Exp_5

Ampliador com estágio de saída classe AB
1- Introdução
Neste laboratório será estudado um ampliador com três estágios empregando transistores bipolares,
com aplicação na faixa de áudio freqüência. O estágio de entrada é composto por um amplificador
diferencial ligado a um segundo estágio do tipo emissor comum. A saída do segundo estágio aciona
um par de transistores complementares operando em classe AB. Para redução da distorção e
dependência do ganho com os parâmetros dos transistores é empregada a técnica de realimentação.
VI
Q1
Q2
RB3
Q3
Q4
Q5
VO
RB2
Figura 1.1. Diagrama de blocos do amplificador.
2- Primeiro e segundo estágios
O circuito do primeiro e segundo estágio é apresentado na figura 2.1. Os transistores Q1 e Q2
compõem o par diferencial da entrada, e o transistor Q3 um amplificador do tipo emissor comum. A
saída do segundo estágio é o ponto S2.
As resistências RB1 e RB2 fornecem a corrente de polarização para o par diferencial de entrada. A
saída do par, RC1, é ligada à base do transistor Q3 que tem RC3 como resistência de carga. O ganho
AC do amplificador em malha fechada é definido pelas resistências RB2 e RB3.
2.1- Operação
Para análise da operação do circuito vamos considerar RB1=RB2 e Q1≈Q2. A corrente de entrada deste
estágio, IB_Q1 e IB_Q2 causa uma queda de tensão sobre RB1 e RB2. Como RB1=RB2 e Q1≈Q2, temos
VRB1=VRB2. Deste modo, a tensão no ponto S2 deve estar no mesmo potencial do terminal do resistor
RB1 ligado ao terra, isto é, zero.
O elo de realimentação tende a manter a saída S2 no potencial zero na condição de repouso. Por
exemplo, a ocorrência de uma perturbação que venha a elevar a tensão VS2 acarreta um aumento em
IC_Q2. Como IEE é aproximadamente constante, a corrente IC_Q1 deve reduzir, aproximando o
potencial de base de Q3 com VCC. Deste modo, IC_Q3 diminui, levando a uma redução do potencial
na saída VS2 aproximando este valor para a condição inicial.
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1
VCC
RB1=RB2
RC1
Q3
Q1 Q2
IC_Q1
CB1
AI
Q1
IB_Q1
VI
IC_Q3
RB1
Q2
IB_Q2
A2
RB2
A3
T
S2
VS2
RB3
IREE
CB2
REE
RC3
VEE
Figura 2.1. Esquema do primeiro e segundo estágio do amplificador.
2.2- Ganho de tensão
O ganho de tensão em malha aberta pode ser determinado eliminando-se o elo de realimentação do
amplificador. Para tal, devemos imaginar que o sinal no ponto A2 é anulado interligando-se, por
exemplo, um capacitor entre este ponto e o terra. Em seguida devemos considerar o ganho do par
diferencial tendo como carga RC1 em paralelo com a resistência de entrada do segundo estágio, ri_s2.
Assim, o ganho do primeiro estágio, Av_s1, é dado por
− ( RC1 / / ri _ s2 )
Av _ s1 =
(2.1)
2re _ Q1
sendo ri _ s2 = rπ _ Q 3 = VT / I B _ Q 3 e re _ Q1 = VT / I E _Q1 . O ganho do segundo estágio, Av_s2, é dado por
Av _ s2 = − gmQ 3 × RC 3
(2.2)
sendo gmQ3 = I C _ Q3 / VT . O ganho do total, Av_t, será o produto entre Av_s1 e Av_s2. Deve-se notar que
este ganho é válido para pequenas variações de sinal. No caso de níveis mais elevados de excursão,
o ganho muda conforme as novas condições de operação dos transistores. Esta alteração do ganho
indica uma não linearidade do amplificador.
Para uma freqüência de operação tal que a impedância de CB2 seja bem menor que RB3, o ganho do
amplificador em malha fechada é dado por
Av _ t
Avf =
(2.3)
1 + Av _ t B
sendo B o fator de realimentação dado por RB 3 / ( RB 2 + RB 3 ) . Caso o ganho do amplificador seja
elevado, tal que 1 << Av_tB, a relação (2.3) pode ser simplificada para
1 R + RB 3
Avf ≈ = B 2
(2.4)
B
RB 3
2.3- Exemplo
Vamos considerar as tensões de alimentação com sendo VCC = 20V e VEE = -20V. Impondo
IEE = 1,6mA resulta IC_Q1 ≈ IC_Q 2 ≈ 0,8mA. Supondo βQ1 ≈ βQ 2 ≈ 100, temos IB_Q1 ≈ IB_Q 2 ≈ 8µA.
