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Curso de Eletrônica Analógica – Parte 8 - Os Amplificadores (CUR2008)

8.1 - OS AMPLIFICADORES DE ÁUDIO

A finalidade de um amplificador de áudio é aumentar a intensidade de um sinal de baixa frequência, normalmente entre 15 e 15 000 Hz.

Dependendo das características do sinal com que este amplificador deve trabalhar, e da potência de saída que deve entregar, temos diversas possibilidades de configurações. Em muitos casos um único transistor não consegue entregar a potência necessária à finalidade desejada, de modo que o amplificador deve ter diversas etapas que fazem a amplificação sucessiva dos sinais.

Nos amplificadores devemos ter sempre em mente algumas características importantes que definem o que eles podem fazer e, portanto, onde podem ser usados. Estas características são especialmente importantes no caso de amplificadores de som, quando se pretende utilizar microfones, captadores de instrumentos musicais, CD players, e outras fontes de sinais que exigem alta qualidade de reprodução.

Analisemos algumas destas características:

 

Impedância de entrada

Esta característica nos diz com que tipo de sinal o amplificador trabalha. Como já estudamos, um dispositivo só pode entregar toda sua potência a outra, se houver um casamento de impedâncias entre eles, conforme mostra a próxima figura.

 

Transferência máxima de potência (energia)
Transferência máxima de potência (energia)

 

 

Os sinais que devem ser amplificados por um amplificador podem ter as mais diversas origens, provindo de dispositivos que tenham impedâncias diversas. Assim, enquanto um microfone dinâmico é um dispositivo de baixa impedância (em torno de 200 ohms), uma cápsula de cristal de um toca-discos ou um microfone cerâmico tem uma impedância muito alta, da ordem de 500 k ohms ou mais.

Isso significa que, se ligarmos estes dois dispositivos na entrada de um amplificador que tenha, por exemplo, uma alta impedância de entrada, o microfone de baixa impedância não vai conseguir excitá-lo havendo um funcionamento anormal.

 

Sensibilidade

Para que uma etapa amplificadora transistorizada, ou mesmo um amplificador completo funcione, é preciso que o sinal aplicado a sua entrada tenha uma intensidade mínima, normalmente expressa em termos de volts, milivolts ou microvolts, isso além de haver um casamento de impedância.

Assim, se dissermos que um amplificador tem uma sensibilidade de 200 mV, isso significa que precisamos de um sinal de pelo menos 200 milésimos de volt na entrada, para que ele funcione normalmente com o máximo desempenho, ou seja, entregando a sua potência máxima. Se um amplificador tiver uma grande sensibilidade, e a fonte de sinal entregar uma tensão maior do que ele precisa para completa excitação, a diferença pode compensar um eventual descasamento de impedâncias.

 

Impedância de saída

Esta característica nos diz o que podemos ligar na saída do amplificador. Para que possamos ligar um alto-falante, por exemplo, o amplificador deve ter uma baixa impedância de saída. No entanto, se o amplificador ou a etapa amplificadora tiver de excitar outro aparelho cuja entrada seja de alta impedância, será conveniente que ele tenha uma alta impedância de saída. A impedância como já sabemos é expressa em ohms.

 

Potência ou amplitude de sinal

Nos amplificadores que se destinam a excitar um alto-falante ou fone, ou seja, reproduzir um sinal de áudio, é costume indicar a sua potência de saída, o que de certo modo nos permite avaliar o volume de som que teremos para um determinado ambiente. Esta potência é medida em watts e existem designações adicionais que nos dizem o modo como estes watts são obtidos.

Assim, podemos falar em watts RMS, da mesma maneira como estudamos no caso das tensões alternadas, se levarmos em conta que o amplificador está reproduzindo um som puro ou um sinal senoidal. Se dermos a potência de pico, para o mesmo amplificador teremos um valor maior, conforme mostra a figura abaixo. Também podemos falar em potência PMPO.

 

Potência de pico e RMS
Potência de pico e RMS

 

 

Assim, amplificadores de áudio, equipamentos de som e mesmo televisores, têm sua potência de áudio especificada de diversas formas, podendo levar o leitor a fazer confusões na hora da compra e até ser iludido por uma publicidade, que é justamente que os vendedores e fabricantes menos escrupulosos desejam. A especificação da potência de áudio em Watts PMPO é um artifício que visa enganar os compradores menos esclarecidos, escondendo a verdadeira potência de um equipamento.

Quando mais watts melhor! Essa idéia está diretamente associada aos equipamentos de som, quando existem outras características muito mais importantes que devem ser consideradas como, por exemplo, a distorção harmônica total, etc.

No entanto, se o negócio é vender um amplificador pela sua potência, é óbvio que os fabricantes procurem aumentá-la o máximo possível. E, se não dá para fazer isso com um circuito melhor, pode-se “inventar” uma unidade diferente para medir a potência que leve a valor numéricos maiores.

A quantidade de som é a mesma, mas em lugar de dizermos que o amplificador tem “20”, vendemos mais facilmente se dissermos que tem “200”, mesmo que a “quantidade de som” continue absolutamente a mesma. E, o comprador é enganado.

Sabemos do Curso Básico (e da física) que a potência é a quantidade de energia em cada segundo que um sistema pode receber ou gerar.

