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DELET - EE - UFRGS

Circuitos Eletrônicos I

ENG 04077

Circuitos Multitransistores:

Múltiplos Estágios e Compostos

Prof. Dr. Hamilton Klimach

ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 2

•Um amplificador pode ser descrito através de suas diversas características,

elétricas, físicas, econômicas, etc, compondo uma ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA

•A especificação elétrica pode incorporar características como:

Ganho (AV, AI, AG ou AR)

Impedâncias de entrada e saída (características resistiva e reativa)

Alimentação (tensão ou corrente)

Consumo e/ou rendimento

Potência de saída

Excursão de sinal de saída

Tipo de entrada (simples, múltiplas, diferencial...)

Nível de sinal de entrada

Resposta em frequência

Comportamento dinâmico (SR, tempo de resposta, estabilidade relativa...)

Nível de ruído produzido

Tecnologia utilizada (discreto X integrado; TBJ X MOSFET)

outros

Múltiplos Estágios

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•Geralmente é impossível atender a todas as características exigidas com apenas 1

transistor

•Assim, faz-se uso de uma sequência de estágios amplificadores interligados, cada

um com características mais restritas, que juntas atendam à especificação

• As características mais relacionadas à saída, são principalmente determinadas

pelos estágios próximos à saída (Ro, PL, consumo, excursão de saída...)

• As características mais relacionadas à entrada, são principalmente determinadas

pelos estágios próximos à entrada (Ri, nível de sinal de entrada, ruído...)

•Algumas características são determinadas pelo comportamento reunido de

TODOS os estágios (ganho, resposta em freq...)

sinal vO RL vi

AMPL

VCC

sinal vO RL vi

A1

VCC

A2

VCC

AN

VCC

vo1=vi2 vo2 vin



•Cada um dos estágios pode ser formado por:

•1 transistor compondo uma das 3 configurações básicas:

•Emissor comum

•Base comum

•Coletor comum

•mais de 1 transistor, formando uma configuração composta:

•Darlington

•Par diferencial

•Par complementar

•Espelho de corrente

•Push-pull

•Cascode

•Outras

•As configurações compostas também podem ser analisadas com base nas 3

configurações amplificadoras básicas

3



•Quando se define as características de cada estágio, observa-se:

•A compatibilidade de sua entrada com as características de saída do estágio

anterior (impedâncias, excursão de sinal, etc)

•A compatibilidade de sua saída com as características de entrada do próximo

estágio (impedâncias, excursão de sinal, etc)

•O atendimento das características gerais do amplificador completo

AV.vi Ri

Ro

vi vo RL

Amplificador Completo ii io

AV1.vi Ri1

Ro1

vi vi2 RL

Estágio 1 ii

AV2.vi2 Ri2

Ro2

vi3

Estágio 2

AV3.vi3 Ri3

Ro3

Vo

Estágio 3 io

3

32

32

21

21

3

1

:lado ao modelo o Para

V

io

iV

io

iVV

oo

ii

ARR

RA

RR

RAA

RR

RR


Configuração Darlington

• Dois transistores são ligados de modo

a formar um “transistor composto”

• Objetivo: aumento do ganho de

corrente (hFE) equivalente

4



• Ligando-se 2 TJBs como mostrado:

• “super-transistor” (alto ganho):

1121122

12222

11

11

BFEFEBFEFEE

EFEBFEE

ihhihhi

ihihi

potência baixa /

potência alta

21

21

2

2

21

12

FECC

BECECE

CC

CECE

BEBEBE

FEFEFE

hii

vvv

ii

vv

vvv

hhh



• Análise de Sinal

E

fefe

ie

fe

ieout

Efefeiefeiein

Rhh

h

h

hR

RhhhhhR

)1)(1(1

)1)(1()1(

21

1

2

2

21211

5


Par Diferencial

Condições:

• Q1 ≡ Q2

• Polarização por fonte de

corrente ideal (I)

• Resistores de coletor (RC)

idênticos


Par Diferencial

Polarização

• VB1 = VB2 = 0

• VBE1 = VBE2 → IE1 = IE2 = I/2

• IC1 = IC2 ≈ I/2

• VO1 = VO2 = VCC - RC IC1,2

• VE = -VBE

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Par Diferencial

Polarização

• VB1 = VB2 = VCM

• VBE1 = VBE2 → IE1 = IE2 = I/2

• IC1 = IC2 ≈ I/2

• VO1 = VO2 = VCC - RC IC2

• VE = VCM -VBE

• Conclusão:

