EE531 - Laboratório de Eletrônica Básica I

Experiência 1: Pré-RelatórioAllan Gesner RA083186

André Priolli de Araujo RA090393 Rodrigo Hernandes RA092906

Circuito 1: Pré - Amplificador

O circuito dado (figura 1 abaixo) mostra o amplificador operacional, com realimentação da saída na porta de entrada negativa, e com diversas resistências e capacitores acoplados. Como fonte de tensão e utilizado um sinal senoidal de amplitude 1 V, sem componente DC.

Figura 1: Circuito Pré-Amplificador.

1.1 – Comportamento DC Analisamos o circuito calculando seus pontos de polarização, indicados na figura 2 a seguir.

Nela podemos perceber que devido a existência de apenas uma fonte AC, os pontos do circuito estão polarizados em zero ou valores muito pequenos (da ordem de +-10mV). Para a analise DC a situação de SET praticamente não muda nenhum dos valores da polarização.

Figura 2: Circuito Pré-Amplificador, com polarização detalhada.

1.2 – Comportamento AC Fizemos a analise AC para as tres situações de SET e obtivemos os gráficos 3, 4 e 5, em que

as voltagens da saída do amplificador (Vout) e voltagem de entrada após o capacitor Ce (Vce) são calculadas em função da frequência da voltagem de entrada Ve. As frequências de corte das curvas estão assinaladas nas figuras.

SET = 1:

Figura 3: Análise AC Sweep do circuito Pré-Amplificador, com SET=1.

Para frequências muito baixas a tensão tanto em Vout quanto em Vce tende a zero. Vce tem apenas uma frequência de corte inferior, por volta de 340 mHz, mas mesmo após isso não passa de 1V. Vout por outro lado tem tanto frequência de corte inferior (1,12 Hz) quanto superior (49,32 kHz), chegando a mais de 10 V.

SET = 0,5:

Figura 4: Análise AC Sweep do circuito Pré-Amplificador, com SET=0,5.

As curvas de Vce e Vout acompanham uma a outra ate atingirem o pico de 1 V. Depois, Vout cai, tendo uma frequência de corte superior de 0,23 MHz, enquanto Vce se mantem constante.

SET = 0:

Figura 5: Análise AC Sweep do circuito Pré-Amplificador, com SET=0.

Nessa configuração Vout praticamente não cresce durante a faixa analisada mantendo-se em 0,1 V ou menos. Vce praticamente repete o comportamento da configuração anterior, com uma frequência de corte inferior ligeiramente mais alta.

Podemos observar que Vout, em todas as configurações de SET, possui tensões de corte tanto superiores quanto inferiores, sendo este, portanto, um circuito passa – banda. As diferenças de amplitude de saída e frequência entre as diferentes configurações se deve ao fato que cada

uma leva a uma entrada diferente nas portas do amplificador uA741.

Circuito 2: Detector de Nível

O circuito dado, na figura 6 abaixo, e composto por dois transistores bipolares de junção (atuam como inversores lógicos), diversas resistências, um capacitor, três diodos em serie (para indicar um LED), uma fonte DC de 15 V e uma fonte AC de 1mV, Ve.

Figura 6: Circuito Detector de Nivel.

2.1 – Comportamento DC Analisamos o circuito calculando seus pontos de polarização, indicados na figura 7 a seguir.

Com apenas a fonte VCC “ativa” há uma polarização de 1 V entre RC (pino 1) e RL e 0,7 V entre RC (pino 2) e terra, com aproximadamente 0V nos demais pontos. Isso nos indica que, como inversores lógicos, Q2 estará em corte e Q1 estará saturado. A presença de 3 diodos em serie inibe totalmente a corrente, devido ao fato de os diodos não serem ideais, havendo portanto uma tensão de corte de aprox. 0,5 V - passaria corrente caso a tensão entre RC e RL fosse maior que 0,5 x 3 = 1,5 V, ou se fosse apenas 1 diodo.

Figura 7: Circuito Detector de Nível, com polarização detalhada.

2.2 – Análise “ Sweep ” DC

A fonte Ve, apesar de ser senoidal, para nossa análise foi aumentada linearmente de 0V a 5V, para que pudéssemos analisar o comportamento do restante do circuito em função dela. Abaixo, podemos ver como variam Vi (entrada do transistor Q1), VQ1c (coletor de Q1 e entrada de Q2) e VQ2c (coletor de Q2 e tensão total em cima dos diodos em serie).

Figura 8: Análise DC Sweep das tensões do circuito Detector de Nível.

