Electrónica Geral Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica Ano Lectivo 2013/2014 Prof. João Costa Freire Relatório do Trabalho de Laboratório nº 2 Osciladores Sinusoidais RC com Amplificadores Operacionais elaborado em Maio de 2014 Grupo Turma 2ª feira 15h 2ª feira 17h 2 X 5ª feira 16h30 Número Nome 72727 Ana Raquel Pena de Aguiar 72767 Marta Maria Ramalho Ferreira 73614 Nuno Filipe Inácio Vaz Matias Rubrica Recebido........./..................../ 2014 às …….h…….m por ……………………………………………….. (rúbrica) Índice I. Introdução...................................................................................................................... 3 Introdução teórica ......................................................................................................... 3 II. Estudo Analítico .......................................................................................................... 5 Pergunta 2.1 .................................................................................................................. 5 Pergunta 2.2 .................................................................................................................. 8 Pergunta 2.3 ................................................................................................................ 10 Pergunta 2.4 ................................................................................................................ 12 Pergunta 2.5 ................................................................................................................ 14 III. Trabalho de simulação .............................................................................................. 15 Pergunta 3.1.AC sweep ............................................................................................... 16 Pergunta 3.2.Transient................................................................................................ 26 a.1 ........................................................................................................................................ 27 a.2 ........................................................................................................................................ 29 a.3 ........................................................................................................................................ 32 b) ......................................................................................................................................... 35 IV. Parte experimental .................................................................................................... 38 Pergunta 4 .1 ............................................................................................................... 38 a).......................................................................................................................................... 38 b) ......................................................................................................................................... 41 Pergunta 4.2 ................................................................................................................ 42 a) Oscilador com limitador a díodos ............................................................................... 42 b) Circuito sem limitador ................................................................................................. 44 c) Função de transferência do filtro RLC ......................................................................... 45 d) Características do limitador a díodos .......................................................................... 48 V. Conclusões ................................................................................................................. 49 VI. Bibliografia............................................................................................................... 50 2 I. Introdução Este trabalho de laboratório teve como objectivo o estudo de circuitos osciladores, nomeadamente as suas condições e características de oscilação. Estes são constituídos por circuitos RC com realimentação e um amplificador operacional (LM 348) como elemento de amplificação. Estudou-se também a influência de circuitos limitadores de díodos (1N4154) como meios de limitar a tensão de saída do amplificador. Em particular, os circuitos analisados são o oscilador em Ponte de Wien (RC série- RC paralelo) e o oscilador com circuito ressonante (simulação de bobina). De modo a analisar os circuitos de forma clara, o trabalho apresenta-se convenientemente estruturado, sendo que primeiramente se efectuou a análise teórica considerando o AO ideal. Foram obtidos valores que, numa primeira aproximação, foram comparados com os obtidos através de uma simulação recorrendo ao software CAD LTSpice. Finalmente procedeu-se à verificação experimental onde foi avaliada a validade do modelo usado bem como o efeito de dispersão de fabrico dos componentes. É de realçar que os comentários e conclusões particulares são apresentados juntamente com os resultados, sendo que no final é proporcionada uma conclusão geral do trabalho. Introdução teórica Os circuitos osciladores são capazes de gerar um sinal, onda sinusoidal ou quadrada, sem a necessidade de aplicação de um sinal externo. As condições de oscilação são dadas pelo critério de Barkhausen: → |𝐴𝛽| = 1 → 𝜑𝐴𝛽 = 0 Onde A é o ganho do amplificador, β é um filtro que define a frequência de oscilação f0 e φAβ é a fase da função de transferência Aβ. Na realidade |𝐴𝛽| > 1, isto é, as oscilações são crescentes, sendo necessário um bloco λ não linear para reduzir o ganho A e determinar a amplitude de saída. Deste modo é possível considerar os circuitos osciladores como um conjunto de blocos, cada um representante de cada parâmetro descrito em cima. 3 VO VA A VO Vβ β VA Figura 1: Oscilador em