O amplificador emissor comum
No início deste capítulo, ele ilustra como os transistores podem ser usados como interruptores, operando em seus modos de “ saturação” ou “corte” . Na última seção, vimos como os transistores se comportam dentro de seus modos “ativos” , entre os limites distantes de saturação e corte. Como os transistores são capazes de controlar a corrente de forma analógica, eles são usados como amplificadores para sinais analógicos.
Transistor como uma chave simples
Emissor comum Um dos circuitos amplificadores de transistor mais simples para estudar anteriormente ilustrou a capacidade de comutação do transistor.
Transistor NPN como uma chave simples.
É chamado de emissor comum configuração porque (ignorando a bateria da fonte de alimentação) a fonte do sinal e a carga compartilham o cabo do emissor como um ponto de conexão comum mostrado na figura abaixo. Essa não é a única maneira pela qual um transistor pode ser usado como um amplificador, como veremos em seções posteriores deste capítulo.
Amplificador de emissor comum:os sinais de entrada e saída compartilham uma conexão com o emissor.
Antes, uma pequena corrente de célula solar saturava um transistor, iluminando uma lâmpada. Sabendo agora que os transistores podem "estrangular" suas correntes de coletor de acordo com a quantidade de corrente de base fornecida por uma fonte de sinal de entrada, devemos ver que o brilho da lâmpada neste circuito é controlável pela exposição à luz da célula solar . Quando há apenas um pouco de luz brilhando na célula solar, a lâmpada brilhará fracamente. O brilho da lâmpada aumentará constantemente conforme mais luz incide sobre a célula solar.
Suponha que estejamos interessados em usar a célula solar como um instrumento de intensidade de luz. Queremos medir a intensidade da luz incidente com a célula solar usando sua corrente de saída para acionar o movimento de um medidor. É possível conectar diretamente um movimento de medidor a uma célula solar para este propósito. Os medidores de exposição à luz mais simples para trabalhos fotográficos são projetados assim.
A luz de alta intensidade conduz diretamente o medidor de luz.
Embora essa abordagem possa funcionar para medições de intensidade de luz moderada, não funcionaria tão bem para medições de intensidade de luz baixa. Como a célula solar tem que suprir as necessidades de energia do movimento do medidor, o sistema é necessariamente limitado em sua sensibilidade. Supondo que nossa necessidade aqui seja medir intensidades de luz em níveis muito baixos, somos pressionados a encontrar outra solução.
Transistor como amplificador
Talvez a solução mais direta para este problema de medição seja usar um transistor para amplificar a corrente da célula solar de modo que mais deflexão do medidor possa ser obtida para menos luz incidente.
A corrente da célula deve ser amplificada para luz de baixa intensidade.
A corrente através do movimento do medidor neste circuito será β vezes a corrente da célula solar. Com um transistor β de 100, isso representa um aumento substancial na sensibilidade da medição. É prudente ressaltar que a energia adicional para mover o ponteiro do medidor vem da bateria na extremidade direita do circuito, não da própria célula solar. Tudo o que a corrente da célula solar faz é controlar corrente da bateria para o medidor para fornecer uma leitura do medidor maior do que a célula solar poderia fornecer sem ajuda.
Como o transistor é um dispositivo regulador de corrente, e porque as indicações de movimento do medidor são baseadas na corrente através da bobina móvel, a indicação do medidor neste circuito deve depender apenas da corrente da célula solar, não da quantidade de tensão fornecida pelo bateria. Isso significa que a precisão do circuito será independente da condição da bateria, um recurso significativo! Tudo o que é necessário da bateria é uma certa tensão mínima e capacidade de saída de corrente para acionar o medidor em escala real.
Saída de tensão devido à corrente através de um resistor de carga
Outra maneira pela qual a configuração de emissor comum pode ser usada é para produzir uma tensão de saída derivado do sinal de entrada, em vez da saída específica corrente . Vamos substituir o movimento do medidor por um resistor simples e medir a tensão entre o coletor e o emissor.
