Dept. de Engenharia Electrotécnica e Computadores Fac. de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Electrónica para Telecomunicações Trabalho Prático Nº3 Amplificador Sintonisado 1. INTRODUÇÃO Na figura representa-se um andar de um amplificador sintonizado. Trata-se de um amplificador cascódico, construído com os transístores Q1 e Q2, que têm como carga um circuito tanque, isto é um circuito RLC paralelo. O amplificador foi projectado para trabalhar na frequência intermédia de 455 khz. A resistência interna da fonte de sinal (ou resistência de saída do andar amplificador anterior) é 50 ohms e a resistência de carga (ou resistência de entrada do andar seguinte) é de 100 ohms. O objectivo deste trabalho é estudar várias configurações do circuito de carga RLC.
2. PREPARAÇÃO 2.1 Deve começar por estudar o ponto de funcionamento em repouso do circuito. Depois de determinada a corrente I C dos transístores deve estimar a transcondutância g m e ver num datasheet o valor de h FE que lhe permitirá estimar o valor de r π. Desprezando o parâmetro r X pode determinar a parcela da tensão do gerador de sinal que aparece entre a base e o emissor de Q1. Supondo a operação na frequência de ressonância (a carga no colector de Q2 é apenas a resistência R L adaptada pelo transformador) estime o valor do ganho em tensão (despreze o valor de r 0 face a essa resistência). Desenhe o circuito equivalente para pequenos sinais que utilizou para o cálculo do ganho em tensão. 2.2 Usando o circuito equivalente da saída, desenhado ao lado, determine a frequência de ressonância, a largura de banda do amplificador e o factor de qualidade Q do circuito RLC. Se em vez de considerar L 1 (o transformador) ideal, soubesse que o factor de qualidade de L 1 (do transformador) era Q=120, qual seria a nova largura de banda? 2.3 Simule o circuito no Multisim (não se esqueça de introduzir os valores iniciais das tensões dos condensadores C 2 C 3 C 4 e C E ). Com o osciloscópio determine o ganho em tensão à frequência de ressonância e compare com o valor estimado em 2.1. Utilize o Bode plotter e determine a frequência de corte superior e inferior e, desse modo, a largura de banda do amplificador. 2.4 Um circuito muito usado em receptores de rádio utiliza um transformador com tomada média no primário por onde se liga a alimentação como se mostra na figura. O enrolamento extra do primário é usado para ligar um condensador de neutralização (efeito de Miller) que reduz a influência de Cµ de Q2 o que seria muito importante caso Q2 funcionasse em emissor-comum. Explique como se consegue a neutralização do efeito de Miller com este circuito. 2.5 Vamos agora analisar configurações alternativas ao circuito de sintonia com transformador. Vamos sempre considerar, tal como até aqui, que a resistência de carga é de 100 Ω e que a imagem dessa resistência vista no colector de Q2 é 1 kω. Ou seja vamos proceder a uma adaptação de impedâncias de 100 Ω para 1 KΩ. Não estamos a maximizar a transferência de potência que obrigaria a transformar a carga de 100 Ω numa resistência igual a r 0. De facto r 0 vale tipicamente 80 kω e, se a adaptação fosse feita, a resistência que g m v BE veria seria 40 kω e o ganho 40 vezes superior. Vários problemas surgiriam. Em primeiro lugar, para se ter a mesma largura de banda deveríamos usar L 1 40 vezes maior (880 µh é um valor muito pouco prático!). As correntes multiplicadas em L 1 e C 1 seriam muitíssimo elevadas. A grande excursão da tensão de saída poderia trazer
distorção. E, talvez o pior de tudo caso se usasse o emissor comum em vez do amplificador cascódico, o efeito de Miller seria elevadíssimo e o circuito poderia mesmo tornar-se instável. Se quisermos ter a frequência central e a largura de banda que foram calculadas no ponto 2.2 os valores de L e C serão de 5,6 nf e 22 µh quer estejam na configuração série ou paralela. Em ambos os casos a tensão v 0 terá uma amplitude de g m x v BE x 1kΩ. Vamos pois considerar vários tipos de circuitos adaptadores que transformam a impedância R L =100 Ω em R in =1 kω. O circuito adaptador de impedância deve ser pois do tipo adaptador para cima. Isso põe de parte os circuitos adaptadores para baixo. Os circuitos adaptadores Lmatch que aumentam a impedância são indicados na figura. O circuito da direita seria atractivo pois seria facilmente integrado no circuito com L servindo para polarizar Q2 e C bloqueando a corrente DC da carga R L. Contudo, o circuito não oferece a flexibilidade necessária para substituir o transformador inicial. Vejamos isso. A série C R L converte-se no paralelo C P R P. O valor de Q necessário para converter R L em R P é Q=3 como resulta da 2 2 equação: R P=1000=R L(1 + Q ) = 100(1 + 3 ). Este valor de Q fixa o valor de C pois Q = X C /RL = 1/ ω0cr L ou 3 seja C = 1/Qω R = 1 /3 2π 455 10 100 = 1,17nF. 0 L Este condensador de valor C transforma-se em C + 2 = + 2 P=C/(1 Q ) C /(1 3 ) = 0,9C = 1,05nF e, finalmente, para que L ressone com C P à frequência de 455kHz é L = 116,6µ H. Em face destes valores podemos calcular o Q do circuito tanque final. Teremos: RP RP 1000 Q = = = = 3 3 X X 2π 455 10 L L C como não podia deixar de ser. Por causa do valor baixo de Q, a largura de banda do amplificador sintonizado será demasiado grande ou seja BW = f 0 / Q 151kHz. Para termos um factor de qualidade idêntico ao do circuito original ( Q 16 ) teremos que usar um adaptador que ofereça mais um grau de liberdade no projecto. Entre várias possibilidades poderiamos usar adaptadores em T-
