( ) ELT413 ELETRÔNICA ANALÓGICA II ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 3: AMPLIFICADOR EC E CC EM CASCATA, RIN, ROUT. V o1... sem R V o2...

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1 ELT413 ELETÔNICA ANALÓGICA II ENGENHAIA ELÉTICA LABOATÓIO N O 3: AMPLIFICADO EC E EM CASCATA, IN, OUT OBJETIOS 1. Medir esistência de Entrada e esistência de Saída de um amplificador. 2. Melhorar estas resistências através de amplificadores em cascata. I - ESISTÊNCIA DE ENTADA Para medir indiretamente a resistência de entrada do circuito devemos inserir um resistor S em série com o gerador de sinais e medir a queda de tensão neste resistor. ATENÇÃO: Não utilize ohmímetro para executar este ensaio. Utilize osciloscópio. Canal 1: CH1=Ei Canal 2: CH2=i ou o ATENÇÃO: O amplificador não deve apresentar distorção na tensão de saída. Monitore o sinal de saída através do osciloscópio. Diminua a amplitude do sinal de entrada se necessário. O valor de S deve ser um valor próximo da resistência de entrada do circuito. = in o2 S o1-1 o1... sem o2... com a) Amplificadores com polarização por divisor de tensão:, ( ) = // // β r in B1 B2 e e in (1) dc=3kω S i B1 30k =10 µf B2 S S =15 C 2 k C E E S i in =? Figura 2 - Circuito para medição da resistência de entrada. Tabela 1 Amplificadores EC e (a) EC Figura 1 Circuito equivalente para determinação da resistência de entrada = in S Ei -1 i Este procedimento é viável para resistência de entrada menor que 100kΩ. Considerando resistência de entrada do osciloscópio como 1MΩ teremos um erro de inserção de aproximadamente 10%. Para resistência de entrada superior à 100kΩ devemos adotar outro procedimento para estimar esta resistência de entrada. Devemos verificar o e- feito de S sobre o sinal de saída. O procedimento é manter Ei fixo e medir a tensão de saída sem e com s, respectivamente O1 e O2. Observe que nenhum canal do osciloscópio é mantido em paralelo com a entrada do amplificador. in Teórico Medido A carga altera o valor da resistência de entrada do circuito. Pouco no amplificador emissor comum (circuitos 1, 2 e 3) e muito no amplificador coletor comum (circuito 4). No circuito in(3) a resistência de entrada diminuiu porque o resistor E foi desviado para corrente alternada, foi cuto-circuitado pelo capitor de desvio C E. ATENÇÃO: Não desmonte o circuito anterior. Complete o circuito adicionando o capitor Co e o resistor.

2 Laboratório N o 3: in, out. Cascata in (2) =3kΩ dc =Ω S i = C C O = E o L in (5) F C 2 k E 100 =15 dc in (3) =3kΩ =Ω Av max S S i in (4) Coletor Comum e= E//L i C O = o L C E 100µF C O = E Figura 3 Influência da carga sobre in o b) Amplificadores com polarização pela realimantação da tensão do coletor:, ( ) = // β r in i(miller) e e ( e e ) = F // β r onde A = A 1 A c = C // // F 1A, c b Figura 4 Amplificador Emissor comum com polarização por tensão do coletor Tabela 2 Amplificador Emissor Comum (b) in 5 6 Teórico Medido Para evitar a degradação do ganho de tensão e da resistência de entrada do circuito devido ao efeito Miller podemos evitar a realimentação utilizando um capitor de desvio no circuito de realimentação. A realimentação negativa DC, que garante a estabilidade do ponto de operação Q, é mantida uma vez que o capitor se comporta como circuito aberto para corrente contínua.., ( ) = // β r in F1 e e = // // c C L F2 in (6) F1 F2 100k 100k C 2 k E 100 =15 Figura 5 Amplificador Emissor comum com polarização por tensão do coletor - realimentação AC desoplada. 2

3 Laboratório N o 3: in, out. Cascata II - ESISTÊNCIA DE SAÍDA Para medir indiretamente a resistência de saída devemos utilizar dois valores de, no mínimo uma relação 2x1, ou então uma medição na tensão de saída sem carga ( = ) e outra medição com carga. out (1) F C =15 E O out =? O E O E O O2 O1 I O2 I O1 Figura 6 Circuito equivalente para determinação da resistência de saída. - O O2 O1 out = = IO O1 O1 L1 o o L - EO = - 1 O E = para = L1 I O = // (1/h ) // [A/(1A)] out e F C Figura 7 Amplificador Emissor comum com polarização por tensão do coletor Para o amplificador Coletor Comum (Seguidor de Emissor ou Emissor Seguidor uma vez que o Emissor segue a Base) a resistência de saída é muito baixa, entre dezena e centena de Ohm. As resistências ligadas em série com a base, ou seja, ligadas em série entre o gerador de sinais (ou s ) e a Base, influenciam no valor de out. out (2) F C =15 2 kω 1 kω O pp E I O = O / 0 ma pp Tabela 3 - out EC out Teórico Medido Para o amplificador Emissor Comum a resistência de saída é ligeiramente menor que a resistência do coletor C, b-serie out = e // (r e ) β Figura 8 Amplificador Coletor comum com polarização por tensão do coletor AMPLIFICADOES EM CASCATA Para obter um amplificador que tenha ganho de tensão (maior que 1) e baixa resistência de saída devemos associar dois amplificadores em cascata, um emissor comum, responsável pelo ganho de tensão, seguido de um coletor comum, responsável pela baixa resistência de saída. 3