O amplificador emissor comum desenvolve saída de tensão devido à corrente através do resistor de carga.
Com a célula solar escurecida (sem corrente), o transistor estará no modo de corte e se comportará como uma chave aberta entre o coletor e o emissor. Isso produzirá uma queda de tensão máxima entre o coletor e o emissor para uma saída V máxima , igual à tensão total da bateria.
Na potência máxima (exposição máxima à luz), a célula solar levará o transistor ao modo de saturação, fazendo com que ele se comporte como um interruptor fechado entre o coletor e o emissor. O resultado será uma queda de tensão mínima entre o coletor e o emissor, ou tensão de saída quase zero. Na realidade, um transistor saturado nunca pode atingir queda de tensão zero entre o coletor e o emissor por causa das duas junções PN através das quais a corrente do coletor deve viajar. No entanto, essa “tensão de saturação do coletor-emissor” será bastante baixa, em torno de vários décimos de volt, dependendo do transistor específico usado.
Para níveis de exposição à luz em algum lugar entre zero e a saída máxima da célula solar, o transistor estará em seu modo ativo e a tensão de saída estará em algum lugar entre zero e a tensão total da bateria. Uma qualidade importante a ser observada aqui sobre a configuração do emissor comum é que a tensão de saída é invertida em relação ao sinal de entrada. Ou seja, a tensão de saída diminui à medida que o sinal de entrada aumenta. Por este motivo, a configuração do amplificador emissor comum é referida como um inversor amplificador.
Uma rápida simulação SPICE (figura abaixo) do circuito na figura abaixo irá verificar nossas conclusões qualitativas sobre este circuito amplificador.
* amplificador emissor comum i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v (2,0) .end
Esquema de emissor comum com números de nó e lista de rede SPICE correspondente.
Emissor comum:saída de tensão do coletor vs entrada de corrente de base.
No início da simulação na figura acima, onde a fonte de corrente (célula solar) está emitindo corrente zero, o transistor está no modo de corte e os 15 volts completos da bateria são mostrados na saída do amplificador (entre os nós 2 e 0) . À medida que a corrente da célula solar começa a aumentar, a tensão de saída diminui proporcionalmente, até que o transistor atinja a saturação em 30 µA de corrente de base (3 mA de corrente de coletor). Observe como o traçado da tensão de saída no gráfico é perfeitamente linear (etapas de 1 volt de 15 a 1 volt) até o ponto de saturação, onde nunca chega a zero. Este é o efeito mencionado anteriormente, onde um transistor saturado nunca pode atingir exatamente zero queda de tensão entre o coletor e o emissor devido aos efeitos da junção interna. O que vemos é uma diminuição acentuada da tensão de saída de 1 volt para 0,2261 volts conforme a corrente de entrada aumenta de 28 µA para 30 µA e, em seguida, uma diminuição contínua da tensão de saída a partir de então (embora em etapas progressivamente menores). A tensão de saída mais baixa alcançada nesta simulação é 0,1299 volts, aproximando-se assintoticamente de zero.
Transistor como um amplificador CA
Até agora, vimos o transistor usado como um amplificador para sinais DC. No exemplo do medidor de luz de célula solar, estávamos interessados em amplificar a saída DC da célula solar para acionar o movimento do medidor DC ou para produzir uma tensão de saída DC. No entanto, esta não é a única maneira pela qual um transistor pode ser empregado como um amplificador. Freqüentemente, um AC amplificador para amplificar alternado sinais de corrente e tensão são desejados. Uma aplicação comum disso é na eletrônica de áudio (rádios, televisores e sistemas de endereçamento público). Anteriormente, vimos um exemplo da saída de áudio de um diapasão ativando uma chave de transistor. Vamos ver se podemos modificar esse circuito para enviar energia para um alto-falante em vez de para uma lâmpada na figura abaixo.
