departamento de engenharia elétrica e ciência da - mit

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY
CAMBRIDGE, MASSACHUSETTS 02139
6.101 Laboratório de Introdução de Eletrônica Analógica
Laboratório No. 5
LENDO AS INSTRUÇÕES PARA EXECUTAR AS TAREFAS
Horowitz and Hill: The Art of Electronics, pp. 91-94, pp. 98-101,
pp.286-288 Neamen: pp. 499-502, pp. 484 [8.3.2] –491top
Objetivo: Construir um pequeno amplificador de potência de áudio e tocar música em alto
volume como retaliação dos estudantes do curso 6.002! Estude o amplificador diferencial, o
coração da maioria dos amplificadores operacionais. Brinque com o chip temporizador 555
que é sempre presente nas implementações. NOTA: Seu relatório deve mostrar claramente
suas configurações do circuito, os valores dos elementos e seus cálculos além dos
resultados das medidas. O avaliador não gastará o tempo tentando examinar apresentações
confusas a fim de entender o que você fez. NOTA: É REQUERIDA UMA VERIFICAÇÃO
AO TERMINAR O LABORATÓRIO DA PRIMEIRA EXPERIÊNCIA. ASSINE A
LISTA AFIXADA NA PORTA DA SALA DO TA NA QUAL CONSTA A HORA EM
QUE FEZ SUA VERIFICAÇÃO DE SAÍDA.
Experiência
1:
PEQUENO
AMPLIFICADOR
REALIMENTAÇÃO LOCAL E TOTAL
DE
POTÊNICIA
COM
NOTA: Não use os terminais da fonte de alimentação variável para esta experiência. A
corrente de saída nestes terminais é limitada em 500 mA e este valor é muito baixo para o
amplificador. Use os terminais +/- fixos de 12 volts ao lado do interruptor de liga/desliga.
Estes terminais podem entregar até 1A antes iniciarem a limitar a corrente
Nesta experiência você construíra e examinará o desempenho de um amplificador com
acoplamento-dc cujo esquema é dado na Figura 1. Este amplificador é projetado para ter
um ganho de 26 dB com menos distorção que o amplificador encontrado na experiência 5
do Lab 4.
• Observe que a função dos resistores RB1, RB2 e os diodos 1N914 é influenciar a saída
dos transistores para eliminar a distorção de cruzamento (como isso funciona?). [Para
começar use resistores de pelo menos 4.7 KΩ e ¼ watts para RB1 e RB2]. A fim de
assegurar que a saídas dos transistores Q1 e Q2 não serão danificadas assegure que a
potência máxima que eles irão dissipar seja limitada em 1 watt. Observe que este
cálculo envolverá tanto a potência DC dissipada devido a corrente estática quiscente,
como aquela em cada transistor que vê uma das metades de uma onda senoidal de
saída. Qual é o menor valor da resistência de carga RL que poderá ser conectada a saída
do amplificador para assegurar que este limite de dissipação de potência não será
excedido?
•
Observe também que a exigência de uma impedância de entrada relativamente alta
pode entrar em conflito com o requerimento para variação de baixa da tensão DC de
entrada. Explique este conflito em seu relatório. Você pode optar em usar uma
configuração com um amplificador operacional com inversão de fase ou não. Você
pode escolher usar qualquer amplificador operacional do seu kit ou na janela da sala
de instrumento.
Qual é a função dos resistores de emissor RE? Explique porque a impedância de saída do
amplificador não é pelo menos 5.6Ω. [Estes resistores estão nos kits e são maiores que ½
watt]
1-Projete seu amplificador de acordo com as seguintes especificações:
Ponto de corte de freqüência baixa [-3dB] ≤ 10 Hz.
[Para aproveitar as respostas em freqüências baixas dos CD’s]
Figura 1 - Circuito do amplificador para experiência 1
•
Impedância de entrada (visto pela saída do pré-amplificador) ≥ 15 kΩ.