Assim, para um amplificador ideal, a potência real é dada quando se aplica um sinal senoidal de 1 kHz em sua entrada e se mede a corrente e a tensão na sua carga. A partir dessa medida, conforme mostra a figura abaixo, calcula-se a potência real que o circuito entrega à carga, a qual é o produto do pico de tensão pelo pico de corrente multiplicado por 0,707, já que estamos calculando o valor real.

 

A potência real ou root mean square (valor médio quadrático)
A potência real ou root mean square (valor médio quadrático)

 

 

Essa é a potência real, ou potência RMS (Root Mean Square) ou dada pelo “Valor Médio Quadrático”.

No entanto, os fabricantes e vendedores de amplificadores e outros equipamentos de som, arranjaram um modo de aumentar esse valor.

O argumento é simples: um sinal musical não é perfeitamente senoidal, mas formado por picos e variações bruscas que podem ser bastante agudas, conforme mostra a figura abaixo.

 

O som reproduzido por equipamentos comuns não é um som puro
O som reproduzido por equipamentos comuns não é um som puro

 

 

Quando o amplificador reproduz estes picos, que duram frações de segundo, a tensão sobe para valores muito altos na carga e, consequentemente, a corrente. Isso significa uma potência instantânea muito alta, que, no entanto, não pode perdurar, pois o circuito não suporta.

Esse pico momentâneo de potência, ou Peak Music Power Output, dura milésimos de segundo e não corresponde a quantidade de som real total que o equipamento pode fornecer. Trata-se, portanto, de um valor que é calculado numa condição em que o equipamento não pode fornecer continuamente... A próxima figura mostra o que ocorre.

 

Os picos de potência de um som comum
Os picos de potência de um som comum

 

 

Para que o leitor uma ideia de como a indicação da potência PMPO “aumenta” o número que representa as características de um amplificador, basta dizer que um equipamento que tenha 16 W rms poderá chegar a 180 W pmpo!

Um anúncio mostra que um equipamento “X” amplificador para PC tem uma potência de 3 Wrms, mas 200 Wpmpo! Não é preciso dizer como esses números enganam!

Outro ponto importante que deve ser considerado quando se especifica potência RMS e PMPO é que a medida da potência RMS é feita, levando-se o amplificador ao ponto de volume máximo, sem que a distorção ultrapasse determinado valor. Para a potência PMPO, não há esse limite nem qualquer outro na medição.

Na maioria dos casos, para um equipamento comum, a potência RMS costuma ser ¼ ou menos que a potência PMPO especificada. Para os equipamentos estéreo esse valor pode ser inferior a 1/8. Em outras palavras, um equipamento anunciado como 200 W PMPO pode ter apenas 50 W ou menos de potência RMS.

Evidentemente, o anunciante prefere colocar que o aparelho tem 200 W do que “apenas” 50 W, se bem que seja o mesmo aparelho, o mesmo circuito e a mesma quantidade de som...

Observamos que não existe ilegalidade na especificação da potência em watts PMPO, mas certamente não é uma forma ética. É sempre importante verificar a potência real de um equipamento, principalmente se desconfiamos pela sua aparência, custo ou mesmo marca...

Um bom começo para se testar a confiabilidade de um equipamento é justamente saber que ele tem especificada sua potência também em watts RMS.

Se o amplificador não vai excitar um alto-falante ou fone, mas sim outro aparelho cuja entrada tenha a certa impedância e certa sensibilidade, é interessante às vezes especificar a saída em termos de volts sobre certa carga. Isso é válido para os chamados pré-amplificadores, mixers, etc.

 

Amplificadores Analógicos e Digitais

Se bem que nossos ouvidos sejam analógicos e os sons que ouvimos sejam grandezas analógicas, hoje é possível amplificar sons tanto utilizando circuitos analógicos como também circuitos digitais. Nos circuitos digitais, os sons, que são formados por sinais analógicos, são convertidos para a forma digital, e então, processados e amplificados. Existem diversas tecnologias para se fazer isso.

Como este curso é de eletrônica analógica, trataremos exclusivamente do som analógico, ou seja, dos amplificadores lineares ou analógicos que operam com sinais de áudio.

Existe uma crença de que os amplificadores de áudio analógico fornecem som com melhor qualidade, da mesma forma que os amplificadores que utilizam válvulas são melhores do que os amplificadores digitais, mas isso não será discutido neste curso.

Assim, em função das características analisadas nos itens anteriores, vemos que os amplificadores analógicos que trabalham com sinais de áudio podem ser divididos em diversos grupos, que analisaremos a seguir:

1. Pré-amplificador

2. Drivers

3. Amplificadores de potência

 

Analisemos a função de cada um:

 

Pré-amplificadores de áudio

Estes amplificadores, que podem ter uma ou mais etapas, se destinam a amplificar sinais de pequena intensidade, como os que obtemos de microfones, cápsulas de toca-discos, cabeças de gravadores, cabeças de vídeo, saídas de rádios, etc. Normalmente são usados transistores de baixo nível de ruído e alto ganho, como os BC549 em configurações que podem ser de emissor comum, base comum ou coletor comum, conforme a impedância de saída e de entrada com que se deseja trabalhar.

Na próxima figura temos um circuito tradicional deste tipo para uma configuração de emissor comum.