Interruptor do transistor ativado por áudio.
No circuito original, um retificador de ponte de onda completa foi usado para converter o sinal de saída CA do microfone em uma tensão CC para acionar a entrada do transistor. Tudo o que nos importava aqui era acender a lâmpada com um sinal sonoro do microfone, e esse arranjo foi suficiente para esse propósito. Mas agora queremos reproduzir o sinal AC e acionar um alto-falante. Isso significa que não podemos retificar mais a saída do microfone, porque precisamos de um sinal AC sem distorção para acionar o transistor, remover o retificador de ponte e substituir a lâmpada por um alto-falante:
O amplificador emissor comum aciona o alto-falante com sinal de frequência de áudio.
Uma vez que o microfone pode produzir tensões que excedem a queda de tensão direta da junção PN (diodo) emissor de base, um resistor deve ser colocado em série com o microfone. Simule o circuito com SPICE. A netlist está incluída em (Figura abaixo)
Versão SPICE do amplificador de áudio emissor comum.
amplificador emissor comum vinput 1 0 sin (0 1,5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,74m .plot tran v (1,0) i (v1) .end
Sinal cortado no coletor devido à falta de polarização da base DC.
A simulação plota a tensão de entrada (um sinal CA de amplitude de pico de 1,5 volts e frequência de 2000 Hz) e a corrente através da bateria de 15 volts, que é a mesma que a corrente através do alto-falante. O que vemos aqui é uma onda sinusoidal CA completa alternando nas direções positiva e negativa e uma forma de onda de corrente de saída de meia onda que pulsa apenas em uma direção. Se estivéssemos dirigindo um alto-falante com esta forma de onda, o som produzido seria distorcido.
O que há de errado com o circuito? Por que ele não reproduz fielmente toda a forma de onda AC do microfone? A resposta a esta pergunta é encontrada por uma inspeção detalhada do modelo da fonte de corrente do diodo do transistor na figura abaixo.
O modelo mostra que a corrente de base flui em uma direção.
A corrente do coletor é controlada ou regulada, através do mecanismo de corrente constante, de acordo com o ritmo definido pela corrente através do diodo base-emissor. Observe que ambos os caminhos atuais através do transistor são monodirecionais: apenas uma direção! Apesar de nossa intenção de usar o transistor para amplificar um AC sinal, é essencialmente um DC dispositivo, capaz de lidar com correntes em uma única direção. Podemos aplicar um sinal de entrada de tensão CA entre a base e o emissor, mas a corrente não pode fluir nesse circuito durante a parte do ciclo que polariza a junção do diodo base-emissor. Portanto, o transistor permanecerá no modo de corte durante essa parte do ciclo. Ele "ligará" em seu modo ativo apenas quando a tensão de entrada estiver com a polaridade correta para polarizar diretamente o diodo emissor de base e apenas quando essa tensão for suficientemente alta para superar a queda de tensão direta do diodo. Lembre-se de que os transistores bipolares são dispositivos controlados por corrente :eles regulam a corrente do coletor com base na existência de uma corrente do emissor , não base-para-emissor voltagem .
A única maneira de fazer com que o transistor reproduza toda a forma de onda como a corrente que passa pelo alto-falante é manter o transistor em seu modo ativo o tempo todo. Isso significa que devemos manter a corrente através da base durante todo o ciclo da forma de onda de entrada. Conseqüentemente, a junção do diodo base-emissor deve ser mantida polarizada para frente o tempo todo. Felizmente, isso pode ser feito com uma tensão de polarização DC adicionado ao sinal de entrada. Ao conectar uma tensão DC suficiente em série com a fonte de sinal AC, a polarização direta pode ser mantida em todos os pontos ao longo do ciclo da onda. (Figura abaixo)
Vbias mantém o transistor na região ativa.
