universidade do algarve, faculdade de ciências e tecnologia

Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.

Guias de laboratório, Electrónica I 1

https://www.ualg.pt/moodle2007/login/index.php

Universidade do Algarve, Faculdade de Ciências e Tecnologia.

Departamento de Engenharia Electrónica e Informática

Nome:

Ano lectivo 2007/2008



Figura 1. Diagrama esquemático dos tópicos abordados na disciplina.

Aplicações com díodos, rectificadores e limitadores

Transístores bipolares

Circuitos de polarização Configurações de amplificação Sistemas em cascata

Transístores de efeito de campo

Projectos de circuitos amplificadores com FETs Circuitos digitais

Amplificadores integrados

Aplicações do amp-ops Somador de tensões Buffer de tensão Fontes controladas Circuitos para a instrumentação

Semicondutores Dopagem Portadores de carga Transporte de cargas Regiões de depleção Correntes de difusão e deriva Recombinação

Fotodetectores

LEDs O díodo de junção pn

Introdução à electrónica



Regras do caderno do Engenheiro

O caderno de laboratório obedece a um conjunto de normas estritas que se enunciam a seguir:

1- Todas as idéias ou pensamentos acerca do projecto devem ser

incluídos no caderno, não é apenas um livro onde o aluno toma nota dos seus resultados e procedimentos, mas também é um “caderno de idéias” onde se deve escrever tudo mesmo que aparentemente não venha a ter qualquer utilidade.

2- Sobre o aspecto físico, o caderno de laboratório é por norma um

caderno de folhas difíceis de remover, com páginas numeradas. Deve conter algumas folhas livres no ínicio para permitir a construção de um índice, todas as notas devem ser tomadas a tinta e nunca a lápis. À medida que o caderno é usado cada página deve ser datada.

3- Não é permitido arrancar folhas, rasurar frases de forma a torna-

las inteligíveis. Se o aluno cometeu um erro deve colocar uma cruz ou um círculo sobre os comentários ou cálculos errados e escreve uma observação sobre o assunto.

4- Apesar de poder ser encarado como uma forma relaxada de

escrever relatórios, o caderno deve estar limpo e organizado, mas nunca se deve em nome da organização e limpeza, cair na tentação de escrever rascunhos em folhas soltas que depois são passados a limpo para o caderno do engenheiro. O caderno do engenheiro deve ter sempre dados originais.

5- Sugere-se que o aluno use principalmente apenas as páginas à

direita, e deixe as páginas à esquerda para fazer gráficos, e escrever comentários ou idéias mais para si próprio. Folhas de especificações do material usadas, fotocópias de artigos interessantes podem ser agarfados ao caderno do engenheiro.

Como ler o código de cores das resistências A useful mnemonic for remembering the first ten color codes

is

"Better Be Right Or Your Great Big Venture Goes West",

where the first letter matches the first letter of the color code, by order of increasing magnitude. An alternative mnemonic is



Cor 1º Banda

2º Banda 3º Banda 4º banda 5º banda

1º digito

2º digito Multiplicador Tolerância

(%)

Taxa de falhas (% por

1000 hrs) Preto - 0 x 1 = 100

Castanho 1 1 x 10 = 101 1.0 Vermelho 2 2 x 100 = 102 0.1 Laranja 3 3 x 1000 = 103 0.01 Amarelo 4 4 x 10000 = 104 0.001 Verde 5 5 x 100000 = 105 Azul 6 6 x 1000000 = 106

Violeta 7 7 x 10000000 = 107 Cinzento 8 8 - - - Branco 9 9 - - -

Dourado - - - ± 5 Pratar - - - ± 10

Sem cor - - - ± 20



O código BS 1852

A letra R é usada para Ohms e K para kilo Ohms M para mega Ohms e é colocada onde devia estar a vírgula. A letra no fim representa a tolerância, onde M=20%, K=10%, J=5%, G=2%, and F=1%

Exemplos do código BS 1852

R33 0.33 ohms

2R2 2.2 ohms

470R 470 Ohms

1K2 1.2K ohms

22K 22K ohms

22K2 22.2K ohms

4M7 4.7M ohms

5K6G 5.6K ohms 2%

33KK 33k Ohms 10%

47K3F 47.3 K Ohms 1%

As resitências existem em valores “standart” por exemplo 1k, 2.2 k, 4.7k.