Podemos observar que Vi cresce linearmente, estabilizando em aprox. 0,62 V, no momento em que Q1 inverte seu estado de saída. Como previsto, Q1 começa saturado em 0,70 V, entra em atividade quando Ve = 2,00 V → Vi = 0,59 V, e é cortado quando Ve = 2,20 V → Vi = 0,62 V.

Com VQ2 acontece exatamente o contrario, devido ao fato de sua entrada ser a saída de Q1: a saída de Q2 começa polarizada em 1,10 V (como indicado na analise DC), começa a aumentar quando Ve = 1,80 V, e entra em saturação a VQ2 = 2,85 V, quando Ve = 2,20 V.

Analisamos também o comportamento da corrente nos diodos: no mesmo intervalo que os transistores invertem seus estados, os diodos começam a conduzir corrente, estabilizando em 7,7mA no momento em que a saída de Q2 também se estabiliza. Isso nos mostra que, para polarizar diretamente os diodos em série, foi necessária uma tensão de 1,89V.

Figura 9: Análise DC Sweep da corrente nos diodos do circuito Detector de Nível.

LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA BÁSICA I – EE531PRIMEIRA EXPERIÊNCIA

Allan Gesner RA083186André Priolli de Araujo RA090393 Rodrigo Hernandes RA092906

1. Relatório da Primeira Experiência

1.1 Introdução

Nesse experimento tivemos como objetivo a análise e medição de dados de circuitos que contenham amplificadores operacionais e transistores. Utilizamos um circuito pré-amplificador e um circuito de nível 0dBu para analisar cada um desses dispositivos. Pudemos analisar o emprego de amplificadores operacionais no circuito pré-amplificador nos seguintes modos: amplificador, buffer e atenuado, utilizando para isso um potenciômetro para selecionar cada um dos modos. Para cada um dos três modo de operação medimos o ganho de tensão dado ao circuito. No circuito de nível, analisamos o funcinomanento dos transistores utilizados para permitir ou impedir a passagem de corrente em LED, podendo assim acendê-lo.

1.2 Circuito Pré-amplificador

O Circuito Pré-Amplificador (figura 1) recebe um sinal de entrada Vin e o amplifica, fornecendo uma tensão de saída Vout. Dependendo da posição do potenciômetro (POT), a valor da resistência R1 indicada varia, alterando o valor da tensão de saída. Desse modo, posicionamos o potenciômetro em 3 posições distintas: abaixo de R1 (posição 0 - Modo Amplificador), no meio (posição 0,5 - Modo Buffer) e acima (posição 1 - Modo Atenuador), obtendo 3 valores de amplificação.

Fig.1 – Diagrama do circuito pré-amplificador.

1.2.1 Análise Teórica

O circuito da figura 1 pode ser simplificado, como mostra a figura 2. Sabemos que não entra corrente nos terminais do amplificador operacional (o que é indicado pelas linhas tracejadas) e que a tensão nas entradas inversora e não inversora é a mesma (V). Além disso, os capacitores Cs e Cf funcionam apenas como filtros de frequência, de forma que podem ser substituídos por um curto-circuito e um circuito aberto, respectivamente, para a análise de ganho do amplificador. Pela análise do circuito da figura Y, obtemos o seguinte sistema de equações:

Vin – V = RS I1

V – V2 = RA I1

Vout – V = RF I2

V – V2 = RB I2

V2 = R2 (I1 + I2)

Dessa forma, temos um sistema de 5 equações e 5 variáveis (Vout, V, V2, I1, I2). Resolvendo-o, obtemos a seguinte expressão para a tensão de saída do amplificador:

Vout = Vin (RA RF + RA RB + RA R2+ RB R2)/( RS RB + RA RB + RA R2 + RB R2)

Fig.2 – Circuito Amplificador simplificado para análise

A posição do potenciômetro na resistência R1 pode ser observada na figura 3.

Fig.3 – Posição do Potênciometro

Observa-se que resistências RA e RB podem ser expressas como R1(1-x) e R1x, respectivamente (0 ≤ x ≤ 1). Assim, podemos simplificar a expressão obtida para Vout em função de x, obtendo a expressão para o ganho do amplificador:

Vout/Vin = [R2 + x (1-x) R1 + (1-x) RF] / [R2 + x (1-x) R1 + x Rs]

1.2.2 Simulações e Resultados experimentais

- Amplificador (SET = 0)Nessa configuração, o potenciômetro está na posição x=0. Substituindo x na expressão

encontrada para ganho de tensão no amplificador, obtemos:

Vout/Vin = (R2 + RF )/R2 = (30k + 3.3k)/3.3k ≈ 10.

