Amplificadores de Potência

Prof. Douglas Bressan RiffelProf. Douglas Bressan Riffel

Amplificadores de PotenciaIdéia fundamental:Idéia fundamental: Amplificar sinais até níveis suficientes com um bom rendimento energético. g

PCC η = PRF/PCCRg

η PRF/PCC

PAmplificador

+PRFPe

RF

de potencia de RF RL

VCC

PPperd

“Classes” de um amplificador de Potência

RAmplificador de potencia de RF

Rg

+iC

potencia de RF+

RL

QQ1

iC iC iC

π 2π0t

π 2π0t

π 2π0t

Classe A: Classe B: Classe C:Classe A:condução durante 2π

Classe B:condução durante π

Classe C:condução < π

R“Classes” de um amplificador de Potência

Amplificador de potencia de RF

Rg

+iC

potencia de RF+

+ RL+

-vCE

iC

Q1-

• Clase D: Q1 trabalha em comutaçãot

vCE

• Clase E: Q1 trabalha em comutação a tensão zero

t

tControl

ATE-UO EC amp pot 03

Tipos de amplificadores de potência de RF

Rg

Amplificador de potencia

+

V vg+

vpde RF RL

VCC-vs

Amplificadores lineares: a forma de onda da tensão de saída vs é proporcional a da entrada vg.p p g

Amplificadores não lineares: a forma de onda da tensão de saída vs não é proporcional a de entrada vg. Caso especialmente ginteressante: tensão de saída vs proporcional a VCC.

Amplificador “Classe A” com a carga em um circuito de polarização (I)p ç ( )

Circuito básico

iCRLPolarização

RL

VCC

Rg

CC

+g

+ Q1-

vCE

1

iAmplificador “Classe A” com a carga

em um circuito de polarização (II)iCRL

V iV /RElegemos um

ponto de trabalho

p ç ( )

VCC

+

iCVCC/RLponto de trabalho

Q -vCE IB

Q1vCEt

iC1

VCC

tPRF = ic1

2·RL/2 PCC = ic1·VCCt

vCE1η = PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)

Logo η cresce com iC1. Entretanto, o crescimento de iC1 tem um limite

iCRAmplificador “Classe A” com a carga

em um circuito de polarização (III)CRL

VCCiCVCC/RL

Máximo valor de iC1

em um circuito de polarização (III)

CC

+CC L

Q1-

vCE IBiC1 = VCC/2RL1

vCE

VCC

t

VCC

ηmax = ic1·RL/(2·VCC) com iC1 = VCC/2RL tηmax ic1 RL/(2 VCC) com iC1 VCC/2RL

Por tanto: ηmax = 1/4 = 25%vCE1 = VCC/2t

25% é um rendimento máximo muito baixo!

Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (I)p ( )

Circuito básico

Polarização ICVCC

Rg

CC

++ -

g

+ Q1RL-

vCE

1

Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (II)

Realização física de uma fonte de corrente

++

p ( )

ICVCC

IVCC

++

iC+ -

IC

i+ ---

RL+

iC iLRL+

iC iL

Q1-

vCE

Q1

L

-vCE

Q1 Q1

Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (III)

Escolha do ponto de trabalho para um valor de IC

p ( )

ICVCC

+ iCVCC/RL

Reta de

i+ --

IB

Reta de carga

contínua

RL+

iC iLvCE

Q

L

-vCE VCC

Reta de carga com umainclinação de 1/RQ1 inclinação de 1/RL

Esta é a reta de carga com maiores níveis de tensão ecorrente, compatível com uma tensão positiva na fontede corrente

Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (IV)

VCC/RLiC

+

p ( )

I

Recta de carga en continua

Recta de carga en alterna

ICVCC

+

v

tIC

IB

viC i

+ --vCE1

tVCC

vCE

RL+

iC iL

tvCE1Q1

-vCE

PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC η = Ic·RL/(2·VCC)Q1

Logo, η cresce com IC e tem o limite em IC = VCC/2RL.

Amplificador “Classe A” com polarização por fonte de corrente (V)

VCC/RLiC

p ( )

ICVCC

+IC

VCC

+IC

VCCICVCCICVCC

++IC IB

Reta de carga alternada

C

iC iL

+ --vCE1

C

iC iL

+ --C

iC iL

+ -

C

iC iL

C

iC iL

+ ---vCE1

tv

Reta de carga contínua

RL+vCE

L

RL+vCE

L

RL+vCE

L

RL+vCE

L

RL+vCE

++vCE

L

VCC

vCE

tvCE1

Q1-Q1-Q1-Q1-Q1---

PRF = Ic2·RL/2 PCC = Ic·VCC η = Ic·RL/(2·VCC)

Com IC = VCC/2RL, ηmax = 1/4 = 25%.O que permanece muito baixo.