Datas dos testes da disciplina no ano lectivo de 2007 1º Teste : 10 de Abril, 16:00 H 2º Teste: 29 de Maio, 16:00 H



As placas de prototipagem

Vista superior de um placa de prototipagem, a região central é usada

para instalar componentes e as linhas a azul e vemelho são usadas para alimentação.

Vista da parte inferior representado como são feitas as ligações.

Instalação de alguns componentes na placa de prototipagem.



Electrónica I, ano lectivo 2005/2006 Engenharia de Sistemas e Informática Engenharia Física Tecnológica

Material

Díodo de silício 1N914 ou equivalente Fotodíodo Resistências: 1KΩ, 100 Ω, e 10 Ω

Introdução

O díodo é um dispositivo de dois terminais, que é constituído por uma junção entre dois tipos de semicondutores, um do tipo p e outro do tipo n. Neste laboratório vamos concentramo-nos nas características externas (corrente-tensão) do díodo e em algumas das suas aplicações práticas.

O símbolo de um díodo está representado na Figura 1. Num díodo o terminal marcado com um traço ou por um ponto é chamado de cátodo, e está geralmente bem assinalado num díodo real. (Ver figura 1). O outro terminal é chamado de ânodo. A terminologia é remanescente da notação do tubo de vácuo. O ânodo refere-se ao potencial mais alto ou positivo, e o cátodo refere-se ao terminal de potencial mais baixo ou negativo.

Material Designação Símbolo Encapsulamento típico

Figura 1 – Símbolo de um díodo, designações e relação com a estrutura física.

A análise do comportamento eléctrico estático dos díodos de junção pn, feita nas aulas teóricas pode ser sintetizada pela equação 1.

)1( / −= nKTqV

sDDeII (1)

Caracterização de um díodo de junção pn

Lab. 1

Tipo p Tipo n

Ânodo Cátodo



Onde K é a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta e q a carga do electrão,

VD a tensão aos terminais do díodo, e n o factor de idealidade. IS é designada por

corrente de saturação, e é a corrente máxima com polarização inversa.

Dado que normalmente no laboratório trabalhamos a uma temperatura fixa

de T≈20ºC (293 K), podemos definir uma nova quantidade chamada tensão térmica, VT.

qkTVT =

Podemos então escrever a Equação 1 na seguinte forma;

)1( / −= TD nVVsD eII (2)

A Figura 2 representa a curva característica de um díodo. Figura 2. Notação e características

corrente-tensão (I-V) de um díodo (note que a corrente inversa está exagerada pela mudança de escala).

Um díodo de junção permite o fluxo de uma grande corrente no sentido directo, mas

conduz apenas uma pequeníssima corrente em sentido inverso. Enquanto a corrente directa pode situar-se na faixa das dezenas ou mesmo centenas de miliampères, a corrente inversa encontra-se usualmente na faixa dos nanoampères, ou seja, cerca de seis ordens de grandeza menor.

Quando o díodo está polarizado diretamente, existe uma pequena queda de potencial aos seus terminais, chamada barreira de potencial ou tensão de arranque. Para díodos de silício à temperatura ambiente, esta tensão é de aproximadamente 0.7 V.

O facto de o díodo conduzir preferencialmente num sentido sugere o uso prático destes dispositivos para a obtenção de uma tensão uniredicional a partir de uma tensão alternada (rectificação). Este é um dos tópicos que terá a oportunidade de estudar neste laboratório.



Experimental

Nesta primeira experiência vai obter dados que lhe permitem traçar a curva

característica do díodo. E1 - Monte o circuito da Figura 3. Use um díodo de silíco (1N914 ou equivalente).

Figura 3. Circuito com díodo para traçado da curva característica. E2 - Ajuste a fonte de alimentação de forma a medir tensões aos terminais da resistência de 1 KΩ em incrementos de 0.1V (0.1 V, 0.2 V....). Para cada tensão use o multímetro para medir a queda de tensão aos terminais do díodo (Vd). A corrente que passa no díodo é a corrente que passa na resistência de 1 KΩ. Usando a lei de Ohm, determine a corrente que passa no díodo.

