PRÁTICA #1 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA

Transcrição

1 Prática #1 (Resposta em frequência) GRUPO: Data: ) Objetivos: PRÁTCA #1 RESPOSTA EM FREQUÊNCA PARTE 1: Projetar amplificador na configuração EMSSOR COMUM (EC) para atender às características especificadas. Estimar a resposta em frequência de amplificadores. PARTE 2: Comparar o desempenho das configurações EMSSOR COMUM (EC) e CASCODE. ) Especificações Circuito da fig.1, sendo: cc=15, Q1=Q2=BC546B / 547B / 548B, C5=C6=10pF e CEQ2 =1,5. (manual: v Av ; v o Módulo do ganho de tensão 90 S ariação percentual da corrente de polarização 15%, considerando: Excursão de sinal na saída 2,5 pico; - dispersão dos valores de h FE, Z 3,5k ; N - variação dos parâmetros ( BE, h FE, CBO ) com a temperatura, na faixa entre -15 e 55 o C. Frequência de corte inferior entre 30 e 80 Hz; - distribuir o percentual da seguinte forma: devido a BE (6%), a h FE (8%) e a CBO (1%). CC CC S RS 1k R1 ZN C1 C4 R3 R4 C5 Q1 C6 Q2 R5 ZOUT C2 BC546B BC546B o RL= 10k RS 1k ZN C4 R1 C1 R3 R4 C5 Q1 C6 Q2 R5 ZOUT C2 BC546B BC546B o RL= 10k R2 R6 C3 S R2 R6 C3 fig 1: Configuração Emissor Comum fig 2: Configuração Cascode ATENÇÂO: As diferenças entre os circuitos das fig.1 e fig.2 estão apenas nas ligações dos capacitores C1, C3 e C4. v.9b_jbm 09/03/2018 1

2 ) Projeto Projetar o amplificador EC da fig. 1 atendendo às especificações e escolhendo valores comerciais para os componentes; Utilize o manual do transistor para verificar valores de h FE, CBO e capacitâncias parasitas (C BC ). Adote um h FE para o projeto. Sugestão: utilizar 2 h h h h h para que a variação FEproj FE max FE min FE max FE min percentual de seja simétrica com a variação de h FE para o máximo e para o mínimo. As colunas projetado, nas tabelas anexas (EC e CASCODE) devem ser preenchidas com os valores obtidos nas verificações de cada configuração, respectivamente, itens 7 e 11 da memória de cálculo. ) Simulações **TODAS AS SMULAÇÕES DEEM CONTER LABELS, NDCANDO OS ALORES QUE SERÃO ANOTADOS NAS COLUNAS SMULADO. **AO COLOCAR OS GRÁFCOS, AS ESCALAS E O NOME DO QUE ESTÁ SENDO e DEEM ESTAR CLAROS. Realizar as simulações na seguinte ordem: 1. Determinação de BF Perfil de simulação: DC Sweep Determinação do parâmetro BF do transistor. No modelo, esse parâmetro controla o h FE. Para encontrar o BF correspondente ao h FE desejado: -No perfil de simulação, selecionar: análise do tipo DC Sweep, opção model parameter, model type (NPN), Model name (transistor usado: p.ex. BC546B), Parameter name (BF). Selecionar ainda o tipo de varredura: linear na faixa desejada (valor inicial / valor final / incremento). - Mandar plotar C(Q2)/B(Q2) e verificar qual valor de BF corresponde ao h FE desejado e usar estes valores de BF para fazer simulação com a variação de h FE.Transiente -Após plotar o gráfico, coloque o BF equivalente ao h FE de projeto como parâmetro para as próximas simulações. 2. Polarização e excursão de sinal Perfil de simulação: Transient Com o valor de BF ajustado, faça uma simulação transiente do circuito em questão. Ao realizá-la, o SPCE fará a simulação de polarização do seu circuito. Uma cópia do esquemático, com as tensões e correntes indicadas, deverá ser apresentada junto dos outros gráficos simulados. Ajuste o sinal de entrada, para que o sinal de saída apresente ambos os semiciclos ceifados. 3. Ganho, resposta em frequência e impedâncias (Rac, Zin, Zout e Ro) Perfil de simulação: AC Sweep Para as simulações de Rac, Zin, Zout e Ro, escolher a opção AC Sweep/Noise. Marque a opção Logarithmic. ndique a frequência inicial e a frequência final desejadas. Em pontos por década coloque 100. No circuito, ajustar o parâmetro AC da fonte de sinal de entrada para 1. v.9b_jbm 09/03/2018 2

