AULA PRÁTICA #1 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA. h h h h h para que a variação

v.8b_JBM 26/08/2011

_________________________________________________________________________ UFRJ / POLI / DEL - Laboratório de Eletrônica III

AULA PRÁTICA #1 – RESPOSTA EM FREQUÊNCIA

I) Objetivos:

• Projetar amplificador na configuração EMISSOR COMUM (EC) para atender às características especificadas. • Estimar a resposta em frequência de amplificadores.

• Comparar o desempenho das configurações EMISSOR COMUM (EC) e CASCODE.

II) Especificações

• Circuito da fig.1, sendo: Vcc=15 V, Q1=Q2=BC546/547/548, C5=C6=10pF e VCEQ2=1,5V. (manual:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/150/128424_DS.pdf

)

• Módulo do ganho de tensão o

80

S

v

_V

Av

V

v

∆

=

≥

;

• Excursão de sinal na saída ≥ 2,0 V pico; •

Z

_IN

≥

3, 5

k

Ω

;

• Frequência de corte inferior entre 30 e 80 Hz;

• Variação percentual da corrente de polarização

∆I

I

CQ CQ

≤ 15%

, considerando: - dispersão dos valores de hFE,

- variação dos parâmetros (VBE, hFE , ICBO) com a temperatura, na faixa entre -15 e 55 oC. - distribuir o percentual da seguinte forma:

devido a VBE (6%), a hFE (8%) e a ICBO (1%). III) Projeto

• Projetar o amplificador EC da fig. 1 atendendo às especificações e escolhendo valores comerciais para os componentes; • Utilize o manual do transistor para verificar valores de hFE e de capacitâncias parasitas.

• Adote um hFE para o projeto. Sugestão: utilizar

h

_FEproj

= ⋅

2

(

h

_FEmax

⋅

h

_FEmin

) (

h

_FEmax

+

h

_FEmin

)

para que a variação percentual de ICQ2 seja simétrica com a variação de hFE para o máximo e para o mínimo.

• Somente depois de definir todos os componentes, calcular e preencher a coluna “projetado”, nas tabelas anexas (EC e CASCODE).

C3 Q2 BC546B RS 1k C2 VCC Vo R1 R5 R3 VS R4 RL= 10k C4 C1 C5 ZOUT Q1 BC546B R2 R6 C6 ZIN RS 1k R6 R4 VCC Vo R1 VS R5 ZIN Q2 BC546B ZOUT C2 C5 C6 C4 RL= 10k R3 C3 C1 R2 Q1 BC546B

_________________________________________________________________________ UFRJ / POLI / DEL - Laboratório de Eletrônica III IV) Simulações

• Todas as simulações devem ser do tipo resposta em frequência, exceto a de excursão de sinal que deve ser do tipo resposta no tempo.

• Para o circuito da fig. 1:

o Ajustar a corrente de polarização (ICQ2) permitindo variação máxima de ±5% em relação ao valor adotado no projeto. Se necessário, varie somente o valor de R1, podendo fazer associações de resistores comerciais para obter o valor desejado.

• Repetir as simulações para o circuito da fig. 2.

• Para cada simulação coloque ao lado o esquema da montagem utilizada. • Apenas simulação no Orcad : Variação de Temperatura e hFE

o Variar a temperatura e o hFE dos transistores e medir a variação percentual da corrente de polarização (ICQ2) devido aos efeitos simultâneos da variação de VBE (efeito da temperatura) e de hFE (efeito da dispersão dos valores de hFE). Preencher a tabela correspondente.

o Para variar o hFE é necessário saber qual valor do parâmetro BF produz o hFE desejado (hFEmin, hFEproj e hFEmax). Deve-se fazer uma simulação com o seguinte procedimento:

- Nas definições de simulação, selecionar: análise do tipo “DC Sweep”, opção “model parameter”, “model type (NPN)”, “Model name (transistor usado: p.ex. BC546B)”, “Parameter name (BF)”. Selecionar ainda o tipo de varredura: “linear” na faixa desejada (valor inicial / valor final / incremento).

- Mandar plotar IC(Q2)/IB(Q2) e verificar qual valor de BF corresponde ao hFE desejado e usar estes valores de BF para fazer simulação com a variação de hFE.