Amplificador “Classe A” com polarização por resistência no coletor (I)p ( )

Circuito básico

RPolarização

RC

VCC+ -iC

Rg

CC

+iC

iLg

+ Q1-

vCE RL

1

Amplificador “Classe A” com polarização por resistência no coletor (II)

iCVCC/RLR

p ( )

IBi

Ponto de trabalho

RC

VCC+ -iC

vReta de carga

iC1

+v

CiL

VCC

vCEcarga

CCvCE1Q1

-vCE RL

Reta de carga CA com umainclinação -(RC+RL)/(RL·RC)

Q l l d R bt di i t á i ?Qual valor de RC para se obter o rendimiento máximo?Quanto vale o rendimiento máximo?A condição de rendimiento máximo é quando R = √2 R eA condição de rendimiento máximo é quando RC = √2·RL eηmax = 1/(6 + 4· √2) = 8,57%.

Resumo dos amplificadores “Classe A” (até agora)

RC

V

RC

V

RC

VIC

VCC

+IC

VCCICVCCICVCC

++iCRLiCRL

VCC

+v R

+ -iCiL

VCC

+v R

+ -iCiL

VCC

+v R

+ -

R

+ -iCiLiC iL

+ --iC iL

+ -iC iLiC iL

+ ---VCC

+

VCC

+

Q1-

vCE RLQ1

-vCE RL

Q1-

vCE RLRL

η = 8 57%Q

RL+

-vCE

Q

RL+

-vCE

Q

RL+

-vCE

Q

RL+

-vCE

+

-

+

-vCEQ1

-vCE

Q1-

vCE

ηmax = 25%

T d t

ηmax = 8,57%Q1Q1Q1Q1 ηmax = 25%ηmax

• Toda a componente•A componente alternada de i circula pela carga e• Toda a componente

alternada de iC circula pela carga.• Entretanto a fonte

• Toda a componente alternada de iC circula pela carga.• Entretanto, a fonte de

de iC circula pela carga e pela resistência de polarização.• A resistência de• Entretanto, a fonte

enxerga uma carga contínua.

Entretanto, a fonte de corrente se dissipa continuamente.

A resistência de polarização dissipa-se continuamente.

ÉÉ possível encontrar um elemento de polarização que não dissipe nem alternada nem contínua?

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (I)p ( )

Circuito básico

LCHPolarização

VCC+ -iC

Rg+

vCE R

iRL

+ Q1-

CE RL

O indutor LCH deve possuir uma impedância CH p pmuito maior que RL na freqüência de trabalho

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (II)

Circuito equivalente básico

p ( )

LC LCH RLLCH

VCC+ -iC

LCH

VCC

RL

iC

+iC

iRL +v

C

iRL

Q1-

vCE RLQ1

-vCE

Em ambos os casos:Toda a componente alternada de i circ la pela carga• Toda a componente alternada de iC circula pela carga.

• No indutor, obviamente, não se dissipa potência ativa.

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (III)

Outra possibilidade, mas com um grau de liberdade a maisp ( )

Lm RL’RL VCC

+iC

i ’

RL

iC i1:n

+vCE

iRL’VCC+v

C iRL

Q1-

Q1-

vCERL’ = RL/n2

iRL’ = iRL’·nRL RL

Como no caso anterior:• Toda a componente alternada de iC circula pela cargaC g(modificada pela relação de transformação do transformador).• No indutor, obviamente, não se dissipa potência ativa.

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (IV)

Circuito em estudo

R t d

p ( )

LCH RL

iCIB

Reta de carga CC

VCC

+iC

i

B

+vCE

iRL

Reta de carga

Q1-

VCC vCE

galternada com inclinação de

-1/RL Ponto de trabalho

Como escolher o melhor ponto de trabalho?

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (V)

iCReta de carga

continuaLCH RLLCH RL

p ( )

IBVCC

+

L

iCiRL

VCC

+

L

iCiRL

iQ1

+

-vCE

iRL

Q1

+

-vCE

iRL

A componente alternadavCE

VCC

iC1Q1Q1 A componente alternada

no transistor é a mesmada carga

t

CCVCC+iC1·RLPRF = (ic1·RL)2/(2·RL)

PCC = ic1·VCCCC c1 CC

η = PRF/PCC = ic1·RL/(2·VCC)

O máximo valor de i R é i R = V e por tanto η = 1/2 = 50%O máximo valor de ic1·RL é ic1·RL = VCC e, por tanto, ηmax = 1/2 = 50%.Melhorou muito, mas ainda permanece baixo!

