2º Trabalho Prático: Ruído Intrínseco de um amplificador: montagem, caracterização e medição de um amplificador sob a perspectiva do ruído intrínseco.

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Amanda Carvalhal
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1 INSTRUMENTAÇÃO ELECTRÓNICA 999/000 º ANO ELECTROTECNIA º Semestre º Trabalho Prático: Ruído Intrínseco de um amplificador: montagem, caracterização e medição de um amplificador sob a perspectiva do ruído intrínseco. Objectivos do trabalho: A. Calcular estimativas relativas ao ruído intrínseco de um amplificador; B. Observar sinais de ruído intrínseco (branco e /f) no osciloscópio e fazer as respectivas medições/estimativas de valor eficaz Verificar a importância do uso da blindagem para atenuar a influência do ruído extrínseco. C. Confrontar as previsões com as medições realizadas OPERAÇÕES A EFECTUAR: A- Análise: Caracterizar por via analítica o ganho para sinais entre os terminais X e Y do circuito da Fig. no qual (55A) é o amplificador em estudo e A (/ 08) é um amplificador de medida da saída de, com ganho 00. A caracterização deverá incluir a determinação do valor às médias frequências, as frequências inferior e superior de corte, F L e F H, em regime sinusoidal. Deverá prestar atenção à evolução da amplitude e da fase da resposta nas frequências da banda de transição, entre F L / e F H de modo a caracterizar a pendente (0dB/década). Determinar o valor teórico da banda equivalente de ruído, B. Vcc X C 0µ C, µf Vcc 7 55A -Vcc R C Vno Vo R k7 8 ½ 08 X00 A -Vcc R5 70k Vno Y Figura B- Montagem do circuito: Utilizando uma placa de montagem experimental ( stripboard ) realize o circuito da Fig., e caracterize, desta vez, por via experimental, o ganho para sinais. Para isso, utilize, no lugar de, um gerador de sinais sinusoidais com pequena amplitude para produzir, dentro da banda de passagem, uma tensão de pico com o valor de 5 V. Determine, ainda, a largura de banda. Página

2 Lista de componentes para a montagem: MΩ kω A ½ 08 kω C, µf Placa de montagem R MΩ C 0 µf (µf,00µf) Fios diversos para ligações R,7 kω C 50 pf na placa; R5 70 kω 55A Equipamento necessário: Fonte de alimentação (, 0, -); Osciloscópio; Gerador de Sinais; Voltímetro AC de valor eficaz verdadeiro; Caixa metálica para alojar a montagem e realizar a sua blindagem. C- Esquema equivalente para ruído: Desenhe o esquema equivalente para ruído do circuito do amplificador Justifique que a contribuição do amplificador A será desprezável, relativamente à de. D- Geradores equivalentes do modelo Vn-In: Determine os valores dos geradores equivalentes de ruído do amplificador, Vn e In, mediante as características fornecidas. E- Cálculo do ruído total: Calcule a adição das contribuições das várias fontes de ruído à saída do amplificador A, Vno. F- Referir à entrada e F: Calcule o valor referido à entrada, Vni e o Factor de ruído, F (faça-o também experimentalmente). G- Medições: Faça medições da razão Vno/Vno/ em amplitude e fase, nas frequências compreendidas entre F L / e F H espaçadas aproximadamente de uma oitava (F L /, F L /, F L,,, 8, 5, 5, 0, 08, F H, F H, F H ) e confronte os valores obtidos entre si e com o valor teórico calculado para Vno em E. H- Observação da forma de onda do ruído /f: Observe qualitativamente os efeitos de aumento e diminuição da componente de ruído /f, respectivamente, por diminuição e aumento da frequência inferior de corte do circuito através da troca do condensador C por outros de 00 µf e de µf. I- Relatório: Elabore um relatório sucinto que constitua um registo fiel e justificado dos cálculos e observações efectuadas durante o trabalho. ******************************************************* Página /5

