Eletrônica II. Apostila de Laboratório

(1)

Eletrˆ

onica II

Apostila de Laborat´

orio

Professor: Germano Maioli Penello

Departamento de Eletrˆ

onica e Telecomunica¸c˜

oes (DETEL)

Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

(2)

Eletrˆonica II

Pref´

acio

Esta apostila de laboratório tem como objetivo descrever experimentos de MOSFETs e BJTs que podem ser realizados como parte da prática labo-ratorial da disciplina Eletrônica II. A versão atual desta apostila está sendo elaborada pelos professores Germano Maioli Penello, Frederico Pontes, Dou-glas Mota Dias e Téo Cerqueira Revoredo.

Esta versão teve como base inicial a apostila de transistores bipolares do professor Téo Cerqueira Revoredo. Junto com o professor Téo, os monito-res Caio Cesar Peraphan Lima (2014) e Leonardo Moizinho Pinheiro (2016) participaram da elabora¸cão inicial desta apostila.

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Experiˆ

encia 1

Caracter´ıstica IxV - NMOS

1.1 Objetivo

Estudar as caracter´ısticas IxV de um transistor NMOS:

• Simulando o funcionamento de um transistor para investigar a rela¸c˜ao de corrente de dreno vs. tens˜ao VGS e VDS.

• Implementando um circuito e medindo as curvas de ID vs. VGS e IC

vs. VDS.

• Extraindo os valores de e κn , Vth e λn.

1.2 Material recomendado

• Material de laborat´orio.

• 1 transistor NMOS tipo intensifica¸cão (CD4007) - Apresente a pinagem desse componente no pré-relatório.

• Protoboard, fios, resistores.

1.3 Simula¸

c˜

ao

Considere o circuito da Figura 1.1. Projete o circuito no seu programa de simula¸c˜ao e conecte as fontes de alimenta¸c˜ao CC na porta e no dreno do transistor.

(4)

Eletrˆonica II

Figura 1.1: Circuito para determinar as caracter´ısticas IxV do transistor NMOS.

1.3.1 I

D

vs. V

GS

Mantendo VDS em um valor constante de 5 V, varie o valor da tens˜ao na

porta de 0 at´e 5 V em incrementos de 0.1 V. Desenhe a curva ID vs. VGS. A

que valor de VGS a corrente come¸ca a aumentar?

1.3.2 I

D

vs. V

DS

Para trˆes valores de VGS (2.5 V, 3.0 V e 3.5 V), varie o valor da tens˜ao no

dreno de 0 at´e 5 V em incrementos de 0.1 V. Desenhe a curva ID vs. VDS

em um ´unico gr´afico, indicando os valores de VGS para cada uma das curvas.

1.4 Experimento

Monte o circuito da Figura 1.1, usando de uma fonte de alimenta¸c˜ao para gerar as tens˜oes CC.

1.4.1 I

D

vs. V

GS

Mantendo VDS em um valor constante de 5 V, aumente a tens˜ao da porta

de 1.0 V at´e 3.5 V em incrementos de 0.25 V, e me¸ca a corrente de dreno (Como medir essa corrente?). Desenhe a curva de ID vs. VGS. A qual valor

(5)

Eletrˆonica II

1.4.2 I

D

vs. V

DS

Para trˆes valores de VGS (2.5 V, 3.0 V e 3.5V), varie o valor da tens˜ao no

dreno de 0 at´e 3.5 V em incrementos de 0.5 V, e me¸ca a corrente de dreno (Como medir essa corrente?). Desenhe as curvas de ID vs. VDS em um gr´afico

´

unico, indicando claramente os valores de VGS para cada uma das curvas.

1.5 Exerc´ıcios ap´

os as medidas

1.5.1 Simula¸

c˜

ao vs. medidas

Quais s˜ao as principais diferen¸cas entre as curvas medidas e simuladas? Qual o motivo dessas diferen¸cas?

Extra¸cão de parâmetros Tensão (Threshold ), Vth

Baseado na medida ID vs. VGS, determine o valor de VGS para qual o

transis-tor liga. Guarde este valor como a tens˜ao de limiar (ou gatilho ou Threshold Vth do seu transistor.

Parˆametro de trancondutˆancia do MOSFET, κn

Baseado no valor da corrente de dreno ID com VGS = 3.0V , e usando o

modelo de satura¸c˜ao do transistor, i. e., ID = (1/2)κn(VGS− Vth)2, extraia o

valor de κn= µnCos(W/L). Utilizando o valor extra´ıdo de Vth e κn, fa¸ca um

gr´afico de ID vs. VGS, usando o modelo de satura¸c˜ao. Compare esta curva

com a curva medida e com a simulada. Existem diferen¸cas? Qual o motivo dessas diferen¸cas?

Tens˜ao Early, VA

Baseado na sua medida ID vs. VDS, para o transistor em satura¸c˜ao, extraia

o valor da tens˜ao Early VApara cada tens˜ao VGS. O valor de VAse altera

sig-nificativamente para cada valor de VGS? Qual o valor m´edio de VA? Baseado

no valor m´edio de VA, calcule λ = 1/VA.

Apresente os resultados do transistor medido em uma tabela contendo Vth, κn e VA com suas respectivas unidades.

(6)

Eletrˆonica II

1.5.2 Extra

Se vocˆe tiver acesso a um analisador de parˆametros de semicondutores, gere a curva ID vs. VDS usando o analisador. Como essas curvas se comparam

(7)

Experiˆ

encia 2

NMOS em corrente cont´ınua

2.1 Objetivo

Estudar um transistor NMOS polarizado:

• Completando a análise DC de três circuitos: (1) transistor polarizado na região de satura¸cão. (2) transistor polarizado na região de triodo, e (3) um transistor conectado como um diodo.

• Simulando os circuitos para se comparar os resultados com a an´alise te´orica.

• Implementando os circuitos de forma experimental, realizando medidas e comparando a performance do circuito experimental com os resulta-dos te´oricos e simulados

• Observa¸c˜ao qualitativa do impact das varia¸c˜oes entre transistores NMOS

2.2 Material

• Material de laborat´orio.

• 1 transistor NMOS tipo intensifica¸cão (CD4007) - Apresente a pinagem desses dois componentes no pré-relatório.

(8)

Eletrˆonica II

Figura 2.1: Circuito para operar um transistor NMOS nas regi˜oes de sa-tura¸c˜ao e triodo.

2.3 NMOS na regi˜

ao de satura¸

c˜

ao

Projete o circuito da figura 2.1 tal que ID = 1 mA, VG = 0 V, e VD = +5

V. Utilize fontes de tensão de V+ = −V− = 15V . Após os cálculos teóricos,

utilize os valores dos resistores comerciais apresentados no apêndice B como referência para obter as resistências projetadas (associe resistores em série ou paralelo para que o valor da resistência utilizada seja próxima do valor ideal). Recalcule o valor da corrente ID com o valor nominal dos resistores

comerciais. Qual a diferen¸ca entre o valor de ID recalculado com o valor ideal

de 1mA? Essa diferen¸ca ´e significativa?

2.3.1 C´

alculos

• Desenhe o circuito, nomeando claramente os terminais do transistor. • Baseado na experiˆenca passada (experiˆencia 1), calcule VOV.

• Baseado na experiˆenca passada (experiˆencia 1), compare Vtn com o

valor fornecido pelo datasheet. Qual o valor de VS?

• Agora vocˆe possui informa¸c˜ao suficiente para calcular RS. Os valores

calculados estão dispon´ıveis em valores comerciais? É poss´ıvel alcan¸car esses valores usando combina¸cões de resistências? Comente.

