feedback série de tensão
Feedback de derivação de tensão

Feedback de corrente negativa

Neste método, o feedback de tensão para a entrada do amplificador é proporcional à corrente de saída. Este é ainda classificado em dois tipos.

Feedback da série atual
Feedback do shunt de corrente

Vamos ter uma breve ideia sobre todos eles.

Feedback da série de tensão

No circuito de realimentação em série de tensão, uma fração da tensão de saída é aplicada em série com a tensão de entrada através do circuito de realimentação. Isso também é conhecido comoshunt-driven series-fed realimentação, ou seja, um circuito em série paralela.

A figura a seguir mostra o diagrama de blocos da realimentação em série da tensão, pelo qual é evidente que o circuito de realimentação é colocado em shunt com a saída, mas em série com a entrada.

Como o circuito de feedback é conectado em shunt com a saída, a impedância de saída diminui e, devido à conexão em série com a entrada, a impedância de entrada aumenta.

Feedback Tensão-Shunt

No circuito de realimentação do shunt de tensão, uma fração da tensão de saída é aplicada em paralelo com a tensão de entrada através da rede de realimentação. Isso também é conhecido comoshunt-driven shunt-fed feedback, ou seja, um tipo de protótipo paralelo-paralelo.

A figura abaixo mostra o diagrama de blocos da realimentação do shunt de tensão, pelo qual é evidente que o circuito de realimentação é colocado em shunt com a saída e também com a entrada.

Como o circuito de feedback é conectado em shunt com a saída e a entrada também, a impedância de saída e a impedância de entrada são diminuídas.

Feedback da série atual

No circuito de realimentação em série da corrente, uma fração da tensão de saída é aplicada em série com a tensão de entrada através do circuito de realimentação. Isso também é conhecido comoseries-driven series-fed feedback, ou seja, um circuito em série.

A figura a seguir mostra o diagrama de blocos da realimentação em série da corrente, pelo qual é evidente que o circuito de realimentação é colocado em série com a saída e também com a entrada.

Como o circuito de feedback é conectado em série com a saída e a entrada também, a impedância de saída e a impedância de entrada são aumentadas.

Feedback do Shunt Atual

No circuito de realimentação do shunt de corrente, uma fração da tensão de saída é aplicada em série com a tensão de entrada através do circuito de realimentação. Isso também é conhecido comoseries-driven shunt-fed feedback, ou seja, um circuito série-paralelo.

A figura abaixo mostra o diagrama de blocos da realimentação do shunt de corrente, pelo qual é evidente que o circuito de realimentação é colocado em série com a saída, mas em paralelo com a entrada.

Como o circuito de feedback é conectado em série com a saída, a impedância de saída aumenta e, devido à conexão paralela com a entrada, a impedância de entrada diminui.

Vamos agora tabular as características do amplificador que são afetadas por diferentes tipos de feedbacks negativos.

Características	Tipos de Feedback
Características	Voltage-Series	Tensão-Shunt	Current-Series	Corrente-Shunt
Ganho de tensão	Diminui	Diminui	Diminui	Diminui
Largura de banda	Aumentos	Aumentos	Aumentos	Aumentos
Resistência de entrada	Aumentos	Diminui	Aumentos	Diminui
Resistência de saída	Diminui	Diminui	Aumentos	Aumentos
Distorção harmônica	Diminui	Diminui	Diminui	Diminui
Ruído	Diminui	Diminui	Diminui	Diminui

O seguidor de emissor e o amplificador darlington são os exemplos mais comuns de amplificadores de feedback. Estes são os mais usados com várias aplicações.

Seguidor emissor

O circuito seguidor de emissor tem um lugar proeminente em amplificadores de feedback. O seguidor de emissor é um caso de circuito de realimentação de corrente negativa. É usado principalmente como um amplificador de último estágio em circuitos geradores de sinal.

As características importantes do Emitter Follower são -

Possui alta impedância de entrada
Possui baixa impedância de saída
É um circuito ideal para casamento de impedância

Todos esses recursos ideais permitem muitas aplicações para o circuito seguidor de emissor. Este é um circuito amplificador de corrente que não tem ganho de tensão.

Construção

Os detalhes de construção de um circuito seguidor de emissor são quase semelhantes aos de um amplificador normal. A principal diferença é que a carga R _L está ausente no terminal coletor, mas presente no terminal emissor do circuito. Assim, a saída é obtida do terminal emissor em vez do terminal coletor.

A polarização é fornecida pelo método do resistor de base ou pelo método do divisor de potencial. A figura a seguir mostra o diagrama de circuito de um Emissor Seguidor.

