Dept. de Engenharia Electrotécnica e Computadores Fac. de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Electrónica para Telecomunicações Trabalho Prático Nº2 Amplificador Cascódico 1. INTRODUÇÃO Neste trabalho pretende-se estudar a resposta em alta frequência dos andares de amplificação mais comuns com transístores. Estudar-se-ão os andares em emissor comum e em base comum e a configuração cascódica. Estudar-se-á o efeito de Miller e a sua influência na limitação do ganho do amplificador em alta frequência. Para comparar o desempenho em regime de pequeno sinal das várias configurações utilizar-se-á um transístor 2N3904 polarizado sempre da mesma maneira. 2. PREPARAÇÃO Antes da aula prática deve ler com toda a atenção estas notas bem como o plano de trabalhos. Deverá responder às questões que são colocadas e entregar as respostas numa folha simples, no início da aula. Aconselha-se a obter na Net o data-sheet do transístor NPN 2N30904 bem como o simulador Multisim 10.0 (versão livre que pode obter do site da Analog Devices).
2.1 Estudo do Circuito em repouso Para facilitar os seus cálculos considerou-se uma fonte de tensão DC com o valor nominal de 10,1V. Em repouso os condensadores podem considerar-se um circuito aberto. Admitindo que pode desprezar as correntes de base dos transístores Q1 e Q2, determine as tensões através da cadeia em série constituída pelas resistências R2 R3 e R5. Qual a corrente que atravessa essas resistências? Supondo que a tensão VBE de Q1 vale 0,6V, que valor estima para a queda de tensão em R4? Se conseguiu determinar a tensão em R4 poderá determinar as correntes de colector de Q1 e Q2 e as tensões VCE1 e VCE2. Usando estes valores veja no data-sheet do transístor 2N3904 o valor de hfe. Obtenha as correntes de base de Q1 e Q2 e compare-as com a corrente que desce pelas resistências R2 R3 e R5. Indique o valor de repouso da tensão VCQ2 (tensão no colector de Q2). Supondo que o corte e a saturação de T2 são os únicos factores que podem limitar a tensão variável (em torno de VCQ2) no colector de Q2, diga qual é a amplitude máxima de um sinal sinusoidal que pode obter sem distorção ( clipping ) na saída. Finalmente determine a tensão através de todos os condensadores, valores que serão usados como condições iniciais nas simulações que serão feitas adiante. Preencha a tabela T2.1 com todos os valores que calculou. 2.2 Amplificador Emissor Comum Para estudar o circuito amplificador na configuração em emissor comum utilize a montagem seguinte em que foi suprimido o transístor Q2. Não utilize para já o condensador C1! À medida que for estudando estas notas vá preenchendo a tabela
T2.2. Reparará que o ponto de funcionamento em repouso de Q1 é quase igual ao encontrado no estudo feito em 2.1 apenas variando a tensão VCE1. Qual o novo valor da tensão VCE? Consulte as notas das aulas teóricas e transcreva para a tabela T2.2 os valores previsíveis para a impedância de entrada (vista na base), impedância de saída (vista por Rload que neste caso é R7) e ganho em tensão (Gv=Vo/Vsig). Consulte o datasheet se necessitar de conhecer algum parâmetro do transístor 2N3904. Simule o circuito no Multisim 10. Com base no estudo em DC que realizou anteriormente, introduza os valores das tensões iniciais dos condensadores no simulador para acelerar a convergência. Note que a tensão em C1 é diferente da calculada em 2.1. Inicie a simulação e, com o instrumento Measurement Probe, verifique se as tensões dos condensadores convergem realmente para os valores introduzidos como valores iniciais. Se achar necessário reajuste esses valores. Ajuste a amplitude da fonte de sinal para 100mVrms e 1KHz e ligue um osciloscópio de traço duplo. Observe os sinais na base de Q1 e no colector de Q1 e anote o valor pico a pico dessas tensões, Vin e Vout. Qual o valor do ganho de