• Agora vocˆe possui informa¸c˜ao suficiente para calcular RD. Os valores

(9)

Eletrˆonica II

esses valores usando combina¸c˜oes de resistˆencias? Comente.

• Quais os valores de R1 e R2? Comente sobre sua escolha.

2.3.2 Simula¸

c˜

ao

• Simule o circuito utilizando os valores calculados de RS, RD, R1 e R2.

• Obtenha da simula¸c˜ao os valores de VS, VG, VD e ID. Os valores

simu-lados est˜ao de acordo com os valores calculados?

2.3.3 Projeto e medi¸

c˜

ao

• Monte o circuito em um protoboard.

• Leia o manual da fonte de tensão e explique como utilizá-la como uma fonte simétrica +15V e −15V .

• Utilizando um mult´ımetro, me¸ca VS, VG e VD.

• Usando o mult´ımetro, me¸ca os valores de todos as resistências com três casas decimais de precisão.

2.3.4 Atividade p´

os-medi¸

c˜

ao

• Quais s˜ao os valores medidos de VGS e VDS? Como eles se

compa-ram com os valores calculados? Explique quaisquer discrepâncias. O transistor está na região de opera¸cão de triodo?

• Baseado nos valores medidos de VS e VD e as medidas das resistˆencias,

determine o valor de ID?

2.4 NMOS na regi˜

ao de triodo

Projete novamente o circuito da figura 2.1 tal que ID = 1 mA, VD = +2V e

VDS = 0.5 V. Utilize fontes de tens˜ao de V+ = −V− = 15 V. Note que nesta

(10)

Eletrˆonica II

2.4.1 C´

alculos

• Desenhe o circuito, nomeando claramente os terminais do transistor. • Calcule VOV e VGS. Qual o valor de VG?

• Agora vocˆe possui informa¸c˜ao suficiente para calcular RS. Os valores

• Quais os valores de R1 e R2? Comente sobre sua escolha.

2.4.2 Simula¸

c˜

ao

• Simule o circuito utilizando os valores calculados de RS, RD, R1 e R2.

• Quais s˜ao os valores de VS, VG, VD e ID. Os valores simulados est˜ao

de acordo com os valores calculados? (Nota: o simulador utiliza um modelo mais completo do transistor. Este modelo se aproxima mais de um transitor real. Pequenas varia¸c˜oes entre o valor calculado e o simulado s˜ao esperadas.)

2.4.3 Projeto e medi¸

c˜

ao

• Monte o circuito em um protoboarrd.

2.4.4 Atividade p´

os-medi¸

c˜

ao

• Quais s˜ao os valores medidos de VGS e VDS? Como eles se comparam

com os valores calculados? Explique quaisquer discrepˆancias.

(11)

Eletrˆonica II

Figura 2.2: Circuito com um transistor NMOS conectado como um diodo.

2.5 transistor conectado como um diodo

Projete o circuito da figura 2.2 tal que ID = 1 mA e RS = 15kΩ. Utilize

fontes de tens˜ao de V+ = −V− = 15 V.

2.5.1 C´

alculos

• Desenhe o circuito, nomeando claramente os terminais do transistor. • Qual é a região de opera¸cão do transistor? Calcule VOV. Qual o valor

de VS e VD?

2.5.2 Simula¸

c˜

ao

(12)

Eletrˆonica II

• Apresente os valores de VS, VG, VD e ID. Os valores simulados est˜ao

de acordo com os valores calculados?

2.5.3 Projeto e medi¸

c˜

ao

• Monte o circuito em um protoboarrd.

2.5.4 Atividade p´

os-medi¸

c˜

ao

• Como os valores medidos se comparam com os valores calculados? Ex-plique quaisquer discrepˆancias.

determine o valor de ID?

2.6 extra

• Reutilize o circuito da parte 2.3, assim como os valores de RD e RS

calculados. No entanto, substitua o divisor de tens˜ao R1 e R2 com um

potenciômetro de 10-k de 20 voltas, com o pino central conectado no terminal de porta do transistor. Isso permitirá que você ajuste a tensão DC na porta.

• Gradualmente aumente a tensão da porta, anotando os valores medidos de VS, VG e VD. O que você observa? Você pode indicar os pontos de

(13)

Experiˆ

encia 3

Amplificador Fonte Comum

-NMOS

3.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador fonte comum - NMOS:

• Completando a análise DC e a análise de pequenos sinais de acordo com o comportamento teórico.

• Simulando o circuitos para comparar os resultados com os c´alculos te´oricos.

• Implementando os circuitos de forma experimental, realizando medidas e comparando se a performance do circuito montado com os resultados te´oricos e simulados.

• Medindo a resistˆencia de sa´ıda.

• Observando qualitativamente o impacto das varia¸c˜oes de transistor pra transistor

3.2 Materiais

• Material de laborat´orio (equipamentos, protoboard ) • 1 Transistor NMOS do tipo intensifica¸c˜ao (CD4007)

• 3 capacitores com alto valor de capacitˆancia (por ex. 47 µF ) • Fios e resistores de valores variados

(14)

Eletrˆonica II

Figura 3.1: Circuito amplificador fonte comum NMOS.

3.3 Projeto e simula¸

c˜

ao

Considere o circuito mostrado na figura 3.1. Projete o amplificador para alcan¸car um ganho de pequeno sinal de ao menos Av = −5V /V . Use

fon-tes de V+ = −V− = 15V , Rsig = 50Ω, RL = 10kΩ, RG = 10kΩ, e uma

corrente ID = 1mA. Após os cálculos teóricos, utilize os valores dos

resis-tores comerciais apresentados no apêndice B como referência para obter as resistências projetadas (associe resistores em série ou paralelo para que o va-lor da resistência utilizada seja próxima do valor ideal). Recalcule o valor da corrente ID com o valor nominal dos resistores comerciais. Qual a diferen¸ca

entre o valor de ID recalculado com o valor ideal de 1mA? Essa diferen¸ca ´e

significativa? Apresente o datasheet do transistor que estiver utilizando.

3.3.1 An´

alise DC - ponto de polariza¸

c˜

ao

• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os trˆes capacitores de acoplamento CC1, CC2 e CS por circuitos abertos (para simplificar, vocˆe

pode omitir vsig, Rsig e RL).

• Determine o valor de VOV. Determine o valor de gm. Determine o valor

de VGS. (Lembre-se que o valor real de Vtn ´e ligeiramente diferente do

valor nominal. Como determinar o valor de Vtn sem ter que confiar no

(15)

Eletrˆonica II

• Calcule ro.

• Agora você já tem informa¸cão suficiente para calcular RS. O valor

calculado é dispon´ıvel comercialmente? Você pode obter este valor com uma combina¸cão de resistores? Comente.

• Note que at´e o momento ainda n˜ao determinamos VDS nem RD.

3.3.2 An´

alise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais. Substitua os capa-citores por curto-circuitos (o que acontece com RS?), e substitua V+

por uma conex˜ao com o terra. O que acontece com V-? Nomeie o terminal de porta do transistor como vi, ou seja, o sinal de tens˜ao de

baixa amplitude na entrada (Lembre-se da aproxima¸c˜ao de pequenos sinais).

• Determine a razão vi/vsig? Como você poderia aproximá-la em futuros

c´alculos?

• Encontre uma express˜ao para o ganho Av = vo/vi. Qual o valor de RD

que produz um ganho de sinal pequeno de ao menos Av = −5V /V ?

O valor calculado de RD est´a dispon´ıvel comercialmente? Vocˆe pode

obter este valor com uma combina¸c˜ao de resistores? Comente.

• Qual é a tensão DC no terminal de dreno? Essa tensão está de acordo com o transistor operando na região de satura¸cão? Explique.