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (VI)

R t d

Situação com o máximo sinal que se pode operar

p ( )

Reta de carga contínuaiC

IB2iC1LCH RLLCH RL BCH

VCC

+

L

iCi

CH

VCC

+

L

iCi

vCE

iC1=VCC/RL

tQ1

+

-vCE

iRL

Q1

+

-vCE

iRL

VCC

CE

2VCC

tQ1Q1 ηmax = 50%.

tQual é o rendimento máximo quando o sinal não é a máxima

possível?

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (VII)

Situação com o sinal abaixo do máximo que se pode operar

R t d

p ( )

LCH

V

RLLCH

V

RL

Reta de carga contínuaiC

IB2·VCC/RL

VCC

+iC

iRL

VCC

+iC

iRL

B

ΔiC

Q1-

vCE

Q1-

vCE

vCE

Pend. -1/RL

tVCC

CE

2VCC

t

PRF = (ΔvCE)2/(2·RL)

tΔvCE

RF ( CE) ( L)

PCC = VCC2/RL

η = P /P = 0 5·(Δv /V )2η = PRF/PCC = 0,5·(ΔvCE/VCC)2

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (VIII)

Reta de carga contínuaiCCom transistores reais

p ( )

contínuaiC IB2·VCC/RL(não idealizados)

(VCC-vCE sat)/RL Pend. -1/RL

vCE

L

VCC 2VCCPRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)PCC = VCC·(VCC-vCE sat)/RL

tvCE sat

VCC-vCE sat

CC CC ( CC CE sat) L

η = 0,5·(VCC-vCE sat)/ VCC

Amplificador “Classe A” com polarização por um indutor no coletor (IX)

Sinal modulado em amplitudeReta de carga iv

vce(ωmt, ωpt)

p ( )

continuaiCIB

2·VCC/RLvp

vm

Pend 1/Rv (ω t ω t) = Δv (ω t)·sen(ω t)

VvCE

Pend. -1/RLvce(ωmt, ωpt) = ΔvCE(ωmt)·sen(ωpt)ΔvCE(ωmt) = vp[1 + m·sen(ωmt)]m = vm/vp VCC 2VCC

m p

η(ωmt) = 0,5·[ΔvCE (ωmt)/VCC]2 ⇒η(ωmt) = 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m·sen(ωmt)]2

tηmed = 0,5·(vp/VCC)2·[1 + m2/2]ηmed max ⇒ vp = VCC/2, m = 1ηmed max ⇒ vp VCC/2, m 1ηmed max = 0,125·[1 + 1/2] = 18,75% Voltando a ser muito baixo!

Amplificador “Classe B” com um único transistor (I)Circuito básico

Circuito ressonante a uma frequencia do sinal de RF

Circuito básico

frequencia do sinal de RF

L C

PolarizaçãoL

VCC+ -iVCC

R

CC

+R

iCiRL +

Rg

+ Q1-

vCERL

-vRL

iC

Q1

180º

Amplificador “Classe B” com um único transistor (II)

L C -

vRLL C

Equivalente RLiC

+

vRL

VCC+ -iCVCC

i

VCC+vCE

iRL+vCE R

iRL +vRL iC

180ºQ1

-CE

iCQ1

-vCE RL-

180C

180º

Equivalente (salvo para uma tensãoiC i L

RLC

-

vRL para uma tensão sobre a fonte)

C

180º

iC L iRL +RL

Circuitos equivalentes (I)

Amplificador “Classe B” com um único transistor (III)Circuitos equivalentes (I)

iC CiC +C

L RL

C

180º

iCpico

-vRL

i

180

C +iCca

iCpico(1-1/π)

iC L RL -vRL

IC iCpico/πIC

180ºiCcaC Cpico

Não genera tensão na carga

Circuitos equivalentes (II)

Amplificador “Classe B” com um único transistor (IV)Circuitos equivalentes (II)

iCcaiCpico(1-1/π) iCca1 iCpico/2= + Harmônicos

iCca(ωt) iRL(ωt)180º= +

C +iCca1 Arm. Os harmônicos se curto-circuitam pelo

L RL -vRL

curto circuitam pelo capacitor

iCca1 (ωt) = (iCpico/2)·sen(ωt)ivRL(ωt) = RL·iRL(ωt) = -RL·iCca1(ωt)

vRL(ωt) = -RL·(iCpico/2)·sen(ωt) iCca1 iCpico/2

iCca1

R

+vRL

iRL

RL -RL

Chamamos vce a componente alternada de

Amplificador “Classe B” com um único transistor (V)

