LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Guia de Experimentos

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Experimento 4 Transistor Bipolar Amplificador Classe A LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Guia de Experimentos

2 Experimento 4 Aplicação de Transistor Bipolar de Junção AMPLIFICADOR para pequenos sinais Objetivos Os experimentos de laboratório aqui apresentados têm por objetivo o estudo e a observação da operação do transistor operando na região linear, funcionando como um Amplificador Linear Classe A (transistor conduz durante os 360 graus do sinal de entrada). Verificação das condições de polarização do transistor bipolar. Medição do ganho em tensão. Utilização do modelo AC do transistor na determinação do ganho em tensão. Observação da influência do h FE do transistor no tipo de polarização utilizado. Montagem de um amplificador com ganho variável. Observação da ocorrência de distorção na saída do amplificador quando se opera na região não linear. Introdução Teórica Amplificador representa uma classe de circuitos eletrônicos que utiliza uma pequena quantidade de energia para controlar uma quantidade maior. A relação entre o sinal de saída e o sinal de entrada de um amplificador é denominada função de transferência do amplificador, e a magnitude da função de transferência é denominada de ganho. Um amplificador possui inúmeras aplicações no campo da Engenharia Elétrica, principalmente na área de Instrumentação Eletrônica, Controle e Comunicações. É grande a diversidade de aplicações onde os amplificadores transistorizados encontram emprego na engenharia elétrica. Uma vez que muitos sinais provenientes de sensores produzem potenciais com níveis de tensão muito pequenos (μv a mv), torna-se necessário amplificá-los para se obter uma amplitude suficiente para que possam ser utilizados em diversas aplicações práticas. O processo de adequação de um sinal ao nível desejado (no acaso, amplificação) para uma aplicação especifica é chamado de condicionamento do sinal. O sinal, normalmente advindo de um sensor (transdutor), é amplificado até o nível necessário para a sua utilização em um processo de digitalização, gravação, excitação de um alto falante, registro em um display gráfico ou, até mesmo, para acionamento de motores. Amplificadores são muito usados para amplificar sinais de provenientes de sensores fotoelétricos, microfones, antenas, sinais biomédicos, sensores de grandezas físicas não elétricas (transdutores) tais como pressão, temperatura e umidade, entre tantos outros. O transistor é um dispositivo ativo, portanto ele é capaz de amplificar a potência do sinal de entrada. Pelo fato de ser um dispositivo ativo, ele necessita de uma fonte de alimentação.

3 O Transistor como Amplificador Para operar como amplificador, um transistor deve ser polarizado na região ativa. Essa polarização deve ser previsível e insensível às variações de temperatura, valores de β, etc. Essa exigência provém do fato de que a operação do transistor como amplificador é altamente influenciada pelo valor quiescente da corrente. A disponibilidade dos modelos de circuitos do TBJ para pequenos sinais faz da análise dos circuitos amplificadores com transistores um processo sistemático. Primeiro, é determinado o ponto de operação DC, ou seja, correntes I C, I B, I E e tensões V C, V B e V E, e são calculados os parâmetros do modelo. Depois, são eliminadas as fontes DC, o TBJ é substituído por um modelo de circuito equivalente (modelo π híbrido ou modelo T) e o circuito resultante é analisado para determinar os parâmetros desejados, por exemplo, ganho de tensão, resistência de entrada, etc. A seguir são ilustrados os modelos de circuitos equivalentes para o TBJ. C i b i c i c B + v be - r π E i e g m v be ou βi b C B i b + v be - E r e i e g m v be ou αi e IC β IC VT α g m = ; rπ = g m = ; re = = VT g m VT IE g m (a) (b) Circuitos equivalentes para o TBJ: (a) Modelo π híbrido; (b) Modelo T.

4 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Experimento 4 Transistor Bipolar - Amplificador Aluno: Mat:. Experimentos - Montagens V T = 25mV 1 Experimento AMPLIFICADOR LINEAR - Transistor operando na região LINEAR Polarização. a) Monte o circuito da Figura 1A. b) Determine R BB e V BB no circuito equivalente da Figura 1B. c) Polarização - Meça, com um voltímetro, as tensões na base, emissor e coletor do transistor. Determine V BE e V CE no ponto de polarização. Preencha a Tabela I. Compare com os valores teóricos esperados. d) Observe as condições de operação do transistor bipolar na região linear, ou seja, tensão base-emissor diretamente polarizada e tensão base-coletor reversamente polarizada. e) Escreva a equação da reta de carga para este circuito e associe os valores medidos com os do gráfico I C x V CE mostrado na Figura 2 e I C x V BE mostrado na Figura 3A e 3B. V CC R C R E R B1 R B2 12V 4K7 2K2 2K7 10K V B V E V C V BE V CE I C I E P D g m Tabela I

