Qual é o ganho de tensão de um amplificador de colecionador comum?

No domínio dos circuitos eletrônicos, o amplificador de colecionador comum, também conhecido como seguidor de emissor, é um bloco de construção fundamental com características únicas. Como fornecedor de transistor confiável, muitas vezes me perguntam sobre o ganho de tensão de um amplificador de colecionador comum. Neste blog, nos aprofundaremos neste tópico, explorando o que é o ganho de tensão, como ele é calculado para um amplificador de colecionador comum e seu significado nas aplicações práticas.

Entendendo o ganho de tensão

Antes de discutirmos especificamente o ganho de tensão de um amplificador de colecionador comum, vamos primeiro entender o que significa ganho de tensão em geral. O ganho de tensão é uma medida de quanto um amplificador pode aumentar a amplitude de um sinal de tensão de entrada. É definido como a relação da tensão de saída ($ v_ {out} $) para a tensão de entrada ($ v_ {in} $) e geralmente é denotada pelo símbolo $ a_v $. Matematicamente, pode ser expresso como:

[A_v = \ frac {v_ {out}} {v_ {in}}]

Um ganho de tensão maior que 1 indica que o amplificador está aumentando a amplitude da tensão do sinal de entrada, enquanto um ganho menor que 1 significa que a tensão de saída é menor que a tensão de entrada. Um ganho de 1 implica que a tensão de saída é igual à tensão de entrada.

A configuração do amplificador comum - colecionador

Um amplificador comum - colecionador é um tipo de circuito amplificador de transistor de junção bipolar (BJT). Nesta configuração, o terminal do coletor do transistor é conectado a um ponto de referência comum, normalmente o solo ou uma tensão de fonte de alimentação fixa. O sinal de entrada é aplicado ao terminal base e a saída é retirada do terminal do emissor.

A principal vantagem do amplificador de coletor comum é sua alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Isso o torna útil para a correspondência de impedância entre diferentes estágios de um circuito eletrônico, bem como para aplicações em buffer, onde uma fonte de alta impedância precisa direcionar uma carga de baixa impedância.

Cálculo do ganho de tensão de um amplificador de coletor comum

Para calcular o ganho de tensão de um amplificador de colecionador comum, precisamos analisar o circuito usando os princípios básicos do transistor. Vamos considerar um circuito de amplificador de coletor comum simples - com um BJT. O pequeno circuito equivalente ao sinal do amplificador de coletor comum pode ser usado para esta análise.

A tensão de entrada $ v_ {in} $ está relacionada à tensão base - emissor $ v_ {be} $ e a tensão de saída $ v_ {out} $ (que é a tensão do emissor) pelos seguintes relacionamentos. A corrente base $ i_b $ e o emissor atual $ i_e $ estão relacionados por $ i_e = (1 + \ beta) i_b $, onde $ \ beta $ é o ganho atual do transistor.

A tensão de saída $ v_ {out} = i_er_e $, onde $ r_e $ é o resistor do emissor. A tensão de entrada $ v_ {in} = v_ {be}+v_ {out} $.

Para uma análise de sinal pequeno, assumimos que a tensão de base - emissor $ v_ {BE} $ é aproximadamente constante (cerca de 0,7 V para um BJT de silício na região ativa). O ganho de tensão de pequeno sinal $ a_v $ pode ser derivado da seguinte forma:

Sabemos que $ v_ {in} = v_ {be}+v_ {out} $ e, como $ v_ {be} $ é relativamente pequeno em comparação com $ v_ {out} $ no regime de sinalização pequeno, podemos aproximar o ganho de tensão como:

[A_v = \ frac {v_ {out}} {v_ {in}} \ aprox \ frac {v_ {out}} {v_ {out}+v_ {be}} \ aprox 1]

Em uma análise mais detalhada, considerando o pequeno circuito equivalente ao sinal com a resistência de entrada do transistor $ r _ {\ pi} = \ frac {\ beta v_t} {i_c} $, onde $ v_t = kt/q \ aprofelx26 \ mv $ em temperatura ambiente e $ i_c $ é o que é o colegial.

O ganho de tensão de pequeno sinal $ a_v $ é dado por:

[A_v = \ frac {(1 + \ beta) r_e} {r _ {\ pi} + (1 + \ beta) r_e}]

Como $ \ beta $ é tipicamente grande (por exemplo, 100 - 300 para um BJT comum) e $ (1+ \ beta) r_e \ gg r _ {\ pi} $, o ganho de tensão $ a_v $ é muito próximo a 1. De fato, para fins de prática.

Significado do ganho de tensão em aplicações práticas

O fato de que o ganho de tensão de um amplificador de colecionador comum é aproximadamente 1 pode parecer inexpressivo à primeira vista. No entanto, seu valor está em outros aspectos.

Correspondência de impedância

Como mencionado anteriormente, o amplificador de colecionador comum possui uma alta impedância de entrada e uma baixa impedância de saída. Isso o torna ideal para a correspondência de impedância. Por exemplo, em um receptor de rádio, a antena tem uma alta impedância, e os estágios subsequentes do receptor podem ter uma baixa impedância. Usando um amplificador de colecionador comum como um buffer entre a antena e os estágios do receptor, podemos transferir o sinal com eficiência sem perda significativa devido à incompatibilidade de impedância.

Buffer

Em um sistema de amplificador de estágio múltiplo, um amplificador de colecionador comum pode ser usado como um estágio de buffer. Um estágio de buffer isola um estágio de outro, impedindo o efeito de carregamento do estágio subsequente no anterior. Como o ganho de tensão é próximo de 1, a amplitude do sinal permanece quase a mesma, mas as características da impedância são ajustadas para garantir a transferência adequada do sinal.

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Conclusão

Em conclusão, o ganho de tensão de um amplificador de colecionador comum é de aproximadamente 1, o que pode parecer um pequeno valor em termos de amplificação de tensão. No entanto, seu valor real está em sua alta impedância de entrada e baixa impedância de saída, o que a torna extremamente útil para aplicações de correspondência e buffer de impedância.

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Referências

1. Sedra, Adel S. e Kenneth C. Smith. "Circuitos microeletrônicos". Oxford University Press, 2015.
2. Boylestad, Robert L. e Louis Nashelsky. "Dispositivos eletrônicos e teoria do circuito". Pearson, 2018.