3 Plotar, num único gráfico, o ganho e as frequências de corte do amplificador. Em seguida, fazer o gráfico das impedâncias na seguinte ordem: Rac, Zin, Zout e Ro 4. ariação de temperatura e h FE. Perfil de simulação: Transient Para realizar essas simulações, você deve marcar a opção Temperature e colocar SÓ UMA TEMPERATURA. Após ajustar a temperatura desejada, você deve marcar a opção Parametric Sweep e ajustar o valor de BF desejado. Após isso, você deve plotar o gráfico de opmax e anotar o valor de (Q2) na tabela. ) Medidas Montagens: o Observar que as diferenças entre os circuitos das fig.1 e fig.2 estão apenas nas ligações dos capacitores C1, C3 e C4. o Desenhar as montagens utilizadas para as medidas das impedâncias de entrada e de saída, explicando o procedimento de medida. Para o circuito da fig. 1: o Ajustar a corrente de polarização ( ) permitindo variação máxima de 5% em relação ao valor adotado no projeto. Se necessário, varie somente o valor de R1, podendo fazer associações de resistores comerciais para obter o valor desejado. Observe que R1 pode ser diferente do usado na simulação. O importante é deixar as correntes de polarização aproximadamente iguais, nas três situações: projeto, simulação e montagem. o Fazer as simulações e medidas indicadas na tabela apresentada no final da PARTE 1. Para o circuito da fig. 2. o Fazer as simulações e medidas indicadas na tabela apresentada no final da PARTE 2. ) Escala de valores comerciais de componentes disponíveis no laboratório: Resistores Filme metalizado 5%: (1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10,0) x 10 0 a 10 6 Ω Capacitores Eletrolíticos : (1,0 2,2 4,7) x 10 0 a 10 3 μf, exceto 4700 μf Poliester metalizado: (1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10,0 ) x 10 0 a 10 2 nf Cerâmicos: (1, , , , ) x 10 0 pf (1,0 1,2 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10,0) x 10 1 pf (---- 1,2 1,8 2, ,3 3,9 4, ) x 10 2 pf v.9b_jbm 09/03/2018 3

4 Aula prática #1 (Resposta em frequência) GRUPO: Data: 1) Especificações: MEMÓRA DE CÁLCULO (PARTE 1: EMSSOR COMUM) Módulo do ganho de tensão: mpedância de entrada: Temperatura de operação: Av vo v S ZN k o o C T C Excursão de sinal na saída: v op pico Frequência de corte inferior Hz f Hz L 2 CEQ CC C5 C6 pf ariação percentual da corrente de polarização: BE h FE CBO 2) nformações adicionais: erifique qual o tipo de transistor de pequenos sinais está disponível no conjunto de componentes recebidos para as aulas práticas. Do manual do transistor selecione as características relacionadas a seguir: Tipo: BC hfe min hfe max o CBO(25 C) Considere ainda: h FE proj hfe min hfe max 2 h h FE min FE max ro k na Tproj T 25 o max BE m 10 C 2,5 o CBOmax 2 1 o CBO T C 25 C BE RE BE RB RE CBO RE CBO R 1 B R E 1h h h FE max FEproj FE h FE v.9b_jbm 09/03/2018 5

5 3) Determinação de R 5 e : O roteiro deste projeto está baseado no método apresentado na apostila Projeto de amplificador monoestágio e consiste, basicamente, de um sistema de três inequações onde cada uma delas garante o cumprimento de um ou mais itens da especificação. São elas: CC CEQ1min CEQ2 RE min C G () garante a polarização e a excursão do sinal sem saturação vop vf GC vop vf GL () garante a excursão do sinal sem corte K K G G C L () garante o ganho de tensão 3.1) nequação () A corrente de polarização ( ) é definida pelo transistor Q 2. A estabilidade de em relação às variações de BE depende de RE (tensão sobre o resistor R 6 ). Para obter RE min, calcule Tmax em relação à temperatura de projeto ( T 25 o C proj ) e use a expressão da variação percentual de devido à BE. T max o C RE min CEQ 1min garante a não saturação do sinal de saída. Para obtê-lo, use a especificação da amplitude do sinal ( v op ). CEQ 1min Use os valores encontrados para estabelecer a inequação () G () garante a polarização e a excursão do sinal de saída sem saturação C v.9b_jbm 09/03/2018 6

6 3.2) nequação () Use a especificação da amplitude do sinal (. v op ) para estabelecer a inequação () G G () garante a excursão do sinal de saída sem corte C L 3.3) nequação () Use a especificações do ganho ( Av ) e da impedância de entrada ( Z N ) para definir o valor mínimo do ganho K vo vb que atende à especificação. K / Use o valor de K encontrado para estabelecer a inequação () G G C L () garante o ganho de tensão 3.4) nterpretação gráfica e cálculo de R C max Esboce o gráfico das três inequações, indicando a região de solução. 1 G Calcule o ponto de interseção e determine Cmax Cmin R RC max k G L G C v.9b_jbm 09/03/2018 7

