PSI2306 ELETRÔNICA 1 o. Semestre 2013 Gabarito da 3ª. Lista de Exercícios

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1 PSI2306 ELETRÔNICA 1 o. Semestre 2013 Gabarito da 3ª. Lista de Exercícios 1 o Exercício (Prova de 2003): Dado o circuito equivalente de pequenos sinais de um amplificador realimentado conforme mostrado na figura abaixo: a) Determine o valor de b) Determine o ganho total realimentado (A f v o /v e ) c) Determine a resistência de entrada do circuito equivalente (R if v e /i e ) d) Determine a resistência de saída do circuito equivalente (R of v o /i o para v e =0) Dados: R 1 =100kR 2 =10kR 3 =10kR i =5kR e =600R o =1k R L =10keA V =150. a) b) O circuito A se apresenta como abaixo: R e = 600 R o = 1k R L = 4,78k v e vi R i = 5k A V v i R 1 R 3 R L v o R 1 //R 2 = 9,091k R 2

2 A f = 8,7 c) R if = 71,1kΩ d) R of = 172Ω 2 o Exercício (Prova de 2006): Dado o circuito realimentado conforme mostrado na figura abaixo: I C = 2 ma, R E = 1900,C = 10 pf v o R S = 12,5 R 1 = R 2 =500 k C = (100/95) pf C C3 g m = I C /V T, R C = R L = 38 k, r = 5000 R 4 V T = 25 mv, R 3 = 1000, r o = =g m.r, R 4 = 18000, r = v i V S R S R 3 V BE = 0,7 V, 1000 // = 950 r x = 0

3 Equações fundamentais: Modelo Resumo de Realimentação :

4 Em freqüências médias, pede-se: (a) Baseado no circuito realimentado, desenhe o circuito equivalente A sob efeito das cargas da malha de realimentação substituindo adequadamente o modelo -híbrido. v i i i v R S 12,5Ω R i g m v r R 3 + R 4 R C R L v o 5kΩ 38kΩ 38kΩ R E 19kΩ R 3 //R 4 = 0,95k R 3 // R 4 R 3 +R 4 = 19k (b) Utilizando o circuito equivalente A sob efeito das cargas da malha de realimentação, determine o ganho, resistência de entrada e resistência de saída (A, R i e R o ) A = 380, R i = 25Ω e R o = 9,5kΩ

5 (c) Determine o ganho total realimentado (A f = v o /v s ). A f = 18,1 (d) Determine as resistências de entrada e de saída do circuito realimentado (R if e R of ). Em altas freqüências, pede-se: (e) Determine a freqüência de corte superior (em rad/s ) do circuito equivalente A sob efeito das cargas da malha de realimentação. O circuito de entrada será: R eq. R S curto v i r R E 1/g m C R 3 // R 4

6 O circuito de saída será R L C (f) Determine a freqüência de corte superior (em rad/s ) do circuito realimentado. 3 o. Exercício (Prova 2005): Dado o estágio de saída classe AB utilizando uma malha de polarização com dois diodos conforme mostrado na figura abaixo. Sabendo-se que os diodos tem a mesma área de junção dos transistores de saída, V CC = 10V, R L = 100 Ω, N = 20 e V CEsatNPN = V ECsatPNP = 0, pede-se: (a) Para I polarização = 1,0 ma, qual o valor da corrente quiescente I Q de polarização dos transistores Q N e Q P? (Considere adequadamente as correntes de base)