[Para prevenir carga baixa do pré-amplificador com fontes de impedância
relativamente alta]
• Variação da tensão do estágio de saída < 50 mV.
[Para prevenir que a DC não aqueça a bobina do alto-falante e o cone se
desloque de sua posição central em relação às partes com pólos]
• Ponto de corte de freqüência alta [-3dB] = 25 kHz mínimo.
[Para aproveitar a resposta de freqüência alta estendida a partir do DAT
trabalhando a uma taxa de amostragem de 48 KHz]
• Ganho de tensão de + 26 dB no meio da faixa [1000 Hz].
•
Corrente de polarização do estágio de saída inativo [quando nenhum sinal é
aplicado] entre 1 e 10 mA [operação classe AB ou B]. [Meça a tensão DC de um ou
ambos os resistores de emissor.] Já que demos para você os valores iniciais do
resistor de polarização, não há muito para projetar. Entretanto, você deverá medir a
corrente de polarização na saída dos estágios para ter certeza que ela é menor que
10 mA. As variações na saída do dispositivo afetarão o valor da corrente de
polarização e será difícil alcançar uma corrente de polarização estável se as βF’s de
ambos os dispositivos de saídas não são as mesmas. Se sua corrente de polarização
de seu dispositivo de saída é maior que 10 mA sem nenhum sinal de entrada,
desligue sua fonte de alimentação de +/- 12-volts imediatamente. Aumente o valor
de RB1 e RB2 para o próximo valor padrão mais alto e verifique novamente a saída
de polarização. Continue aumentando o valor deste par de resistores até que a
corrente de polarização atinja o limite dado acima. Como mudar o valor destes dois
resistores de controle para a corrente de polarização do estágio de saída?
[Observação: é também possível aumentar estes dois resistores para o ponto onde a
corrente de polarização não é suficiente para suprir a base de um dos transistores de
saída, especialmente se tem baixo βF. Ele ajuda se seus dispositivos de saídas tem
RF’s similares. Do ponto de vista AC, valores grandes destes dois resistores podem
causar uma limitação na metade de um ciclo devido ao fato que a corrente AC de
base suprida através destes dois resistores não é suficiente na presença de grandes
variações do sinal. Isto também é mais comum ocorrer quando βF’’s ou βo’s dos dois
dispositivos de saída não são iguais.] O valor da corrente de polarização DC é muito
sensível a temperatura e será alta depois que você tiver aquecido a saída dos
dispositivos amplificando um sinal AC. Espere os dispositivos esfriarem antes de
medir a corrente de polarização.
Manter a polarização DC baixa evita gastar potência e gerar aquecimento na saída
dos dispositivos durante os períodos sem sinal. Este projeto pode ser portável
operado por baterias se a corrente é baixa o bastante.
•
•
Variação da Tensão do estágio de saída = 20 Vp-p em uma carga resistiva de 100 Ω.
[Maior a variação, maior potência de saída e mais alta será a música sem que ocorra
distorção devido á limitação do sinal, então escolha seus componentes sabiamente!]
[seu kit de componentes contém um resistor de 100Ω 5 %, 2 watts para resistores de
carga do curso 6.101 para todas as medições deste amplificador.]
Taxa de variação: Nenhuma variação permitida dentro da faixa de freqüência de 10
Hz a 20 kHz na saída total de 100 Ω.
2. Construa o amplificador que você projetou e verifique seu desempenho através de
medidas apropriadas. AVISO: A parte metálica dos dispositivos de saída é conectada
ao coletor, que é conectado a VCC ou a VEE. Tenha cuidado para não fazer nenhuma
ligação acidental de outros componentes a esta parte metálica! Estas medidas devem
incluir resposta em freqüência [somente amplitude no gráfico de Bode] para identificar os
pontos de freqüência baixa e alta -3dB, variação da tensão e a taxa de variação. Você
também deve medir a resistência de saída através de vout com circuito aberto e o vout com
carga; do mesmo modo com a resistência de entrada: use uma resistência da fonte bastante
alta para fazer um divisor de tensão na entrada quando é conectado em série com o
gerador de função. As medidas da resistência de entrada e de saída devem ser feitas com
uma onda senoidal de 1 KHz, as medidas da freqüência de resposta devem sempre
referenciar a 1 KHz em trabalhos de áudio.
