Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #1

INSTITUTO POLITÉCNICO DE TOMAR

Escola Superior de Tecnologia de TomarDepartamento de Engenharia Electrotécnica

ELECTRONICA II

Eng. Jorge Guilherme

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #2

Bibliografia:• Manuel de Medeiros Silva, "Circuitos com Transístores Bipolares

e MOS", ed. F.C. Gulbenkian, 1999.• Paul Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis and Robert G. Meyer,

Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons, 2001.

• R. Jacob Baker, CMOS Circuit Design, layout and Simula tion”Wiley-IEEE Press 2004 .

• Jack Smith “ Modern Communication Circuits” MacGraw-Hill 1986.

• Sedra/Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, 1998.

• Herbert Taub and Donald Shilling “ Digital Integrated Electronics”MacGraw-Hill 1977.

• Thomas H. Lee, The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits, Cambridge University Press, 1998.

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #3

Avaliação:

•Trabalhos 25%•Projecto 15%•Exame 60%

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #4

Andares de saída

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #5

Andares de saídaClasses de funcionamento:

Classe A Classe B

Classe AB Classe C

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #6

Andar em classe A+Vcc

Q1Vi

RL

Vo

I

-Vcc

os

L

o

Tis

cTbe

L

oc

obei

VI

RV

IVV

II

VV

RV

II

VVV

++++

++++====⇒⇒⇒⇒

====

++++====

++++====

ln.ln.

Vo=-I.RL, valor mínimo da tensão Vo

saturação

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #7

(((( )))) LRIIcVccVce −−−−−−−−====

IoVoPL .21====

L

sat

RIVo

VceVccVo

.min

max

====−−−−====

IVceVcc

R satL

−−−−====min

IVcc

RL ====Valores máximos para

(((( ))))IVccP

IVceVccP

s

L

.221

max

====

−−−−====

%25

141

max ====

−−−−========

ηηηη

ηηηηVcc

VcePP sat

s

LRendimento

Para máxima excursão de sinal

Se Vcesat = 0

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #8

(((( )))) (((( ))))(((( ))))(((( ))))

2.

)2cos(12

.

)(sin1.

)sin(1)sin(1

.

1

1

21

1

IVccP

tIVcc

P

tIVccP

tItVccP

IcVceP

c

c

c

c

tr

====

++++====

−−−−====

−−−−++++========

ωωωω

ωωωωωωωωωωωω

Potência dissipada no transístor Q1

Valor médio da potência

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #9

V π r π gm.V π

RL

Vin

Vo

Rs ib

β ib

Modelo incremental

(((( )))) (((( )))) (((( ))))

(((( ))))

(((( ))))(((( ))))

(((( ))))