Ponte de Wien (RC série - RC paralelo) Na figura acima está representado o oscilador em Ponte de Wien, juntamente com o seu esquema de blocos. O ganho A advém do ganho do circuito não inversor, enquanto que o β é definido a partir dos circuitos RC série e RC paralelo, não havendo qualquer circuito limitador. Z Vβ V1 Vβ A Vβ V2 V2 λ β V1 Figura 2: Oscilador com circuito ressonante (simulação de bobina) Nesta figura apresenta-se o oscilador com circuito ressonante, em que a parte à direita de Z é equivalente a uma bobina de indutância Leq. Este é então composto por dois amplificadores operacionais que definem o ganho A, um filtro de 2ª ordem RLC dependente de C, QR e Leq, e um circuito limitador de díodos λ, à saída do circuito amplificador. O módulo laboratorial TEE 13 usado na parte experimental, com esquema e valores dos componentes, é representado em seguida: 4 Figura 3: Módulo Laboratorial TEE 13 II. Estudo Analítico Pergunta 2.1 Neste primeiro problema tem-se como objetivo determinar as condições a que devem obedecer os valores dos componentes dos circuitos em estudo, para que neles se estabeleçam oscilações sinusoidais de amplitude constante. Por outras palavras pretende-se calcular a relação entre os componentes de cada circuito de modo a que Aβ=1. Circuito (a) Admitindo que o amplificador operacional (AO) é ideal, isto é: i+ = i− = 0 , v+ = v− o seu ganho A é dado por: 5 A= VO R2 =1+ VA R1 e a função β do filtro por: β= VO ZP = VA ZS + ZP pois VO e VA estão relacionados pela fórmula do divisor de tensão entre as impedâncias ZP e ZS: ZP = R//C = R/sC 1/sC+R 𝑅 = 1+𝑠𝑅𝐶 e ZS = R + 1/sC Assim, a expressão para Aβ é: Aβ = (1 + R2 R/(1 + sRC) ) R1 R + (1/sRC) + R/(1 + sRC) Dividindo todos os termos por R/(1 + sRC), obtém-se: Aβ = (1 + Aβ = (1 + R2 1 ) R1 3 + sRC + (1/sRC) R2 1 ) R1 3 + j(ωRC − 1/ωRC) Para que Aβ=1, Im{Aβ(jω)}=0 e o numerador (1+ R2/R1)=3 : j(ωRC − 1/ωRC) = 0 → ω = ω0 = 1/RC (1 + → R2 )=3 R1 R2 =2 R1 6 Conclui-se que a frequência de oscilação, ω0, é igual a 1/RC e que o ganho A tem de ser 3, ou seja, as resistências R1 e R2 devem ser tais que o seu quociente seja 2 para que a oscilação tenha uma amplitude constante. No entanto é necessário um valor maior que 2, pois deve ter-se Aβ > 1, para iniciar o processo de oscilação. Circuito (b) Considerando também o modelo do AO ideal e não saturado e atendendo ao esquema da Figura 2, tem-se para o ganho: A= V1 R+R = =2 Vβ R tendo-se considerado um divisor de tensão entre as duas resistências mais à direita com igual valor. Para o cálculo de β considera-se o divisor de tensão entre a resistência QR e a impedância Z, desenhada no circuito, em paralelo com o condensador ligado à massa. Dado que a parte à direita de Z é equivalente a uma bobina de coeficiente de autoindução Leq, então Z = sLeq. β= Vβ sLeq //(1/sC) Z//C = = V2 QR + Z//C QR + (sLeq //(1/sC)) Desenvolvendo a expressão de β e multiplicando por A, obtém-se uma expressão simplificada para Aβ: Aβ = 2 × Leq Leq =2× QRC(sLeq + 1/sC) + Leq sLeq QRC + QRC/sC + Leq Aβ = 2Leq j(ωQRCLeq − QR/ω) + Leq Neste caso, o valor mínimo para Aβ é 2, pois o circuito impõe à partida um ganho A=2. Assim, a frequência de oscilação é dada por: 1 − ω2 Leq C = 0 7 → ω = ω0 = 1 √CLeq Conclui-se que, nas condições apresentadas, os componentes do circuito só determinam a frequência de oscilação. Como Aβ >1, a condição de oscilação é satisfeita, e esta será cada vez maior até atingir a amplitude de saturação do AO. Teoricamente isto não acontece devido à presença dos díodos limitadores, que tornam a amplitude de oscilação relativamente constante: Aβ ≈ 1. Pergunta 2.2 Utilizando as expressões para a frequência de oscilação de cada circuito obtida na pergunta anterior, calcula-se agora o seu valor, utilizando os valores dos componentes da Figura 3: R = 10 KΩ , C = 15nF Circuito (a) Viu-se no problema anterior que a expressão para a frequência de oscilação é dada por: ω0 = 1 RC Fazendo a conversão de radianos para Hertz tem-se f0 = ω0 1 = ≈ 1061Hz 2π 2πRC → f0 = 1.061 KHz 8 Circuito (b) A frequência de oscilação, em radianos, para o oscilador com circuito ressonante é ω0 = 1 √CLeq Apresentam-se agora cálculos para a expressão de Leq: Z VC I4 Vβ Vβ I3 I2 VO I1 Figura 4: Cálculos para o oscilador com circuito ressonante (simulação de bobina) I1 = Vβ R Admitindo o AO ideal, i.e, com as correntes de entrada nulas: I1 = I2 = I3 = Vβ − VC = sC(Vβ − VC ) 1/sC ↔ (Vβ − VC ) = Vβ sCR A corrente I4 é dada por: I4 = Mas como I4 = Vβ Z VC − Vβ Vβ = R sCR2 , 9 𝑍 = 𝑠𝐶𝑅 2 com 𝐿𝑒𝑞 = 𝐶𝑅 2 → Leq = CR2 = 1.5H A frequência em Hertz é então dada por: f0 = ω0 1 = ≈ 1061Hz 2π 2π√CLeq → f0 = 1.061 KHz Pergunta 2.3 Pretende-se agora obter uma estimativa do factor de estabilidade da frequência de oscilação para cada circuito. O factor de estabilidade da frequência Sf é o declive da resposta de fase, φ(ω), no ponto ω0 multiplicado por este. Sf = ω0 ∂φ | ∂ω 𝜔=ω0 Este fator avalia a estabilidade da frequência de oscilação quando a fase varia devido à temperatura, polarização, humidade, etc. Assim, tem-se um grande valor de Sf quando grandes variações na fase originam pequenas variações da frequência em torno da frequência de oscilação. Circuito (a) Para determinar o fator de estabilidade, é necessário conhecer a expressão de φ e a sua derivada parcial em ordem a ω: ωRC − 1/ωRC ) |φAβ | = arctan ( 3 10 ∂φ RC 3RC = ( + ) | ∂ω ω=ω0 3 (3ωRC)2 1 | = 2| ωRC − 1/ωRC 1+( ) 3 2RC 3 ω=1/RC Multiplicando este resultado por ω0 = 1/RC, obtém-se: → Sf = 2 3 Circuito (b) A fase da função de transferência Aβ e a sua derivada parcial em ω é dada por: |φAβ | = arctan ( QRLeq ∂φ = (QRC + | ) ∂ω ω=ω0 (ωLeq )2 ωQRCLeq − QR/ω ) Leq 1 | ωQRCLeq − QR/ω 2 | 1+( ) L eq = 2QRC ω=1/√CLeq Assim, obter-se-ia a seguinte expressão: Sf = 2QRC √Leq C = 20 Mas dado este ser um circuito ressonante de banda estreita tem-se Sf = 2Q, logo: Q = 10 → Sf = 20 11 