4 Laboratório N o 3: in, out. Cascata out (3) F C =15 C (5) out F 2M 20k =15 E1 100 E1 Figura 9 Amplificador Emissor comum em cascata com amplificador Coletor comum com polarização por tensão do coletor e oplamento direto NPN- NPN. Uma vez que o circuito do coletor de Q1 é o circuito da base de Q2, podemos aumentar a resistência deste circuito em 10 vezes em relação ao circuito do coletor (emissor) de Q2. A Figura 10 mostra esta solução utilizando transistor PNP. Em relação ao circuito da Figura 9, esta solução proporciona um aumento considerável na resistência de entrada e um pequeno aumento na resistência de saída do circuito. O aumento da resistência de saída de Q2 se deve ao aumento da resistência série na base de Q2 que é o resistor do coletor de Q1. C, out(q2) = r e (Q2) // β Q2 = // β ( // ) c(q1) C Q2 L out (4) F 2M C 20k E1 =15 o Figura 10 Amplificador Emissor Comum em cascata com amplificador Coletor Comum com polarização por tensão do coletor e oplamento direto NPN- PNP. Uma solução muito empregada é fazer a realimentação negativa a partir do segundo estágio como mostra a Figura 11. Isto é possível porque o seguidor de emissor (Q2) não inverte a fase. Figura 11 Amplificador Emissor Comum em cascata com amplificador Coletor Comum com polarização por tensão do coletor e oplamento direto NPN- PNP Lembrando ainda que a resistência de entrada pode ser aumentada dividindo F em duas partes e instalando o capitor de desvio como no circuito da Figura 5. Utilizando apenas BJT é possível obter, a muito custo, resistência de entrada de até 1MΩ, portanto, ima de 100kΩ recomendamos a utilização de FET para o primeiro estágio. III - ESCOLHA DO ALO DE Nesta configuração em cascata com oplamento direto a determinação do ponto Q ótimo é mais complicado devido a interação DC entre os dois estágios. A tensão pico a pico sem ceifamento disponível no coletor de Q1 é aproximadamente c Q1 c(q1) p-p max = c Q1 e Q1 Para uma carga extremamente leve, ou seja, para dc cppmax Av = A 1 v erificamos que quanto menor for o ganho de tensão menor será a amplitude máxima disponível em Q1. Tabela 1- = A v cpp max cc o pp max 1 0,50 0,4 2 0,66 0,5 5 0,83 0, ,91 0,625 cc 4

5 Analisando apenas o estágio seguidor de emissor, o ponto Q ótimo é determinado pela relação entre e dc. CEQot = cc dc = dc = // L O ganho de tensão é determinado pela relação entre as resistências AC do coletor e do emissor de Q1 c1 C//[h FE-Q2 ( //)] A C v = = e1 E1 E1 A Figura 12 mostra que obtemos maior amplitude sem ceifamento (maior compliance) se o ponto de operação do transistor estiver no ponto Q ótimo. Se o ponto de operação estiver próximo ao corte, o ceifamento devido ao corte ocorrerá primeiro. O sinal de saída será mais distorcido devido à influência maior de r e. A única vantagem será o menor consumo de energia para polarização do transistor. I C Laboratório N o 3: in, out. Cascata L CE Figura 13 eta de carga DC e retas de carga AC no ponto ótimo. DC constante e variável. Durante o projeto geralmente a carga é prédefinida. O objetivo será, então, determinar qual o valor de C mais adequado. A Figura 14 mostra que quanto menor a resistência maior será a amplitude disponível em, porém ao custo de um maior consumo de energia e conseqüente redução da eficiência. Se não existir nenhuma outra restrição, um bom critério para escolha de C é adotar C. I C L L Figura 12 eta de carga DC e retas de carga AC. DC e constante A Figura 13 mostra que quanto maior for o valor da resistência (carga leve) maior a amplitude do sinal de saída. Nos três casos o ponto Q é ótimo. Observe que o ponto de operação Q está no meio da reta de carga AC. CE Figura 14 eta de carga DC e retas de carga AC no ponto ótimo. DC variável e constante. 5

6 I - OSCILAÇÕES DE ALTA FEQUÊNCIA Em amplificadores transistorizados com ganho de tensão ima de 20 (26 db) é muito comum o- correr oscilações indesejadas de alta frequência provocadas pela fonte de alimentação, Lay- Out da montagem, etc. Estas oscilações podem ser evitadas adicionando-se um pequeno capitor (entre 10pF e 100pF) entre o coletor e a base do transistor responsável pelo ganho de tensão. Laboratório N o 3: in, out. Cascata - OSCILAÇÕES DE BAIXA FEQUÊNCIA Em amplificadores com três ou mais estágios pode ocorrer oscilações da baixa frequência tipo put put, ou motor de popa, devido à uma uma instabilidade típica de uma realimentação positiva provocada principalmente pela impedância de saída da fonte de alimentação e de um lay-out mal feito. cc C 1uF F 100pF 10uF c e 15 Figura 16 Oscilação de baixa freqüência Uma filtragem na fonte de alimentação também é uma boa pratica. Um capitor eletrolítico (10 a 100µF) em paralelo com um capitor de poliéster metalizado (10 a 330nF). E 10 Figura 15 Amplificador Emissor Comum Av 60 e capitância Miller. No circuito apresentado na Figura 17 um filtro adicional ou um regulador de tensão entre o 2 o e o 3 o estágio pode resolver este problema de instabilidade Figura 17 Amplificadores em cascata instável Itajuba, MG, julho de