- Para fazer simulações do tipo “Time Domain (transient)” ou “AC Sweep/Noise” com variação simultânea de hFE e temperatura, marcar as opções “Parametric Sweep” e “Temperature (Sweep)”.

Em “Parametric Sweep”, selecionar: “model parameter”, “model type (NPN)”, “Model name (transistor usado)”, “Parameter name (BF)” e colocar o valor desejado de BF em “Value list”.

Em “Temperature (Sweep)”, indicar a temperatura desejada para a simulação.

V) Medidas

• Montagens:

o Observar que as diferenças entre os circuitos das fig.1 e fig.2 estão apenas nas ligações dos capacitores C1, C3 e C4.

o Desenhar as montagens utilizadas para as medidas das impedâncias de entrada e de saída, justificando o método.

• Para o circuito da fig. 1:

o

Ajustar a corrente de polarização (ICQ2) permitindo variação máxima de ±5% em relação ao valor adotado no projeto. Se necessário, varie somente o valor de R1, podendo fazer associações de resistores comerciais para obter o valor desejado. Observe que R1 pode ser diferente do usado na simulação. O importante é deixar as correntes de polarização aproximadamente iguais, nas três situações: projeto, simulação e montagem.

• Repetir as medidas para o circuito da fig. 2.

• Imprimir e anexar as telas das medidas no osciloscópio.

VI) Escala de valores comerciais disponíveis no laboratório:

Aula prática

#1

(Resposta em frequência)

GRUPO:

Data:____________

MEMÓRIA DE CÁLCULO

1) Especificações:

• Módulo do ganho de tensão:

_____

o S

v

_V

Av

V

v

∆

=

≥

• Excursão de sinal na saída:

_____

op pico

v

≥

V

• Impedância de entrada: •

Z

_IN

≥

_____

k

Ω

• Frequência de corte inferior

_____

Hz

≤

f

L

≤

_____

Hz

• Temperatura de operação:

____

o

C

≤

T

≤

____

o

C

•

V

_CEQ2

=

_____

V

•

V

_CC

=

_____

V

•

C

₅

=

C

₆

=

_____

pF

• Variação percentual da corrente de polarização:

_____

BE CQ CQ _V

I

I

∆

≤

_____

FE CQ CQ _h

I

I

∆

≤

_____

CBO CQ CQ _I

I

I

∆

≤

2) Informações adicionais:

Verifique qual o tipo de transistor de pequenos sinais está disponível no conjunto de componentes recebidos para as aulas práticas.

Do manual do transistor selecione as características relacionadas a seguir:

Tipo: BC_________

h

FEmin

=

______

h

FEmax

=

______

I

CBO(25oC)

=

______

nA

min max min max

2

FE FE

______

FE proj FE FE

h

h

h

h

h

⋅

= ⋅

=

+

r

_o

=

_______

k

Ω

Considere ainda:

25

o proj

T

=

C

BE

2, 5

o

V

mV

T

C

∆

_{≅ −}

∆

(

)

max 10 max

2

1

₂₅o T CBO _{CBO C}

I

I

∆





∆

≅

_

−

_





BE CQ BE CQ _V RE

I

V

I

V

∆

_{= −}

∆

CBO CQ B E CBO CQ _I RE

I

R

R

I

I

V

∆

₊

=

∆

(

max

)

1

1

FE B CQ E FE CQ _h FE FEproj

R

I

R

h

I

h

h



₊







∆

_

_

=

∆

+

⋅

3) Determinação de

R

₅

e

I

_CQ2

:

O roteiro deste projeto está baseado no método apresentado na apostila “Projeto de amplificador monoestágio” e consiste, basicamente, de um sistema de três inequações onde cada uma delas garante o cumprimento de um ou mais itens da especificação. São elas:

(

)

2 1min 2 min

CQ CC CEQ CEQ RE C

I

≤

V

−

V

−

V

−

V

⋅

G

→

(I) garante a polarização e a excursão do sinal

sem saturação

(

)

(

)

2

CQ op f C op f L

I

≥

v

+

v

⋅

G

+

v

+

v

⋅

G

_→

(II) garante a excursão do sinal sem corte

2

40

40

CQ C L

K

K

I

≥



_



_

⋅

G

+



_



_

⋅

G









→

(III) garante o ganho de tensão

3.1) Inequação (I)

A corrente de polarização (

I

_CQ) é definida pelo transistor Q2. A estabilidade de

I

_CQem relação às variações de

V

_BE depende de

V

_RE (tensão sobre o resistor R6). Para obter

V

_REmin, calcule

∆

T

_max em relação à temperatura de projeto (

T

_proj

=

25

o

C

) e use a expressão da variação percentual de

I

_CQ devido à

V

_BE.

