1. Objetivos Estudar o emprego de transistores bipolares em circuitos amplificadores através de projeto e implementação de um circuito amplificador em emissor comum. Analisar a resposta harmônica do amplificador e compará-la com os resultados esperados. Aprender a utilizar curvas de manual de fabricante para o projeto de circuitos para baixa, média e alta freqüências. Utilizar o modelo π-híbrido para transistores (pequenos sinais) no projeto de um amplificador emissor comum, aprendendo a extrair os parâmetros π-híbridos (inclusive capacitâncias) do manual. Avaliar as limitações do emprego das curvas de manual no projeto de circuitos. Tomar contato com o programa PSPICE STUDENT VERSION para simulação CA de circuitos eletrônicos, levantando a resposta harmônica do amplificador e verificando suas limitações. 2. Projeto (a ser realizado ANTES da aula experimental) a) 0 circuito de polarização de transistores bipolares I E constante projetado no Experimento 6 deste curso foi empregado na figura 1 para se obter um amplificador de um estágio em emissor comum para pequenos sinais. Na ocasião já foram feitos o projeto e a simulação da polarização DC deste amplificador (veja roteiro 6). Esses resultados podem ser utilizados para este experimento também. Figura 1: Amplificador de um estágio em emissor comum para pequenos sinais. b) Copie do roteiro 6 os valores quiescentes esperados para as várias tensões e correntes de polarização do circuito, preenchendo os itens relevantes das colunas calculado e simulado na tabela 1 do item 3.2. Exp. 7-1 Amplificadores para Pequenos Sinais Eletrônica Experimental
c) Determine o modelo π-híbrido para o transistor BC547A, quando empregado no ponto quiescente desse circuito. Utilize os dados de manual desse transistor (parâmetros h) e as relações constantes no apêndice da apostila de teoria para fazer as conversões adequadas para os parâmetros do modelo π-híbrido. Não esqueça de explicitar as respectivas unidades e indicar todos os cálculos necessários. Parâmetro h valor Parâmetro π-híbrido calculado simulado H = g m H = r π H = r bb H = r µ r o C µ C π h fe h FE Desenho do modelo π-híbrido (com valores) Amplificadores para Pequenos Sinais Exp. 7-2
d) Utilizando o programa PSPICE Student Version 6.3a e o aplicativo PROBE, obtenha a curva de resposta harmônica esperada para o circuito da figura 1. Anexe ao relatório essa curva (Anexo 1), fornecida pelo aplicativo PROBE. Anote na tabela 1 do item 3.2 todas as grandezas solicitadas na coluna Simulado. Anote também na tabela do item 2.c (página anterior) os valores dos parâmetros π-híbrido fornecidos pelo SPICE (se encontram nos dados *****bipolar junction transistors do arquivo.out). Empregue o modelo BC547A_AC_TR (modelo AC e transiente) para o transistor. OBS: Para a execução das simulações é recomendável a leitura do capítulo 8 (pp. 159-177) do manual PSPICE e do capítulo 6 (pp. 42-48) do livro de P.W.Tuinenga (citado na aula anterior), disponíveis na biblioteca do Departamento. e) Calcule os valores esperados para o módulo do ganho de tensão em frequências médias e a frequência de corte superior para o amplificador da fig.1, preenchendo a coluna Calculado na tabela 1 do item 3.2. f) Recalcule o valor esperado para a freqüência de corte superior utilizando agora o valor de ft determinado pelo SPICE (se encontra nos dados *****bipolar junction transistors do arquivo.out). Anote também esse valor na tabela 1 do item 3.2. g) Calcule C 2 para f CI = 1 khz. Dimensione também C 1 e C 3 para f CI = 1 khz imposta por C 2. Preencha os valores comerciais de C 1, C 2 e C 3 na coluna Calculado na tabela 1 do item 3.1. Recalcule a frequência de corte inferior para o valor comercial de C 2 = 10 µf. Preencha o valor de f CI na coluna Calculado da tabela 1 do item 3.2. Exp. 7-3 Amplificadores para Pequenos Sinais Eletrônica Experimental