 

Um pré-amplificador de áudio comum
Um pré-amplificador de áudio comum

 

 

Uma característica importante deste tipo de circuito é que, sendo projetado para trabalhar com sinais de muito pequena intensidade, e apresentando um alto ganho, ruídos que sejam induzidos nos fios podem ser amplificados juntamente com o sinal.

Um dos ruídos que mais problemas causa é o ronco de corrente alternada, que é provocado pelas próprias linhas de alimentação da rede de energia. Esta rede induz um sinal de 60 hertz (50 hertz nos países em que é esta a frequência adotada), e que aparece no alto-falante ou na reprodução de forma desagradável, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

O ronco de 60 Hz
O ronco de 60 Hz

 

 

Quando desejamos maior amplificação, o pré-amplificador pode ter dois ou mais transistores acoplados da maneira que já estudamos em lições anteriores.

 

Como Eliminar Roncos de 60 Hz

A rede de energia funciona como uma gigantesca antena que irradia um sinal numa frequência muito especial: 60 Hz. De fato, 60 Hz é a frequência da corrente alternada da rede de energia, cuja finalidade é alimentar os nossos aparelhos elétricos e eletrônicos.

A irradiação do sinal não é algo desejado, mas ocorre e com ela alguns problemas que afetam o funcionamento de muitos aparelhos eletrônicos, principalmente os de som.

O que ocorre é que, se o sinal de 60 Hz "irradiado" pela rede de energia for captado pelos circuitos amplificadores dos equipamentos de som, eles passam a ser reproduzidos em fones e alto-falantes.

Como 60 Hz é uma frequência de áudio, ou seja, corresponde a um som que podemos ouvir, o resultado é a reprodução de um som constante, semelhante a um ronco, ou zumbido bastante grave.

Se o leitor quer ter uma ideia melhor deste som, basta colocar o dedo num jaque conectado na entrada auxiliar de um amplificador, conforme mostra a figura abaixo.

 

Ouvindo o ronco da rede de 60 Hz
Ouvindo o ronco da rede de 60 Hz

 

 

Seu corpo funcionará como uma antena, captando os sinais irradiados pela rede de energia que então serão amplificados pelos circuitos do aparelho de som.

Evidentemente, não se trata de algo interessante ter um ronco no alto-falante do sistema de som, quando não há música sendo reproduzida ou outro sinal.

Se este ronco está presente, ele pode estar "entrando" no seu equipamento de som de forma indevida.

As caixas dos equipamentos de som são metálicas e devidamente aterradas, funcionando como blindagens eficientes. Os próprios cabos por onde passam os sinais são blindados e devem ter suas malhas aterradas, para evitar a captação de zumbidos.

Os sinais induzidos pela rede de energia ficam na malha dos fios ou na caixa do aparelho que os desvia para a terra, conforme mostra a figura abaixo.

 

O funcionamento do cabo blindado
O funcionamento do cabo blindado

 

 

No entanto, por melhor que seja a blindagem de um cabo, ou que seja a caixa que aloja um aparelho, os roncos podem encontrar "brechas", penetrando nos circuitos amplificadores e aparecendo então de forma ingrata nos alto-falantes.

Por onde podem entrar esses roncos?

 

a) Um primeiro ponto importante a ser observado é a própria conexão dos cabos. A blindagem atua até onde pode alcançar, mas nos pontos de emendas ou de colocação de um jaque ou um plugue a blindagem deve ser removida, descobrindo um pedaço do cabo, conforme mostra a figura abaixo.

 

Roncos que entram pelos plugues
Roncos que entram pelos plugues

 

 

Pode parecer pouco que um ou dois centímetros de um cabo descascado tenha algum efeito, mas esse pequeno comprimento pode perfeitamente captar alguns microvolts de ronco, transferindo-o para o equipamento de som.

Os cabos que operam com sinais muito fracos como, por exemplo, os que transferem o sinal de uma cápsula magnética ou cabeça de microfone são bastante sensíveis a este problema.

O primeiro passo na eliminação deste problema é identificar sua origem:

 

* Coloque o amplificador na condição em que o ronco se manifesta.

* Desligue o cabo de conexão da fonte de sinal da rede de energia, mantendo-o sem alimentação.

* Desligue o cabo de conexão de sinal do amplificador.

* Se, ao desligar o cabo o ronco desaparecer, estará caracterizada a origem do problema.

* Se o ronco não desaparecer, ele pode ter outras origens, conforme veremos. Pode estar sendo gerado no circuito do amplificador, ou ainda captado pela própria caixa em vista de não estar devidamente aterrada.

 

Se o ronco foi provocado pelo cabo, verifique então:

* Se sua blindagem está fazendo bom contacto com os plugues e o circuito nas duas extremidades.

* Se o jaque do amplificador está devidamente ligado à terra.

* Se existem emendas no fio, verifique estas emendas, reduzindo o tamanho exposto do cabo interno, conforme mostra a figura abaixo.

 

Emenda correta em cabos de sinal
Emenda correta em cabos de sinal

 

 

b) Aterramento Comum

Quando dois ou mais aparelhos são interligados, para que suas caixas ou chassi atuem como blindagem de maneira eficiente evitando o aparecimento de roncos, eles devem estar sob mesmo potencial.

Pode ocorrer que, por diferenças de características. ou pelos próprios circuitos externos, dois aparelhos conectados à mesma rede de energia, quando em funcionamento. apresentem uma diferença de potencial de alguns microvolts ou milivolts, conforme mostra a figura abaixo.

