Aula Prática 01. O Amplificador Diferencial e Aplicações

O Amplificador Diferencial e Aplicações

O objetivo desta aula prática é estudar o amplificador diferencial, suas propriedades e aplicações. A técnica adotada é reforçar a noção de associação de amplificadores em emissor comum no projeto e análise dos amplificadores diferenciais.

II - Componentes e Instrumentos

O principal componente necessário é o circuito integrado CA3046, que possui 5 transistores npn casados, conforme diagrama de conexões da figura 1. Além disto serão utilizados resistores de precisão (1%) na faixa de 10KΩ para facilitar a montagem de amplificadores emissor comum casados.

Figura 1 – O Circuito integrado CA3046

III - Leitura

O material para esta prática está nas seções 6.1 a 6.3 do livro texto.

IV – Preparação

IV.1 – Polarização e Parâmetros C.C.

a) Para o circuito mostrado na figura 2, as seguintes medidas foram realizadas: Nós A e B: -0,082V e –0,079V; Nós C e D: -0,771V e –0,760V; Nós E e F: +5,21V e 5,18V. As tensões de alimentação são respectivamente 15,03V e –10,3V. Calcule as correntes de emissor, coletor e base de cada transistor, bem como VBE, β e α,

IV.2 – Amplificação

a) Para a situação descrita na primeira etapa de V.2, com β=∞, n=1 e IE =1mA, qual o

ganho esperado de A para C e de A para E?

b) Com os nós C e D conectados pelo resistor de 1KΩ, calcule os ganhos A para C, E, D, F. Calcule os ganhos novamente com os pontos C e D curto circuitados. IV.3 – Resistência de Entrada

a) Para a situação mostrada na figura 3, com β=100 e n=1, estime a resistência de entrada à direita do nó A com Re=0Ω ou 100Ω e com o ponto B como mostrado ou aterrado. Calcule portanto 4 valores no total.

IV.4 – Colocando Carga no Amplificador

a) Para o amplificador da figura 3, com β=∞ , n=1, nó B aterrado, e Re = 100Ω, encontre o ganho de A para E, de A para F, de A para o ponto médio entre E e F em duas condições: sem carga e com dois resistores de carga de 10 KΩ em série entre os nós E e F.

IV.5 – Rejeição de Modo Comum

a) Calcule o ganho de modo comum para o circuito da figura 4 com β=∞. IV.6 – Aperfeiçoando o Circuito

a) Para o circuito da figura 5 com os nós A e B aterrados, alto β e VBE = 0,70V,

calcule as tensões nos pontos C, D, E, F, G, H, J e correntes nos transistores. IV.7 – Ganho diferencial e Razão de Rejeição de Modo Comum

a) Para a situação descrita no ítem V.7, ve = vf = 0,49Vpp quando um sinal de 5Vpp é

aplicado no nó I com o nó B aterrado. No entanto, ve e vf diferem de 10 mV quando

um sinal de 5Vpp é aplicado no nó B com I aterrado. Calcule os ganhos de modo comum, ganho diferencial e CMRR em dB.

V - Parte Prática

V.1 - Polarização e Parâmetros C.C.

Objetivo: Explorar os aspectos relativos à polarização das duas metades do amplificador diferencial.

Montagem: Monte os dois circuitos apresentados na fig. 2 usando o CA3046. Use resistores de precisão. Quanto mais casados os resistores, melhor será o funcionamento do circuito. Lembre-se de colocar na montagem capacitores cerâmicos de 0,1µF nas fontes de alimentação. Note que os transistores npn deste C.I. são

circuito. Neste caso, o substrato é conectado à fonte C.C. negativa.

Para simplificar as medições sobre o circuito, evitaremos a utilização de amperímetros. Deste modo, são medidas as tensões nos nós do circuito e as correntes são calculadas pela lei de Ohm.

Medições:

a) Meça as tensões dos nós A até F e as tensões de alimentação. Calcule as correntes de emissor, coletor e base de cada transistor. Calcule também α, β e a tensão vBE de cada transistor.

E F C D 9 10 11 6 7 8 + 15V -10,0V -10,0V + 15V RE 1 10,5K RC1 10,5K RB 1 10,5K RB 2 10,5K RC2 10,5K RE 2 10,5K Q 1 CA 3046 Q 2 CA 3046 B A

Figura 2 – Amplificadores em emissor comum

b) Conecte os nós C e D (que tinham aproximadamente a mesma tensão) e meça as tensões nos nós A até F. Note que estes valores são praticamente os mesmos do ítem a.

c) Com os nós C e D conectados e A aberto, conecte o ponto B ao tap central de um potenciometro de 10 KΩ através de um resistor de 1 MΩ. O potenciometro deve ser conectado às fontes de +15V e –10 V. Ajuste Rp até obter zero volts entre os pontos E e F. Meça as tensões nos pontos A, B e P, tap central do potenciometro. Análise: Reflita sobre o que foi feito: Você compensou os desvios de entrada do amplificador diferencial, que incluem a tensão de offset de entrada, devida às diferenças das características das junções base-emissor dos transistores e a diferença entre as correntes de polarização (ou seja, corrente de offset de entrada) nos resistores de base. Estime a tensão de offset de entrada. Qual a corrente de offset de entrada ?