7 3.5) Escolha de e R 5 Escolha um valor comercial para R 5 e calcule as correntes min e max, correspondentes aos limites da região de solução. Escolha o valor de. Repita o procedimento até que o valor escolhido para possa variar 20% sem sair da região de solução. R5 k min ma max ma ma 4) Cálculo de R 6 Escolha um valor comercial para R 6, considerando R6 RE min. R6 k 5) Cálculo das polarizações de base As variações percentuais de devido à CBO e h FE dependem do valor de R B adotado na polarização de base do transistor Q 2. Observe que o valor de R B muito alto pode prejudicar a estabilidade de e o valor muito baixo pode prejudicar a impedância de entrada Z N. 5.1) Cálculo de R B = R 1// R 2 Calcule CBO max considerando Tmax CBO max ma Calcule R B max. Use a expressão da variação percentual de CBO devido à CBO. R B max CBO k v.9b_jbm 09/03/2018 9

8 Calcule R. Use a expressão da variação percentual de devido à h FE. Bmax h FE Considere h h h FE FE max FE proj RB max h FE k max in RBmax, R B h Bmax FE CBO R m k Calcule r h T fe. Use T 25 m e h h. fe FE proj r k Calcule R B min de modo a garantir a especificação de Z N. RB min k 5.2) Cálculo de R 1 e R 2 Usando as expressões abaixo, calcule R2 e escolha um valor comercial: R R 2 B max 1 BQ2 CC R e BQ2 6 BE R2 k R R Calcule R 1 usando a expressão: 1 2 CC BQ2 1 R1 k Calcule RB e certifique-se de que RBmin RB RBmax RB k v.9b_jbm 09/03/

9 5.3) Cálculo de R3 e R 4 Para que as impedâncias de entrada do EC e CASCODE fiquem aproximadamente iguais, considere R4 R2. R4 k R R Calcule R 3 usando a expressão: 3 4 e escolha um valor comercial. CC BQ1 1 R,, onde BQ CEQ BE R3 k 6) Resumo CC R S R1 R2 ZN RS C1 R1 R3 C5 Q1 R5 ZOUT C2 BC546B o RL= 10k R3 1k R4 C6 R4 S C4 Q2 BC546B R5 R6 R2 R6 C3 RL OBS.: Neste projeto, para simulação e montagem, o valor de R 1 deve ser ajustado para que a corrente fique dentro de 5% do valor nominal adotado no projeto. v.9b_jbm 09/03/

10 7) erificação (EMSSOR COMUM) Com os valores de todos os resistores já definidos, faça análise do circuito para verificar se todas as especificações na banda média e polarização e foram atendidas: 7.1) Cálculo de Se necessário, altere o valor de R 1 (pode ser valor não comercial) para que a corrente fique igual ao valor nominal adotado no projeto. ma 7.2) Cálculo de CEQ2 CEQ2 7.3) Cálculo de CEQ1 CEQ1 7.4) Cálculo da impedância equivalente de coletor (R ac =R C //R L ) R k ac 7.5) Cálculo da excursão máxima do sinal de saída sem corte nem saturação Excursão máxima sem corte ( v op sem corte) : Excursão máxima sem saturação ( v op sem saturação) : v min( v, v ) op op sem corte op sem saturação vop 7.6) Cálculo da impedância de entrada Z in Z k in v.9b_jbm 09/03/

11 7.7) Cálculo do ganho de tensão Av v v o S Av 7.8) Cálculo da impedância de saída do coletor de Q1 R O1 hfe Rb r Utilizar a expressão: RO 1 ro, onde k k1 REeq R o1 k 7.9) Cálculo da impedância de saída Z out Z k out 8) Cálculo dos capacitores responsáveis pela freqüência de corte inferior Calcule todos os capacitores considerando cada um deles como sendo responsável pela frequência de corte inferior e os demais em curto. Escolha um valor comercial para C 3. Multiplique os capacitores C 1 e C 2, em ordem decrescente de valor, respectivamente, por 10 e 50. Multiplique C 4 por 250. C1 F C2 F C 3 F C 4 F v.9b_jbm 09/03/

12 9) erificação das frequências de corte Frequência de corte inferior fl Hz Frequência de corte superior fh khz 10) Cálculo da variação percentual de devido às variações de temperatura e h FE BE CBO hfe 10.1) ariação percentual de considerando T max e h FE max Considere: e % ma 10.2) ariação percentual de considerando Tmin e h FE min Considere: e % v.9b_jbm 09/03/ ma