Pergunta 2.4 Nesta pergunta, objetiva-se obter uma estimativa da amplitude das oscilações dos circuitos em diferentes condições. Considera-se que a saturação dos amplificadores operacionais usados se verifica abruptamente para uma tensão de alimentação de Vcc = ±15V para VO = ± 14V ou io= ±25mA. Circuito (a) Condição: sem qualquer circuito limitador Não tendo qualquer componente limitadora no circuito, admite-se que as oscilações são sempre crescentes até atingir o patamar de saturação dos amplificadores operacionais. Dado que neste trabalho Vcc = 4V, por uma proporcionalidade linear tem-se: VO = 4 × 14 15 = 3.7V → VO = ± 3.7V Circuito (b) Condição: sem qualquer circuito limitador Viu-se na resposta à pergunta 2.1 que o circuito (b), impõe à priori a condição Aβ > 1, pelo que as oscilações são também crescentes até atingirem a amplitude correspondente à tensão de saturação dos amplificadores operacionais. Neste caso, e visto que os AOs usados são iguais aos utilizados no oscilador em ponte de Wien, a tensão de entrada é igual à tensão de saída que, por sua vez, corresponde à tensão de saturação do AO, isto é, ±3.7V. → VO = ± 3.7V 12 Condição: com limitador de díodos de comutação D1 e D2 em antiparalelo Começa-se por admitir que a tensão de saída do amplificador operacional 1 é a sua tensão de saturação, V1 = ± 3.7V e que VDon = 0.88V para uma corrente iD =30mA (ver catálogo dos díodos). A corrente máxima que passa no circuito limitador é dada por: iDmáx = V1 − VDon = 0.282 mA R1 A partir da Figura 5 é possível fazer uma estimativa para VDon correspondente a um iD =0.282mA usando a curva de 25⁰C. Conclui-se que uma tensão aproximada é cerca de 0.5V. → VDmáx = ± 0.5V Figura 5: Corrente do díodo em função da tensão Este valor corresponde à amplitude da onda quadrada aos terminais do circuito limitador e toma o valor aproximado de 1V pico a pico. Para determinar a amplitude da fundamental V1m da onda quadrada, utiliza-se a série de Fourier, sendo a amplitude da fundamental de um sinal com amplitude V pico a pico dada por 4V/π. Assim: V1m = 4×1 = 1.27V π Conclui-se que neste caso são os díodos os responsáveis pela definição da amplitude de oscilação, uma vez que a sua tensão máxima VDmax = ± 0.5, é inferior à tensão de saturação dos amplificadores operacionais VO = ± 3.7 V para uma tensão de alimentação de ± 4V. 13 Pergunta 2.5 Finalmente, pretende-se obter Zin considerando que os AOs não são ideais, ou seja, considerando o ganho A finito tal que a tensão de saída é dada por A(v+-v-) = AvD. Zin V4 V5 I5 V2 V3 I4 I3 V1 I2 I1 Figura 6: Impedância de entrada para o oscilador com circuito ressonante (simulação de bobina) Através de KVL e KCL, obtiveram-se as seguintes expressões em função das variáveis da figura em cima: V2 − AVD1 V2 =− → AVD1 = 2V2 R R AVD1 − (−VD2 + V2 ) = (−VD2 + V2 − AVD2 )sC R Vin (VD1 − VD2 + V2 ) = Iin VD1 − VD2 + V2 − AVD2 Escrevendo V2 e VD2 em função de VD1, e tendo em conta que (Vin/Iin)=Zin, obtém-se o resultado simplificado: Zin = 2R + jωC𝑅 2 A Onde Req = 2R/A e Leq = CR2. A bobina simulada tem então perdas e tem um fator de qualidade, considerando A=560 V/V (através do gráfico open loop frequency response do catálogo do AO), C=15nF, R=10KΩ e ω=2π x 1KHz, de: 14 𝑄𝐿 = 𝜔Leq = 84𝜋 ≈ 264 𝑅𝑒𝑞 Como Q L >> Q =10, conclui-se que se pode desprezar as perdas na bobina, Req, o que significa que Zin pode ser considerada igual à do caso em que se consideram os AOs ideais (A tende para infinito logo Req=0). III. Trabalho de simulação Para o trabalho de simulação computacional utilizou-se o software CAD LTSPICE. Nesta simulação, o oscilador em estudo foi o oscilador em Ponte de Wien e analisou-se as suas condições de oscilação bem como a variação das oscilações com valores diferentes da função de transferência |Aβ|. Para a primeira análise simulou-se em AC sweep e para a segunda em modo Transient. Como o LTSpice não possui o circuito integrado LM348 constituído por quatro AmpOp µA741, para construir o oscilador utilizou-se um modelo do amplificador µA741 que se encontra no ficheiro LM741.sch. O modelo, fornecido pelo Professor, apresentase na Figura 7. A este modelo retiraram-se as resistências R11, R12 e R14 e substituiu-se pelos componentes necessários e respectivos valores segundo a montagem da Figura 3. 15 Figura 7: Esquema do modelo do AmpOp µA741 Pergunta 3.1.AC sweep Para a análise em AC sweep do oscilador em Ponte de Wien escolheu-se uma posição do potenciómetro P1 de modo a ter-se |Aβ|=1.05, ou seja, 5% de excesso de módulo do ganho de retorno em relação à condição de ganho mínimo para o arranque das oscilações. Contudo para poder representar uma posição para o potenciómetro no circuito é necessário dividi-lo em duas resistências que estão relacionadas do seguinte modo: P1 = R P1 + R P2 R P1 = aP1 R P2 = (1 − a)P1 Em que P1 representa o potenciómetro e R P1 e R P2 as respectivas resistências que o definem no circuito simulado. Verifica-se então que para poder construir o circuito é necessário descobrir o valor de a. Para tal recorre-se ao oscilador estudado analiticamente da Figura 1. Sabe-se que para este oscilador o ganho do amplificador não inversor é dado por: 16 A=1+ R2 R1 E que o seu valor para os dados do modelo da Figura 3 é aproximadamente: A≈3 Assim, como para o oscilador do estudo analítico o módulo do ganho de retorno é |Aβ|=1 e o ganho do amplificador não inversor é A≈3, vem que para um oscilador com ganho de retorno de |A’β|=1.05 um ganho do amplificador não inversor de: A′ = |A′ β| A = 3.15 |Aβ| De notar que isto só é possível porque o bloco β é constante nos dois circuitos. Para o circuito do oscilador na simulação o ganho do amplificador não inversor será relativamente diferente do oscilador na análise teórica devido à presença das outras resistências, pelo que resulta: A′ = R 7 + R 8 + R + R P1 + R P2 R 8 + R P1 Que é equivalente a: A′ = R 