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.

1

2log20VVAVdB

1

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?


Lout

Linvout

RrRVAV

Sin

inin

RrrVsV

Lout

L

Sin

inv

out

RrR

RrrA

VsV

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):

inmmC

out vgvgRv

Cm

0Ioutin

outV Rg

vvA

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):

xx i

rv

E

TE

x

x0ioutin

IVrr

ivr


• 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

C

xx

Cx

x0vinout R

ivr


• 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

vvin

Cm

0Ioutin

outV Rg

vvA

• 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):

E

TE0ioutin

IVrr



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

E

EAo

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

E

E

EEEmEout

rRv

r1

r1Rv

rvvgRv

1Rrvv

E

Eoutin

1Rr

1vvA

E

E0ioutin

outV

• 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):

v

rR1

rvRgRvv

E

EEmEx

EE

x

EE

E

xx

Rrv

rrR1

vrvi

EEx

xin Rr

ivr



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

1R

g1//R

1Rr//Rr S

mE

SeE0vinout


+VCC

-VCC

Vi ~

RL

QN

QP

Vo

3a. Estágio de Saída Push-Pull Classe B

Estágio Push-Pull em Classe B

Vi

Vo

- Vcc + Vcesatp

Vcc - Vcesatn

VbenVbep

crossover


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

+VCC

-VCC

Vin ~

R3

R4

RL

QN

QP

R2

R1

Q1Vbb

CB

Vo

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

Dm

0Ioutin

outV Rg

vvA

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

DGS

Dm I

VIg 2

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

2

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):

x

x0ioutin

ivr



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

gsmD

xx vg

Rvi

Dx

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

Sm

in1

Rg1vv

D1mout Rvgv

Sm

D

Sm

Dm

in

out

Rg1

RRg1

Rgvv

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

S

D

in

out

RR

vv


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

Dm

0Ioutin

outV Rg

vvA

• 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

mx

x0ioutin

g1

ivr



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

oDx

o

x

D

xx

r1

R1v

rv

Rvi oD0vinout r//Rr

D

EAdso

IVrr


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):

o

outL1mL

o

out1mLout

rvRvgR

rvvgRv

1mLo

Lout vgR

rR1v

1outin vvv

)vv(gRrR1v outinmL

o

Lout

inomL

L

mLout v1

rgRR

gR1v

oLm

0ioutin

outV

r//Rg11

1vvA

• 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):

x

xin

ivr



• 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:

mL

moL0vinout

g1//R

g1//r//Rr


DSDSTHGSD VVVVI

21

2

2THGSD VVI

1expT

BEoEE

VVJAI (triode)

(sat)

oxCLW

THGSm VVg 5.02 DI

t

EmVIg

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

LWVVI

mAVVI THGSD 12.16.01.n600.42018.0

1021

222

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

min


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

oLm

0ioutin

outV

r//Rg11

1vvA

x

xin

ivr

mL

moL0vinout

g1//R

g1//r//Rr


Vin

VL

Vbe

- RL Is

Vcc - Vcesat

Vcc - Vcesat + Vbe

- RL Is + Vbe

Vin

VL

Vcc

-Vcc

IsRL

Q1

~

VaVs

Rs

• 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

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