• Qual ´e a resistˆencia de sa´ıda, Ro?

3.3.3 Simula¸

c˜

ao

• Simule a performance de seu circuito. Utilize capacitores CC1 = CC2=

CE = 47µF e os valores de RS e RD baseados nos seus c´alculos

anterio-res. Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 10mVpk−pk como vsig. (Note

que vsig n˜ao tem componente DC.)

• A partir dessa simula¸c˜ao, anote os valores DC de VGS, VDS e ID. O qu˜ao

próximo eles estão dos valores calculados? (Lembre-se que a simula¸cão tem seu modelo próprio, muito mais complexo, do transistor.)

• A partir dessa simula¸cão, observe Av. O quão próximo ele está do valor

(16)

Eletrˆonica II

3.4 Projeto

• Monte om circuito no protoboard utilizando os valores especificados e os calculados. Note que Rsig representa a resistˆencia do gerador de

fun¸c˜oes, portanto n˜ao deve ser inclu´ıdo no seu circuito.

3.5 Medi¸

c˜

oes

• Medi¸cão do ponto de polariza¸cão: Usando um mult´ımetro, me¸ca as tensões DC nos terminais de porta(VG), dreno(VD) e fonte(VS) do

tran-sistor.

• Medi¸cão AC : Usando o gerador de fun¸cões, aplique uma onda senoidal de 1kHz e 10mVpk−pk sem componente DC (Se o gerador de fun¸cões

n˜ao atingir esse valor de 10mVpk−pk, utilize o menor valor poss´ıvel do

equipamento.)

• Com o oscilosc´opio, gere os gr´aficos das formas de onda de vo e vi vs.

t.

• Resistˆencia de sa´ıda Ro: Substitua RL por uma resistˆencia de 1M Ω e

repita a medida AC acima. Qual ´e a amplitude da forma de onda de sa´ıda? Guarde este valor. Modifique o valor de RL at´e encontrar um

valor tal que que a amplitude da forma de sa´ıda seja aproximadamente metade do que era para o resistor de 1M Ω. Esse novo valor de RL´e a

resistência de sa´ıda Ro. Explique o porquê deste método fazer sentido. Como isso se compara ao valor que você calculou anteriormente no passo 2? Dica: Não pode ser maior do que o valor de RD.

• Explora¸c˜oes adicionais: O que ocorre com a forma de onda da sa´ıda conforme vocˆe aumenta a amplitude do sinal de entrada para 1Vpk−pk?

Em qual amplitude de entrada vocˆe come¸ca a notar distor¸c˜ao signifi-cativa? Explique.

• Varie a frequência da senóide gerada pelo gerador de fun¸cões. Qual a faixa de frequências que este amplificador funciona?

(17)

Eletrˆonica II

3.6 Exerc´ıcios p´

os-medi¸

c˜

ao

quais são os valores reais de todas as correntes? Como elas se comparam aos seus cálculos anteriores? Explique quaisquer discrepâncias.

• Qual ´e o valor medido de Av? Como este se compara aos seus c´alculos

anteriores? Explique quaisquer discrepˆancias.

3.7 An´

alise adicional

• Em vez de conectar RG ao terra, tente conect´a-lo ao terminal de dreno

do transistor. Repita a medi¸cão do ponto de polariza¸cão e do ganho de pequenos sinais. Qual foi a altera¸cão na medida? As resistências RD e

(18)

Experiˆ

encia 4

Amplificador Fonte Comum

com Degenera¸

c˜

ao de Fonte

-NMOS

4.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador fonte comum com resistor de degenera¸c˜ao de fonte - NMOS:

4.2 Materiais

(19)

Eletrˆonica II

Figura 4.1: Circuito amplificador fonte comum NMOS com resistor de dege-nera¸c˜ao de fonte, RS1.

• Fios e resistores de valores variados

4.3 Projeto e simula¸

c˜

ao

Considere o circuito mostrado na figura 4.1. Projete o amplificador para alcan¸car um ganho de pequeno sinal de ao menos Av = −4V /V com RS1 =

220Ω. Use fontes de V+ = −V−= 15V , Rsig = 50Ω, RL= 10kΩ, RG = 10kΩ,

e projete o circuito para ID = 1mA. Após os cálculos teóricos, utilize os

va-lores dos resistores comerciais apresentados no apêndice B como referência para obter as resistências projetadas (associe resistores em série ou paralelo para que o valor da resistência utilizada seja próxima do valor ideal). Re-calcule o valor da corrente ID com o valor nominal dos resistores comerciais.

Apresente o datasheet do transistor que estiver utilizando.

4.3.1 An´

alise DC - ponto de polariza¸

c˜

ao

• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os trˆes capacitores de acoplamento CC1, CC2 e CS por circuitos abertos (para simplificar, vocˆe

(20)

Eletrˆonica II

valor nominal?)

• Calcule rO.

• Agora você já tem informa¸cão suficiente para calcular RS1 + RS2 e,

consequentemente, determinar RS2.

• Os valores de RS1 e RS2 est˜ao dispon´ıveis comercialmente? Vocˆe pode

• Nota: at´e o momento n˜ao determinamos VDS nem RD.

4.3.2 An´

alise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais. Substitua os capa-citores por curto-circuitos (o que acontece com RS2?), e substitua V+

por uma conex˜ao com o terra. O que acontece com V-? Nomeie o terminal de porta do transistor como vi, ou seja, o sinal de tens˜ao de

c´alculos?

• Encontre uma express˜ao para o ganho Av = vo/vi. Qual o valor de RC

que produz um ganho de sinal pequeno de ao menos Av = −4V /V ?

4.3.3 Simula¸

c˜

ao

CE = 47µF e os valores de RS1, RS2 e RD baseados nos seus c´alculos

anteriores. Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 10mVpk−pk como vsig.

(21)

Eletrˆonica II

• A partir dessa simula¸c˜ao, anote os valores DC de VGS, VDSe ID. O qu˜ao

calculado?

4.4 Projeto

4.5 Medi¸

c˜

oes

tran-sistor.

equipamento.)

t.

• Distor¸c˜ao: O que ocorre com a forma de onda da sa´ıda conforme vocˆe aumenta a amplitude do sinal de entrada para 1Vpk−pk? Em qual

ampli-tude de entrada vocˆe come¸ca a notar distor¸c˜ao significativa? Explique.

(22)

Eletrˆonica II

• Medi¸c˜ao adicional : O que acontece se vocˆe diminuir o valor de RS1

para 200Ω mantendo o valor de RS1+ RS2 constante?

4.6 Exerc´ıcios p´

os-medi¸

c˜

ao

quais são os valores reais de todas as correntes, baseadas em suas me-didas no laboratório? Como elas se comparam aos seus cálculos ante-riores? Explique quaisquer discrepâncias.

4.7 An´

alise adicional

• Inverta a posi¸c˜ao dos resistores RS1 e RS2. Me¸ca o novo ponto de

polariza¸c˜ao DC e o ganho de sinal pequeno. Quais as diferen¸cas com a medida antiga? O que se mant´em igual? Explique este resultado.

(23)

Experiˆ

encia 5

Amplificador Porta Comum

-NMOS

5.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador porta comum - NMOS:

5.2 Materiais

(24)

Eletrˆonica II

Figura 5.1: Circuito amplificador porta comum NMOS.

