Estudo de um amplificador operacional discreto

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Afonso Diegues Camarinho
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Estudo de um amplificador operacional discreto 1. Objectivos. Compreensão, dimensionamento, montagem e ensaio de um amplificador operacional discreto, com base numa topologia prédefinida.

1 Estudo de um amplificador operacional discreto 1. Objectivos. Compreensão, dimensionamento, montagem e ensaio de um amplificador operacional discreto, com base numa topologia prédefinida. Os alunos deverão proceder ao registo fiel de tudo o que realizarem na aula, no seu livro de registos ( logbook ). O que se espera é que esse registo seja precedido da preparação adequada e sucedido da análise e comentários que achem por bem fazer. No final (até uma semana após a última aula prática), deverá entregar um pequeno relatório com os resultados obtidos para cada um dos aspetos do guião, com os comentários que julgar mais relevantes. 2. Material necessário. Gerador de sinal, fonte de alimentação, osciloscópio, multímetro digital, fios condutores, resistências potenciómetro, transístores bipolares: 6xBC547, 2xBC557, conectores e placa de circuito impresso. 3. Sumário do trabalho. O trabalho a realizar tem por objetivo familiarizar os alunos com a topologia interna de um Amplificador Operacional e com os aspetos mais importantes do seu funcionamento. Este trabalho terá a duração de três aulas. O esquema elétrico do amplificador operacional encontrase na figura 1 e integra um conjunto de andares: i) Q1 e Q2 constituem um par diferencial, tendo uma fonte de corrente constante (fcc) constituída por Q8 e respetivo circuito de polarização comum aq7. ii) Uma configuração cascode constituída por Q2 e Q3, constituída por transístores complementares e tendo uma carga activa constituída por Q7 (fcc). iii) Um andar de saída de simetria complementar (pushpull) constituído por Q5 e Q6, polarizado por um multiplicador de VBE constituído por Q4 e respetivos R7 e R8.

2 R17 Vcc=12V R2 R3 R5 R6 R9 100W R18 Q3 Q5 JP1 TP1 JP2 TP2 Q1 Q2 C1 R7 Q4 R10 22W Vo TP3 R1 R4 R13 R8 22W R11 Q8 Q7 Q6 R15 470W R12 C2 R14 R16 4. Dimensionamento e simulação Fig Proceda ao dimensionamento do amplificador da figura 1, tendo em conta que deve respeitar as seguintes especificações: correntes entre 1 e 3 ma, em todos os transístores excursão da saída entre 8V e 8V. Os valores indicados para algumas resistências na figura 1 devem ser mantidos. 4.2 Utilize o ficheiro AmpOp.ms13 fornecido (encontra no moodle) para simular o circuito. Faça os ajustes de parâmetros (valores das resistências) conforme dimensionou no ponto anterior. Para medir a excursão e polarização, utilize a topologia representada na figura 2. Os valores das resistências, Rf1 e Rf2, devem ser tal que o ganho corresponda a 100V/V. Para medir o ganho em malha aberta utilize o esquema da figura 3. Ambos, bobina e condensador, devem ser de valor elevado. A bobine estabiliza o ponto de funcionamento DC do amplificador. Em AC tornase uma alta impedância, abrindo a realimentação. Simultaneamente, o papel do condensador é dual e coloca uma massa para sinal na entrada não inversora do amplificador, conseguindose assim que o amplificador fique em malha aberta (para sinal). No final, todos as resistências deverão corresponder à série E12. Vcc=12V (Nota: O amplificador operacional das figuras 3 e 4, corresponde ao amplificador da figura 1.)

3 Rf2 Ls v ~ i Rf1 Cs Fig 2 ~ Fig Montagem e soldadura dos componentes na placa de circuito impresso. Monte e solde os componentes na placa de circuito impresso, seguindo o esquema elétrico da figura 1. Repare que a disposição dos componentes na placa é semelhante à da figura. Para soldar devese primeiro aquecer muito ligeiramente o terminal do componente e o circuito impresso com a ponta do ferro e só depois encostar a solda ao conjunto. Não aqueça a pista e o terminal em demasia pois pode danificar o componente ou descolar a pista de cobre. Não derreta a solda no ferro para depois a colocar no terminal do componente e sobre o circuito impresso visto que deste modo os componentes ficam apenas colados sem fazerem bom contacto elétrico. Tenha em atenção que há um conjunto de componentes que, por razões diversas, não deverão ser soldados. Para esse efeito usarseão pinos de suporte onde poderão ser introduzidos os componentes indicados para cada montagem, e que são os seguintes: 1. As resistências R17 e R18 que são utilizadas para incluir o amplificador operacional numa montagem inversora e cujos valores irão ser várias vezes mudados, na sequência dos testes a que irá ser sujeito o amplificador; 2. O transístor Q7, por vir a ter que ser substituído por uma resistência durante os testes; 3. Finalmente, os condensadores C1 e C2 que serão utilizados para a compensação do amplificador.