Operação

A tensão do sinal de entrada aplicada entre a base e o emissor, desenvolve uma tensão de saída V _o através de R _E , que está na seção do emissor. Portanto,

$$V_o = I_E R_E$$

Toda essa corrente de saída é aplicada à entrada por meio de feedback. Conseqüentemente,

$$V_f = V_o$$

Como a tensão de saída desenvolvida em R _L é proporcional à corrente do emissor, este circuito seguidor do emissor é um circuito de realimentação de corrente. Conseqüentemente,

$$\beta = \frac{V_f}{V_o} = 1$$

Também é observado que a tensão do sinal de entrada para o transistor (= V _i ) é igual à diferença de V _s e V _o , ou seja,

$$V_i = V_s - V_o$$

Portanto, o feedback é negativo.

Características

As principais características do seguidor de emissor são as seguintes -

Sem ganho de tensão. Na verdade, o ganho de tensão é quase 1.
Ganho de corrente e ganho de potência relativamente altos.
Alta impedância de entrada e baixa impedância de saída.
As tensões CA de entrada e saída estão em fase.

Ganho de tensão do seguidor do emissor

Como o circuito seguidor de emissor é proeminente, vamos tentar obter a equação para o ganho de tensão de um circuito seguidor de emissor. Nosso circuito seguidor de emissor é o seguinte -

Se um circuito equivalente CA do circuito acima for desenhado, ele se parecerá com o abaixo, já que o capacitor de desvio do emissor está ausente.

A resistência AC r _E do circuito emissor é dada por

$$r_E = r’_E + R_E$$

Onde

$$r’_E = \frac{25 mV}{I_E}$$

Para encontrar o ganho de tensão do amplificador, a figura acima pode ser substituída pela figura a seguir.

Observe que a tensão de entrada é aplicada através da resistência CA do circuito emissor, isto é, (r ' _E + R _E ). Supondo que o diodo emissor seja ideal, a tensão de saída V _out será

$$V_{out} = i_e R_E$$

A tensão de entrada V _in será

$$V_{in} = i_e(r’_e + R_E)$$

Portanto, o ganho de tensão do seguidor de emissor é

$$A_V = \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{i_e R_E}{i_e(r’_e + R_E)} = \frac{R_E}{(r’_e + R_E)}$$

$$A_V = \frac{R_E}{(r’_e + R_E)}$$

Na maioria das aplicações práticas,

$$R_E \gg r’_e$$

Portanto, A _V ≈ 1. Na prática, o ganho de tensão de um seguidor de emissor está entre 0,8 e 0,999.

Amplificador Darlington

O circuito seguidor de emissor que acabamos de discutir não atende aos requisitos de ganho de corrente do circuito (A _i ) e impedância de entrada (Z _i ). A fim de alcançar algum aumento nos valores gerais de ganho de corrente do circuito e impedância de entrada, dois transistores são conectados conforme mostrado no diagrama de circuito a seguir, que é conhecido comoDarlington configuração.

Conforme mostrado na figura acima, o emissor do primeiro transistor é conectado à base do segundo transistor. Os terminais do coletor de ambos os transistores são conectados juntos.

Análise de polarização

Por causa desse tipo de conexão, a corrente do emissor do primeiro transistor também será a corrente de base do segundo transistor. Portanto, o ganho de corrente do par é igual ao produto dos ganhos de corrente individuais, ou seja,

$$\beta = \beta _1 \beta _2$$

Um alto ganho de corrente geralmente é obtido com um número mínimo de componentes.

Como dois transistores são usados aqui, duas quedas V _BE devem ser consideradas. A análise de polarização é semelhante para um transistor.

Tensão em R ₂ ,

$$V_2 = \frac{V_CC}{R_1 + R_2} \times R_2$$

Tensão em R _E ,

$$V_E = V_2 - 2 V_{BE}$$

Atual através de R _E ,

$$I_{E2} = \frac{V_2 - 2 V_{BE}}{R_E}$$

Uma vez que os transistores são diretamente acoplados,

$$I_{E1} = I_{B2}$$

Agora

$$I_{B2} = \frac{I_{E2}}{\beta _2}$$

Portanto

$$I_{E1} = \frac{I_{E2}}{\beta _2}$$

Que significa

$$I_{E1} = I_{E1} \beta _2$$

Nós temos

$I_{E1} = \beta _1 I_{B1}$ Desde a $I_{E1} \cong I_{C1}$

Portanto, como

$$I_{E2} = I_{E1} \beta _2$$

Nós podemos escrever

$$I_{E2} = \beta _1 \beta _2 I_{B1}$$

Portanto, o ganho atual pode ser dado como

$$\beta = \frac{I_{E2}}{I_{B1}} = \frac{\beta _1 \beta _2 I_{B1}}{I_{B1}} = \beta _1 \beta_2$$

A impedância de entrada do amplificador Darling Ton é

$Z_{in} = \beta_1 \beta_2 R_E .....$negligenciando o r ' _e

Na prática, esses dois transistores são colocados em um único invólucro de transistor e os três terminais são retirados do invólucro, conforme mostrado na figura a seguir.