7 Para áreas de junção iguais (diodos e transistores), n=1, daí: (b) Sabendo-se que é necessário assegurar ao menos uma corrente de 0,4 ma nos diodos e considerando que I polarização foi mudado para 0,8 ma, quais os valores máximos possíveis positivo (v 0máx ) e negativo(v omin ), dos níveis de sinal de saída? O máximo valor positivo na saída é limitado pela máxima corrente de base do transistor NPN (I BNmáx ). O máximo valor negativo na saída é limitado pela saturação do transistor PNP. (c) Para obter um nível de pico de sinal de saída positivo igual a 10 V e assegurar uma corrente pelo menos 0,4 ma nos diodos, que valor mínimo de I polarização é necessário se N for mudado para 10? Para esse valor obtido, qual o valor da corrente quiescente I Q? Para um valor máximo de saída igual a 10V, a corrente máxima de emissor (NPN) será: Neste caso a corrente quiescente I Q será:

8 (d) Determine a potência máxima fornecida pela fonte de alimentação (P S ) do circuito e determine o rendimento máximo ( max ) (Deduza as equações da potência e do rendimento) Desprezando-se a potência quiescente (2V CC I Q tem-se: Para V o pico = V CC tem-se P Smáx A potência de saída será: (e) Determine a potência máxima dissipada em cada transistor (P Dmáx/transistor ). (Deduza a expressão da potência máxima).

9 4 o Exercício (Prova REC 2005): Dado o estágio de saída classe AB utilizando uma malha de polarização com circuito multiplicador de V BE conforme mostrado na figura abaixo. Sabendo-se que I SQ1 = 1,1 x A e I SQN = I SQP = 2,1 x A e também sendo dados V CC = 30V, R L = 10, R 2 = 5k, R 1 = 7k, N = 20 V CEsatNPN = V ECsatPNP = 0, I C I S.e VBE/VT, V T = 25 mv, pede-se (a) Para V BB = 1,2 V, qual o valor da corrente de polarizaçào (I polarização. ) do circuito? (Considere adequadamente as correntes de coletor de Q 1, de base de Q N e dos resistores R 1 e R 2. Despreze a corrente de base de Q 1 ).

10 (b) Determine a potência máxima fornecida pela fonte de alimentação (P S ) do circuito e a potência máxima dissipada em cada transistor (P Dmáx/transistor ). 5 o. Exercício (Prova SUB 2006) - Estágio de saída de um Amplificador de Potência. O seguinte circuito implementa o estágio de saída de um amplificador (classe B). Sabendo-se que a corrente média sobre uma carga R L num semiciclo de senóide de amplitude é dada por, que a potência média num ciclo é dada por e ainda o sinal de entrada fornecido na figura abaixo, pede-se: V i + V CC V CC /2 t v i V o R L - V CC /2 - V CC

11 (a) Calcule a potência média fornecida por cada uma das duas fontes (P S+ e P S- ). Calcule também a potência média fornecida para a carga (P L ). (b) Calcule a potência média dissipada por cada transistor e o rendimento do sistema ( = P L /P S ). (c) Qual a vantagem desta configuração (classe B) quando comparada à classe A? A configuração classe B apresenta um rendimento de transferência de potência substancialmente maior. Considere agora que o circuito foi modificado, passando a ser classe AB, conforme indicado na figura. V i + V CC + 10V I REF Q N t I N I P V O V i Q P R L - 10V - V CC

12 onde I N e I P são respectivamente as correntes dos emissores de Q N e Q P. ritério de (d) Observe que quando Vo = 0 temos a condição quiescente, na qual há uma pequena corrente (comparada à máxima corrente que pode circular por estes transistores de potência) circulando pelos dois transistores. Nesta situação os dois tem a mesma tensão V BE = 0,65 V aplicadas às suas junções base-emissor. Escolha um transistor, ou seja calcule sua corrente de fundo de escala I ST, de modo que a corrente nesta situação (quiescente) seja I C = I Q = 1 ma. Calcule então a relação entre I SD e I ST, ou seja a relação das áreas de junção baseemissor destes dois dispositivos necessária para suportar a correta operação deste circuito. Na condição quiescente, I D é praticamente a totalidade de I REF pois I B é desprezível nesta condição. nos transistores tem-se: nos diodos tem-se: como diodos e transistores tem o mesmo V BE = 0,65V, então a relação de áreas será:

