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1 CIRCUITOS AMPLIFICADORES COM TRANSÍSTORES DE JUNÇÃO BIPOLARES TRABALHO DE LABORATÓRIO Teoria dos Circuitos e Fundamentos de Electrónica Teresa Mendes de Almeida TeresaMAlmeida@ist.utl.pt Área Científica de Electrónica - DEEC - IST Junho de 2009

2 Circuitos Amplificadores com TJBs 1 1 Introdução Neste trabalho de laboratório são analisados e realizados circuitos amplificadores com transístores de junção bipolares (TJB). É ainda realizada uma fonte de corrente também com TJBs que serve para polarizar um circuito amplificador seguidor de emissor correspondendo ao que acontece na polarização de amplificadores realizados em circuito integrado. Para a realização do trabalho de laboratório é necessário fazer uma preparação antes da aula de laboratório que consta da leitura do guia do trabalho, da aprendizagem dos conceitos teóricos necessários, da análise teórica dos circuitos a serem montados no laboratório e da resposta a todas as questões teóricas que são colocadas no guia de trabalho. Durante a aula de laboratório devem ser realizadas as experiências indicadas no guia do trabalho, registados os resultados e elaborado o relatório que é entregue no final da aula de laboratório. Nota 1: Nas respostas às questões teóricas devem ser escolhidas escalas e a localização do nível de referência (0 V ) para os gráficos idênticas às que vão ser usadas no osciloscópio durante o laboratório, a fim de facilitar a comparação teórico-experimental. Devem ser sempre escolhidas escalas que permitam a máxima resolução para a representação da forma de onda do sinal a ser registado. As escalas verticais disponíveis no osciloscópio são: {5, 2, 1, 0.5, 0.2, 0.1} V/div e {50, 20, 10, 5} mv/div). Nota 2: Na elaboração do relatório, quer na análise teórica, quer no registo dos resultados experimentais e nos comentários aos resultados, apenas deve ser utilizado o espaço disponibilizado para cada questão. Os comentários e as conclusões devem ser feitos de forma concisa e clara no espaço para isso disponibilizado. Nota 3: A secção 8 é de realização opcional. 1.1 Objectivos Este trabalho de laboratório tem por objectivo a realização de circuitos amplificadores com transístores bipolares. Numa primeira montagem é realizado um circuito amplificador com polarização correspondente a uma realização discreta (com fontes de tensão e resistências). Este amplificador é analisado nas suas funcionalidades como amplificador de tensão e como seguidor de tensão. Numa segunda montagem é realizado um circuito seguidor de emissor com polarização correspondente a uma realização em circuito integrado, sendo por isso utilizada uma fonte de corrente com TJBs para impor a corrente de emissor. 1.2 Conhecimentos Teóricos Para a realização deste trabalho de laboratório são necessários os seguintes conhecimentos teóricos: técnicas de análise de circuitos resistivos lineares (lei de Ohm, leis de Kirchhoff, divisor de tensão, etc.), transístor de junção bipolar (TJB) e seu modelo incremental, análise estática (determinação do ponto de funcionamento em repouso) e incremental (análise AC para sinais incrementais) de circuitos com TJBs, nomeadamente circuitos amplificadores (circuito seguidor de emissor e circuito de emissor comum) e fontes de corrente. 1.3 Material e Equipamento No início do laboratório deve requisitar todo o material necessário e no fim da aula deve devolvê-lo e deixar a bancada arrumada e limpa e todos os equipamentos desligados. Para a realização deste trabalho de laboratório são necessários os seguintes equipamentos: base de montagem com fontes de tensão de ±12V, multímetro, osciloscópio, gerador de funções (sinais sinusoidais, triangulares e rectangulares), frequencímetro, cabos BNC-BNC e tês. Para realizar as montagens precisa de uma placa de breadboard, fios, alicate e/ou descarnador, pinça e chave de fendas. Os componentes a serem utilizados nos circuitos são: 1 circuito integrado LM resistência de 180 kω 1 resistência de 33 kω 2 resistências de 22 kω 1 resistência de 10 kω 1 resistência de 2.7 kω 1 resistência de 270Ω 1 condensador electrolítico de 10 µf/25 V