E3 - Represente gráficamente a curva estática do díodo (corrente - tensão). E4 - Determine a barreira de potencial ou tensão de arranque VB, e a resistência do díodo em polarização directa Rf (veja a Figura 4.)

d

df I

VR

Δ

Δ=

E5 - Monte o circuito representado na Figura 5. E6 - Ligue o osciloscópio no modo X-Y, e ajuste as escalas na seguinte forma: Vertical (ou Y), sensibilidade: 10 mV/divisão, acoplamento dc. Horizontal (ou X), sensibilidade: 1V/divisão, acoplamento dc.

1KΩ Vd Figura 4. Curva estática de um díodo. VB

ΔVd

ΔId



E7 - Coloque o ponto no centro do visor. Ajuste a frequência da onda triangular em aproximadamente 100 Hz, e varie a amplitude até observar a curva característica do díodo semelhante à representada na Figura 6.

Figura 5. Arranjo experimental para visualizar a curva característica de um díodo usando o modo X-Y de um osciloscópio

A entrada horizontal do

osciloscópio mede a tensão aos terminais do díodo (despreza-se a queda de tensão na resistência de 10 Ω). A entrada vertical mede a queda de tensão aos terminais da resistência de 10 Ω. Usando a lei de Ohm é possível ler a corrente no díodo (Id). Assim, se a escala vertical tiver uma sensibilidade de 10 mV/divisão, então em termos da corrente que passa pela resistência de 10 Ω , temos que: Figura 6.

o1mA/divisãΩ 10

mV/divisão 10 vertical)(escala adeSensibilid ==

10 Ω Vd

100 Hz 100 Ω Entrada horizontal (X) Entrada vertical (Y) Osciloscópio



Introdução aos circuitos rectificadores. Uma das aplicações mais correntes dos díodos é a rectificação, isto é, a obtenção de uma tensão unidireccional a partir de uma tensão alternada. Se intercalarmos um díodo à saída de uma fonte de alimentação sinusoidal, ele só deixa passar a metade do ciclo em que está polarizado directamente, bloqueando quase completamente a outra metade. Para evitar a ondulação, isto é, a descida da tensão a zero no meio ciclo em que o díodo não conduz geralmente coloca-se um condensador de capacidade adequada em paralelo com a saída. E8 - Monte um circuito rectificador de meia onda representado na Figura 7, e observe as formas de onda que obtém, quando em presença de um sinal de entrada sinusoidal. Utilize para esse efeito tensões alternadas sinusoidais de frequências diferentes (50 Hz; 1KHz; 10 KHz; e 100 KHz) Observe a tensão de saída para valores diferentes de C, comece por fazer C=0. (Este assunto continua no próximo guia de laboratório)

Figura 7. Circuito para observação da rectificação de meia-onda.

Simulação com o PSpice(trabalho facultativo)

Use o programa PSpice, para simular a característica I-V de um díodo para várias temperaturas. Pode usar a versão instalada nos computadores dos laboratórios de ensino da área departamental, ou obter a sua própria cópia da versão para estudantes no seguinte endereço electrónico: http://www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp

Bibliografia Microelectronic Circuits, 4º edition Adel S. Sedra, e Kenneth C. Smith Smith Oxford University Press Microelectrónica Jacob Millman, Arvin Grabel 1º volume, 2ª edição, McGraw-Hill, 1992 Pode observar uma animação que demonstra o funcionamento de uma junção pn no seguinte endereço electrónico: http://www.st-and.ac.uk/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/diode.htm

1KΩ

Vd

Vi Vo C



Nota histórica

Em 1880 Thomas Edison observou que o vidro das lâmpadas escurecia com o tempo, o que o levou a suspeitar de que algo se deslocava no interior das lâmpadas que usava. Em 1904 Ambrose Fleming utilizou este chamado “efeito Edison” para fabricar o primeiro díodo um dispositivo com dois elétrodos ao qual ele chamou ”válvula”

O primeiro díodo foi construído num invólucro de vidro "fechado a vácuo", tal como a lâmpada eléctrica de filamento inventada por Edison.

Um dos eléctrodos denomina-se cátodo

e é aquecido de tal modo que liberta electrões. O outro eléctrodo denominado ânodo, ou placa, capta os electrões emitidos pelo cátodo.

Esta passagem de corrente eléctrica só se verifica se o sinal da carga no ânodo for positivo. Caso a carga do ânodo seja negativa não existe passagem de corrente eléctrica.