Retas de carga, ponto de trabalho (estático) e excursão

do ponto de trabalho

ce pvCE. Então:vce(ωt) = vRL(ωt) = -RL·(iCpico/2)·sen(ωt) ⇒

( t) (R /2) i ( t) (R /2) ip

L C

vce(ωt) = -(RL /2)·iCpico·sen(ωt) = -(RL /2)·iCPortanto:ΔvCE = iCpico·RL/2

iCIB

L

V+VCC

Reta de carga contínua

Inclinação2·VCC/RL

CE Cpico L/

IBVCC

+

+ -iCiRL +

Inclinação-2/RL

iC i

vCEQ -vCE RL-

vRL

Inclinação 0

iCpicoPonto de trabalho

vCEiC

Q1VCC

Inclinação 0

180ºt

180º

tΔvCE

Cálculo do rendimento máximo possível

Amplificador “Classe B” com um único transistor (VI)Cálculo do rendimento máximo possível

iCReta de carga

continua2·V /RL CL C

IBInclinação-2/RL

2·VCC/RL

VCC+ -iCi

VCC

+VCC+ -iC

i

VCC

++ iCpicoPonto de trabalho

+

-vCE RL

iRL +

-vRL

+

-

+

-vCE RL

iRL +

-

+

-vRL iCpico/π

Δv =

vCE

VCC

Inclinação 0

180ºtQ1

- LQ1-- L

ΔvCE =iCpico·RL/2

tΔvCE

PRF = (ΔvCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL)2/(8·RL)PCC = VCC·iCpico/π tp

η = PRF/PCC = iCpico·RL·π/(8·VCC)

O má imo alor de i é i = 2 V /R e portantoO máximo valor de iCpico é iCpico max = 2·VCC/RL e, portanto:ηmax = π/4 = 78,5% Uma melhora notável!

Amplificador “Classe B” com um único transistor (VII)

Situação com o máximo sinal que se pode operar

L C

VCC

L C

VCC2·VCC/RL

iCReta de carga

continua

VCC

+

+ -iCiRL

VCC

+VCC

++

+ -iCiRL

VCC

++

CC LIB

Q1-

vCE RL-vRL

Q1--

vCE RL--vRL

180ºtηmax = π/4 = 78,5%

vCE

VCC 2·VCCηmax π/4 78,5%

tt

Cálculo da potência máxima dissipada pelo transistor PT

Amplificador “Classe B” com um único transistor (VIII)Cálculo da potência máxima dissipada pelo transistor, PTr

PRF = (iCpico·RL)2/(8·RL) iC Recta de carga en continua2·V /RPCC = VCC·iCpico/π

PTr = PCC - PRF ⇒

P = V i / (i R )2/(8 R )

IB2·VCC/RL

PTr = VCC·iCpico/π - (iCpico·RL)2/(8·RL)PTr tem um máximo em:

i = 4·V /(π·R )iCpico/π

iCpico

iCpico PTmax = 4 VCC/(π RL)Note-se que:

iCpico PTmax < iCpico max = 2·VCC/RLvCEVCC180ºt

iCpico PTmax iCpico max 2 VCC/RL

PTrmax = 2·VCC2/(π2·RL)

A potência máxima de RF é:

CC

t ΔvCEPRF max = (iCpico max·RL)2/(8·RL) ⇒PRF max = VCC

2/(2·RL)Portanto:PTrmax = 4·PRF max/π2 = 0,405·PRF max

C t i t i

Amplificador “Classe B” com um único transistor (IX)

Com transistores reais

Reta de carga tíi contínuaiC IB2·VCC/RL

Inclinação-2/RL2·(VCC-vCE sat)/RL2 (VCC vCE sat)/RL

vCE

t

PRF = (VCC-vCE sat)2/(2·RL)

VCC 2VCC

V -v

180ºt

PCC = VCC·2·(VCC-vCE sat)/(π·RL)η = π·(VCC-vCE sat)/(4·VCC) ⇒ t vCE sat

VCC-vCE sat

η = 0,785·(VCC-vCE sat)/VCC

Amplificador “Classe B” com um único transistor (X)

Sinal modulado em amplitude

Reta de carga

vpvm

iCIB

Reta de carga contínua

Inclinação2/R

2·VCC/RLΔvCE(ωmt) = vp[1 + m·sen(ωmt)] B-2/RL

CE( m ) p[ ( m )]

m = vm/vp

PRF = [ΔvCE(ωmt)]2/(2·RL)iCpico(ωmt)

vCEInclinação 0

Ponto de trabalhoPRF [ΔvCE(ωmt)] /(2 RL)

