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Amplificador emissor comum

Currículos: Sek II, A-level (Electronics), electronics courses

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Objetivo

Montar um estágio amplificador com transistor e determinar o seu ponto de operação e o seu ganho de tensão.

A montagem

Uma fonte de 9 V alimenta um transistor NPN (\(\beta\) = 100): o coletor através de um resistor de 2,2 kΩ, a base através de um resistor de polarização de 470 kΩ, o emissor através de um resistor de 470 Ω até o fio comum. Uma fonte de tensão alternada (onda senoidal, amplitude 0,2 V, 1 kHz) aplica o sinal à base através de um capacitor de 10 µF. Osciloscópio: CH1 — a saída da fonte de tensão alternada (100 mV/div), CH2 — o coletor (500 mV/div, acoplamento AC), 0,5 ms/div.

Procedimento

  1. Depois de abrir o experimento, espere alguns segundos: o capacitor se carrega e o ponto de operação se estabiliza. Compare os dois traços: o valor pico a pico e a fase do sinal na entrada e no coletor.
  2. Determine o ganho de tensão: a razão entre o valor pico a pico no coletor e o valor pico a pico na entrada.
  3. No CH2, selecione o acoplamento DC e 2 V/div e estime a tensão contínua no coletor.
  4. Aumente a amplitude da fonte de tensão alternada para 1 V e passe o CH1 para 0,5 V/div.
  5. No cartão de parâmetros do resistor de emissor, troque 470 Ω por 220 Ω e volte a amplitude da fonte de tensão alternada para 0,2 V.
Resultado esperado

O sinal no coletor é maior que o da entrada e está em oposição de fase com ele: cerca de 1,8 V pico a pico contra 0,4 V, um ganho de cerca de 4,5 — próximo da razão entre as resistências de coletor e de emissor, 2,2 kΩ / 470 Ω. A tensão contínua no coletor é de cerca de 5,4 V. Pelo cálculo, a corrente de coletor é de cerca de 1,6 mA e o emissor está em cerca de 0,77 V — a montagem não mostra esses valores. Com uma amplitude de 1 V a senoide de saída fica ceifada: em cima o transistor entra em corte, embaixo, perto da tensão do emissor, o transistor entra em saturação. Com um resistor de emissor de 220 Ω o ganho aproximadamente dobra, e o ponto de operação se desloca. Um único resistor de polarização define a corrente de base, e a corrente de coletor é \(\beta\) vezes maior, então o ponto de operação depende de \(\beta\). Transistores reais do mesmo tipo têm \(\beta\) diferentes, de 100 a 300. Ajuste Ganho de corrente β = 300 no cartão de parâmetros do transistor: agora a polarização pede uma corrente de coletor de cerca de 4 mA, mais do que os resistores de 2,2 kΩ e 470 Ω deixam passar, e o transistor satura em cerca de 3,3 mA. Sem sinal o coletor fica em cerca de 1,7 V, apenas 0,2 V acima do emissor; com o sinal de 0,2 V os semiciclos inferiores já ficam ceifados, e a tensão no coletor tem média de cerca de 2,7 V. É por isso que os amplificadores reais polarizam a base com um divisor formado por dois resistores.

Questões

  1. Por que o sinal de saída está em oposição de fase com o de entrada?
  2. Por que é necessário um capacitor entre a fonte de tensão alternada e a base?
  3. Por que não se pode dobrar o ganho simplesmente usando um resistor de coletor duas vezes maior, de 4,4 kΩ? Onde ficaria o ponto de operação?
Respostas
  1. Quando a tensão de entrada aumenta, a corrente de base e a corrente de coletor crescem, e também cresce a queda de tensão no resistor de coletor de 2,2 kΩ. A tensão no coletor é 9 V menos essa queda, então ela diminui quando a entrada aumenta.
  2. O capacitor deixa passar o sinal de 1 kHz (sua reatância é de apenas cerca de 16 Ω) e bloqueia a corrente contínua. O outro terminal da fonte de tensão alternada está no fio comum, então sem o capacitor a fonte manteria a base perto de 0 V através da sua baixa resistência: a polarização dada pelo resistor de 470 kΩ se perderia, e o transistor ficaria em corte, porque um sinal de 0,2 V é pequeno demais para fazê-lo conduzir.
  3. A corrente de coletor é definida pela corrente de base e continua em cerca de 1,6 mA, então um resistor de 4,4 kΩ teria uma queda de cerca de 1,6 mA · 4,4 kΩ ≈ 7,0 V, e o coletor ficaria em cerca de 2 V, apenas cerca de 1,2 V acima do emissor. O ponto de operação ficaria perto da saturação. A saída, agora com cerca de 3,6 V pico a pico, não caberia no espaço que resta abaixo dele, e seus semiciclos inferiores ficariam ceifados já com 0,2 V na entrada.