 

Problemas de interligação de equipamentos
Problemas de interligação de equipamentos

 

 

Essa diferença consiste num sinal que aparece nos circuitos de entrada do amplificador, quando os aparelhos são interligados. É fácil verificar se o problema tem esta origem:

* Ligando os dois aparelhos sem sinal, e abrindo o volume do amplificador o ronco aparece.

* Encostando a caixa de um aparelho no outro, ou ainda interligando-a por um momento por meio de um pedaço de fio, o ronco desaparece.

* Se o ronco não desaparecer, sua origem pode ser outra.

Para eliminar o ronco que tenha esta origem, basta usar os terminais de terra comum que todos os equipamentos de som possuem em sua parte traseira.

* Interligue os terminais de terra de todos os aparelhos que formam o sistema, se usarem caixas separadas, conforme mostra a figura abaixo.

 

Usando um fio grosso como interligação de terras (T)
Usando um fio grosso como interligação de terras (T)

 

 

O fio usado nesta interligação deve ser grosso e o mais curto possível.

 

c) Terras fora de fase

Dois aparelhos conectados à mesma rede de energia, um funcionando como fonte de sinal (tape-deck, pré-amplificador, equalizador, etc.), e outro como amplificador final de potência, podem apresentar pequenas diferenças de potencial entre seus chassis ou caixas, da mesma forma que no caso anterior, mas por estarem com as fases diferentes de alimentação.

O que ocorre é que seus transformadores de força podem estar com as fases diferentes em relação à tensão de entrada, o que afeta levemente a tensão do secundário em relação a fase, conforme mostra a figura abaixo.

 

 

Transformadores fora de fase
Transformadores fora de fase

 

 

Assim, entre os chassis ou caixas surge uma pequena tensão alternada na frequência de 60 Hz, resultante da defasagem da alimentação dos transformadores.

Uma maneira simples de se verificar se o problema é este é a seguinte:

 

* Ligue os aparelhos de modo que o ronco seja produzido.

* Inverta a tomada de força de um dos aparelhos, girando-a de 180 graus, conforme mostra a próxima figura.

 

Girando uma tomada para reduzir ou eliminar roncos
Girando uma tomada para reduzir ou eliminar roncos

 

 

* Se o ronco desaparecer por completo, estará caracterizado o problema. Uma interligação adicional com fios grossos entre os chassi pode resolver de forma definitiva o problema.

 

Nota: estes procedimentos são válidos quando tratamos de equipamentos que trabalham com sinais analógicos. Quando os sinais são digitais, os problemas que ocorrem são outros, não cabendo os procedimentos indicados.

 

Drivers ou Impulsores

Antes de chegarmos à potência máxima que desejamos para um sinal, para que ele possa ser usado para excitar um alto-falante, pode ser necessário o uso de uma etapa de amplificação intermediária. Esta etapa é denominada driver ou impulsora, conforme o leitor poderá verificar pela figura abaixo.

 

A etapa impulsora ou driver de um amplificador de áudio
A etapa impulsora ou driver de um amplificador de áudio

 

 

Dependendo do amplificador considerado esta etapa pode ter potências as mais variadas. Num grande amplificador que tenha uma potência de saída de dezenas de watts, a etapa de excitação pode ter alguns watts de saída, o que corresponde a um verdadeiro amplificador de potência de pequeno porte.

 

Amplificadores de potência

Estes são amplificadores dotados de uma ou mais etapas, cuja finalidade é excitar alto-falantes, por exemplo, com sinais de grande intensidade que podem ir desde 100 mW para amplificadores alimentados por pilhas em sistemas multimídia e fones, até mais de 500 W para amplificadores de sonorização de grandes ambientes.

Para estes amplificadores de maior potência, ou ainda para suas etapas finais, são usados transistores de potência montados em radiadores de calor apropriados, conforme o leitor pode ver na figura abaixo.

 

Transistor em radiador de calor, como visto em amplificadores
Transistor em radiador de calor, como visto em amplificadores

 

 

É interessante observar que, dependendo da faixa de potência, do tipo de sinal com que trabalhamos, uma etapa que será considerada driver, pode ser igual a uma etapa de potência de outro.

Assim, as configurações para todos os tipos de amplificadores que vimos têm pontos em comum no que se refere ao princípio e funcionamento mudando apenas o tipo de sinal trabalhado, a potência e as características de entrada e de saída.

Desta forma, ficará muito mais fácil fazermos um estudo geral das configurações usadas e como elas funcionam.

 

 

8.2 - Classes de amplificadores

Para efeito de estudo, vamos supor que os amplificadores de áudio trabalhem exclusivamente com sinais senoidais. Assim, levando em conta que o sinal a ser amplificado é uma senóide de uma frequência que certamente estará entre 15 e 15 000 Hz, podemos fazer comparações e ver melhor o que ocorre com cada um deles.

 

Para isso, tomemos a curva de transferência de sinais de um transistor que pode ser vista na próxima figura, a qual depende da sua polarização.

 

 

Classes de operação de um transistor como amplificador analógico
Classes de operação de um transistor como amplificador analógico

 

 

Conforme podemos ver, o transistor pode ser polarizado em quatro pontos diferentes que correspondem às classes, A, AB, B, e C. (Na verdade, existem outros pontos, mas os que estudaremos, são os principais).