Adotando
RB1 = RB2 = 27kΩ,
temos
VRB1 ≈ VRB 2 ≈ 0,22V.
Como
VS2 = 0V,
resulta
VA1 ≈ VA 2 ≈ -0,22V. A tensão de repouso no ponto A3 é igual a V A 3 = −VRB1 − VBE 1 = −0,82 V ,
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2
supondo VBE_Q1 = 0,6V. Uma vez determinado o potencial do ponto A3, o valor de REE pode ser
calculado: REE = [ −0,82 − ( −20)] / 1,6 × 10−3 = 12kΩ.
O valor de RC1 pode ser escolhido de modo a gerar uma tensão um pouco maior que 1 VBE para a
corrente de coletor de repouso de Q1, IC_Q1. Assim, RC1 = 0,6 / 0,8 × 10−3 =750Ω, podendo ser
adotado o valor comercial de 820Ω.
O valor de RC3 pode ser determinado em função da corrente de coletor de repouso de Q3, IC_Q3.
Supondo que o valor desejado para IC_Q3 seja 16mA, como VS2 = 0, temos
RC3 = 20 / 16 × 10 −3 ≈1,2kΩ,
O ganho de tensão de malha aberta depende da condição de operação dos transistores. Vamos
estimar este ganho na condição de repouso, IC_Q1 ≈ IC_Q 2 ≈ 0,8mA e IC_Q3 ≈ 16mA . No primeiro
estágio temos ri _ s2 = 26 × 10−3 / 160 × 10−6 = 162Ω, e re _Q1 = 26 × 10−3 / 0,8 × 10−3 =32,5Ω, resultando
Av _ s1 = − (820 / /162) / 2 × 32,5 = -2,1. No segundo estágio gmQ3 = 16 × 10−3 / 26 × 10−3 = 615mA/V,
resultando Av _ s2 = 0,615 × 1,2 × 103 = -738. Deste modo, Av _ t = 2,1 × 738 ≈1550 na condição de
repouso do amplificador.
Para determinação do ganho AC do circuito realimentado é necessário determinarmos o valor o fator
de realimentação B. Supondo RB3=2,2kΩ, temos B= 2,2 / (27 + 2,2) =0,0752. Como 1 << Av_tB,
podemos adotar a relação (2.4), resultando Avf = 13,3. Note que o valor do ganho realimentado
tende a permanecer constante, apesar da variação do ganho do amplificador em malha aberta
enquanto 1 << Av1_2B for válido. O resultado, portanto, é um amplificador mais linear devido ao elo
de realimentação.
3- Estágio de saída
No estágio de saída de um ampliador a corrente entregue à carga, bem como a excursão do sinal,
possuem níveis mais elevados que os estágios precedentes. Considerando estes dois fatos, é
importante que este estágio opere com eficiência para redução de perdas e dissipação de potência.
Os tipos de estágios de saída são classificados em função do período em que o elemento de saída
ativo, normalmente um transistor, está em condução. Na figura 3.1 são ilustrados alguns tipos:
classe A (condução 360o), classe B (condução 180o) e classe AB (condução ligeiramente maior que
180o).
corrente
corrente
corrente
Classe A
180
360
angulo de
condução
Classe B
180
360
angulo de
condução
Classe AB
180
360
angulo de
condução
Figura 3.1. Intervalo de tempo de condução para estágios de saída tipo A, B e AB.
Roberto d'Amore - Lab. EEA-46 Ampliador com estágio de saída classe AB - revisão 2.4
3
À esquerda da figura 3.2 é ilustrado um circuito de um estágio classe B com transistores bipolares.
