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ELT 313 – LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I ELT 313 Eletrônica Analógica I o Laboratório N 6 Engenharia Elétrica E NGEN HARIA E LÉTR ICA o circuito da Figura 2 é mais utilizado para representar amplificador Coletor Comum onde a carga é conectada no emissor. Laboratório No 6: Amplificadores com Transistor Bipolar de Junção Amplificadores Um amplificador é constituído de transistor e de uma fonte de alimentação em corrente contínua que é utilizada para fornecer energia e polarizar o transistor. De um lado do amplificador é aplicado o sinal a ser amplificado (sinal de excitação) e do outro lado é instalada a carga. No amplificador Emissor Comum a carga é instalada no Coletor do transistor. O transistor se comportará como fonte de corrente e, portanto, a tensão de saída dependerá da resistência instalada no coletor. Neste amplificador existirá ganho de tensão e de corrente e o sinal de saída terá polaridade invertida em relação ao sinal de entrada. Vcc A principal característica de um amplificador é o ganho de potência, a potência de saída, Po, na carga, é maior que a potência de entrada, Pi, fornecida pelo sinal de entrada. G=Po/Pi. Quase toda energia fornecida para carga é fornecida pela fonte de alimentação Vcc. Sob este aspecto um amplificador é um CONVERSOR de corrente contínua para corrente alternada. A eficiência do amplificador é a relação entre a potência de saída e a potência fornecida pela fonte de alimentação η≅Po/Pcc. A diferença entre estas duas potências, Pd=Pcc-Po, é dissipada no amplificador sob forma de calor. Co RL RB1 24k RC 1k VO Co 10uF Ci 1uF Vi RB2 3k RL 1k RE 100 Vcc -15V RB1 RC Vo RL Vi RB2 RE RB2 RE Vi - Vcc ENSAIOS A análise de um amplificador deve ser dividida em duas partes: DC (polarização) e AC. Figura 1- Amplificador genérico1. Na análise DC é verificado o ponto de operação quiescente e a estabilidade deste ponto. Vcc + Ci Co + Vi Na análise AC são analisados os seguintes parâmetros do amplificador: Os amplificadores genéricos com transistor bipolar e com polarização por divisor de tensão apresentados na Figura 1 e na Figura 2 podem ser utilizado com amplificador emissor comum ou como coletor comum. Ci Co Vi UNIFEI - IEE/DON A figura 4 apresenta as quatro configurações de amplificador Coletor Comum (Seguidor de Emissor). O amplificador coletor comum é caracterizado pela não inversão de fase e pelo ganho de tensão unitário. Os quatros amplificadores apresentados na Figura 4 apresentam ganho unitário (Av≅1). Vo Ci Existem três configurações básicas de amplificadores utilizando transistores bipolares NPN ou PNP: Emissor Comum (EC), Coletor Comum ou Seguidor de Emissor (CC) e Base Comum (BC). No amplificador Coletor Comum a carga é instalada no Emissor do transistor. O transistor funcionará como fonte de tensão, ou seja, a tensão na carga não varia em função da variação da carga. Neste circuito o ganho da tensão é aproximadamente unitário e o sinal de saída tem a mesma polaridade que o sinal de entrada. Este circuito deveria ser chamado de “Emissor seguidor” uma vez que o emissor segue a base. A Figura 3 apresenta as quatro configurações possíveis de amplificador Emissor Comum utilizando transistores NPN e PNP. Observe a polaridade