Amplificador cascata, Notas de estudo de Eletrônica Analógica

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Eletrônica Eletrônica básica - Teoria

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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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.

Amplificadores em cascata

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.

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.

GT =

PP

PP 0,01 V

16 V = 1600

No amplificador da figura abaixo cada um dos estágios é responsável por uma parcela da amplificação total. Supondo-se que o ganho do 1^0 estágio amplificador seja 40 o sinal presente entre o 1^0 e 2^0 estágio:

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 1 0 estágio é 10V
• A tensão na entrada do 2^0 estágio é 3V.

Observe mais esta figura:

É importante salientar que a utilização de transformadores de acoplamento implica na mudança do método de polarização do transistor T 2 , 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 CC de polarização.

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.

2 a^ 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.

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 Sinalde entrada

Sinal de saída conversão relação → dB

Esta relação pode ser particularizada para ganhos de: Potência dB = 10 log ENTRADA

SAIDA P

P

Tensão dB = 10 log ENTRADA

SAIDA V

V

Corrente dB = 10 log ENTRADA

SAIDA I

I

A seguir estão dois exemplos de aplicação da equação:

AV (dB) = 10 log

Vi

Vs A

V = 10 log 50

AV = 10.log

5 A

V = 10.1,7^ AV = 17dB

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

Ve

Vo (^) ou IE

Io ou (^) PePo^ Ganho em dB 1 0 2 0, 30, 4 6 5 7 10 1 20 13 100 20

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 Valorentrada

Valorsaída

G (dB)= 10 log Valorentrada

Valorsaída

dB (^) = Valorentrada

Valorsaída

Conversão dB relação

Por exemplo:

ENTRADA

SAÍDA V

V

dB 10 ENTRADA

SAÍDA V

V

= 100,6^ ≅ 4

ENTRADA

SAÍDA V

V = 10 106 V

SAÍDA = V^ ENT. 4 = 4 V pp

Operações com dB

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

1 o^ Estágio 2 o^ Estágio VENT VENT AV = 5 AV = 20 VSAÍDA = VENT. 100

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

10 Estágio 2 0 Estágio AV = 7dB AV = 13dB SAÍDA = A (^) V = 20dB

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