EletrônicaEletrônica básica - Teoria

Amplificadores em cascata

Amplificadores em cascata

Amplificadores em cascata © SENAI-SP, 2003

Trabalho editorado pela Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP, a partir dos conteúdos extraídos da apostila homônima Amplificadores em cascata - Teoria. SENAI - DN, RJ, 1986.

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Sumário

Introdução 5 Amplificadores em cascata7 Acoplamento entre os estágios amplificadores11 Ganho em decibel (dB)17 Referências bibliográficas 21

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Introdução

Os aparelhos eletrônicos tais como o rádio e a televisão recebem um sinal que é emitido pela antena da estação transmissora. Este sinal, quando chega ao aparelho receptor, tem uma amplitude muito pequena, geralmente da ordem de microvolts.

Para que este sinal possa ser reproduzido na sua forma final de som ou imagem necessita ser amplificado milhares de vezes.

Esta grande amplificação não pode ser realizada por um único estágio amplificador. Utilizam-se, então, diversos estágios amplificadores em seqüência numa forma de ligação denominada de “cascata”.

O objetivo deste fascículo é apresentar a forma e as características desta ligação, visando capacitá-lo, através da análise do funcionamento, a identificar e corrigir defeitos neste tipo de circuito composto.

Pré-requisitos

Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades deste fascículo você já deverá ter conhecimentos relativos a: • Estágios amplificadores

• Capacitores e transformadores

• Máxima transferência de potência.

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Em muitas ocasiões o ganho de tensão ou de corrente fornecido por estágio amplificador não é suficiente para a aplicação que se necessita. Nestas ocasiões costuma-se utilizar dois ou mais estágios amplificadores, interligados de forma a obter amplificações sucessivas do sinal.

Para obter amplificações sucessivas a conexão entre os estágios amplificadores deve ser feita da seguinte forma: • Saída do primeiro estágio ligado à entrada do segundo estágio.

• Saída do segundo estágio ligado à entrada do terceiro estágio, e assim sucessivamente.

Este tipo de ligação entre os estágios amplificadores é denominado de ligação em cascata.

A figura a seguir mostra como se realiza este tipo de ligação.

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Ganho total de um amplificador com estágios em cascata

O ganho total de um amplificador é o resultado de todas as amplificações sofridas pelo sinal nos diversos estágios. O ganho total é uma relação direta entre o sinal presente na saída do último estágio amplificador e o sinal aplicado na entrada do primeiro estágio amplificador.

A figura a seguir mostra um amplificador composto por dois estágios com ganho total de 1600 vezes.

P V0,01

No amplificador da figura abaixo cada um dos estágios é responsável por uma parcela da amplificação total. Supondo-se que o ganho do 10 estágio amplificador seja 40 o sinal presente entre o 10 e 20 estágio:

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Sinal de entradaG = Sinal de saídaSinal de entrada x Ganho 2 Sinal de saída 0,01Vpp x 40 = 0,4Vpp

A figura a seguir mostra o sinal presente entre os dois estágios.

O sinal na saída do primeiro estágio é aplicado na entrada do segundo estágio. Supondo-se que o ganho do segundo estágio também seja de 40 o sinal na saída é:

Sinal de saída=Sinal de entradaxGanho 0,4Vpp x 40 = 16Vpp

Observa-se que o ganho total do amplificador composto por dois estágios de ganho 40 é 1600 vezes, ou seja, o ganho total GT é 40 x 40 = 1600.

GT = G1 x G2 x

O ganho total de um amplificador é o produto do ganho dos estágios que o compõem:

Pela equação do ganho total verifica-se que um ganho total de 900 (por exemplo) pode ser obtido: 1. Por dois estágios de ganho 30:

GT = 30 x 30 = 900 2. Por um estágio de ganho 25 e um estágio de ganho 36:

GT = 25 x 36 = 900 3. Por dois estágios quaisquer cujos ganhos multiplicados resultem 900.

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Acoplamento entre os estágios amplificadores

Os estágios amplificadores devem ser interligados entre si para que o sinal seja sucessivamente amplificado. A ligação entre os estágios é denominada de Acoplamento.

Entretanto, o acoplamento da saída de um estágio à entrada do estágio seguinte não pode ser realizada pela simples ligação direta, através de um condutor. Analisando dois estágios amplificadores que devem ser interligados é possível verificar a razão pela qual a ligação não pode ser direta.

A figura a seguir apresenta dois estágios amplificadores ainda não interligados.

Analisando os estágios nos seus pontos de operação verifica-se: • A tensão na saída do 10 estágio é 10V

• A tensão na entrada do 20 estágio é 3V.