da fonte de alimentação. O amplificador emissor comum é caracterizado pela inversão de fase entre o sinal de saída e de entrada e por proporcionar ganho de tensão. Com os valores indicados na Figura 3a todos os amplificadores da Figura 3 apresentarão o mesmo ganho, aproximadamente 5 com inversão de fase (Av≅-5). Vcc +15V • • • • • • • Vo RL RB1 RC Vo RL + Vcc Ganho de tensão Av=Vo/Vi Ganho de corrente Ai=Io/Ii Ganho de potência G=Av.Ai Resistência de entrada Rin Resistência de saída Rout Resposta em freqüência BW Distorção e Linearidade RB2 RE Ci + + Co Vi RB1 RC Vo RL Figura 2- Amplificador genérico 2. O desenho apresentado na Figura 1 é muito usado para representar um amplificador Emissor Comum onde a carga (Vo) é instalada no coletor do transistor enquanto que Kazu o Nakasshima & Egon Luiz Muller 1 Figura 3- Amplificadores Emissor Comum. Av≅-5 2 UNIFE I - IE E/DON Kazuo Nakassh ima & Ego n Luiz M uller ELT 313 Eletrônica Analógica I Engenharia Elétrica o ELT 313 Eletrônica Analógica I Laboratório N 6 E TAPA 1 – P OLARIZAÇÃO -Vcc RB2 15k RE 1k Co + Para que o transistor possa operar como amplificador é necessário “polarizar” o transistor. Vo o Laboratório N 6 Engenharia Elétrica Para que o gerador de sinais Vi não interfira no circuito de polarização e para que o amplificador não injete componente contínua no gerador de sinais, é necessário utilizar um acoplamento ac. Vi: 2Vpp, 10kHz Vc CH2 + Ci O circuito que iremos analisar foi projetado para que o ponto de operação quiescente ficasse em aproximadamente VCEQ ≈ 0,4 VCC. RL 1k RB1 10k Vi RC 100 RC 2k RB1 30k Vcc RB2 RE + Co VB Vo VCC 15V VC Nesta aula utilizaremos um acoplamento capacitivo. Se o capacitor utilizado for eletrolítico, muito provável pelo valor da capacitância, preste muita atenção na polaridade e no valor da tensão do mesmo. O capacitor deve suportar tensão maior que 15V. Por segurança utilize capacitores com tensão de trabalho superior a 25V. Ci + VE RL Vi RB1 RB2 10k RC RE 1k + Vcc Figura 5- Polarização do transistor RB1 RC Ci + + Co Vi RB2 RE Vo RL Montar o circuito da Figura 5, ajustar VCC em 12 V e medir as tensões quiescentes (no coletor, emissor e base do transistor em relação ao terra) e calcular V CEQ e I CQ. Desenhar a reta de carga DC e indicar o ponto de operação quiescente. Utilize o gráfico da Figura 17 Ajuste o gerador de funções para produzir uma onda senoidal de 10kHz e 2V pico a pico sem componente contínua (Off Set=0). Observe este sinal através do canal CH1 do osciloscópio. Observe a tensão no coletor do transistor através do canal CH2 do osciloscópio. Medir a amplitude pico a pico e verifique a inversão de fase (onda está defasada 180 o ). Calcular o ganho de tensão e comparar com o valor estimado teoricamente. Mude CH2 para o emissor do transistor. Observe que este sinal está em fase com o sinal de entrada e tem (quase) a mesma amplitude pico a pico. Calcular o ganho de tensão e comparar com o valor estimado. Vcc - Vcc VCC RB1 VCQ VEQ VBQ RB1 30k RC PREVISTO p/hFE=100 VCEQ ICQ MEDIDO * VCEQ ICQ Vi RB2 RE Ci+ Figura 4- Amplificadores Coletor Comum. Av≅ 1 UNIFEI - IEE/DON Nesta aula iremos analisar apenas os amplificadores emissor comum e coletor comum, dois amplificadores onde o sinal a ser amplificado é aplicado na base do transistor. Kazu o Nakasshima & Egon Luiz Muller VE 10uF ETAPA 2 – E XCITAÇÃO 3 Vi RB2 10k RE 1k Figura 6 – Sinal de entrada acoplado capacitivamente. 