match ou π-match. Vamos, porém, usar o circuito divisor capacitivo ( tapped capacitive ) como se mostra na figura. Como temos que dimensionar C1 e C2 vamos supor que eles podem por um lado fixar a frequência de ressonância e por outro conseguir a adaptação de impedância. Ou seja vamos fixar L à partida para que a largura de banda e o factor de qualidade tenham os valores desejados. O valor de L será, portanto, de 22µH. Para analisarmos a adaptação de impedância podemos considerar que existem 2 adaptações/conversões. Em primeiro lugar podemos considerar a conversão entre os pares (R L C 2 ) e (R S C 2S ). Depois podemos considerar um condensador, C EQ equivalente à série C 1 C 2S e considerar a conversão entre os pares (R P C P ) e (R S C EQ ). O factor de qualidade do circuito R S C EQ é igual ao factor de qualidade do circuito R P C P e igual ao factor de qualidade do circuito total RLC, o qual designamos por Q. Pretende-se que este Q seja aproximadamente igual a 16. Na conversão de R S para R L ou de R L para R S (podemos pensar de qualquer destas maneiras) o factor de qualidade é Q2. Teremos: R = R /(1 + Q 2 ) que conduz a R S =3,89 Ω. Como S in também se têm R = + 2 S R L /(1 Q 2), resulta Q 2 =4,97. Quer dizer que podemos interpretar a transformação de impedâncias como uma operação em 2 passos. Primeiro R L é baixado para R S usando Q 2. Depois este R S (virtual) é aumentado para R P =R in usando um Q igual ao Q pretendido (Q=16). C2 obtem-se de Q2 através de Q2 = RLω0C 2 e logo podemos obter 2 C = C (1 + 1 / Q ). C 1 obtem-se tomando em conta que C = 1 /L ω 2 e que 2S 2 2 2 C = C (1 + 1/Q ) e C = C C /(C C ). EQ P 1 2 EQ 2 EQ P 0 Simule no Multisim o funcionamento do circuito com o adpatador por divisor capacitativo e confirme que o seu projecto funciona como pretendido, isto é verifique se a largura de banda é igual à que obtem com o transformador. 3. PLANO DE TRABALHO 3.1 O transformador deveria ter a possibilidade de ser ajustado de modo a conseguir-se uma perfeita sintonia na frequência f0=455khz. Estes transformadores são como se ilustra na figura e normalmente já têm o condensador ressonante montado por baixo da caixa. No laboratório terá que construir um transformador usando fio de cobre esmaltado. Poderá usar uma forma de plástico (tubo VD usado nas cablagens eléctricas) sendo o núcleo de ar. Dependendo do diametro e comprimento do enrolamento (ver
fórmula nos slides) conseguirá a indutância aproximada de 22µH com algumas dezenas de voltas. Isole com fita plástica e enrole por cima o secundário. Remova o esmalte nas terminações e estanhe as mesmas antes de usar o transformador no deck de montagem. Pode também usar um toroide de ferrite. Existem no laboratório toroides com um factor de indutância de 1000 (nh / espira ao quadrado). Serão precisas muito poucas espiras para conseguir os 22µH e a dispersão será minima. Contudo será dificil acertar na relação entre as espiras do primário e secundário. Ligue o circuito sem sinal aplicado e meça as tensões nas bases de Q1 e Q2 bem com as tensões no emissor de Q1, emissor de Q2 e colector de Q2 (esta tensão deve ser igual a V CC ). Se estes valores estiverem dentro das suas previsões, avance para a determinação da largura de banda. 3.2 Mantendo fixa a amplitude do sinal aplicado na entrada, varie a frequência deste e observe no osciloscópio a tensão na carga de 100Ω. Deverá obter um pico quando para f=455khz. Se a frequência de ressonância estiver muito longe deste valor retire ou acrescente um ou mais pequenos condensadores em paralelo com C1. Não se preocupe se não conseguir a sintonia exacta admita que o enunciado lhe propunha o valor que conseguiu obter! Meça o ganho máximo em dbs e a largura de banda (o que é equivalente a medir o factor de qualidade do circuito tanque). 3.3 Use agora a configuração de adaptação de impedância com o divisor capacitativo. Pode usar uma indutância de 22µH ou o primário do transformador anterior (com o secundário em aberto). Meça o valor do ganho em tensão e a largura de banda e compare com os valores encontrados na montagem anterior. Projecto facultativo - como complemento a este trabalho poderá programar uma folha de cálculo para obter os valores de LL e CC que devem ser usados nos adaptadores de impedância de banda estreita. Como dados de entrada deverá ter R L R IN, Q (largura de banda) e ω 0. Considere pelo menos 2 circuitos concretos à sua escolha: um circuito elevador e outro diminuidor. Como exemplo pode ver a folha de cá culo para o adaptador usado neste trabalho prático (que pode descarregar na WOC da disciplina). Entregar até 4 de Novembro.
Trabalho Prático Nº3 Amplificador Sintonisado 2. PREPARAÇÃO DO TRABALHO 2.1 IC1= IC2= g m = h FE = r X = G V = 2.2 f O = f H -f L = Q= Q = 2.3 G V = f O = f H = f L = 2.4 A neutralização do efeito de Miller consegue-se 2.5 C1= C2= G V = f 0 = f H -f L = 3. REALIZAÇÃO DO TRABALHO 3.1 V B1 = V B2 = V E2 = V C2 = 3.2 G V = f O = f H = f L = 3.3 G V = f O = f H = f L =