5.3 Projeto e simula¸

c˜

ao

Considere o circuito mostrado na figura 5.1. Projete o amplificador para alcan¸car um ganho de pequeno sinal de ao menos Av = 5V /V . Use fontes de

V+= −V− = 15V , Rsig = 50Ω, RL= 10kΩ e uma corrente ID = 1mA. Ap´os

os cálculos teóricos, utilize os valores dos resistores comerciais apresentados no apêndice B como referência para obter as resistências projetadas associe resistores em série ou paralelo para que o valor da resistência utilizada seja próxima do valor ideal). Recalcule o valor da corrente IDcom o valor nominal

dos resistores comerciais. Qual a diferen¸ca entre o valor de ID recalculado

com o valor ideal de 1mA? Essa diferen¸ca ´e significativa? Apresente o datasheet do transistor que estiver utilizando.

5.3.1 An´

alise DC - ponto de polariza¸

c˜

ao

• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os trˆes capacitores de acoplamento CC1 e CC2 por circuitos abertos (para simplificar, vocˆe

pode omitir vsig, Rsig e RL).

(25)

Eletrˆonica II

• Agora você já tem informa¸cão suficiente para calcular RS. O valor

calculado é dispon´ıvel comercialmente? Você pode obter este valor com uma combina¸cão de resistores? Comente.

• Note que at´e o momento ainda n˜ao determinamos VDS nem RD.

5.3.2 An´

alise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais. Substitua os capa-citores por curto-circuitos (o que acontece com RS?), e substitua V+

por uma conex˜ao com o terra. O que acontece com V-? Nomeie o terminal de fonte do transistor como vi, ou seja, o sinal de tens˜ao de

c´alculos?

• Encontre uma express˜ao para o ganho Av = vo/vi. Qual o valor de

RC que produz um ganho de sinal pequeno de ao menos Av = 5V /V ?

5.3.3 Simula¸

c˜

ao

47µF e os valores de RS e RD baseados nos seus c´alculos anteriores.

Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 20mVpk−pk como vsig. (Note que

vsig n˜ao tem componente DC.)

• A partir dessa simula¸c˜ao, anote os valores DC de VGS, VDS e ID. O qu˜ao

(26)

Eletrˆonica II

5.4 Projeto

5.5 Medi¸

c˜

oes

tran-sistor.

equipamento.)

t.

• Explora¸c˜oes adicionais: O que ocorre com a forma de onda da sa´ıda conforme vocˆe aumenta a amplitude do sinal de entrada para 2Vpk−pk?

Em qual amplitude de entrada vocˆe come¸ca a notar distor¸c˜ao signifi-cativa? Explique.

• Usando um mult´ımetro, me¸ca os valores de todos as resistências com três casas decimais de precisão.

(27)

Eletrˆonica II

5.6 Exerc´ıcios p´

os-medi¸

c˜

ao

quais ´e o valor real da corrente ID? Como elas se comparam aos seus

c´alculos anteriores? Explique quaisquer discrepˆancias.

5.7 An´

alise adicional

• Usando o gerador de fun¸c˜oes, addicione uma componente DC de 1V ao sinal de entrada vsig e repita as medidas. O ganho Av e o ponto de

(28)

Experiˆ

encia 6

Amplificador Dreno Comum

(Seguidor de fonte) - NMOS

6.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador dreno comum (Seguidor de fonte) - NMOS:

6.2 Materiais

(29)

Eletrˆonica II

Figura 6.1: Circuito amplificador dreno comum (seguidor de fonte) NMOS.

6.3 Projeto e simula¸

c˜

ao

Considere o circuito mostrado na figura 6.1. Utilizando fontes de V+ =

−V− = 15V , Rsig = 50Ω, RG = 10kΩ e uma corrente ID = 1mA, projete

o amplificador para alcan¸car um ganho de pequeno sinal de Av = 0.8V /V .

Qual é o valor m´ınimo de RL que satisfaz esta condi¸cão. Após os cálculos

teóricos, utilize os valores dos resistores comerciais apresentados no apêndice B como referência para obter as resistências projetadas (associe resistores em série ou paralelo para que o valor da resistência utilizada seja próxima do valor ideal). Recalcule o valor da corrente ID com o valor nominal dos

resistores comerciais. Qual a diferen¸ca entre o valor de ID recalculado com

o valor ideal de 1mA? Essa diferen¸ca ´e significativa? Apresente o datasheet do transistor que estiver utilizando.

6.3.1 An´

alise DC - ponto de polariza¸

c˜

ao

• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os capacitores de aco-plamento CC1 e CC2 por circuitos abertos (para simplificar, vocˆe pode

omitir vsig, Rsig e RL). Qual ´e o valor da corrente que passa por RG?

• Determine o valor de VOV (Lembre-se que o valor real de Vtn ´e

ligeira-mente diferente do valor nominal. Como determinar o valor de Vtn sem

ter que confiar no valor nominal?).

• Determine o valor de RS. O valor calculado ´e dispon´ıvel

comercial-mente? Vocˆe pode obter este valor com uma combina¸c˜ao de resistores? Comente.

(30)

Eletrˆonica II

6.3.2 An´

alise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais (Sugest˜ao: Utilize o modelo T e ignore ro). Substitua os capacitores por curto-circuitos (o

que acontece com RS?), e substitua V+ e V− por uma conex˜ao com o

terra. Nomeie o terminal de porta do transistor como vi, ou seja, o sinal

de tens˜ao de baixa amplitude na entrada (Lembre-se da aproxima¸c˜ao de pequenos sinais).

c´alculos?

• Encontre uma express˜ao para o ganho Av = vo/vi.

• Qual o valor de gm?

• Qual ´e o menor valor de RL que satisfaz os requerimentos do projeto?

6.3.3 Simula¸

c˜

ao

CE = 47µF e o valor de RS baseados nos seus c´alculos anteriores.

Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 10mVpk−pk como vsig. (Note que

vsig n˜ao tem componente DC.)

• A partir dessa simula¸c˜ao, anote os valores DC de VGS, VDSe ID. O qu˜ao

calculado?

• Simule uma varredura em frequˆencias e determine a faixa de frequˆencias que o amplificador opera.

6.4 Projeto

(31)

Eletrˆonica II

6.5 Medi¸

c˜

oes

tran-sistor.

equipamento.)

t.

• Usando um mult´ımetro, me¸ca os valores de todos as resistências com três casas decimais de precisão.

6.6 Exerc´ıcios p´

os-medi¸

c˜

ao

quais ´e o valor real da corrente ID? Como elas se comparam aos seus

c´alculos anteriores? Explique quaisquer discrepˆancias.

• O que aconteceria se você utilizasse o gerador de fun¸cões com uma resistêncai de sa´ıda de 50Ω diretamente conectado na resistência de carga? Qual o ganho você obteria? O que aconteceria se a resistêncai de sa´ıda do gerador de fun¸cões mudasse de 50Ω para 5kΩ? Qual a conclusão podemos tirar destas análises?

6.7 An´

alise adicional

• Adicione um resistor de 500Ω entre a sa´ıda do gerador de fun¸c˜oes e o capacitor CC1. Qual a mudan¸ca observada no ganho do circuito?

(32)

Experiˆ

encia 7

Amplificadores de um est´

agio

com TBJ: EC - Conceitos

fundamentais

7.1 Objetivo

O projeto e a análise de amplificadores analógicos muitas vezes não se res-tringem a circuitos com apenas um transistor, mas, em vez disso, agrupam circuitos deste tipo para criar um novo amplificador que contenha todas as propriedades desejadas para a aplica¸cão, a saber: Impedâncias de entrada e sa´ıda e ganho. Antes de se analisar e construir esses amplificadores multi-transistorizados mais robustos, no entanto, deve-se, primeiro, entender os conceitos básicos dos amplificadores com um único transistor.

O objetivo deste experimento é o de familiarizar o aluno com a configura¸cão de amplificador de um único estágio denominada emissor comum (EC) e as suas propriedades.