Este dispositivo de três terminais pode ser chamado de Darling ton transistor. O transistor darling ton atua como um único transistor que tem alto ganho de corrente e alta impedância de entrada.

Características

A seguir estão as características importantes do amplificador Darling ton.

Impedância de entrada extremamente alta (MΩ).
Ganho de corrente extremamente alto (vários milhares).
Impedância de saída extremamente baixa (alguns Ω).

Como as características do amplificador Darling ton são basicamente as mesmas do seguidor de emissor, os dois circuitos são usados para aplicações semelhantes.

Até agora, discutimos amplificadores com base em feedback positivo. O feedback negativo em circuitos de transistor é útil no funcionamento de osciladores. O tópico de osciladores é inteiramente coberto no tutorial Osciladores.

Um amplificador, enquanto amplifica apenas aumenta a força de seu sinal de entrada se ele contém informações ou algum ruído junto com as informações. Este ruído ou alguma perturbação é introduzido nos amplificadores devido à sua forte tendência para introduzirhum devido a mudanças repentinas de temperatura ou campos elétricos e magnéticos dispersos.

O desempenho de um amplificador depende principalmente deste ruído. Noiseé um sinal indesejado que cria perturbação no conteúdo do sinal desejado no sistema. Este pode ser um sinal adicional que é produzido dentro do sistema ou pode ser algum distúrbio acompanhado da informação desejada do sinal de entrada. No entanto, é indesejado e deve ser removido.

Um bom sistema é aquele em que o ruído gerado pelo próprio amplificador é pequeno em comparação com o ruído da fonte de entrada.

Ruído

O ruído é um unwanted signalque interfere com o sinal de mensagem original e corrompe os parâmetros do sinal de mensagem. Essa alteração no processo de comunicação, faz com que a mensagem seja alterada após o alcance. É mais provável que seja inserido no canal ou no receptor.

O gráfico a seguir mostra as características de um sinal de ruído.

Portanto, entende-se que o ruído é algum sinal que não tem padrão e nenhuma frequência ou amplitude constante. É bastanterandome imprevisível. Normalmente são tomadas medidas para reduzi-lo, embora não possa ser completamente eliminado.

Most common examples of noise are -

Som “silvo” em receptores de rádio
Som de “zumbido” em meio a conversas telefônicas
“Flicker” em receptores de televisão, etc.

Efeitos do ruído

O ruído é um recurso inconveniente que afeta o desempenho do sistema. Os efeitos do ruído incluem -

O ruído limita a faixa de operação dos sistemas - O ruído indiretamente coloca um limite no sinal mais fraco que pode ser amplificado por um amplificador. O oscilador no circuito do mixer pode limitar sua frequência por causa do ruído. A operação de um sistema depende da operação de seus circuitos. O ruído limita o menor sinal que um receptor é capaz de processar.
O ruído afeta a sensibilidade dos receptores - Sensibilidade é a quantidade mínima de sinal de entrada necessária para obter a saída de qualidade especificada. O ruído afeta a sensibilidade de um sistema receptor, que eventualmente afeta a saída.

A relação sinal-ruído

Quando um sinal é recebido e precisa ser amplificado, primeiro o sinal é filtrado para remover qualquer ruído indesejado, se disponível.

A relação entre o sinal de informação presente no sinal recebido e o ruído presente é chamada de Signal to Noise ratio. Essa proporção deve ser mais alta para um sistema, de modo que ele produza um sinal de informação puro, não afetado pelo ruído indesejado.

O SNR pode ser entendido como

$$SNR = \frac{P_{signal}}{P_{noise}}$$

SNR é expresso em base logarítmica usando decibéis.

$$SNR_{db} = 10 log_{10}\left (\frac{P_{signal}}{P_{noise}} \right )$$

A relação sinal-ruído é a ratio of the signal power to the noise power. Quanto maior o valor de SNR, maior será a qualidade da saída recebida.

Tipos de ruído

A classificação do ruído é feita em função do tipo de fonte, do efeito que mostra ou da relação que tem com o receptor, etc.