7 + R 8 + R + P1 R 8 + aP1 Como acima se retirou que A’=3.15, igualando à última expressão obtida é possível obter finalmente o valor de a que é dado por: a = 0.359 A partir deste valor é possível obter o valor das resistências a utilizar na simulação: R P1 = 3.59 kΩ R P2 = 6.41 kΩ 17 De realçar que para esta simulação abriu-se a malha fechada e aplicou-se à nova entrada um gerador AC como se apresenta na Figura 8. Assim, apresenta-se na Figura 9 o circuito a analisar nesta pergunta. Figura 8: Oscilador em Ponte de Wien em malha aberta Figura 9: Circuito do oscilador em Ponte de Wien para a análise AC sweep 18 a) Nesta alínea pretende-se traçar a função de transferência Aβ em módulo e fase em função da frequência, isto é, o Diagrama de Bode. De seguida, a partir deste retirase a frequência de oscilação e a margem com que se verifica a condição de ganho. Quando se corre a simulação para obter a função de transferência, esta pode ser facilmente determinada medindo o valor da tensão apenas no nó Va. Isto porque o ganho A representa apenas um número real e a função de transferência em função da frequência deve-se à presença dos condensadores e das resistências no bloco β, que introduzem os pólos e os zeros. O Diagrama de Bode pode ser observado na Figura 10. Figura 10: Diagrama de Bode do oscilador em Ponte de Wien em malha aberta Para determinar a frequência de oscilação, retira-se a frequência para a qual se verifica a condição de fase, ou seja, quando ϕAβ =0. Por análise do diagrama da fase obtém-se o seguinte valor para a frequência de oscilação: fosc = 1.047 kHz 19 Para retirar a margem com que se verifica a condição de ganho, isto é, para |Aβ|>1 que na escola logarítmica equivale a |Aβ|dB >0, realiza-se um zoom ao gráfico da magnitude (Figura 11) e retiram-se os valores extremo da frequência, obtendo-se a seguinte margem: ω ∈ {660.69 Hz, 1.778 kHz} Figura 11: Zoom do Diagrama de Bode na zona de |Aβ|>1 b) Para calcular o factor de estabilidade da frequência de oscilação primeiro é necessário fazer um zoom do gráfico da fase na proximidade da frequência de oscilação obtida anteriormente. Depois altera-se a escala logarítmica para escala linear, obtendose o gráfico na Figura 12. 20 Figura 12: Zoom, em escala linear, do gráfico da fase numa zona próxima da frequência de oscilação De seguida faz-se uma interpolação com dois pontos, um à esquerda e outro à direita do ponto correspondente à frequência de oscilação. Usaram-se os pontos fornecidos pelo LTSpice, (1.023, 0.515) e (1.071, -1.298), pelo que resultou: 0.515 − (−1.298) = −37.78𝑜 1.023 − 1.071 A este valor multiplica-se a frequência de oscilação da mesma maneira que se realizou na análise teórica. Para além de ser em módulo o valor apresentado também é 𝜋 necessário multiplicar por um facto de 180 dado que o resultado acima está em graus e pretende-se em radianos. Deste modo, vem que o factor de estabilidade (em módulo) é dado por: Sf = 37.78o × π × 1.047 180 Sf = 0.69 c) Para esta alínea pretende-se estudar e retirar algumas conclusões apenas sobre o ganho de tensão do AmpOp em malha aberta, AV=V0/(V+-V-). O Diagrama de Bode obtido apresenta-se na Figura 13. 21 De modo a apresentar uma sequência lógica dos resultados, primeiro aborda-se a quantidade de pólos e zeros no diagrama: aproximadamente nos 110 mHz apresenta-se um pólo dominante criado pelo único condensador do amplificador, o condensador C1. Este pólo faz com que a amplitude do ganho desça a 20 dB/década. Depois entre os 100 Hz e os 10 kHz apresenta-se um pólo seguido imediatamente por um zero. No gráfico da amplitude, o efeito deste pólo seguido por um zero faz com que a amplitude decresça um pouco mais que 20 dB/década. De seguida a 1 MHz apresenta-se outro zero, já que a amplitude que descia a 20 dB/década passa a ser constante. A partir de 1MHz apresentam-se dois pólos conjugados dado que o gráfico da fase apresenta um pico de ressonância, e a partir desse ponto uma série de pólos e zeros provocados pelos inúmeros componentes do amplificador. Figura 13: Diagrama de Bode do ganho de tensão do AmpOp em malha aberta Como dito anteriormente, o pólo dominante que provoca a descida da amplitude a 20 dB/década é induzido pelo condensador C1. Aumentando o seu valor dez vezes mais, isto é para 300 pF, é de esperar que o condensador induza um pólo a uma frequência mais baixa do que se encontra na Figura 13. Esta frequência é tão baixa que o pólo nem se apresenta no Diagrama de Bode, mas sabe-se que ele existe pois a amplitude aparece a descer a 20 dB/década e a fase ainda se apresenta a descer, como 22 se verifica na Figura 14. Todos os amplificadores com pólos dominantes e com sistemas de 1ª ordem apresentam este condensador, já que a presença deste torna o amplificador estável. Figura 14: Diagrama de Bode do ganho de tensão do AmpOp em malha aberta com condensador em 300 pF De seguida pretende-se obter uma estimativa do ganho máximo Avo, do valor do pólo dominante f1, do ganho de largura de banda dado por GBW= Avo f1 e da frequência f0 que corresponde ao ganho unitário (Av=0 dB). O valor do pólo dominante é obtido determinando o valor da frequência para a qual o ganho é igual a Av0 - 3 dB. Deste modo, analisando a Figura 13 retira-se os seguintes valores: Avo = 131.57 dB f1 = 107.15 mHz GBW = 405.97 kHz f0 = 109.65 kHz 23 Com os valores obtidos pretende-se verificar uma relação característica de sistemas de 1ª ordem: GBW = f0 Esta relação corresponde a AmpOps que possuem um pólo dominante e cuja queda do ganho no ponto f0 ainda é 20 dB/década. Como se confirmam estas duas condições para o AmpOp em estudo, então corresponde a um sistema de 1ª ordem pelo que a relação tem de se verificar. Contudo analisando os valores obtidos constata-se que o GBW=405.97 kHz é aproximadamente quatro vezes superior à frequência f0=109.65 kHz, o que aparentemente não condiz com a relação. Mas