7.2 Material recomendado

O material recomendado para a experiência é apresentado na Tabela 7.1. Caso os componentes especificados não estejam dispon´ıveis, cabe aos alunos encontrar alternativas que permitam a execu¸cão adequada do experimento.

(33)

Eletrˆonica II

Tabela 7.1: Componentes recomendados.

Componente Quantidade Transistor 2N2222 ou BC547 Resistor de 1kΩ 1 Resistor de 10kΩ 1 Capacitor de 10µF 1 Potenciˆometro de 10kΩ 1 Auto-falante de 8Ω 1

7.3 Procedimento

7.3.1 Polariza¸

c˜

ao para ganho m´

aximo

As propriedades de um amplificador emissor comum são muito afetadas pelo ponto de polariza¸cão e pelos circuitos de polariza¸cão espec´ıficos. Neste expe-rimento, utiliza-se uma fonte de tensão e um resistor de pull up para polarizar o coletor do TBJ e a tensão DC de offset do gerador de fun¸cões (ou de uma fonte DC) para polarizar a base. Em amplificadores multi-transistorizados, no entanto, um transistor é comumente polarizado utilizando-se outros tran-sistores para alcan¸car um alto ganho de pequenos sinais.

1. Construa um modelo para o circuito apresentado na Figura 7.1, um simples amplificador emissor comum com nenhuma carga conectada, em um programa de simula¸c˜ao (sugest˜ao: LTSpice, Multisim ou MA-TLAB). Utilize RC = 1kΩ e VCC = 5V .

2. Usando simula¸cão, considere a componente AC nula e varie a tensão DC do sinal de entrada de 0V a 1V com passos de 1mV e fa¸ca o gráfico de VOU T vs. VIN. A partir deste gráfico, determine o ponto de polariza¸cão

do amplificador que alcan¸ca o ganho máximo. Qual é o valor deste ganho? Quais são os valores de VIN e VOU T no ponto de máximo ganho?

3. Usando uma reta de carga para o resistor de pull up sobre uma curva I vs V do TBJ, explique por que o mesmo tem um ganho muito baixo se ele n˜ao for polarizado na regi˜ao ativa.

7.3.2 Propriedades do amplificador

As caracter´ısticas operacionais de um amplificador podem ser quantificadas através de três propriedades: Impedância de entrada, ganho e impedância de

(34)

Eletrˆonica II

Figura 7.1: Emissor comum com carga acoplada.

sa´ıda. A meta agora ´e medir e aprender mais sobre essas propriedades para o amplificador EC.

1. Usando simula¸c˜ao, varie VIN de 0V a 1V, mantendo a componente de

sinal nula, e fa¸ca o gráfico de IIN vs VIN. Qual é o valor da resistência

de entrada quando VIN ´e polarizado para alcan¸car o ganho m´aximo

(vide item B da Se¸c˜ao 7.3.1)?

2. Aplique, agora, um sinal senoidal na entrada com um offset DC corres-pondente ao ponto de polariza¸cão que provê o ganho máximo. Me¸ca a amplitude pico-a-pico do sinal na sa´ıda com o aux´ılio do osciloscópio. Qual é o ganho medido com o osciloscópio? Ele é aproximadamente o mesmo obtido em simula¸cão? Qual é a diferen¸ca, se alguma, no valor de pico alcan¸cável para as excursões positiva e negativa do sinal de sa´ıda? Registre a amplitude pico-a-pico do sinal de entrada empregado neste item.

3. Varie o valor do offset da fonte de sinal (ou a tens˜ao da fonte DC, se for o caso), VIN, e observe o que acontece com o sinal de sa´ıda. O que

muda com rela¸cão à excursão do sinal (parte positiva e parte negativa)?

4. Escolha um valor de offset que resulte em um sinal de sa´ıda sem “acha-tamentos”nas partes de cima e de baixo e, em seguida, aumente a

(35)

Eletrˆonica II

Figura 7.2: Emissor comum com carga acoplada.

amplitude do sinal de entrada até que o sinal de sa´ıda pare¸ca estar “achatado”nas partes superior e inferior. Por que ocorre “achatamen-tos”no topo? Por que ocorre “achatamentos”na parte de baixo? Utilize gráficos para explicar bem estas situa¸cões. Em termos aproximados, o quão grande pode ser o sinal de sa´ıda sem que haja “achatamentos”? A máxima amplitude sem “achatamentos”é denominada máxima ex-cursão do sinal de sa´ıda.

5. Inclua, agora, um capacitor de acoplamento de 10µF e um potenciˆometro de 10KΩ na sa´ıda, conforme mostrado na Figura 7.2. O potenciˆometro ´

e aqui utilizado para simular uma carga para o amplificador. Por que razão o capacitor é necessário?

6. Aplique o mesmo sinal utilizado no item 2 na entrada do circuito e ajuste a resistência do potenciômetro até que a amplitude do sinal através do potenciômetro seja exatamente a metade da amplitude do sinal sem nenhuma carga conectada. A resistência do potenciômetro neste momento será idêntica à resistência de sa´ıda do amplificador.

7.3.3 Degenera¸

c˜

ao de emissor

O termo degenera¸cão de emissor refere-se à coloca¸cão de uma resistência no emissor de um amplificador EC. Aqui, vamos analisar o efeito desta

(36)

re-Eletrˆonica II

Figura 7.3: Emissor comum com degenera¸c˜ao de emissor.

sistˆencia.

1. Construa o circuito apresentado na Figura 7.3. Sejam VCC = 5V ,

RC = 10kΩ e RE = 1kΩ.

2. Polarize o circuito (ajuste VIN) para obten¸cão de máxima excursão do

sinal. Qual é o ponto de opera¸cão? Qual é o valor do ganho, Av,

neste ponto? Esse valor é maior ou menor do que o ganho encontrado sem a resistência no emissor? Dê uma explica¸cão para o fenômeno que acontece no circuito que implica nessa mudan¸ca de ganho.

3. Me¸ca as impedˆancias de entrada e a sa´ıda do circuito.

4. Apresentando todas as etapas do desenvolvimento, calcule os valores te´oricos para as impedˆancias de entrada e a sa´ıda, bem como o ganho do amplificador. Obtenha o valor de β da folha de dados do TBJ utilizado.

(37)

Eletrˆonica II

7.3.4 O pior amplificador para um auto-falante (Ponto

extra)

Esta parte objetiva demonstrar as capacidades do amplificador CE acima descrito com uma carga fisicamente observ´avel.

1. Aplique um sinal senoidal com frequˆencia de 1kHz e 10mV de amplitude diretamente aos dois terminais do alto-falante. Observe o volume de maneira qualitativa.

2. Construa o circuito apresentado na Figura 7.2. Sejam RC = 1kΩ e

C = 10µF. Polarize VIN para obter m´axima excurs˜ao de sinal e aplique

um sinal senoidal de 1kHz e 10mV de amplitude entrada. Conecte o alto-falante na sa´ıda do amplificador e avalie o volume de maneira qualitativa. Ele ´e mais alto, mais baixo, ou apenas semelhante ao obtido ao conectar o auto-falante diretamente a fonte de sinal? Explique esse resultado.

(38)

Experiˆ

encia 8

Amplificadores de um est´

agio

com TBJ: Emissor comum

-An´

alise

8.1 Objetivo

Analisar em detalhes uma configura¸c˜ao de amplificador emissor comum e estudar as suas propriedades.

8.2 Circuito base e material recomendado

O circuito de base para este experimento é apresentado na Figura 8.1. Consi-dere inicialmente os componentes especificados na Tabela 8.1 e uma frequência de opera¸cão de 1000Hz.