(((( )))) (((( )))) (((( ))))1

1111

11

11

1

1 1

≈≈≈≈++++++++

≈≈≈≈++++

++++++++

++++

====++++

++++++++

====

++++++++++++++++====

++++++++++++

++++++++

====

++++−−−−====

−−−−++++

++++====→→→→++++====

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

LL

Rgm

RsR

RrRs

R

RrRsR

ViVo

RrRsViR

rRsR

VirRs

R

Vo

rRsVoVi

ib

VoVirRs

RVoibRVo

ββββββββππππ

ββββββββππππ

ββββππππββββ

ππππββββππππ

ββββ

ππππ

ππππββββββββ

LL Rgm

RsR

rRsRo //

1//

1

++++≈≈≈≈

++++++++====

ββββββββππππ

Resistência de saída

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #10

+Vcc

Q1

Vi

RL

Vo

IQ

-Vcc

Amdar de saida em emissor comum

L

OO

cQO

RV

I

III

====

−−−−==== 1

−−−−−−−−==== Q

VV

SLO IeIRV T

i

−−−−−−−−====⇒⇒⇒⇒====

−−−−−−−−====

++++

11

1

T

s

T

be

T

bes

VV

QLOV

V

SQ

QV

VV

SLO

eIRVeII

IeIRV

nsnsssO

T

s

T

s

T

sQLO

VaVaVaVaV

VV

VV

VV

IRV

++++++++++++++++====

++++

++++

++++−−−−====

L

L

33

221

32

61

21

Distorção Harmonica

1

224

23

22

a

aaaaTHD n++++++++++++++++

====L

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #11

Andar em classe B

+Vcc

Q1Vi

RL

Vo

-Vcc

Q2

Distorção de cruzamento

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #12

Vi

Vo

Ic1 Vo/RL

Ic2

-Vo/RL

t

t

t

LS

T

S

RVo

I

dttIcT

I

ππππ1

)(1

0

====

==== ∫∫∫∫Corrente na alimentação

VoR

VccIVccP

LSS ππππ

2.2 ========

LL R

VoP

2

2

====

Potência dissipadana alimentação

(((( ))))%6.78

4

4

max →→→→−−−−====

====

CC

CEsatCC

CC

O

VVV

VV

ππππηηηη

ππππηηηη

Para Vcesat=0

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #13

LD

LLLSD

RVcc

P

RVo

RVoVcc

PPP

2

2

2max

2

2.2

max ππππ

ππππ

====

−−−−====−−−−====

Potência dissipada nos transístores

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #14

11

13 R

VVR

VVI beCCCC

C

−−−−====−−−−====

23

1

1

1

111

111

11

13

1

besatCECCO

LF

beCCO

LbFLCO

ObebCC

beCCCCC

VVVV

RRVV

V

RIRIV

VVRIV

RVV

RVV

I

++++++++−−−−====

++++

−−−−====

========

++++++++====

−−−−====−−−−====

−−−−

++++

++++

++++

ββββ

ββββ

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #15

Simulação de um andar em classe B

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #16

Linearização

+Vcc

Q1

Vi RL

Vo

-Vcc

Q2

D1

D2

IQ

+Vcc

Q1

Vi

RL

Vo

-Vcc

Q2

-Vbe2

Linearização com ampop

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #17

Realização pratica

+Vcc

Q1

Vi

RL

Vo

-Vcc

Q2

IQ

R1

Q3

Q4

Q5

+Vcc

Q1

Vi

RL

Vo

-Vcc

Q2

Q3

Bias

Multiplicador de Vbe

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #18

Transístor composto

Q1

Q2

Vbe

C

E

B

(((( )))) IbIcIc 122 11 ββββββββββββ ≈≈≈≈++++====

+Vcc

Q1

RL

Vo

-Vcc

Q2

Q3

mesmo

dissipador

Vi

Andar quase-complementarDarlington

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #19

Polarização com seguidores de emissor

Andar de saida apenas com transistores NPN

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #20

Amplificador com andar de entrada com ampop

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #21

Amplificador em classe G

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #22

Amplificador em classe G

Quando a amplitude do sinal é maior ligam-se Tr6 e Tr8

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #23

Q1

R1

Q4

I1

Io

Protecção de curto circuito

I1

Io

Vbe/R1

1max RVbe

Io ====

Qa

R1

R2

Qb

Protecção térmica

•Operação normal VR2 < Vbe•Protecção térmica. Vz aumenta com a temperatura o que faz Qb conduzir e desviar corrente de polarização do andar de potência

Limitação da corrente máxima em R1

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #24

Circuito de protecção de curto circuito

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #25

Montagem em ponte

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #26

Montagem em ponte

A A

RL

-1

Vin Vo1 Vo2

+Vcc

-Vcc

+Vcc

-VccVonormalandarL

LLLL P

RVcc

RVcc

RVo

P

VccVo

VoVoVoVoVo

4

22

42

2

2112

222

max

================

====−−−−====⇒⇒⇒⇒−−−−====

Q1

R

Vin

R

+Vcc

-Vcc

V1 = -V2

V2

I

M1

M3 M2

M4

Vdd

Vss

Vo

VinM5

Andar de saída MOS

Circuito para inversão de sinal

Aumento da potência de 4 vezes

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #27

Transístores de potência

Potência dissipada em função da temperatura

Modelo térmico

Pdmax=Vce.IcHipérbole

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #28

WCP

TaTj

DSACSJC /º→→→→

−−−−====++++++++ θθθθθθθθθθθθ

Junção caixa

Caixa dissipador

Dissipador ambiente

Dissipadores:

Função – Escoar o calor gerado pelo dispositivo a fim de não atingir os limites máximos de funcionamento