amplificador emissor comum vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78 m .plot tran v (1,0) i (v1) .end
Corrente de saída não distorcida I (v (1) devido a Vbias
Com a fonte de tensão de polarização de 2,3 volts instalada, o transistor permanece em seu modo ativo durante todo o ciclo da onda, reproduzindo fielmente a forma de onda no alto-falante. Observe que a tensão de entrada (medida entre os nós 1 e 0) flutua entre cerca de 0,8 volts e 3,8 volts, uma tensão pico a pico de 3 volts exatamente como esperado (tensão da fonte =pico de 1,5 volts). A corrente de saída (alto-falante) varia entre zero e quase 300 mA, 180 ° fora de fase em relação ao sinal de entrada (microfone).
A ilustração na figura abaixo é outra vista do mesmo circuito, desta vez com alguns osciloscópios (“scopemeters”) conectados em pontos cruciais para exibir todos os sinais pertinentes.
A entrada é enviesada para cima na base. A saída está invertida.
Polarização
A necessidade de polarizar um circuito amplificador de transistor para obter a reprodução da forma de onda completa é uma consideração importante . Uma seção separada deste capítulo será dedicada inteiramente ao assunto das técnicas de polarização e polarização. Por enquanto, é suficiente entender que a polarização pode ser necessária para a saída de tensão e corrente adequada do amplificador.
Agora que temos um circuito amplificador funcionando, podemos investigar seus ganhos de tensão, corrente e potência. O transistor genérico usado nessas análises SPICE tem um β de 100, conforme indicado pela impressão curta das estatísticas do transistor incluída na saída de texto na Tabela abaixo (essas estatísticas foram cortadas das duas últimas análises para fins de brevidade).
Parâmetros do modelo BJT SPICE.
tipo npn é 1,00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000
β está listado com a abreviatura “bf”, que na verdade significa “beta, para a frente” . Se quiséssemos inserir nossa própria razão β para análise, poderíamos ter feito isso na linha .model da netlist SPICE.
Como β é a razão da corrente do coletor para a corrente de base, e temos nossa carga conectada em série com o terminal do coletor do transistor e nossa fonte conectada em série com a base, a razão da corrente de saída para a corrente de entrada é igual a beta. Portanto, nosso ganho atual para este amplificador de exemplo é 100 ou 40 dB.
Ganho de tensão
O ganho de tensão é um pouco mais complicado de calcular do que o ganho de corrente para este circuito. Como sempre, o ganho de tensão é definido como a razão da tensão de saída dividida pela tensão de entrada. A fim de determinar isso experimentalmente, modificamos nossa última análise SPICE para traçar a tensão de saída em vez da corrente de saída, portanto, temos dois gráficos de tensão para comparar na figura abaixo.
amplificador emissor comum vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78 m .plot tran v (1,0) v (3) .end
V (3), a tensão de saída em r spkr , em comparação com a entrada.
Traçado na mesma escala (de 0 a 4 volts), vemos que a forma de onda de saída na Figura acima tem uma amplitude pico a pico menor do que a forma de onda de entrada, além de estar em uma tensão de polarização inferior, não elevada de 0 volts como a entrada. Como o ganho de tensão para um amplificador CA é definido pela razão das amplitudes CA, podemos ignorar qualquer polarização CC separando as duas formas de onda. Mesmo assim, a forma de onda de entrada ainda é maior do que a saída, o que nos diz que o ganho de tensão é menor que 1 (um valor em dB negativo).