PCC = VCC·iCpico(ωmt)/π

ΔvCE(ω t) = iC i (ω t)·RL/2 ⇒

VCC

ΔvCE(ωmt) iCpico(ωmt) RL/2 ⇒

PCC = VCC·2·ΔvCE(ωmt)/(π·RL)

η = PRF/PCC = π·ΔvCE(ω t)/(4·VCC)η = PRF/PCC = π ΔvCE(ωmt)/(4 VCC)

η = 0,785·vp[1 + m·sen(ωmt)]/VCC

η = 0 785·v /Vt

ηmed = 0,785·vp/VCC

ηmed max ⇒ vp = VCC/2 ⇒ ηmed max = 39,26%ΔvCE(ωmt)

Circuito básico: montado como Push-Pull (I)

Amplificador “Classe B” com dois transistores (I)Circuito básico: montado como Push Pull (I)

R ’ R / 2Polarização

RL’ = RL/n2Q1 iC1

iRL

+vRg

+ +RL

iRL

-vCE1

VCC-vRL

RL

-

+ -

1 1i

+

vCE2

Q 1:1:niC2

+Q2

Amplificador “Clase B” con dos transistores (II)

Circuito básico: montado como Push-Pull (II)

iB1

Q1 iiRL

180º Q1 iC1+vCE1

iRLiB1 iC1

VCC

- +vRL

180º

VCC

- -vRL

RLiC2

iC2

+

vCE2

Q2

RL

1:1:niB2

iB2

C2

180ºiB2

180º

Amplificador “Clase B” con dos transistores (III)Circuito básico: montado como Push Pull (III)

iC1

Circuito básico: montado como Push-Pull (III)

Reta de carga iC1

IB1

VCC/RL’contínua

Inclinação-1/RL’ B1

R ’ = R /n2R ’ = R /n2

iCpicoPonto de trabalho

vCE2 VCC

vCE1iC1

iC1

iRL

1:1:n

RL = RL/n

iC1iC1

iC1

iRL

1:1:n

RL = RL/n

ttvCE2 VCC

180º +VCC+

vRL

RL

180º180º +VCC+

vRL

++vRL

RL t

iCpico

IB1

V /R ’

iC2

180ºi

-RL

i

iC2

180º

iC2

180ºi

---RL

ii

iC2

VCC/RL’iC2 iRLiC2 iRLiRL

Amplificador “Clase B” con dos transistores (IV)

Cálculo do rendimento máximo possível

PRF = iCpico2·RL’/2

PCC = 2·VCC·iCpico/πiC1

VCC/RL’

Reta de carga contínua

Inclinação

η = iCpico·RL’·π/(4·VCC) ⇒η = 0,785·iCpico·RL’/VCC

IB1-1/RL’

iCpicoPonto de trabalho

Como:i = V /R ’ então: vCE2 VCC

vCE1t t

Ponto de trabalho

iCpico max = VCC/RL , então: ηmax = π/4 = 78,5%

I

vCE2 CC t

iCpico

Como no caso de um transistorIB1

iVCC/RL’

iC2

Situação com o máximo sinal que se pode operarAmplificador “Clase B” con dos transistores (V)

Situação com o máximo sinal que se pode operar

iC1Reta de carga

contínuaVCC/RL’

IB1

ηmax = 78,5% Ponto de trabalho

tηmax ,

Q1 iC1+Q1 iC1+++ VCC

vCE1vCE2 t

t

V

-vCE1

+

iRL

V

-vCE1

--vCE1

+

iRL

+++

iRL

IVCC

-

vCE2

-vRL

RL

VCC

-

vCE2

--

vCE2

-vRL

RL

-vRL

--vRL

RL

IB1

V /R ’iC2

+CE2

Q2 1:1:niC2

+CE2++CE2

Q2 1:1:n1:1:n iC2VCC/RL’

Ganancia de los amplificadores “Clase A” con bobina, “Clase B” con un transistor y “Clase B” con dos transistoresy

Por comodidad, calculamos la “Transresistencia” ΔvRL/ΔiB

iCIB

2·VCC/RL

1/RLΔiC

iCIB

2·VCC/RL

1/RLΔiCEn todos los casos: ΔvRL= VCC, ΔiB = ΔiC/β

vCE

C

vCE

C

iC1

IB1

VCC/RL’ iC1

IB1

VCC/RL’ iC1

IB1

iC1

IB1

iC1

IB1IB1

VCC/RL’

ΔvRL/ΔiB = RL·β

Clase A VCC 2VCCVCC 2VCC

2·VCC/RL

iCIB

2·VCC/RL

iCIB

iCIB

iCIB

iCIB

iCIB

iCIBIB vCE1

B1

ΔiC

vCE1

B1

vCE1

B1

vCE1

B1B1B1

ΔiCΔvRL/ΔiB RL β

ΔiCΔiC VCC

vCE1vCE2

Δi

VCC

vCE1vCE2 VCC

vCE1vCE1vCE2vCE2

ΔiClasse B,2 Trans.

vCE

VCC 2·VCC

vCEvCEvCEvCEvCE

VCC 2·VCCClasse B,1 Trans.