Modelo térmico

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #29

N1 N2

Amplificador8 ohm 100V

Z2

100V 8 ohm

coluna

100V 8 ohm

coluna

transformadorde linhas

Projecto de sonorizações

Adaptação de impedâncias12

2

1

2

1

2

ZnZ

nN

N

V

V

=

==

Utilizado em sonorizações de espaços amplos.Ex: Estadios, Ruas, Pavilhões, etc

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #30

Simplified internal circuit of the LM380 IC power amplifier

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #31

Amplificador 200W

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #32

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #33

Amplificador 350W com MOS

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #34

Amplificador 2kW

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #35

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #36

Tube amplifier

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #37

Amplificadores áudio comutados

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #38

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #39

Amplificador classe D

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #40

Amplificador misto

Tendências da tecnologia

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #41

DVTT

TVV DD

OFFON

ONDD =

+=0

Amplificador em classe D

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #42

Realimentação utilizando noise shaping

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #43

Operação em montagem ponte

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #44

+Vcc

QVi RL

Vo

RFC

IC

ic

I1

Cc

C L

Amplificador em classe C

)1sin(θθθθIpId ====

(((( ))))

valores restantes 0

21 para sin

<<<<<<<<−−−−

====θθθθωωωωθθθθωωωω tIdtIp

Ic

Ip>Id

[[[[ ]]]]

(((( )))) (((( ))))

(((( )))) (((( ))))[[[[ ]]]]ππππ

θθθθθθθθθθθθππππ

θθθθθθθθθθθθ

ωωωωωωωωθθθθ

ωωωωθθθθ

cossin2

121cos2

)sin(1 /2

/1

−−−−====

−−−−−−−−====

−−−−==== ∫∫∫∫

IpIc

IdIpIc

dtIdtIpT

Ic

Valor médio da corrente Ic

122 θθθθθθθθθθθθ −−−−====

12

θθθθππππθθθθ −−−−====

Ip

Id

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #45

(((( )))) (((( ))))(((( ))))

21

cossin.

.

2 RLIPo

IpVccIcVccPs

====

−−−−======== θθθθθθθθθθθθππππ

I1 – componente fundamental da corrente

(((( )))) (((( )))))2sin(22

)cos()cos(4

1/

0

θθθθθθθθππππ

ωωωωωωωωωωωωθθθθ

−−−−====−−−−==== ∫∫∫∫Ip

dttIdtIpT

I

VccRLIVccVce 21maxmax ≤≤≤≤++++====

(((( )))))cos()sin(4)2sin(2

.1.

θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθηηηη

−−−−−−−−============

IcVccIVcc

PsPo

Para θ=90º η=78.5%

(((( )))))cos(18)2sin(2

maxmax

maxmax θθθθππππ

θθθθθθθθ−−−−

−−−−========DD

O

IVP

P

Capacidade de potência

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #46

Exemplo de um amplificador em classe C

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #47

Amplificador em classe D para RF+Vcc

RL

VoId CL

-Vcc

Filtro

Va

+Vcc

-Vcc

Va

ππππVcc

V4

1 ====

Componente fundamental

RLVcc

IdVccPs 2

28.2

ππππ========

-Série Fourier

∫∫∫∫ ========2/

02

4)sin(

4.1 T

RLVcc

dttVcc

RLTId

ππππωωωω

ππππ

Valor médio da corrente

%1008

214

21

2

222

====⇒⇒⇒⇒====

======== ηηηηππππππππ RLVcc

RLVcc

RLV

Po

Considerando o efeito de Ron )sin()(

.4t

RonRLRLVcc

Vo ωωωωππππ ++++

====

)(4

2 RonRLVcc

Id++++

====ππππ )(

82

2

RonRLVcc

Ps++++

====ππππ )RonRL

RL++++

====ηηηη

O filtro deixa passar apenas a componente fundamental da corrente

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #48

Amplificador em classe D push pull

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #49

Amplificador em classe E

Funcionamento em comutaçãoCircuito sintonizado para a saida

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #50

Transistores de potência RF

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #51

Amplificadores monolíticos

gm -K2 K=1Vo

Vd

compensação

LM741

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #52

TL071

Entradas com JFET

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #53

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #54

Ao

ωωωω1 ωωωωa

Afo

Aoωωωω1ωωωω

GBWAo ====1ωωωω

Produto ganho largura de banda

11

)(

ωωωωs

AosA

++++====

as

AfosA

sAsAf

ωωωωββββ ++++

====++++

====1)(.1

)()(

GBWaAfoAo ======== ωωωωωωωω .1

)1(1 Aoa ββββωωωωωωωω ++++====

ββββββββ1

lim.1

====⇒⇒⇒⇒++++

====∞∞∞∞→→→→Ao

AfoAo

AoAfo

Resposta de frequência

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #55

Modelo incremental do amplificador

Resposta de frequência 741

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #56

Exemplos PraticosAmplificadores Audio

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #57

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #58

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #59

70W

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #60

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #61

300W

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #62

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #63

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #64

Electrónica II

© Jorge Guilherme 2009 #65