3 Apontamentos para a realização do trabalho prático: A- Esquema para pequenos sinais AC do amplificador : C, µf 7 C 0µ 55A Figura R C Considerando o amplificador com características ideais (Fig. ), o condensador C (lead) determinará, além do zero na origem, um polo na frequência: Fp= 0,08 Hz π,e (e e) o condensador C (lead-lag) introduzirá um zero em: Fz π C R = 0,0 Hz, e um polo em: π 0e (e) Fp = π C = π 0e (e) Hz F L. O condensador C (lag), por sua vez, produzirá um polo em: Fp= π C R = π 50e e 00 Hz F H. O ganho teórico na banda passante valerá, para : R Av= = 000 e para A: Av= R5 R = 70k 00., 7k Em virtude de os pólos que determinam F L e F H se encontrarem muito afastados de todos os outros, particularmente, dentro da banda F L / a F H pode considerar-se que a banda de passagem do circuito se estabelece entre Fp e Fp, com pendentes de 0 db/década e 0 db/década, respectivamente, nas respectivas bandas de transição ( polo cada) A banda equivalente de ruído pode assim determinar-se utilizando o coeficiente de valor,57 para calcular o valor da b.e.r. a partir do valor da banda a db: B = [00,57 /,57] [50 0] 5000 Hz. Página /5

4 C- Esquema equivalente para ruído do amplificador: Consideram-se as características fornecidas pelo fabricante para as densidades espectrais de potência vn e in do amplificador, com os valores de,8 nv/ Hz e 0, pa/ Hz, respectivamente. Não se utilizará o valor de,5 nv/ Hz do fabricante original do 55A visto que o actual é bastante inferior. O valor de fci determina-se pela fórmula teórica sobre o gráfico de in constante da folha de características e o valor de fcv a utilizar pode ser o mesmo que o extraído do gráfico original, embora o valor de v N a utilizar não seja o mesmo, como se referiu atrás. Vts Vt Vt Vn In In 55A Vt C R R k7 ½ 08 X00 A R5 70k Vno Figura A justificação para não considerar a contribuição de ruído intrínseco de A reside no facto de o ganho de ser muito elevado (000), de modo que a componente de ruído à saída de vale 000 vezes o valor referido à entrada. Como a adição do ruído à entrada próprio de A se faz com a componente de ruído à saída de, resulta que aquela terá, em regra, valor relativamente desprezável. Considere-se a temperatura ambiente com o valor de graus centígrados, de modo que T=95 K: kt= (, 8e 95),e-0 V /Hz/Ω. Calculemos os valores dos geradores de ruído do circuito (Fig.): Vts = ktb= (, e ) 8,e- V (0,85 µv) Vt = ktb= (, e ) 8,e- V (9 µv) Vt = ktb= (, e ) 8,e- V (0,85 µv) Vt = ktbr= (, e ) 8,e- V (9 µv) D- Geradores equivalentes de ruído do amplificador: Ler nos gráficos os valores v nf, v N, i nf e i N. Com estes, calcular: fcv f v nf (f)/v N = 0 (7e-9) /(,5e-9) 0 Hz fci f i nf (f)/i N = 0 (,5e-) /(0,e-) 70 Hz Página /5

5 Vn = v N (fcv ln ) (,8e-9) (0, 50 0).7e- 0 In = i N (fci ln ) (0,e-) (70, 50 0),0e- 0 E- Ruído total à saída do amplificador: À saída do amplificador, teremos: Vno = Av Vts Av Vt ( ) Vt ( ) Vt Av Vn Av In (//) In e (0,85 µv) e (9 µv) e- e (0,85 µv) (9 µv) e.7e- e,0e- e,0e- e e 8,e-8 8,e- 8,e-8 8,e-,7e-8,e-9,e-9,8e-7 (0, mv). Vno = 00 Vno = 00,8e-7 ( mv). F Ruído referido à entrada e Factor de Ruído: O valor do ruído total referido à entrada do amplificador vale: Vni = Vno /000 /00 =(0, µv) O Factor de ruído: Potência de Ruido Real (0, µv) F = Potência de Ruido só da Fonte,8e- (0,85 µv) 8,e-,. ************************************************** Página 5/5

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