Dessa forma, o circuito está no modo amplificador, multiplicando a tensão de entrada por10 na tensão de saída. Esse resultado foi confirmado através da simulação realizada, representada na figura 4.

Fig.4 – Simulação para SET = 0

Experimentalmente, o resultado obtido está representado através do gráfico da figura 5.

Fig.5 – Resultados em SET = 0.

Podemos observar que o ganho experimental é de 8.5, abaixo do ganho de 10 esperado. No entanto, o circuito real não apresentava as mesmas especificações do circuito usado na simulação. Diferenças nos valores das resistências, por exemplo, podem causar essa diferença de ganho. Além disso, as tensões de pico da entrada e da saída forem medidas no osciloscópio,

obtendo-se o mesmo ganho de 8.5, o que indica que o erro não foi ocasionado pelo software utilizado, e sim por algum problema no próprio circuito.

- Atenuador (SET = 1)

Nessa configuração, a posição do potenciômetro é x = 1. Substituindo x na expressão para o ganho, obtemos Vout/Vin = R2/(R2 + Rs) = 3.3k/(3.3k + 30k) ≈ 0.1. Ou seja, a tensão de saída é um décimo da tensão de entrada. Na simulação, representada na figura 6, o valor obtido para o ganho também é de 0.1.

Fig.6 – Simulação para SET = 1.

Experimentalmente, o ganho obtido está representado pelo gráfico da figura 7, e estabiliza também para um valor de ganho de aproximadamente 0.1.

Fig.7 – Resultados para SET=1

- Buffer (SET = 0.5)

Nessa configuração, a posição do potenciômetro é x = 0.5. Substituindo x na expressão para o ganho, obtemos Vout/Vin = (R2 + 0.25 R1 + 0.5 RF) / (R2 + 0.25 R1 + 0.5 Rs). Como RF = Rs, temos que Vout = Vin, ou seja, o ganho do circuito é 1. Na simulação do circuito, representada na figura 8, o ganho 1 pode ser constatado observando-se a sobreposição das tensões de entrada e saída.

Fig.8 – Simulação para SET = 0.5

Experimentalmente, o ganho 1 também pode ser observado no gráfico da figura 9.

Fig.9 – Resultados para SET=0.5

2.3 Circuito de Nível 0 dBU

O dBU é a relação entre duas grandezas de tensão, e é bastante utilizada em sistemas de áudio. A relação expressa por dBU é dada por: dBU=20Log(V/775mV). Na figura 10 temos um circuito 0 dBU, no qual contém um LED que acenderá quando for atingido uma tensão de775mV, correspondente a 0 dBU, entre seus terminais.

Fig.10 – Diagrama do circuito de nível 0 dBU

2.3.1 Análise TeóricaNo circuito de nível 0 dBU temos 2 transistores, que controlarão a passagem de corrente através

do circuito, uma fonte de tensão DC e uma fonte contínua de 15V. Ao ligarmos o circuito o segundo transistor, próximo dos diodos, este será polarizado e o capacitor carregado. A partir deste instante o primeiro transistor, mais próximo da fonte de tensão senoidal, iniciará sua polarização até que passe a escoar a corrente do coletor para o emissor. Nesse ponto, o capacitor começará a descarregar e o segundo transistor, que já estava polarizado, irá despolarizar até que a corrente pare de escoar entre seu coletor e emissor, é quando a corrente passa a fluir pelo diodo, acendendo o LED.

2.3.2 Simulações e Resultados experimentaisO circuito da figura 10 foi simulado e os resultados obtidos estão representados na figura 11. No

gráfico da parte de cima da figura podemos observar que a corrente I começa a passar pela associação de diodos quando a tensão no ponto P3 atinge aproximadamente 2.1V. Isso ocorre porque cada diodo necessita de uma tensão entra 0.6 e 0.7V para ser polarizado, sendo que para que a corrente atravesse os 3 diodos, é necessária uma polarização de 2.1V . Na metade inferior do gráfico abaixo, temos seguintescurvas:

○ Ve: Aumenta linearmente, pois é a tensão de entrada.○ Vi: Aumenta linearmente até a tensão de entrada atingir aproximadamente 2V, quando

Vi tende a um valor constante próxima de 0.6.

○ VQ1: No inicio a tensão Vq1 é 0.7V, já que não foi atingido a tensão de saturação do transistor. Quando a tensão em Vi passa a ser constante, a tensão em Vq1 cai, tendendo a zero.