1min

CEQ

V

garante a não saturação do sinal de saída. Para obtê-lo, use a especificação da amplitude do sinal (

v

_op).

2

CQ C

I

≤

G

(I)

→

garante a polarização e a excursão do sinal sem saturação

min RE

V

=

V

max o

T

C

∆

=

1min CEQ

V

=

V

3.2) Inequação (II)

Use a especificação da amplitude do sinal (

v

_op).

2

CQ C L

I

≥

G

+

G

(II)

→

garante a excursão do sinal sem corte

3.3) Inequação (III)

Use a especificações do ganho (

Av

) e da impedância de entrada (

Z

_IN) para definir o valor mínimo do ganho

o

K

=

v v

_B que atende à especificação.

2

CQ C L

I

≥

G

+

G

(III)

→

garante o ganho de tensão

3.4) Interpretação gráfica e cálculo de

R

_Cmax

Esboce o gráfico das três inequações, indicando a região de solução. Calcule o ponto de interseção e determine

R

_Cmax

=

1

G

_Cmin

3.5) Escolha de

I

_CQ2

e

R

₅

Escolha um valor comercial para

R

₅ e calcule a corrente

I

_CQ2 e verifique se o valor escolhido para

I

_CQ2 pode variar

±

20%

sem sair da região de solução.

Valores escolhidos: max C

R

=

k

Ω

5

R

=

k

Ω

I

CQ2

=

mA

2 CQ

I

C

G

L

G

−

4) Cálculo de

R

₆

Escolha um valor comercial para

R

₆, considerando

R

₆

>

V

_REmin

I

_CQ2.

5) Cálculo das polarizações de base

As variações percentuais de

I

_CQ2 devido à

I

_CBO e

h

_FE dependem do valor de

R

_B adotado na polarização de base do transistor

Q

₂.

Observe que o valor de

R

_B muito alto pode prejudicar a estabilidade de

I

_CQ2 e o valor muito baixo pode prejudicar a impedância de entrada

Z

_IN.

5.1) Cálculo de

R

_B

Calcule

∆

I

_CBOmax considerando

∆

T

_max

Calcule _max CBO

B I

R

. Use a expressão da variação percentual de

I

_CQ2 devido à

I

_CBO.

Calcule _max FE

B h

R

. Use a expressão da variação percentual de

I

_CQ2 devido à

h

_FE. Considere

∆

h

_FE

=

h

_FEmax

−

h

_{FE proj}

Calcule 2 T fe CQ

V

r

h

I

π

=

. Use

V

T

=

25

mV

e

h

fe

=

h

FE proj

=

______

. 6

R

=

k

Ω

max CBO

I

mA

∆

=

max CBO B I

R

=

k

Ω

max FE B h

R

=

k

Ω

r

_π

=

k

Ω

Calcule

R

_Bmin de modo a garantir a especificação de

Z

_IN.

5.2) Cálculo de

R

₁

e

R

₂

Usando as expressões abaixo, calcule

R

₂e escolha um valor comercial:

2 2 max

1

BQ B CC

V

R

R

V





≤

_

−

_





e

V

BQ2

=

I

CQ2

R

6

+

V

BE

Calcule

R

₁ usando a expressão: _{1 2}

2

1

CC BQ

V

R

R

V





=



_

−



_





Calcule

R

_Be verifique se

R

_Bmin

≤

R

_B

≤

R

_Bmax

5.3) Cálculo de

R

₃

e

R

₄

Para que as impedâncias de entrada do EC e CASCODE fiquem aproximadamente iguais, considere

R

₄

=

R

₂.