tem que se ter em conta que esta equação verifica-se quando o ganho decresce a 20 dB/década. Ora no intervalo de 100 Hz a 10 kHz, encontram-se um pólo e um zero que fazem com que o ganho desça a um pouco mais de 20 dB/década. Este efeito é mais pronunciado neste caso porque as tensões de alimentação são baixas ±VCC = 4V. Pode-se concluir que a relação é válida em sistemas de 1ª ordem, dado que se a função simulada se mantivesse a descer a 20 dB/década a igualdade seria verificada. Com os últimos valores obtidos, pretende-se agora comparar com os dados fornecidos no catálogo do AmpOp µA741 disponibilizado na página da disciplina. Para comparar o valor do ganho máximo recorre-se à Figura 15 do catálogo apresentada abaixo. Pode-se constatar que para uma tensão de alimentação típica de ±VCC=4 V tem-se um ganho máximo de aproximadamente de 93 dB. Ora como o ganho máximo obtido na simulação é de 131.57 dB conclui-se que existe uma diferença de 40 dB entre as tensões, isto é, duas décadas dado que por cada década a tensão desce 20dB. Figura 15: Ganho de tensão máximo em função das tensões de alimentação VCC 24 Com a conclusão anteriormente é diferença valores de possível obtida explicar entre o a pólo dominante obtido e o do catálogo. Na Figura 16 retirada do catálogo verifica-se que o pólo se encontra aproximadamente a 10 Hz ao passo que na simulação obteve-se 0.1 Hz. Ora constata-se que existe uma diferença de duas décadas, o que seria de esperar dado a diferença de 40 dB entre o ganho máximo. Figura 16: Ganho de tensão em função da frequência (Diagrama de Bode) Para comparar o valor do produto GBW compara-se com a Figura 17 ao lado que representa o ganho de largura de banda em função da temperatura ambiente. Como se está a trabalhar a 25 ºC verifica-se que o GBW do catálogo é 1 MHz ao passo que o obtido na simulação é de 0.4 MHz. É de esperar esta diferença dado que o gráfico do catálogo corresponde a uma tensão de alimentação de ±VCC=15 V e a usada na simulação é de ±VCC=4 V. Figura 17: Produto GBW em função da temperatura ambiente Para comparar o valor da frequência f0 recorre-se novamente à Figura 16 e verifica-se o valor da frequência para o ganho igual a 0 dB, como na simulação. Assim obteve-se para o valor do catálogo uma frequência de aproximadamente 1 MHz e na simulação obteve-se 0.1 MHz. Tal diferença de duas décadas era previsível dado que o ganho de tensão da simulação difere de 40 dB em relação ao do catálogo. 25 Requer-se também comparar a curva típica do ganho em malha aberta da simulação com a do catálogo. A curva do catálogo está apresentada na Figura 16 e pode-se constatar que apresenta a mesma forma que a curva obtida na simulação. Pretende-se finalmente saber o ganho Av para a frequência de oscilação obtida na alínea a). Assim substituindo no gráfico da amplitude na Figura 13 é possível retirar o seguinte valor para o ganho: AV = 45.33 dB Pergunta 3.2.Transient Para esta pergunta pretende-se obter o valor da amplitude e da frequência de oscilação em regime estacionário e o seu espectro, como também o tempo que o circuito demora a atingir esse regime estacionário. São analisadas três condições diferentes que variam com a posição do potenciómetro, isto é, com o valor de a que define o valor das resistências relativas ao potenciómetro. Para realizar esta análise, simula-se em regime transitório o circuito da Figura 9 com a malha fechada. Assim não haverá nenhum gerador de sinal e as únicas fontes de alimentação são as fontes contínuas que alimentam os amplificadores operacionais. 26 a.1 Nesta alínea pretende-se posicionar o potenciómetro num ponto em que |Aβ|=1.05. Como a análise em AC sweep foi realizada neste ponto, o valor de a é igual ao valor obtido anteriormente: a = 0.359 Pelo que o circuito a ser analisado é basicamente igual ao da Figura 9 com excepção que a malha agora encontra-se fechada (Figura 18). Para registar os valores da frequência de oscilação do sinal de saída, da amplitude do sinal e do tempo que demorou a atingir o valor final analisa-se a tensão no sinal de saída, apresentado na Figura 19. Figura 28: Circuito do oscilador em Ponte de Wien para a análise Transient para |Aβ|=1.05 27 Figura 39: Tensão do sinal de saída na condição |Aβ|=1.05 Para anotar o valor da frequência de oscilação, determina-se primeiro o valor do período de oscilação Tosc (a partir de dois pontos) e de seguida, invertendo esse valor, obtém-se a frequência de oscilação. Assim: Tosc = 0.97 ms 𝑓osc = 1.03 kHz Analisando a Figura 19 retira-se os seguintes valores de amplitude do sinal A e tempo que demora a atingir regime estacionário, t: A =3.3 V t = 43.2 ms Para além desses valores também se pretende analisar a tensão na saída e na entrada positiva do AmpOp em poucos períodos do regime estacionário para verificar se existe distorção. Como se pode observar na Figura 20, a tensão na saída (verde) apresenta uma distorção relativamente maior em relação à tensão da entrada positiva 28 do AmpOp (azul). A de entrada apresenta um forma sinusoidal ao passo que a outra nos extremos já apresenta alguma saturação se bem que ligeira. A tensão da entrada positiva apresenta apenas uma ligeira distorção para tensões negativas. Verifica-se também que a tensão de saída apresenta uma amplitude superior à da entrada. Assim também é de esperar que a tensão de saída sature e a de entrada não, dado que a primeira atinge a tensão de saturação imposta pelas tensões de alimentação. Figura 20: Tensão na saída (verde) e na entrada positiva (azul) do AmpOp em poucos períodos do regime estacionário a.2 Nesta alínea pretende-se colocar o potenciómetro num ponto em que |Aβ| é máximo. Para tal verifica-se para que valor de a obtém-se um ganho de tensão GV máximo. Dado que GV é determinado pela expressão abaixo (deduzida anteriormente como A’) e que a varia entre 0 e 1, tem-se os seguintes valores