#1 (resposta em frequência) grupo: data: - pads.ufrj.brjoarez/eletiii_lab1v7b.pdf · _____ ufrj /...

_______________________________________________________________________ UFRJ / POLI / DEL - Laboratório de Eletrônica III

Prática #1 (Resposta em frequência) GRUPO:

Data:____________

v.9b_JBM 09/03/2018 1

PRÁTICA #1 – RESPOSTA EM FREQUÊNCIA I) Objetivos:

PARTE 1: Projetar amplificador na configuração EMISSOR COMUM (EC) para atender às características especificadas.

Estimar a resposta em frequência de amplificadores.

PARTE 2: Comparar o desempenho das configurações EMISSOR COMUM (EC) e CASCODE.

II) Especificações

Circuito da fig.1, sendo: Vcc=15 V, Q1=Q2=BC546B / 547B / 548B, C5=C6=10pF e VCEQ2=1,5V.

(manual: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/150/128424_DS.pdf)

Módulo do ganho de tensão 90o

S

v VAv Vv

;

Excursão de sinal na saída 2,5 V pico;

3,5 INZ k ;

Frequência de corte inferior entre 30 e 80 Hz;

Variação percentual da corrente de polarização

I

ICQ

CQ

15% , considerando:

- dispersão dos valores de hFE,

- variação dos parâmetros (VBE, hFE , ICBO) com

a temperatura, na faixa entre -15 e 55 oC.

- distribuir o percentual da seguinte forma:

devido a VBE (6%), a hFE (8%) e a ICBO (1%).

C3

Q2

BC546B

RS

1k

C2

VCC

Vo

R1R5R3

VS

R4

RL= 10k

C4

C1

C5

ZOUT

Q1

BC546B

R2 R6

C6

ZIN

RS

1k

R6

R4

VCC

Vo

R1

VS

R5

ZINQ2

BC546B

ZOUT

C2C5

C6

C4

RL= 10k

R3

C3

C1

R2

Q1

BC546B

fig 1: Configuração Emissor Comum fig 2: Configuração Cascode

ATENÇÂO: As diferenças entre os circuitos das fig.1 e fig.2 estão apenas nas ligações dos capacitores C1, C3 e C4.

_________________________________________________________________________ UFRJ / POLI / DEL - Laboratório de Eletrônica III

v.9b_JBM 09/03/2018 2

III) Projeto

Projetar o amplificador EC da fig. 1 atendendo às especificações e escolhendo valores comerciais para os componentes;

Utilize o manual do transistor para verificar valores de hFE , ICBO e capacitâncias parasitas (CBC).

Adote um hFE para o projeto. Sugestão: utilizar max min max min2 FEproj FE FE FE FEh h h h h para que a variação

percentual de ICQ2 seja simétrica com a variação de hFE para o máximo e para o mínimo.

As colunas “projetado”, nas tabelas anexas (EC e CASCODE) devem ser preenchidas com os valores obtidos nas

verificações de cada configuração, respectivamente, itens 7 e 11 da memória de cálculo.

IV) Simulações

**TODAS AS SIMULAÇÕES DEVEM CONTER LABELS, INDICANDO OS VALORES QUE SERÃO ANOTADOS NAS COLUNAS

“SIMULADO”.

**AO COLOCAR OS GRÁFICOS, AS ESCALAS E O NOME DO QUE ESTÁ SENDO e DEVEM ESTAR CLAROS.

Realizar as simulações na seguinte ordem:

1. Determinação de BF

Perfil de simulação: “DC Sweep”

Determinação do parâmetro BF do transistor. No modelo, esse parâmetro controla o hFE.

Para encontrar o BF correspondente ao hFE desejado:

-No perfil de simulação, selecionar: análise do tipo “DC Sweep”, opção “model parameter”, “model type (NPN)”,

“Model name (transistor usado: p.ex. BC546B)”, “Parameter name (BF)”. Selecionar ainda o tipo de varredura:

“linear” na faixa desejada (valor inicial / valor final / incremento).

- Mandar plotar IC(Q2)/IB(Q2) e verificar qual valor de BF corresponde ao hFE desejado e usar estes valores de

BF para fazer simulação com a variação de hFE.Transiente

-Após plotar o gráfico, coloque o BF equivalente ao hFE de projeto como parâmetro para as próximas

simulações.

