UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA RELATÓRIO AMPLIFICADOR CLASSE A BRUNO TAGLIETTI TIAGO SUTILI WILLIAN CORSO LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA IV CARLOS ALLAN CABALLERO PETERSEN ENGENHARIA ELÉTRICA 7º SEMESTRE PASSO FUNDO, JUNHO DE 2010. AMPLIFICADOR CLASSE A 1.0 INTRODUÇÃO O processamento de sinais elétricos advindos das mais diversas fontes constitui uma parte fundamental da Engenharia Elétrica, porém em muitos casos a amplitude do sinal que deverá se analisado é extremamente reduzida devido aos mais diversos fatores, desdegrandes atenuações devido aos meios de transmissão até economia de energia. Tendo isto em vista a amplificação destes sinais é crucial para diversas implementações. Neste âmbito existem diversos modelos de circuito que amplificam desta a amplitude das ondas constituintes dos sinais, até sua potência, permitindo que sejam aplicados sobre circuitos de baixa impedância sem grandes perdas. Estes modelos se diferem por inúmeras características construtivas e operacionais, porém dentre as de maior relevância po demos citar a fidelidade da amplificação e o rendimento do amplificador. Graças às propriedades que definem um Amplificador Classe A em relação a estas duas características ele ainda ocupa um nicho do mercado eletro-eletrônico muito importante, pois apesar de possuir um rendimento extremamente baixo ele é capaz de proporcionar uma resposta de amplitude e fase extremamente linear e interessante para aplicações onde alta fidelidade é fundamental, em especial o processamento de sinais de áudio. 2.0 AMPLIFICADORES CLASSE A Durante muito tempo as válvulas constituíam os únicos elementos ativos disponíveis no mercado eletrônico, nesta época a variedade de estruturas de amplificadores de potência era extremamente reduzida, e os Amplificadores Classe A eram sinônimo de amplificação com alta fidelidade e qualidade, apesar de seu rendimento baixíssimo. Anos depois os componentes ativos de estado sólido surgiram, dentre eles podemos citar todos os transistores, que possibilitaram a criação de diversas novas estruturas de circuitos destinados a amplificação da potência de sinais. Deste então muitas classes de amplificadores surgiram e se aproximaram da alta fidelidade proporcionada pelo Classe A com um rendimento mais interessante, porém está classe permanece viva e presente no mercado, sendo utilizada especialmente em amplificadores de áudio de grande qualidade. As principais características destes amplificadores, grande fidelidade e baixo rendimento, são proporcionadas por uma característica estrutural fundamental nestas construções: uma corrente elétrica flui constantemente pelos dispositivos ativos de saída do circuito, desta forma, mesmo para uma entra nula existirá uma grande corrente circulando, o que ocasiona um grande desperdício de energia, porém como evitasse o chaveamento destes componentes muitas características não lineares são eliminadas. Existem dois tipos básicos de amplificadores Classe A . O primeiro é constituído basicamente pela estrutura de um amplificador Classe AB , onde um par dife rencial é polarizado por uma tensão de controle , o que permite que os transistores deste par fiquem sempre na iminência da condução. Neste caso um grande aumento de nesta tensão proporciona um comportamento muito próximo de um amplificador Classe A . Porém a estrutura mais comum, e no caso o objeto de estudo deste trabalho, é a segunda. Nesta estrutura novamente dois componentes ativos são utilizados, porém o primeiro funciona como uma fonte de corrente para o segundo, que deve es ligado como tar um seguidor de emissor . Abaixo temos a representação dos principais modelos de amplificadores Classe A , abrangendo as duas estruturas básicas anteriormente citadas. FIGURA I Configurações básicas de amplificadores Classe A Nesta imagem podemos perceber que as figuras a e b são constituídas basicamente por um transistor ligado como seguidor de emissor polarizado por uma fonte de corrente, onde no primeiro caso está é composta somente por um resistor, e no segundo possuímos um controle mais preciso graças a um elemento ativo que está realizando está função, como veremos mais adiante está é a situação do circuito analisado neste projeto. Já as imagens de c até e representam variações na configuração básica de um push-pull característico de amplificadores Classe B e Classe AB , que como comentado anteriormente possuem algumas propriedades alteradas para ter um comportamento semelhante a um amplificador Classe A de maior fidelidade, na última representação este con ceito está extremamente evidente, pois somente a tensão foi alterada. Para efeitos de análise podemos considerar que a entrada de sinal para nosso amplificador seja simplesmente uma onda senoidal, onde picos de tensão positivos e