Embora o díodo tenha sido construído

inicialmente para detectar ondas hertzianas de alta frequência, foi também utilizado como rectificador de corrente.

No díodo é possível consubstanciar um sistema binário 0 e 1 através da detecção da passagem ou não de corrente eléctrica. Por este facto foi o primeiro dispositivo electrónico utilizado na construção dos computadores. Com vários díodos foi possível construir a memória binária.

Projecto extra-curricular

Figura 8. John Ambrose Fleming usou uma lâmpada como esta, com um elétrodo de fio extra no seu interior. Fleming lembrou-se disso em 1904, quando procurava um detector para ondas de radio.



O díodo semicondutor, além da importante função de retificar o sinal possui

características relativas à temperatura que o tornam capaz de medir tal grandeza. Na Figura 9 representam-se as características I-V de um mesmo díodo para diferentes temperaturas. Se mantivermos a corrente que passa pelo díodo constante, teremos aos terminais do díodo uma tensão que varia em função da temperatura (ver Equação 3). Uma vez que dentro de determinadas aproximações, a tensão no díodo é directamente proporcional à temperatura absoluta, podemos comparar a mesma com uma tensão de referência, e implementar um controlador de temperatura com um díodo semicondutor. A Figura 10 representa um diagrama esquemático de um circuito electrónico que implementa um destes controladores.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 1ln

S

DD I

ITqnkV (3)

F

Figura 9. Curvas I-V de um díodo medidas a diferentes temperaturas.

Fig. 10 – Controlador de temperatura que usa díodos semicondutores como sensores de temperatura

Neste circuito, a tensão sobre o díodo D1 (que neste caso deve ser o sensor de

temperatura) é comparada com uma tensão ajustada em P1. Da maneira como está montado este circuito, L1 acende quando a temperatura sobre o díodo D1 for maior que a temperatura ajustada. Se invertermos os pinos 2 e 3 do integrado 741, L1 acende quando a temperatura sobre o díodo for menor que o valor ajustado.

Ajuste da tensão de referência:



Para ajustar a tensão de referência, coloca-se a D1 a temperatura de ajuste. Em seguida, roda-se-se o potenciometro até que L1 mude de estado. Este é o ponto de ajuste.

Aplicações dos díodos

Trabalho Data Professor

Electrónica Optoelectrónica Circuitos lógicos Detectores Circuitos rectificadores e

limitadores Moduladores Díodos emissores de luz Lasers de semicondutores Díodos para sintonia e

para circuitos misturadores

Díodos de efeito de túnel Díodos para circuitos de rádio-frequência



Electrónica I, ano lectivo 2005/2006 Engenharia Electrónica e Informatica Engenharia Física Tecnológica

Material

Diodo de silício 1N914 ou equivalente Resistências: 100 Ω, 1KΩ, 10 KΩ. Condensadores de 10 nF, e de 100µF

Introdução

Este trabalho faz uma introdução à operação de circuitos rectificadores e reguladores de tensão. Iniciando com uma tensão ac, obtem-se uma tensão dc estacionária por meio da rectificação deste sinal de entrada. Depois é realizada a filtragem para um nível dc, e, finalmente, o sinal é regulado para se obter na saída o nível desejado de tensão dc. Em geral, a regulação é feita por um circuito integrado regulador de tensão, que recebe uma tensão dc e fornece um nível ligeiramente menor, o qual permanece constante, mesmo que a tensão de entrada varie, ou a carga ligada à saída do circuito varie de valor.

A Figura 1 representa um digrama de blocos mostrando os vários estágios de uma fonte de tensão típica, e a forma de onda nos vários pontos do circuito. A tensão ac, normalmente 220 V, alimenta um transformador, cuja a função é reduzi-la para o nível de tensão desejado. Díodos rectificadores fornecem, então, uma tensão rectificada de onda completa, que é inicialmente filtrada por um condensador simples para produzir uma tensão dc. Esta tensão dc resultante ainda possui algum “ripple” ou variação ac. O circuito regulador pode aproveitar esta entrada dc para produzir uma tensão dc que não só possui menos “ripple” como ainda mantém constante o nível de saída, mesmo para variações na entrada ou na carga que está ligada. Esta regulação é via de regra, obtida, utilizando-se um circuito integrado. Este circuitos integrados não serão abordados nesta disciplina. Pode encontrar mais informações sobre estes circuitos na referência [1].