IC , IE e VO independem do

valor da tensão modo-

comum das bases


Par Diferencial

Grandes Sinais

tBB

tBB

tBB

tBE

tBE

tBE

tBE

Vvv

EE

EE

Vvv

EE

EE

Vvv

Vv

Vv

E

E

Vv

SCE

Vv

SCE

ei

I

i

ii

ei

I

i

ii

ee

e

i

i

eIii

eIii

12

21

21

2

1

2

1

1

1

1

1

11

21

22

21

2

1

22

11

7


Par Diferencial

Grandes Sinais

tBB

tBB

Vvv

C

Vvv

C

eI

i

eI

i

12

21

1

1

1

1

1

2


Par Diferencial

Representação de Sinais

2

2

2

1

dcm

dcm

vvv

vvv

0

2

1

v

v

0

2

21 vvvcm

21 vvvd

8


Par Diferencial

Pequenos Sinais – Modo Diferencial

dfeCbfeCcCo

dfeCbfeCcCo

diebebed

diebiebe

diebiebe

dbb

cc

ee

ihRihRiRv

ihRihRiRv

ihvvv

ihihv

ihihv

iii

iiii

222

111

21

22

11

12

12

12

2

•Fontes fixas mortas

•Modelos lineares de Q1 e Q2


Par Diferencial

Pequenos Sinais – Modo Diferencial

Coo

ie

d

did

fe

ie

C

d

odVd

fe

ie

C

d

oVd

fe

ie

C

d

oVd

RRR

hi

vR

hh

R

v

vA

hh

R

v

vA

hh

R

v

vA

21

22

11

2

2

2



9


Par Diferencial

Pequenos Sinais – Modo Comum (ideal)



•Se a fonte de polarização (I) for

ideal, o ganho modo comum é

“zero”: as saídas vo1 e vo2

independem de vcm


Pequenos Sinais – Modo Comum (real)

Par Diferencial



2

2

12

12

1

2

222

111

2121

21

cmfeCbfeCcCo

cmfeCbfeCcCo

cmfeie

cm

cmfecm

iecm

bbfeeee

cmbb

ihRihRiRv

ihRihRiRv

iRhh

v

ihRi

hv

iihRiiRv

iii

10


Pequenos Sinais – Modo Comum (real)

Par Diferencial



Coo

feie

cm

cmicm

cm

oo

cm

odVCM

CVCMVCM

feie

feC

cm

oVCM

RRR

Rhh

i

vR

v

vv

v

vA

R

RAA

Rhh

hR

v

vA

21

11

21

11

12

0

2

12

2


Par Complementar

• Associação de transistores complementares: NPN+PNP ou NMOS+PMOS

• Objetivo: – Acoplamento com carga de baixa

impedância

– Buffer de corrente (provê ganho de corrente)

– Ambos transistores na configuração Coletor Comum (ou Dreno Comum)

• Ganho de tensão <1 (≈ 1)

• Alto Ganho de Corrente

• Baixa impedância de saída.

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Par Complementar

• Problema: – Cada transistor necessita de uma

tensão mínima de entrada (VBE e VEB) para entrar em condução

– Uma zona-morta ocorre na saída, causando a distorção de ‘cross-over’

– Essa distorção pode ser minimizada através da inclusão de elementos que forneçam uma pré-polarização aos transistores (resistor, diodos, etc)


Par Complementar

R4

R5

VCC

R1

R2

R3

RL

Vin

C1

C2

C3

T1

T2

vCE1

iC1

Q1 ICQ

1

vo = -vCE1

vCE2

iC2

ICQ2

vo = -vCE2

Ciclo Positivo

Ciclo Negativo

ICQ1 = ICQ2

•Ajusta-se uma R2 para circular uma pequena corrente

quiescente em T1 e T2.

•R4 e R5: melhoram a estabilidade de ponto quiescente

(baixo valor para reduzir Ro)

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ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I

Amplificador de Áudio 4W@8Ω

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Projeto Final da Disciplina


Amplificador de Áudio: 60W@8Ω/90W@4Ω

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• Technical data:

• Output power: (1KHz sinewave)

– 60 W RMS @ 8 Ohm

– 90W RMS @ 4 Ohm

• Sensitivity:

– 1V RMS input for 58W output

• Frequency response:

– 30Hz to 20KHz -1dB

• Total harmonic distortion @ 1KHz:

– 1W 0.003%

– 10W 0.006%

– 20W 0.01%

– 40W 0.013%

– 60W 0.018%

• Total harmonic distortion@10KHz:

– 1W 0.005%

– 10W 0.02%

– 20W 0.03%

– 40W 0.06%

– 60W 0.09%

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Amplificador de Áudio: 60W@8Ω/90W@4Ω

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R1______________47K 1/4W Resistor

R2_______________4K7 1/4W Resistor

R3______________22K 1/4W Resistor

R4_______________1K 1/4W Resistor

R5,R12,R13_____330R 1/4W Resistors

R6_______________1K5 1/4W Resistor

R7______________15K 1/4W Resistor

R8______________33K 1/4W Resistor

R9_____________150K 1/4W Resistor

R10____________500R 1/2W Trimmer Cermet

R11_____________39R 1/4W Resistor

R14,R15___________R33 2.5W Resistors

R16_____________10R 2.5W Resistor

R17_______________R22 5W Resistor (wirewound)

