ENCONTRO 1 TESTE DA ONDA QUADRADA E RESPOSTA EM FREQUÊNCIA

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1 CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: ELETRÔNICA II PROFESSOR: VLADEMIR DE J. S. OLIVEIRA ENCONTRO 1 TESTE DA ONDA QUADRADA E RESPOSTA EM FREQUÊNCIA 1. COMPONENTES DA EQUIPE Alunos Nota: Data: 2. OBJETIVOS Verificação do comportamento dos amplificadores para uma ampla faixa de frequências. Determinar as frequências de corte para este amplificador. 3. TESTE DA ONDA QUADRADA A resposta em frequência do amplificador pode ser aferida aplicando-se uma forma de onda quadrada ao amplificador. A forma do sinal de saída mostrará se as frequências altas e baixas estão sendo amplificadas apropriadamente. A onda quadrada (Figura 2) pode ser examinada através da expansão em Série de Fourier do sinal que é formado por componentes senoidais de diferentes amplitudes e frequências, consequentemente a soma dos termos da série produzirá a forma de onda original (no nosso caso a onda quadrada) ( 3 ) 2 ( 5 ) 2 ( 5 ) 4 sen π fst + sen π fs t + sen π fs t + sen π fs t v = Vm π sen2π ( 7 fs ) t + sen2π ( 9 fs ) t + L+ sen2π ( nfs ) t 7 9 n Figura 2: Onda quadrada. 1

2 A Figura 3 mostra uma onda resultante formada através da frequência fundamental e terceira harmônico. A Figura 4 mostra a onda resultante já bem próxima de uma onda quadrada formada pela fundamental, 3º, 5º e 7º harmônicas. Figura 3: Harmônicos presentes em uma onda quadrada (fundamental e terceiro harmônico). Figura 4: Harmônicos presentes em uma onda quadrada (fundamental, 3º, 5º e 7º harmônico). Uma onda quadrada perfeita exige um número infinito de termos somados a série. Os harmônicos mais importantes na formação da onda quadrada são aqueles compreendidos até o nono termo, uma vez que o nono harmônico tem uma amplitude maior que 10% da amplitude do termo fundamental. Assim, pode-se concluir que, se a aplicação de uma onda quadrada, com determinada frequência, resulta em uma onda quadrada limpa na saída, então o amplificador não distorce da frequência aplicada até o seu nono harmônico. Por exemplo, se um amplificador de áudio com uma banda passante de 20 khz deve ser testado, a frequência do sinal aplicado deve ser no mínimo, 20 khz/9 = 2,22 khz. Caso o amplificador apresente em sua resposta uma réplica sem distorção da onda de entrada, então este amplificador tem uma boa resposta a frequência aplicada. Caso a resposta seja semelhante a da Figura 5 (a) e (b) irá indicar que o amplificador não está amplificando as baixas frequências e se apresentar a resposta da Figura (c) e (d) o amplificador não estará amplificando as altas frequências. 2

3 Figura 5: (a) resposta inadequada para baixas frequências; (b) resposta muito inadequada para baixas frequências; (c) resposta inadequada para altas frequências e (d) resposta muito inadequada para altas frequências. 4. ACOPLAMENTO DE AMPLIFICADORES EM CASCATA A conexão em cascata é basicamente uma conexão série em que a saída de um estágio é o sinal de entrada do estágio seguinte. Esta conexão oferece uma multiplicação de ganho de cada estágio, levando a um ganho global maior. O ganho global do amplificador é o produto dos ganhos dos estágios, considerando-se o casamento de impedâncias entre os estágios e que a resposta em frequência global se altera. Existem várias métodos de se realizar o acoplamento de estágios. O acoplamento (RC) é bastante simples e obtém uma boa resposta em frequência. O capacitor de acoplamento possibilita a isolação CC entre estágios e, portanto, mantém as condições de polarização inalterada. A reatância capacitiva do capacitor de acoplamento em frequências médias deve ser suficientemente baixa a fim de que a transferência do sinal se faça sem perda e sem distorção de fase. No acoplamento por transformador, o resistor de coletor é substituído pelo primário do transformador e o sinal é transferido para o próximo estágio pelo secundário do transformador. O transformador de acoplamento possibilita a isolação CC entre estágios e também permite o casamento de impedância entre estágios, mas apresenta desvantagens em termos de resposta em frequência e fase. Além disso, os transformadores são relativamente grandes e caros. No acoplamento direto, a saída do primeiro estágio é diretamente conectada à entrada do próximo estágio, sem utilizar elementos de acoplamento. Este método apresenta a vantagem do amplificador precisar de poucos componentes e a resposta em frequência não ser afetada pelos elementos de acoplamento. No entanto, torna-se mais difícil estabelecer o ponto de polarização para cada estágio porque a tensão de saída CC de um estágio determina a tensão de entrada CC do estágio seguinte. Este tipo de acoplamento é utilizado em circuitos integrados onde não existe espaço disponível para capacitores ou outros elementos de acoplamento. 3

4 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Parte 1: 1) Monte o circuito de polarização do transistor conforme Figura 1. 2) Ajuste o gerador de funções para uma amplitude de 10mVp e com uma frequência de 1kHz. Se necessário, use um divisor de tensão para obter esse sinal (sugestão: Resistor 100 Ω, 10 kω, entrada em 1 Vp ajuste o gerador para garantir um sinal de 10mVp como sinal de entrada do amplificador). 3) Complete o circuito inserindo o gerador e os capacitores. 4) Usando o osciloscópio, meça e anote na tabela 1 a tensão de entrada (vi) e a de saída (vo) para a faixa de frequências indicadas. 4

5 V CC =12V 5,6 kω 12kΩ 10 µf C 10 µf BC548 B v E i 3,9 kω 1000 µf 3,3 kω v o Tabela 1 tensões versus frequências Figura 1 Amplificador emissor comum. Freq. (Hz) k 10k 25 k 50k 100k 200 k 250 k 300 k 500 k 1M v i v o 5) Identifique baseado na Tabela 1 o ganho de frequências médias. 6) Com base no dado anterior determine a frequência de corte inferior (Av = 0,707 Av médio ). 7) Com base na Tabela 1, se for possível, determine a frequência de corte superior (Av = 0,707 Av médio ). 8) Baseado nos valores medidos na Tabela 1 calcule o ganho de tensão e determine a resposta em frequência (Av x f). Av ganho de tensão e f - frequência (escala monolog). Parte 2: 9) Aplique um sinal de entrada, uma onda quadrada com amplitude de 50 mvp e frequência de 100 Hz. Desenhe o sinal de saída obtido e comente o resultado utilizando a teoria explicada no item ) Agora com o mesmo valor de amplitude no sinal de entrada, mude a frequência para 1 khz, 10 khz e 100 khz. Desenhe os sinais de saída obtidos e comente o resultado utilizando a teoria explicada no item

6 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2004, 672 p. : ISBN [2] SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron Books, p. [3] CIPELLI, Antonio Marco V.; MARKUS, Otávio; SANDRINI, Waldir João. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos eletrônicos. 19. ed. São Paulo: Érica, p. 7. MATERIAL NECESSÁRIO Resistor 10 kω 1 Resistor 12 kω 1 Resistor 3,9 kω 1 Resistor 5,6 kω 1 Resistor 3,3 kω 2 Capacitores 10 µf 2 Capacitores de 1000 µf 1 Transistor NPN BC548 1 Gerador de funções Osciloscópio Protoboard 6