Escola Politécnica - USP

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1 Escola Politécnica - USP Equipe: - Turma: PSI 2325 Laboratório de Eletrônica I Exp 7: Amplificadores Diferenciais - - Profs: - - Data de Realização do Experimento: Nota: Bancada: 2002

2 B 102 Laboratório de Eletrônica I Exp Introdução Nesta experiência será estudado o funcionamento de um amplificador diferencial. 2. Projeto (a ser realizado ANTES da aula experimental) Figura 1: Circuito do Amplificador Diferencial Características básicas dos semicondutores: * Transistores (a 25 o C) T 1, T 2 e T 3 transistores BC547A, npn, Si; P cmax = 300 mw V cemax = 50 Volts (V be = 0) I cbo < 5 µa (para V cb = 20 Volts) h fe 190 (I C = 2,4 ma) V be 0,65 V (I C = 4,8 ma) V be 0,625 V (I C = 2,4 ma) *Diodos (a 25 o C) Diodo Zener 1N4730 V Z = 3,9 V P max = 500 mw a) Para o circuito da fig. 1, com a entrada e 1 e e 2 em terra, p c1 =p c2, os estrapes E 3 e E 4 colocados e P 2 = 2,3kΩ, calcular os potenciais e correntes quiescentes dos 3 transistores (usar expressões de 1 a 8 da apostila e as características do BC547A fornecidas juntamente com a apostila dos experimentos 1-4). Confirmar os valores de V be1, V be2 e V be3 indicados na tabela abaixo utilizando as curvas características dos transistores.

3 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B 103 V be1 =V be2 V ce1 =V ce2 V C1 =V C2 V rc1 =V rc2 I C1 =I C2 0,625 V V be3 V ce3 V e V re3 I e3 V Z I Z 0,650 V

4 B 104 Laboratório de Eletrônica I Exp. 7 b) Sendo e 1 (t)=a sen(ωt), e considerando o que você aprendeu em teoria, determinar o máximo valor de A para o qual o sinal de saída e 0 (t) não sofre distorção (é linear). Sugestão: Desenhe a reta de carga utilizando a característica I C xv ce em anexo. Sabe-se ainda que: G V h = R fe S R + h C ie R L = A máx (linear) =

5 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B 105 c) Repita o item a) quando os estrapes E 3 e E 4 são retirados. V be1 =V be2 V ce1 =V ce2 V C1 =V C2 V rc1 =V rc2 I C1 =I C2 0,625 V V be3 V ce3 V e V re3 I e3 V Z I Z 0,650 V

6 B 106 Laboratório de Eletrônica I Exp. 7 d ) Repita o item b) quando os estrapes E 3 e E 4 são retirados. A máx (linear) =

7 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B Simulação (a ser realizado ANTES da aula experimental) Utilizando o programa PSPICE Student Version 6.3a, simule o circuito da figura 2. Figura 2: Circuito do Amplificador Diferencial a ser simulado Utilize na simulação o modelo BC547A_AC_TR. Para o zener utilize o modelo D1N4730. Nota: Para editar modelos no PSPICE/Windows : No Windows, salvar uma cópia backup da biblioteca que você vai editar (p. ex. Eval.slb e Eval.ind) Entrar no Schematics No menu File, selecionar Edit Library No menu File, selecionar Open Selecionar a biblioteca a ser editada (p. ex. Eval.slb) No menu Part, selecionar Delete e remova um componente do que tem asterisco (*) que você não vai utilizar (p.ex. *C-20%+80%), selecionando-o e apertando o botão Remove Clique Close No menu Part selecionar Get Selecionar o componente a ser editado (p. ex. *1N4735) No menu Edit selecionar Model Aletrar os atributos (p. ex. BV e Ibv) Na mesma caixa de diálogos (Model Editor), alterar a "library" do "Save to" para Eval.lib Clique Ok No menu File selecionar Save e depois Close

8 B 108 Laboratório de Eletrônica I Exp Determine o ponto de polarização estática do circuito (V BE1, V BE2, V BE3, V CE1, V CE2, V CE3, V C1, V C2, V RC1, V RC2, I C1, I C2, V E, V RE, I E3, V Z, I Z ) para: a) R E1 =R E2 =0; projeto manual simulado V be1 =V be2 V ce1 =V ce2 V C1 =V C2 V rc1 =V rc2 I C1 =I C2 projeto manual simulado V be3 V ce3 V e V re3 I e3 V Z I Z b) R E1 =R E2 =100Ω; projeto manual simulado V be1 =V be2 V ce1 =V ce2 V C1 =V C2 V rc1 =V rc2 I C1 =I C2 projeto manual simulado V be3 V ce3 V e V re3 I e3 V Z I Z 3.2) Compare os resultados obtidos com os valores calculados nos itens 2.a e 2.c. Justifique.