○ VQ2: Em Vq2 a tensão inicia próxima 1.1V e sobe para aproximadamente 2.8V quandoVi passa a ser constante.

Figura 11: Varredura DC para o circuito da figura 10.

Os resultados obtidos experimentalmente através do osciloscópio estão representados nas figuras12 a 15, com as respectivas análises.

Figura 12: Tensão da entrada (amarelo) e tensão no capacitor (verde)

Pelo gráfico da figura acima podemos notar que quando a tensão de entrada não ultrapassa o valor de saturação do transistor, aaproximandamente 0.7V, a tensão no capacitor se mantém contante (P2), mantém o LED desligado.

Led ligado: Abaixo temos os gráfico de análise da tensão quando o LED de saída estáligado.

Fig.13: Tensão de entrada e tensão no capacitor

No gráfico acima temos as curvas de entrada do circuito (P1),em amarelo, e a curva de tensão no capacitor, em verde. Pela imagem tirada do osciloscópio notamos que o capacitor é carregado até aproximadamente 140mV, quando então começa a descarregar em função da polaziração do transistor na entrada do circuito.

Figura 14: Tensão em P1 vs Tensão em P2

Na figura 14, a curva em amarelo representa a tensão no ponto P1 e a curva verde atensão no ponto P2. Pode-se notar que a tensão em P2 permanece constante perto de 0.7 V, assim polarizando o transistor Q2, que puxa corrente pelo coletor, mantendo a tensão em P3 num valor suficiente para ligar o LED.

Figura 15: Tensão em P1(amarelo) vs Tensão em P3(verde)

Na figura 15 são apresentadas as curvas de tensão nos pontos P1 e P3 retratadas pelo osciloscópio. Pode-se observar que a tensão em P3 permanece constante, próxima de2.1 V, enquanto que a tensão em P1 oscila. Isso ocorre porque a tensão no ponto P3 polariza os os diodos, que são mantidos a uma tensão de aproximadamente 2.1 V e permitem a passagem de corrente, acendendo o LED.

Parte Extra:O gráfico da figura 16 mostra as tensões nos pontos P1 (base do transistor Q1 -

Canal 1) e P3 (coletor do transistor Q2 - Canal 2) obtidas. Observa-se que quando a tensão no ponto P1 atinge 500mV, a tensão no ponto P3 se estabiliza em 1.9 mV. Isso ocorre porque temos uma associação de três diodos entre o ponto P3 e o a tensão de referência (terra), sendo que cada diodo necessita de uma tensão entre 0.6 e 0.7V para funcionar (permitir a passagem de corrente no sentido da polarização direta). O transistor Q1, por sua vez, necessita de uma tensão entre a base e o emissor de aproximadamente0.6V para ser polarizado. Quando isso ocorre, uma corrente de valor elevado passa a circular do coletor para a o emissor desse transistor. Essa corrente é proveniente da fonte de tensão Vcc = 15V. No resistor RL, temos que Vcc - VP3 = RL I. A corrente I passa a fluir pelo resistor até que a tensão sobre ele seja suficiente para polarizar os diodos, o que ocorre perto de 2.0 V. a partir daí, a tensão no ponto 2 se mantém constante.

Figura 16: Gráfico de Tensão em P1XP2

2.4 ConclusõesNeste primeiro experimento estudamos o funcionamento de dois componentes de nosso

circuito de amplificação: o pré-amplificador e detector de nível.Na análise do pré-amplificador o componente se comportou como era esperado para o

SET=0.5, mantendo o sinal idêntico à entrada, e o SET=1.0, diminuindo o sinal em 10 vezes. Porém, com o potênciometro em SET=0, que deveria representar a ampliação esperada em 10 vezes da amplitude do sinal, o ganho foi de apenas 8.5 vezes. Esse erro de 15% pode ser explicado por problemas com a fonte de tensão, defeito nos componentes do circuito ou mesmo erro humano. Por outro lado observamos que esse aumento se manteve constante na faixa de frequência de áudio que vai de 20Hz à 20kHz.

O funcionamento do detector de nível correspondeu às expectativas teóricas. Representando o processo de passagem de corrente através da polarização dos diodos, observamos nos gráficos da simulação que enquanto a ddp entre os diodos não atingia o limite de funcionamento (0,7V), a corrente não passava para o LED e após esse limite ser atingido para ambos (voltagem de aprox. 2V) o LED era acendido.