ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos

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1 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos PSI 2307 Laboratório de Eletrônica Exp. 5 Amplificadores de Pequenos Sinais e Exp. 6 Amplificadores de Múltiplos Estágios Turma: ( ) SEG - T1-2 ( ) TER T3 ( ) SEX T4-5 Prof(s): Data da realização do experimento: NOTA: Bancada n o : Equipe: CÓPIA DO PROFESSOR 1 o sem. 2004

2 Esta experiência tem por objetivos gerais: 1. Introdução Estudar o funcionamento de um amplificador com 1 e 2 estágios e acoplamento RC. Estudar a influência da malha de realimentação negativa no desempenho do amplificador com dois estágios. 2. Projeto (item a ser realizado antes da aula experimental) 2.1 Amplificador de pequeno sinal a) Calcule os valores das tensões DC nos coletores, emissores e bases dos transistores T1 e T2 do amplificador com 2 estágios (figura 1) sem realimentação utilizando os dados abaixo e considerando que T1 e T2 são do tipo BC547A (vide curvas em anexo na apostila). Preencher a tabela 2 com os valores fornecidos e calculados. v g g ve Vcc 12 V Re1 = Re2 2,7kΩ Rc1 = Rc2 3,3kΩ R1 180kΩ R2 68kΩ RL 4.7kΩ Rg 50Ω Vbe cond 0.6 V C1 = 10µF C2=C3 Cb 68nF Ce1 = Ce2 470µF R3 150Ω R4 330KΩ lembrete: Vg = vg. (RB/RB + RA) Req = RB // RA Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 2

3 b) Determine o modelo π-híbrido para o transistor BC547A, quando empregado no ponto quiescente desse circuito. Utilize os dados de manual desse transistor (parâmetros h) e as relações constantes no apêndice da apostila de teoria para fazer as conversões adequadas para os parâmetros do modelo π-híbrido. Não esqueça de explicitar as respectivas unidades e indicar todos os cálculos necessários ( em anexo). Parâmetro h valor Parâmetro π-híbrido calculado simulado H = g m H = r π H = r bb H = r µ r o C µ C π h fe h FE Tabela 1 : valores do modelo de pequeno sinal Desenho do modelo π-híbrido (com valores) Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 3

4 c) Calcule os valores esperados para o módulo do ganho de tensão em frequências médias e a frequência de corte superior para o amplificador da fig.1, preenchendo a coluna Calculado na tabela 3. Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 4

5 3. Procedimento Experimental 3.1 Polarização do Circuito sem realimentação Montar o circuito sem realimentação projetado conforme indicado na figura 1 (não se esqueça que o ramo pontilhado não faz parte desta montagem e que o nó D deve ser ligado ao terra) Medir com o multímetro digital os potenciais quiescentes Vc1 (calcule Ic1), Vc2 (calcule Ic2), Vbe1, Vbe2, Ve1, Ve2 preenchendo a tabela 1 com valores correspondentes. Vbe1 Vbe2 Ve1 Ve2 Vc1 Vc2 Ic1 Ic2 Calculado Simulado Medido Desvío Tabela 2- Polarização do circuito sem realimentação Compare os valores medidos com os valores recalculados e simulados. Justifique eventuais diferenças. Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 5

6 3.2 Circuito sem Realimentação, medida do segundo estágio Ajuste o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída 200 mvpp e freqüência f = 10 KHz. Ligue a saída do capacitor C1 ao ponto B, não ao ponto A. (Não conecte o capacitor Cb no ponto B.) Mude as resistências RD1 e RD2 do potenciômetro de tal maneira que a tensão ve seja 10% da tensão vg. Para tanto desconecte o capacitor C1, aplique uma tensão vg relativamente alta e determine com precisão a tensão ve. Não é necessário obter uma razão de tensões exata de 10%, mas a razão deve ser bem conhecida. Sempre meça a tensão na saída do gerador (nó entre Rg e RD1) e calcule o valor da tensão de entrada do circuito (Ve) baseando-se na explicação acima e na expressão determinada no item Determine Av2=VB/Ve e coloque o resultado na tabela 3. VB é o potencial do nó B em relação ao terra. Conecte o gerador senoidal ao circuito, ajustando-o para fornecer 10 khz e 0,1 Vpp de vg. Imprima as formas de onda na base, coletor e emissor do transistor, bem como a forma de onda na resistência R L (com o osciloscópio no modo de acoplamento de entrada DC) (ANEXO 2). Se for necessário, coloque o osciloscópio no modo de entrada CA e amplie a escala para visualizar o sinal alternado sobreposto à tensão CC. Na própria impressão, anote claramente os valores de tensão CC e CA em cada forma de onda. Verifique se os sinais estão ou não em fase com o sinal de entrada (gerador). Nota1: O ruído torna o trigger do sinal instável. Utilize o sincronismo externo entre gerador e osciloscópio para resolver esse problema. Nota2: Como os sinais são de pequena amplitude, o ruído é da mesma ordem de grandeza. Utilize os recursos do osciloscópio para limpar o sinal (aprecie a influência dos botões BW LIMIT e DISPLAY AVERAGE) Questão 1: Qual o valor do ganho de tensão experimental (módulo e defasagem)? Av = Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 6