O funcionamento pode ser entendido supondo-se a entrada vI com um nível de tensão positiva acima
de 0,6V. Nesta condição, o transistor QN conduz operando como um seguidor de emissor e o
transitor QP entra em corte. A tensão de saída segue a entrada com uma queda de 1 VBE,
vO = v I − v BE _ QN . Para uma tensão de entrada negativa o processo é revertido. A tensão vI menor que
-0,6V leva QP a condução e o transitor QN ao corte. Para uma tensão de entrada −0,6V < v I < 0,6V
os dois transistores permanecem em corte e tensão de saída é igual a zero. Nesta região é
introduzida uma não linearidade na saída denominada distorção de cruzamento (crossover). No
centro da figura 3.2 é apresentada a curva de transferência do circuito supondo que os transistores
entrem em condução com VBE > 0,6V (NPN) e VBE < -0,6V (PNP). A direita da mesma figura é
ilustrada a distorção introduzida pelo circuito quando acionado por uma forma de onda triangular.
VI
VCC
VI < -0,6V
QN
0.6
VI > 0,6V
t
-0.6
VO
VCC
VI
VO
carga
VO
QP
-0.6
VEE
VI
0.6
t
-VEE
Figura 3.2. Estágio classe B com transistores bipolares.
A distorção de cruzamento do estágio classe B pode ser reduzida pela aplicação de uma tensão de
polarização entre os terminais de base dos transistores, vide o esquema da esquerda na figura 3.3.
Na condição de repouso, a tensão VP mantém os dois transistores conduzindo em um nível de
corrente baixo. Uma elevação da tensão de entrada não altera a tensão entre a base dos transistores;
entretanto, a tensão VBE_QN sofre uma elevação e a tensão VBE_QP é reduzida. Deste modo, a elevação
da tensão VI leva o transitor QN a conduzir um nível de corrente maior e reduz o nível de corrente
sobre QP. A situação reversa se aplica quando a tensão de entrada torna-se negativa. Assim, devido
a tensão de polarização VP o cruzamento por zero na saída ocorre de maneira suave devido a
condução simultânea dos transistores nesta região. Deve-se notar, que ocorre uma dissipação de
potência extra devido a condução simultânea dos transistores.
VCC
VCC
R
QN
QN
VP / 2
VI
VP / 2
VO
carga
VI
D1
RE1
D2
RE2
QP
VO
carga
QP
R
VEE
VEE
Figura 3.3. Estágio classe AB com transistores bipolares.
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4
O esquema do lado direito da figura 3.3 ilustra uma possível implementação de um estágio classe B.
Os diodos D1 e D2 geram uma tensão de aproximadamente dois VBE para polarização dos
transistores QN e QP. A corrente de repouso do estágio de saída é definida pelas resistências RE1 e
RE2, e a queda de tensão sobre D1 e D2.
4- Amplificador
O circuito completo do amplificador é apresentado na figura 4.1. Convém destacar duas pequenas
alterações no circuito. A primeira refere-se à interligação entre a saída do segundo estágio, ponto S2,
e à entrada do par de transistores operando em classe AB. Foram inseridos os diodos D1 e D2 entre o
coletor do transitor Q3 e a sua resistência de carga, RC3. A segunda alteração é quanto ao ponto de
tomada da realimentação; como a saída do circuito é o ponto SO, e o último estágio não causa a
inversão no sinal, a amostra do sinal deve ser feita neste ponto.
A operação do circuito é semelhante à descrita no item 2. O estágio de saída não introduz nenhum
ganho de tensão, e a saída SO segue o nível de tensão do ponto S2’. Devido ao ganho de corrente
proporcionado pelo estágio de saída, é possível acionar cargas mais elevadas. Como a realimentação
é tomada no ponto SO a resistência de saída do amplificador é reduzida por (1+Av_tB) vezes.
VCC
RC1
Q3
IC_Q1
Q4
S2
D1
CB1
AI
Q1
Q2
A2
RB2
IB_Q1
VI
RB1
RE4
IB_Q2
S2'
RB3
IREE
CB2
RE5
So
VSO
D2
S2''
Q5
REE
RC3
VEE
Figura 4.1. Esquema do amplificador completo.
5- Preparação
5.1- Desenhe a curva característica de transferência dos circuitos da figura 5.1. Indique as
coordenadas dos pontos notáveis em função de VCC e VEE. Considere que os transistores entram em
condução para VBE > 0,6V (NPN) e VBE < -0,6V (PNP), e a tensão VCE na região de saturação é igual
a zero, VCE_SAT = 0V.
5.2- No circuito da figura 5.2 a saída do amplificador operacional é interligada a um estágio de saída
não linear. Desenhe as formas de onda solicitadas na figura. Considere o ganho do amplificador
operacional muito elevado, e a excursão da tensão em sua saída limitada às tensões de alimentação.