Figura 1. Diagrama de blocos apresentando os estágios de uma fonte de tensão.

Considerações gerais sobre filtros. O circuito rectificador converte um sinal com um valor médio nulo em um sinal com

um valor médio diferente de zero. A saída resultante de um rectificador é uma tensão com pequenas oscilações, que ainda não seria adequada para alimentar uma carga. Esta

Circuitos rectificadores e filtros RC

Lab. 2 Rectificador com

díodos Regulador Filtro Carga



tensão poderia ser utilizada, por exemplo, em um carregador de baterias, onde a tensão dc média é suficientemente grande para proporcionar uma corrente de carga para a bateria. Entretanto, como tensão dc para ser utilizada em rádios, aparelhos de som, e computadores, não seria de maneira alguma a indicada. É necessário um filtro para que a tensão dc de saída da fonte seja mais estável.

Antes de entrarmos em detalhes sobre o circuito de filtragem, seria mais apropriado considerar os métodos usuais de análise de filtros, de forma que possamos comparar a eficiência de um circuito actuando como filtro. A Figura 2 mostra uma tensão de saída típica de um filtro, servirá como exemplo para definirmos alguns dos factores considerados no sinal. A saída filtrada da Figura 2 apresenta um nível dc e alguma variação ac “ripple”. Quanto menor for a variação ac comparada ao nível dc, melhor é a operação de filtragem.

Figura 2. Forma de onda de saída de um filtro rectificador, mostrando o nível dc e a tensão de

ripple. (a) rectificador de meia onda, (b) rectificador de onda completa. (c) Tensão de ripple Vr.

Existem vários parâmetros para classificar a qualidade de um filtro, um deles é o

factor de ripple. Define-se factor de ripple (FR) como:

%100carga na média Tensão

ripple de Tensão×==

dc

r

VVFR

Existem outros parâmetros, como seja a regulação de tensão. Este tema é importante

para o desenho de fontes de alimentação e não será estudado nesta disciplina. Os curiosos podem consultar a referência [1]. Filtro com condensador

Tem o mesmo declive

Ripple



O circuito de filtro mais popular é o que utiliza um simples condensador, como o representado na Figura 3. Um condensador é ligado à saída do rectificador, e uma tensão dc é obtida nos terminais do condensador.

Figura 3. Filtro com um único condensador.

A Figura 4, mostra a forma de onda existente nos terminais de um rectificador com

condensador. O tempo T1 é o tempo durante o qual os díodos rectificadores de onda completa conduzem, carregando o condensador até a tensão de pico do rectificador, Vm. O tempo T2 é o intervalo de tempo durante o qual a tensão de pico do rectificador desce abaixo da tensão de pico, e o condensador descarrega através da carga. Como o ciclo de carga-descarga ocorre para cada meio ciclo, isto para um rectificador de onda completa, o período da forma de onda rectificada é T/2, metade do período do sinal de entrada. A tensão filtrada, como mostra a Figura 4, representa uma forma de onda na saída com um nível dc Vdc e uma tensão de “ripple” Vr (rms), resultado da carga e descarga do condensador.

Figura 4. Forma da tensão e saída de um rectificador de onda completa com

condensador.

Período de condução do díodo e corrente de pico do díodo Da discussão anterior, deve ficar claro que quanto maior o valor do condensador,

menor é o “ripple”, e maior é a tensão média na saída, resultando em melhor filtragem. Daí se poderia concluir que para melhorar a performance de um filtro, é necessário somente aumentar o tamanho do condensador. O condensador entretanto, também afecta a corrente de pico que passa através dos díodos, e como quanto maior o valor do condensador, maior é a corrente através dos díodos.

Lembre-se que os díodos conduzem durante o período T1 (Ver Figura 4), quando o díodo deve fornecer a corrente média necessária para carregar o condensador. Quanto menor este intervalo de tempo, maior tem de ser a corrente de carga. A Figura 4 mostra esta relação para um sinal rectificado de meia onda. Observe que para valores menores

Circuito rectificador

Carga

C



do condensador, com T1 maior, a corrente de pico do díodo é menor do que para valores mais elevados dos condensadores.

Figura 5. Tensão de saída e forma de onda da corrente no díodo (a) pequeno C; (b) grande C.

