Eletrônica Analógica CEL099 C

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1 Depto. Crcutos Elétrcos Engenhara Elétrca Faculdade de Engenhara Eletrônca Analógca CEL099 C «Aula Prátca Expermental» Amplfcador Inversor de Pequenos Snas com BJT O amplfcador em estudo nesta prátca é a confguração emssor comum, empregando um BJT de pequenos snas. O transstor Q é caracterzado por um ganho de corrente em emssor comum aproxmadamente fxo (), uma tensão base-emssor aproxmadamente fxa (V BE ) e uma tensão mínma de saturação coletor-emssor (V CE_sat ). A polarzação da base é feta por um dvsor resstvo ( B1 e B2 ). A fonte de pequenos snas (v S ), cuja ampltude pco-a-pco é V S, possu uma mpedânca sére fnta ( S ) e está acoplada em corrente alternada à entrada do amplfcador va o capactor C. A resstênca de carga também é fnta ( L ) e também está acoplada em corrente alternada à saída do amplfcador va o capactor C o. Parâmetros do transstor: VCE _ sat Q β cte VBE cte Amplfcador nversor na confguração emssor comum com polarzação va dvsor resstvo e resstor de degeneração de emssor 1. Ponto de trabalho do BJT (polarzação) Análse CC MALHAS: 1 ( β) V I 1 = V Vth = IB ( th + E ( 1+β )) + VBE CC C C E CE Equações do transstor: IC =βib I =αi I α= β C E E ( β+ 1) 1 Eletrônca Analógca CEL099 C Prof. Pedro S. Almeda Sala 4273-E04 pedro.almeda@ufjf.edu.br

2 Equvalente de Thévenn do dvsor: + = = B2 Vth = VCC B1 B2 B1 th B1 B2 B1 + B2 B2 Ponto de operação do amplfcador: I C V V V V = th β+ 1 E + E β β th BE th BE 1 ( β) ( ) V = V I + 1+ V I + CE CC C C E CC C C E Para garantr a regão atva do BJT: V CE > V CE_sat Para uma polarzação boa e estável: V th V BE ; E th /( + 1); 1 I C 2. Solução va equvalente de pequenos snas Análse CA Usando o modelo p de pequenos snas do TBJ (destacado dentro do amp, desconsderando efeto Early): (capactores CA em curto; fontes CC caladas ) C v S S v B1 B2 Q v o L No qual: r π V V β I I g T T = β= (mpedânca de base-emssor de pequenos snas do modelo p ) B C m MALHAS INTENAS AO AMPLIFICADO (abrndo-se a carga e a fonte de snal L, S ): Cálculo do ganho de tensão em malha aberta note o snal negatvo do ganho (amplfcador nversor, A < 0): v B = rπ β v = β = v C o C B rπ v β I A = = = v r V o C C C L π T (s/ carga) Por nspeção do crcuto de pequenos snas, é possível encontrar os demas parâmetros do amplfcador de tensão dealzado equvalente: mpedânca de entrada (Z n ) e mpedânca de saída (Z out ). FONTE SINAL v S S v AMPLIFICADO Z n Z out A.v v o L CAGA Impedâncas: v Z = = r v Z o out = = C o n th π th 2

3 S A v S Para uma carga fnta L e uma fonte de snal com mpedânca fnta S, é possível encontrar a tensão de entrada e de saída do amplfcador e, portanto, o ganho efetvo: = + Z = + L vo Av L Z out n v vs S Z n Ganho global (efetvo) consderando carregamento do amplfcador e mpedânca do snal: A v r A o th π L eff = = v s L th rπ + S L + C Os capactores de acoplamento CA podem ser calculados para que sua reatânca capactva em uma determnada frequênca mínma (f mn ) seja muto menor que a mpedânca resstva vsta do nó onde se stuam: 1 ( ) 1 Zn C 2πfmn th rπ 2πfmnC 1 ( ) C 2πf ( ) 1 C L o mn C L 2πfmnC o 1 2 π fmnc E [ π ] 1 E E mn E C 2 f estas expressões garantem a premssa de que as capactâncas são nfntas para análse CC & CA Crtéro de pequenos snas do BJT: v BE V T (e.g., v 12 mv pk-pk na prátca erro < 10%) 3