negativos irão existir. Em um amplificador Classe A o sinal deve ser amplificado em toda sua extensão pelo mesmo componente, desta forma, se analisarmos o ângulo de condução deste estágio teremos algo semelhante ao gráfico abaixo: FIGURA II Ângulo de condução em um amplificador Classe A Deste modo podemos perceber a necessidade de uma corrente de polarização extremamente alta, uma vez que a mesma deve ser capaz de diminuir a sua intensidade no pico negativo sem que atinja valores negativos, uma vez que os componentes ativos somente são capazes de conduzir corrente em uma direção. Graças a esta propriedade o rendimento desta classe de amplificadores atinge no máximo a casa dos aproxima dos . , porém normalmente se Porém é esta característica que também confere a estes amplificadores sua grande fidelidade ao sinal amplificado, uma vez que não há a necessidade de alteração do componente que conduz o sinal, evitando efeitos que ocasionam distorções como o crossover . 2.1 Análise Abaixo temos a representação do circuito que servirá como base para nossa análise. FIGURA III Circuito do amplificador Classe A. Iniciamos nossa análise pelos transistores. Neste caso o MOSFET é responsável pela amplificação em si, deste modo ele estará exposto a uma grande corrente. Pelas suas características construtivas os transistores deste tipo são extremamente interessantes para uso em grandes potências, o que justifica a sua escolha em detrimento de um BJT. Do mesmo modo as características de indicam a necessidade de um MOSFET. , Este transistor em especial é o responsável pela formação da corrente de polarização funcionando como a fonte de corrente do circuito. Já chave seletora que permitirá a seleção da corrente e estarão ligados em uma ou . entre dois valores: Por fim temos o transistor que irá funcionar como controle térmico, uma vez que , e uma variação na temperatura do circuito irá é ele que gera a tensão de polarização de ocasionar uma variação nesta tensão, reduzindo a corrente de trabalho e o aquecimento do circuito. É interessante que uma tensão de seja mantida entre os dois transistores MOSFET, desta forma o melhor rendimento do circuito será obtido. Para possibilitar este controle temos o potenciômetro representado no circuito por e , que em conjunto com é deve ser capaz de estabelecer este nível de tensão. Já a polarização de em conjunto com o capacitor . realizada pelo resistor Já trabalha como um supressor de oscilações no gate de que poderiam tornar o circuito instável, porém um valor muito grande do mesmo acarretará uma diminuição da velocidade de resposta do circuito e distorções em altas freqüências. O resistor função semelhante em tem , caso sua velocidade de resposta seja muito comprometida um capacitor deverá ser ligado em paralelo com este resistor. Por fim devemos analisar a alimentação do circuito. Idealmente o mesmo foi projetado para trabalhar em uma faixa de valores de até , porém na prática a obtenção de valores negativos não é possível. O que é praticável é a obtenção de valores relativamente negativos em relação a uma referencia. Neste intuito a implementação prática do circuito envolverá a ligação do terminal positivo da fonte de alimentação no terminal de terra, deste modo a referência estará em e o terminal negativo em estará em em relação a referencia. Deste modo a ligação entre o terminal positivo da fonte e o terminal de terra deverá ser conectado no ramo superior do circuito mostrado na Figura III representado no caso por . , já o terminal negativo será conectado no ramo inferior nomeado como 3.0 SIMULAÇÃO Com todos os componentes e parcelas do circuito analisados e seu funcionamento plenamente entendido passamos para a simulação do mesmo utilizando o software Proteus ISIS 7.0 Professional . O circuito simulado é exatamente o mesmo apresentado na Figura III , tendo a chave seletora posicionada entre trabalho seja de aproximadamente . e posicionada para que a corrente de Inicialmente iremos analisar os limites de funcionamento do circuito. Para isto variamos a tensão de entrada até que a o sinal de saída sofresse com distorções e seus picos de tensão fossem atenuados. Como comentado anteriormente a tensão encontrada entre e idealmente deveria ser de , portando o sinal máximo de saída também deveria estar nesta faixa de valores, já que o ganho de tensão do circuito é unitário a tensão máxima de entrada também deveria estar posicionada em um valor próximo. Nas simulações encontramos: Posteriormente a análise foi focada na resposta de freqüência do sinal. Para isto trabalhamos com um sinal de referência na entrada de encontrarmos uma atenuação de e variamos sua freqüência até , o que representaria uma queda na tensão do sinal . Após variar a freqüência da entrada por de saída levando-o a aproximadamente uma grande faixa de