13 Configuração emissor comum (EC) Parâmetros do circuito Unid Projetado Simulado Medido OBS T=25 ºC h FEproj = BF proj = Ajustar 5% nom ma Polarização EQ2 CEQ1 CEQ2 mpedância equivalente de coletor (R ac =R C //R L ) k X Excursão máxima de sinal na saída (opmax) Ganho (Av=o/s) / Frequência de corte inferior (f L ) superior (f H ) Hz khz mpedância de entrada (Zin) mpedância de saída (Zout) k k mpedância de saída do coletor de Q 1 (R o1 ) k X ariação de Temperatura e h FE Unid Projetado Simulado Medido OBS T max = ºC h FEmax = BF max = T min = ºC h FEmin = BF min = opmax X X ma X ariação percentual de % X opmax X X ma X ariação percentual de % X v.9b_jbm 09/03/

14 MEMÓRA DE CÁLCULO (PARTE 2: CASCODE) 11) erificação Com os valores de todos os resistores já definidos na PARTE 1, faça análise do circuito para verificar se todas as especificações na banda média e polarização e foram atendidas: 11.1) Cálculo da excursão máxima do sinal de saída sem corte nem saturação Excursão máxima sem corte ( v op sem corte) : Excursão máxima sem saturação ( v op sem saturação) : v min( v, v ) op op sem corte op sem saturação vop 11.2) Cálculo da impedância de entrada Z in Z k in 11.3) Cálculo do ganho de tensão Av v v o S Av v.9b_jbm 09/03/

15 11.4) Cálculo da impedância de saída do coletor de Q1 R O1 hfe Rb r Utilizar a expressão: RO 1 ro, onde k k1 REeq R o1 k 11.5) Cálculo da impedância de saída Z out Z k out 12) erificação das frequências de corte Frequência de corte inferior fl Hz Frequência de corte superior Configuração CASCODE fh khz v.9b_jbm 09/03/

16 Parâmetros do circuito Unid Projetado Simulado Medido OBS Excursão máxima de sinal na saída (opmax) Ganho (Av=o/s) Frequência de corte inferior (f L ) superior (f H ) mpedância de entrada (Zin) mpedância de saída (Zout) mpedância de saída vista para dentro do coletor de Q 1 (R o1 ) / Hz khz k k k X Comparação: EC x CASCODE Parâmetros do circuito Excursão máxima de sinal na saída (opmax) Ganho (Av=o/s) Freqüência de corte inferior (f L ) superior (f H ) mpedância de entrada (Zin) mpedância de saída (Zout) mpedância de saída vista para dentro do coletor de Q 1 (R o1 ) Unid Simulado Medido EC CASCODE EC CASCODE / Hz khz k k k X X OBS v.9b_jbm 09/03/

17 Comentários / Conclusão 1- Como as variações de temperatura e de h FE influenciam na máxima excursão de sinal? Explique o mecanismo. Sugestão: Considere o efeito da variação da temperatura (aumento e redução). Analise, em cada caso, o que acontece com a corrente de polarização e, consequentemente, com a excursão de sinal. 2- Compare as configurações CASCODE e EC quanto ao ganho, resposta em frequência e impedância de saída do transistor Q 1 (Ro). Comente os resultados obtidos. 3- Desenhe as montagens para a medida das impedâncias de entrada e saída e explique o procedimento. (DET Dispositivo Em Teste) DET DET Montagem para medida de impedância de entrada Montagem para medida de impedância de saída v.9b_jbm 09/03/

18 13) Histórico das modificações: ersões anteriores: JBM15/03/2006 JBM 15/08/2006 JBM 19/08/2008 JBM 28/07/2009 7a: JBM 21/04/2010 alterado a especificação de Zin de 4k para 3,5k; corrigida a expressão de h FEproj (sinal trocado por +) 7b: JBM 27/08/2010 Alteradas as especificações de: ganho de 120 para 80/, vop de 2,5 para 2 pico, faixa de frequência de corte inferior de 30 a 60 Hz para 30 a 80 Hz e faixa de temperatura de -5 a +65 o C para -15 a +50 o C Alterado o texto de: Apenas simulação no Orcad : ariação de Temperatura e h FE 8: JBM 14/02/2011 Acrescentada a memória de cálculo e alterações na tabela retirando algumas tensões de polarização 8b: JBM 26/08/2011 Pag.3 - Corrigidas as expressões de variação percentual (sinal retirado em cbo e h FE ) e ; acrescentado espaço para r o. Pag. 7 - Alterado o cálculo de R1, R2, R3 e R4 Pag. 8, 9 e 11 Acrescentadas informações para o cálculo da excursão de sinal. Pag. 11- acrescentadas as caixas para variação perventual de 9b: JBM 09/ árias modificações na forma e texto. Divisão da Memoria de cálculo em PARTE 1 e PARTE 2. v.9b_jbm 09/03/