Em lições anteriores, já havíamos falado destas maneiras de polarizar o transistor, exceto pela classe AB, que é algo intermediário entre o A e o B, na qual temos a amplificação do semiciclo positivo totalmente e parcialmente do negativo.

O importante no nosso caso é saber quando usar cada um dos tipos analisados de amplificadores. É claro que, observando a necessidade de termos uma amplificação sem distorção, devemos antes de tudo pensar na classe A para a amplificação de áudio.

Assim, nos pré-amplificadores e em muitas etapas de saída de amplificadores de áudio, como as que podem ser observadas na figura 274, temos a polarização do transistor no centro da curva de transferência (região linear), o que nos leva à amplificação dos dois semiciclos do sinal. Para aplicações em que trabalhamos com sinais de pequenas intensidades como pré-amplificadores, drivers e saídas de pequena potência, esta etapa não tem muitos inconvenientes.

 

Exemplos de etapas Classe A
Exemplos de etapas Classe A

 

 

No entanto, nos circuitos de potência mais alta como, por exemplo, na saída de um amplificador de som multimídia alimentado por pilhas, ou na saída de áudio de um rádio portátil também alimentado por pilhas, onde o consumo é importante, num autorrádio, ou mesmo num amplificador doméstico, o fato do transistor permanecer em condução na ausência de sinal é um sério inconveniente.

De fato, dependendo da potência da etapa de saída, uma forte corrente circula pelo transistor, mesmo na ausência de sinal e isso significa gasto de energia e produção de calor. No caso de um aparelho alimentado por pilhas, o desgaste dessas pilhas será muito rápido, se for usado um circuito que tenha este tipo de saída.

Para um amplificador de alta potência, podemos dizer que mais de 50% da energia será perdida nesta configuração que então se caracteriza por ter um baixo rendimento.

Como resolver o problema? Se polarizarmos o transistor de modo que ele tenha uma baixa corrente na ausência de sinal como, por exemplo, em classe C ou B, a amplificação é só de metade dos semiciclos, causando assim distorção do sinal?

Este problema é resolvido por algumas configurações que empregam dois transistores em disposições apropriadas e que são muito usadas na maioria dos amplificadores de áudio.

 

8.3 - AMPLIFICADORES EM CONTRAFASE

Uma maneira de se contornar o problema de consumo em repouso de uma etapa de potência de um amplificador e, ao mesmo tempo, ter os dois semiciclos amplificados sem distorção, consiste em se usar dois transistores na configuração chamada em contrafase ou “push-pull”, conforme o leitor poderá ver na figura a seguir.

 

Etapa de saída push-pull
Etapa de saída push-pull

 

 

Nesta configuração, usamos um transformador com derivação no enrolamento secundário para retirar o sinal da etapa anterior e também um transformador com derivação no enrolamento primário, para “jogar” o sinal no circuito de carga, por exemplo, um alto-falante.

Os dois transistores são polarizados em classe B, de modo a apresentarem uma corrente de repouso muito baixa. Desta forma, praticamente não há consumo de energia na ausência de sinal.

Os semiciclos positivos do sinal de entrada aparecem com a mesma fase na derivação A do transformador. Isso significa que o transistor Q1 é polarizado no sentido de fazer sua amplificação. No entanto, na derivação B, o sinal aparece com a fase invertida, o que faz com que o transistor Q2 seja polarizado no sentido de não amplificar os sinais, permanecendo no corte.

Nos semiciclos negativos do sinal, A tem polaridade tal que Q1 não o amplifica, permanecendo no corte. Porém, como o sinal aparece invertido em fase na derivação B, o transistor Q2 é polarizado de modo a amplificá-lo normalmente.

Como os coletores são ligados a um transformador único, na amplificação ora de um, ora de outro transistor nos ciclos completos, o sinal é jogado no transformador, onde se recompõe na íntegra e depois passa para a carga. Na figura abaixo o leitor poderá ver as formas de ondas nos diversos pontos deste circuito.

 

Formas de onda numa etapa push-pull classe B
Formas de onda numa etapa push-pull classe B

 

Nos pequenos rádios transistorizados antigos, é muito comum o uso deste tipo de etapa de amplificação, dado o seu baixo consumo e ao excelente rendimento que proporciona.

No entanto, este tipo de circuito não é interessante para potências elevadas, pois seriam necessários transformadores volumosos e caros. Na verdade, em amplificadores valvulados de alta qualidade (HI-FI), este tipo de configuração é comum.

Outro fator importante que torna este tipo de etapa algo crítica, é o fato de que os transistores devem ser mantidos rigorosamente polarizados no ponto próximo ao que começa a condução, de modo a não haver distorção.

Para aparelhos sujeitos a uso contínuo sob condições adversas de tempo, a elevação de temperatura, por motivos diversos, pode causar um deslocamento do ponto de polarização dos transistores, que os leva a distorções e também a maior consumo de corrente. Muitos técnicos já pegaram radinhos com excesso de consumo, porque os transistores saíram de sua polarização normal.

Para manter a etapa estabilizada numa faixa ampla de temperaturas, encontramos em alguns circuitos de polarização um NTC (Negative Temperature Resistor ou Resistor com Coeficiente Negativo de Temperatura) em lugar de um resistor comum, ou seja, um termistor ou resistor cuja resistência diminui quando a temperatura aumenta.