tensão em db? Através da comparação da amplitude do gerador de sinal, Vsig, com a amplitude Vin que pode medir, estime a impedância de entrada. O objectivo deste trabalho é determinar a variação do ganho em tensão com a frequência. No laboratório isso será feito através da variação da frequência da fonte de sinal e medindo a amplitude da tensão de saída. No simulador pode usar a ferramenta Bode Plotter" que deve ser ajustada como se ilustra na figura: Anote o valor em dbs do ganho em tensão (e verifique se coincide com o observado anteriormente) na zona das médias frequências. Variando o cursor azul anote as
frequências de corte inferior e superior, fl e fh (deve colocar o cursor tal que o ganho é 3dB inferior ao ganho do patamar). Utilize agora o condensador C1! A ideia de usar este condensador é construir um transístor fictício de fraca qualidade em termos de resposta em alta frequência. De facto, desprezando o parâmetro rx no modelo incremental do transístor, C1 fica em paralelo com Cµ e é como se o transístor equivalente à associação Q1+C1 tivesse Cµ com uma capacidade acrescentada de 100 pf. Antes de repetir a medição de fh use o teorema de Miller para estimar fh. Considere que é apenas o condensador C1 que determina o abaixamento do ganho em alta frequência. Qual é o valor estimado de fh? Repita a medição de fh e compare o valor medido e estimado. 2.3 Amplificador Base Comum Modifique agora o circuito de modo a construir um amplificador em base comum. O circuito terá a forma da figura que se segue. Não utilize para já o condensador C1! Anote as respostas às questões colocadas na tabela T2.3. Tal como anteriormente, consulte as notas das aulas teóricas e transcreva para a tabela, agora para o caso da montagem em base-comum, os valores previsíveis para a impedância de entrada (vista no emissor), impedância de saída (vista por Rload que continua a ser R7) e ganho em tensão. Neste caso indique também o ganho em corrente (ic/ie). Simule o circuito usando o osciloscópio para determinar as amplitudes dos sinais de entrada e saída, Vin e Vout. Determine Gv e Rin como explicado no caso anterior. Use o Bode Plotter" e determine as frequências de corte fl e fh. Insira agora o condensador C1. Nesta montagem não existe o efeito de Miller e C1 fica entre a
saída e a terra. Calcule a constante de tempo deste condensador e estime a frequência de corte superior supondo que este é o único condensador do circuito. Com o Bode Plotter repita a medição de fh e compare o valor medido com o valor estimado. 2.4 Amplificador Cascódico Finalmente considere a montagem cascódica com 2 transístores. Repare que esta associação é equivalente a um andar em emissor comum (Q1) seguido de um andar em base comum (Q2). Assim sendo a impedância de entrada é igual à impedância de entrada do amplificador em emissor comum e a impedância de saída é igual à impedância de saída do amplificador em base comum (a qual é semelhante à impedância de saída do amplificador em emissor comum). Para avaliar o ganho em tensão deve notar que a carga que o amplificador em base comum apresenta para o amplificador emissor comum é muito baixa. Assim o ganho desde a entrada até ao colector de Q1 deve ser muito baixo (=gmrl) em relação ao valor do ganho encontrado em 2.2. Em vez do paralelo entre as resistências R1 e R7, o colector de Q1 encontra agora a impedância de entrada muito baixa do amplificador em base comum. Mas a corrente de saída de Q1 é toda entregue à entrada de Q2 (o amplificador em base comum é um óptimo buffer de corrente) e aparece igual na saída de Q2 (Ai=1) que tem a carga que Q1 tinha quando funcionava como emissor comum. Ou seja o ganho em tensão do amplificador cascódico vai ser igual ao ganho do amplificador em emissor comum uma vez que a carga é, em ambos os casos, a mesma. Como acabamos de ver o