Amplificador eletrônico
Um amplificador, amplificador eletrônico ou, informalmente, amp é um dispositivo eletrônico capaz de aumentar a magnitude de um sinal. É um circuito eletrônico de duas portas que utiliza energia elétrica de uma fonte de alimentação para aumentar a amplitude de um sinal aplicado aos seus terminais de entrada, produzindo na saída um sinal de amplitude proporcionalmente maior. A quantidade de amplificação fornecida por um amplificador é medida pelo seu ganho: a razão entre a tensão, corrente ou potência de saída e a correspondente grandeza de entrada. Um amplificador é definido como um circuito que possui ganho de potência maior que um.
Válvulas termiônicas
O primeiro dispositivo prático de destaque capaz de amplificar foi a válvula triodo, inventada em 1906 por Lee de Forest, o que levou aos primeiros amplificadores por volta de 1912. As válvulas termiônicas foram usadas em quase todos os amplificadores até as décadas de 1960–1970, quando foram substituídas pelos transistores. Atualmente, a maioria dos amplificadores utiliza transistores, mas válvulas ainda são usadas em algumas aplicações. O desenvolvimento da tecnologia de comunicação por áudio na forma do telefone, patenteado pela primeira vez em 1876, criou a necessidade de aumentar a amplitude dos sinais elétricos para estender sua transmissão por distâncias cada vez maiores. Na telegrafia, esse problema havia sido resolvido com dispositivos intermediários nas estações que repunham a energia dissipada operando um registrador de sinal e um transmissor em sequência, formando um relé, de modo que uma fonte local de energia em cada estação intermediária alimentasse o trecho seguinte da transmissão. Para transmissão duplex, isto é, envio e recepção em ambas as direções, repetidores de relé bidirecionais foram desenvolvidos a partir do trabalho de C. F. Varley para transmissão telegráfica. A transmissão duplex era essencial para a telefonia e o problema não foi resolvido satisfatoriamente até 1904, quando H. E. Shreeve, da American Telephone and Telegraph Company, aperfeiçoou tentativas existentes de construir um repetidor telefônico formado por pares em sequência de transmissor de grânulos de carbono e receptor eletrodinâmico. O repetidor de Shreeve foi testado pela primeira vez em uma linha entre Boston e Amesbury, Massachusetts, e dispositivos mais refinados permaneceram em serviço por algum tempo. Após a virada do século, descobriu-se que lâmpadas de mercúrio de resistência negativa podiam amplificar e elas também foram testadas em repetidores, com pouco sucesso.
Transistores
Ver também: história do transistor, MOSFET, amplificador de potência de áudio e amplificador de potência de RF. O primeiro transístor funcional foi um transistor de contato pontual inventado por John Bardeen e Walter Brattain em 1947 nos Bell Labs, onde William Shockley inventou posteriormente o transístor bipolar de junção (BJT) em 1948. Em seguida veio a invenção do transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng nos Bell Labs, em 1959. Devido ao escalonamento dos MOSFETs, isto é, à capacidade de reduzir suas dimensões a tamanhos cada vez menores, o MOSFET desde então tornou-se o dispositivo amplificador mais amplamente utilizado.
Em princípio, um amplificador é um quadripolo elétrico que produz na porta de saída uma réplica do sinal aplicado à porta de entrada, porém com magnitude aumentada. A porta de entrada pode ser idealizada como uma entrada de tensão, que não absorve corrente e cuja saída é proporcional à tensão entre os terminais da porta, ou como uma entrada de corrente, sem tensão entre seus terminais, cuja saída é proporcional à corrente que atravessa a porta. A porta de saída pode ser idealizada como uma fonte de tensão dependente, com resistência de fonte nula e tensão de saída dependente da entrada, ou como uma fonte de corrente dependente, com resistência de fonte infinita e corrente de saída dependente da entrada. As combinações dessas escolhas resultam em quatro tipos de amplificadores ideais. Na forma idealizada, eles são representados pelos quatro tipos de fontes dependentes usados em análise linear, como mostra a figura:
As propriedades de amplificadores são dadas por parâmetros que incluem: Amplificadores são descritos de acordo com as propriedades de suas entradas, suas saídas e a relação entre elas. Todos os amplificadores possuem ganho, um fator multiplicativo que relaciona a magnitude de alguma propriedade do sinal de saída a uma propriedade do sinal de entrada. O ganho pode ser especificado como a razão entre a tensão de saída e a tensão de entrada (ganho de tensão), entre a potência de saída e a potência de entrada (ganho de potência) ou por alguma combinação de corrente, tensão e potência. Em muitos casos, a propriedade da saída que varia depende da mesma propriedade da entrada, tornando o ganho adimensional, embora ele seja frequentemente expresso em decibéis (dB). A maioria dos amplificadores é projetada para ser linear. Isto é, eles fornecem ganho constante para qualquer nível normal de entrada e sinal de saída. Se o ganho de um amplificador não for linear, o sinal de saída pode ficar distorcido. Há, contudo, casos em que o ganho variável é útil. Certas aplicações de processamento de sinais usam amplificadores de ganho exponencial.
