Trabalho Prático nº 1 - Universidade de Coimbra

Universidade de Coimbra
Departamento de Engenharia Electrotécnica
ELECTRÓNICA II (2003/2004)
Trabalho Prático Nº 1
Amplificador em Emissor Comum
1 - Introdução
Neste trabalho prático pretende-se construir um amplificador em Emissor Comum (EC),
utilizando o circuito de polarização da figura 1a. Ao aplicar um sinal vi(t) ao circuito, a
corrente de base do transístor vai alterar-se e portanto, o ponto de funcionamento do transístor
vai deslocar-se ao longo da recta de carga (figura 1b).
Algumas conclusões sobre o funcionamento desta montagem podem retirar-se observando as
curvas características do transístor, juntamente com a recta de carga. Assim, desde que o
transístor funcione na zona activa, a corrente IC é praticamente independente de VCE,
dependendo apenas de IB, isto é, as curvas são praticamente horizontais. Por outro lado, para
pequenas variações de IB (que se anotam por ib), as variações de IC (i.e., ic) são proporcionais
a ib: ic=hfe. ib.
IC [mA]
10V
4K7
RB1
RC
33K
C
v0(t)
+
IB3
IB2
IB1
IC
47F
vi(t)
VCC
RC+RE
6K8
RE
RB2
VCE
figura 1a)
VCC
VCE [V]
figura 1b)
Desta forma, o comportamento dinâmico do transístor na zona activa (a baixas e médias
frequências) pode ser descrito por um modelo linear, normalmente referido por modelo para
pequenos sinais. Neste modelo interessa apenas considerar variações das correntes IB e IC e
das tensões VBE e VCE, que se anotam por letras minúsculas: ib, ic, vbe e vce. Utiliza-se a análise
de quadripolos para caracterizar o modelo. O modelo de parâmetros híbridos (ou parâmetros
h) indica-se na figura 2a). Define-se uma tensão de entrada vbe e corrente de saída ic em
função da corrente de entrada ib e da tensão de saída vce:
vbe = hie.ib + hre vce
ic = hfe.ib + hoe vce
Os quatro parâmetros h têm dimensões e significados diferentes. Assim, por exemplo,
i
 IC
h fe  c vbe 0 
te
ib
 I B VCE C
e define-se por ganho de corrente directo. De modo idêntico, hie representa a impedância de
entrada, hre o ganho de tensão inverso (da saída para a entrada) e hoe a admitância de saída 1.
Note-se que hoe representa a variação de IC com VCE com IB constante e reflecte o facto de as
curvas características para IB constante não serem exactamente horizontais (ver figura 1b)).
Habitualmente, despreza-se os parâmetros hoe e hre, o que corresponde a considerar o modelo
simplificado da figura 2b).
ib
hie
ic
ic
ib
hfeib
vbe
hrevce
hfeib
hoe
vbe
vce
vce
hie
figura 2a)
figura 2b)
2 - Comportamento dinâmico da montagem em EC.
Utilizando o modelo do transístor da figura 2b), o amplificador da figura 1 (em regime de
sinal ou dinâmico) passa a ser descrito pelo circuito representado na figura 3. Considera-se
que o condensador C apresenta uma impedância praticamente nula à frequência do sinal de
entrada.
hie
ii
hfeib
E
ic
ib
vi
RB1//
RB2
RE
io= ic
RC
Ro
Ri
vo
R ’o
figura 3
A partir deste circuito podem obter-se as características principais do amplificador, como a
impedância de entrada, a impedância de saída, e os ganhos de corrente e tensão.
Notar que, uma vez que normalmente hie(1+ hfe)RE , o ganho de tensão aproximado para
esta montagem é:
Av  RC/RE .
Assim, basta observar no circuito quais os valores de RC e RE para imediatamente se ter uma
boa estimativa do ganho em tensão da montagem.
1
As letras i, r, f e o significam, respectivamente, “input”, “reverse”, “forward” e “output”.
Notar que o ganho é negativo, o que significa que quando a tensão de entrada apresenta uma
variação positiva, a tensão de saída decresce (apresenta uma variação negativa). Isto porque,
as correntes IB e IC sobem fazendo subir a queda de tensão em RC e portanto decrescer a
tensão de saída.