8.3 Procedimento

8.3.1 An´

alise te´

orica

1. Para o circuito apresentado na Se¸c˜ao 8.2, fa¸ca o que se pede:

(a) Apresente (desenhe) o circuito equivalente para a an´alise DC. O que acontece com os capacitores nessa situa¸c˜ao? Explique; (b) Calcule o ponto quiescente;

(39)

Eletrˆonica II

Tabela 8.1: Componentes recomendados.

Componente Quantidade Transistor BC547 ou 2N2222 R1 33kΩ R2 18kΩ RC 1kΩ RE1 150Ω RE2 1.0kΩ RL 1kΩ RS 5kΩ C1 2.7µF C2 1.5µF CE 47µF

2. Apresente (desenhe) o circuito equivalente para a an´alise AC com o TBJ e com o modelo π-h´ıbrido simplificado o substituindo;

3. Determine as express˜oes e os valores num´ericos para:

(a) O ganho de tensão com rela¸cão à entrada do amplificador (Avi);

(b) O ganho de tensão com rela¸cão à fonte de sinal (Avs);

(c) O ganho de corrente do amplificador (raz˜ao entre a corrente de entrada e a corrente na carga) (Ai);

(d) A resistˆencia de entrada na base (Rib);

(e) A resistˆencia de sa´ıda do amplificador (R0);

(f) Fa¸ca o gr´afico da reta de carga AC;

4. Refa¸ca o item 3 considerando as seguintes situa¸c˜oes:

(a) O capacitor CE ´e colocado entre o emissor do TBJ e o terra; (b) O capacitor CE ´e retirado do circuito;

5. O que aconteceu com o ganho de tens˜ao do amplificador para as si-tua¸c˜oes acima se comparado ao item 3?

8.3.2 Simula¸

c˜

ao

(40)

Eletrˆonica II

Figura 8.1: Circuito amplificador emissor comum.

(a) Me¸ca e compare os valores dos ganhos e das resistˆencias calculados na Se¸c˜ao 8.3.1. Apresente uma tabela comparativa;

(b) Considerando vs como um sinal senoidal com 80mVpp, fa¸ca os gráficos do sinal de entrada e sa´ıda para o circuito, considerando as três configura¸cões com rela¸cão ao capacitor CE discutidas na Se¸cão 8.3.1;

(c) Varie os valores de R1 e R2 separadamente, para cima e para baixo, e avalie a influência destas mudan¸cas no sinal de sa´ıda. Utilize estes resultados para discorrer sobre a excursão máxima do sinal de sa´ıda, sobre as regiões de corte e satura¸cão, e sobre os ganhos máximo e m´ınimo sem distor¸cão.

8.3.3 Experimento

1. Monte o circuito apresentado na Se¸c˜ao 8.2.

2. Explique como e fa¸ca a medi¸c˜ao dos valores das grandezas abaixo lis-tadas, e compare-os com os valores calculados e simulados:

(a) O ganho de tensão com rela¸cão à entrada do amplificador (Avi);

(b) O ganho de tensão com rela¸cão à fonte de sinal (Avs);

(c) O ganho de corrente do amplificador (Ai);

(41)

Eletrˆonica II

(e) A resistˆencia de sa´ıda do amplificador (R0);

(f) A resistˆencia interna da fonte de sinal (RS);

3. Refa¸ca o item 2 considerando as situa¸c˜oes a seguir e explique os resul-tados, comparando-os aos resultados obtidos em simula¸c˜ao:

(a) O capacitor CE ´e colocado entre o emissor do TBJ e o terra; (b) O capacitor CE ´e retirado do circuito;

(42)

Experiˆ

encia 9

Amplificadores de m´

ultiplos

est´

agios com TBJ: Circuito

Cascode - An´

alise

9.1 Objetivo

Analisar em detalhes uma configura¸c˜ao de amplificador cascode e estudar as suas propriedades.

9.2 Circuito base e material recomendado

O circuito de base para este experimento é apresentado na Figura 9.1. O modelo de transistor sugerido para T1 e T2 é o 2N2222. Pode-se utilizar outros modelos, desde que observadas as diferen¸cas entre eles e justificadas eventuais diferen¸cas no experimento resultantes destas diferen¸cas. Considere inicialmente uma frequência de opera¸cão de 5kHz.

9.3 Procedimento

9.3.1 An´

alise te´

orica

1. Para o circuito apresentado na Se¸c˜ao 9.2, fa¸ca o que se pede:

(a) Apresente o circuito equivalente para a an´alise DC. (b) Calcule o ponto quiescente de ambos os transistores;

(43)

Eletrˆonica II

Figura 9.1: Circuito cascode.

2. Apresente o circuito equivalente para a an´alise AC com os modelo π-h´ıbrido simplificado;

3. Determine as express˜oes e os valores num´ericos para:

(a) O ganho de tens˜ao do circuito (Avs);

(b) O ganho de corrente do amplificador (Ai);

(c) A resistˆencia de entrada do circuito (Ri);

(d) A resistˆencia de sa´ıda do circuito (R0);

4. Determine a excursão máxima alcan¸cável para o sinal de sa´ıda;;

5. Determine a resposta em frequência do amplificador e compare-a com a resposta em frequência do circuito utilizado no Experimento “Ampli-ficadores de um estágio com TBJ: Emissor Comum - Projeto”(retome as simula¸cões do referido experimento e determine a sua resposta em frequência para que seja poss´ıvel fazer a compara¸cão).

9.3.2 Simula¸

c˜

ao

1. Simule o circuito apresentado na Se¸cão 9.2 e me¸ca todos os valores soli-citados na Se¸cão 9.3.1. Compare os resultados com os valores teóricos.

9.3.3 Experimento

1. Monte o circuito apresentado na Se¸cão 9.2 e me¸ca todos os valores soli-citados na Se¸cão 9.3.1. Compare os resultados com os valores teóricos e os valores simulados. Dê especial importância à medi¸cão da resposta

(44)

Eletrˆonica II

em frequˆencia do circuito e discorra sobre a mesma, comparando-a com a do circuito amplificado emissor comum de um est´agio.

(45)

Apˆ

endice A

Tutorial de Utiliza¸

c˜

ao do

LTSpice

Tutorial ainda em constru¸c˜ao. Se sentirem falta de alguma in-forma¸c˜ao, entrem em contato comigo que eu adiciono assim que poss´ıvel.

V´ıdeos sobre a utiliza¸c˜ao do LTSpice est˜ao dispon´ıveis em http://www. lee.eng.uerj.br/~germano/VideoTutoriais.html.

A.1 Introdu¸

c˜

ao

Este apêndice serve como uma breve referência de alguns comandos que serão utilizados no LTSpice ao longo do curso. Informa¸cões mais detalhadas sobre o LTSpice pode ser encontrada on-line. Alguns endere¸cos úteis contendo exem-plos de circuitos, utiliza¸cão e diretrizes do LTSpice podem ser encontradas nas páginas: • http://www.linear.com/designtools/software/ • http://denethor.wlu.ca/ltspice/ • http://www.simonbramble.co.uk/lt_spice/ltspice_lt_spice.htm • http://www.allaboutcircuits.com/textbook/reference/chpt-7/example-circuits-and-netlists/ .

(46)

Eletrˆonica II

A.2 Nota¸

c˜

ao cient´ıfica

Os valores inseridos no programa s˜ao interpretados como sendo escritos em nota¸c˜ao cient´ıfica (1E7 = 1 × 107_{) ou nota¸c˜}_{ao de engenharia (10M EG =}

1 × 107_{). A tabela A.1 mostra a equivalˆ}_{encia entre alguns prefixos e}

multi-plicadores mais utilizados.