valores encontramos a largura de banda, porém uma ressalva deve ser feita: o amplificador apresentou um ganho unitário na tensão até grandes freqüências, porém uma distorção no sinal começou a ser observada graças a não linearidades dos componentes, especialmente dos transistores, portanto o circuito opera em toda a largura de banda calculada, entretanto sem a linearidade esperada. Podemos concluir que a largura de faixa inclui todo o espectro de freqüências onde ondas de áudio se distribuem. Em uma análise mais completa podemos afirmar inclusive que as não linearidades observadas e comentadas anteriormente não constituem um problema em freqüências próximas a largura de faixa de ondas de áudio. Por fim a simulação de uma grande quantidade de sinais com amplitudes e freqüências variadas, porém respeitando a amplitude máxima encontrada anteriormente e a freqüência do espectro de áudio, foi possível observar uma grande linearidade do sinal tanto em sua fase como em sua amplitude. Como esperado nesta faixa de valores o ganho de tensão apresentado foi unitário, uma vez que este amplificador destinasse a amplificação exclusiva da potência do sinal, permitindo que o mesmo seja aplicado a cargas de baixa impedância apresentado uma boa tensão e corrente de saída. 4.0 IMPLEMENTAÇÃO Como já comentamos anteriormente o modo de operação de e acarreta uma grande perda de energia pela conversão de corrente elétrica em calor graças ao Efeito Joule , para evitar conseqüências do aquecimento nestes componentes os mesmos foram montados sobre um grande dissipador de calor e 2 coolers foram posicionados para auxiliar no seu resfriamento. Outro cuidado foi o uso de fios com uma espessura elevada graças a grande corrente circulante na área de potência do circuito. Na montagem inicial em uma Protoboard todo o circuito de potência foi montado separadamente, somente o circuito de controle foi montado na Protoboard . Para implementação final utilizamos uma Placa de Circuito Impresso, onde novamente tomamos o cuidado de utilizar trilhas espessas especialmente no circuito de potência e de alimentação, sendo que os transistores continuaram isolados e montados em um dissipador. FIGURA IV Placa de circuito impresso do amplificador Classe A. 5.0 RESULTADOS Com o circuito implementado foi possível analisarmos a sua resposta real, considerando todas as não linearidades e os componentes não ideais utilizados em sua montagem. Uma das principais características que define o funcionamento de um amplificador é a sua potência de saída. Neste caso em específico temos uma grande ligação entre a amplitude do sinal de entrada com o sinal de saída, uma vez que, como comentado anteriormente, o ganho de tensão do circuito é unitário, desta forma a potênc na saída do circuito é ia dependente direta da amplitude do sinal de entrada. Em nossos testes aplicamos uma grande gama de amplitudes no sinal de entrada, verificando a resposta do circuito, e observamos que o mesmo conseguia responder sem nenhuma distorção no sinal até aproximadamente , após este ponto uma distorção considerável podia ser observada o que não é interessante para sua aplicação prática, desta forma é neste ponto que caracterizaremos a potência máxima de saída do circuito em . Outro parâmetro fundamental para caracterizarmos um amplificador operacional é a sua resposta em freqüência. Desta forma aplicamos um sinal de de amplitude à entrada do amplificador e variamos a sua freqüência observando o sinal de saída. Os dados obtidos estão presentes na tabela abaixo, onde estão também os dados obtidos através da simulação do circuito. Os dados da simulação a partir de apresentaram uma grandes distorção no semicírculo negativo inexistente no circuito prático, portanto a partir deste ponto a comparação entre as duas respostas é desaconselhável. Apresentamos na mesma tabela a diferença do ganho encontrado nas medições práticas e nas simulações. Com os valores obtidos e apresentados na tabela anterior foi possível traçarmos um gráfico comparando a resposta em freqüência das medições reais com as medições feitas a partir das simulações. O gráfico gerado pelo programa Matlab está representado abaixo. FIGURA IV Resposta em freqüência real e simulada Como é possível observarmos no gráfico a resposta em freqüência encontrada nas medições com o circuito já implementado e as encontradas nas simulações são bem próximas até aproximadamente a freqüência onde a resposta das simulações passou a se comportar de forma estranha, distorcendo o sinal. Uma análise específica da resposta real revela um circuito com um comportamento muito bom para sua aplicação mais comum, a amplificação de sinais de áudio, já que na faixa de até a resposta foi plana, apresentando um ganho unitário constante. Um detalhe interessante é que mesmo realizando medições até