9 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B Faça uma simulação em análise DC do circuito da figura 2. Varie a tensão contínua de entrada V ent e determine a corrente I L na carga R L. Utilizando o programa PROBE, imprima o gráfico I L xv ent com as escalas devidamente ajustadas a fim de englobar os extremos de saturação. Esta análise deve ser feita nos seguintes casos (uma folha de impressão para cada caso): Nota: Baseado nos gráficos I L xv ent obtidos nos itens a, b, c e d, determine em cada caso a faixa de variação de V ent em que o gráfico I L xv ent é linear e a faixa de variação de "V ent " limitada entre os extremos de saturação. a) R B1 =R B2 =0; R E1 =R E2 =0; A máx (linear) = A máx (saturação) = b) R B1 =R B2 =2.3KΩ; R E1 =R E2 =0; A máx (linear) = A máx (saturação) = c) R B1 =R B2 =10KΩ; R E1 =R E2 =0; A máx (linear) = A máx (saturação) = d) R B1 =R B2 =2.3KΩ;R E1 =R E2 =100Ω. A máx (linear) = A máx (saturação) = Tendo estes resultados, responda: i) Qual o efeito da variação de R B na característica I L xv ent? Justifique através de expressões matemáticas;

10 B 110 Laboratório de Eletrônica I Exp. 7 ii) Qual o efeito da variação de R E na característica I L xv ent? Justifique através de expressões matemáticas; iii) Baseado nas características I L xv ent, determine em cada caso, a amplitude máxima "A" de um sinal senoidal ( v ent =A sen(ωt) ) de baixa freqüência que pode ser aplicado na entrada para que: iii.1) Não haja distorção do sinal sobre R L ; iii.2) O sinal sobre R L não sature nos extremos. iii.1) iii.2) a) R B1 =R B2 =0; R E1 =R E2 =0 b) R B1 =R B2 =2.3KΩ; R E1 =R E2 =0 c) R B1 =R B2 =10KΩ; R E1 =R E2 =0 d) R B1 =R B2 =2,3KΩ;R E1 =R E2 =100Ω

11 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B Recomendações Gerais 4. Procedimento Experimental Analise a consistência dos dados obtidos ao final de cada etapa. 4.2 Procedimento Experimental Todo circuito diferencial na prática não é totalmente simétrico. Por isso são necessários artifícios para minimizar a tensão de erro na saída. No experimento trabalharemos com dois potenciômetros que têm por finalidade minimizar esses erros de polarização Ajustando P1 para balancear o circuito a) Monte o circuito da fig. 1 na placa Amplificador Diferencial, colocando os estrapes E 1, E 3, E 4. e E 5.Conecte as fontes V CC =7,5 Volts e V EE =-7,5 Volts ao circuito. b) Aterre a entrada e 1 e coloque E 5. Regule P 1 de forma a obter o equilíbrio do circuito ( V Soffset < 10mV) igualando os potenciais de V C1 e V C2 (como descrito na seção 2) Ajustando P2 para balancear o circuito a) Retire os estrapes E 1 e E 5, conecte o estrape E 2. Aterre a entrada e 1 e e 2. Regule P 2 de forma a obter o equilíbrio do circuito ( V Soffset < 10mV) Determinando as condições quiescentes do circuito a) Aguarde o equilíbrio do circuito (fazendo reajustes em P 1 e P 2 se necessário) e a seguir meça (e/ou calcule) as tensões e correntes quiescentes, comparando com os valores calculados em 2.a. V be1 V ce1 V c1 V rc1 I c1 esperado manual esperado simulado experimental V be2 V ce2 V c2 V rc2 I c2 esperado manual esperado simulado experimental V be3 V ce3 V e V re3 I e3 V Z I Z esp. man. esp. simul. experimental

12 B 112 Laboratório de Eletrônica I Exp. 7 b) Justifique eventuais discrepâncias entre os valores calculados em 2.a em relação aos valores obtidos experimentalmente. c) Atingido o equilíbrio, desconecte as alimentações, coloque a entrada e 1 em aberto e desconecte o potenciômetro P 2 do terra para medir os valores de P 2, (R C1 + P C1 ), (R C2 + P C2 ) onde P 1 = P C1 +P C2. Reconecte as alimentações após as medidas. P 2 = R C1 +P C1 = R C2 +P C2 = d) Explique eventuais diferenças entre (R C1 + P C1 ) e (R C2 +P C2 ).