7 4) Meça as frequências de corte inferior e superior (frequências onde o ganho cai de 2 do ganho em frequências médias ou a defasagem altera-se de ±45º em relação ao valor em freqüências médias para f = 10 khz). Compare com os valores esperados. fci = fcs = 5) Meça o ganho e a diferença de fase entre o sinal de entrada e de saída para as freqüências de 0,1 fci, 10 fci, 0,1 fcs e 10 fcs. Faça um gráfico onde se colocam os ganhos em função da freqüência para as 7 frequências já determinadas e um outro gráfico com as diferenças de fase em função da freqüência para as mesmas 7 frequências (anexo 3). 6) Para uma frequência de 10kHz, aumente gradativamente a amplitude do sinal em vg de 0.1 Vpp até aproximadamente 2.0 Vpp e levante uma tabela que forneça o módulo do ganho em função da amplitude do sinal de entrada. Em particular, para as tensões do gerador de 0.1 Vpp, 1.0 Vpp e 2.0 Vpp, imprima as formas de onda de tensão em vg e em RL (vs) com os terras no meio da tela, sinais com cerca de dois períodos e com amplitude de pelo menos duas divisões (ANEXO 4). OBS.: Não esqueça de aplicar o fator de atenuação para obter ve vg (Vpp) ve (Vpp) vs (Vpp) ganho (vs/ve) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,75 1,0 1,25 1,5 2,0 Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 7

8 Questão 3: Estime a faixa dinâmica de entrada para uma saída com um mínimo de distorção, até onde o sinal de saída não fique ceifado Questão 4: Estime a faixa dinâmica de entrada para uma saída para uma saída plena ( ganho é 95% do ganho máximo). Questão 5: Utilizando a impressão com sinal vg de 2,0Vpp determine a máxima excursão de sinal de saída no semiciclo positivo e no semiciclo negativo. Qual a razão para tal distorção em cada semiciclo? Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 8

9 Supondo apenas distorção de segunda harmônica no sinal de saída (sobre o coletor de T2), determine a porcentagem de distorção dada pela fórmula D=100. B2 / B1, onde B1 é a amplitude da primeira harmônica (fundamental) do sinal de Vc2 e B2 é a amplitude da segunda harmônica. B1 e B2 podem ser medidos diretamente através do osciloscópio da seguinte maneira: coloque o sinal de Vc2 no canal 2 e observe-o adequadamente na tela do osciloscópio. Aperte a tecla ±, selecione o menu Function 2, escolha a opção FFT (Fast Fourier Transform). Deverão aparecer na tela as amplitudes das harmônicas do sinal Vc2 (espectro de frequências de módulo). Aperte a tecla Cursors, selecione Source F2 e determine B1 e B2. Obs: Os valores de B1 e B2 são dados em decibéis pelo osciloscópio, eles deverão ser convertidos para volts através da seguinte fórmula 20log[B1(V)]=B1(dB). Determine esta distorção para 3 tensões de entrada : Para vg = 0,1 V Para vg = saída máxima sem que o sinal fique ceifado (vgsd) Para vg = 2 vgsd Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 9

10 Questão 6: Explique a distorção observada no item anterior utilizando-se da curva caracterlstica V CE x I C (transistor BC547A) com a reta de carga CA sobreposta (considere que a variação de tensão V BE é igual à variação da tensão vg ). Esta aproximação é satisfatória? OBS.:: A reta de carga CA é aquela que passa pelo ponto quiescence e cuja inclinação é obtida considerando-se o efeito dos capacitores C e e C 2 sobre o circuito para sinais CA (isto é, eles são curtos). Como C e também é um curto em CA, a inclinação da reta de carga será dada por 1/(R C // R L ). Caso queira explorar melhor essas considerações, leia as três primeiras páginas do capítulo 9 do livro "Eletrônica de J. Millman e C.C. Halkias disponível na biblioteca do Departamento. Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 10

11 3.3 Circuito sem Realimentação, medida do primeiro estágio e dos dois estágios Ajuste o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída 200mVpp e freqüência f = 10 KHz conectando-o como indicado na figura 1. Mude as resistências RD1 e RD2 do potenciômetro de tal maneira que a tensão ve seja 1% da tensão vg. Para tanto desconecte o capacitor C1, aplique uma tensão vg relativamente alta e determine com precisão a tensão ve. Não é necessário obter uma razão de tensões exata de 1%, mas a razão deve ser bem conhecida. Sempre meça a tensão na saída do gerador (nó entre Rg e RD1) e calcule o valor da tensão de entrada do circuito (Ve) baseando-se na explicação acima e na expressão determinada na experiência anterior Determine Av1=VB/Ve e coloque o resultado na tabela 3. VB é o potencial do nó B em relação ao terra. (Não se esqueça da terra...) Porque deve-se manter o segundo estágio conectado através do capacitor Cb? Coloque o valor de Av 2 na tabela 3, se não foi colocado ainda Calcule Av1.Av2. Av1.Av2 = Mantendo o nível do sinal de saída do gerador, meça a amplitude do sinal de saída do segundo estágio e determine o ganho global Avt=Vs/Ve. Coloque este resultado na tabela Explique porque os ganhos obtidos nos itens e não coincidem. Porque o valor do ganho no item é menor? Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 11