5 Figura 1A Figura 1B

6 Figura 2 Curva característica do transistor I C x V CE com reta de carga do circuito Figura 3A

7 Figura 3B 2 Experimento AMPLIFICADOR LINEAR - Transistor operando na região LINEAR Ganho em tensão. f) Monte o circuito da Figura 4A. Observe a polaridade dos capacitores. g) Conecte um gerador de sinal aplique uma tensão senoidal 50mV@1kHz na entrada. h) Conecte o osciloscópio e observe o sinal na saída V o. i) A partir dos valores medidos determine o ganho V o /V i. j) Conecte o osciloscópio observe o sinal na saída V o e na entrada V i simultaneamente. k) Observe a relação de fase entre o sinal de entrada e da saída. l) Aumente a intensidade da tensão aplicada na entrada V i pelo gerador de sinal e observe que o sinal na saída V o apresenta-se com distorção. Isto ocorre porque quando deixamos de operar na região de pequenos sinais (região linear). Justifique teoricamente como este resultado era previsível. m) Determine a potência de dissipação do transistor no ponto de operação quiescente, ou seja, P D = I C x V CE. V CC R C R E R B1 R B2 C B C E C o 12V 4K7 2K2 2K7 10K 100μF 100μF 100μF

8 Figura 4A n) Acrescente ao circuito da Figura 4A um capacitor de desacoplamento C o e uma carga R o =R C. Observe a polaridade do capacitor C o antes de conectá-lo ao circuito. O circuito deve ficar como na Figura 4B. o) Conecte um gerador de sinal aplique uma tensão senoidal 50mV@1kHz na entrada. p) Conecte o osciloscópio e observe a funcionalidade do capacitor C o sobre o sinal na saída V o. (O capacitor C o retém o nível DC da polarização no coletor, deixando passar apenas a parte AC do sinal para a saída). q) Determine o ganho V o /V i. Observe a influência do resistor de carga R o sobre o ganho. Compare com o ganho obtido no circuito da Figura 1A. Justifique com a expressão do ganho. Preencha a Tabela II. r) Observe que a inclusão dos capacitores não altera o ponto de polarização do transistor. s) A partir dos valores medidos determine o ganho em tensão V o /V i, a impedância de entrada e a freqüência de corte; t) Usando o osciloscópio observe o sinal na saída V o e na entrada V i simultaneamente. Observe o defasamento entre o sinal de entrada e saída. V B V E V C V BE V CE I C I E P D g m V o /V i Tabela II

9 Figura 4B Modelo do circuito equivalente da Figura 4B V i V o V o /V i I C g m η I S r Π β Amplificador com Ganho Variável Em muitas aplicações é desejável ter-se um amplificador com ganho variável. Circuitos com controle automático de ganho, moduladores de amplitude (modulação AM) e amplificadores com ganho dependente de uma variável física proveniente de um sensor (transdutor) são algumas das aplicações desta classe de circuitos.

10 u) Monte o circuito da Figura 5. v) Conecte um gerador de sinal aplique uma tensão senoidal 50mV@1kHz na entrada. w) Conecte o osciloscópio ao circuito e observe o sinal na saída V o. x) Varie o potenciômetro R E2 e observe a variação do ganho. Observe que se este potenciômetro for substituído por um termistor (resistor dependente da temperatura - sensor) temos um amplificador com ganho dependente da temperatura (grandeza física não elétrica). y) Escreva o Modelo equivalente para pequenos sinais do circuito da Figura 5. z) Escreva a expressão para o ganho V o /V i e justifique a variação do ganho observada. Figura 5 Questões Teóricas 1. Qual a função de cada um dos capacitores C B, C E e C o? 2. Qual a função do resistor R E2? Ele tem influencia no ganho do amplificador? E no ponto de polarização? Justifique usando as equações do circuito. 3. Como você projetaria um amplificador com ganho controlado pela luz (Luxímetro medidor de intensidade luminosa)? 4. Qual a influência do h FE (β) do transistor no ganho do amplificador de tensão montado neste experimento? Você acha que isto se deveu ao tipo de polarização utilizado? Justifique usando as equações do circuito. Sugestão: Escreva a expressão para a corrente de polarização I C do circuito da Figura 5 e observe a influencia do h FE.

11 Observação: Com relação a Figura 5, se o resistor variável (potenciômetro) R E2 for substituído por um termistor (resistor dependente da temperatura) ou por um fotoresistor (resistor dependente da luz) temos um amplificador com ganho dependente da temperatura ou da luz, respectivamente. Enfim, se o resistor variável (potenciômetro) R E2 for substituído por um sensor resistivo temos um amplificador cujo ganho depende da variação deste sensor, ou seja, o ganho depende diretamente da variação da grandeza física que altera a resistência do sensor.