O que um amplificador faz
Um sinal é uma tensão que muda com o tempo e carrega informação, como som ou uma mensagem de rádio. Muitos sinais são muito fracos. Um amplificador pega um sinal fraco e faz uma cópia mais forte dele.
A potência extra não surge do nada. O amplificador a tira de uma fonte de alimentação (uma bateria ou um carregador) e usa o sinal de entrada para controlar quanto dela chega à saída.
A peça principal lá dentro costuma ser um transistor (uma pecinha parecida com uma chave, que uma corrente minúscula consegue controlar) ou um chip cheio de transistores.
Ganho e decibéis
O ganho de tensão diz quantas vezes a saída é maior: Av = Vout / Vin. Ele não tem unidade porque é uma razão.
Engenheiros costumam usar decibéis (dB): ganho em dB = 20 × log10(Vout / Vin). Um ganho de 10 é 20 dB. Um ganho de 100 é 40 dB. Um ganho de 1000 é 60 dB. A cada 20 dB a mais, o ganho fica 10 vezes maior.
Quando dois estágios de amplificador são ligados em sequência, os ganhos se multiplicam, mas os valores em decibéis simplesmente se somam.
Ganho de potência = Pout / Pin, e em dB é 10 × log10(Pout / Pin).
Amplificadores de baixa frequência (áudio)
Amplificadores de baixa frequência trabalham com sinais de poucos hertz até cerca de 20 kHz, a faixa da audição humana. Você os encontra em aparelhos de música, rádios, sistemas de som e no último estágio de uma TV.
- Polarização: uma pequena tensão constante mantém o transistor pronto (meio ligado) para que ele acompanhe o sinal tanto para cima quanto para baixo.
- Capacitor de acoplamento: deixa o sinal que muda passar de um estágio para o outro, mas bloqueia a tensão constante da polarização. Por isso o ganho cai em frequências muito baixas.
- Estágio de tensão e depois estágio de potência: os primeiros estágios aumentam a tensão; o último (o amplificador de potência) fornece corrente suficiente para mover um alto-falante.
- Push-pull: dois transistores dividem o trabalho; um empurra a metade positiva da onda e o outro puxa a metade negativa. Isso desperdiça menos calor do que um único transistor trabalhando o tempo todo (classe A).
Resposta em frequência e largura de banda
Um amplificador não dá o mesmo ganho em todas as frequências. Um gráfico do ganho contra a frequência é a sua resposta em frequência. Ela sobe no meio e cai nas duas pontas.
Os dois pontos em que o ganho caiu para cerca de 70% (0,707) do valor do meio, ou seja, 3 dB abaixo, são as frequências de corte. A distância entre elas é a largura de banda: BW = falta − fbaixa.
A ponta de baixa frequência cai por causa dos capacitores de acoplamento. A ponta de alta frequência cai por causa de minúsculas capacitâncias parasitas dentro do transistor e da fiação, que deixam escapar as ondulações rápidas.
Amplificadores de alta frequência (rádio)
Amplificadores de alta frequência trabalham com sinais de rádio, de centenas de quilohertz até muitos gigahertz. Eles precisam de peças que continuem rápidas e de fios bem curtos, porque a capacitância parasita pesa mais em alta velocidade.
- Amplificador de RF: fica logo depois da antena e reforça uma estação muito fraca sem somar muito ruído.
- Amplificador de FI: em um receptor de rádio, reforça o sinal depois que ele foi levado a uma frequência intermediária fixa.
- Amplificador sintonizado: usa uma bobina e um capacitor (um circuito LC) para reforçar só uma faixa estreita de frequências em volta de uma estação e ignorar o resto.
- Amplificador de potência: em um transmissor, dá a grande potência necessária para a antena.
Em um amplificador de banda larga, o ganho × largura de banda é mais ou menos fixo: se você pede mais ganho, ganha menos largura de banda.
Limites: clipping, ruído e distorção
A saída nunca pode passar da tensão da fonte. Se a entrada for grande demais ou o ganho alto demais, o topo da onda é cortado reto. Isso é o clipping, um tipo de distorção. Ele cria sons novos e indesejados.
Ruído é um chiado aleatório produzido pelas peças. O amplificador reforça o ruído também, por isso o primeiro estágio precisa ser de baixo ruído.
A realimentação negativa (mandar um pouco da saída de volta para diminuir a entrada) reduz o ganho, mas deixa o som mais estável e limpo.
Experimente
Na cena 3D, coloque o ganho em 12 e olhe a saída. Calcule quantos volts ela deveria ter (0.5 V × 12 = 6 V). O limite da fonte é 3.5 V, então há clipping. Agora diminua o ganho até o clipping parar. Em casa, ligue um fone de ouvido no celular e toque música bem alto: o zumbido áspero que você pode ouvir é o clipping no amplificador do celular.
Fórmulas e definições principais
- Ganho de tensão Av = Vout / Vin
- Ganho em dB = 20 log10(Vout / Vin)
- Ganho de potência em dB = 10 log10(Pout / Pin)
- Estágios em cascata: Av = Av1 × Av2; dB = dB1 + dB2
- Largura de banda BW = f(alta) − f(baixa)
- Maior saída ≈ tensão da fonte (acima disso, clipping)
Exemplos resolvidos
1. Um amplificador transforma uma entrada de 20 mV em uma saída de 1 V. Ache o ganho de tensão.
Converta 20 mV = 0.02 V. Av = 1 / 0.02 = 50.
2. Ache o ganho de 50 em decibéis.
dB = 20 log10(50) = 20 × 1.699 ≈ 34 dB.
3. Um microfone dá 5 mV. Um amplificador de dois estágios tem ganhos de 20 e 40. Qual é a saída?
Ganho total = 20 × 40 = 800. Saída = 5 mV × 800 = 4000 mV = 4 V.
4. O estágio 1 tem ganho de 20 dB e o estágio 2 tem 26 dB. Qual é o ganho total em dB e como razão?
Os dB se somam: 20 + 26 = 46 dB. Razão: 20 dB é 10 vezes e 26 dB é cerca de 20 vezes, então o total é cerca de 200.
5. Um amplificador de rádio sintonizado tem frequências de corte de 455 kHz e 465 kHz. Qual é a sua largura de banda?
BW = 465 − 455 = 10 kHz.
6. Um amplificador com ganho 30 e fonte de ±9 V recebe uma entrada de pico de 0.5 V. Descreva o que acontece com os picos da saída.
O pico ideal da saída seria 0.5 × 30 = 15 V. O limite da fonte é cerca de 9 V, então a onda é cortada reto em 9 V (topos e fundos). Ela fica distorcida.
7. Um amplificador de alto-falante recebe 0.2 W e entrega 20 W. Ache o ganho de potência em dB.
Razão = 20 / 0.2 = 100. dB = 10 log10(100) = 20 dB.
Erros comuns
- Achar que o amplificador cria energia. Ele só usa a energia da fonte, moldada pela entrada.
- Somar os ganhos quando os estágios são ligados. As razões se multiplicam; só os decibéis se somam.
- Usar 10 log em vez de 20 log para ganho de tensão. Use 20 log para tensão e 10 log para potência.
- Esquecer as unidades: 20 mV precisa virar 0.02 V antes de dividir.