3 - Preparação do Trabalho Prático.
Considerações práticas:
i) Note que é sempre necessário utilizar um condensador na entrada, uma vez que a tensão na
base em repouso tem de apresentar um valor positivo (para polarizar o transístor). A tensão na
base, vB, tem o valor médio VB, neste caso de aproximadamente 1.6V 2.
ii) Em repouso o condensador corresponde a um circuito aberto (impedância do condensador
infinita). Quando se aplica um sinal, a tensão na base devida a vi depende da frequência do
sinal, da capacidade do condensador e da impedância de entrada da montagem. Isto significa
que o circuito só funciona a partir de uma dada frequência mínima: trata-se de um
amplificador AC.
iii) Este amplificador funciona de uma forma aproximadamente linear para pequenos sinais, o
que corresponde ao funcionamento do transístor na zona activa. Quando o transístor entra na
zona de corte ou saturação, a saída satura, apresentando portanto grande distorção.
a) Para a montagem da figura 1 calcule os valores máximo e mínimo para a tensão de saída
vO, bem como a excursão máxima sem distorção. Isto é, supondo que a tensão de entrada é
sinusoidal, qual a amplitude máxima sinusoidal, vo, na saída.
b) Determine qual o PFR que garante uma máxima excursão sem distorção à saída do
circuito.
Recta de carga dinâmica:
Até aqui considerou-se um amplificador dito em emissor comum mas com resistência de
emissor. Um amplificador com ganho muito superior consegue-se colocando um condensador
em paralelo com RE. Consideremos que a capacidade deste condensador é elevada podendo
considerar-se um curto-circuito para a frequência do sinal. Isto significa que a tensão de
emissor vai permanecer constante. Neste caso, o ganho já não pode ser aproximado por RC /
RE: vai ser muito superior a este valor.
c) Determine o ganho de uma montagem em emissor comum (com um condensador em
paralelo com RE). Considere hfe =100 e hie =1K.
Também o ponto de funcionamento do transístor já não vai variar sobre a recta de carga
estática (RCE), mas sim sobre uma recta designada por recta de carga dinâmica (RCD). A
RCE é dada pela seguinte expressão (desprezando IB face a IC):
2
A notação utilizada é a seguinte: letras e índices maiúsculos para valores constantes (valores DC em repouso);
letras e índices minúsculos para variações (valores AC em regime de sinal) e letras minúsculas e índices
maiúsculos para designar as duas componentes AC+DC.
VCC = (RC + RE) IC + VCE
Considerando apenas variações nas tensões e correntes (regime dinâmico), teremos:
0= RC ic + vce
(A tensão na resistência RE não vai variar devido ao condensador). Assim, considerando
ambas as componentes AC e DC, obtermos a equação da recta de carga dinâmica:
VCC = RC iC + VE + vCE
onde VE = REIC e IC é a corrente de colector em repouso. Notar que a RCE e a RCD
interceptam-se no PFR.
d) Calcule nesta situação a máxima excursão do sinal à saída sem distorção.
4 - Montagens
a) Monte o circuito da figura 1. Consirede RE =[1+(turma*10+Grupo)/150]*1k. Ainda sem
aplicar a fonte de sinal, meça os valores de VCE e IC que caracterizam o PFR.
b) Aplique agora ao circuito uma fonte de sinal sinusoidal de 1.2 KHz. Observe que a tensão
de saída está invertida em relação à entrada. Meça o ganho do circuito com a saída sem
distorção e com amplitudes de 0,5 e 2 Volt pico-a-pico.
c) Determine a máxima excursão sem distorção da saída e compare o valor obtido com o que
calculou anteriormente.
d) Meça os valores máximo e mínimo na tensão de saída, aumentando a amplitude do sinal de
entrada. Compare os valores medidos com os valores calculados.
e) Introduza um condensador de 100F em paralelo com a resistência RE. Observe que o
ganho da montagem é agora muito superior. Meça o ganho (sem distorção na saída), bem
como a máxima excursão da saída nesta situação.
f) Visualize a característica de transferência do circuito em modo X-Y, com e sem
condensador em paralelo com RE. Que conclusões pode retirar quanto à linearidade do
amplificador?