O ganho de baixa tensão não é característico de todos amplificadores de emissor comum. É uma consequência da grande disparidade entre as resistências de entrada e carga. A resistência de entrada (R1) aqui é de 1000 Ω, enquanto a carga (alto-falante) é de apenas 8 Ω. Como o ganho de corrente deste amplificador é determinado unicamente pelo β do transistor, e porque esse valor de β é fixo, o ganho de corrente para este amplificador não mudará com variações em qualquer uma dessas resistências. No entanto, o ganho de tensão é dependente dessas resistências. Se alterarmos a resistência de carga, tornando-a um valor maior, ela cairá uma tensão proporcionalmente maior para sua faixa de correntes de carga, resultando em uma forma de onda de saída maior. Tente outra simulação, só que desta vez com uma carga de 30 Ω na figura abaixo em vez de uma carga de 8 Ω.
amplificador emissor comum vinput 1 5 sin (0 1,5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2,3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0,02m 0,78 m .plot tran v (1,0) v (3) .end
Aumentando r spkr para 30 Ω aumenta a voltagem de saída
Desta vez, a forma de onda da tensão de saída na figura acima é significativamente maior em amplitude do que a forma de onda de entrada. Looking closely, we can see that the output waveform crests between 0 and about 9 volts:approximately 3 times the amplitude of the input voltage.
We can do another computer analysis of this circuit, this time instructing SPICE to analyze it from an AC point of view, giving us peak voltage figures for input and output instead of a time-based plot of the waveforms. (Table below)
SPICE netlist for printing AC input and output voltages.
common-emitter amplifier vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(4,3) .end freq v(1) v(4,3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00
Peak voltage measurements of input and output show an input of 1.5 volts and an output of 4.418 volts. This gives us a voltage gain ratio of 2.9453 (4.418 V / 1.5 V), or 9.3827 dB.
Solving for the voltage gain:
Because the current gain of the common-emitter amplifier is fixed by β, and since the input and output voltages will be equal to the input and output currents multiplied by their respective resistors, we can derive an equation for approximate voltage gain:
As you can see, the predicted results for voltage gain are quite close to the simulated results. With perfectly linear transistor behavior, the two sets of figures would exactly match. SPICE does a reasonable job of accounting for the many “quirks” of bipolar transistor function in its analysis, hence the slight mismatch in voltage gain based on SPICE’s output.
These voltage gains remain the same regardless of where we measure output voltage in the circuit:across collector and emitter, or the series load resistor as we did in the last analysis. The amount of output voltage change for any given amount of input voltage will remain the same. Consider the two following SPICE analyses as proof of this. The first simulation in the figure below is time-based, to provide a plot of input and output voltages. You will notice that the two signals are 180o out of phase with each other. The second simulation in Table below is an AC analysis, to provide simple, peak voltage readings for input and output.
common-emitter amplifier vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v(1,0) v(3,0) .end
Common-emitter amplifier shows a voltage gain with Rspkr =30Ω SPICE netlist for AC analysis
common-emitter amplifier vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v(1,0) v(3,0) .end freq v(1) v(3) 2.000E+03 1.500E+00 4.418E+00
We still have a peak output voltage of 4.418 volts with a peak input voltage of 1.5 volts.
So far, the example circuits shown in this section have all used NPN transistors. PNP transistors are just as valid to use as NPN in any amplifier configuration, as long as the proper polarity and current directions are maintained, and the common-emitter amplifier is no exception. The output inversion and gain of a PNP transistor amplifier are the same as its NPN counterpart, just the battery polarities are different.
PNP version of common emitter amplifier.
REVER:
- Common-emitter transistor amplifiers are so-called because the input and output voltage points share the emitter lead of the transistor in common with each other, not considering any power supplies.
- Transistors are essentially DC devices:they cannot directly handle voltages or currents that reverse direction. To make them work for amplifying AC signals, the input signal must be offset with a DC voltage to keep the transistor in its active mode throughout the entire cycle of the wave. This is called biasing .
- If the output voltage is measured between emitter and collector on a common-emitter amplifier, it will be 180° out of phase with the input voltage waveform. Thus, the common-emitter amplifier is called an inverting amplifier circuit.
- The current gain of a common-emitter transistor amplifier with the load connected in series with the collector is equal to β. The voltage gain of a common-emitter transistor amplifier is approximately given here:
- Where “Rout” is the resistor connected in series with the collector and “Rin” is the resistor connected in series with the base.
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