A realimentação negativa é uma técnica usada em muitos amplificadores para aumentar a largura de banda, reduzir a distorção e controlar o ganho. Em um amplificador com realimentação negativa, parte da saída é realimentada e adicionada à entrada em fase oposta, sendo subtraída da entrada. O principal efeito é reduzir o ganho global do sistema. Dentro da faixa em que a malha permanece estável e possui ganho suficiente, esse mecanismo também reduz a influência de não linearidades e de outros erros introduzidos pelo amplificador. Quando o ganho de malha é elevado, o ganho em malha fechada depende principalmente dos componentes da rede de realimentação, embora permaneça limitado pelas características reais do amplificador. Essa técnica é usada especialmente com amplificadores operacionais (amp ops). A redução de distorção obtida com realimentação negativa depende do circuito, da frequência e do ganho de malha disponível. Ela não elimina necessariamente o ruído, nem corrige o recorte causado pelos limites de alimentação. A realimentação também reduz a sensibilidade do ganho a variações dos dispositivos, mas alterações nos componentes da própria rede de realimentação afetam a saída. Redes dependentes da frequência permitem construir circuitos de filtros ativos.
Dispositivos ativos
Todos os amplificadores incluem alguma forma de dispositivo ativo: esse é o dispositivo que efetivamente realiza a amplificação. O dispositivo ativo pode ser uma válvula termiônica, um componente discreto de estado sólido, como um único transístor, ou parte de um circuito integrado, como em um amp op. Amplificadores a transístor — ou amplificadores de estado sólido — são o tipo mais comum de amplificador atualmente. Um transistor é usado como elemento ativo. O ganho do amplificador é determinado pelas propriedades do próprio transistor e também pelo circuito do qual ele faz parte. Dispositivos ativos comuns em amplificadores a transistor incluem transistores bipolares de junção (BJTs) e transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs).
Amplificadores de potência
Ver também: amplificador de potência de áudio, amplificador de potência de RF e classes de amplificadores de potência. Um amplificador de potência é um amplificador projetado principalmente para aumentar a potência disponível para uma carga. Na prática, o ganho de potência do amplificador depende das impedâncias da fonte e da carga, bem como dos ganhos inerentes de tensão e corrente. O projeto de um amplificador de radiofrequência (RF) tipicamente otimiza as impedâncias para transferência de potência, enquanto projetos de amplificadores de áudio e instrumentação normalmente otimizam as impedâncias de entrada e saída para minimizar o carregamento e maximizar a integridade do sinal. Em geral, o amplificador de potência é o último "amplificador" ou circuito efetivo em uma cadeia de sinal — o estágio de saída — e é o estágio amplificador que exige atenção à eficiência de potência.
Amplificadores operacionais (amp ops)
Um amplificador operacional é um circuito amplificador que tipicamente possui ganho muito elevado em malha aberta e entradas diferenciais. Os amp ops tornaram-se muito usados como "blocos de ganho" padronizados em circuitos devido à sua versatilidade; seu ganho, largura de banda e outras características podem ser controlados por realimentação através de um circuito externo. Embora hoje o termo se aplique comumente a circuitos integrados, o projeto original de amplificador operacional usava válvulas e projetos posteriores usaram circuitos com transistores discretos. Um amplificador totalmente diferencial é semelhante ao amplificador operacional, mas também possui saídas diferenciais. Eles normalmente são construídos com BJTs ou FETs.
Amplificadores distribuídos
Amplificadores distribuídos usam linhas de transmissão de entrada e de saída para interligar vários dispositivos amplificadores. As capacitâncias dos dispositivos são incorporadas às linhas, e os atrasos são ajustados para que suas contribuições se somem em fase na saída. Assim, as contribuições dos estágios se somam, em vez de seus ganhos se multiplicarem como em uma cascata. Essa configuração permite obter ampla largura de banda.
Amplificadores em modo comutado
Esses amplificadores operam seus dispositivos de saída como chaves e podem apresentar eficiência maior que a dos estágios lineares, reduzindo a potência dissipada. A vantagem depende das condições de operação e das perdas de comutação. Amplificadores de classe D são um exemplo desse tipo de amplificação.