h) Nos itens anteriores e no experimento prático deseja-se empregar um gerador com impedância de saída de 600 Ω e capaz de gerar amplitudes tão pequenas quanto necessário para o experimento. Por não o termos disponível, vamos construir um gerador desse tipo utilizando um gerador com impedância de 50 Ω e um atenuador resistivo (colocado na placa do amplificador) que terá por finalidade reduzir o nível da tensão de saída (do gerador) e ajustar a impedância total do gerador para 600 Ω como mostra a figura 2 a seguir. Baseando-se nessa figura, e sabendo-se que RA = 5360Ω, RB = 665Ω, calcula-se: Figura 2: Gerador empregado no experimento e seu respectivo gerador equivalente. h.1) Da figura 2.a determinamos a relação numérica entre vg em aberto e eg. Note que este valor, vg em aberto, corresponde ao valor do sinal eg da figura 2.b que vamos aplicar na entrada do amplificador (se vg não estiver em aberto, isto não vale). R A = 5360?, R B = 665?, R eq = = (R A + 50) // R B = 592?, v g = e g. R B / (R A + R B + 50) 0,1095 e g h.2) No experimento vamos colocar a ponta de prova do osciloscópio no ponto vg (visto que vg é um sinal de amplitude muito pequena para medirmos diretamente). Da figura 2.a determinamos a relação numérica entre vg e eg, para vg em aberto. v g = e g. (R A +R B ) / (R A + R B + 50) 0,992 e g h.3) Determinamos a relação numérica entre vg e vg em aberto. Esta relação será utilizada no experimento. Note, novamente, que vg em aberto = eg. v g = v g. R B / (R A + R B ) 0,11 v g h.4) Para obtermos um sinal de 100mVpp em vg, determinamos qual deve ser a amplitude do sinal na saída do gerador em aberto? (eg ) e, para este caso, a amplitude do sinal vg em aberto. na entrada do nosso amplificador. Este valor satisfaz a condição de pequeno sinal? Amplificadores para Pequenos Sinais Exp. 7-4
e g = v g / 0,992 100,8 mvpp v g = 0,11 v g 11 mvpp 3. Procedimento Experimental 1) Familiarize-se com a placa de montagem AMPLIFICADOR EMISSOR COMUM. Baseando-se na figura 3, instale CUIDADOSAMENTE um transistor BC547A na placa de montagem, conectando, a seguir, a fonte de tensão e ajustando-a convenientemente. Figura 3: Montagem amplificador em emissor comum. 2) Verifique se o ponto quiescente satisfaz às condições de projeto, medindo os valores de V R1, V R2, V RC, V RE, V BE, V CE e Vcc com o multímetro digital (em escala conveniente para maior precisão). Determine, a partir dos valores medidos, o valor de I C no ponto de operação experimental. Preencha a coluna 4 da tabela 1 a seguir. Tabela 1 Valor Calculado Simulado Medido Vcc V CE Ic V BE V R1 V R2 V RC V RE A v Exp. 7-5 Amplificadores para Pequenos Sinais Eletrônica Experimental
f CI f CS (de 2.e) f CS (de 2.f) 3) Conecte o gerador senoidal ao circuito ligado ajustando-o para fornecer 10 khz e 0,1 Vpp no ponto vg, como indicado na figura 3. Imprima as formas de onda na base, coletor e emissor do transistor, bem como a forma de onda na resistência R L (com o osciloscópio no modo de acoplamento de entrada DC) (ANEXO 2). Se for necessário, coloque o osciloscópio no modo de entrada CA e amplie a escala para visualizar o sinal alternado sobreposto à tensão CC. Na própria impressão, anote claramente os valores de tensão CC e CA em cada forma de onda. Verifique se os sinais estão ou não em fase com o sinal de entrada (gerador). Nota1: O ruído torna o trigger do sinal instável. Utilize o sincronismo externo entre gerador e osciloscópio para resolver esse problema. Nota2: Como os sinais são de pequena amplitude, o ruído é da mesma ordem de grandeza. Utilize os recursos do osciloscópio para limpar o sinal (aprecie a influência dos botões BW LIMIT e DISPLAY AVERAGE) Questão 1: Qual o valor do ganho de tensão experimental (módulo e defasagem)? Av = 4) Meça as frequências de corte inferior e superior (frequências onde o ganho cai de 2 do ganho em frequências médias ou a defasagem altera-se de ±45º em relação ao valor em freqüências médias para f = 10 khz). Preencha a tabela 1 do item 3.2 com os valores de Av, f ci e f cs e compare com os valores esperados. Amplificadores para Pequenos Sinais Exp. 7-6