3 Circuitos Amplificadores com TJBs 2 + R 1 C B R C Q voc C C C E v oc R 1 = 180 kω R 2 = 33 kω R C = 2.7 kω R E = 270 Ω C = 10 µf Q = LM3046 = 12 V v in - R 2 v OE R E v oe β = 110 V BEon = 0.75 V V CEsat = 0.23 V V A = 100 V Figura 1: Circuito amplificador. 2 Circuito Amplificador Considere o circuito amplificador da figura 1. O sinal de entrada é aplicado na base do transístor e o sinal de saída pode ser considerado no colector (obtendo-se um circuito de emissor comum) ou no emissor (obtendo-se um circuito seguidor de emissor). Faça a análise do circuito respondendo às questões colocadas nas sub-secções seguintes. 2.1 Análise Estática do Circuito Amplificador Considere o circuito amplificador quando não é aplicado sinal na sua entrada (v in = 0), ou seja, o seu funcionamento em repouso (regime estático ou DC). a) Para que o circuito funcione como amplificador, o transístor tem que estar em que região de funcionamento? b) Calcule de forma simplificada as seguintes tensões e correntes: V B, V C, V E, I B, I C, I E, I R1 e I R2, admitindo que são válidas as aproximações: I B << I R1, I R2 I R1 I R2 e I B << I E, I C I E I C. Diga se este cálculo aproximado é válido para este circuito. c) Faça agora o cálculo exacto das tensões e das correntes. Sugestão: determine o circuito equivalente de Thévenin visto à esquerda da base do transístor e realize depois os cálculos. d) Apresente resultados que justifiquem o facto de o transístor estar na zona activa. e) Utilize os valores obtidos na alínea c) para calcular os parâmetros do modelo incremental do transístor (V T = 25 mv ). Apresente o esquema eléctrico do modelo incremental do transístor. 2.2 Característica de Transferência do Circuito Amplificador A fim de identificar a característica de transferência do circuito amplificador e as diferentes regiões de funcionamento do transístor (corte, zona activa e saturação), considere agora o circuito amplificador com a tensão de base imposta por uma fonte de tensão V B, como representado na figura 2. Admita que 0 V < V B < 3 V. a) Para que valores de V B é que o transístor está cortado? Quanto valem V C e V E quando o transístor está cortado? b) Para que valores de V B é que o transístor está saturado? Como variam V C e V E quando o transístor está saturado? c) Para que valores de V B é que o transístor está na zona activa? Como variam V C e V E quando o transístor está na zona activa? d) Com base nos resultados das alíneas anteriores, trace o gráfico da característica V C (V B ), admitindo uma representação linear por troços. Marque dois pontos no gráfico obtido e faça uma estimativa do ganho de tensão A vc = v oc /v in.

4 Circuitos Amplificadores com TJBs 3 R C V C R C = 2.7 kω R E = 270 Ω Q = LM3046 = 12 V V B R E V E β = 110 V BEon = 0.75 V V CEsat = 0.23 V V A = 100 V Figura 2: Circuito amplificador com V B. 2.3 Funcionamento como Seguidor de Emissor Considere que o sinal de saída é no emissor (v OE e v oe na figura 1), obtendo-se assim um circuito seguidor de emissor. Admita que à frequência de trabalho a impedância dos condensadores é nula. a) Apresente uma equação simbólica para calcular a resistência incremental vista pelo gerador de sinal, R in = v IN / i IN = v in /i in. Pode calcular primeiro a resistência vista da base do transístor R b = v B / i B = v b /i b e utilizando R b obter depois o valor de R in. Calcule o valor de R in. b) Apresente uma equação simbólica para calcular a resistência incremental de saída, R oe, vista do nó do emissor do transístor. Calcule o valor de R oe. c) Calcule o ganho de tensão do circuito, A ve = v OE / v IN = v oe /v in. d) Considere um sinal de entrada sinusoidal, v in (t) = V I cos(ωt) com V I = 0.2 V e f = 10 khz. Sabendo que os sinais presentes nos nós do circuito resultam da soma da componente contínua (DC), devida à fonte de tensão, com a componente variável, devida ao sinal incremental da entrada (componente AC), represente graficamente os sinais v in (t), v B (t) = V B + v b (t), v OE (t) = V E + v oe (t) e v oe (t). e) O que acontece se a amplitude do sinal de entrada for aumentada para 0.8 V? O circuito ainda continua a funcionar como seguidor de emissor? Porquê? 2.4 Funcionamento como Amplificador de Tensão A limitação do circuito enquanto seguidor de emissor (identificada na última alínea da subsecção anterior) deve-se ao facto do dimensionamento do circuito ter sido feito para o seu funcionamento como amplificador de tensão. Quando o sinal de saída é considerado no colector (v OC e v oc no circuito da figura 1), o circuito amplificador tem a capacidade de amplificar a tensão de entrada (por isso se chama circuito amplificador de tensão ou de emissor comum). a) Apresente uma equação simbólica para calcular a resistência incremental de saída, R oc, vista do nó do colector do transístor. Calcule o valor de R oc. b) Apresente uma equação simbólica para calcular o ganho de tensão do circuito, A vc = v OC / v IN = v oc /v in. Calcule o seu valor. c) Considere um sinal de entrada sinusoidal, v in (t) = V I cos(ωt) com V I = 0.2 V e f = 10 khz. Sabendo que os sinais presentes nos nós do circuito resultam da soma da componente contínua (DC), devida à fonte de tensão, com a componente variável devida ao sinal incremental da entrada (componente AC), represente graficamente os sinais v in (t), v B (t), v OC (t) e v oc (t). d) Qual a máxima amplitude do sinal de entrada que ainda garante que o circuito funciona como amplificador, ou seja, que permite obter na saída um sinal sinusoidal que é igual a A vc v in?

