CRITÉRIOS DE PROJETO DE AMPLIFICADORES CLASSE A (PEQUENOS SINAIS)
1. Dados Iniciais Em geral, o ponto de partida para o projeto de um am plificador está em saber os seguintes dados: O
y
valor da Fonte DC disponível para alimentação do circuito (5V, 10V, 12V,..., simétrica ou não, etc.)
Em geral, a Fonte DC tem valor pré-definido, pois um estágio amplificador normalmente é apenas um circuito entre vários de um sistema; por outro lado, se o circuito amplificador é o único ou o elemento central do projeto, deve-se dimensionar a Fonte DC com base nos critérios e requisitos do amplificador; y
A
especificação da Carga para a qual o sinal do amplificador será entregue (resistência ou
impedância, potência ou corrente requerida); y
A
especificação da Fonte de Sinal
AC
a ser aplicada à entrada do amplificador (resistência ou
impedância de saída, tensão nominal e etc.). No projeto de amplificadores, não há como considerar as informações acima mencionadas de forma dissociadas. Por exemplo, para especificar o Ganho de Tensão e, por conseqüência, o número de estágios amplificadores é necessário considerar: a tensão de saída necessária para entrega da potência requerida na carga, o que está relacionado com o valor do resistor de coletor, tanto para garantir a máxima transferência de tensão como o próprio ganho de estágio; sendo que Rc define o ponto-de-operação (nível DC) e, por tabela, a FLE do amplificador.
2.
Considerações Iniciais 2.1. Com respeito aos amplificadores de pequenos sinais, como em questão, devemos considerar que não é aconselhável trabalhar com sinais de entrada superiores a 2,5mV, a fim de evitarmos distorções no sinal de saída; 2.2. Justamente por conta da distorção, não é muito comum o projeto de estágios com ganhos superiores a 250. Além disso, visto que a resistência de coletor, além de usada no cálculo do ganho de tensão (Av), define também a resistência (impedância) de saída; 2.3. Existem critérios básicos aplicados a cada tipo de configuração de amplificadores com BJT; ou seja, os critérios aplicados a uma configuração emissor-comum possuem distinções as da configuração coletor-comum; haja visto as peculiaridades de aplicação de cada uma destas configurações; 2.4.
Amplificadores
de tensão, caso típico da configuração emissor-comum, implicam numa
preocupação com a máxima transferência de tensão da Fonte de Sinal exemplo, 2.5.
Amplificadores
) e do amplificador à carga (por exemplo,
AC
);
de corrente, caso típico da configuração coletor-comum, implicam numa
preocupação com a máxima transferência de tensão da Fonte de Sinal (
ao amplificador (por
AC
) e a máxima transferência de potência do amplificador para a carga (
ao amplificador );
3.
Exemplo de Projeto
Vejamos o projeto de um circuito amplificador que deverá amplificar um sinal AC de 2,5mVPICO para entregálo a uma carga de 16 (resistência típica da associação em série de dois alto-falantes) com, pelo menos, 10mW de potência. Considere a resistência de saída da fonte (R S) igual a 50 (típico da saída de um gerador de sinais). 3.1.Etapas
de projeto
Este é um exemplo típico em que são necessários, no mínimo, dois estágios amplificadores: um para amplificação de tensão (emissor-comum) e outro para amplificação de corrente (coletor-comum) para entregar a potência requerida na carga. Na verdade, para amplificação de tensão trabalharemos com dois estágios: um de pré-amplificação no qual usaremos uma configuração emissor aterrado, via capacitor de bypass, na topologia com divisor de tensão na base e outro estágio de amplificação linearizada, também, na topologia divisor de tensão na base. Para amplificação de corrente usaremos uma configuração coletor-comum.
O
acoplamento entre os diversos
estágios será capacitivo. O
esquema geral do circuito amplificador é dado abaixo.
Os
valores dos componentes e a especificação dos
transistores serão obtidos em projeto a seguir. 3.1.1.
Modelo AC do Circuito Amplificador
Através
do modelo
AC
do circuito amplificador podemos identificar os principais parâmetros que deverão
ser especificados para dimensionamento dos componentes do circuito. 3.1.1.1. Desenho Esquemático
3.1.1.2. Cálculo
do Ganho de Tensão do circuito
Em nossa introdução, ressaltamos que é muito difícil correlacionar os critérios para os diversos parâmetros de um amplificador a transistor quando se tenta trabalhar com ganhos acima de 200 em um único estágio. Portanto, no presente caso, serão implementados dois estágios de amplificação de tensão; o primeiro com ganho pouco acima de 100 e o segundo com ganho bem menor, por conta da linearidade. No total, poderemos obter ganho de tensão acima de 200. 3.1.2.
Estágio Pré-Amplificador de Tensão
Conforme já mencionado, neste estágio será empregada uma configuração emissor-comum com emissor aterrado via capacitor de bypass na topologia com divisor de tensão na base.
A
opção por essa configuração
se deve ao requerimento de ganho elevado sem a necessidade de elevada resistência de entrada, sendo suficiente algumas unidades de kilo- Ohms, e sem muita preocupação com distorções devido ao rE. 3.1.2.1. Cálculo
do Ganho de Tensão do circuito
3.1.2.2. Esquema Elétrico
3.1.2.3. Cálculo
da Corrente de Polarização, ICQ
3.1.2.4. Cálculo
do Valor da Fonte de Alimentação DC, VCC
± ² ² ±
Ù Ù Ù ± 3.1.2.5. Cálculo
do Valor dos resistores: RC e RE
3.1.2.6. Cálculo
do Valor de , R1 e R2
3.1.2.7. Cálculo
dos Capacitores (C1, C2 e C3)
Ù Ù ±
3.1.2.8. Esquema
Elétrico do Projeto Completo
VCC
VCC
V1 9V
Rc R1 2.2k 100k C2
0
Rs
50R Vs
Q1
C1
10uF V
10uF
BC548B
R9 22k
R2 VOF F = 0V V AMP L = 1 m V F RE Q = 1k H z
Re 75k
C3 2.2k 100uF
0
3.1.3.
0
0
0
Estágio Amplificador de Corrente
3.1.3.1. Esquema Elétrico
0
3.1.3.
Estágio Amplificador de Corrente
3.1.3.1. Esquema Elétrico
3.1.3.2. Cálculo
do Ponto de Polarização (IEQ e VEQ )
± ± ±
3.1.3.3. Cálculo
das Resistências (RE e RB )
3.1.3.4. Cálculo
dos Capacitores (C1, C2 e C3)
² Ù
3.1.3.5. Esquema
3.1.4.
2º
Elétrico do Circuito Projetado
Estágio Amplificador de Tensão
Dado que, no 1º Estágio, o ganho pouco acima de 100, uma entrada de 2,5mV resultara numa saída superior à 250mV. Para trabalhar com este nível de sinal, um amplificador precisa ser linearizado, ou seja, o ganho não poderá ser dependente de r E; portanto, deve-se empregar uma configuração emissor-comum sem capacitor de bypass (topologia com divisor de tensão na base). 3.1.4.1. Esquema Elétrico
3.1.4.2. Cálculo
do Ganho de Tensão do circuito
× ² ± ² Ù
3.1.4.3. Cálculo
da Corrente de Polarização, ICQ
3.1.4.4. Cálculo
do Valor dos resistores: RC e RE
3.1.4.5. Cálculo
do Valor de R1 e R2
Ù Ù ± Ù Ù ±
3.1.4.6. Cálculo
dos Capacitores (C1, C2 e C3)
