ELT 313 LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO N O 6: AMPLIFICADORES COM TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO

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1 LT 313 LBOTÓIO D LTÔNIC NLÓGIC I NGNHI LÉTIC LBOTÓIO N O 6: MPLIFICDOS COM TNSISTO BIPOL D JUNÇÃO mplificadors Um amplificador é constituído d transistor d uma font d alimntação m corrnt contínua qu é utilizada para polarizar o transistor para forncr nrgia. D um lado do amplificador é aplicado o sinal a sr amplificado (sinal d xcitação) do outro lado é instalada a carga. principal caractrística d um amplificador é o ganho d potência a potência d saída Po na carga é maior qu a potência d ntrada Pi forncida plo sinal d ntrada. GPo/Pi. nrgia forncida para carga é obtida da font d alimntação cc. Sob st aspcto um amplificador é um CONSO d corrnt contínua para corrnt altrnada. ficiência do amplificador é a rlação ntr a potência d saída a potência forncida pla font d alimntação η Po/Pcc. difrnça ntr stas duas potências PdPcc-Po é dissipada no amplificador (transistor rsistors) sob forma d calor. xistm três configuraçõs básicas d amplificadors utilizando transistors bipolars NPN ou PNP: missor Comum (C) Coltor Comum ou Sguidor d missor (CC) Bas Comum (BC). Os amplificadors gnéricos com transistor bipolar com polarização por divisor d tnsão aprsntados na Figura 1 na Figura 2 podm sr utilizado como amplificador missor comum ou como coltor comum. No amplificador Coltor Comum a carga é instalada no missor do transistor. O transistor funcionará como font d tnsão ou sja a tnsão na carga não varia m função da variação da carga. Nst circuito o ganho da tnsão é aproximadamnt unitário o sinal d saída tm a msma polaridad qu o sinal d ntrada. st circuito dvria sr chamado d missor sguidor uma vz qu o - missor sgu a bas. No amplificador missor Comum a carga é instalada no Coltor do transistor. O transistor s comportará como font d corrnt portanto a tnsão d saída dpndrá da rsistência instalada no coltor. Nst amplificador xistirá ganho d tnsão d corrnt o sinal d saída trá polaridad invrtida m rlação ao sinal d ntrada. O dsnho aprsntado na Figura 1 é muito u- sado para rprsntar um amplificador missor Comum nquanto qu o circuito da Figura 2 é mais utilizado para rprsntar amplificador Coltor Comum. i cc Ci Co Figura 1- mplificador gnérico1 (C ou CC). i cc Ci Co Figura 2- mplificador gnérico 2 (C ou CC) o L o L Figura 3 aprsnta as quatro configuraçõs possívis d amplificador missor Comum utilizando transistors NPN PNP. Obsrv com atnção a polaridad da font d alimntação a polaridad dos capacitors. O amplificador missor comum é caractrizado pla invrsão d fas ntr o sinal d saída d ntrada por proporcionar ganho d tnsão. Com os valors indicados na Figura 3a todos os amplificadors da Figura 3 aprsntarão o msmo ganho aproximadamnt 5 com invrsão d fas (v -5). figura 4 aprsnta as quatro configuraçõs d amplificador Coltor Comum (Sguidor d missor ou missor Sguidor). O amplificador coltor comum é caractrizado pla não invrsão d fas plo ganho d tnsão unitário. Os quatros amplificadors aprsntados na Figura 4 aprsntam ganho unitário (v 1). UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr 1

2 Figura 3- mplificadors missor Comum. v -5 Figura 4- mplificadors Coltor Comum. v 1 2 UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr

3 NSIOS anális d um amplificador dv sr dividida m duas parts: DC (polarização) C (amplificação). Na anális DC é vrificado o ponto d opração quiscnt a stabilidad dst ponto. Na anális C são analisados os sguints parâmtros do amplificador: Ganho d tnsão v o/i Ganho d corrnt i Io/Ii Ganho d potência G Po/Piv.i sistência d ntrada in sistência d saída out mplitud máxima (complianc) opp-max/cc ficiência ou rndimnto η Po/Pcc sposta m frqüência BW Distorção Linaridad TP 1 POLIZÇÃO Para qu o transistor possa oprar como amplificador é ncssário polarizar o transistor. O circuito qu irmos analisar foi projtado para qu o ponto d opração quiscnt ficass m a- proximadamnt CQ 04 CC. 3 IC I 3m 1kΩ -.I 15 - Ω.3m 9 C CC C C DC C C PISTO h F 100 h F 300 CQ I CQ CQ I CQ MDIDO CC CQ Q BQ CLCULDO / MDIDO CQ I CQ C - c /c TP 2 XCITÇÃO Nsta aula irmos analisar apnas os amplificadors missor comum coltor comum dois amplificadors ond o sinal a sr amplificado é aplicado na bas do transistor. Figura 5- Polarização do transistor Montar o circuito da Figura 5 ajustar CC m 15 mdir as tnsõs quiscnts (no coltor missor bas do transistor m rlação ao trra) calcular ou mdir dirtamnt CQ I CQ. Dsnhar a rta d carga DC indicar o ponto d opração quiscnt. Utiliz o gráfico da Figura 17. tnção: Sm a alimntação cc o circuito não funciona. B2 10k B CC k +10k B1 B B Figura 6 Sinal d ntrada acoplado capacitivamnt. Para qu o grador d sinais i não intrfira no circuito d polarização para qu o amplificador não injt componnt contínua no grador d sinais é ncssário utilizar um acoplamnto ac. Nsta aula utilizarmos um acoplamnto capacitivo. TNÇÃO: S o capacitor utilizado for ltrolítico muito provávl plo valor da capacitância prst muita atnção na polaridad no valor da tnsão do msmo. O capacitor dv suportar tnsão maior qu 15. Por sgurança utiliz capacitors com tnsão d trabalho suprior a 25. UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr 3

4 just o grador d funçõs para produzir uma onda snoidal d 10kHz 2 pico a pico sm componnt contínua (Off St0). Obsrv st sinal através do canal CH1 do osciloscópio. Obsrv a tnsão no coltor do transistor através do canal CH2 do osciloscópio. Mdir a amplitud pico a pico vrifiqu a invrsão d fas (onda stá dfasada 180 o ). Calcular o ganho d tnsão comparar com o valor stimado toricamnt. Mud CH2 para o missor do transistor. Obsrv qu st sinal stá m fas com o sinal d ntrada tm (quas) a msma amplitud pico a pico. Calcular o ganho d tnsão comparar com o valor stimado. c c v( C) b + r v( CC) b + r r ( ) 1 ( ) 25m I No amplificador missor comum o ganho d tnsão dpnd da rlação ntr a rsistência ac do coltor a rsistência ac do missor. No circuito da figura 6 sta rlação é 2. C v 2 1k TP 3 MISSO DSCOPLDO Figura 7 Oscilograma do amplificador gnérico. Para aprovitar o máximo d ganho d tnsão qu o transistor pod proporcionar dvmos diminuir o valor da rsistência do missor. Uma forma d fazr isso sm aftar o circuito d polarização é adicionar um capacitor m parallo à. st capacitor d dsvio altra apnas o circuito ac ou sja o missor é atrrado apnas para corrnt altrnada. v c r C Cp-p v Fas Tórico CC p-p v Fas Tórico C p-p v Fas Tórico c c i + r i c c i i c + 1 i + r ( C) ( CC) Figura 8 missor comum missor dsacoplado Diminua a amplitud d i para 40m pico a pico mça a tnsão pico a pico no coltor. Calcul o ganho d tnsão compar com o valor stimado toricamnt. tnção: s ncssário utiliz um divisor d tnsão 10:1 com rsistors d 1kΩ 100Ω. 4 UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr

5 i: 40mpp 10kHz c CH2 v ( + r ) c // c C 2 i CH1 CH1:20m/DI CH2:2/DI H:20uSC/DI Figura 9- Oscilograma do amplificador missor comum. C missor Comum Tórico Cp-p v Fas Figura 11 missor comum linarizado i: 40mpp 10kHz 2:10 Obsrv qu o ganho d tnsão é alto porém a onda é distorcida. Para obsrvarmos mlhor sta não linaridad mud o comando do osciloscópio para XY. XCH1i YCH2c i:40mpp 10kHz CH1:20m/DI CH2:2/DI H:20uSC/DI i: 40mpp 10kHz 2:10 40mpp CH1:10m/DI CH2:2/DI H:XY Figura 10- Oscilograma X-Y do amplificador missor comum. TP 4 MISSO COMUM LINIZDO. Para diminuir sta não linaridad dvmos introduzir um rsistor no missor como mostra a Figura 11. Obsrv qu o rsistor adicional foi introduzido no circuito C d forma a não altrar o circuito DC ou sja não altrar o ponto d opração quiscnt. CH1:10m/DI CH2:1/DI H:XY Figura 12- Oscilogramas do amplificador C linarizado. 2 10Ω. UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr 5

