01 amplificadores elementares transistorizados

EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2016

Amplificadores Elementares Transistorizados

Prof. Jader A. De Lima

• Amplificadores Básicos (Estágio Simples)

• Transistores Bipolares (BJTs)• Transistores MOS (MOSFETs)

Amplificador linear: A = d(Vout)/d(Vin) = constante

AttenuationMeans loss of energy weaker signalWhen a signal travels through a medium it loses energy

overcoming the resistance of the mediumAmplifiers are used to compensate for this loss of energy

by amplifying the signal.

Measurement of Gain/Attenuation

To show the loss or gain of energy the unit “decibel” is used.

dB = 10log10P2/P1

P1 - input signal

P2 - output signal

Suppose a signal travels through a transmission medium and its power is reduced to one-half. This means that P2 is (1/2)P1. In this case, the attenuation (loss of power) can be calculated as

A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing one-half the power.

2log20VVAVdB

2log20IIAIdB

A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing 0.707 of voltage (current).

Decibel is also used to measure signal power in milliwatts. In this case, it is referred to as dBm and is calculated as dBm = 10 log10 Pm , where Pm is the power in milliwatts.

A power level of 0 dBm corresponds to a power of 1 milliwatt.

Ex: Power of a signal with dBm = −30.

(a) Thévenin (b) Norton

Representação de uma fonte de sinal

Amplificador de tensão como quadripolo

• rin: resistência de pequenos-sinais de entrada• rout: resistência de pequenos-sinais de saída• Av : ganho de tensão em aberto Av = (Vout/Vin)

• Caso prático: • carga do amplificador (RL)• Resistência da fonte de sinal (RS)

• Há algum efeito no ganho total Vout/Vs?

Linvout

RrRVAV

RrrVsV

atenuação do sinal

Exercício: determinar o ganho total na cadeia de 3 estágios. Verificar que o ganho total difere de 10 x 100 x 1

• modelo pequenos-sinais BJT

• modelo pequenos-sinais MOSFET

• Tipos de Amplificadores

Amplificador de tensão Amplificador de corrente

Amplificador de transresistenciaAmplificador de transcondutância

Typical magnitude response of an amplifier. |T(v)| is the magnitude of the amplifier transfer function - that is, the ratio of the output Vo(v) to the input Vi(v).

1. Montagem Emissor-Comum (CE: common emitter)• terminal de emissor é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à base• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do coletor

Amplificadores Básicos a BJT

• Ganho de tensão (condição de contorno: coletor em aberto):

out vgvgRv

0Ioutin

outV Rg

Observa-se que:

i)em relação à entrada, a saída apresenta inversão de fase. ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância gm = IC/VT, sendo IC a corrente de DC do coletor e VT é a tensão térmica (@ 25mV@300oK).

Ex: no caso de Av = -38.5, tem-se as correspondentes formas de onda, para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV (admite-se que a alimentação VCC seja suficientemente alta para permitir a excursão de saída)

• Resistência de Entrada:

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (condição de contorno: coletor em aberto, ou iout = 0):

x0ioutin

• Resistência de Saída:

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída (condição de contorno: curto-circuito à entrada (vin = 0):

vgRvi m

x0vinout R

• A polarização de Q1 em sua região ativa é fundamental para que o amplificador opere em sua região linear.

• O ponto quiescente Q é caracterizado por IBQ, ICQ e VCEQ

• formas de onda referentes a uma entrada triangular.

• Polarização do transistor

Equivalente Thévenin para cálculo do ponto quiescente

RTh = RB1 // RB2

VTh = VCC RB2 / ( RB1 + RB2 )

IB = (VTh - VBE ) / RTh + ( +1) RE AV - (RC / RE )

→ Presença de RE estabiliza o ganho

• DC:

2. Montagem Base-Comum (CB: common base)

• terminal de base é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado ao emissor• sinal de saída – em fase - é retirado do coletor

• Ganho de tensão (coletor em aberto):

vgRv mCout

0Ioutin

outV Rg

• Embora o ganho de tensão seja idêntico – em módulo – ao apresentado pela montagem CE, a saída está agora em fase com a entrada.

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (coletor em aberto, ou iout = 0):

TE0ioutin

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):

IVrcer

oC0vinout r//Rr

3. Montagem Coletor-Comum (CC: common collector)

• terminal de coletor é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à base• sinal de saída – em fase - é retirado do emissor • montagem CC também é chamada de seguidor de emissor

• Ganho de tensão (emissor em aberto, Iout = 0):

outin vvv

EEEmEout

rvvgRv

Eoutin

E0ioutin

• para rE << RE, tem-se um ganho de tensão aproximadamente unitário, estando os sinais de entrada e saída em fase.

