Este tutorial na verdade pretendia explicar a importância prática das conhecidas teorias de transistores, gráficos de características e usá-los para projetar um circuito amplificador de alto ganho usando um único transistor e um número mínimo de outros componentes.
Analisaremos certas características e teorias do transistor, resumiremos elas e, ao final deste tutorial, estaremos projetando um amplificador de alto ganho por conta própria.
Configuração de emissor comum:
Vamos considerar um circuito amplificador classe A de emissor comum, polarização fixa
Figura 1.
O equivalente híbrido do mesmo circuito é fornecido abaixo
Figura 2.
Aqui hi é a impedância encontrada por qualquer dispositivo conectado na entrada, enxada é a admitância na saída.
( hfe * ib ) forma uma fonte de corrente dependente de corrente onde hfe é a taxa de transferência de corrente direta e ib é a corrente de base. ( hre * Vce ) forma uma fonte de tensão dependente de tensão, o valor é muito baixo para que possamos ignorá-lo. hre é a relação de tensão reversa.
Portanto, podemos reduzir o circuito equivalente da seguinte forma:
Figura 3.
Pelas figuras 2 e 3, podemos observar que o BJT é um dispositivo acionado por corrente.
Ou, informação 1.
A mudança na corrente de entrada causa uma mudança correspondente na corrente de saída
Também podemos observar na figura acima que a corrente de saída (corrente de coletor) é diretamente proporcional à corrente de entrada (corrente de base).
Ou podemos explicar a relação usando a equação
Ic = hfe * ib ……………………………………………………………….….. equação 1.
Características do transistor
Características do transistor:
Agora, se traçarmos a corrente de saída ( ic ) Vs tensão de saída ( Vce ), para os diferentes valores da corrente de entrada ( ib )
vida = 100
Figura 4.
vida = 200
Figura 5
Região de saturação:
A região de saturação é a região na qual a corrente de saída aumenta de forma não linear com a tensão de saída para uma corrente de entrada específica..
Região de corte:
A região de corte mostra a corrente de saída para corrente de entrada zero.
Região ativa:
A região ativa é a região na qual a corrente de saída varia quase linearmente com a tensão de saída para todos os valores da corrente de entrada.
A partir das figuras acima (4 e 5), fica claro que, à medida que a vida aumenta duas vezes da figura 4 para a figura 5, o mesmo conjunto de corrente de entrada produz o dobro da corrente de saída que o anterior.
Podemos ver o efeito mais claramente na figura a seguir.
Assim temos as seguintes informações,
Para uma grande variação na corrente de saída correspondente à variação tipicamente pequena na corrente de entrada, é necessário um transistor com alta vida útil.
informação 2
À medida que a vida aumenta, a variação na corrente de saída correspondente à variação na corrente de entrada também aumenta.
Até agora vimos os gráficos com variação na corrente de saída correspondente à mudança na corrente de entrada. Agora vamos ver como a mudança na corrente de entrada afeta a tensão de saída.
Para o propósito acima, utilizamos a linha Load.
A linha de carga nada mais é do que uma linha reta conectando a corrente de saída máxima possível no eixo Y à tensão de saída máxima possível no eixo X.
Na linha de carga podemos encontrar a tensão de saída correspondente a uma determinada corrente de entrada.
Da figura acima temos as seguintes informações:
informações 3.
O valor máximo da corrente de saída é VCC/Rc e o valor mínimo é quase 0
informações 4.
O valor máximo da tensão de saída é VCC e o valor mínimo é quase 0
informações 5.
À medida que a corrente de entrada aumenta, a tensão de saída diminui
Agora vamos aplicar o conceito de linha de carga aos gráficos de transistores anteriores na figura 6.
Figura 8.
Pela figura acima, podemos observar que
informação 6.
À medida que a vida aumenta, a variação na tensão de saída correspondente às variações na corrente de entrada aumenta.
Agora, o que acontece se aumentarmos a inclinação da linha de carga?
Figura 9.
Pode-se observar que a mesma variação na corrente de entrada produz ainda mais alterações na tensão de saída do que os gráficos anteriores, à medida que aumentamos a inclinação da linha de carga.
A inclinação da linha de carga pode ser aumentada aumentando o valor de Rc.
Então, encontramos outra informação importante.
informações 7.
Rc aumenta, a variação na tensão de saída correspondente às variações na corrente de entrada aumenta.
Embora a oscilação de saída aumente com o aumento da inclinação, a faixa de entrada diminuiu significativamente.