V.2 – Amplificação

Objetivos: Estudar a mplificação de sinais do amplificador diferencial

Montagem: No circuito básico da figura 2, conecte o gerador de sinais a um divisor de tensão com resistores de 10KΩ e 100Ω e conecte o divisor de tensão ao nó A. Aplique um sinal senoidal de 1Vpp em 1 KHz. Aterre o nó B. Note que como as duas bases estão práticamente aterradas em C.C., as tensões de emissor serão essencialmente as mesmas.

Medições:

a) Conecte o canal A do osciloscópio ao nó I e meça as tensões pico a pico nos nós A, C e E. Qual o ganho de tensão de A para C? e de A para E?

b) Agora conecte os nós C e D com um resistor Re=1KΩ. Meça as tensões nos nós A até F. Quais os ganhos de tensão de A para C? de A para E? de A para D? de A para F?

c) Agora repita o processo acima com Re=0, ou seja, com os nós C e D conectados. Meça as tensões pico a pico nos nós A, E, F e CD. Encontre os ganhos de A para E, de A para F e de A para CD.

V.3 - Resistência de Entrada

Objetivo: Avaliar a resistência de entrada de um amplificador diferencial.

Montagem: Modifique o circuito conforme mostra a figura 3, onde um resistor de 10kΩ foi introduzido em série com a base. Use um sinal de 1Vpp 1kHz, senoidal como entrada.

Nota: Como existem acopamentos parasitas entre os dispositivos do CA3046, o circuito da figura 3 pode oscilar depedendo dos transistores do C.I. que são utilizados. Para evitar isto, utilize os transistores mostrados na figura 2.

Medições:

a) Com Re = 0, utilize o osciloscópio para medir as tensões pico a pico nos nós X, A, B, E, e F.

b) Repita a medição com o nó B aterrado.

c) Repita a medição com o nó B aterrado e com Re= 100Ω.

Análise: O que você pode aprender sobre o amplificador com estas medidas? Por exemplo, qual é o ganho de tensão para sinais de entrada aplicados entre os nós A e B e com a saída medida em E? e com a saída em F? e com a saida de E para F? Com as tensões medidas nos pontos X e A, calcule o valor da corrente de entrada de Q1 e calcule a resistência de entrada do circuito nas diversas condições acima. Reflita sobre os resultados.

-10V -10V E F C D 9 10 11 6 7 8 I X A RE 1 10,5K RC1 10,5K RB 2 10,5K RC2 10,5K RE 2 10,5K Q 2 CA 3046 Re 100R Q 1 CA 3046 R2 10K R1 10K R3 100R

+

Figura 3 – Amplificador diferencial alimentado por fonte única

V.4 - Colocando carga no amplificador

Objetivo: Verificar os meios de se conectar cargas a um amplificador diferencial. Montagem: No amplificador da figura 3, curtocircuite os nos X e A, aterre o nó B e faça Re =100Ω. Utilize uma entrada senoidal de 1Vpp em 1 KHz.

Medições:

a) Coloque o sinal do nó I em um dos canais do osciloscópio e meça as tensões nos nós A, E e F.

b) Conecte aos nós E e F um resistor de carga de 10 KΩ através de um capacitor de bloqueio de 10µF. O terminal positivo de cada capacitor deve ser conectado ao coletor do respectivo transistor.

Nota: Estes capacitores são grandes e inapropriados para uso em circuitos integrados, mas constituem uma forma de se conectar cargas a um amplificador sem perturbar sua polarização C.C..

c) Conecte diretamente (sem usar os capacitores) os dois resistores de carga de 10KΩ em série entre os nós E e F. Meça as tensões pico a pico nos nós A, E, F e P, ponto médio da carga.

Análise: Calcule os ganhos de A para E e F em todos os casos acima. O resultado está de acordo com a noção geral de que o ganho é proporcional a resistência do coletor? Note que no último caso (carga flututante) a carga é alimentada em modo diferencial e seu ponto médio é praticamente um terra C.A. Observe que se a carga pode flutuar nenhum capacitor de bloqueio é necessário. Para um único resistor de carga de valor igual a 10KΩ que pode tanto ser aterrado quanto conectado em modo diferencial, qual a conexão que garante maior ganho? Qual o valor deste ganho?