IB1

i

ΔiCIB1

i

IB1

i

IB1

i

IB1IB1

i

ΔiC2 Trans.

iC2 VCC/RL’iC2 VCC/RL’iC2iC2iC2 VCC/RL’ΔvRL/ΔiB = RL·β/2 ΔvRL/ΔiB = RL’·n·β

Comparação entre amplificadores “Classe A”, “Classe B” com um transistor e “Classe B” com dois transistorescom um transistor e Classe B com dois transistores

Amplificador Rendimento máximo

Ganho de tensão

Impedância de entrada iCmax Banda

Cl A 50% R β/r Linear 2 V /R LClasse A 50% RL·β/rBE Linear 2·VCC/RL Larga

Classe B,1 transistor 78,5% RL·β/(2·rBE) Não linear 2·VCC/RL Estreita1 transistor

Classe B,2 transistores 78,5% RL’·n·β/rBE

LinearVCC/RL’ Larga

rBE = resistência dinâmica da junção base-emissorR ’ = R /n2RL’ = RL/n2

Circuitos de polarização das classes A e B

Para a base+VCC

R

+VCC

Para a base do transistor

PolarizaçãoR

LCHPD

LCHP

CPara a base do transistoriB

Classe AInexistente no caso de Push-Pull

VBE

de Push-Pull

0 Classe B

Amplificadores “Classe C”Pode se atingir rendimentos máximos teóricos maiores que 78 5%?

Ci it bá i

Pode-se atingir rendimentos máximos teóricos maiores que 78,5%? O que deve-se sacrificar?

Circuito

Circuito básico

Cressonante

PolarizaçãoL

V

C

VCC VCC

+

+ -iCiRL +

Rg

+ Q -vCE

RL-

vRL

Q1iC

< 180º

Amplificadores “Classe C” lineares (I)

Como conseguir um ângulo de condução menor que 180º?Como conseguir um ângulo de condução menor que 180º?

iC vg

VB+vγBERg +

v

C

VBiBg

t+ -vCE

v

+vBEvg -

iBvγBE

tφC

BγrBE

φC

C i ?Como conseguir proporcionalidade entre iB e vg?

Amplificadores “Classe C” lineares (II)Relações entre as variáveis:

iVg pico·sen(ωt) – (VB + vγBE)

• Si (π φ )/2 < ωt < (π+φ )/2

Relações entre as variáveis:• vg = Vg pico·sen(ωt)

iB = 0• Si ωt < (π-φC)/2 o ωt > (π+φC)/2,

iB =Rg+rBE

• Si (π-φC)/2 < ωt < (π+φC)/2,

• φC = 2·arcos[(VB + vγBE)/Vg pico] vg

Para se obter a proporcionalidade entre iB e vg deve-se: VB+vγBE

- Variar VB+vγBEproporcionalmente a Vg pico.

tiB

- E que φC não varie.

tφC

Amplificadores “Classe C” lineares (III)i

VB+ - C lineares (III)

Rg +iC

iB RB

CB Realização física

+ -vCE+

v vγBEvg -

vBE

v = v + i ·r

γBErBE

VB = (Vg pico – vγBE)·RB/(RB + Rg + rBE)

vBE = vγBE + iB·rBE

g p γ g

VB + vγBE = Vg pico·RB/(RB + Rg + rBE) + vγBE·(Rg + rBE)/(RB + Rg + rBE)

Se Vg pico·RB >> vγBE·(Rg + rBE), então:g pico B γBE ( g BE)

VB + vγBE ≈ Vg pico·RB/(RB + Rg + rBE) ou seja, proporcional.

