Projetando Amplificador Emissor Comum Multi-Estágio de Alto Ganho com Realimentação Negativa

Neste tutorial construímos um amplificador emissor comum de três estágios que demonstra como realimentação negativa pode domar alto ganho de tensão e melhorar estabilidade.

Peças e Materiais

• Três transistores NPN (2N2222 ou 2N3403; Radio Shack catálogo #276-1617 é kit conveniente de 15 peças).
• Duas baterias de 6 V (ou fonte única de 12 V).
• Um potenciômetro linear de volta única de 10 kΩ (Radio Shack catálogo #271-1715).
• Um resistor de 1 MΩ.
• Três resistores de 100 kΩ.
• Três resistores de 10 kΩ.

Referências Cruzadas

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, capítulo 4: "Transistores de Junção Bipolar".

Objetivos de Aprendizado

• Projetar circuito amplificador emissor comum multi-estágio, acoplado diretamente.
• Entender impacto da realimentação negativa no desempenho do amplificador.

Diagrama Esquemático

Ilustração

Instruções

Conecte três estágios emissor comum em série: o coletor de cada transistor aciona a base do próximo através de resistor de 10 kΩ. Este arranjo multiplica os ganhos de estágio individuais para produzir ganho de tensão geral muito alto.

Comece omitindo o resistor de realimentação de 1 MΩ. Com parâmetros do transistor no máximo, você verá ganho quase ilimitado que faz a saída saturar nos trilhos da fonte para sinais de entrada modestos. Se não conseguir ajustar o potenciômetro para saída estável na região ativa, a característica de inversão básica ainda será evidente: conforme entrada sobe, saída cai e vice-versa.

Como cada estágio emissor comum inverte, número par de estágios produz resposta geral não-inversora enquanto número ímpar dá saída invertida. Verifique isso medindo tensão coletor-terra em cada transistor enquanto varre o potenciômetro de entrada e observando se a saída sobe ou cai com aumento de entrada.

Agora adicione o resistor de realimentação de 1 MΩ do coletor do último transistor de volta à base do primeiro. Como o amplificador de três estágios é invertido, o sinal de realimentação é inerentemente negativo e estabilizará o circuito, reduzindo dramaticamente a sensibilidade a variações de entrada.

Com realimentação no lugar, o amplificador se comporta muito mais previsivelmente. Registre tabela de tensões entrada vs saída e calcule ganho de tensão. Tente diferentes valores para o resistor de realimentação: diminuí-lo aumentará o ganho, enquanto aumentá-lo reduzirá o ganho. O resultado é ganho previsível, dependente do resistor, em vez de variar com tolerâncias dos transistores.

Na prática, amplificadores multi-estágio reais incorporam resistores emissor-terra para estabilidade de polarização, acoplamento capacitivo entre estágios e divisores de tensão para polarização. Projetos de alta frequência frequentemente usam transformadores com capacitores ressonantes. No entanto, os princípios demonstrados aqui fundamentam a operação de amplificadores operacionais e muitos circuitos amplificadores profissionais.

Simulação Computacional

Esquemático com números de nós SPICE:

Netlist (copie o seguinte texto verbatim para um arquivo .cir):

 Amplificador multi-estágio vsupply 1 0 dc 12 vin 2 0 r1 2 3 100k r2 1 4 10k q1 4 3 0 mod1 r3 4 7 100k r4 1 5 10k q2 5 7 0 mod1 r5 5 8 100k r6 1 6 10k q3 6 8 0 mod1 rf 3 6 1meg .model mod1 npn bf=200 .dc vin 0 2.5 0.1 .plot dc v(6,0) v(2,0) .end 

Esta simulação plota tensão de saída versus tensão de entrada, permitindo calcular ganho de tensão numericamente. Experimente com diferentes valores de rf e observe como o ganho geral muda. O ganho pode ser aproximado usando apenas os valores de resistência de r1 e rf.

Planilha Relacionada

• Planilha de Amplificadores Transistor Multi-Estágio