Recorde que o elo de realimentação tende a corrigir a não linearidade introduzida pelo estágio de
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5
saída. Note que esta correção pode não ser atingida integramente, caso a saída VA não consiga
atingir a tensão necessária.
VCC
QN
VCC
QN1
VCC= -VEE
VCC= -VEE
QN2
R
VI
VO
R
VI
QP2
QP
VO
carga
QP1
VEE
VEE
Figura 5.1.
5.3- Projete um amplificador com dois estágios conforme o esquema da figura 2.1. Imponha para a
condição de repouso: IEE = 2,4mA e IC_Q3 = 17mA. Com relação aos transistores Q1 e Q2 considere:
βQ1 ≈ βQ 2 ≈ 100 e VBE = 0,6V para IC = 1,2mA. Adote RB1 = RB2 = 33kΩ. As tensões de alimentação
disponíveis são: VCC = 12V e VEE = -12V.
5.4- No amplificador projetado, item 5.3, qual o ganho de tensão do conjunto realimentado para
RB3 = 3,9kΩ? Suponha válida a relação (2.4).
5.5- Considere agora que o amplificador projetado no item 5.3 terá a sua saída interligada a um
estágio de saída conforme o esquema da figura 4.1. Comente, de maneira sucinta, as alterações que
poderão ocorrer no ponto de polarização DC do circuito e no ganho de tensão do circuito
realimentado.
vi
estágio de
saída
vB
+12V
5
9
t
1
+
Vi
VA
1
-1
1
-
1
-5
vB
vA
1
vO
-9
vA
t
-12V
R
vB
R
t
Figura 5.2.
6. Parte prática
6.1- Estágio de saída operando em classe B. Monte o circuito da figura 6.1 no lado direito da placa
de montagem. Siga a sugestão apresentada ao lado da figura. Reserve um espaço na parte esquerda
da placa (próximo dos terminais de ligação) para os próximos itens. Observe que as ligações com as
fontes de alimentação devem ser feitas diretamente aos terminais.
Roberto d'Amore - Lab. EEA-46 Ampliador com estágio de saída classe AB - revisão 2.4
6
6.2- Verifique o comportamento do circuito da figura 6.1 para dois casos: um sinal com uma
amplitude de 1VPP e um sinal com uma amplitude de 3VPP. Para ambos os casos empregue uma
freqüência de 1kHz. Apresente no relatório a forma de onda do sinal Vo de maneira similar ao
esboço proposto no lado direito da figura 5.2, e comente os resultados obtidos.
VCC= +12V
VEE= -12V
VCC
QP
QN
QN
TIP29
vo
vI
VI
VO
QP
TIP30
VEE
RL
7,5Ω
RL
ligue diretamente +12V
aos bornes da
-12V
placa de montagem 0V
Figura 6.1. Estágio classe B.
6.3- Primeiro e segundo estágio do amplificador. Monte ao lado do circuito anterior o esquema da
figura 6.2 conforme a sugestão apresentada. Observe que um novo componente foi introduzido no
circuito, o capacitor C3.
6.4- Ponto de operação DC (primeiro e segundo estágios). Sem a aplicação de nenhum sinal meça
os valores solicitados na tabela 6.1 e compare com os valores esperados (item 5.3).
6.5- Ganho do amplificador (primeiro e segundo estágios). Ainda no circuito da figura 6.2, preencha
a tabela 6.2 para levantar o ganho de tensão do amplificador Avf = vSo 2 vi . Comente os resultados.
6.6 (opcional)- Remova o capacitor C3 e observe o que ocorre na saída. Qual seria a explicação?
Tabela 6.1. Ponto de operação DC - primeiro e segundo estágios.
VA3
VREE
IREE
teórico
prático
VRC3
ICQ_3=IRC3
Tabela 6.2. Ganho de tensão - primeiro e segundo estágios.
RB2
RB3
Avf teórico
vi
0,4Vpp
1,0Vpp
vSo2
Avf
prático
6.7- Amplificador completo. Monte o esquema da figura 6.3 conforme sugestão apresentada na
figura 6.4. Mantenha os terminais de coletor dos transistores Q4 e Q5 ligados diretamente aos
terminais de ligação da placa de montagem, para evitar interferência entre o estágio de saída e os
estágios anteriores. Os componentes em destaque servem para identificar os pontos que sofreram
alterações com relação às montagens dos itens anteriores. Os capacitores CVCC e CVEE previnem
interferências introduzidas pela fiação. Coloque-os nas linhas de alimentação da placa de
montagem.
