MONTAGEM E ENSAIO DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL DISCRETO

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1 Faculdade de Engenhara da Unersdade do Porto Lcencatura em Engenhara Electrotécnca e de Computadores Electrónca II MONTAGEM E ENSAIO DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL DISCRETO Jorge André Letão, Hugo Alexandre Pnto Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna

2 INTRODUÇÃO Pretendeu-se com este trabalho montar e estudar um amplfcador operaconal. O estudo consstu em áras etapas:. Polarzação 2. Tensão de deso à entrada 3. Ganho em malha aberta 4. Largura de banda 5. Compensação da resposta em frequênca Par sso fo feta uma análse teórca com cálculos e comentáros, seguda de uma smulação em computador com o auxlo do Electroncs Workbench (EWB) e posteror montagem no laboratóro, procurando comparar os resultados obtdos e justfcar eentuas falhas. Por últmo foram apresentadas algumas conclusões e justfcações dos resultados obtdos. Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 2

3 POLARIZAÇÃO ANÁLISE TEÓRICA Para se obter um ganho em malha fechada de 00 V/V escolheram-se R7 as resstêncas R 7 e R 8 de modo a que 00. Utlzaram-se para R 7 R 00 KΩ e para R 8 KΩ. Assumram-se tadas as correntes de base nulas e correntes do emssor guas às do colector para mas fácl análse. Esta aproxmação não ntroduz grande erro porque o β dos transístores é eleado logo o α é aproxmadamente untáro. 8 V R B3 VCC R5 + R6 0.7 V V E3 VB V VC 2 Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 3

4 R 8.2 V 3 B8 ( VCC ) ( 5) 0.7 V VB7 R4 + R V E8 VB V VE7 I V V E7 CC E7.33 ma R2 2.7 I C7 V BE I R ma Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 4

5 I C 7 I + I 2 I ma I E 4 I C 4 I C3 I + IC ma I E3 I V V CC C 2 3 R3 3 ma I C 2 I 3 I E ma I E 2 I E + I E 2 I C8 I E ma I C V C VCC R2I E * V Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 5

6 SIMULAÇÃO EM EWB ENSAIO NO LABORATÓRIO Para medr uma corrente de 3.3 ma no emssor de Q8 medu-se a queda de tensão em R 6 e arou-se o potencómetro até obter KΩ*3.3 ma3.3 V. VB -0.5 V Q VC +0.7 V VE -.6 V VB V Q2 VC +.30 V VE -.6 V VB V Q3 VC +0.9 V Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 6

7 VE +.3 V VB V Q4 VC +0.9 V VE -.0 V VB +0.9 V Q5 VC V VE V VB -.0 V Q6 VC V VE V VB V Q7 VC -.0 V VE -.33 V VB V Q8 VC -.6 V VE -.35 V CONCLUSÕES Apesar das aproxmações fetas na análse teórca (β muto eleado e V BE 0.7 V) e de eentuas erros de medção no laboratóro erfcou-se que os alores obtdos são muto semelhantes. Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 7

8 TENSÃO DE DESVIO À ENTRADA (TENSÃO DE OFFSET) ANÁLISE TEÓRICA Com a montagem segunte é possíel medr a tensão de deso à entrada do amplfcador operaconal (queda na resstênca de 0 Ω): V K * o V V 00 V o Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 8

9 SIMULAÇÃO EM EWB V.2332 V 00* Vo Vo.23 mv ENSAIO NO LABORATÓRIO.5 V.5 V Vo.5 mv 00 CONCLUSÕES Mas uma ez os alores expermentas e smulados com o EWB são semelhantes. Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 9

10 Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 0 GANHO EM MALHA ABERTA DO OPERACIONAL ANÁLISE TEÓRICA Ganho do TL08: A 0 5 V/V ( ) ( ) A A A K A A A A A A o o o o o ENSAIO I Substtundo o transístor Q 7 por uma resstênca de 8.2 KΩ lgada entre os termnas colector-emssor deste.

11 SIMULAÇÃO EM EWB 4.4 V.9 V 4.4 A V V Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna

12 ENSAIO NO LABORATÓRIO 4.4 V 2.0 V 4.4 A V V ENSAIO II Nas mesmas condções mas adconando um condensador de 220 µf lgado entre a saída do amplfcador operaconal e o ponto ntermédo de junção entre a resstênca de 8.2 KΩ e a resstênca R 2. Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 2

13 SIMULAÇÃO EM EWB 4.4 V 42mV A V V ENSAIO NO LABORATÓRIO 4.4 V 0.48 V A V V ENSAIO III Com o transístor em Q 7 (actuando como carga acta para Q 3) Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 3

14 SIMULAÇÃO EM EWB 4.4 V 0.4 V A *0 V V ENSAIO NO LABORATÓRIO 4.4 V 0.8 V A *0 V V CONCLUSÕES Na stuação do ensao III (com o transístor Q 7 ), como V CE 0.2 V e a corrente no emssor ou no colector é aproxmadamente.34 ma, teramos Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 4