6 C missor Comum 2 10 Cp-p v Fas Tórico Quanto maior a rsistência 2 mais linar srá o amplificador porém mnor srá o ganho d tnsão. Podríamos substituir 2 por um potnciômtro para obtrmos um amplificador d ganho variávl. i:400mpp 10kHz 2100 Uma vz qu foi ncssária a utilização d uma capacitância muito lvada dvido ao lvado custo dos capacitors ltrolíticos dvmos considrar smpr outras configuraçõs. m muitas aplicaçõs principalmnt as d baixa frqüência dvmos utilizar configuraçõs qu utilizm acoplamnto dirto como amplificadors difrnciais qu apsar d utilizarm mais transistors vitam os capacitors d acoplamnto. coplamntos capacitivos indutivos são utilizados m amplificadors d alta frqüência (MHz). TP 5 CG Obsrvamos qu a tnsão no coltor no missor é composta d uma componnt altrnada sobrposta a uma componnt contínua. Para bloquar sta componnt contínua dvmos utilizar acoplamnto ac para a carga. Nsta aula utilizamos novamnt o acoplamnto capacitivo. Mdir o ganho d tnsão vo/i para dois valors d L (sm carga) L Ω (com carga). Mantr i constant. tnção: cc continua ligado cc CH1:0.2/DI CH2:2/DI H:20uSC/DI i:400mpp 10kHz 2100 i C i + B1 30k C C + C o 10 F O 1 F L B2 10k 1k Figura 14 missor comum. ipp CH1:0.1/DI CH2:2/DI H:XY Figura 13- Oscilogramas do amplificador C linarizado. 100Ω. C missor Comum Cp-p v Fas Tórico L opp I Opp v v(t) fas v ( + r ) // c c C L Uma vz qu o coltor d BJT s comporta como Font d Corrnt o ganho d tnsão é altamnt dpndnt do valor da rsistência C do coltor ou sja da carga L. 6 UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr

7 Por outro lado o missor do BJT s comporta como Font d Tnsão portanto pouco snsívl a qualqur altração da carga. in s ( s / i) 1 st procdimnto é viávl para rsistência d ntrada mnor qu 100kΩ. Considrando rsistência d ntrada do osciloscópio como 1MΩ trmos um rro d insrção d aproximadamnt 10%. Uma forma altrnativa d stimar a rsistência d ntrada é vrificar o fito d s no sinal d saída. O procdimnto é mantr s fixo mdir a tnsão d saída sm com s rspctivamnt O1 O2. in s ( o1/ o2) 1 Figura 15- Coltor comum. ipp L Opp I Opp v v(t) fas TP 6 SISTÊNCI D SÍD Com os rsultados obtidos na tapa antrior calcul a rsistência d saída do circuito. o O out L 1 Io O sm carga O Tórico O C out L CC Figura 16- Circuito para mdição da rsistência d ntrada. Mdir a rsistência d ntrada do amplificador vrificar a influência da carga. Comparar os rsultados com os valors stimados toricamnt. Tórico in Fig.16 Fig.14 Fig.15 TP 8 - TS D CG DC C TP 7 SISTÊNCI D NTD Para mdir a rsistência d ntrada do circuito dvmos insrir um rsistor s m séri com o grador d sinais mdir a quda d tnsão nst rsistor. TNÇÃO: Não utiliz ohmímtro. rta d carga DC é dfinida pla font CC plas rsistências DC do coltor do missor DC C +. Dois pontos dsta rta são cc Icc. I C C CC ICC CC dc UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr 7

8 ac + dc +. I I c( cut ac) C( Q) ac C( Q) I + c( sat ac) C( Q) ac c c + C( Q) rsistncias ac do missor ac rsistncias ac do coltor // c C L // 2 ac + +1k 3k dc C I / 15/3kW 5m cc cc dc + 15k ac c // // 1k c C L // 1k//1k 05k CC C( Q) 6... I C(Q) 3m I 7m c-cut c-sat c-cut 105 ac 15kΩ I 7m c-sat ac ta d Carga C Figura 17- a) Circuito complto ac+dc b) Circuito ac c) Circuito quivalnt ac. Para corrnt altrnada os capacitors a font cc s comportam como curto-circuito altrando o valor da rsistência do circuito ( ac ) consqüntmnt a inclinação da rta d carga C. O ponto d opração quiscnt Q ( C(Q) I C(Q) ) é o ponto comum ntr stas duas rtas d carga. Dois pontos da rta d carga C são IC (1m/DI) ta d Carga DC Figura 18- ta d carga DC C para o circuito da Figura 17. Itajubá MG janiro d UNIFI/ ISTI - Kazuo Nakashima & gon Luiz Mullr Jr