Portanto, devemos ter em mente que,
Se aumentarmos a inclinação da linha de carga o máximo possível, devemos manter a corrente de entrada inicial (corrente de entrada quando não há sinal de entrada aplicado) tão pequena quanto possível para manter o dispositivo na região linear durante a oscilação completa da entrada, para obter o correspondente distorção menos saída.
A corrente de entrada pode ser reduzida aumentando o Rb. Pelas características do transistor fica claro que o pequeno valor da corrente de entrada permite uma ampla faixa de tensão de saída, ou seja, de quase zero até próximo de VCC.
Assim podemos dizer que,
informação 8.
Rb deve ser mantido extremamente alto, de modo a aumentar a faixa linear de oscilação da tensão de saída correspondente à corrente do sinal de entrada normalmente pequena
Figura 10.
Se estivermos usando um dispositivo na entrada que pode aumentar ou diminuir a corrente de entrada a partir de um valor médio, por exemplo, uma entrada senoidal. Nesses casos, para obter uma oscilação de saída completa correspondente à oscilação de entrada, devemos manter a corrente de saída inicial e a tensão de saída inicial em uma posição média chamada ponto Q, ou ponto quiescente.
O ponto Q é o ponto de operação no qual mantemos o amplificador, enquanto não há nenhuma entrada aplicada, para obter uma oscilação completa e sem distorção na saída correspondente a uma oscilação de entrada, sempre que um sinal de entrada dentro da faixa esperada for aplicado.
Na figura 10, Vce max é quase igual a VCC e Vce min quase igual a 0. Assim, podemos assumir que a saída pode oscilar entre 0 e VCC e, portanto, é apropriado manter a tensão de saída inicialmente na metade do VCC. Da mesma forma, ib min é quase igual a 0. Podemos assumir que a corrente de entrada oscila entre ib min e ib max e, portanto, é apropriado manter a corrente de entrada inicialmente em ib max/2.
Embora não haja nenhuma entrada presente,
VceQ deve ser VCC/2, ibQ deve ser ib max/2.
Ou,
informações 9.
O valor de Rc deve ser definido de forma que Vceq = VCC/2 para obter oscilação máxima da tensão de saída
informação 10.
O valor de Rb deve ser definido de forma que ibQ = ibmax/2 para permitir oscilação máxima de entrada
Resumo:
Para um amplificador de alto ganho,
1) Escolha um transistor com vida tão alta quanto possível para obter grandes variações na corrente de saída correspondentes às variações na corrente de entrada.
2) Rb deve ser mantido extremamente alto de modo a aumentar a faixa linear de oscilação da tensão de saída correspondente à corrente do sinal de entrada normalmente pequena, também o valor de Rb deve ser selecionado de modo a manter o ponto Q exatamente no meio da entrada esperada balanço atual.
3) Rc deve ser altamente valorizado para obter grandes variações na tensão de saída correspondentes às variações na corrente de saída, causadas pelas variações na corrente de entrada, que por sua vez causadas pelas variações na tensão do sinal de entrada aplicada.
Projetando um amplificador de ganho de alta tensão
Projetando um amplificador de ganho de alta tensão:
Então, vamos começar a projetar o circuito mostrado na figura 1.
Escolhemos o transistor BC109, pois ele tem vida em torno de 300.
Assumimos Vbe como 0,7 V para uma junção polarizada direta típica
Portanto VRb = 5 – 0,7V = 4,3 V
Vamos fixar a corrente de operação em 1uA, para isso temos que calcular o valor de Rb como,
Rb = 4,3 / (1 * 10-6) = 4,7 Mohms
Agora ic = hfe * ib
ic = 300 * ( 1 * 10-6 )
IC = 0,3 mA
Agora podemos calcular o valor de Rc como,
Rc = 2,5 / (3 * 10-4) = 8,2 Kohms.
Se precisarmos que apenas as variações na entrada apareçam amplificadas na saída, podemos usar capacitores de acoplamento em ambas as extremidades. O valor dos capacitores de acoplamento precisa ser calculado com base na frequência dos sinais que usamos.
Para amplificações de áudio, valores abaixo de 100mfd proporcionarão um desempenho razoável.
Este circuito pode ser usado como um amplificador de áudio de estágio único em que a entrada é alimentada por um microfone e no lado da saída podemos usar um alto-falante comum de 8ohm. Podemos usar um valor de resistência de 1k a 20K para puxar o microfone dependendo do seu tipo.