Assim, quando a corrente de base no transistor tende a aumentar com a elevação da temperatura, o resistor entra em ação polarizando a base com menor tensão, pois sua resistência diminui e com isso leva a etapa de volta ao ponto de funcionamento normal. Na figura abaixo temos um exemplo de etapa que usa um desses componentes.

 

Etapa de saída estabilizada termicamente com um NTC
Etapa de saída estabilizada termicamente com um NTC

 

 

Também devemos observar que, em muitos equipamentos de alta qualidade, para se manter a fidelidade do som, são usados transistores casados, ou seja, com as mesmas características de ganho, de modo que os dois semiciclos amplificados sejam exatamente iguais.

 

8.4 – Amplificadores em Simetria Complementar

Pela fidelidade com que amplifica sinais de áudio, e pela potência que pode fornecer, além da não necessidade de transformadores de saída, este tipo de configuração é a mais usada nos amplificadores de som, lineares ou analógicos, com potências que vão de alguns miliwatts até centenas de watts.

Conforme podemos ver, pelo circuito básico da próxima figura são usados dois transistores, um PNP e NPN ligados de tal forma, que são excitados por um único transistor, que no exemplo é NPN.

 

Etapa de saída sem transformador com transistores complementares
Etapa de saída sem transformador com transistores complementares

 

 

Podemos fazer a mesma excitação, ligando um transistor PNP, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

 

Etapa de saída com excitação por transistor PNP
Etapa de saída com excitação por transistor PNP

 

 

Neste circuito, o transistor excitador (driver) é polarizado de modo a manter no seu coletor uma corrente da ordem de metade da tensão de alimentação do circuito, ou seja, em classe A, para poder amplificar os dois semiciclos do sinal de entrada.

Esta polarização é assegurada pela ligação do resistor de sua base nos emissores dos transistores de saída. Desta forma, variações de sua polarização que causem um deslocamento da polarização, provocam uma variação da tensão do ponto em que está ligado o resistor, compensando o efeito.

O coletor do transistor excitador é ligado diretamente à base de um dos transistores e à base do outro, através de dois diodos (em alguns circuitos utiliza-se em lugar dos diodos um resistor e um diodo, ou então um único resistor ou um termistor NTC).

Os diodos têm por função proporcionar uma queda de tensão no circuito equivalente à dada pelas duas junções emissor-base dos transistores de saída. Além disso, por serem do mesmo material que os transistores (silício), os diodos acompanham as variações de características que ocorrem com esses transistores em função da temperatura.

Sem sinal de entrada, os dois transistores de saída permanecem próximos ao corte, e a tensão entre seus emissores é aproximadamente metade da tensão de alimentação. Esta tensão carrega o capacitor em série com o alto-falante.

Na aplicação de um semiciclo de sinal negativo no transistor de entrada, ele vai próximo ao corte, acompanhando este sinal, o que faz com que a tensão de seu coletor se eleve, tendendo a polarizar o transistor de saída NPN no sentido de conduzir e o PNP no sentido de permanecer no corte.

Nestas condições, flui uma corrente pelo transistor NPN correspondendo ao semiciclo amplificado, carregando o capacitor através do alto-falante, que então reproduz este sinal. Veja o sentido de circulação desta corrente na figura abaxo.

 

No semiciclo negativo conduz o transistor NPN
No semiciclo negativo conduz o transistor NPN

 

 

Quando aplicamos o semiciclo positivo do sinal à entrada, o transistor NPN conduz colocando em curto o capacitor que está em série com o alto-falante. Nestas condições, ocorre sua descarga, com uma forte corrente que corresponde em forma de onda e frequência do sinal aplicado na entrada, e isso provoca a reprodução no alto-falante. Na próxima figura o leitor poderá ver as formas de onda e a corrente neste aparelho.

 

Operação no semiciclo positivo
Operação no semiciclo positivo

 

 

Na verdade, este circuito que descrevemos inicialmente, tem uma simetria “quase-complementar”, pois os transistores trabalham apenas com um semiciclo. O outro corresponde a uma descarga do capacitor que armazena energia.

Uma configuração mais elaborada pode ser vista na próxima figura. Ela não usa o capacitor, de modo que realmente os transistores amplificam os dois semiciclos do sinal.

 

Etapa em simetria complementar total
Etapa em simetria complementar total

 

 

Este circuito é denominado de simetria complementar total, e também é muito usado em equipamentos comerciais, principalmente de custo mais elevado e de alta potência, onde um capacitor eletrolítico seria um componente volumoso e caro quando usado na saída.

 

 

8.5 - AMPLIFICADORES DE RF

As configurações para a amplificação de sinais de altas freqüências (RF) não diferem muito das configurações de áudio.Além das características de impedância de entrada e de saída, nível de sinal de entrada e de saída e ruído, que vimos para os amplificadores de áudio, os amplificadores de RF têm ainda outros pontos importantes a serem considerados quando os projetamos.

Um deles refere-se ao fato de que, enquanto num amplificador de áudio normalmente trabalhamos com uma faixa muito ampla de frequências, normalmente a faixa audível entre 15 e 15 000 Hz, no caso dos amplificadores de RF existe a possibilidade tanto de trabalharmos com uma faixa larga de frequências, como de trabalharmos com uma faixa muito estreita de frequências de um sinal.