Este pulso intenso de corrente pode colocar alguns problemas no desenho de circuitos rectificadores. Por exemplo, considere o circuito representado na Figura 6, que vai usar no decorrer deste trabalho. Aumentar a resistência Rf provoca uma atenuação na tensão de saída Vo. É importante também notar que se Rf é muito pequena a corrente através do díodo aumenta, e o díodo pode queimar. Portanto tem de se arranjar uma solução de compromisso, fazer Rf pequena de forma a não atenuar muito o sinal de saída, mas não tão pequena de forma que continue a proteger o díodo dos picos de corrente.

Experimental

Nas experiências que se seguem é importante ter presente algumas das

expressões que deduziu nas aulas teóricas, em concreto como varia a tensão de ripple em função da freqüência e dos componentes do circuito.

Para um rectificador de meia onda temos que:

( ).211 rectVfRC

V Odc ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

( ) ( ).1 rectVfRC

V Oppr ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛≅−

E1 - Monte o circuito representado na Figura 6. Use um díodo de silíco (1N914 ou equivalente). Escolha valores que lhe pareçam razoáveis para Rf e RL e C. (comente as suas escolhas no seu caderno de engenheiro) Varie a frequência de um sinal na entrada e observe a forma de onda de saída.

Vo Rf



Figura 6. Circuito rectificador de meia onda. E2 – Dimensione C de modo a obter uma ondulação máxima de tensão de 0.5 V, quando a tensão de saída média é igual a 2.2 V, e o valor máximo da corrente média na resistência de carga RL não deverá exceder 1 mA. A frequência do sinal sinusoidal de entrada Vi deverá ser igual a 1 KHz.

Para além de funcionar com rectificador, o circuito que acabou de estudar tem aplicações interessantes na área das telecomunicações, leia com atenção o exemplo no fim deste guia. E3- Monte o circuito representado na Figura 7.

a) Observe e explique o sinal aos terminais da resistência b) Ligue um condensador C (10 nF) em paralelo com R (10 KΩ). Variando a

frequência do sinal de entrada, observe e explique a forma de onda da saída. c) Projecte um filtro que minimize o “ripple”. Meça o valor experimental do

“ripple” e compare com os valores estimados.

Figura 7. Rectificador de onda completa.

Nota importante: Para observar a rectificação de onda completa realizada pelo circuito representado na Figura 7, deve desligar o osciloscópio da terra. Peça ao Professor para fazer esta operação, e verificar se não existe risco para os alunos.

Exemplo de uma aplicação de díodos e filtros em telecomunicações. (detector da envolvente).

1 KHz

RL C



Nesta experiência vamos trabalhar com o conceito de modulação, um processo usado em telecomunicações para transmitir sinais através de ondas de radio. Depois de obter uma onda modulada, vamos utilizar os conhecimentos sobre díodos e circuitos RC para fazer a desmodulação e recuperar a forma de onda original.

Sinais de baixa frequência como os da voz humana ou musica (sinais áudio), não podem ser transmitidos de forma eficiente pela atmosfera. Em contraste, ondas de alta frequência (Isto é acima dos 100 kHz) são transmitidos de forma eficiente a longas distâncias. Ondas com estas frequências são usadas pelas estações de rádio, e são chamadas ondas de Rádio-Fequência (RF).

Um modo de transmitir a informação de um sinal de áudio numa onda de RF é através da modulação da amplitude dessa onda. Este processo é chamado de modulação. Vamos trabalhar com um tipo particular de modulação a que chamamos modulação em amplitude ou AM. De forma entender este processo, considere os sinais representados na Figura 8. O sinal (a) é um sinal áudio. O sinal (b) é o sinal de RF e é chamada a portadora. O sinal em (c) é o sinal de RF modulado em amplitude pelo sinal áudio. Este é o sinal gerado por um transmissor de rádio.

Figura 9. Modulação em amplitude. Quando estas ondas atingem a antena do receptor, geram uma tensão na

entrada do receptor. Para recuperar o sinal áudio original do sinal (c) precisamos encontrar um meio de não seguir os picos individuais da portadora, mas apenas os picos da envolvente que correspondem ao sinal áudio original. Para ver como isto pode ser feito considere o circuito na Figura 10 que já estudou na experiência E1. Observamos que quando o circuito é alimentado por um sinal ac, obtem-se na saída um sinal quase contínuo. Por outro lado se o valor da amplitude do sinal varia lentamente, a saída também varia lentamente. Assim se o circuito receber à entrada um sinal modulado em amplitude vamos ter na saída o sinal representado na Figura 10b . Nesta experiência deve ser usado um díodo de germânio que tem uma tensão de arranque de 0.2 V.