V.5 - Rejeição de modo comum

Objetivo: Verificar a resposta do amplificador diferencial para sinais de modo comum, ou seja, sinais aplicados às duas entradas simultâneamente.

Montagem:

Monte o circuito da fig. 6.4.

F 11 6 7 E 9 C A D 8 I 10 H -10,0V + 15V _{+ 15V} -10,0V RB 2 10,5K R2 100K

+

Figura 6.4 – Amplificador diferencial alimentado por sinal de modo comum

Medições:

a) Aplique um sinal senoidal de 2Vpp em 1KHz à entrada comum. Meça o sinal pico a pico nos nós I, A e F.

Análise: Calcule os ganhos de modo comum de A(B) para F e as resistências de entrada de modo comum vista dos nós A e B.

V.6 - Aperfeiçoando o Circuito

Objetivo: O objetivo deste ítem é estudar um amplificador diferencial mais próximo dos utilizados em circuitos integrados.

Montagem: Monte o circuito da figura 5. Os resistores de 10,5KΩ e de 4,75 KΩ devem ser casados e sugere-se portanto a utilização de resistores de precisão. Observe que o substrato (pino 13) está conectado a uma tensão negativa e é utilizado na parte C.C. do circuito. Novamente, existe a possibilidade do circuito oscilar, principalmente com baixos valores de Re. Neste caso não existem muitas possibilidades de escolha dos transistores. Para minimizar estes efeitos faça a fiação do circuito a mais curta possível. Se as oscilações persistirem conecte um pequeno capacitor, digamos 100 pF

enormemente os ganhos devido a acoplamentos parasitas, internos ao circuito integrado, que ocorrem em frequências acima de 1MHz.

+ 15V + 15V -10V -10V -10V + 15V C F 6 E 9 8 11 7 _D 10 B A 14 13 12 5 3 4 G J H Q 2 _{CA 3046} RC1 10,5K RC2 10,5K Re 100R Q 1 CA 3046 Q 4 CA 3046 R4 22K R2 5,6K R3 4,75K R1 4,75K CA 3046 Q 3 X Z + 15V -10V Rp 10K R6 100K R5 1K (a) (b) Figura 5 – Um amplificador diferencial aperfeiçoado Medições:

a) Com os nós A e B aterrados e Re = 1KΩ, meça com um multímetro as tensões nos pontos C a J. Verifique a operação do circutio e níveis de corrente de polarização. b) Curto circuite Re e meça as tensões dos nós E e F. VEF é a tensão de offset de

saída.

c) Retire o nó B do terra e conecte-o ao ponto X do divisor de tensão da figura 5.b. Ajuste Rp até que a tensão entre os nós E e F seja zero. Meça a tensão do nó Z. A tensão de offset de entrada é aproximadamente igual a 1% deste valor.

Análise: A compensação de offset é um aspecto importante do projeto de circuitos eletrônicos. O método introduzido acima poderia se usado com amplificadores operacionais comerciais. Alternativamente, os fabricantes de AO’s permitem o ajuste da tensão de offset de entrada através de um resistor, semelhante a um dos resistores de 4,75KΩ do circuito da figura 5, deixando livres as entradas inversora e não inversora do amplificador.

Ganho diferencial e razão de rejeição de modo comum

Objetivo: Estudar as características de ganho deste amplificador, inclusive a razão de rejeição de modo comum.

Montagem: Aumente o circuito da figura 5 conectando um resistor de 1KΩ entre os nós A e B e conectando outro resistor de 100KΩ ao nó A. Chame de nó I a extremidade livre deste resistor. Esta montagem será usada para injeção de sinais de modo comum e sinais diferenciais.

Medições:

a) Com Re=1KΩ, aterre o nó B e alimente o nó I com um sinal senoidal de 5Vpp em 1 KHz. Meça as tensões nos nós A, E e F.

b) Inverta a conexão: aterre o nó I e alimente o nó B com o sinal senoidal de 5Vpp 1KHz. Meça novamente as tensões nos nós A, E, F.

c) Repita b) com a frequência do sinal igual a 100KHz.

Análise: Considere o fato de que as saídas nos ítens A e B acima diferem apenas pelo efeito do ganho de modo comum. As tensões nas saídas E e F devido a sinais de modo diferencial na entrada aparecem em oposição de fase. Para sinais de modo comum as tensões nestes pontos estão em fase. Em função disto calcule o ganho de modo comum. Calcule o CMRR deste amplificador. Observe o decréscimo do CMRR com a frequência com os resultados da letra c).