C1_____________470nF 63V Polyester Capacitor

C2_____________470pF 63V Polystyrene or ceramic Capacitor

C3______________47µF 63V Electrolytic Capacitor

C4,C8,C9,C11___100nF 63V Polyester Capacitors

C5______________10pF 63V Polystyrene or ceramic Capacitor

C6_______________1µF 63V Polyester Capacitor

C7,C10_________100µF 63V Electrolytic Capacitors

D1___________1N4002 100V 1A Diode

D2_____________5mm. Red LED

Part List:

Q1,Q2,Q4_____MPSA43 200V 500mA NPN Transistors

Q3,Q5________BC546 65V 100mA NPN Transistors

Q6___________MJE340 200V 500mA NPN Transistor

Q7___________MJE350 200V 500mA PNP Transistor

Q8___________IRFP240 200V 20A N-Channel Hexfet Transistor

Q9___________IRFP9240 200V 12A P-Channel Hexfet Transistor


Espelho de Corrente

• Circuito composto por um

‘ramo de controle’ e diversos

‘ramos-espelho’

• Objetivo: reproduzir uma

corrente em diversas partes de

um circuito

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Espelho de Corrente

• Q1 é ligado como “diodo” e estabelece um VBE que é função de

IREF

• Q2 é polarizado com o mesmo VBE

• Necessita que os transistores tenham comportamento idêntico

IC2=IC1

VBE1=VBE2


Espelho de Corrente

• Como VBE1 = VBE2, resulta IC2 =

IC1 ≈ IREF, independente do que

esteja ligado ao coletor de Q2

• O espelhamento somente funciona

se Q2 for mantido na região

ATIVA

• Este circuito pode ser entendido

como uma ‘fonte de corrente

controlada por corrente’

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Espelho de Corrente

• Implementação sem fonte de

corrente

• IC1 ≈ IREF = (VCC - VBE1 )/R


Espelho de Corrente

• Reprodução de uma corrente em vários pontos

• Se QREF ≡ Q1 ≡ Q2 ≡ QN :

I1 = I2 = IN ≈ IREF

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Espelho de Corrente

• Geração de correntes

múltiplas positivas e

negativas:

REF

REF

REF

BEEBEECCREF

II

II

III

R

VVVVI

3

2

)(

4

3

21

21


Espelho de Corrente

• Com MOSFETs:

– Q1 e Q4 autopolarizados

REF

REFD

DDDGS

tpGSpD

IIIII

II

VRIV

VVL

WkI

5432

1

11

2

1

1

1'

12

1

17


Espelho de Corrente

VV

VV

VV

VV

mAIII

VV

R

R

R

R

CCREF

R

88,1

76,3

88,1

76,3

88,1

8,18

:Resposta

5

4

3

2

21

1

Exercício:

Calcule a tensão sobre os

resistores

Considere VBE=VEB=0,6V


Par Diferencial com Espelho de

Corrente como Carga

Carga Ativa – Espelho de Corrente

fe

ie

LC

d

oVd

fe

ie

L

d

oVd

Lco

bfec

diebebed

hh

RR

v

vA

hh

R

v

vA

Riv

ihi

ihvvv

2

:espelho) (sem R e R Com

2

2

:ativa carga e R Com

CL

21

L

18


Exemplo: Amplificador Operacional

•Considere:

hfe= β= 100

VBE=VEB=0,7V

hoe = 0

•Calcule:

Polarização

Potência dissipada

Ganho diferencial

Ganho modo comum

Rid, Ricm e Ro

IBQ1 e IBQ2



VVVV

VVVV

mAIII

VVVV

VVVVV

VVVVVV

VIRVVV

mAIII

mAIImAII

mAR

VVI

DDCCE

BECC

CCC

ECCE

ECCECE

BEBCEE

CCCCC

CCC

CCCC

BEDDC

3,24)(

3,9

12

3,14

7,10

7,0

10

25,02

245,0

5,0

:aterradas) entradas (supondo opolarizaçã de Circuito

66

416

654

333

2,12,121

11321

1221

321

9693

1

99

19



mWPPP

mWIVP

mWIVP

mAIIIIII

mAIIIIIII

VVVV

mAR

VVVI

VIRVV

mAR

VVVI

VIRVVVVV

DDCCT

DDDDDD

CCCCCC

CCCCCDD

CCCCCCCC

BECO

DDBECC

CDDC

EBCCCC

CCCCCCC

5,262

135

5,127

9

5,8

0,0

5)(

7,0

1

1215

87639

875421

87

7

878

767

5

757

5454



Polarização

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Amplificador Operacional LM108


Amplificador Operacional 741

Fairchild uA741 - 1968

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Amplificador Operacional 741


Amplificador Operacional MOS

22


AmpOp MOS: ICL7611

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