2. Polarização e excursão de sinal

Perfil de simulação: “Transient”

Com o valor de BF ajustado, faça uma simulação transiente do circuito em questão. Ao realizá-la, o SPICE fará a

simulação de polarização do seu circuito. Uma cópia do esquemático, com as tensões e correntes indicadas,

deverá ser apresentada junto dos outros gráficos simulados.

Ajuste o sinal de entrada, para que o sinal de saída apresente ambos os semiciclos ceifados.

3. Ganho, resposta em frequência e impedâncias (Rac, Zin, Zout e Ro)

Perfil de simulação: “AC Sweep”

Para as simulações de Rac, Zin, Zout e Ro, escolher a opção “AC Sweep/Noise”. Marque a opção “Logarithmic”.

Indique a frequência inicial e a frequência final desejadas. Em pontos por década coloque 100.

No circuito, ajustar o parâmetro AC da fonte de sinal de entrada para 1.

_________________________________________________________________________ UFRJ / POLI / DEL - Laboratório de Eletrônica III

v.9b_JBM 09/03/2018 3

Plotar, num único gráfico, o ganho e as frequências de corte do amplificador. Em seguida, fazer o gráfico das

impedâncias na seguinte ordem: Rac, Zin, Zout e Ro

4. Variação de temperatura e hFE.

Perfil de simulação: “Transient”

Para realizar essas simulações, você deve marcar a opção “Temperature” e colocar SÓ UMA TEMPERATURA.

Após ajustar a temperatura desejada, você deve marcar a opção “Parametric Sweep” e ajustar o valor de BF

desejado.

Após isso, você deve plotar o gráfico de Vopmax e anotar o valor de ICQ(Q2) na tabela.

V) Medidas

Montagens:

o Observar que as diferenças entre os circuitos das fig.1 e fig.2 estão apenas nas ligações dos capacitores C1, C3

e C4.

o Desenhar as montagens utilizadas para as medidas das impedâncias de entrada e de saída, explicando o

procedimento de medida.

Para o circuito da fig. 1:

o Ajustar a corrente de polarização (ICQ2) permitindo variação máxima de 5% em relação ao valor adotado no

projeto. Se necessário, varie somente o valor de R1, podendo fazer associações de resistores comerciais para

obter o valor desejado. Observe que R1 pode ser diferente do usado na simulação. O importante é deixar as

correntes de polarização aproximadamente iguais, nas três situações: projeto, simulação e montagem.

o Fazer as simulações e medidas indicadas na tabela apresentada no final da PARTE 1.

Para o circuito da fig. 2.

o Fazer as simulações e medidas indicadas na tabela apresentada no final da PARTE 2.

VI) Escala de valores comerciais de componentes disponíveis no laboratório:

Resistores Filme metalizado 5%: (1,0 – 1,2 – 1,5 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,9 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2 – 10,0) x 100 a 106 Ω

Capacitores Eletrolíticos : (1,0 – 2,2 – 4,7) x 100 a 103 μF, exceto 4700 μF

Poliester metalizado: (1,0 – 1,2 – 1,5 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,9 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2 – 10,0 ) x 100 a 102 nF

Cerâmicos: (1,0 – ---- – 1,8 – ---- – 2,7 – ---- – ---- – 4,7 – ---- – ---- – ---- – ---- ) x 100 pF

(1,0 – 1,2 – 1,8 – 2,2 – 2,7 – 3,3 – 3,9 – 4,7 – 5,6 – 6,8 – 8,2 – 10,0) x 101 pF

(---- – 1,2 – 1,8 – 2,2 – ---- – 3,3 – 3,9 – 4,7 – ---- – ---- – ---- – ---- ) x 102 pF


Aula prática #1 (Resposta em frequência) GRUPO:

Data:____________

v.9b_JBM 09/03/2018 5

MEMÓRIA DE CÁLCULO (PARTE 1: EMISSOR COMUM) 1) Especificações:

Módulo do ganho de tensão:

_____o

S

v VAv Vv

Excursão de sinal na saída:

_____op picov V

Impedância de entrada:

_____INZ k

Frequência de corte inferior

_____ _____LHz f Hz

Temperatura de operação:

____ ____o oC T C

2 _____CEQV V

_____CCV V

5 6 _____C C pF

Variação percentual da corrente de polarização:

_____

BE

CQ

CQ V

II

_____

FE

CQ

CQ h

II

_____

CBO

CQ

CQ I

II

2) Informações adicionais: Verifique qual o tipo de transistor de pequenos sinais está disponível no conjunto de componentes recebidos para as

aulas práticas.