5 Circuitos Amplificadores com TJBs 4 R A Q A Q B -V EE Q C R A = 22 kω Q A = Q B = Q C = LM3046 = 12 V V EE = 12 V β = 110 V BEon = 0.75 V V CEsat = 0.23 V V A = 100 V Figura 3: Fonte de corrente. 3 Fonte de Corrente Considere a fonte de corrente da figura 3 que, idealmente, permite obter na saída uma corrente =. a) Apresente uma equação simbólica para calcular e determine o seu valor numérico. b) Apresente uma equação simbólica que permita determinar / de forma aproximada, admitindo que o ganho de corrente dos transístores é muito elevado (a corrente de base é desprezável face à corrente de colector). Calcule / e obtenha. c) Repita a alínea anterior considerando β = Seguidor de Emissor Polarizado com Fonte de Corrente Considere agora o circuito amplificador, do tipo seguidor de emissor, representado na figura 4-a). Ao comparar este circuito com o da figura 1, verifica-se que não são usados condensadores de acoplamento nem resistências de polarização. Neste caso o circuito seguidor de emissor é apenas constituído pelo transístor e pela fonte de corrente. A resistência R L representa a resistência de carga que pode corresponder à resistência de entrada do circuito ao qual a tensão de saída é disponibilizada. Esta realização do amplificador é vocacionada para uma realização em circuito integrado, pois o emparelhamento entre os transístores da fonte de corrente é mais perfeito e evita-se a utilização de condensadores e de resistências que são componentes que gastam muita área no circuito integrado, quando comparada com a área gasta na realização de um transístor. Da observação do circuito da figura 4-a) verifica-se o sinal de entrada está directamente acoplado ao amplificador, não sendo usado um condensador de acoplamento, uma forma habitual na realização de circuitos em circuito integrado e razão pela qual a polarização é feita através da fonte de corrente ligada ao emissor. Também se pode verificar que o sinal de saída apresentará sempre um desvio (offset) relativamente à entrada de 0.7 V, devido à queda de tensão na junção baseemissor que está directamente polarizada. Em vez de ser utilizado um condensador na saída para eliminar esta tensão de desvio (como é feito no amplificador da figura 1), pode ser usado um segundo andar amplificador com estrutura semelhante ao primeiro, mas realizado com transístores pnp, em vez de npn, como indicado na figura 5. Admitindo um ganho de tensão unitário para ambos os circuitos amplificadores, se V BEon1 = V EBon2, obtém-se v E1 = v in V BEon1 = v B2 e v out = v E2 = v B2 + V EBon2 = v in, ou seja, v out = v in, como pretendido. Na realização experimental será unicamente realizado o primeiro andar amplificador (representado na figura 4-b)), pelo que existirá sempre uma tensão de desvio entre a saída e a entrada, correspondente ao V BEon do transístor Q D. 5 Realização Experimental Na realização experimental será utilizado o circuito integrado LM3046 que contém cinco transístores de junção bipolares de silício do tipo npn (ver a folha de características em anexo).