Para medir a resistência de entrada, você poderia colocar um potenciômetro em série com a
entrada e medir a então a tensão do sinal ac na entrada quando você girar o potenciômetro
até que a tensão de entrada caia da resistência [o potenciômetro está com resistência
mínima de 0 Ω] para -6dB. Neste momento a resistência do potenciômetro igualará a
resistência da entrada.
[A impedância de saída é muito baixa, então use o DMM para comparar as tensões de
saída com carga e sem carga. O DMM deve ser usado para todas as medidas onde sua
freqüência de resposta permitir, porque é muito mais exata do que o osciloscópio, cuja
precisão é de aproximadamente 5-10%.]
Você precisará carregar a saída com uma resistência muito pequena a fim de ver todas as
mudanças na tensão de saída com o circuito aberto [sem carga] e a tensão com carga.
Também, para usar uma resistência baixa de carga, você deve reduzir o sinal de entrada
para manter a baixa dissipação nos dispositivos de saída. Você está apto apenas para
acomodar algo em torno de 1 VRMS na saída antes que você comece superaquecer as
saídas ou a baixos valores da resistência de carga. Em todo o caso, a idéia é medir as
tensões de saída do circuito aberto e circuito fechado em 1000 hertz e então você pode
calcular a impedância da fonte conhecendo o valor da resistência da carga. É um número
muito pequeno!
• Amplifique ondas triangulares de 1 KHz e de 10 KHz e observe que a uma distorção
muito pequena é evidente em comparação ao amplificador construído na experiência 5
do laboratório 4. Como você explica isto?
• Amplifique ondas quadradas de 10 Hz, de 1 KHz e de 10 KHz e esboce as formas de
ondas de saída. Como explicar as diferenças entre o que você vê e as tensões de entrada
e saída
Mude a conexão de realimentação da saída do estágio de potência simétrico complementar
do amplificador operacional (AO). [Qual característica do seguidor de emissor nos permite
fazer isto?] Repita as duas séries de teste imediatamente acima e anote e explique todas as
diferenças.
3. Se o amplificador for construído sem o estágio de saída, o que acontece com o ganho do
amplificador e a variação da saída se o valor mais seguro do resistor de carga que você
calculou acima for conectado diretamente à saída do AO? Qual é a função do estágio de
saída deste amplificador e como ele afeta a impedância de saída do amplificador?
4. Re-faça a conexão do estágio de saída a seu amplificador e remova o circuito do diodo de
polarização do estágio de saída e observe o aumento na distorção de cruzamento quando o
resistor calculado está no amplificador. Observe que você terá que conectar a saída do AO
diretamente às bases dos transistores Q1 e Q2. [junte as bases] [quando o TA demonstrar
seu amplificador com o CD Player, repita esta etapa enquanto escuta a música. Mantenha
primeiramente o nível do sinal baixo para ouvir a máxima distorção de cruzamento, e
depois aumentando o nível parece que a distorção desaparece. Porquê?]
5. Re-faça a conexão do amplificador como mostrado originalmente pela figura 1. Observe
a tensão da máxima variação pico a pico na carga de 100 Ω em 1000 hertz. Conecte agora a
saída do AO à junção entre os diodos D1 e D2 ao invés de ligar à base do transistor PNP.
Que diferença esta mudança faz na variação da tensão de saída? Porquê?