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Pela comparação entre os dois valores verifica-se que é impossível ligar diretamente a saída do primeiro estágio com a entrada do segundo porque a tensão de 10V positivos seria aplicada a base do segundo transistor, alterando a sua polarização.

Conclui-se que o acoplamento entre os estágios deve ser feito de forma que: • A tensão contínua da saída de um estágio não seja aplicada à entrada do estágio seguinte.

• O sinal amplificado da saída do 10 estágio (variação de tensão no coletor) passe para a entrada do estágio seguinte.

Resumindo: O acoplamento entre os estágios amplificadores deve: • Bloquear a passagem de tensões contínuas;

• Permitir a passagem de tensões alternadas (sinais).

Existem componentes que se caracterizam por bloquear a passagem de C e permitir a passagem de sinais CA. Dois exemplos típicos são os capacitores e os transformadores.

Conclui-se, portanto, que os capacitores e os transformadores são ideais pára cumprir a função de acoplamento. As figuras a seguir mostram como seria o acoplamento utilizando um capacitor e um transformador.

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Observe mais esta figura:

É importante salientar que a utilização de transformadores de acoplamento implica na mudança do método de polarização do transistor T2, passando a ser por corrente de base constante.

Este fato, acrescido ao custo do transformador faz com que o método de acoplamento mais utilizado seja o capacitivo, que é mais barato e não implica em modificações no circuito.

A figura a seguir mostra o sinal antes do capacitor de acoplamento e após, ilustrando a eliminação do nível de tensão C de polarização.

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O capacitor utilizado para acoplar dois estágios é denominado de capacitor de acoplamento.

Um aspecto importante a considerar no acoplamento é que o componente utilizado (capacitor ou transformador) não é ideal. Tomando como exemplo o capacitor se verifica que o sinal CA, aplicado flui através da reatância capacitiva.

Esta reatância provoca uma queda de tensão no capacitor de acoplamento, veja a figura.

Esta queda de tensão no capacitor é denominada de “perda no acoplamento” e deve ser tão pequena quanto possível.

Por esta razão, a capacitância do capacitor de acoplamento é determinada em função da menor freqüência a ser amplificada, tendo em vista que esta será a situação de maior reatância capacitiva e, portanto, de maior perda.

Casamento de impedâncias no acoplamento entre estágios amplificadores

Um dos aspectos mais importantes a considerar quando se interligam estágios amplificadores em cascata é o correto casamento de impedâncias.

Esta preocupação se deve ao fato de que a maior transferência de potência entre um estágio e o outro ocorre quando a impedância de saída do primeiro estágio é igual a impedância de saída do segundo.

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Veja a figura a seguir.

Na prática é difícil obter a igualdade entre as impedâncias, devendo-se procurar a melhor aproximação possível.

A seguir estão descritas, com base na figura abaixo, as duas situações em que o casamento não é adequado, com as respectivas conseqüências.

1a situação: Z SAÍDA 1 baixa Z ENTRADA 2 alta.

Nesta situação existe uma transferência adequada de tensão entre os estágios, porém a transferência de corrente é pequena.

A transferência de potência será tanto menor quanto maior for a diferença de impedância.

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2a situação: Z SAÍDA 1 alta Z ENTRADA 2 baixa.

Nesta situação existe uma transferência adequada de corrente entre os estágios, porém a transferência de tensão é pequena.

A potência transferida será tanto menor quanto maior for a diferença entre as impedâncias.

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Ganho em decibel (dB)

O Bel (B) é uma unidade utilizada para expressar uma relação entre dois níveis de sinal (sonoro, tensão, corrente ou potência). Como em termos de eletrônica as relações entre níveis de sinal são definidas como “ganho” pode-se expressar o ganho através do Bel. Tendo em vista que 1B (um Bel) representa um ganho de 10 vezes utiliza-se normalmente o dB (decibel) que é mais adequado por definir ganhos menores. A equação para definir o ganho de dB nos circuitos eletrônicos é :

dB = 10log entrada de Sinal saída de Sinal conversão relação → dB

Esta relação pode ser particularizada para ganhos de:

Potência dB = 10 log ENTRADASAIDAP P

TensãodB = 10 log ENTRADASAIDAV V

CorrentedB = 10 log ENTRADASAIDAI I

A seguir estão dois exemplos de aplicação da equação:

AV(dB) = 10 log Vi

Vs AV = 10 log 50

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G (dB) = 10 log Pi

Ps G = 10 log 28

G = 10 log 25

Um caso especial de aplicação do ganho em dB acontece em circuitos onde existe atenuação (valor de saída menor que o valor de entrada).

Considerando como exemplo, um filtro de frequência na situação indicada na figura a seguir.