de a e GV para o qual |Aβ| é máximo: a=0 GV = R 7 + R 8 + R + P1 = 3.79 R 8 + aP1 29 Como se viu anteriormente, as resistências do potenciómetro dependem do valor a. Os novos valores dessas resistências apresentam-se abaixo juntamente com o novo circuito. R P1 = 0 kΩ R P2 = 10 kΩ Figura 21: Circuito do oscilador em Ponte de Wien para a análise Transient para |Aβ| máximo Novamente analisou-se a tensão no sinal de saída (Figura 22) para retirar a frequência de oscilação (e o período de oscilação como no caso anterior), a amplitude do sinal e o tempo com que se demorou a atingir o regime estacionário, t. Tosc = 1.06 ms 𝑓osc = 0.94 kHz A =3.3 V t = 10.4 ms 30 Figura 22: Tensão do sinal de saída na condição |Aβ| máximo Para calcular o valor de |Aβ| no ponto máximo recorre-se ao valor de GV calculado, que equivale ao A, e à expressão que define o β: β= 1 3 + jωRC + (1/jωRC) Substituindo a frequência na expressão anterior pela frequência de oscilação obtida, obtém-se o seguinte valor de |Aβ|: |Aβ| = 1.26 De notar que se podia ter calculado de uma maneira mais rápida sem ter de recorrer à frequência de oscilação. Tal modo apresenta-se na alínea a seguir. Tal como na alínea anterior, também se pretende analisar a existência de distorção na tensão da saída e da entrada positiva do AmpOp. Neste caso verifica-se que tanto a tensão da saída (a verde na Figura 23) como tanto a tensão de entrada positiva do AmpOp (azul) apresentam uma elevada distorção. Contudo a distorção no 31 sinal de saída é maior do que na de entrada, dado que nesta ainda se apercebe que tem um forma sinusoidal ao passo que na de saída aproxima-se de uma onda quadrada. Figura 23: Tensão na saída (verde) e na entrada positiva (azul) do AmpOp em poucos períodos do regime estacionário Comparando o caso de |Aβ|=1.05 com o caso de |Aβ| máximo verifica-se que tanto a frequência de oscilação como o tempo que demora ao estabelecimento do regime final, é inferior no caso do segundo relativamente ao primeiro. O valor da frequência de oscilação é apenas ligeiramente mais pequeno mas o tempo de estabelecimento é aproximadamente quatro vezes inferior. Quanto á distorção verificase que existe uma maior distorção em ambas as tensões no segundo caso em relação ao primeiro. a.3 Agora pretende-se colocar o potenciómetro num ponto em que |Aβ| é mínimo. Para tal procede-se da mesma forma que na alínea anterior só que o valor de a será o outro extremo. Daí resultam novos valores para o ganho GV e para as resistências do potenciómetro. O novo circuito apresenta-se na Figura 24 e a tensão na saída na Figura 25. a=1 32 𝐺𝑉 = 2.43 R P1 = 10 kΩ R P2 = 0 kΩ Figura 24: Circuito do oscilador em Ponte de Wien para a análise Transient para |Aβ| mínimo Figura 25: Tensão do sinal de saída na condição |Aβ| mínimo 33 Para obter o valor de |Aβ| pode-se seguir da mesma forma que na análise AC sweep. Como no ideal |Aβ|=1 para A=3 então neste caso em que A=G V=2.43 vem que o valor de |Aβ| é dado por: |Aβ| = 2.43 1 = 0.81 3 Analisando o gráfico da tensão de saída retira-se o tempo que demorou a primeira oscilação completa, tosc. Comparando este valor com os períodos das oscilações obtidos nas duas alíneas anteriores, constata-se que ambos os valores são praticamente semelhantes o que é expectável dado que a frequência de oscilação deve ser aproximadamente a mesma para os três casos. 𝑡𝑜𝑠𝑐 = 1.04 ms 𝑓𝑜𝑠𝑐 = 0.96 kHz Também é necessário verificar se o valor utilizado para a saturação abrupta do amplificador operacional na análise teórica corresponde ao obtido por simulação. Analisando a Figura 19, correspondente à tensão da saída do AmpOp para o caso |Aβ|=1.05, que é o mais próximo do analisado teoricamente, verifica-se que as oscilações saturam para uma tensão aproximadamente de 3.3 V. Como no estudo analítico, na pergunta 2.4 obteve-se 3.7 V comprova-se que os valores estão concordantes pois não diferem substancialmente. Comparando as frequências e amplitudes da tensão de saída nas três condições acima com os resultados obtidos na análise teórica constata-se que: as frequências de oscilação para os três casos são bastante semelhantes entre si e também são parecidas ao valor obtido na análise teórica (1.06 kHz). Este resultado é expectável dado que a frequência de oscilação depende apenas da realimentação RC série e paralelo que é constante para toda a simulação. Quanto à amplitude do sinal, verifica-se que para o caso de |Aβ|=1.05 e para |Aβ| máximo a amplitude do sinal satura aproximadamente 34 para 3.3 V que é bastante próximo do valor obtido na análise teórica (3.7 V). Exclui-se o caso de |Aβ| mínimo porque não verifica a condição de oscilações sinusoidais estáveis. b) Nesta alínea pretende-se simular apenas o amplificador operacional e testar uma característica importante das suas limitações em regime de sinais fortes. Para tal retira-se a realimentação positiva RC série-RC paralelo da Figura 9 e aplica-se à entrada um gerador de impulsos com as seguintes características: Von(V) = ±VCC/3 = 1.33 V Frequência = 50 kHz Período = 20 µs Factor de ciclo = 10 µs Tempo de subida e descida = 0.2 µs O circuito a simular e a forma da tensão na saída do AmpOp apresentam-se respectivamente na Figura 26 e Figura 27. Verifica-se que a forma da tensão é uma onda trapezoidal com flancos praticamente constantes. 