6. Demonstre seu circuito ao Ta.
Você deve agendar sua verificação de saída com antecedência. Seu circuito deve
funcionar corretamente antes do horário agendado para sua verificação:o horário da
verificação não é o momento para eliminar erros do seu circuito. O TA irá questioná-lo
a fim de determinar sua compreensão sobre o circuito, ele pedirá que você demonstre
algumas medidas e testará seu circuito com CD Player e um alto-falante. Traga seu CD
favorito se desejar. MANTENHA ESTE CIRCUITO CONSTRUÍDO EM SEU NERDKIT,
PORQUE ELE SERÁ NECESSÁRIO PARA O LABORATÓRIO NO. 6.
Experiência 2: Par de transistores diferenciais.
Nesta experiência, você pesquisará o desempenho de um estágio de entrada de amplificador
diferencial e examinará suas características significantes. Entre com os seus dados na tabela
da próxima página.
Figura 2 - Amplificador diferencial para o experimento 2
[Observe que sem os resistores de linearização do emissor, o amplificador opera sem
nenhuma realimentação. Fique de olho na clareza do sinal de saída em seu osciloscópio e
veja se houve alguma diferença entre os circuitos com os resistores de emissor ou sem eles.
Você pode ter que usar uma variação razoavelmente grande da saída a fim de ver alguma
distorção. Escreva comentários sobre isto no seu relatório do laboratório.]
1-Construa o amplificador diferencial da figura 2. Conecte um sinal de 1 kHz e ambas
as entradas VIN+ e VIN-. Meça o ganho em modo comum:
Agora meça ganho diferencial “de saída simples”. Você pode fazer isto aterrando a entrada
do terminal negativo e aplicar um sinal à entrada positiva e ainda ajustar adequadamente o
resultado
[* Este ajuste é exigido porque não aplicamos tensão de entrada verdadeira, mas sim
simulando uma entrada com uma única tensão. Isto tem efeito também aplicando uma
média da saída devido ao ganho de modo comum, não apenas um ganho diferencial] Como
se pode dizer qual entrada é a positiva? Finalmente, meça a variação da tensão de saída
através dos terminais [no modo coletor comum a tensão de entrada é igual à
no mesmo instante, assim o mesmo coletor em vez do que o segundo coletor para terra].
Tenha certeza os resistores de 12kΩ são exatamente iguais para evitar gerar uma variação
de tensão devido aos valores de resistores diferentes.
2. Agora substitua os resistores de emissor por circuitos menores e repita as medidas
do passo 1.
Tabela para os resultados do amplificador diferencial
Circuito
2N3904’s
390 S2 RE’s
15kΩ
2N3904’s
Sem RE’s
15kΩ
LM394
390 Ω RE’s
15kΩ r
LM394
No RE’s
15kΩ
ACM
Adiff
Offset da TensãoCMRR
Saída simples de saída
2N3904’s
390 Ω RE’s
Fonte de corrente
2N3904’s
Sem RE’s
Fonte de corrente
LM394
390 Ω RE’s
Fonte de corrente
LM394
Sem RE’s
Fonte de corrente
3. Em seguida, obtenha um par de LM394 supermatched [2 dispositivos em um único
chip], e repita as etapas 1 e 2 usando o novo dispositivo.
Figura 3 - Fonte de corrente para a experiência 2
4. Substitua o resistor Rx no seu amplificador diferencial pela fonte de corrente mostrada na
figura 3. Repita todas as medidas do passos 1-3 usando a fonte de corrente. Já que não
existem considerações a respeito da resistência AC de entrada, podemos escolher RB
muito baixo para a fonte de corrente, para ter certeza que o transistor Beta não afeta o
valor da corrente. IMPORTANTE: Projete sua fonte para oferecer a mesma
corrente que flui pelo resistor RX no circuito anterior. Use RB = 2kΩ.
5. Calcule as relações de rejeição do modo comum para todas as configurações. Expresse
seus resultados em dB. Preencha a tabela com todos os dados das etapas 1-5 de modo que
os vários circuitos possam ser facilmente comparados. Faça algumas observações no seu
relatório sobre quais configurações e dispositivos são melhores com respeito a CMRR,
ganho de tensão e baixo offset de tensão.