AV = 10 log ENTSV

V AV = 10 log 0,5

Conclui-se que: Ganho em dB positivoAmplificação Ganho em dB negativoAtenuação

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A tabela abaixo apresenta algumas relações entre sinais saída/entrada e os respectivos ganhos em dB.

Vo ou ou Pe

Po Ganho em dB

3dB é um valor chave porque indica ganho de 2 ou redução para a metade (-3dB).

Conversão ganho dB X relação entre sinais

Da mesma forma que se pode converter a relação entre os sinais para dB é possível converter o ganho dB em relação dos sinais. Partindo da equação para G (dB):

G (dB) =10 log entradaValor saídaValor entradaValor saídaValor dB = entradaValor saídaValor

Conversão dB relação Por exemplo:

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V =10dB

10 ENTRADASAÍDAV

=106 10V SAÍDA = V ENT . 4 = 4 V p

Operações com dB

Quando se utilizam estágios em “cascata” os ganhos se multiplicam

1o Estágio2o Estágio VENTVENTAV = 5AV = 20VSAÍDA = VENT . 100

Quando os ganhos forem dados em dB o ganho total é calculado por soma.

10 Estágio20 Estágio AV = 7dBAV = 13dBSAÍDA = AV = 20dB

Convertendo o ganho de 20 dB para relação se obtém AV = 100 que coincide com o exemplo utilizado anteriormente.

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Referências bibliográficas

MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. São Paulo, Mc Graw Hill, 1986. il.

MILLMAN, Jacob C. & HALKIAS, Christos C. Eletrônica; dispositivos e circuitos. São Paulo, Mc Graw Hill do Brasil, c 1981. V.2.

SENAI/DN. Reparador de circuitos eletrônicos. Rio de Janeiro, Divisão de Ensino e Treinamento, 1979. il. (Coleção Básica Senai: Eletrônica Básica I. Módulo 2).

SENAI/DN, Amplificador em cascatas teoria Rio de Janeiro, Divisão de Ensino e Treinamento, 1986. (Série Eletrônica Básica).

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Eletrônica básica

1. Tensão elétrica41. Diodo semi condutor 2. Corrente e resistência elétrica42. Retificação de meia onda 3. Circuitos elétricos43. Retificação de onda completa 4. Resistores44. Filtros em fontes de alimentação 5. Associação de resistores45. Comparação entre circuitos retificadores 6. Fonte de CC46. Diodo emissor de luz 7. Lei de Ohm47. Circuito impresso - Processo manual 8. Potência elétrica em C48. Instrução para montagem da fonte de C 9. Lei de Kirchhoff49. Multímetro digital 10. Transferência de potência50. Diodo zener 1. Divisor de tensão51. O diodo zener como regulador de tensão 12. Resistores ajustáveis e potenciômetros52. Transistor bipolar - Estrutura básica e testes 13. Circuitos ponte balanceada53. Transistor bipolar - Princípio de funcionamento

14. Análise de defeitos em malhas resistivas54. Relação entre os parâmetros IB, IC e VCE 15. Tensão elétrica alternada55. Dissipação de potência e correntes de fuga no transistor

16. Medida de corrente em CA56. Transistor bipolar - Ponto de operação 17. Introdução ao osciloscópio57. Polarização de base por corrente constante 18. Medida de tensão C com osciloscópio58. Polarização de base por divisor de tensão 19. Medida de tensão CA com osciloscópio59. Regulador de tensão a transistor 20. Erros de medição60. O transistor como comparador 21. Gerador de funções61. Fonte regulada com comparador 2. Medida de freqüência com osciloscópio62. Montagem da fonte de C 23. Capacitores63. Amplificador em emissor comum 24. Representação vetorial de parâmetros elétricos CA64. Amplificador em base comum 25. Capacitores em CA65. Amplificador em coletor comum 26. Medida de ângulo de fase com osciloscópio66. Amplificadores em cascata 27. Circuito RC série em CA67. Transistor de efeito de campo 28. Circuito RC paralelo em CA68. Amplificação com FET 29. Introdução ao magnetismo e eletromagnetismo69. Amplificador operacional 30. Indutores70. Circuito lineares com amplificador operacional 31. Circuito RL série em CA71. Constante de tempo RC 32. Circuito RL paralelo em CA72. Circuito integrador e diferenciador 3. Ponte balanceada em CA73. Multivibrador biestável 34. Circuito RLC série em CA74. Multivibrador monoestável 35. Circuito RLC paralelo em CA75. Multivibrador astável 36. Comparação entre circuitos RLC série e paralelo em CA76. Disparador Schmitt 37. Malhas RLC como seletoras de freqüências77. Sensores 38. Soldagem e dessoldagem de dispositivos elétricos 39. Montagem de filtro para caixa de som 40. Transformadores

Todos os títulos são encontrados nas duas formas: Teoria e Prática

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