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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
2
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 3
Múltiplos Estágios
•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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 4
Múltiplos Estágios
•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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 5
Múltiplos Estágios
•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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 6
Configuração Darlington
• Dois transistores são ligados de modo
a formar um “transistor composto”
• Objetivo: aumento do ganho de
corrente (hFE) equivalente
4
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 7
Configuração Darlington
• 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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 8
Configuração Darlington
• 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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 9
Par Diferencial
Condições:
• Q1 ≡ Q2
• Polarização por fonte de
corrente ideal (I)
• Resistores de coletor (RC)
idênticos
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 10
Par Diferencial
Polarização
• VB1 = VB2 = 0
• VBE1 = VBE2 → IE1 = IE2 = I/2
• IC1 = IC2 ≈ I/2
• VO1 = VO2 = VCC - RC IC1,2
• VE = -VBE
6
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 11
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 12
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 13
Par Diferencial
Grandes Sinais
tBB
tBB
Vvv
C
Vvv
C
eI
i
eI
i
12
21
1
1
1
1
1
2
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 14
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 15
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 16
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
•Fontes fixas mortas
•Modelos lineares de Q1 e Q2
9
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 17
Par Diferencial
Pequenos Sinais – Modo Comum (ideal)
•Fontes fixas mortas
•Modelos lineares de Q1 e Q2
•Se a fonte de polarização (I) for
ideal, o ganho modo comum é
“zero”: as saídas vo1 e vo2
independem de vcm
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 18
Pequenos Sinais – Modo Comum (real)
Par Diferencial
•Fontes fixas mortas
•Modelos lineares de Q1 e Q2
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 19
Pequenos Sinais – Modo Comum (real)
Par Diferencial
•Fontes fixas mortas
•Modelos lineares de Q1 e Q2
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 20
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.
11
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 21
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)
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 22
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)
12
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Amplificador de Áudio 4W@8Ω
23
Projeto Final da Disciplina
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Amplificador de Áudio: 60W@8Ω/90W@4Ω
24
• 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%
13
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I
Amplificador de Áudio: 60W@8Ω/90W@4Ω
25
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 26
Espelho de Corrente
• Circuito composto por um
‘ramo de controle’ e diversos
‘ramos-espelho’
• Objetivo: reproduzir uma
corrente em diversas partes de
um circuito
14
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 27
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 28
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’
15
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 29
Espelho de Corrente
• Implementação sem fonte de
corrente
• IC1 ≈ IREF = (VCC - VBE1 )/R
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 30
Espelho de Corrente
• Reprodução de uma corrente em vários pontos
• Se QREF ≡ Q1 ≡ Q2 ≡ QN :
I1 = I2 = IN ≈ IREF
16
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 31
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 32
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 33
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 34
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 35
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 36
Exemplo: Amplificador Operacional
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 37
Exemplo: Amplificador Operacional
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
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 38
Exemplo: Amplificador Operacional
Polarização
20
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 39
Amplificador Operacional LM108
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 40
Amplificador Operacional 741
Fairchild uA741 - 1968
21
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 41
Amplificador Operacional 741
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 42
Amplificador Operacional MOS
22
ENG-04077 – CIRCUITOS ELETRÔNICOS I 43
AmpOp MOS: ICL7611