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7
VCC= +12V
VEE= -12V
VCC
VCC
VCC
Q3
C3
T1
CB1
Q1
BC557
Q2
BC547 BC547
RB1
RB2
A3
SO2
33k
vI1
RB3
33k
vS2
3,9k
REE
CB2
10µ
VEE
Q2
Q3
RC1
220p
Q1
0.1µ
vI
+12V
RC1
RC3
CB1
REE
RB1
C3
RB3
RB2
CB2
RC3
0V
VEE
vS2
-12V
Figura 6.2. Circuito amplificador - primeiro e segundo estágios.
6.8- Verificação do ponto DC de operação. Com o ponto T conectado à saída SO ligue o circuito.
Caso algum componente esteja muito aquecido ou a tensão de alimentação não esteja correta,
desligue imediatamente a fonte de alimentação e verifique as ligações. Preencha os valores da tabela
6.3 e comente os resultados.
Tabela 6.3. Ponto de operação DC - amplificador completo.
VA3
VREE
IREE
VRC3
teórico
prático
IC_Q3=IR3
VSO
6.9- Ganho do ampliador completo. Preencha a tabela 6.4 para levantar o ganho de tensão do
amplificador, Avf = vSo vi . Comente os resultados; ocorreu alteração no ganho com relação ao item
6.5? Caso não tenha ocorrido alterações no ganho de tensão, qual a finalidade do estágio de saída?
Tabela 6.4. Ganho de tensão - primeiro e segundo estágios.
RB2
RB3
Avf teórico
vi
0,4Vpp
1,0Vpp
vSo
Avf
prático
6.10 (opcional)- Excursão do sinal na saída. Observe o sinal na saída e aumente a tensão de entrada
até que a forma de onda comece a apresentar distorção. Troque a resistência de carga por um valor
mais elevado e observe o novo limite. Qual seria o motivo da limitação na excursão da saída
(sugestão: considere o β dos Q4 e Q5 transistores)? Como poderia ser contornado este problema?
6.11 (opcional)- Funcionamento do amplificador com o estágio de saída operando em classe B. Para
alterar o estágio de saída, interligue os pontos S2 e S2’’ com um fio. Aplique um sinal na entrada e
verifique o pequeno aumento da distorção na saída no cruzamento por zero. Para facilitar a
observação aumente a freqüência do sinal de entrada, 15kHz por exemplo. Qual seria a limitação
que estaria impossibilitando a correção da linearidade do estágio de saída?
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8
VCC
CVCC
RC1
10µF
VCC
Q3
BC557
C5
S2
Q4
220pF
CB1
0,1µF
AI
A3
Q1
BC547
VI
Q2
D1
RB2
A2
33kΩ
RB1
33kΩ
CB2
REE
0,47Ω
So
T
So
RE5
S2'
3,9kΩ
RE4
1N914
RB3
BC547
TIP29
VSO
0,47Ω
D2
RL
8Ω
1N914
vide
texto
Q5
TIP30
S2''
10µF
RC3
CVEE
VEE
10µF
VEE
Figura 6.3. Circuito do amplificador completo.
Q4
+12V
vS2
Q1
Q2
Q3
D1
vS2'
RC1
vI
CB1
C3
REE
vide
texto
RB3
RB2
RB1
0V
-12V
Q5
CB2
+12V
RC3
-12V
D2
RE4
RL
RE5
vSO
0V
Figura 6.4. Sugestão para montagem - amplificador completo.
6.12 (opcional)- Funcionamento do amplificador com o estágio de saída operando em classe B e
realimentação no ponto S2. Mantendo a ligação do item 6.8 altere a tomada do ponto de
realimentação T para S2. Repita a operação do item 6.8 e verifique o aumento da distorção. Explique
em poucas palavras o motivo.
6.13 (opcional)- Operação com sinal de áudio. Retorne as ligações conforme o esquema da figura
6.3, removendo as alterações introduzidas nos itens 6.9 e 6.10. Troque a resistência de carga por um
auto falante acondicionado numa caixa acústica e aplique na entrada do amplificador um sinal de
áudio proveniente de toca fitas ou rádio. Faça uma avaliação do desempenho do amplificador para
diferentes condições de volume, observando a saída no osciloscópio.
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9