13 6 o. Exercício (Prova 2007): Dado o estágio de saída classe AB utilizando uma malha de polarização com dois diodos conforme mostrado na figura abaixo. Sabendo-se que os diodos tem a mesma área de junção dos transistores de saída, V CC = 10V, R L = 100 Ω, N = P = 19 e V CEsatNPN = V ECsatPNP = 0, pede-se: (a) Para I polarização = 10 ma, qual o valor da corrente quiescente I Q de polarização dos transistores Q N e Q P? (Considere adequadamente as correntes de base). Na ausência de sinal, tem-se: Como diodos e transistores apresentam a mesma área: (b) Sabendo-se que é necessário assegurar ao menos uma corrente de 4 ma nos diodos e considerando que I polarização foi mudado para 8 ma, quais os valores máximos possíveis positivo (V+) e negativo(v-) para os níveis de sinal de saída

14 No caso do valor máximo para : (c) Determine a potência fornecida pela fonte de alimentação (P s ) do circuito e determine o rendimento de transferência de potência () para um sinal de saída senoidal limitado em ±8V. (Expresse o resultado final como função do número. Sabe-se que a corrente média associada à meia senoide que cada transistor conduz é I pico /).

15 7 o. Exercício (Prova 2008): Dado o circuito realimentado conforme mostrado na figura abaixo: V CC R B1 R C1 R B2 R C2 R S C 2 C 3 C 1 R L v o v s R 1 R 2 C 4 I E = I E1 = I E2 = 1 ma, R C = R C1 = R C2 = 10 k, R B = R B1 = R B2 = 500 k, C 1 = C 2 = C 3 = C 4 =, R 1 = 100, R 2 = 9900, R L = 500 k e R S = g m = I C / V T, V T = 25 mv, cc = I C / I B = 99, 1, , 5k 500k 5k, 10k 500k 10k, 12,5k 500k 12,5k Equações fundamentais: A f A 1 A, R R 1 A if, i R of R o, HR H 1 A 1 A

16 Malha de realimentação : Modelo T: R 11 v o R 22 v o R 11 = R 1 R 2 R 22 = R 1 + R 2 = R 1 /(R 1 + R 2 ) (a) Baseado no circuito realimentado, desenhe o circuito equivalente A sob efeito das cargas da malha de realimentação substituindo adequadamente o modelo T em freqüências médias. Circuito Equivalente A v o i i R S i b1 b 1 i e1 R C1 R B2 b 2 i e2 R C2 R 1 R L v i R B1 R in1 r e1 R in2 i e2 r e2 R 2 R 1 R 2 (b) Utilizando o circuito equivalente A sob efeito das cargas da malha de realimentação, determine o ganho, resistência de entrada e resistência de saída (A, R i e R o ).

17 Considerando-se as associações de resistores tem-se: O ganho será: A resistência de entrada será: A resistência de saída será:

18 (c) Determine o ganho total realimentado (A f = v o /v s ) e as resistências de entrada e de saída do circuito realimentado (R if e R of ). 8 o. Exercício : Um transistor de potência para o qual T jmáx = 180 o C é capaz de dissipar 50W quando a temperatura do encapsulamento é igual a 50 o C. Este transistor é montado em um dissipador de calor fazendo-se uso de uma arruela isolante cuja resistência térmica é 0,6 o C/W, nestas condições: (a) Qual a máxima temperatura que o dissipador de calor pode atingir de forma a permitir uma operação segura com o transistor dissipando 30W? A resistência térmica entre a junção e o encapsulamento será:

19 (b) Para uma temperatura ambiente de 39 o C qual deve ser a resistência térmica do dissipador de calor? (c) Se utilizarmos como dissipador de calor um perfil de alumínio com uma resistência térmica de 4,5 o C/W/cm de comprimento, quão longo deverá ser este perfil?