Aten¸cão: O prefixo mili é representado pela letra M (1M = 1 × 10−3) enquanto que o prefixo mega é utilizado como MEG (1M EG = 1 × 106_{) no}

LTSpice. Letras maiúsculas e minúsculas são interpretadas igualmente pelo LTSpice. Portanto, tanto 1m quanto 1M são equivalentes a 1 × 10−3.

Prefixo Multiplicador T 1012 G 109 Meg 106 K 103 M 10−3 u 10−6 n 10−9 p 10−12 f 10−15

Tabela A.1: Equivalência entre prefixos e multiplicadores no LTSpice. Letras maiúsculas e minúsculas são interpretadas igualmente pelo LTSpice. Por-tanto, tanto 1m quanto 1M são equivalentes a 1 × 10−3.

A.3 Desenhando o circuito

Uma das melhores formas de acelerar o desenho do circuito é utilizando teclas de atalho. A lista com todas as teclas de atalho estão acess´ıveis em “Tools → Control Panel → Drafting Options → Hot Keys”. Neste mesmo local você pode alterar as teclas de atalho como achar conveniente. Alguns dos principais comandos para desenhar o circuito e suas respectivas teclas de atalho originalmente utilizadas pelo programa estão detalhadas na tabela A.2.

Seguindo as teclas de atalho padrão do LTSpice, uma fonte de tensão pode ser inserida pressionando a tecla “F2” e selecionando o item “voltage”. Os valores dos componentes podem ser alterados clicando com o botão da direita do mouse em cima do componente desejado (a seta se transforma em

(47)

Eletrˆonica II

Inserir componente a partir de uma lista

F2

Inserir resistor R Inserir capacitor C

Inserir terra G (N˜ao se esque¸ca de inserir o terra no circuito)

Inserir fios F3 Inserir uma diretriz do Spice S Girar componente (antes de ele ser inserido no circuito)

CTRL + R

Espelhar componente (antes de ele ser inserido no circuito)

CTRL + E

Remover componente F5 ou Del Desfazer a¸c˜ao F9

Refazer a¸c˜ao desfeita SHIFT + F9 Nomear pontos do circuito F4

Ajustar zoom automaticamente Espa¸co

Tabela A.2: Algumas das teclas de atalho ´uteis para o desenho do circuito.

uma mão). Não é necessário incluir unidade junto com o valor. Por exemplo, ao inserir um capacitor de 1nF , pode-se inserir tanto 1n quanto 1nF que o programa entenderá o valor do componente.

Fontes de tensão controlado por tensão e de corrente controladas por tensão podem ser utilizadas selecionando os componentes e e g da lista de componentes1_.

A.4 Netlist

O desenho do circuito feito no LTSpice é traduzido para uma netlist. Este ar-quivo de texto contém toda a informa¸cão necessária para realizar a simua¸cão do circuito desenhado (componentes, valores, diretrizes sobre como realizar a simula¸cão e comentários). Cada linha da netlist contém uma informa¸cão do circuito que serve para indicar como os componentes estão conectados. O simulador é sens´ıvel à primeira letra de cada linha do netlist. A tabela

1_{Mais detalhes da cria¸}_c˜_{ao de fontes de tens˜}_{ao controlada por corrente e fonte de}

corrente controlada por corrente pode ser encontrada em http://ltwiki.org/files/ LTSpiceSupplementalDocumentation.pdf

(48)

Eletrˆonica II

A.3 relaciona alguns componentes que serão utilizados no curso com as suas respectivas letras iniciais. Nesta mesma tabela pode-se encontrar o caractér relacionado a comentários e às diretrizes da simula¸cão.

Letra inicial Significado C Capacitor

D Diodo

E Fonte de tensão dependente de tensão F Fonte de corrente dependente de corrente G Fonte de tensão dependente de corrente H Fonte de corrente dependente de tensão I Fonte de corrente M Transistor MOSFET Q Transistor bipolar R Resistor V Fonte de tensão * Comentário . Diretriz de simula¸cão

Tabela A.3: Equivalˆencia entre declara¸c˜ao da letra inicial do arquivo netlist e sua respectiva .

Para salvar o netlist a partir do circuito desenhado, clique em “Tools” → “Export Netlist ”. O arquivo .net gerado pode ser aberto com o pr´oprio LTStpice ou com qualquer programa editor de texto.

Exerc´ıcio: Crie um circuito com uma fonte de tensão DC de 5V com dois resistores de 10kΩ e 5kΩ ligados em série. Insira alguns comentários e a diretriz Spice .op. Clique na aba View e no item SPICE Netlist e analise a netlist gerada pelo programa. Confira se a netlist faz sentido com o circuito desenhado. Rode a simula¸cão e confira os valores encontrados pela simula¸cão com os valores calculados manualmente.

A.5 Simula¸

c˜

ao

Os transistores utilizados neste curso (CD4007) não estão dispon´ıveis na lista de componentes originais do LTSpice. Os arquivos para download e passo-a-passo de como inserir os modelos dos transistores do CD4007 na lista de componentes do LTSpice pode ser encontrado no site do curso de laboratório de Eletrˆ_{onica II em http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Trabalhos.} html.

(49)

Eletrˆonica II

A.5.1 Diretrizes Spice

As diretrizes a serem utilizadas no LTSpice permitem com que possamos simular o funcionamento do circuito da maneira desejada. A tabela A.4 cont´em algumas das diretrizes que ser˜ao utilizadas no curso.

Ponto de opera¸c˜ao do circuito .op Variar fonte de tens˜ao DC .dc <NOME><Vinicio><Vfim><Vincr>

Analisar transiente .tran <Tpasso><Tfim>[Tinicio [dTmax]] An´alisar frequˆencia

de funcionamento

.ac <MODO><Npassos><FreqIni><FreqFim>

Simular com va-ria¸c˜oes no valor do componente

.step param <PARAM><Pini><Pfim><Pincr>

Ajustar condi¸c˜oes iniciais

.ic [V(<n1>)= <TENS ˜AO>

Incluir arquivo .include <ARQUIVO> Incluir biblioteca .lib <ARQUIVO> Definir modelo

SPICE

.model <NOME><TIPO>[(<PAR ˆAMETROS>)]

Limitar a quanti-dade de dados sal-vos

.save V(<n1>) [V(<n2>) ...]

Tabela A.4: Algumas das diretrizes Spice para realizar as simula¸cões do funcionamento do circuito. Os comandos entre <>são obrigatórios, a diretriz não funcionará sem eles. Comandos entre [ ] são opcionais e são utilizados apenas quando se quer ter mais controle da simula¸cão.

Recomenda-se sempre come¸car a análise com a diretriz .op. Após inserir uma diretriz Spice, pode-se modificar os comandos clicando com o botão direito do mouse sobre o texto. Desta maneira, o LTSpice fornece uma janela que facilita o preenchimento dos valores desejados. A diretriz .ac tem três modos de simula¸cão: oct, dec e lin. O modo oct apresenta uma varredura em frequências por oitavas, o modo dec em décadas e o modo lin linearmente.

Para realizar uma varredura de uma fonte de tens˜ao DC de nome V1 come¸cando em 2 V e terminando em 7 V com incrementos de 0.25 V deve-se inserir a seguinte diretriz: .dc V1 2 7 0.25.

(50)

Eletrˆonica II

Para uma análise de varredura em frequência, a diretriz .ac dec 5 10 10k realizará uma varredura em décadas com 5 pontos por década come¸cando de 10 Hz e terminando em 10kHz. Um ponto importante a ressaltar é que a fonte de tensão deve ser ajustada em pequenos sinais antes de rodar a simula¸cão. Isto pode ser feito clicando com o botão direito do mouse sobre a fonte, clicando no botão Advanced e inserindo o valor numérico 1 no campo AC Amplitude dentro do bloco Small signal AC analysis.