6. Aqui estão algumas equações para o amplificador diferencial que você pode usar para
comparar com suas medidas:
.
Experiência 3: Temporizador 555
Nesta experiência você pesquisará o desempenho do temporizador 555 que pode ser
encontrado em seu kit. Você terá que consultar à folha de dados do 555 que lhe foi
entregue. Esta folha de dados mostra o diagrama do 555 e algumas aplicações típicas.
Figura 4 - Oscilador astável usando o temporizador 555
1. Construa um oscilador astável, operando com uma fonte de +15 V, que gere uma saída
de 10 KHz com um fator de trabalho em excesso de 0,1. Observe que para evitar danificar o
555, você não deve usar valores de resistores menores que 1 kΩ na parte de sincronismo de
seu circuito. Com a freqüência de seu oscilador ajustada em 10 kHz, meça o fator de
trabalho. Observação: O 555, junto com algumas outros chips temporizadores, geram
a cada transição de saída uma grande fonte de corrente [ ~150mA]. Tenha certeza de
usar um capacitor de desvio robusto (=100 µF) no pino VCC do chip para o terra,
fisicamente próximo ao chip. Mesmo assim, o 555 pode ter uma tendência gerar
transições de saída em dobro. A maioria das versões de CMOS do 555 não têm este
problema e não consome tanta corrente, você pode variar entre os limites na saída, e
pode operar abaixo de 1 ou 2 volts VCC!
2. Sem mudar alguns dos valores dos componentes de seu circuito, re-conecte-o para operar
com uma fonte de +5 V. Meça a freqüência e o fator de trabalho e compare com os valores
encontrados na parte 1. Por que estes valores variam tão pouco com tensão da fonte?
3. Você pode usar um chip 555 para gerar a forma de onda dente de serra, em vez de onda
quadrada disponível através do pino de saída 3. A única forma para fazer isso é alimentar o
capacitor com uma fonte de corrente (que dará uma tensão linear no capacitor com tempo)
e descarregá-lo com a conexão do 555. Projete e construa tal circuito para gerar uma forma
de onda dente de serra de 10kHz com um tempo de reajuste de mais ou menos de 1 % do
período da onda dente de serra. Construa sua fonte de corrente usando o FET 2N5459 na
configuração mostrada pela figura 5. As características do FET e o valor do resistor R
determinam a corrente fornecida por esta fonte. Nota: para proteger o 555 dos danos ao
descarregar o capacitor você deve se certificar de que há ao menos um 1 resistor de kΩ
no percurso de descarga. Entretanto, este resistor distorcerá a forma de onda se ficar
situado como mostrado acima [RB]. Você pode re-alocar este resistor de modo que ainda
fique em série com pino 7, mas não no trajeto de carga. Você pode também eliminar este
resistor inteiramente se seu capacitor do sincronismo for pequeno o bastante de modo
que a resistência de saturação do transistor limite a corrente de descarga em níveis
seguros.
Figura 5: Fonte de corrente JFET.
4. Usando o IC dos temporizadores 555, projete e construa um oscilador de controle de
tensão dente de serra. Seu objetivo deve ser uma variação de freqüência de
aproximadamente 100Hz a 10 kHz enquanto a tensão de entrada é de aproximadamente 0 a
15 volts. Você pode usar um potenciômetro para fornecer a uma tensão de controle
ajustável. Você pode usar a variação de tensão DC de seu gerador de função como tensão
de controle. Um dos circuitos que talvez você deseje tentar é a “fonte de corrente
controlada por tensão” visto em aula. O transistor de saída deste circuito é conectado no
lugar de RA. Seu relatório deve mostrar seu projeto e também listar as freqüências mais
baixas e as mais elevadas que você obteve no projeto.