Do manual do transistor selecione as características relacionadas a seguir:

Tipo: BC_________ min ______FEh max ______FEh (25 )______oCBO C

I nA

min max

min max

2 ______FE FEFE proj

FE FE

h hh

h h

_______or k

Considere ainda:

25oprojT C 2,5BEo

V mVT C

max

10max 25

2 1 o

T

CBO CBO CI I

BE

CQ BE

CQ REV

I VI V

CBO

CQ B ECBO

CQ REI

I R R II V

max

1

1FE

B

CQ EFE

CQ FE FEprojh

RI R

hI h h


v.9b_JBM 09/03/2018 6

3) Determinação de 5R e 2CQI :

O roteiro deste projeto está baseado no método apresentado na apostila “Projeto de amplificador monoestágio” e

consiste, basicamente, de um sistema de três inequações onde cada uma delas garante o cumprimento de um ou

mais itens da especificação. São elas:

2 1min 2 minCQ CC CEQ CEQ RE CI V V V V G (I) garante a polarização e a excursão do sinal sem saturação

2CQ op f C op f LI v v G v v G (II) garante a excursão do sinal sem corte

2 40 40CQ C LK KI G G

(III) garante o ganho de tensão

3.1) Inequação (I)

A corrente de polarização ( CQI ) é definida pelo transistor Q2. A estabilidade de CQI em relação às variações de BEV

depende de REV (tensão sobre o resistor R6). Para obter minREV , calcule maxT em relação à temperatura de projeto

( 25oprojT C ) e use a expressão da variação percentual de CQI devido à BEV .

1 minCEQV garante a não saturação do sinal de saída. Para obtê-lo, use a especificação da amplitude do sinal ( opv ).

Use os valores encontrados para estabelecer a inequação (I)

2CQ CI G (I) garante a polarização e a excursão do sinal de saída sem saturação

minREV V

maxoT C

1 minCEQV V


v.9b_JBM 09/03/2018 7

3.2) Inequação (II)

Use a especificação da amplitude do sinal ( opv ) para estabelecer a inequação (II)

.

2CQ C LI G G (II) garante a excursão do sinal de saída sem corte

3.3) Inequação (III)

Use a especificações do ganho ( Av ) e da impedância de entrada ( INZ ) para definir o valor mínimo do ganho

oK v v B que atende à especificação.

Use o valor de K encontrado para estabelecer a inequação (III)

2CQ C LI G G (III) garante o ganho de tensão

3.4) Interpretação gráfica e cálculo de maxCR

Esboce o gráfico das três inequações, indicando a região de solução.

Calcule o ponto de interseção e determine max min1C CR G

maxCR k

2CQI

CG LG

/K V V


v.9b_JBM 09/03/2018 9

3.5) Escolha de 2CQI e 5R

Escolha um valor comercial para 5R e calcule as correntes 2minCQI e 2maxCQI , correspondentes aos limites da

região de solução. Escolha o valor de 2CQI . Repita o procedimento até que o valor escolhido para 2CQI possa variar

20% sem sair da região de solução.

4) Cálculo de 6R

Escolha um valor comercial para 6R , considerando 6 min 2RE CQR V I .

5) Cálculo das polarizações de base

As variações percentuais de 2CQI devido à CBOI e FEh dependem do valor de BR adotado na polarização de base

do transistor 2Q .

Observe que o valor de BR muito alto pode prejudicar a estabilidade de 2CQI e o valor muito baixo pode prejudicar a

impedância de entrada I NZ .

5.1) Cálculo de BR = 1R // 2R

Calcule maxCBOI considerando maxT

Calcule maxCBO

B IR . Use a expressão da variação percentual de 2CQI devido à CBOI .

2minCQI mA

2maxCQI mA

6R k

maxCBOI mA

maxCBO

B IR k

2CQI mA

5R k


v.9b_JBM 09/03/2018 10

Calcule maxFE

B hR . Use a expressão da variação percentual de 2CQI devido à FEh .

Considere maxFE FE FE projh h h

Calcule 2

Tfe

CQ

Vr hI . Use 25TV mV e ______fe FE projh h .

Calcule minBR de modo a garantir a especificação de I NZ .