4 Parâmetros s & Projetoo esultante Parâmetros do(s) transstor(es) escolhdo(s): Modelo(s) BC547C ou BC547B BJT NPN, (part number & AM) 45 V, 100 ma, 5000 mw Ganho de corrente BC547C: ( 500 typ.) de emssor comum ( h fe ) BC547B: ( 350 typ.) Tensão base-emssor (na reg. atva) V BE(on) = 600 I C = 500 µa Tensão coletor-emssor de saturação V CE_sat = 250 mv I C = 10 ma C B E TO-92 Parâmetros do crcuto: Tensão de almentação Fonte de snal esstores dee base esstor de coletor c esstor de emssor Impedânca de carga nomnal Capactor de entrada e Capactor dee saída Capactor de emssor e Frequênca mínma de corte Ponto de operação (polarzação): Tensão de Thévenn do dvsor de base esstênca de Thévenn do dvsor de base Corrente de coletorr Tensão coletor-emssor Tensão no coletor Tensão no emssor V CC = 15 V V S = 50 mvv máx. (pco-a-pco), S = 2,2 kω, snal s senodal l 1 khz B1 = 1500 kω, B2 = 122 kω C = 18 kω E = 1 kω L = 47 kω C = 4,74 µf / 25 V C o = 10 µf / 25 V C E = 47 µf / 25 V f m n = 100 Hz V th = 1,11 V th = 11,11 kω I C = 4999 µa V CE = 5,52 V V C = 6,02 V V E = 0,50 V Parâmetros do modelo de pequenos snas e do amplfcador: Impedânca base-emssor Ganho de transcondutânca Ganho de tensão em malha aberta (s/ carga, s/ snal) Impedânca de entrada Impedânca de saídaa Ganho de tensão global efetvo (c/ carga e mp. snal) r π = 25,33 kω g m = 20 ma/v A = -356 V/V Z n = 7,77 kω Z out = 188 kω A eff = V/V Medr ganho em malha aberta (A) paraa pequeno snal (V S = 12 mvv pk-pk, máx.), ganho global efetvo em carga nomnal (A eff ), mpedânca dee entrada (Z n ), mpedâncaa de saída (Z ou ut) e lmte da ampltude do snal (V S, pk-pk) de entrada para: a) operação lnear do d amplfcador (THD < 0,5%) e b) grampeamento do snal de saída por saturação e/ou corte utlzar os métodos expostos em laboratóro. Qual a orgem da dferençaa entre o ganho de tensão calculado e o ganho meddo?? Verfcar a establdade do ponto de trabalho mesmo com a mudança do (transstores de classes dferentes B e C). Quas parâmetros do modelo de pequenos snas e do amplfcador mudam mas sgnfcatvamente com o? Quas fcam aproxmadamente constantes? Capturar formas de onda dos snas de entrada e saída, e as tensões no emssor, no coletor e na base do transstor tanto para operação lnear quanto para operação saturada (4 fguras noo total). 4

5 esultados de Smulação no LTspce IV --- Operatng Pont --- V(vcc): 15 voltage V(vb): voltage V(vc): voltage V(ve): voltage Ic(Q1): devce_current Ib(Q1): e-006 devce_current Ie(Q1): devce_current 5

6 Dados do transstor: BC547C - ß 500 [alt.: BC547B - ß 350 (70%)] cte. físcas T K k B V T k B T K q e tensão térmca q e V CE_sat 0.25 IC = 10 ma / IB = 0.5 ma V BE 0.6 obtdo a partr do grafco VBE(on), p/ IC = 500 µa h fe 600 (small-sgnal hfe = 600, 1 IC= 2 ma) β > beta consderado pra projeto (@ IC = 500 µa / VCE = 10 V) Pto operação desejado aprox.: V CEQ 5 I CQ Almentação e fonte de snal: V CC 15 V S (pk-pk) ganho tensão desejado: > 10 V pk-pk saída V CC V CC C FONTE SINAL v S S v B1 C B2 Q E C o v o CAGA L C E AMPLIFICADO Seleção dos componentes do crcuto: V CC 15 V S 0.05 B B C E L S C C o C E

7 Equações da análse CC: equv. de Thévenn: B2 V th V CC V B1 th V BE 1 B2 th B1 B2 B1 B análse de establdade: conferr se dá >> 1 V th V BE E 1 th ( β 1) pto de operação: V th V BE I C th β 1 β E β conferdo se está próxmo do desejado: I CQ V th V BE I C_aprox E V th V BE I B th E ( β 1) V CE V CC I C C E V β CE V CE_sat 1 V CE_aprox V CC I C C E V CEQ 5 V C V CC C I C V E I C 1 1 β E 0.5

8 Equações da análse CA: V T r π β I C g I m 0.02 C V T r π th Ganho em malha aberta e mpedâncas do amplfcador: C I C r π th A Z V n Z T r π out C th g m C Ganho efetvo: (com carregamento) Z n L A eff A Z n S Z out L C L g m C L Z n Z n S Ampltude (pk-pk) da tensão de saída: V S 0.05 V CC 15 V CE_sat 0.25 excursão do snal: s/ carga & s/ mpedânca de snal: V o V S A V C 0.5V o grampea sup. & nf. V C 0.5V o (corte & sat.) L c/ carga & s/ mpedânca de snal: V o V S A V L C 0.5V o C grampea nf. V C 0.5V o (só sat.) c/ carga & c/ mpedânca de snal: V o V S A eff V C 0.5V o lnear V C 0.5V o Conferndo dmensonamento dos capactores de acoplamento: f mn 100 conferr se dá >> 1 C 1 2πf mn Z n C o C L 2πf mn C L C E πf mn E

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11 Aproxmações do ganho va gráfco vs. valor consderado: β β graph 400 β 0.05 graph pto de operação: V CE I B I C

12 Solução gráfca do pto de operação & excursão do snal: CE_sat V CE_sat I C C B f v CE CE_sat B β CE_sat β B f CE_sat B β reta de carga: C_ V CC C E pto de operação: V CE I B I C C C V CE ß = 500 V C 0.5AV S C C C C C_ I C

13 Encontrando a mpedânca de entrada e saída (fazendo S2 = 2.S e L2 = 0.5.L): Gven V 1 V 2 = S1 S2 Fnd S1 V 1 V 1 S2 V 2 V 2 V V com S com 2.S 2V 2 V 1 S Z V 1 V n Gven V o1 V o2 = L1 L1 o L2 L2 o Fnd o L1 L2 V o1 L1 L2 V o2 L1 V o2 L2 V o1 V o V o com L com L/2 V o1 V o2 o L Z 2V o2 V out o1 esstênca e tensão Early (baseado em medções): gven r o Z out r o Z out = o r o Z out r o fnd r o portanto: V A r o I C V CE