35 Figura 26: Circuito do AmpOp sem a realimentação RC série e paralelo Figura 27: Tensão na saída do AmpOp do circuito sem a realimentação RC série e paralelo O facto de os flancos da onda trapezoidal serem praticamente constantes e não exponenciais deve-se ao facto de o condensador interno C1 do AmpOp ser carregado a corrente constante e não através de um circuito RC e fonte de tensão. Aliás pode-se 36 verificar que aumentando dez vezes mais o valor desse condensador a forma de onda na saída deixa de ser trapezoidal (Figura 28). Os componentes responsáveis por carregar o condensador a corrente constante são os dois transístores adjacentes Q10 e Q11 e a resistência R13 já que alterando o valor desta resistência provoca grandes alterações na forma da onda da saída (deixa também de ser trapezoidal). Figura 4: Tensão na saída do AmpOp sem realimentação RC série e paralelo para um condensador de 300p Para calcular a inclinação dos flancos da tensão de saída, o Slew Rate, utiliza-se dois pontos extremos da Figura 27, por exemplo (33.6 µs, 3.28 V) e (40.1 µs, 0.73 V). Vem assim que o Slew Rate é dado por: SR = ∆Vo 0.73 − 3.28 = = 0.40 V/μs ∆t 40.1 − 33.6 Na tabela apresentada no catálogo o valor do SR para uma tensão de alimentação de ±VCC=15 V é de 0.5 V/µs e como a tensão de alimentação utilizada é inferior é de esperar que o SR também seja menor. 37 IV. Parte experimental Pergunta 4 .1 a) Na base de montagem representada na figura (introdução) procedeu-se ao ajuste do potenciómetro de modo a obter uma clara distorção da forma de onda do sinal em F, sendo visualizadas as tensões nos nós F e A, observados na Figura 29. A amarelo visualiza-se a tensão no nó F. Com a rotação do potenciómetro de modo a aumentar a resistência em paralelo com a entrada V- e o terminal de saída (nó F), verifica-se o aumento do ganho A do amplificador. Este aumento, por sua vez, provoca um acentua na distorção do sinal, o que se reflecte no aparecimento de uma onda que é achatada nos picos. Esta distorção é devida à saturação do AmpOp a partir de valores de tensão acima de 3.7V em módulo, tendo este valor sido calculado na parte teórica. O sinal a verde representa a onda medida no nó A. Este sinal já foi filtrado, razão pela qual já apresenta um sinal bastante mais próximo do sinusoidal. Tal deve-se ao facto de o filtro deixar passar apenas frequências próximas da frequência fundamental do circuito, excluído as harmónicas mais afastadas, resultando num sinal mais sinusoidal que o sinal de entrada. 38 Figura 29: Tensões nos nós F (amarelo) e A (verde) do oscilador em Ponte de Wien. Escala: 2,00V/div no eixo vertical. Da medição da tensão pico a pico para os dois sinais obtiveram-se os seguintes valores: VF = 5.5 V e VA = 2.3 V. É também de notar que os sinais se encontram em fase, uma das condições impostas pelo critério de Barkhausen. Nos espectros das tensões nos nós F e A foi possível verificar-se que a frequência fundamental de oscilação do circuito é a mesma e que corresponde a um valor de 1.06 KHz, um valor muito próximo do obtido teoricamente (1.061 KHz). 39 Figura 30: Sinal em frequência no nó F Figura 51: Sinal em frequência no nó A Foi medida a diferença entre a amplitude da primeira e da segunda harmónica no nó F, sendo a diferença de 15 dBV. O mesmo foi efectuado no nó A, sendo a diferença de 14 dBV existindo uma atenuação de 1 dBV. Mesmo quando são efectuadas o mesmo tipo de diferenças mas para outras harmónicas que não a segunda, a 40 atenuação obtida é sempre muito baixa tendo sido determinada uma atenuação de 3 dBV para a 4ª harmónica, 5 dBV para a 5ª harmónica e ainda 7 dBV para as 7ª e 8ª harmónicas. Para a 2ª e 3ªa harmónica praticamente não foram verificadas atenuações. A baixa atenuação das harmónicas que não a fundamental verificada deve-se ao facto de o filtro ter um baixo factor de qualidade (1/3), o que implica que o filtro tenha uma banda pouco selectiva e que não se verifique uma grande atenuação da amplitude das harmónicas. O oscilador de Ponte de Wien necessita, portanto, de estar sincronizado com um cristal de modo a tornar a banda de passagem mais estreita. b) Após se ter ajustado o potenciómetro de modo a obter uma oscilação de amplitude constante com uma distorção mínima no nó F, mediram-se, novamente, valores da tensão pico a pico e da frequência nos nós A e F, recorrendo ao osciloscópio: Vf = 4.3V e VA = 1.4 V. Ambas as ondas verificadas nos dois nós podem ser observadas na Figura 32, onde a onda no nó F está representada a amarelo e a do nó a verde. Como se pode observar, as ondas encontram-se em fase, sendo a variação da fase é nula, o que está de acordo com o critério de Barkhausen. Para além disso, também foi determinado o ganho de tensão da montagem não inversora, calculado através de: 𝑉𝑓 4,3 = = 3.07 𝑉𝑎 1,4 Que é bastante próximo do valor do ganho mínimo para se arrancar uma oscilação, calculado na análise teórica da secção II.1, onde foi determinado que o ganho deveria ser de 3 para as oscilações terem uma amplitude constante. As frequências fundamentais dos sinais medidas no osciloscópio foram de f0f = 1.06 KHz e f0a = 1.09 KHz. As diferenças em dBV da frequência fundamental para a primeira harmónica de cada um dos sinais foram de 53 dBV para o sinal em F e de 48 dBV para o sinal em A. 41 Figura 32: Tensões nos nós A (verde) e F (amarelo), sendo que o no nó F se encontra o sinal com distorção mínima. Escala eixo vertical: Amarelo - 2,00 V/div Verde- 0,5 V/div Pergunta 4.2 a) Oscilador com limitador a díodos Neste circuito recorreu-se ao circuito da Figura 2, tendo sido obtidas as tensões nos nós M e L, no domínio do tempo e da frequência. As ondas nos nós M e L em função do tempo encontram-se representadas na Figura 33 enquanto que a onda do nó L no domínio da frequência se encontra representadas na Figura 34. Como se pode observar, o circuito constituído pelos díodos e pela resistência apresentam um efeito limitador sobre a tensão, sendo que a onda do sinal em L apresenta uma forma quadrada com uma tensão pico a pico de 1 V, ou seja, de amplitude ± 0.5V, para um sinal de entrada em M de amplitude ± 1V. É de realçar que a amplitude do sinal em L corresponde exactamente à tensão de saturação dos díodos calculada na parte teórica, concluindo-se que o circuito limitador de díodos impede que seja atingida a tensão de saturação dos AmpOps com as oscilações crescentes. 