5.2) Cálculo de 1R e 2R

Usando as expressões abaixo, calcule 2R e escolha um valor comercial:

22 max 1 BQ

BCC

VR R

V

e 2 2 6BQ CQ BEV I R V

Calcule 1R usando a expressão: 1 22

1CC

BQ

VR RV

Calcule BR e certifique-se de que min maxB B BR R R

maxFE

B hR k

r k

minBR k

1R k

2R k

BR k

max maxmax,in

FE CBOB BB h IR RR m k


v.9b_JBM 09/03/2018 11

5.3) Cálculo de 3R e 4R

Para que as impedâncias de entrada do EC e CASCODE fiquem aproximadamente iguais, considere 4 2R R .

Calcule 3R usando a expressão: 3 41

1CC

BQ

VR RV

, onde 1 2 6 2BQ CQ CEQ BEV I R V V ,

e escolha um valor comercial.

6) Resumo

RS

R1

R2

R3

R4

R5

R6

RL

OBS.: Neste projeto, para simulação e montagem, o valor de 1R deve ser ajustado para que a corrente 2CQI fique dentro de

5% do valor nominal adotado no projeto.

3R k

4R k

C3

Q2

BC546B

RS

1k

C2

VCC

Vo

R1R5R3

VS

R4

RL= 10k

C4

C1

C5

ZOUT

Q1

BC546B

R2 R6

C6

ZIN


v.9b_JBM 09/03/2018 12

7) Verificação (EMISSOR COMUM) Com os valores de todos os resistores já definidos, faça análise do circuito para verificar se todas as especificações na

banda média e polarização e foram atendidas:

7.1) Cálculo de 2CQI

Se necessário, altere o valor de 1R (pode ser valor não comercial) para que a corrente 2CQI fique igual ao valor

nominal adotado no projeto.

7.2) Cálculo de 2CEQV

7.3) Cálculo de 1CEQV

7.4) Cálculo da impedância equivalente de coletor (Rac=RC//RL)

7.5) Cálculo da excursão máxima do sinal de saída sem corte nem saturação

Excursão máxima sem corte ( )op sem cortev :

Excursão máxima sem saturação ( )op sem saturaçãov :

min( , )op op sem corte op sem saturaçãov v v

7.6) Cálculo da impedância de entrada inZ

2CQI mA

acR k

opv V

2 CEQV V

1 CEQV V

inZ k


v.9b_JBM 09/03/2018 13

7.7) Cálculo do ganho de tensão o SAv v v

7.8) Cálculo da impedância de saída do coletor de Q1 1OR

Utilizar a expressão: 1 ,1

fe bO o

Eeq

h R rR r onde kk R

7.9) Cálculo da impedância de saída outZ

8) Cálculo dos capacitores responsáveis pela freqüência de corte inferior

Calcule todos os capacitores considerando cada um deles como sendo responsável pela frequência de corte inferior e

os demais em curto. Escolha um valor comercial para C3. Multiplique os capacitores C1 e C2, em ordem decrescente

de valor, respectivamente, por 10 e 50. Multiplique C4 por 250.

vA V V

outZ k

1 C F 2 C F 4 C F 3 C F

1 oR k


v.9b_JBM 09/03/2018 14

9) Verificação das frequências de corte


Frequência de corte superior

10) Cálculo da variação percentual de 2CQI devido às variações de temperatura e FEh

BE CBO FE

CQ CQ CQ CQ

CQ CQ CQ CQV I h

I I I II I I I

10.1) Variação percentual de 2CQI considerando maxT e maxFEh

Considere: e

10.2) Variação percentual de 2CQI considerando minT e minFEh

Considere: e

Lf Hz

Hf kHz

%CQ

CQ

II

%CQ

CQ

II

mA

mA


v.9b_JBM 09/03/2018 15

Configuração emissor comum (EC)

Parâmetros do circuito Unid Projetado Simulado Medido OBS

T=25 ºC hFEproj =________ BFproj=_________

Polarização

Ajustar ICQ2 5%nomI mA

VEQ2 V

VCEQ1 V

VCEQ2 V

Impedância equivalente de coletor (Rac=RC//RL) k X

Excursão máxima de sinal na saída (Vopmax) V

Ganho (Av=Vo/Vs) V/V

Frequência de corte

inferior (fL) Hz

superior (fH) kHz

Impedância de entrada (Zin) k

Impedância de saída (Zout) k

Impedância de saída do coletor de Q1 (Ro1) k X

Variação de Temperatura e hFE Unid Projetado Simulado Medido OBS

Tmax=______ºC hFEmax=_________ BFmax=_________

Vopmax V X X

ICQ2 mA X

Variação percentual de ICQ2 % X

Tmin=______ºC hFEmin=________ BFmin=________

Vopmax V X X

ICQ2 mA X

Variação percentual de ICQ2 % X


v.9b_JBM 09/03/2018 16

MEMÓRIA DE CÁLCULO (PARTE 2: CASCODE)