12 3.3.8 Através do programa GANHO levante a resposta harmônica (módulo do ganho e fase em função da freqüência) do amplificador de 2 estágios sem realimentação, colocando a ponta de prova do canal 1 do osciloscópio na saída do gerador e a ponta de prova do canal 2 na saída do circuito (Vs). (Anexo 6) Não esqueça de dizer ao programa GANHO qual o fator de atenuação entre Vg e Ve Imprima o resultado e determine fci e fcs, preenchendo os campos correspondentes da tabela Ajuste, de novo, o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída 200mVpp e freqüência f = 10 KHz conectando-o como indicado na figura 1. Supondo apenas distorção de segunda harmônica no sinal de saída (sobre o coletor de T2), determine a porcentagem de distorção dada pela fórmula D=100. B2 / B1, onde B1 é a amplitude da primeira harmônica (fundamental) do sinal de Vc2 e B2 é a amplitude da segunda harmônica. B1 e B2 podem ser medidos diretamente através do osciloscópio da seguinte maneira: coloque o sinal de Vc2 no canal 2 e observe-o adequadamente na tela do osciloscópio. Aperte a tecla ±, selecione o menu Function 2, escolha a opção FFT (Fast Fourier Transform). Deverão aparecer na tela as amplitudes das harmônicas do sinal Vc2 (espectro de frequências de módulo). Aperte a tecla Cursors, selecione Source F2 e determine B1 e B2. Obs: Os valores de B1 e B2 são dados em decibéis pelo osciloscópio, eles deverão ser convertidos para volts através da seguinte fórmula 20log[B1(V)]=B1(dB). D = Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 12

13 3.4 Circuito com a primeira realimentação (R4 = 330 kohm) Montar o circuito com realimentação projetado conforme indicado na figura 1 (lembrando que as linhas pontilhadas agora fazem parte desta montagem) Ajuste o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída 200mVpp e freqüência f = 10 KHz conectando-o como indicado na figura Determine o ganho global Avt=Vs/Ve, coloque este resultado na tabela Através do programa GANHO levante a resposta harmônica (módulo do ganho e fase em função da freqüência) do amplificador de 2 estágios sem realimentação, colocando a ponta de prova do canal 1 do osciloscópio na saída do gerador e a ponta de prova do canal 2 na saída do circuito (Vs). (Anexo 7) Não esqueça de dizer ao programa GANHO qual o fator de atenuação entre Vg e Ve Imprima o resultado e determine fci e fcs, preenchendo os campos correspondentes da tabela Ajuste o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída 200mVpp e freqüência f = 10 KHz conectando-o como indicado na figura 1. Determine a porcentagem de distorção neste caso na forma descrita no item D = Houve diminuição da porcentagem de distorção com relação ao item Porquê? Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 13

14 3.5 Circuito com a segunda realimentação ( R4 = 33 kohm) Montar o circuito com realimentação projetado conforme indicado na figura 1 (lembrando que as linhas pontilhadas agora fazem parte desta montagem) Ajuste o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída 200mVpp e freqüência f = 10 KHz conectando-o como indicado na figura Determine o ganho global Avt=Vs/Ve, coloque este resultado na tabela Através do programa GANHO levante a resposta harmônica (módulo do ganho e fase em função da freqüência) do amplificador de 2 estágios sem realimentação, colocando a ponta de prova do canal 1 do osciloscópio na saída do gerador e a ponta de prova do canal 2 na saída do circuito (Vs). (Anexo 8) Não esqueça de dizer ao programa GANHO qual o fator de atenuação entre Vg e Ve Imprima o resultado e determine fci e fcs, preenchendo os campos correspondentes da tabela Ajuste o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída 200mVpp e freqüência f = 10 KHz conectando-o como indicado na figura 1. Determine a porcentagem de distorção neste caso na forma descrita no item D = Houve diminuição da porcentagem de distorção com relação ao item Porquê? Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 14

15 3.5.8 Ajuste o gerador de funções para fornecer uma forma onda senoidal com tensão de saída do amplificador igual à tensão obtida com a primeira realimentação e freqüência f = 10 KHz conectando-o como indicado na figura 1. Determine a porcentagem de distorção neste caso na forma descrita no item D = Houve diminuição da porcentagem de distorção com relação ao item e ao item 3.4.6? Porquê? Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 15

16 valor calculado simulado medido desvio circuito sem realimentação Circuito com realimentação 1 Circuito com realimentação 2 Av1 Av2 Avt fci fcs Av Av Avt fci fcs Av Av Avt fci fcs Tabela 3 Resultados dos circuitos amplificadores de 2 estágios Compare os resultados acima e justifique eventuais discrepâncias. Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 16

17 4. Conclusões Exp. 5/6 Amplificadores de Pequenos Sinais e de Múltiplos Estágios 17