fci = fcs = 5) Vamos levantar automaticamente as curvas de resposta do módulo do ganho de tensão, A v e da defasagem A v em função da frequência empregando o osciloscópio no modo x-t. Nota: Usar sincronismo externo neste item. 5.a) Para esse levantamento, meça o sinal de entrada em vg (canal 1, modo AC) e o sinal de saída sobre RL (canal 2, modo AC). Ajuste o gerador de funções para fornecer 200mVpp em vg para uma frequência de 100Hz. Note que a tecla AUTOSETUP do osciloscópio não funciona em frequências menores que aproximadamente 100Hz. Ajuste o osciloscópio para visualizar os dois sinais claramente na tela (terras no meio da tela, sinais com cerca de dois períodos e com amplitude de pelo menos duas divisões). Questão 2: Qual o valor da tensão do gerador de funções (em Vpp), que chamamos de eg no item h.1, que fornece 100mVpp em vg?. Vide o item h do projeto. 5.b) Uma vez ajustada a montagem, vamos utilizar o programa ganho para fazer o levantamento automático. No programa você deve especificar: a forma de onda senóide a fequência inicial de varredura para 100Hz a frequência final de varredura para um valor acima da frequência de corte superior (múltiplo de 10) o módulo do ganho máximo esperado em db a fase média (para frequências médias) esperada a relação entre vg em aberto e vg como calculada no item g o valor da tensão do gerador (eg Vpp) como 100mV. 5.c) Certifique-se que os sinais estão visíveis na tela do osciloscópio, utilizer DISPLAY: AVERAGE 256, e inicie o programa. 5.d) Imprima a resposta em frequência, indicando claramente na impressão as frequências de corte inferior, superior e o ganho para frequências médias(anexo 3). Estes valores estão de acordo com o esperado de projeto e pelo simulador? (se necessário, use o verso desta folha para fazer comentários) Exp. 7-7 Amplificadores para Pequenos Sinais Eletrônica Experimental
Amplificadores para Pequenos Sinais Exp. 7-8
6) Para uma frequência de 10kHz, aumente gradativamente a amplitude do sinal em vg de 0.1 Vpp até aproximadamente 2.0 Vpp (em passos de 0.1 Volt) e levante uma tabela que forneça o módulo do ganho em função da amplitude do sinal de entrada. Em particular, para as tensões do gerador de 0.1 Vpp, 1.0 Vpp e 2.0 Vpp, imprima as formas de onda de tensão em vg e em RL (vs) com os terras no meio da tela, sinais com cerca de dois períodos e com amplitude de pelo menos duas divisões (ANEXO 4). OBS.: Não esqueça de aplicar o fator de atenuação para obter eg (= vg em aberto) ) vg (Vpp) eg (Vpp) vs (Vpp) ganho (vs/eg) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 Exp. 7-9 Amplificadores para Pequenos Sinais Eletrônica Experimental
Amplificadores para Pequenos Sinais Exp. 7-10
Questão 3: Estime a faixa dinâmica de entrada para uma saída com um mínimo de distorção, e para uma saída plena. Questão 4: Utilizando a impressão com sinal vg de 2,0Vpp determine a máxima excursão de sinal de saída no semiciclo positivo e no semiciclo negativo. Qual a razão para tal distorção em cada semiciclo? Exp. 7-11 Amplificadores para Pequenos Sinais Eletrônica Experimental
Amplificadores para Pequenos Sinais Exp. 7-12
Questão 5: Explique a distorção observada no item anterior utilizando-se da curva caracterlstica V CE x I C (transistor BC547A) com a reta de carga CA sobreposta (considere que a variação de tensão V BE é igual à variação da tensão vg ). Esta aproximação é satisfatória? OBS.:: A reta de carga CA é aquela que passa pelo ponto quiescence e cuja inclinação é obtida considerando-se o efeito dos capacitores C 2 e C 3 sobre o circuito para sinais CA (isto é, eles são curtos). Como C 2 também é um curto em CA, a inclinação da reta de carga será dada por 1/(R C // R L ). Caso queira explorar melhor essas considerações, leia as três primeiras páginas Exp. 7-13 Amplificadores para Pequenos Sinais Eletrônica Experimental
do capítulo 9 do livro "Eletrônica de J. Millman e C.C. Halkias disponível na biblioteca do Departamento. 4. Conclusões Amplificadores para Pequenos Sinais Exp. 7-14