11) Verificação Com os valores de todos os resistores já definidos na PARTE 1, faça análise do circuito para verificar se todas as

especificações na banda média e polarização e foram atendidas:

11.1) Cálculo da excursão máxima do sinal de saída sem corte nem saturação

Excursão máxima sem corte ( )op sem cortev :

Excursão máxima sem saturação ( )op sem saturaçãov :

min( , )op op sem corte op sem saturaçãov v v

11.2) Cálculo da impedância de entrada inZ

11.3) Cálculo do ganho de tensão o SAv v v

vA V V

opv V

inZ k


v.9b_JBM 09/03/2018 17

11.4) Cálculo da impedância de saída do coletor de Q1 1OR

Utilizar a expressão: 1 ,1

fe bO o

Eeq

h R rR r onde kk R

11.5) Cálculo da impedância de saída outZ

12) Verificação das frequências de corte


Frequência de corte superior

Configuração CASCODE

outZ k

Lf Hz

Hf kHz

1 oR k


v.9b_JBM 09/03/2018 18

Parâmetros do circuito Unid Projetado Simulado Medido OBS Excursão máxima de sinal na saída (Vopmax) V


Frequência de corte

inferior (fL) Hz

superior (fH) kHz



Impedância de saída vista para dentro do coletor de Q1 (Ro1)

k X

Comparação: EC x CASCODE

Parâmetros do circuito Unid Simulado Medido

OBSEC CASCODE EC CASCODE

Excursão máxima de sinal na saída (Vopmax) V


Freqüência de corte

inferior (fL) Hz

superior (fH) kHz



Impedância de saída vista para dentro do coletor de Q1 (Ro1)

k X X


v.9b_JBM 09/03/2018 19

Comentários / Conclusão

1- Como as variações de temperatura e de hFE influenciam na máxima excursão de sinal?

Explique o mecanismo.

Sugestão: Considere o efeito da variação da temperatura (aumento e redução). Analise, em

cada caso, o que acontece com a corrente de polarização e, consequentemente, com a

excursão de sinal.

2- Compare as configurações CASCODE e EC quanto ao ganho, resposta em frequência e

impedância de saída do transistor Q1 (Ro). Comente os resultados obtidos.

3- Desenhe as montagens para a medida das impedâncias de entrada e saída e explique o

procedimento. (DET – Dispositivo Em Teste)

Montagem para medida de impedância de entrada Montagem para medida de impedância de saída

DET DET


v.9b_JBM 09/03/2018 20

13) Histórico das modificações:

Versões anteriores: JBM15/03/2006 JBM 15/08/2006 JBM 19/08/2008 JBM 28/07/2009

V7a: JBM 21/04/2010

alterado a especificação de Zin de 4k para 3,5k;

corrigida a expressão de hFEproj (sinal – trocado por +)

V7b: JBM 27/08/2010

Alteradas as especificações de: ganho de 120 para 80V/V , vop de 2,5 para 2V pico, faixa de frequência

de corte inferior de 30 a 60 Hz para 30 a 80 Hz e faixa de temperatura de -5 a +65 oC para -15 a +50 oC

Alterado o texto de: Apenas simulação no Orcad : Variação de Temperatura e hFE

V8: JBM 14/02/2011

Acrescentada a memória de cálculo e alterações na tabela retirando algumas tensões de polarização

V8b: JBM 26/08/2011

Pag.3 - Corrigidas as expressões de variação percentual (sinal – retirado em Icbo e hFE) e ;

acrescentado espaço para ro.

Pag. 7 - Alterado o cálculo de R1, R2, R3 e R4

Pag. 8, 9 e 11 – Acrescentadas informações para o cálculo da excursão de sinal.

Pag. 11- acrescentadas as caixas para variação perventual de ICQ

V9b: JBM 09/032018

Várias modificações na forma e texto. Divisão da Memoria de cálculo em PARTE 1 e PARTE 2.

#1 (resposta em frequência) grupo: data: - pads.ufrj.brjoarez/eletiii_lab1v7b.pdf · _____ ufrj /...

Documents