Mostrarei em uma série de 3 artigos o projeto completo de um Amplificador de Tensão em Fonte Comum, utilizando transistor de efeito de campo (MOSFET). Projeto que poderá servir de base para o leitor criar seus próprios amplificadores de áudio, levando-se em conta ganho, resposta em frequência e diversos outros fatores relevantes.

 

>>> Parte 1/3 - Análise Teórica

Parte 2/3 - Simulação do Circuito em Proteus

Parte 3/3 - Testes do Circuito Projetado na Prática


Autor: Wagner Rambo

Área: Eletrônica Analógica

Nível: Avançado

Copyright WR Kits 2014 (todos os direitos reservados): Proibida reprodução total ou parcial sem prévia autorização por escrito do autor. Copyright protegido pela Lei de Direitos Autorais LEI N° 9.610, de 19 de Fevereiro de 1998.


1.1) Projetar o circuito amplificador de tensão, da Figura 01, com as seguintes especificações:

a) |Av| ≥ 6 V/V

b) VDD = 20V

c) RL = 5.6 kΩ

d) Frequência de corte inferior (fL) 100 Hz.

1.2) Escolher valores comerciais para os resistores e capacitores (sem uso de associação).

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Figura 01: Amplificador em fonte comum.

 

 

>> Análise DC parte 1: determinação de RG1, RG2, RS, ID, VGS e VG.

Para o projeto do amplificador, inicialmente arbitram-se valores típicos, apoiando-se nos dados do fabricante (datasheet) do transistor mosfet 2N7000, buscando-se a correta polarização do componente, que deverá estar saturado para funcionar como amplificador. A Tabela 01 apresenta os principais dados utilizados na análise DC do circuito.

2N7000 - Fabricante: Fairchild Semiconductor 

Parâmetro

Valor Típico 

Unidade 

ID(ON)

600

mA

VGS(ON)

4,5

V

VGS(th) = Vt

2,1

V

Tabela 01: Dados extraídos do datasheet do 2N7000.

 

 

Na Figura 02 encontra-se o diagrama esquemático referente ao circuito para análise DC, onde os valores dos resistores deverão ser determinados a fim de se obter a correta polarização do 2N7000, mantendo-o na região de saturação.

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Figura 02: Circuito para análise DC do amplificador.

Arbitraram-se para RG1 e RG2 o valor comercial de 470kΩ, dada alta impedância de entrada típica em transistores de efeito de campo, buscando-se facilitar os cálculos a partir de um divisor de tensão simétrico. Abaixo, o cálculo da tensão do divisor, que é igual à tensão de gate VG do circuito:

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Porém nesta equação existem duas variáveis, RS e ID, logo há a necessidade de se determinar o valor para uma delas, então arbitrou-se um valor comercial para o resistor RS, de 220Ω, por estar dentro dos valores típicos empregados na resistência de source. Com isso obtém-se a seguinte expressão:

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Figura 03: Circuito resultante da análise DC.

Como pode ser observado na Figura 03, ainda resta determinar-se o valor do resistor de dreno, porém esta grandeza não poderá ser arbitrada, mas calculada algebricamente para que satisfaça às exigências do amplificador. Através da análise AC do circuito, o valor deste resistor será determinado.

 

>> Análise AC: determinação de AV e RD.

 

As grandezas VDS e VD serão determinadas posteriormente devido ao fato de que foi necessário primeiramente realizar a análise AC para encontrar o valor de RD, que será utilizado nos cálculos para determina-las.

Seguindo às exigências do circuito, projetou-se o amplificador da Figura 01 para ter um ganho em módulo igual a 25 pois é maior que os 6 (valor mínimo exigido no projeto). O circuito apresentado na Figura 04 é o modelo para análise AC do circuito amplificador de tensão com 2N7000.

 

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>> Análise DC parte 2: determinação de VDS, Ve VS.

 

Figura 05 exibe o circuito amplificador de tensão para análise DC com os valores de resistores definidos, restando apenas a determinação de VDS e VD.

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Figura 05: Circuito completo para análise DC.

 

Nota: A corrente ID utilizada para se determinar as grandezas restantes do circuito DC, é a mesma obtida da Análise DC – parte 1 (item 3.1), devido ao fato de que já foram empregados os valores comerciais dos componentes utilizados no projeto do circuito amplificador. O valor obtido para ID no item citado é de 33,337mA.

 

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>> Resposta em frequência: determinação de C1, C2, CS, fL e fH.

Figura 06 apresenta o modelo T para análise AC do circuito, a fim de se determinar os valores dos capacitores a serem utilizados no projeto.

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Figura 06: Modelo T do circuito para determinar os capacitores.

Primeiramente é necessário determinar o efeito que cada capacitor causará no circuito.

> Efeito do capacitor C1 (C2, CS e vi são curto circuito):

Figura 07 mostra o ponto de análise para determinar-se a resistência equivalente RC1 vista a partir do capacitor C1:

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Figura 07: Efeito do capacitor C1.

 

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A frequência de corte superior do circuito amplificador de tensão será calculada a partir das capacitâncias internas (Cgd e Cgs) do transistor de efeito de campo 2N7000, que são fornecidas pela datasheet do fabricante. No entanto, buscando uma maior aproximação da realidade, utiliza-se como auxílio o gráfico da curva das capacitâncias, em função da tensão VDS que o circuito projetado gerou, de 3,656V (Figura 10).

 

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Figura 10: Gráfico - capacitância em função de VDS.

 

Como pode ser observado no gráfico da Figura 10, para tensão VDS de 3,656V, o transistor 2N7000 apresenta uma Crss igual a 11pF e uma Ciss igual a 29pF, com estes dois parâmetros calcula-se Cgd e Cgs:

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>> Circuito amplificador de tensão finalizado.

 

Figura 12 apresenta o circuito amplificador de tensão com mosfet 2N7000 projetado teoricamente, de acordo com as especificações da experiência I:

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Figura 12: Circuito amplificador de tensão com transistor de efeito de campo 2N7000 projetado na experiência I.

 

 

Segunda parte do artigo em breve, não deixe de conferir!

 

 

>>> Simulação do Circuito em Proteus

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