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (emissor em aberto, ou iout = 0):

rvRgRvv

xin Rr

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por simples inspeção visual:

1Rr//Rr S

SeE0vinout

3a. Estágio de Saída Push-Pull Classe B

Estágio Push-Pull em Classe B

- Vcc + Vcesatp

Vcc - Vcesatn

VbenVbep

crossover

3b. Estágio de Saída Push-Pull classe AB(eliminar distorção de cruzamento)

push-pull com multiplicador de VBE

Vbb = VBE1 (1 + ( R2 / R1 ))

1. Montagem Fonte-Comum (CS: common source)• terminal de fonte é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à porta• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do dreno

Amplificadores Básicos a MOSFET

• Ganho de tensão (dreno em aberto):

inm1mD

out vgvgRv

0Ioutin

outV Rg

Observa-se que:

i)em relação á entrada, a saída apresenta inversão de fase. ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância. Para o MOSFET na saturação, tem-se

ID: a corrente DC do dreno = (W/L)nCox : fator de ganho do transistor

2THGSD VVI

• MOSFET

VDSat = VGS – Vt : saturation voltage

Ex: Av = -3.85, tem-se as correspondentes formas de onda, para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV.

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):

x0ioutin

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída na condição de contorno de curto-circuito à entrada (vin = 0):

x0vinout R

ivr Sendo vgs = 0,

• amplificador CS com resistor de degeneração de fonte RS, e respectivo circuito equivalente para pequenos-sinais.• A degeneração de fonte possibilita uma estabilização do ganho (Av = -RD/RS)

S1m1in Rvgvv

D1mout Rvgv

Impondo-se, por projeto, 1/gm << RS:

2. Montagem Porta-Comum (CG: common gate)

• terminal de gate é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à fonte• sinal de saída – em fase - é retirado do dreno

gsmDout vgRv

gsin vv

0Ioutin

outV Rg

• Ganho de tensão (dreno em aberto):

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):

xm1mx vgvgi

x0ioutin

• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):

Rvi oD0vinout r//Rr

3. Montagem Dreno-Comum (CD: common drain)

• terminal de dreno é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à porta• sinal de saída – em fase - é retirado da fonte • montegem CD também é chamada de seguidor de fonte

• Ganho de tensão (fonte em aberto):

outL1mL

out1mLout

rvRvgR

rvvgRv

Lout vgR

1outin vvv

)vv(gRrR1v outinmL

mLout v1

0ioutin

r//Rg11

• para ro >> RL e gmro >>1, tem-se um ganho de tensão aproximadamente unitário, estando os sinais de entrada e saída em fase.

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (fonte em aberto, ou iout = 0):

• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por simples inspeção visual e = 0:

moL0vinout

g1//r//Rr

DSDSTHGSD VVVVI

2THGSD VVI

VVJAI (triode)

THGSm VVg 5.02 DI

BJT MOSFET

Ex: Determinar:•Ponto de operação•Ganho de tensão para pequenos sinais•Qual mínimo VDD que garante M1 na região de saturação?

Dados:•VTH = 0.6V (tensão de limiar)• = 420 cm2/(V.s)•Cox = 600nF/cm2

• = 0 (efeito modulação canal)

22 6.0121

2 oxTHGSD C

mAVVI THGSD 12.16.01.n600.42018.0

VmxRIVV DDDDS 14.112.15008.1

VmAxVVg THGSm /6.54.0014.0

VVmxgmRAv D /8.25006.5

VmRIVVVVVV

DDDSATDD

THGSDSAT

96.050012.14.04.0

Collector current waveforms for transistors operating in (a) class A, (b) class B,

Estágios de Sáida (Estágios de Potência)

(Continued) (c) class AB, and (d) class C amplifier stages.

Estágios de Sáida (Estágios de Potência)

Classe A - Seguidor de Fonte

0ioutin

r//Rg11

moL0vinout

g1//r//Rr

- RL Is

Vcc - Vcesat

Vcc - Vcesat + Vbe

- RL Is + Vbe

• Classe A (seguidor de emissor) com fonte de corrente

Source: Razavi

• Bipolar Cascode Amplifier

Cascode Amplifiers

• MOSFET Cascode Amplifier

Source: Razavi

REFERÊNCIAS:

• Fundamentals of Microelectronics, B. Razavi, John Wiley and Sons, 2006

• Microelectronic Circuits, A. Sedra and K. Smith, Oxford university Press, 5th Edition, 2003

01 amplificadores elementares transistorizados

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