queda superior a não encontramos uma , o que caracterizaria a segunda freqüência de corte deste circuito, desta forma podemos afirmar que o mesmo possui uma banda de passagem extremamente grande, o que para a maior parte das aplicações é desvantaj so, uma vez que permite a o passagem de sinais de alta freqüência indesejáveis, o que tornará o circuito extremamente ruidoso. Portanto recomenda-se que para determinadas aplicações, em especial a amplificação de sinais de áudio, a banda de passagem do circuito seja reduzida em estágios anteriores a este. O próximo passo é a caracterização da impedância de entrada do amplificador. Para isto adicionamos uma resistência de valor conhecido em série com a entrada de sinal do circuito, em nosso caso a resistência valia . Em seguida aplicamos um sinal, e observamos o seu valor na entrada do circuito, assim, comparando este valor com a sua amplitude total encontramos uma relação que permite determinar o valor da impedância de entrada . Em nosso caso a amplitude do sinal de referência foi de e sua freqüência foi de , nestas condições a amplitude do sinal após o resistor foi de , desta forma teremos: É importante frisar que este cálculo representa o módulo da impedância de entrada, uma vez que graças a presença de um capacitor esta impedância terá uma componente imaginária e outra real. É também em decorrência disto que está impedância irá variar de acordo com a freqüência do sinal de entrada, e irá aparecer uma defasagem entre o ângulo deste sinal e do sinal de saída que também irá variar com a freqüência. O módulo encontrado para está impedância revela um valor relativamente alto, o que é muito interessante para este tipo de circuito, uma vez que em suas aplicações casuais ele costuma receber sinais de baixíssima potência, assim com uma grande impedância na entrada ele evita que parte destes sinais sofram maiores atenuações em estágios anterior, sendo desta forma toda a potência do sinal entregue a ele. Por fim podemos caracterizar a distorção observada no sinal. Variando a tensão de entrada e a freqüência da mesma podemos observar que o circuito manteve uma grande fidelidade entre o sinal de saída e de entrada para a maior faixa de valores, isto é extremamente interessante para a maior parte das aplicações, e como comentado anteriormente constitui uma das principais características dos amplificadores Classe A . Distorções mais significativas só foram observadas a partir de sinais de entrada com tensões de pico maiores do que e com freqüências superiores à . 6.0 CONCLUSÃO Este projeto tinha como objetivo inicial a análise e implementação de um amplificador de potência Classe A , para que a partir destas etapas fosse possível o desenvolvimento de uma melhor compreensão do funcionamento deste tipo de circuito. Tendo isto em vista inicialmente realizamos uma análise teórica dos conceitos envolvidos na amplificação de sinais, e em específico dos amplificadores Classe A . Deste modo compreendemos as suas principais características, o que facilitou o entendimento do circuito como um todo e a análise dos resultados obtidos. Em seguida realizamos uma análise específica do circuito utilizado como modelo neste projeto. Deste modo foi possível percebermos a função específica de cada componente, e mais uma vez a percepção dos fenômenos envolvidos no funcionamento deste amplificador. Detentores da total compreensão do modelo utilizado, o mesmo foi simulado, para que desta maneira pudéssemos verificar a sua resposta às mais diversas entradas de sinal, e desta forma todos os conceitos previamente estabelecidos fossem confirmados. Agora estávamos prontos para efetuar a implementação do circuito, e a análise de seu funcionamento real. Uma visão geral de todo o processo demonstra que todas as bases teóricas foram confirmadas tanto pelas simulações como pelas medições realizadas no circuito real. Algumas pequenas discrepâncias foram encontradas nos dados, porém a maior parte delas pode ser atribuída à não linearidade dos componentes utilizados na montagem, e à falta de precisão de alguns componentes como resistores e capacitores. Tendo isto em vista podemos afirmar que os objetivos traçados inicialmente neste projeto foram alcançados. E a partir dele fomos capazes de estabelecer uma maior compreensão desta classe de amplificadores, reforçando o conhecimento previamente estabelecido em nossas aulas de Eletrônica IV. 7.0 REFERÊNCIAS 1. AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA João Manuel T. C. Simões Vaz Obs.: Apostila disponibilizada para a cadeira de Eletrônica IV 2. AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA Carlos Allan Caballero Petersen Obs.: Apostila disponibilizada para a cadeira de Eletrônica IV 3. ÁUDIO POWER AMPLIFIER DESIGN HANDBOOK Douglas Self Editora Focal Press Páginas: 299-302