Como: vg = VB + vγBE + (Rg + rBE)·iB ⇒ vg >> vBE ⇒ Pequeno Ganho.g B γBE ( g BE) B g BE q

Amplificadores “Classe C” lineares (IV)

V i ·sen(ωt) – (VB + v BE)

Como:

L CL C

φ = 2·arcos[(V + v )/V ]

iB =Rg+rBE

Vg pico sen(ωt) (VB + vγBE)L

VCC+ -iCVCC

L

VCC+ -iCVCC

φC = 2 arcos[(VB + vγBE)/Vg pico]Então:i = [sen(ωt) – cos(φ /2)]· V /(R +r )

+vCE R

CiRL +

vRL

++vCE R

CiRL ++

vRLiB = [sen(ωt) – cos(φC/2)] Vg pico/(Rg+rBE)e, portanto:i = [sen(ωt) – cos(φ /2)]·β·V /(R +r )

β - RL-β -- RL--

iC = [sen(ωt) – cos(φC/2)] β Vg pico/(Rg+rBE)O valor de pico vale:iC i = [1 – cos(φC/2)]·β·V i /(R +rBE)

iCiCpico = [1 – cos(φC/2)] β Vg pico/(Rg+rBE)Ou seja:

i = i ·sen(ωt) – cos(φC/2)

ICpico

iC = iCpico·1 – cos(φC/2)φc

Amplificadores “Classe C” lineares (V)

( t) ( /2)iC = iCpico·

1 – cos(φC/2)sen(ωt) – cos(φC/2)

IC = ·1 – cos(φC/2)

sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)iCpico

π• Componente contínua: (φC )

φC– senφCiCpicoiCca1(ωt) = · ·sen(ωt)1 – cos(φC/2)2π• 1º harmônico:

• Demais harmônicos

LC +

vO resto dos

IC iCca1iC L RL -

vRLArm.

harmônicos se curto-circuitam no capacitorp

Circuito equivalente de corrente alternada

Amplificadores “Clasde C” lineares (VI)Circuito equivalente de corrente alternada

iCca1(ωt) +iCca1(ωt)φC– senφCiCpicoiCca1(ωt) = · ·sen(ωt)1 (φ /2)2π

Portanto:RL -

vRLt

Cca1( ) ( )1 – cos(φC/2)2π

Portanto:

vRL(ωt) = -RL·iCca1(ωt)v (ωt) = v (ωt) = -R ·i (ωt)vce(ωt) = vRL(ωt) = -RL iCca1(ωt)

vce = -RL· sen(ωt)·1 – cos(φC/2)

φC– senφCiCpico

2πL C

VCC

L C

VCC(φC )Ou seja:

VCC

+

+ -iCiRL

CC

+VCC

++

+ -iCiRL

CC

++v = · i ·sen(ωt)

φC– senφCRL

β -vCE RL-

vRL

β --vCE RL--

vRLvce = - · iCpico·sen(ωt)

1 – cos(φC/2)2π

Amplificadores “Classe C” lineares (VII)Como:

φ φRRetas de carga, ponto de trabalho (estático) e variação

do ponto de trabalho

vce = - · iCpico·sen(ωt)1 – cos(φC/2)

φC– senφCRL

2π

Então:

i

p

Reta de carga

Então:ΔvCE = · iCpico1 – cos(φC/2)

φC– senφCRL

2πiC

IBReta de carga

contínua Ou seja:ΔvCE = RL’·iCpico

Incl.

carga

RL’ = · 1 – cos(φC/2)φC– senφCRL

2π

sendo:

iCpicoIncl. -1/RL’

vCEVCC

t

vCE0Cálculo de vCE0:vCE0 = VCC –

Δv

φCt π-φC

2ΔvCE·cos(φC/2)

Valor da inclinação da “reta de carga”:

tΔvCE -1/[RL’·(1 – cos(φC/2)]

Cálculo do rendimento máximo possível (I)

Amplificadores “Classe C” lineares (VIII)Cálculo do rendimento máximo possível (I)

PRF = (ΔvCE)2/(2·RL) = (iCpico·RL’)2/(2·RL) iC

II li ãφ senφR IBInclinação-1/[RL’·(1 – cos(φC/2)]

iCP V I

RL’ = ·1 – cos(φC/2)

φC– senφCRL

2π

ICV

iCpico

vCE0

PCC = VCC·IC

IC =[1 (φ /2)]

sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)·iCpico

vCE

VCC

φCt π-φC

2

vCE0

η = P /P ⇒

π·[1 – cos(φC/2)] p

tΔvCE

2η = PRF/PCC ⇒

4·VCC·[sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)]

iCpico·RL’·[φC– senφC]η = PRF/PCC =

i /[R ’ (1 ( /2)] [V (1 ( /2))]/[R ’ (1 ( /2)]

Logo η cresce com iCpico. Calculamos o valor máximo:

iCpico max = vCE0 min/[RL’·(1 – cos(φC/2)] = [VCC(1 – cos(φC/2))]/[RL’·(1 – cos(φC/2)] ⇒iCpico max = VCC/RL’

Cálculo do rendimento máximo possível(II)

Amplificadores “Classe C” lineares (IX)Cálculo do rendimento máximo possível(II)

[φ – senφ ]

Sustituindo iCpico por iCpico max:Situação com o máximo sinal

4·[sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)]

[φC– senφC]ηmax =

[%][%]

iCque se pode operar

100

90

ηmax [%]100

90

100

90

ηmax [%]IB

Inclinação1/[R ’ (1 cos(φ /2)]

iCpico max

Cl B

Clase C (ejempl.)