4 UNIFE I - IE E/DON CH1:2V/DIV CH2:2V/DIV H:20uSEC/DIV Figura 7 – Oscilograma do amplificador genérico. EC Teórico VCpp Av fase VEpp Av fase Medido CC Teórico Medido Av( EC ) = Vc = Rc /( Re + re, ) Vb Av( CC ) = Ve = R e /( Re + re, ) ≅ 1 Vb re, = 25mV / I E No amplificador emissor comum o ganho de tensão depende da relação entre a resistência ac do coletor e a resistência ac do emissor. No circuito da figura 6 esta relação é 2. Av ≅ RC / RE = 2 k / 1k = 2 Para aproveitar o máximo de ganho de tensão que o transistor pode proporcionar devemos diminuir o valor da resistência do emissor. Uma forma de fazer isso sem afetar o circuito de polarização é adicionar um capacitor em paralelo à R E. Este “capacitor de desvio” altera apenas o circuito ac, ou seja, o emissor é aterrado apenas para corrente alternada. VB Vo RL Vi CH1 0V E TAPA 3 – E MISSOR DESACOPLADO VC + Ci Co + RC 2k CH2 Ve Av = Rc / re, Kazuo Nakassh ima & Ego n Luiz M uller ELT 313 Eletrônica Analógica I o X=CH1=Vi Vcc ELT 313 Eletrônica Analógica I Laboratório N 6 Engenharia Elétrica Y=CH2=Vc RC 2k VC Vi + VE 10µF RE 1k + RE2=10 TEÓRICO CE CH1:10m/DIV 100µF Figura 8 – Emissor comum – emissor desacoplado Diminua a amplitude de Vi para 40mV pico a pico e meça a tensão pico a pico no coletor. Calcule o ganho de tensão e compare com o valor estimado teoricamente. Vi: 40mVpp, 10kHz CH2:2V/DIV H:XY Av ETAPA 4 – E MISSOR C OMUM L INEARIZADO. CH1:20mV/DIV CH2:2V/DIV Figura 9- Oscilograma do amplificador emissor comum. Vi:40mVpp, 10kHz CH1:0.1V/DIV VCpp Av VE RE 1k TEÓRICO Observe que o ganho de tensão é alto, porém a onda é distorcida. Para observarmos melhor esta não linearidade mude o comando do osciloscópio para XY. UNIFEI - IEE/DON CH1:10mV/DIV RE2 + MEDIDO CH2:1V/DIV H:XY Figura 12- Oscilogramas do amplificador EC linearizado. R E2 =10Ω. CE 100µF Figura 11 – Emissor comum linearizado Uma vez que foi necessária a utilização de um capacitor muito grande e devido ao elevado custo dos capacitores eletrolíticos, devemos considerar sempre outras configu- Kazu o Nakasshima & Egon Luiz Muller H:XY E TAPA 5 – C ARGA 0V 10µF fase CH2:2V/DIV Figura 13- Oscilogramas do amplificador EC linearizado. R E =100Ω. VC + RE2=100 H:20uSEC/DIV Re = RE 2 // RE Ci H:20uSEC/DIV 0V Rc = RC Vi CH2:2V/DIV Vi:400mVpp, 10kHz Para diminuir esta não linearidade devemos introduzir um resistor no emissor como mostra a Figura 11. Observe que o resistor adicional foi introduzido no circuito AC de forma a não alterar o circuito DC, ou seja, não alterar o ponto de operação quiescente. H:20uSEC/DIV RE2=100Ω 0V RC 2k CH2:2V/DIV Vi:400mVpp, 10kHz fase Vcc CH1:20mV/DIV fase MEDIDO CH1:0.2V/DIV Vi CH1 Av Vi: 40mVpp, 10kHz, RE2:10Ω Av = Rc /( Re + r ) 0V VCpp MEDIDO Figura 10- Oscilograma do amplificador emissor comum. , e Vc CH2 VCpp o Laboratório N 6 RE2=100 TEÓRICO rações primeiro. Esta solução é comercialmente inviável. Em muitas aplicações, principalmente as de baixa freqüência, devemos utilizar configurações que utilizem acoplamento direto, como amplificadores diferenciais, que apesar de utilizarem mais transistores, evitam os capacitores de acoplamento. Acoplamentos