Amplificador de resistência negativa
Um amplificador de resistência negativa utiliza um dispositivo que, em determinada região de operação, apresenta resistência diferencial negativa. Um exemplo é o diodo túnel, cuja polarização permite transferir energia da fonte de alimentação para o sinal de micro-ondas. A impedância do dispositivo e a rede que o acopla à fonte e à carga determinam as condições de ganho e estabilidade.
Amplificadores de vídeo
Amplificadores de vídeo são projetados para processar sinais de vídeo e possuem larguras de banda variáveis conforme o sinal de vídeo seja destinado a SDTV, EDTV, HDTV 720p ou 1080i/p etc. A própria especificação da largura de banda depende do tipo de filtro usado e do ponto em que — por exemplo, −1 dB ou −3 dB — a largura de banda é medida. Certos requisitos de resposta ao degrau e sobressinal são necessários para uma imagem de televisão aceitável.
Amplificadores de micro-ondas
Amplificadores de tubo de ondas progressivas (TWTAs) são usados para amplificação de alta potência em frequências de micro-ondas. Tipicamente podem amplificar uma faixa ampla de frequências. Clístrons são dispositivos a vácuo de feixe linear usados como amplificadores de RF, da faixa de UHF à de micro-ondas. Podem fornecer potências elevadas e são empregados, por exemplo, para alimentar as estruturas aceleradoras de aceleradores de partículas. Dispositivos de estado sólido, como MOSFETs de canal curto de silício, a exemplo de FETs de metal-óxido-semicondutor de difusão dupla (DMOS), FETs de GaAs, transistores bipolares de heterojunção de SiGe e GaAs/HBTs, HEMTs, diodos IMPATT e outros, são usados especialmente em frequências mais baixas de micro-ondas e níveis de potência da ordem de watts, em particular em aplicações como terminais portáteis de RF, telefones celulares e pontos de acesso, nas quais tamanho e eficiência são determinantes. Novos materiais, como nitreto de gálio (GaN), GaN sobre silício ou sobre carboneto de silício/SiC, estão surgindo em transistores HEMT e em aplicações que exigem maior eficiência, ampla largura de banda, operação aproximadamente de poucos a algumas dezenas de GHz e potência de saída de poucos watts a algumas centenas de watts.
Amplificadores de instrumentos musicais
Amplificadores de instrumentos são uma categoria de amplificadores de potência de áudio usados para aumentar o nível sonoro de instrumentos musicais, por exemplo guitarras, durante apresentações. A equalização e a distorção introduzidas pelo circuito contribuem para o timbre de um amplificador.
Amplificadores de voz
Esses amplificadores aumentam a potência dos sinais elétricos que representam a voz para acionar alto-falantes em sistemas de sonorização. O microfone capta a voz e fornece o sinal ao sistema de amplificação. Sistemas de distribuição de áudio são usados para anúncios públicos, avisos de segurança e alertas de incêndio em edifícios.
Terminal comum
Um conjunto de classificações para amplificadores baseia-se em qual terminal do dispositivo é comum aos circuitos de entrada e saída. No caso de transistores bipolares de junção, as três classes são emissor comum, base comum e coletor comum. Para transistores de efeito de campo, as configurações correspondentes são fonte comum, porta comum e dreno comum; para válvulas termiônicas, cátodo comum, grade comum e placa comum. A configuração de emissor comum — ou fonte comum, cátodo comum etc. — é mais frequentemente configurada para fornecer amplificação de uma tensão aplicada entre base e emissor, e o sinal de saída tomado entre coletor e emissor é invertido em relação à entrada. A configuração de coletor comum aplica a tensão de entrada entre base e coletor e obtém a tensão de saída entre emissor e coletor. Isso produz realimentação negativa, e a tensão de saída tende a acompanhar a tensão de entrada. Essa configuração também é usada porque a entrada apresenta alta impedância e não carrega a fonte de sinal, embora o ganho de tensão seja menor que um. O circuito de coletor comum é, portanto, mais conhecido como seguidor de emissor; as configurações correspondentes são seguidor de fonte e seguidor de cátodo.
Unilateral ou bilateral
Um amplificador cuja saída não apresenta realimentação para o lado de entrada é descrito como unilateral. A impedância de entrada de um amplificador unilateral independe da carga, e a impedância de saída independe da impedância da fonte de sinal. Um amplificador que usa realimentação para conectar parte da saída de volta à entrada é um amplificador bilateral. A impedância de entrada de um amplificador bilateral depende da carga, e sua impedância de saída depende da impedância da fonte de sinal. Todos os amplificadores são bilaterais em algum grau; contudo, frequentemente podem ser modelados como unilaterais sob condições de operação nas quais a realimentação é pequena o bastante para ser desprezada na maioria dos casos, simplificando a análise — ver o artigo base comum para um exemplo.