42 Figura 33: Tensão no nó M (Amarelo) e no nó L (Verde) para o oscilador com circuito ressoante. Escala 1,00 V/div Em termos da análise em frequência, verifica-se que neste circuito existe uma frequência fundamental com uma amplitude muito superior à das harmónicas. A variação entre a frequência fundamental e a frequência da harmónica com a maior amplitude é de 48.515 dBV. Dado o circuito ser de segunda ordem, ou seja, a função de transferência apresentar um par de polos complexos conjugados, a atenuação é cerca de 40 dBV/dec a partir da frequência fundamental, o que vai de encontro aos resultados obtidos. Na Figura 34 está presente o espectro de frequências do sinal em L, que se assemelha ao espectro de uma onda quadrada, com a particularidade de possuir uma primeira harmónica com uma amplitude demasiado pronunciada, o que a transforma numa onda mais trapezoidal. 43 Figura 34: Sinal no domínio das frequências no nó L b) Circuito sem limitador Num circuito onde não existe o circuito limitador, ou seja, num circuito em que M e L foram curto-circuitados, obteve-se o sinal de onda do nó M = L, que se encontra na Figura 35. Tendo em conta que o ganho do circuito é de 2, o circuito não verifica o critério de Barkhausen (Ganho 2>1), provocando oscilações constantes, o que por sua vez origina distorção do sinal na ausência de um circuito limitador. Dado isto, a distorção observada é devida à saturação dos AmpOps do circuito. Para a tensão de alimentação estudada, observou-se que a distorção ocorria apenas na alternância negativa, o que se deveu à falta de simetria da placa do circuito, visto que seria de esperar uma saturação simétrica. 44 Figura 35: Tensão no nó M = L, sem o circuito limitador de tensão. Escala = 1,0V/div c) Função de transferência do filtro RLC Para realizar esta alínea, aplicou-se um sinal sinusoidal recorrendo a um gerador de funções cuja frequência se foi alterando até se observar um valor máximo para a tensão no nó M. A frequência a que corresponde esse máximo é a frequência central do filtro, fo. Como se pode observar na Figura 36, a frequência para a qual se obteve a amplitude máxima do sinal em M foi de 1.10 KHz, muito próxima da frequência fundamental do circuito de 1.06 Hz. Pode confirmar-se a posição deste máximo verificando que os sinais de entrada e saída estão em fase, ou seja, quando não existe desfasagem entre os sinais. O ganho obtido para este circuito é determinado através do quociente das tensões pico a pico: 𝑉𝑀 𝑉𝐿 = 1.78 V. 45 Este ganho é abaixo do esperado de 2, e é devido essencialmente às incertezas de 10% relativas ao valor das resistências integradas no circuito. Figura 36: Tensão imposta pelo gerador no nó L (amarelo) e tensão máxima no nó M (verde), obtida para a frequência central do filtro. Passou-se de seguida a determinar as frequências da queda do ganho a 3 dB para tal, foi determinar-se o valor da tensão para essa queda de ganho: 1.87 x 0.707 = 1.32V. Os valores das frequencias fL e fH foram determinados recorrendo ao osciloscópio. Da Figura 37 foi possível determinar-se fH. Como se pode observar, a tensão pico a pico é de 1.33V e o valor da frequência, fH, é de 1.17 kHz. Deve ainda notar-se o avanço de fase de 45º entre o sinal do gerador e o sinal após precorrer o circuito. 46 Figura 37:Determinação da fH Escalas eixo vertical: 500mV/div Para calcular fL, fez-se novamente variar a amplitude do sinal em M até aos 1.31 V, tendo sido obtida a frequência e 1.04KHz. Desta vez o sinal encontrava-se desfazado de -45º. Figura 38: Determinação da fL Escala eixo vertical: Tensão em L 500mV/div A obtenção destes dois valores de frequências permite o cálculo do parâmetro Q, definido como: Q = fo fH −fL , ou seja, para os valores determinados Q = 8.46. Este valor está um pouco afastado do valor obtido na análise teórica em que Q = 10. Mesmo assim 47 é um valor que permite obter um coeficiente de estabilidade de frequência, Sf, relativamente elevado, isto é, à volta de 17. d) Características do limitador a díodos Nesta alínea facultativa, pretendeu-se estudar a característica de transferência do circuito limitador. Como se pode observar, quando a tensão de entrada ultrapassa a tensão de vDmax = ± 0,5 V o declive da característica de transferência diminui até aproximadamente zero, ou seja, para tensões superiores a esta os díodos estão cortados logo, por maior que seja a entrada no circuito, a saída é constante e igual a 0,5 em modulo. No intervalo entre estas duas tensões, o declive é de aproximadamente 1, o que significa que a tensão de entrada é igual à tensão de saída. Figura 39: Característica de transferência do circuito limitador com díodos Escala 200 mV/div 48 V. Conclusões Terminando este trabalho foi possível consolidar a matéria lecionada nas aulas, bem como aprofundá-la e testá-la experimentalmente. Ao longo deste relatório foram efetuadas várias comparações acerca dos resultados obtidos nas 3 partes do trabalho: análise teórica, simulação e experimentação tornando-se redundante repetir as conclusões tiradas, já que todas as particularidades importantes para o funcionamento dos dois osciladores analisados foram convenientemente comentadas. Mas, de uma forma geral, é possível observar a concordância dos resultados obtidos embora alguns se afastem ligeiramente do previsto. As dispersões dos resultados devem-se principalmente a aproximações feitas na análise teórica, nomeadamente, o facto de se ter considerado um AmpOp ideal. Da mesma forma os resultados experimentais foram afetados devido a efeitos de dispersão de fabrico e ao mau funcionamento da placa do circuito utilizado. 49 VI. Bibliografia •FREIRE, João Costa, 2º trabalho de laboratório, Osciladores Sinusoidais RC com Amplificadores Operacionais, 2º semestre 2013/2014 •SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth C., Microelectronic Circuits; 6ª ed.; Oxford; Oxford University Press; 2009 • data sheet SGSThomson uA741 50