6 Circuitos Amplificadores com TJBs 5 v in Q D v out R L R A Q A Q B v in Q C Q D R L v out -V EE -V EE a) b) Figura 4: Amplificador polarizado com fonte de corrente (R L = 10 kω). v in Q 1 I 2 v out Q2 I 1 R L -V EE -V EE Figura 5: Amplificador com compensação da tensão de desvio. Para não estragar os transístores e rentabilizar o tempo disponível na aula de laboratório, tenha em atenção as indicações seguintes: i) A montagem dos circuitos deve ser sempre feita com as fontes de alimentação e o gerador de sinais desligados. ii) As fontes de alimentação devem ser as primeiras a ser ligadas e as últimas a serem desligadas. iii) Deve observar sempre primeiro no osciloscópio o sinal de entrada e garantir que se encontra dentro da gama de valores pretendida e só depois é que deve aplicar o sinal ao circuito (sempre após já ter ligado as fontes de alimentação). Caso contrário pode estragar os transístores. iv) O pino 13 do circuito LM3046 tem de estar sempre ligado à tensão de alimentação mais negativa ( V EE ), mesmo quando o transístor Q 5 não está a ser utilizado (ver a folha de características). v) Ao montar os circuitos utilize as 4 linhas horizontais disponíveis na breadboard, para as tensões de alimentação na seguinte sequência: +, 0 V, 0 V, V EE. vi) Antes da aula de laboratório verifique a correspondência entre os terminais dos transístores e os pinos do circuito integrado que estão indicados na folha de características. Escolha quais os transístores Q 1 a Q 5 devem ser usados nos circuitos a montar no laboratório e identifique nas figuras respectivas os pinos que correspondem aos terminais dos diferentes transístores. Ao fazer esta atribuição tenha em conta a sequência das montagens, a fim de minimizar o número de alterações a realizar. vii) O osciloscópio deve ser usado em modo DC, excepto indicação em contrário. No registo dos resultados observados no osciloscópio ajuste sempre as escalas e os níveis de referência por forma a rentabilizar a resolução disponível no écran. Lembre-se que para sinais periódicos basta representar um período do sinal. viii) Nas medições com o multímetro deve sempre ajustar a escala de acordo com o valor a medir para que as medidas tenham a maior precisão possível.

7 Circuitos Amplificadores com TJBs 6 6 Circuito Amplificador Monte na placa de breadboard o circuito amplificador da figura 1 sem incluir os condensadores de acoplamento. Realize as medidas experimentais indicadas a seguir a fim de caracterizar o funcionamento do amplificador nas suas funcionalidades de seguidor de tensão e de amplificador de tensão. Como na realização experimental o circuito amplificador não será acoplado a um segundo andar amplificador, não serão utilizados os condensadores C E e C C. Para a visualização e registo dos sinais incrementais de saída (v oe e v oc ) o osciloscópio será usado em modo AC. 6.1 Funcionamento Estático a) Antes de montar o circuito, meça os valores reais das resistências R 1, R 2, R C e R E. Ajuste a escala do multímetro de acordo com o valor a medir para que as medidas tenham a maior precisão possível. b) Monte o circuito e ajuste as fontes de alimentação. Com o voltímetro em modo DC meça as tensões de alimentação e as tensões na base, no colector e no emissor do transístor. Não se esqueça de ajustar a escala do multímetro de acordo com o valor a medir para que as medidas tenham a maior precisão possível. c) Com base nas medidas anteriores, calcule I R1, I R2, I C, I E e I B. d) Calcule o erro relativo aos valores teóricos calculados. 6.2 Seguidor de Tensão ε(%) = valor real valor calculado valor calculado 100% (1) a) Introduza no circuito o condensador C B. Ajuste o gerador de sinais para um sinal sinusoidal de 10 khz e amplitude 0.2 V. Observe os sinais v B, (canal 1) e v OE (canal 2). b) Observe os sinais de entrada, v in, (canal 1) e de saída, v oe (canal 2) em modo AC. c) Meça os valores das amplitudes de v in e v oe e calcule o ganho de tensão do circuito seguidor. d) Compare os resultados obtidos com a previsão teórica. 6.3 Amplificador de Tensão a) Observe os sinais de entrada, v in, (canal 1) e de saída, v oc, (canal 2) em modo AC, v oc. b) Meça os valores das amplitudes de v in e v oc e calcule o ganho de tensão do amplificador. c) Visualize no canal 1 o sinal da base e no canal 2 o sinal do colector. Aumente a amplitude do sinal de entrada para 1.5 V e obtenha a característica de transferência v C (v B ). Escolha dois pontos da característica de transferência e calcule o ganho de tensão do amplificador. d) Compare os resultados obtidos nas alíneas anteriores com a previsão teórica. 7 Fonte de Corrente a) Meça os valores das resistências R A e R L. Monte o circuito da fonte de corrente com uma resistência de carga, de acordo com a figura 6. b) Com o voltímetro em modo DC meça as tensões das fontes de alimentação e das tensões nos colectores dos transístores Q A e Q C. Com base nas medidas realizadas calcule as correntes e. c) Compare os resultados obtidos com a previsão teórica.