4 5. Medição das principais grandezas associadas à polarização, tensão de desvio à entrada e ganho em malha aberta do operacional 5.1. Medidas de polarização. Dimensione R 17 e R 18 de modo a conseguir um ganho de malha fechada de 100 V/V. Monte esses componentes e regule R15 de modo a que a corrente em R16 seja a pretendida no dimensionamento. Meça as tensões e correntes de regime permanente Medidas de desvio à entrada e ganho. Retire R17, curtocircuite R18 e considere, para avaliação da tensão de desvio à entrada (offset) V ios e do ganho de malha aberta A, o circuito de teste da figura 7. 10kW 10W Operacional em teste v o v 1 TL081 Fig Faça um estudo detalhado da montagem que lhe permita perceber o seu funcionamento, nomeadamente que, colocando V i =0, se obtém V1=1001xV ios e que aplicando um sinal em ganho em tensão é dado por A=1001[vi/v12] Implemente esta montagem (procurando fazer ligações curtas) e determine V ios Aplique um sinal sinusoidal v i com uma frequência de 5 KHz e meça o ganho em malha aberta nas três circunstâncias seguintes: (1) substituindo o transístor Q7 por uma resistência ligada entre os terminais coletoremissor do transístor, na placa de circuito impresso. O valor desta resistência deve ser tal que a corrente em Q3 não sofra alteração. (2) nas mesmas condições da alínea anterior mas com um condensador de capacidade elevada ligado entre a saída do amplificador operacional e o ponto intermédio de junção entre a resistência que colocou na alínea anterior a resistência R 12. Note que esta ligação gera o efeito de bootstrap. Tome atenção à polaridade do condensador. (3) retirando a resistência e o condensador referidos nas alíneas anteriores e repondo o transístor Q 7 no circuito. Note que este transístor actua como uma carga activa para o transístor Q 3., o

5 6. Estudo da Resposta em Frequência do Amplificador 6.1. Determinação da Largura de Banda A medida directa (relação entre saída e a entrada) da largura de banda em malha aberta é dificultada pelo facto do ganho do amplificador (em malha aberta) ser muito elevado, e desta forma, para que a saída não fique saturada, é necessário aplicar sinais de muito baixa amplitude na entrada, com todos os inconvenientes daí resultantes. Numa montagem estável, como é o caso, a determinação do polo dominante da resposta em frequência (malha aberta ou fechada), admitindo que existe, pode ser obtida a partir da resposta temporal a um degrau na entrada Assim, configurando o operacional em montagem inversora com ganho 100, aplique uma onda quadrada de frequência de 10 khz na entrada da montagem (garanta que a saída não se encontra saturada). Observe e registe a resposta temporal na saída do circuito Conforme verificou no ponto anterior, a montagem possui um comportamento que pode ser aproximado por um sistema de 1ª ordem. Desta forma, e partindo da relação entre o tempo de subida da resposta temporal e frequência do polo dominante, estime a frequência superior de corte (polo dominante) da montagem. Nota 1: fh tr 0.35 fh frequência superior de corte tr tempo de subida (entre 10% e 90% do sinal) Tendo em conta que o produto Ganho x Largura de Banda constante, estime, a partir dos valores de ganho já registados, a frequência superior de corte (polo dominante) em malha aberta do amplificador e comente os resultados obtidos. Nota 2: fhma Ama = Amf fhmf fhma frequência superior de corte em malha aberta fhmf frequência superior de corte em malha fechada Ama ganho em malha aberta Amf ganho em malha fechada 7.2. Estudo de Estabilidade e Compensação Altere a malha de realimentação de modo a obter ganho 10 em malha fechada. Observe a resposta à onda quadrada, particularmente nas vizinhanças das transições. Vá variando o ganho até ao limite de 1, estacionando num ponto em que a resposta exiba um forte ringing, mas sem oscilar Ensaie vários valores de C1 de modo a que a compensação em frequência resultante produza uma resposta ao degrau ligeiramente sobreamortecida (i.e. sem ringing). Registe esta resposta temporal (ao degrau) Ensaie agora vários valores para C2 com o mesmo objetivo da alínea anterior. Registe também a resposta temporal obtida Compare e justifique a diferença dos valores obtidos para C1 e C2.

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