80

70

60

80

70

60

80

70

60IC

-1/[RL’·(1 – cos(φC/2)]

Incl. -1/RL’Clase A

Clase B

500 90 180 270 360

φC [º]

500 90 180 270 360

500 90 180 270 360

φC [º] vC

VCC

φCt π-φC

vCE0 2·VCC

E

tΔvCE

2

(VCC - vCE sat)·[φC– senφC]

Rendimento máximo real:

t4·VCC·[sen(φC/2) – (φC/2)·cos(φC/2)]

( CC CE sat) [φC φC]ηmax real =

Amplificadores “Classe C” lineares (X)

Resumo das características:

Linearidade: Difícil, sacrificando o ganho.

Rendimento máximo: Alto, 80-90 %.

Ganho: Baixo.

Impedância de entrada: Não muito linear.

Corrente de coletor: Picos altos e estreitos.

Largura de banda: Pequena.Largura de banda: Pequena.

ATE-UO EC amp pot 53

Amplificadores “Classe C” “não lineares” (I)O transistor trabalha “quase” em comutação

Circuito tL C

O transistor trabalha quase em comutação

iressonanteL

VCC+ -VCC

iC

L R

C +vRLVVCC

+R

+ -iCiRL +

• O circuito ressonante vibra

L RL -VCC

-vCE

RL-

vRL

i

• O circuito ressonante vibra livremente e repõe a energia que transfere a carga nos períodos de iC condução do transistor.

• O valor de pico da tensão de saída é i d t l dé aproximadamente o valor da tensão de alimentação:

v = V ·sen(ωt)vRL = VCC·sen(ωt)

• O rendimento é bastante alto.

Amplificadores “Classe C” “não lineares” (II)Modulador de amplitudeModulador de amplitude

Amplificador

-

vVCC’ = VCC+vtr

pde potência

de BF +

vtr vtr

L C +-

VCC’ vCC’

v

VCC+ -iC

VCC’iCvCC

+v RL

iC+

vRL v

Q1-

vCERL

-vRL vRL

Amplificadores “Classe D” (I)Circuito básico

+VCC

Circuito básico

iC1 iD1 iLD1

Q1 i VCC/2

L

vRL

+L

iC2

Q1

iD2

A

+

iL+ -

VCC/2

-vRLRL

CC2

D2

iD2 +

-vA

Q2-

vAVCC/2

-VCC/2

Amplificadores “Classe D” (II)Análise

vAVCC/2

+ H ô i

vRLΔvRL

Análise

+VCCA

-VCC/2

= + Harmônicos

D

iC1 iD1ΔvRL = (VCC/2)·4/π = 2·VCC/πLogo a tensão de saída é proporcional a D1

Q1 AiL VCC/2de alimentação ⇒ Pode-se utilizá-lo como modulador de amplitude.

L +vC

iC2 iD2 ++ -

• Menor frequencia de

-vRLRL

CD2

Q2-vA

Menor frequencia de operação, porque os transistores trabalham em comutação. Q2 ç

Amplificadores “Classe D” e “Classe E”Classe D Classe Ev

vAiL

Classe D Classe EvAiL

vAiL

L

Comutação forçada pelos diodos: bloqueiam quando os

+V+V+V+V

iC1 iC1

i

diodos: bloqueiam quando os transistores entram em condução.

+VCC

iC1 iD1

+VCC

iC1 iD1

+VCC

iC1 iD1

+VCC

iC1 iD1

iC2

iC2

iD1

D1

Q1 AiL VCC/2

D1

Q1 AiL VCC/2

D1

Q1 AiL VCC/2

D1

Q1 AiL VCC/2 iD2

L +

-vRLRL

C

iC2

D2

iD2 +vA

+ - L +

-vRLRL

C

iC2

D2

iD2 +vA

+ - +

-vRL

+

-

+

-vRLRL

C

iC2

D2

iD2 +vA

+ -

RLC

iC2

D2

iD2 +vA

++vA

+ - Comutação natural pelos diodos: bloqueiam quando se inverte a corrente ressonante.-LD2

Q2- -LD2

Q2- ---LD2

Q2- LD2

Q2---

Exemplo de um esquema real de amplificador de potência (obtido do ARRL Handbook 2001)pAmplificador linear Classe B em Push-Pull

Push-Pull

Filtro passa-baixa

Polarização