Assim, em primeiro lugar temos os chamados amplificadores “aperiódicos”, como o que pode ser visto se na figura abaixo, que se destinam a amplificar certa faixa de sinais, não havendo assim uma determinação ou sintonia.

 

Um amplificador de RF aperiódico com um transistor
Um amplificador de RF aperiódico com um transistor

 

 

Um amplificador deste tipo pode ser usado como reforçador ou amplificador de antena para rádios. O circuito da figura, por exemplo, opera razoavelmente bem até a faixa de ondas curtas, em torno de 20 MHz.

Conforme já estudamos nas lições anteriores, os transistores possuem um limite para a frequência que podem amplificar. Este limite é fixado pela velocidade com que as cargas podem se movimentar nas junções, e também pelas capacitâncias parasitas que existem entre os elementos do transistor.

Na próxima figura mostramos a distribuição destas capacitâncias responsáveis por uma redução da “velocidade” de operação dos transistores e que, portanto, impedem a amplificação de sinais de frequências muito altas.

 

As capacitâncias de um transistor bipolar
As capacitâncias de um transistor bipolar

 

 

Tipos especiais de transistores para RF podem ter formas e dimensões que reduzem bastante estas capacitâncias, mas ainda assim existem limites. Os limites também dependem da configuração em que o transistor é usado.

Na configuração de emissor comum, por exemplo, como o sinal entra pela base, a capacitância de base do transistor fica multiplicada praticamente pelo seu ganho, o que quer dizer que temos um efeito de “aumento” desta capacitância que reduz a velocidade de operação do componente.

O sinal deve antes carregar o capacitor de base, conforme o leitor pode ver na próxima figura, para depois passar a controlar o fluxo de corrente entre o coletor e o emissor.

 

 

O efeito da capacitância de entrada num circuito de emissor comum
O efeito da capacitância de entrada num circuito de emissor comum

 

 

Uma configuração muito usada em circuitos de RF é a de base comum na qual temos a possibilidade de contornar os problemas da capacitância intrínseca do transistor, levando-o a máxima frequência de operação.

Nesta configuração, o sinal é aplicado no emissor e retirado do coletor, não havendo então problemas com a capacitância de base, conforme mostra a figura abaixo.

 

 

Amplificador de RF em base comum
Amplificador de RF em base comum

 

 

As impedâncias de um circuito amplificador de RF que trabalhe com sinais muito fracos como, por exemplo, os captados por uma antena de um receptor, são muito importantes para se obter o melhor rendimento.

No caso de um amplificador aperiódico, por exemplo, é muito difícil manter a impedância constante em toda a faixa que ele opera, o que quer dizer que ele vai apresentar um comportamento não linear em sua faixa de frequências, conforme o leitor poderá observar na figura abaixo.

 

O ganho diminui como aumento da frequência
O ganho diminui como aumento da frequência

 

 

Assim, enquanto temos uma frequência em que o ganho é maior, existem outras em que o ganho é bem menor. A melhor solução para se obter o melhor rendimento quando se pretende em cada instante trabalhar com uma determinada frequência como, por exemplo, na sintonia de rádios ou transmissores é utilizar amplificadores sintonizados.

 

 

8.6 - AMPLIFICADORES SINTONIZADOS

Temos então diversas possibilidades. Uma delas pode ser vista na figura a seguir, consistindo em se sintonizar o sinal que se deseja amplificar apenas na entrada do circuito.

 

Amplificador com entrada sintonizada
Amplificador com entrada sintonizada

 

 

Esta configuração permite obter o melhor acoplamento do sinal ao transistor, de modo a termos um bom casamento de impedâncias e, com isso, o melhor rendimento. No entanto, existem aqui ainda alguns problemas que às vezes precisam ser contornados.

Os transistores ligados na configuração de emissor comum, como mostra o exemplo, apresentam uma impedância de entrada relativamente baixa, conforme já estudamos. Esta baixa impedância “carrega” um circuito sintonizado formado por uma bobina e um capacitor, que apresenta uma alta impedância (veja na lição correspondente que na frequência sintonizada a impedância tende ao infinito).

O resultado é que, se fazemos um acoplamento sem levar em conta este fato, a seletividade é reduzida, ou seja, a capacidade do circuito sintonizado de separar estações. Num rádio isso é um problema grave, pois ele poderá “misturar” estações de frequências próximas.

Uma maneira de contornar este problema consiste em se retirar o sinal de uma derivação da bobina, conforme o leitor pode ver na figura abaixo.

 

Obtendo melhor casamento de impedâncias
Obtendo melhor casamento de impedâncias

 

 

A impedância da derivação é bem menor do que a impedância de extremo a extremo da bobina e, portanto, “casa” melhor com a entrada do transistor. O ponto exato em que deve ser feita esta derivação, pode ser determinado por meio de cálculos que fogem ao interesse deste curso, que tem finalidade mais prática.

Outra maneira de contornar o problema consiste em se utilizar um segundo enrolamento para a bobina, conforme o leitor pode ver na figura abaixo.

 

Casando as impedância através de um transformador
Casando as impedância através de um transformador

 

 

Esta segunda bobina terá menos espiras que a bobina sintonizada, o que resultará então num transformador casador de impedâncias, com o mesmo princípio de funcionamento que estudamos na lição sobre acoplamentos.