8 Circuitos Amplificadores com TJBs 7 R A Q A R L Q B Q C -V EE R A = R L = 22 kω Q A = Q B = Q C = LM3046N = 12 V V EE = 12 V β = 110 V BEon = 0.75 V V CEsat = 0.23 V V A = 100 V Figura 6: Fonte de corrente com circuito de carga. 8 Amplificador com Fonte de Corrente a) Altere o circuito da fonte de corrente para obter o circuito seguidor de emissor polarizado com a fonte de corrente da figura 4-b). Ligue a base do transístor Q D à massa (v in = 0) e meça a tensão no emissor do transístor para obter o valor da tensão de desvio entre a saída e a entrada. b) Aplique na entrada um sinal sinusoidal com frequência 10 khz e amplitude 0.6 V. Observe os sinais de entrada (canal 1) e de saída (canal 2). c) Meça os valores das amplitudes de v in e v out. Calcule o ganho de tensão do amplificador. d) Compare os resultados obtidos com a previsão teórica. 9 Conclusões Tire conclusões sobre o trabalho realizado. 10 Anexo Para realizar o trabalho é preciso consultar a folha de características dos transístores que está disponível no ficheiro PDF anexo a este guia de trabalho.

9 Circuitos Amplificadores com TJBs 8 TCFE 2008/2009 Turno: Grupo: Data: / / Número: Nome: Número: Nome: Número: Nome: 2 Circuito Amplificador 2.1 Análise Estática do Circuito Amplificador a) corte zona activa zona de saturação b) V B V C V E I B I C I E I R1 I R2 c) Cálculo aproximado é válido? sim não V B V C V E I B I C I E I R1 I R2 d) e) g m r π r o r e Esquema eléctrico:

10 Circuitos Amplificadores com TJBs Característica de Transferência do Circuito Amplificador a)-c) Condições a impor a V B V C (V B ) V E (V B ) Corte Zona activa Zona de saturação d) CH1: V/div CH2: V/div A vc = = s/div 2.3 Funcionamento como Seguidor de Emissor a)-c) Equação Valor R in R oe A ve d) v B (t) e v OE (t) v in (t) e v oe (t) CH1: V/div CH2: V/div CH1: V/div CH2: V/div s/div s/div

11 Circuitos Amplificadores com TJBs 10 e) 2.4 Funcionamento como Amplificador de Tensão a)-b) Equação Valor R oc A vc c)-d) v B (t) e v OC (t) v in (t) e v oc (t) V IMAX CH1: V/div CH2: V/div CH1: V/div CH2: V/div s/div s/div 3 Fonte de Corrente a)-c) Equação Valor (β elevado) = = (β = 110) = =

12 Circuitos Amplificadores com TJBs 11 6 Circuito Amplificador 6.1 Funcionamento Estático a)-b) R 1 R 2 R C R E + V EE V B V C V E c)-d) I R1 I R2 I C I E I B Teórico Experimental ε(%) 6.2 Seguidor de Tensão a)-b) v in e v OE (t) v in (t) e v oe (t) CH1: V/div CH2: V/div CH1: V/div CH2: V/div s/div s/div c) A ve = v oe v in = = d)

13 Circuitos Amplificadores com TJBs Amplificador de Tensão a)-b) CH1: V/div CH2: V/div A vc = = s/div c) CH1: V/div CH2: V/div A vc = = s/div d) 7 Fonte de Corrente a)-b) R A R L V CQA V CQC + V EE c)

14 Circuitos Amplificadores com TJBs 13 8 Amplificador com Fonte de Corrente a)-c) CH1: V/div CH2: V/div V E = V offset = A ve = v out v in = = s/div d) 9 Conclusões