Calcule

R

₃ usando a expressão: _{3 4}

1

1

CC BQ

V

R

R

V





=



_

−



_





, onde

V

BQ1

=

I

CQ2

R

6

+

V

CEQ2

+

V

BE,

e escolha um valor comercial.

min B

R

=

k

Ω

1

R

=

k

Ω

2

R

=

k

Ω

B

R

=

k

Ω

3

R

=

k

Ω

4

R

=

k

Ω

6) Resumo

R1 R2 R3 R4 R5 R6

OBS.: Neste projeto, para simulação e montagem, o valor de

R

₁ deve ser ajustado para que a corrente

I

_CQ2 fique dentro de

±

5%

do valor nominal adotado no projeto.

7) Verificação (CONFIGURAÇÃO EMISSOR COMUM)

Com os valores de todos os resistores já definidos, faça análise do circuito para verificar se todas as especificações na banda média e polarização e foram atendidas:

7.1) Cálculo de

I

_CQ2

Se necessário, altere o valor de

R

₁(pode ser valor não comercial) para que a corrente

I

_CQ2 fique igual ao valor nominal adotado no projeto.

7.2) Cálculo de

V

_CEQ2

7.3) Cálculo de

V

_CEQ1

7.4) Cálculo da i

mpedância equivalente de coletor (Rac=RC//RL)

7.5) Cálculo da excursão máxima do sinal de saída sem corte nem saturação

Excursão máxima sem corte

(

v

_{op sem corte}

)

:

C3 Q2 BC546B RS 1k C2 VCC Vo R1 R5 R3 VS R4 RL= 10k C4 C1 C5 ZOUT Q1 BC546B R2 R6 C6 ZIN 2 CQ

I

=

mA

=

Ω

ac

R

k

2

=

CEQ

V

V

1

=

CEQ

V

V

Excursão máxima sem saturação

(

v

op sem saturação

)

:

min(

,

)

op op sem corte op sem saturação

v

=

v

v

7.6) Cálculo do ganho de tensão

(

Av

=

v v

_{o S}

)

7.7) Cálculo da impedância de entrada

( )

Z

_in

7.8) Cálculo da impedância de saída

(

Z

_out

)

7.9) Cálculo da impedância de saída do coletor de Q1

( )

R

_O1

Utilizar a expressão:

1

,

1

fe b O o Eeq

h

R

r

R

r

onde

k

k

R

π





+

=

_

+

_

=

+





8) Cálculo dos capacitores responsáveis pela freqüência de corte inferior

Calcule todos os capacitores considerando cada um deles como sendo responsável pela frequência de corte inferior e os demais em curto. Escolha um valor comercial para C3.Multiplique os capacitores C1 e C2, em ordem decrescente de valor, respectivamente, por 10 e 50. Multiplique C4 por 250.

=

Ω

in

Z

k

=

v

A

V V

=

op

v

V

=

Ω

out

Z

k

1

=

Ω

o

R

k

9) Verificação das frequências de corte

Frequência de corte inferior

Frequência de corte superior

10) Cálculo da variação percentual de

I

_CQ2

devido às variações de temperatura e

h

_FE

∆

∆

∆

∆

=

+

+

BE CBO FE CQ CQ CQ CQ CQ CQ _V CQ _I CQ _h

I

I

I

I

I

I

I

I

1

=

µ

C

F

C

₂

=

µ

F

C

3

=

µ

F

C

₄

=

µ

F

=

L

f

Hz

=

H

f

kHz

10.1) Variação percentual de

I

_CQ2

considerando

T

_min

e

h

_FEmin

10.2) Variação percentual de

I

_CQ2

considerando

T

_max

e

h

_FEmax

11) Verificação (CONFIGURAÇÃO CASCODE)

Com os valores de todos os resistores já definidos, faça análise do circuito para verificar se todas as especificações na banda média e polarização e foram atendidas:

11.1) Cálculo da excursão máxima do sinal de saída sem corte nem saturação

Excursão máxima sem corte

(

v

_{op sem corte}

)

:

Excursão máxima sem saturação

(

v

_{op sem saturação}

)

:

min(

,

)

op op sem corte op sem saturação

v

=

v

v

11.2) Cálculo do ganho de tensão

(

Av

=

v v

_{o S}

)

=

v

A

V V

%

CQ CQ

I

I

∆

=

%

CQ CQ

I

I

∆

=

=

op

v

V

11.3) Cálculo da impedância de entrada

( )

Z

_in

11.4) Cálculo da impedância de saída

(

Z

_out

)

