Blocos comuns de circuitos com vários transistores: amp-op, amplificador diferencial e mais

Alguns blocos de circuitos com vários transistores são muito utilizados em aplicações da eletrônica. É como poder pegar módulos, unir e montar para criar algo funcional.

Aparecerão parâmetros h do transistor, como hfe e hob. Não vou explicar o que são, porque isso fugiria do objetivo de passar conceitos diretos para rápida referência.

Se você conhece alguém que não teve a oportunidade de ler explicações mais específicas sobre amp-op, CMRR ou Darlington, por exemplo, indique esse artigo ou compartilhe pelos seguintes links:

Amplificador diferencial

Dois transistores em amplificador diferencial com resistor de emissor sem fonte de corrente)
Crédito: Difference amplifier.png: Rohitbd (Derivative work: DesbWit) – File:Differential amplifier long-tailed pair.svg

Em um amplificador diferencial (AMPDIF) as saídas são proporcionais à diferença entre os dois sinais de entrada. Assim, podemos usar esse circuito para:

  • * Amplificar a diferença entre os sinais das entradas;
  • * Amplificar apenas um dos sinais de entrada, conectando a outra saída ao terra (referência do circuito, potencial “0”).

Se o AMPDIF for fabricado em CI (circuito integrado) poderemos considerar os dois transistores idênticos. Isto é, eles terão as mesmas características, o que melhora a simetria do circuito.

Porém, ao montamos um AMPDIF (p.e. na bancada) os transistores terão características diferentes. Então o funcionamento do circuito será um pouco diferente.


Dois conceitos de base:

  • vd = v2 – v1 → (vd é a tensão de entrada de modo diferencial ou de modo diferença).
  • va = (v2 + v1) / 2 → (Tensão de entrada de modo comum). va é a média entre as duas entradas – o “a” do índice vem do inglês, average, que significa média.

* v2 e v1 são os sinais de entrada.


Representar tensões de entrada

As tensões de entrada do AMPDIF podem ser representadas em função das tensões vd e va, da seguinte forma:

Equações do amplificador diferencialIsso significa que cada tensão de entrada é expressa em função de uma tensão de modo comum e de uma tensão de modo diferencial.

Muito importante: queremos que a tensão vd seja amplificada, não a va, que deve ser rejeitada.

As equações acima são especiais por permitirem analisar o circuito diretamente em termos de vd e va, que são os parâmetros mais importantes do AMPDIF.

Com o objetivo de fazer testes, podemos gerar sinais de entrada que sejam totalmente de modo comum ou de modo diferencial. Exemplo:

  • Para [v1 = v2] a entrada diferencial (vd) será nula e a de modo comum (va) será va = v1 = v2 .
  • Para v1 = − v2 → va é nula vd = 2 × (v2) = −2 × (v2).

*Para chegar a esses resultados basta aplicar as fórmulas vistas antes, em “Dois conceitos de base:“.


Região de operação

Com dois sinais de entrada no AMPDIF, o percurso de operação do circuito transforma-se numa região na qual os transistores operarão em função dos valores máximo e mínimo dos sinais de entrada.

Isso é diferente do que ocorre com estágios simples de amplificadores (só com um transistor). Neste caso, a reta de carga (cc ou ca) define completamente o percurso de operação do circuito do coletor entre os limites de variação do sinal de entrada.

Quando queremos determinar o ponto Q de um amplificador, normalmente levamos o sinal de entrada a “zero”. Porém, para um AMPDIF, é melhor começar a análise do ponto Q supondo que a entrada do modo diferencial seja nula – para isso, basta igualar os dois sinais v1 e v2.

A associação das retas de carga de modo comum e de modo diferencial define a região de operação de cada transistor.

Cada sinal de entrada apresenta as duas componentes (comum e diferencial). Assim, podemos estabelecer os limites da região de operação se conhecermos os valores máximo e mínimo dos sinais ou de suas componentes.

Em geral, transistores operam em pontos diferentes da reta de carga para qualquer par arbitrário (v1 e v2) da tensão de entrada.

Quando a saída de um AMPDIF é vista entre um dos coletores e a terra, ele afasta-se do ideal. No ideal a saída é proporcional apenas a vd, mas no real sabemos que existe a parcela de modo comum.

Razão de rejeição de modo comum (CMRR)

É uma figura de mérito que permite avaliar o quanto o amplificador está afastado do ideal.

A CMRR mede o grau de afastamento da tensão de saída em relação à ideal. Isso porque sabemos que na prática a tensão de modo comum vai existir. Definição da CMRR:

CMRR = Ad / Ac

Em que Ad é o ganho de modo diferencial e Ac o de modo comum. Comumente, a CMRR deve ser escolhida da seguinte forma:

CMRR >> va / vd → com essa condição a tensão de saída será proporcional a vd.