13 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B 113 d) Aterre a entrada e 2. Conecte o gerador senoidal na entrada e 1 ajustado para 100 mvpp (em aberto) de amplitude e freqüência de 1Khz. Nesta situação (regime senoidal e freqüências médias), meça os ganhos incrementais de tensão v C1 /e 1 e v C2 /e 1 Verifique, por meio de um osciloscópio, que as tensões V C1 e V C2 estão em oposição de fase. Explique. e) Compare o resultado obtido com os resultados de projeto (itens 2.b e 3.3). f) Meça o valor da amplitude A da tensão e 1 para o qual começa a haver distorção no sinal de saída (e 0 ). Esperado manual Esperado simulado Experimental A máx (saturação)

14 B 114 Laboratório de Eletrônica I Exp. 7 g) Repetir a medida de ganho incremental, porém agora em tensão contínua, substituindo o gerador senoidal colocado em e1 por uma fonte de tensão contínua seguida de um atenuador resistivo (para isto, aterre o ponto e 1 e entre com a fonte de tensão contínua por e 1 ). Preencha a tabela a seguir. Traçar o gráfico v C1 x e 1 utilizando o programa plote. Note que a tabela abaixo relaciona e 1 '' e e 1 '''. e 1 '' e 1 ''' V c1 50 mv 100 mv 150 mv 200 mv 250 mv h) Comparar o resultado com a medida do ganho incremental (CA) em baixa freqüência. No caso de um amplificador diferencial pode-se utilizar esse valor para determinar o ganho CC do circuito para pequenas variacões CC de entrada?

15 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B 115 i) Com o multímetro operando como microamperímetro em série com R L =1KΩ, retoque o equilíbrio (corrente nula mesmo na máxima sensibilidade do aparelho de medida) através de P 1 e P 2. seguindo o procedimento dos itens e ( I Soffset < 5 µa). Atingido o equilíbrio, desligue a alimentação, coloque a entrada e 1 em aberto e desconecte o potenciômetro P 2 do terra para medir os valores de P 2, (R C1 + P C1 ) e (R C2 + P C2 ). P 2 = R C1 +P C1 = R C2 +P C2 = k) Usando a fonte de tensão contínua e o atenuador resistivo como no item g), faça uma curva de calibração do aparelho (mv na entrada contra µa na saída). e 1 '' (mv) e 1 ''' (mv) I O ( A) l) Faça o gráfico e 1 ''' (mv) I O ( A) através do programa plote e determine o valor médio da transcondutância global g m1. g m1 = A/V

16 B 116 Laboratório de Eletrônica I Exp. 7 m) Compare com o resultado de g m1 com o fornecido pela expressão 15. n) Aterre as entradas e procure apreciar a deriva do aparelho, observando o que ocorre durante 2 minutos ao se envolver com o dedo o encapsulamento do transistor T 1 (anote o que ocorre com a corrente I L ). Comente. t (minutos) I L ( A) 0 0,5 1,0 2,0 o) Repita o procedimento envolvendo agora o encapsulamento do transistor T 2. Comente. t (minutos) I L ( A) 0 0,5 1,0 2,0

17 Exp. 7 Amplificadores Diferenciais B 117 p) Colocando agora os resistores R E no circuito (retirando os estrapes E 3 e E 4 ), repita os itens (j) até (o). q-j ) Com o multímetro operando como microamperímetro em série com R L =1KΩ, retoque o equilíbrio (corrente nula mesmo na máxima sensibilidade do aparelho de medida) através de P 1 e P 2. seguindo o procedimento dos itens e ( I Soffset < 5 µa). Atingido o equilíbrio, desligue a alimentação, coloque a entrada e 1 em aberto e desconecte o potenciômetro P 2 do terra para medir os valores de P 2, (R C1 + P C1 ) e (R C2 + P C2 ). P 2 = R C1 +P C1 = R C2 +P C2 = r - k ) Usando a fonte de tensão contínua e o atenuador resistivo como no item g), faça uma curva de calibração do aparelho (mv na entrada contra µa na saída). e 1 '' (mv) e 1 ''' (mv) I O ( A) s - l ) Faça o gráfico e 1 ''' (mv) I O ( A) através do programa plote e determine o valor médio da transcondutância global g m1. g m1 = A/V

18 B 118 Laboratório de Eletrônica I Exp. 7 t - m ) Compare com o resultado de g m1 com o fornecido pela expressão 15. Qual a nova expressão teórica para o valor de g m1 quando temos R E1 e R E2? u - n ) Aterre as entradas e procure apreciar a deriva do aparelho, observando o que ocorre durante 2 minutos ao se envolver com o dedo o encapsulamento do transistor T 1 (anote o que ocorre com a corrente I L ). t (minutos) I L ( A) 0 0,5 1,0 2,0 v - o ) Repita o procedimento envolvendo agora o encapsulamento do transistor T 2. t (minutos) I L ( A) 0 0,5 1,0 2,0 x) Compare os resultados acima com os itens n e o. Melhorou? Piorou?