A diretriz .TRAN 10ns 10us simula o circuito em fun¸cão do tempo, come¸cando em 0s, com passos de 10ns e terminando em 10 µs. Note que os valores opcionais não foram inseridos neste exemplo. Caso desejado que a simula¸cão comece em um determinado valor (por exemplo, 5µs), pode-se inserir o tempo inicial da seguinte maneira .TRAN 10ns 10us 5us.

A diretriz .STEP simula o circuito com varia¸cões do valor do parâmetro desejado. O resultado final é um gráfico contendo os resultados todas as simula¸cões. Note que isto pode causar um aumento significativo no tempo de simula¸cão. Para utilizar o comando .STEP, deve ser criado um componente com um parâmetro variável em vez de um valor numérico fixo. O parâmetro variável deve ser inserido entre chaves ({ PARAM}) no desenho do circuito. Por exemplo, deseja-se simular um resistor com cinco valores diferentes de resistência de 1kΩ até 5kΩ. Em vez de rodar cinco simula¸cões separadas, pode-se utilizar a diretriz .STEP. O valor da resistência deverá declarada como um parâmetro variável {Rvar}. A diretriz a ser inserida é .STEP PARAM Rvar 1k 5k 1k.

Uma outra forma, em vez de usar <Pini><Pfim><Pincr>, é usar o comando list. Suponha que deseja-se apenas os valores de resistência iguais a 1kΩ, 4.5kΩ e 5kΩ. O comando list permite criar uma lista de valores a serem utilizados onde o incremento entre os valores não é obrigatoriamente constante. Para este exemplo, a diretriz a ser utilizada é .STEP PARAM Rvar list 1k 4.5k 5k. Neste exemplo apenas três valores na lista foi usado, mas pode-se criar uma lista com quantos valores forem desejados.

A diretriz .IC V(in)=5V V(out)=0V V(N001)= 2.5V permite que o circuito comece a ser simulado com o n´o in, out e N001 tenham 5 V, 0V e 2.5V, respectivamente. Pode-se utilizar este comando para especificar correntes iniciais tamb´em.

A diretriz .include C:\EletrônicaII\SpiceModel\CD4007.lib inclui o arquivo CD4007.lib como se ele tivesse sido escrito na netlist. Pode-se utilizar o caminho absoluto do arquivo (Neste exemplo o arquivo encontra-se na pasta C:\EletrônicaII\SpiceModel). Caso não utilize o caminho absoluto, o programa procurará o arquivo primeiro na pasta de instala¸cão do LTSpice, na subpasta lib\sub, e depois no diretório onde a netlist se encontra. E´ obrigatório o uso do nome do arquivo incluindo a extensão.

(51)

Eletrˆonica II

A diretriz .lib C:\EletrônicaII\SpiceModel\CD4007.lib inclui o ar-quivo CD4007.lib como se ele tivesse sido escrito na netlist. Pode-se utilizar o caminho absoluto do arquivo (Neste exemplo o arquivo encontra-se na pasta C:\EletrônicaII\SpiceModel). Caso não utilize o caminho absoluto, o pro-grama procurará o arquivo primeiro na pasta de instala¸cão do LTSpice, na subpasta lib\cmp, depois na subpasta lib\sub e depois no diretório onde a netlist se encontra. E obrigat´´ orio o uso do nome do arquivo incluindo a extensão.

Caso desejado, pode-se criar o pr´oprio modelo de componentes com a diretriz .model <NOME><TIPO>[(<PAR ˆAMETROS>)]2_{. Alguns}

exemplos de tipos poss´ıveis para diodos e transistores pode ser visto na tabela A.5. Por exemplo, o comando .model MeuModelo NPN(BF=100) cria um modelo de um transistor NPN chamado MeuModelo que possui beta igual a 100. Uma lista copmleta com os parâmetros das simula¸cões pode ser encontrada oon-line, não entraremos em mais detalhes sobre isso no presente texto.

TIPO Componente

D Diodo

NPN Transistor bipolar NPN PNP Transistor bipolar PNP NMOS MOSFET de canal n PMOS MOSFET de canal p

VDMOS MOSFET de potˆencia vertical double diffused NJF JFET de canal n

PJF JFET de canal p NMF MESFET de canal n PMF MESFET de canal p

Tabela A.5: Alguns tipos de transistores poss´ıveis de serem simulados com a diretriz .model.

Dependendo da complexidade do circuito a ser analisado e da diretriz SPICE utilizada, algumas simula¸c˜oes podem gerar arquivos de dados muito

2_{Esta ´}_{e uma boa maneira de conferir os c´}_{alculos de exerc´ıcios de livros texto dos}

cursos que envolvem componentes com parâmetros variados. No caso dos transistores, pode-se criar o modelo exato do exerc´ıcio para uma conferência direta com o resultado obtido ao fim da resolu¸cão. A cria¸cão de um modelo simples pode conter exatamente apenas os mesmo parâmetros indicados no exerc´ıcio. Os modelos presentes originalmente no LTSpice, por utilizarem diversos outros parâmetros que reproduzem o comportamento real dos componentes, não são bons de serem utilizados para compara¸cão com exerc´ıcios de livro texto.

(52)

Eletrˆonica II

grandes. Para restringir o número de dados salvos pelo LTSpice apenas aos dados desejados após o término da simula¸cão, pode-se utilizar a diretriz .save. Por exemplo, em uma análise de transiente, pode-se salvar apenas os dados de entrada e sa´ıda do circuito com a inser¸cão da diretriz .save V(out) V(in) no netlist (Durante o desenho do circuito, os nós de entrada e sa´ıda foram nomeados como out e in, respectivamente.). Desta maneira, qualquer outra informa¸cão (correntes, tensões de outros nós) do circuito não será salva após a simula¸cão. Caso desejado, pode-se também salvar apenas as correntes do transitor com a diretriz .save I(Q1). Se for desejado tanto corrente quanto tensões de entrada e sa´ıda, pode-se combinar os dois exemplos em apenas uma diretriz (.save V(out) V(in) I(Q1)). Pergunta: a letra Q indica que este exemplo utiliza qual transistor?

A.6 Exportando dados

Pode-se salvar separadamente o desenho do circuito e o resultado da si-mula¸cão clicando em “Tools” → “Write plot to a .wmf file”. Caso as cores salvas não sejam muito boas para visualiza¸cão, altere o padrão de cores do LTSpice em “Tools” → “Color preferences”.

Outra forma de obter as imagens da tela é em “Tools” → “Copy bitmap to clipboard ”. Desta maneira, o arquivo não será salvo. A imagem poderá ser inserida utilizando o comando de colar (tecla de atalho: Ctrl + v).

Os dados dos gráficos também podem ser salvos em um arquivo no for-mato txt. Uma vez que a janela do gráfico estiver selecionada, clique em “File” → “Export ” e selecione a curva que deseja exportar. Caso desejado, altere o caminho e o nome do arquivo a ser salvo e pressione “OK ”. Os dados salvos podem ser manipulados em outros programas editores de dados como Excel, Origin, Igor, Matlab, etc. Esta é a melhor maneira de salvar caso se deseja manipular o resultado para uma análise mais detalhada da simula¸cão.

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Apˆ

endice B

Tabela de Resistores

Os valores comerciais t´ıpicos de resitores com tolerˆancia de 10% podem ser encontrados na figura B.1. Utilize esses valores como referˆencia ao realizar os projetos deste curso.