Outra relação importante, que diz como a CMRR pode ser aumentada, é a seguinte:

Relação de aumento da CMRR em amplificador diferencial, ou seja, um circuito com transistores

Em que VT é a tensão térmica da junção base-emissor, geralmente considerada à temperatura ambiente de 25°C. O numerador é a queda de tensão sobre o resistor de emissor Re do AMPDIF. Porém, o aumento desta queda de tensão é limitado por alguns fatores, como:

  • Dissipação de potência em Re;
  • Tensão da fonte de alimentação disponível.

Assim, os amplificadores diferenciais práticos geralmente utilizam uma fonte de corrente para substituir o Re. Com isso, temos uma impedância muito alta graças ao transistor dessa fonte.

É essa impedância que substitui o Re e aumenta a CMRR. Esse Re é aproximadamente igual a [1/hob] para um transistor com corrente constante.


Diferenças entre transistores

Quando os dois transistores do AMPDIF possuem diferenças entre os hfe, usa-se um resistor variável entre os emissores dos dois transistores.

Assim, realizamos um controle de equilíbrio para só depois conectar o “resistor” de emissor (impedância da fonte de corrente) ao terminal central do resistor variável.

Um valor pequeno (≅ 100 Ω) geralmente é o bastante para compensar diferenças entre os hfe dos transistores. Ajusta-se o cursor para que as correntes de emissor em ambos os transistores sejam iguais.

Importante ficar ciente de que a inclusão desse resistor variável reduz o ganho de corrente.

Transistores Darlington

Demonstração da fórmula de ganho de corrente do para de transistores Darlington
Crédito: Luca Ghio (File:BJT-transistor low-side switch.png)

* Imagem acima: a corrente de emissor resultante no transistor inferior conterá o produto dos ganhos dos transistores 1 e 2 (β1 × β2).

Quando conectamos o emissor de um transistor à base de outro, temos o amplificador Darlington. Dependendo da aplicação, os coletores dos transistores também podem ser conectados. O par Darlington é uma configuração muito útil por ter:

⦁ Elevada impedância de entrada;
⦁ Ganho de corrente muito grande.

O ganho de corrente é o produto dos ganhos de cada transistor, isto é:

Ai ≅ (hfe

Transistores Darlington com resistorEm algumas aplicações com o par Darlington precisamos ajustar a corrente do transistor superior independentemente do transistor inferior.

Para conseguir isso, precisamos conectar um resistor entre a base e o emissor do transistor inferior.

Perceba que, nesse caso, a corrente de emissor de um transistor (que eu estou chamando de superior) não é igual à corrente de base do transistor inferior.


Amplificador operacional

Amplificador diferencial com amp-op contém vários transistores
Crédito: Arthur Ogawa (File:Op-Amp Differential Amplifier input impedence and common bias.svg)

Valores aproximados para as impedâncias de entrada e de saída de um amp-op:

  • Impedância de entrada: entre 100 kΩ e 10 MΩ;
  • Impedância de saída: entre 50Ω e 200Ω.

Um amplificador operacional (amp-op) típico é formado por quatro blocos, exatamente na seguinte ordem:

  • Tensões de entrada inversora e não-inversora;
  • Amplificador diferencial;
  • Amplificador linear de alto ganho – pode ser outro AMPDIF;
  • Circuito deslocador de nível. Usado quando a tensão cc existente na saída do estágio anterior não é nula para v1 = v2 = 0. Esse deslocado de nível pode ser um amplificador cascode;
  • Amplificador de saída – geralmente na configuração push-pull ou de simetria complementar;
  • Tensão de saída.

Algumas características de amplificadores operacionais:

  • Como um todo, funciona linearmente, devido ao uso do AMPDIF;
  • Supõe-se, usualmente, que os ganhos Ad e Aa sejam positivos;
  • Ad tem valor típico de 10 elevado à 5 (100 dB), já o valor típico de Aa é 1 .
  • Então, do item acima, conclui-se que a CMRR é tipicamente 10 elevado à 5 (100 dB).
  • Quando a entrada não-inversora é igual a zero, a tensão de saída tem fase oposta à da tensão de entrada inversora.
  • Quando a entrada inversora é igual a zero, a tensão de saída está em fase com a entrada não-inversora.

Sobre variações

Comumente, no amp-op, quando ambas tensões de entrada são nulas, a tensão de saída também é nula. Isto em uma faixa especificada de variação da temperatura e da tensão de alimentação.

Para garantir mínima variação da tensão de saída em função de variações na temperatura, usa-se polarização com diodo para compensação de temperatura. Variações típicas da tensão de saída são da ordem de 1μV/°C.

Utiliza-se cuidadosas técnicas de projeto para garantir que o efeito de variações em Vcc e/ou em VEE sobre a tensão de saída sejam mínimas.

A razão de rejeição de ondulação na fonte de alimentação de um amp-op é, tipicamente, 10 elevado à 5 (100 dB). Então, uma variação de 1V na tensão de alimentação provoca uma variação de 10 μV ( = 10 elevado à −5V) na tensão de saída.

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