15 que ter uma resstênca entre colector e emssor de 0.2/ KΩ. Assm, uma resstênca de 8.2 proocará aproxmadamente o mesmo efeto na polarzação quando comparado com o transístor. Quanto ao ganho, será menor no prmero ensao quando comparado com o tercero já que não tem o transístor Q7 que, com Q4, consttu o andar de amplfcação do snal. Quanto ao segundo ensao, dedo ao condensador de eleada capacdade, a saída é transportada para o ponto ntermédo de lgação de R 2 e a resstênca de 8.2 KΩ e prooca um ncremento da resstênca de saída do amplfcador, leando a um ganho maor do que no prmero caso. Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 5

16 DETERMINAÇÃO DA LARGURA DE BANDA DO OPERACIONAL SIMULAÇÃO EM EWB Resposta em frequênca do crcuto em malha fechada: A frequênca superor de corte em malha fechada é aproxmadamente 790 KHz. Atraés da medção do tempo de subda é também possíel calcular a frequênca superor de corte em malha fechada: Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 6

17 t 0.46 µ s r f H * t r 0.35 f H * KHz Os dos alores obtdos são bastante dêntcos, como sera de esperar. Para o cálculo da frequênca superor de corte em malha aberta utlzouse o prmero resultado (790 KHz) já que este é mas correcto (o segundo enoleu mas aproxmações). f Hma 3 790*0 *00 * Ama f Hmf * Amf f hma 3 30* KHz ENSAIO NO LABORATÓRIO t r 0.34 µs t l 2 µs f Hmf 0.35 * t 0.35 MHz *0 r f h f Hma 6 0 *00 * Ama f Hmf * Amf f hma 3 25*0 4 KHz Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 7

18 CONCLUSÕES Como sera de esperar, a frequênca superor de corte em malha fechada é maor do que em malha aberta, já que no prmero caso o ganho é menor e quanto menor é o ganho, maor a establdade. Podemos conclur que a establdade aumenta com o aumento do feedback (e consequente dmnução do ganho em malha fechada) e o ampfcador será muto nstáel em malha aberta. Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 8

19 ESTUDO DA ESTABILIDADE E COMPENSAÇÃO ANÁLISE TEÓRICA Pretende-se modfcar a função de transferênca em malha aberta de modo a ter um amplfcador em malha fechada estáel para qualquer alor de ganho. Para sso fo usado um método que consstu na ntrodução de um pólo na função de transferênca de modo a aumentar a margem de ganho e consequente establdade. Contudo esta técnca dmnu a largura de banda do amplfcador. Numa prmera experênca ntroduzu-se um condensador num ponto do crcuto onde se erfcasse o Efeto Mller, de modo a não ser necessára uma capacdade eleada. Substtuu-se depos por um condensador no ponto de mas eleada mpedânca do crcuto de modo a utlzar-se o Pole Splttng. SIMULAÇÃO EM EWB Utlzando a função Parameter Sweep, erfca-se que a aração do alor da resstênca R 7 e por consequênca do ganho em malha fechada não altera a largura de banda: Resposta em frequênca arando R 2 Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 9

20 Resposta temporal arando R 7 (transção ascendente) ENSAIO NO LABORATÓRIO Ganho 0: R 7 0 KΩ R 8 KΩ Transção ascendente Transção descendente Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 20

21 Ganho 5.6: R KΩ R 8 KΩ Transção ascendente Transção descendente Ganho 3.3: R KΩ R 8 KΩ Transção ascendente Transção descendente Ganho.8: R 7.8 KΩ R 8 KΩ Transção ascendente Transção descendente Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 2

22 Ganho.2: R 7.2 KΩ R 8 KΩ Transção ascendente Transção descendente Ganho : R 7 KΩ R 8 KΩ Transção ascendente Transção descendente Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 22

23 COMPENSAÇÃO COM C (EFEITO MILLER) SIMULAÇÃO EM EWB Resposta temporal arando C (transção ascendente) Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 23

24 Resposta temporal arando C (transção descendente) ENSAIO NO LABORATÓRIO C 0 nf Transção ascendente Transção descendente Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 24

25 C.5 nf Transção ascendente Transção descendente C 680 pf Transção ascendente Transção descendente Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 25

26 COMPENSAÇÃO COM C 2 (EFEITO POLE SPLITTING) SIMULAÇÃO EM EWB Resposta temporal arando C 2 (transção ascendente) Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 26

27 ENSAIO NO LABORATÓRIO C 2 00 nf Transção ascendente Transção descendente C 2 5 nf Transção ascendente Transção descendente C 2 nf Transção ascendente Transção descendente Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 27

28 CONCLUSÕES Para não haer rngng (osclação do snal em torno do seu alor fnal) é necessáro um condensador de capacdade mas eleada em C 2 do que em C. Isto dee-se ao Efeto Mller em C, sto é, a sua capacdade rá multplcada pelo ganho do estágo. Além dsso a largura de banda no prmero caso será maor, já que o tempo de subda é menor. Quanto aos ensaos laboratoras em EWB, a capacdade deal para C fo 0 nf e para C 2 fo 00 nf (ou µf, também acetáel), o que confrma o dto anterormente. Electrónca 2 Montagem e ensao de um Págna 28

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