11.5) Cálculo da impedância de saída do coletor de Q1

( )

R

_O1

Utilizar a expressão:

1

,

1

fe b O o Eeq

h

R

r

R

r

onde

k

k

R

π





+

=

_

+

_

=

+





12) Verificação das frequências de corte

Frequência de corte inferior

Frequência de corte superior

=

Ω

in

Z

k

=

Ω

out

Z

k

1

=

Ω

o

R

k

=

L

f

Hz

=

H

f

kHz

Configuração emissor comum (EC)

Parâmetros do circuito

Unid Projetado Simulado Medido OBS

T=25 ºC hFEproj =_________ Polarização Ajustar ICQ2

(

5%

)

nom

I

±

mA VEQ2 V VCEQ1 V VCEQ2 V

Impedância equivalente de coletor (Rac=RC//RL) kΩ X

Excursão máxima de sinal na saída (Vopmax) V

Ganho (Av=Vo/Vs) V/V

Frequência de corte

inferior (fL) Hz

superior (fH) kHz

Impedância de entrada (Zin) kΩ

Impedância de saída (Zout) kΩ

Impedância de saída do coletor de Q1 (Ro1) kΩ X

Variação de Temperatura e hFE Unid Projetado Simulado Medido OBS

Tmin=______ºC hFEmin=_________ BFmin=_________ VBEQ2 V X X Vopmax V X X Ganho (Av=Vo/VS) V/V X X ICQ2 mA X Variação percentual de ICQ2 % X Tmax=______ºC hFEmax=________ BFmax=________ VBEQ2 V X X Vopmax V X X Ganho (Av=Vo/VS) V/V X X ICQ2 mA X Variação percentual de ICQ2 % X

Configuração CASCODE

Parâmetros do circuito Unid Projetado Simulado Medido OBS

Excursão máxima de sinal na saída (Vopmax) V

Ganho (Av=Vo/Vs) V/V

Frequência de corte

inferior (fL) Hz

superior (fH) kHz

Impedância de entrada (Zin) kΩ

Impedância de saída (Zout) kΩ

Impedância de saída vista para dentro do

coletor de Q1 (Ro1) kΩ

X

Comparação: EC x CASCODE

Parâmetros do circuito Unid Simulado Medido OBS EC CASCODE EC CASCODE

Excursão máxima de sinal na saída (Vopmax) V

Ganho (Av=Vo/Vs) V/V

Freqüência de corte

inferior (fL) Hz

superior (fH) kHz

Impedância de entrada (Zin) kΩ

Impedância de saída (Zout) kΩ

Impedância de saída vista para dentro do

coletor de Q1 (Ro1) kΩ

X X

Comentários / Conclusão

1- Como as variações de temperatura e de h

FE

influenciam na máxima excursão de sinal?

Explique o mecanismo.

2- Compare as configurações CASCODE e EC quanto ao ganho, resposta em frequência e

impedância de saída do transistor Q

1

(Ro). Justifique.

13) Histórico das modificações:

Versões anteriores: JBM15/03/2006 JBM 15/08/2006 JBM 19/08/2008 JBM 28/07/2009

V7a: JBM 21/04/2010

alterado a especificação de Zin de 4k para 3,5k;

corrigida a expressão de h

FEproj

(sinal – trocado por +)

V7b: JBM 27/08/2010

Alteradas as especificações de: ganho de 120 para 80V/V , vop de 2,5 para 2V pico, faixa de frequência

de corte inferior de 30 a 60 Hz para 30 a 80 Hz e faixa de temperatura de -5 a +65

o

C para -15 a

+50

o

C

Alterado o texto de:

Apenas simulação no Orcad : Variação de Temperatura e hFE

V8: JBM 14/02/2011

Acrescentada a memória de cálculo e alterações na tabela retirando algumas tensões de polarização

V8b: JBM 26/08/2011

Pag.3 - Corrigidas as expressões de variação percentual (sinal – retirado em I

cbo

e h

FE

) e ;

acrescentado espaço para r

o.

Pag. 7 - Alterado o cálculo de R1, R2, R3 e R4

Pag. 8, 9 e 11 – Acrescentadas informações para o cálculo da excursão de sinal.

Pag. 11- acrescentadas as caixas para variação perventual de I

CQ