Inversor ou não inversor
Outra forma de classificar amplificadores é pela relação de fase entre o sinal de entrada e o sinal de saída. Um amplificador inversor produz uma saída defasada em 180 graus em relação ao sinal de entrada, isto é, uma inversão de polaridade ou imagem espelhada da entrada quando vista em um osciloscópio. Um amplificador não inversor mantém a fase das formas de onda do sinal de entrada. Um seguidor de emissor é um tipo de amplificador não inversor, indicando que o sinal no emissor de um transistor acompanha — isto é, corresponde aproximadamente com ganho unitário, embora haja um deslocamento de tensão — o sinal de entrada. Um seguidor de tensão também é um tipo não inversor de amplificador com ganho unitário.
Função
Outros amplificadores podem ser classificados por sua função ou características de saída. Essas descrições funcionais normalmente se aplicam a sistemas amplificadores completos ou subsistemas e raramente a estágios individuais.
Método de acoplamento entre estágios
Amplificadores às vezes são classificados pelo método de acoplamento do sinal na entrada, na saída ou entre estágios. Diferentes tipos incluem:
Faixa de frequência
Dependendo da faixa de frequência e de outras propriedades, os amplificadores são projetados segundo princípios diferentes. Amplificadores que operam até CC são usados quando é necessária resposta a corrente contínua. Amplificadores para sinais de corrente contínua são vulneráveis a pequenas variações das propriedades dos componentes ao longo do tempo. Métodos especiais, como amplificadores estabilizados por chaveamento chopper, são usados para reduzir a deriva indesejável das propriedades do amplificador em CC. Capacitores de "bloqueio de CC" podem ser adicionados para remover componentes CC e frequências subsônicas de amplificadores de áudio.
O circuito mostrado ilustra uma estrutura de amplificador de áudio com entrada diferencial, estágio de ganho de tensão e saída push-pull classe AB, além de realimentação negativa global. Essas funções são encontradas em projetos de amplificadores com múltiplos estágios. O sinal de entrada é acoplado através do capacitor C1 à base do transistor Q1. O capacitor permite que o sinal de CA passe, mas bloqueia a tensão de polarização de CC estabelecida pelos resistores R1 e R2, de modo que qualquer circuito precedente não seja afetado. Q1 e Q2 formam um amplificador diferencial — um amplificador que multiplica a diferença entre duas entradas por uma constante — em uma configuração conhecida como par de cauda longa. Essa configuração permite usar convenientemente realimentação negativa, que é aplicada da saída de volta a Q2 por R7 e R8. A realimentação negativa no amplificador diferencial permite que o amplificador compare a entrada com a saída real. O sinal amplificado de Q1 é enviado diretamente ao segundo estágio, Q3, que é um estágio de emissor comum que fornece amplificação adicional do sinal e a polarização CC dos estágios de saída, Q4 e Q5. R6 fornece a carga para Q3. Até esse ponto, todo o amplificador opera em classe A. O par de saída é organizado em push-pull classe AB, também chamado de par complementar. Ele fornece a maior parte da amplificação de corrente — consumindo baixa corrente quiescente — e aciona diretamente a carga, conectada pelo capacitor C2 de bloqueio de CC. Os diodos D1 e D2 fornecem uma pequena tensão de polarização para o par de saída, levando-os apenas até o estado de condução para minimizar a distorção de cruzamento. A estabilidade dessa polarização depende das características e da temperatura dos diodos e dos transistores.
Todo amplificador real é uma realização imperfeita de um amplificador ideal. Uma limitação importante de um amplificador real é que a saída gerada fica, em última análise, limitada pela potência disponível na fonte de alimentação. Um amplificador satura e recorta a saída se o sinal de entrada se torna grande demais para ser reproduzido pelo amplificador ou excede os limites de operação do dispositivo. A fonte de alimentação pode influenciar a saída e, por isso, deve ser considerada no projeto. A potência fornecida à carga provém principalmente da fonte de alimentação e não pode superar a potência total recebida pelo circuito, considerando também as perdas. O circuito amplificador apresenta um desempenho de "malha aberta". Isso é descrito por vários parâmetros — ganho, taxa de variação, impedância de saída, distorção, largura de banda, relação sinal-ruído etc. Muitos amplificadores modernos usam técnicas de realimentação negativa para manter o ganho no valor desejado e reduzir a distorção. Em amplificadores de tensão, a realimentação negativa que amostra a tensão de saída pode reduzir a impedância de saída e, assim, aumentar o amortecimento elétrico do movimento do alto-falante na frequência de ressonância do alto-falante e próximo a ela.