Existem duas maneiras principais de produzir ruído. Um é através de algunsexternal source enquanto o outro é criado pelo internal source, dentro da seção do receptor.

Fonte externa

Este ruído é produzido pelas fontes externas que podem ocorrer no meio ou canal de comunicação, normalmente. Este ruído não pode ser completamente eliminado. A melhor maneira é evitar que o ruído afete o sinal.

Os exemplos mais comuns deste tipo de ruído são -

Ruído atmosférico (devido a irregularidades na atmosfera)
Ruído extraterrestre, como ruído solar e ruído cósmico
Ruído industrial

Fonte Interna

Este ruído é produzido pelos componentes do receptor durante o funcionamento. Os componentes dos circuitos, devido ao funcionamento contínuo, podem produzir poucos tipos de ruído. Esse ruído é quantificável. Um projeto de receptor adequado pode diminuir o efeito desse ruído interno.

Os exemplos mais comuns deste tipo de ruído são -

Ruído de agitação térmica (ruído Johnson ou ruído elétrico)
Ruído de tiro (devido ao movimento aleatório de elétrons e lacunas
Ruído do tempo de trânsito (durante a transição)
Ruídos diversos são outro tipo de ruído que inclui tremulação, efeito de resistência e ruído gerado pelo mixer, etc.

Finalmente, isso dá uma ideia geral de como será um ruído e como ele pode afetar o amplificador, embora presente na seção do transmissor ou receptor. Os amplificadores que amplificam sinais baixos e, portanto, amplificam o ruído em um nível baixo podem ser chamados de amplificadores de baixo ruído.

Todos os tipos de amplificadores discutidos estão mais ou menos sujeitos a ruídos de uma forma ou de outra. O desempenho de um amplificador determina sua eficiência para lidar com os fatores indesejados.

Amplificadores - Guia Rápido

Tipos de Materiais

Semicondutores

Junção PN

Polarização de um diodo

Condição de polarização direta

Condição de polarização reversa

Usos de um transistor

Detalhes de construção de um transistor

Emissor

Base

Colecionador

Transistor Biasing

Operação do Transistor PNP

Operação do transistor NPN

Vantagens dos transistores

Configuração de Base Comum (CB)

Fator de amplificação atual (α)

Expressão para corrente de coletor

Características da configuração CB

Configuração do Emissor Comum (CE)

Fator de amplificação de corrente de base (β)

Relação entre β e α

Expressão para corrente de coletor

Joelho Tensão

Características da configuração CE

Configuração de coletor comum (CC)

Fator de Amplificação Atual (γ)

Relação entre γ e α

Expressão para coletor atual

Características da configuração CC

Transistor Biasing

Região ativa

Região de Saturação

Região de Corte

Características de saída

Linha de carga

Linha de carga DC

Para obter A

Para obter B

Linha de carga AC

Linha de carga AC e DC

Amplificação fiel

Fatores-chave para amplificação fiel

Corrente de coletor de sinal zero adequada

V BE Mínimo Adequado a qualquer momento

V CE Mínimo Adequado a qualquer momento

Amplificador de transistor

Exemplo

Desempenho do amplificador

Resistência de entrada

Resistência de saída

Carga Coletora Eficaz

Ganho Atual

Ganho de tensão

Ganho de potência

Transistor Biasing

Necessidade de polarização DC

Fatores que afetam o ponto operacional

Estabilização

Necessidade de estabilização

Dependência de temperatura de I C

Variações Individuais

Escapamento térmico

Fator de Estabilidade

Método do resistor de base

Vantagens

Desvantagens

Coletor para polarização de base

Polarização com resistor de feedback do coletor

Vantagens

Desvantagens

Método de polarização do divisor de tensão

Corrente de coletor, I C

Tensão Coletor-Emissor, V CE

Fator de Estabilidade

Compensação de diodo para instabilidade

Compensação de diodo para instabilidade devido à variação V BE

Compensação de diodo para instabilidade devido à variação de I CO

Outras Compensações

V _BE Mínimo Adequado a qualquer momento

V _CE Mínimo Adequado a qualquer momento

Dependência de temperatura de I _C

Corrente de coletor, I _C

Tensão Coletor-Emissor, V _CE

Compensação de diodo para instabilidade devido à variação V _BE

Compensação de diodo para instabilidade devido à variação de I _CO

Capacitor de entrada C _em

Capacitor de acoplamento C _C

Capacitor de desvio do emissor C _E

O resistor de carga R _L

O capacitor de entrada C _em

O capacitor de desvio de emissor C _e

Capacitor de acoplamento C _C