capacitivos e indutivos são utilizados em amplificadores de alta freqüência (MHz). Vi:40mVpp, 10kHz Ci Engenharia Elétrica 5 Quanto maior a resistência RE2 mais linear será o amplificador, porém menor será o ganho de tensão. Poderíamos substituir RE2 por um potenciômetro para obtermos um amplificador de ganho variável. Observamos que a tensão no coletor e no emissor é composta de uma componente alternada sobreposta a uma componente contínua. Para bloquear esta componente contínua devemos utilizar acoplamento ac para a carga. Nesta aula utilizamos novamente o acoplamento capacitivo. Medir o ganho de tensão Av=Vo/Vi para dois valores de R L, 1MΩ (sem carga) e 1kΩ (com carga). Manter Vi constante. Iopp=Vopp/R L 6 UNIFE I - IE E/DON Kazuo Nakassh ima & Ego n Luiz M uller ELT 313 Eletrônica Analógica I Engenharia Elétrica Vi Ci Co + RB2 10k RL 1M 2k 1k Vopp RL 1k IOpp RE 1k Av Av(T) fase Rin 2 CC CO Vi VS 10uF + VO RL 1k Para poder medir a resistência de entrada do circuito devemos inserir um resistor Rs em série com o gerador de sinais e medir a queda de tensão neste resistor. RB1 30k Ci + VE 10µ µF RB2 10k VOpp IOpp 10µ µF RE 1k RETA DE CARGA DC E AC A reta de carga DC é definida pela fonte VCC e pelas resistências DC do coletor e do emissor, RDC= RC+RE. Dois pontos desta reta são Para corrente alternada, os capacitores e a fonte Vcc se comportam como curtocircuito alterando o valor da resistência do circuito (Rac) e conseqüentemente a inclinação da reta de carga AC. ((VCE(Q) + Rac.IC(Q)), 0) (0, (IC(Q) +VCE(Q) / Rac)) VS Vi + + CO Rac = Rc + Re VO 10uF Co + Av Rin 3 Este procedimento é viável para resistência de entrada menor que 100kΩ. Considerando resistência de entrada do osciloscópio como 1MΩ teremos um erro de inserção de aproximadamente 10%. Uma forma alternativa de estimar a resistência de entrada é verificar o efeito de Rs no sinal de saída. O procedimento é manter Vs fixo e medir a tensão de saída sem e com Rs, respectivamente VO1 e VO2. VC o Laboratório N 6 O ponto de operação quiescente, (VCE(Q), IC(Q)), é o ponto comum entre estas duas retas de carga. Dois pontos da reta de carga ac são Vcc RC 2k Engenharia Elétrica (VCE, IC)=(VCC, 0) e (0, VCC/RDC) + Rin = Rs /[(Vs / Vi ) − 1] Vcc RL 1M 2k 1k EC ETAPA 5 – R ESISTÊNCIA DE ENTRADA Figura 14 – Emissor comum. Vi Rout TEÓRICO MEDIDO 10 µF VE Medir a resistência de entrada do amplificador e verificar a influência da carga. Comparar os resultados com os valores estimados teoricamente. Vcc VO + 10 µF Rout = RC 2k VC ELT 313 Eletrônica Analógica I E ∆Vo = RL O − 1 = ∆Io V O E O = VO sem carga R L =1 MΩ Vcc RB1 30k o Laboratório N 6 Re = resistencias AC do emissor RL 1k Rc = resistencias AC do coletor IC Vcc Rin 4 VO Rin = Rs /[(Vo1 / Vo2) − 1] Vcc RL 1k Rin 1 Av(T) fase VS Vi CO + 100uF VC VS RS 1k Vi + 10 µF VE Figura 16 – Influência da carga sobre Rin Figura 15- Coletor comum. Rin Teórico E TAPA 5 – RESISTÊNCIA DE S AÍDA 2 3 Medido Com os resultados obtidos na etapa anterior faça uma estimativa da resistência de saída do circuito. UNIFEI - IEE/DON 1 4 VCE Figura 17- Reta de carga DC e AC. Figura 16- Circuito para medição da resistência de entrada. Kazu o Nakasshima & Egon Luiz Muller 7 Itajubá, MG, junho de 2013 8 UNIFE I - IE E/DON Kazuo Nakassh ima & Ego n Luiz M uller
