Universidade de Coimbra Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores ELECTRÓNICA II (2004/2005) 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 47F 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 100F 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?