amplificador cascódico apresenta impedâncias de entrada e de saída e ganho em tensão semelhantes ao amplificador em emissor comum. O que o distingue deste que justifique o facto de usar 2 transístores em vez de 1? A resposta é a o melhor comportamento na frequência. Para vermos isso consideremos os condensadores C1 e C2 que devido aos seus valores elevados vão determinar a frequência de corte superior. O condensador C1 está ligado entre a base de Q1 e o colector de Q1 ou seja entre entrada e saída. Mas como vimos atrás este ganho é muito reduzido quando comparado com um emissor comum com uma carga normal (aqui a carga do emissor comum é o amplificador base comum). Por causa desse ganho reduzido o efeito de Miller associado a C1 pode desprezar-se. Quanto ao condensador C2 ele está entre a saída e a terra. Para terminar este estudo preencha a tabela 2.4 considerando os condensadores C1 e C2 sempre ligados. Primeiro confirme que o ganho até ao colector de Q1 é muito baixo. Com o osciloscópio (ou ligando o Bode plotter nesse ponto) determine o ganho até ao colector de Q1 e deste até à saída. Chame a estes ganhos Gv1 e Gv2 e indique-os na tabela 2.4. Determine também o ganho global Gv. Meça com o Bode plotter a frequência de corte superior fh e verifique que a largura de banda é consideravelmente maior do que no caso emissor comum. 3. REALIZAÇÃO DO TRABALHO Implemente o circuito num deck de montagem e ligue a fonte de alimentação com uma tensão de 10,1 V. O gerador de sinal só deve ser utilizado nas secções 3.2 e seguintes e a sua amplitude em vazio deve ser ajustada para 100 mv rms de modo a ser possível comparar os valores determinados na preparação do trabalho, com os valores observados. Se a fonte de sinal tiver uma impedância interna de 600 ohms deve usar uma resistência de 400 ohms de modo a estar nas mesmas condições. Só
deve realizar o trabalho depois de ter estudado cuidadosamente a preparação do mesmo. 3.1 Circuito em repouso Mantenha a entrada em curto circuito. Meça as tensões nos condensadores, a tensão em R2 (e em R4) e, a partir daí, obtenha os valores do ponto de funcionamento em repouso de Q1 e Q2. Apresente estes valores na tabela 3.1 3.2 Amplificador emissor comum Ajuste a fonte de sinal para 100 mv rms em circuito aberto. Determine o ganho de tensão global a 1kHz medindo a amplitude do sinal que observa num osciloscópio. Depois, não alterando a amplitude da fonte de sinal, mas variando a frequência desta, determine fh. Faça esta medição 2 vezes. Uma sem o condensador C1 e outra com o condensador C1. Apresente as suas medições na tabela 3.2. 3.3 Amplificador base comum Repita as medições referidas no ponto anterior no circuito reconfigurado para base comum. Apresente as suas medições na tabela 3.3. 3.4 Amplificador cascódico Repita as medições referidas nos pontos anteriores no circuito amplificador cascódico. Apresente as suas medições na tabela 3.4.
Trabalho Prático Nº2 Amplificador Cascódico Nome Nº Nome Nº Nome Nº Nome Nº (não esquecer a indicação das unidades!) 2. PREPARAÇÃO DO TRABALHO T2.1 Funcionamento em repouso VR2= VR3= VR5= IR2= IR3= IR5= IC1= IC2= VCE1= VCE2= IC1= IC2= VCE1= VCE2= hfe= IB1= IB2= VCQ2= V0max= VC1= VC2= VC3= VC4= VC5= VC6= VC7= T2.2 Amplificador emissor comum (sem C1) VCE1= Rin= Ro= Gv= Vin= Vout= Gv= Rin= Com C1 inserido no circuito fl= fh= fhest.= fhmed.= T2.3 Amplificador base comum (sem C1) Rin= Ro= Gv= Ai= Vin= Vout= Gv= Rin= Com C1 inserido no circuito fl= fh= fhest.= fhmed.=
T2.4 Amplificador cascódico (com C1 e C2) Rin= Ro= Gv1= Gv2= Gv= fh= 3. REALIZAÇÃO DO TRABALHO T3.1 Funcionamento em repouso VC1= VC2= VC3= VC4= VC5= VC6= VC7= VR2= IC1= IC2= VCE1= VCE2= T3.2 Amplificador emissor comum Gv= fh(semc1)= fh(comc1)= T3.3 Amplificador base comum Gv= fh(semc1)= fh(comc1)= T3.4 Amplificador cascódico Gv= fh(semc1)= fh(comc1)=