Outra possibilidade, para este tipo de circuito, consiste em se colocar circuitos sintonizados tanto na saída como na entrada, conforme mostra a figura abaixo.

 

Circuito com entrada e saída sintonizadas
Circuito com entrada e saída sintonizadas

 

 

Com isso obtemos acoplamentos ideais tanto na saída como na entrada com muito melhor rendimento.

A mesma configuração com transistor na configuração de base comum, usada num circuito de frequência elevada como, por exemplo, num rádio de FM, como o leitor pode ver na figura abaixo

 

Amplificador em base comum, com entrada e saída sintonizadas
Amplificador em base comum, com entrada e saída sintonizadas

 

 

8.7 – Outros amplificadores em Contrafase

Da mesma forma que no caso de amplificadores de áudio, devemos distinguir os que operam com sinais de baixa intensidade, como os usados em rádios receptores, “boosters” (amplificadores de antena) e outros, dos circuitos que operam com sinais de potências maiores como nos transmissores.

Uma maneira de se amplificar sinais de um transmissor de modo a se elevar a potência do sinal consiste no uso de um único transistor de maior potência após o oscilador ligado conforme mostra o leitor poderá na figura abaixo.

 

Etapa amplificadora de RF
Etapa amplificadora de RF

 

 

Podemos polarizar este transistor em classe A, B ou C, conforme o rendimento desejado, mas da mesma forma que nos circuitos de áudio, temos limitações a considerar. Nessa figura, o transistor está configurado em Classe C.

Na polarização em classe A, amplificamos os dois semiciclos do sinal, mas temos um rendimento mais baixo. Por outro lado, a distorção do sinal é menor, o que para sinais de RF significa a produção de menos frequências múltiplas ou harmônicas que podem prejudicar o comportamento final do aparelho.

Na polarização em classe B ou C, por outro lado, como amplificamos somente um semiciclo do sinal, a distorção é grande o que causa a produção de muitas harmônicas, ou ainda harmônicas intensas que também podem ser irradiadas, o que não é permitido numa aplicação normal.

Devem então ser acrescentados filtros ou outros recursos que encarecem o projeto.

Quando potências de até algumas dezenas de watts são exigidas, a configuração em classe C pode ser usada, mas se quisermos realmente o máximo rendimento devemos partir para a configuração em contrafase que pode ser vista na figura abaixo.

 

Etapa de RF de potência com transistores em contrafase
Etapa de RF de potência com transistores em contrafase

 

 

Não existe diferença quanto ao funcionamento desta etapa de alta frequência em relação à do mesmo tipo que opera com sinais de áudio.

Apenas neste caso, os transformadores são de tipos para altas frequências, ou seja, bobinas com capacitores para sintonia na frequência desejada. Esta configuração é usada na maioria dos transmissores profissionais que precisam de potências acima de 5 W, com excelente rendimento.

 

 

8.8 – Amplificadores Integrados

Como a maioria dos circuitos usados em aplicações de uso comum, como equipamentos de som, televisores, rádios, computadores e periféricos, os amplificadores também podem ser encontrados na forma integrada.

Neste caso, devemos separar os amplificadores encontrados nesses equipamentos e periféricos em dois grupos: de pequena potência e de grande potência.

Os amplificadores de pequena potência normalmente aparecem na forma de amplificadores operacionais, consistindo em circuitos integrados simples, cuja finalidade é exercer a função de aumentar a intensidade de pequenos sinais. Estes sinais tem seu nível elevado a ponto de excitar outros circuitos, mas não a ponto de gerarem muito calor ou de exigirem muita potência da fonte.

Encontramos amplificadores deste tipo em algumas funções de apoio e em periféricos, como na entrada de microfones, em modems, gravadores de som, etc. Em muitos casos estes circuitos são incorporados a circuitos integrados mais complexos.

Os amplificadores de maior potência podem ser usados com diversas finalidades e normalmente por operarem com correntes intensas e por isso gerarem muito calor, são dotados de recursos para sua montagem em radiadores de calor.

Um amplificador deste tipo pode ser encontrado nos sistemas multimídia, tanto na própria placa de som, como nas pequenas caixas amplificadas e trabalha exclusivamente com sinais de áudio. Também encontramos esses amplificadores na saída de sons domésticos, televisores, etc.

Os amplificadores de potência também são usados para aumentar a intensidade de sinais de controle de motores como, por exemplo, nas impressoras, equipamentos industriais, etc.

O importante para o leitor é saber que os amplificadores existem em todos os equipamentos, e suas configurações se enquadram nos tipos que estudamos. A diferença pode estar apenas no modo como os circuitos são encontrados: em lugar de componentes discretos, os componentes em sua maior parte podem estar contidos em invólucros únicos na forma integrada.

Novamente lembramos que a dificuldade em se integrar capacitores de valores elevados faz com que sejam necessários componentes externos discretos. Nos amplificadores, em especial, são necessários diversos capacitores em muitos circuitos, e eles aparecem na forma discreta em torno do amplificador propriamente dito, que tem os demais componentes na forma integrada. Na próxima figura mostramos alguns amplificadores integrados.

 

Amplificadores integrados
Amplificadores integrados

 


 

 

ÍNDICE

Introdução

Parte 1 

Parte 2

Parte 3

Parte 4

Parte 5

Parte 6

Parte 7

Parte 8 (Você está aqui)

Parte 9

Parte 10

Parte 11

Parte 12

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