A saída do circuito representado na Figura 10b tem o sinal áudio desejado, deslocado de uma determinada componente dc. O que precisamos fazer agora é remover esta componentes dc e amplificar o sinal. Estas duas operações podem ser feitas pelo circuito amplificador que terá a oportunidade de estudar mais tarde.

(c) Sinal modulado

(b) Portadora

(a) Sinal áudio



Figura 10. Exemplo de como o sinal áudio pode ser recuperado.

Na prática um receptor rádio AM pode ser feito usando os blocos

representados na Figura 11. O primeiro bloco é um circuito LC que faz a sintonia da estação emissora, o segundo bloco é o chamado detector da envolvente, e os andares seguintes são de amplificação.

Figura 11. Diagrama de blocos de um circuito receptor AM.

Referências

[1] Capítulo 19 do livro “Dispositivos electrónicos e teoria de circuitos”, Robert Boylestad e Louis Nashelsky, Prentice Hall, (Existe uma cópia na biblioteca.)


Pré-amplificador Amplificador de potência




Material

Diodo de silício 1N914 ou equivalente Díodos Zener Resistências: 1KΩ. Condensadores de 10 nF.

Introdução

Os díodos para além de poderem realizar a função de rectificação, são utilizados em

muitas outras aplicações, nomeadamente em circuitos limitadores, e deslocadores de nível dc. Em geral um limitador corta parte da onda de entrada, e o deslocador de nível desloca o nível dc da onda de entrada.

A Figura 1 representa um exemplo típico de um circuito limitador usado para proteger um circuito.

Figura 1. Circuitos limitadores de tensão a) com díodos normais; b) Com díodos

Zener. Na Figura 1a) os díodos normais funcionam com limitadores da tensão Vin. Uma

análise simples ao circuito permite verificar que a tensão Vin está limitada inferiormente à tensão -VR2-VD0 e superiormente à tensão VR1+VD0.

Existem circuitos que podem ser destruídos por sobretensões nas suas entradas. Nestes casos é necessário proteger esses circuitos, um exemplo possível é o esquema

Aplicações com díodos Limitador, recuperador de nível dc, e

duplicador de tensão.

Lab. 3 Circuito a proteger V0

Ri R

VR1 VR2 Vi

V0 R

Vi



representado na Figura 1. Usando díodos normais torna-se necessário escolher adequadamente os valores de tensão VR1 e VR2. Note que a resistência R é necessária para limitar a corrente máxima nos díodos, mas deve ser muito menor que a resistência (ou impedância) de entrada do circuito a proteger.

A Figura 1b representa um circuito equivalente que faz uso de dois díodos Zener com tensões Zener VZ1 e VZ2. Atendendo à curva característica I-V de um díodo Zener, pode-se concluir que quando um dos díodos funciona na região Zener, o outro funciona como um díodo normal polarizado diretamente, e vice versa. Desta forma, a tensão VO fica limitada inferiormente à tensão –VZ1-VD e superiormente à tensão VZ2 +VD. Além disso, os díodos só conduzem quando da tensão Vi ultrapassa os limites definidos, caso contrário os díodos não conduzem.

É importante lembrar alguns pontos importantes acerca dos díodos Zener. A Figura 2 representa a curva característica de um Zener em polarização inversa. À medida que a tensão em polarização inversa (VR) aumenta, a corrente é extremamente pequena até aproximadamente ao joelho da curva. Neste ponto ocorre uma ruptura por efeito de Zener, e a corrente cresce dramaticamente enquanto que a tensão permanece aproximadamente constante. Esta capacidade é a principal característica de um díodo Zener. Um Zener mantém essencialmente a mesma tensão aos seus terminais independentemente da corrente. É obvio que existe um valor mínimo de corrente acima do qual o díodo tem esta propriedade, e um valor máximo acima do qual a potência no díodo é suficientemente grande para o danificar.

Figura 2. Curva característica de um díodo Zener em polarização inversa. Vz é especificada pelo fabricante à corrente de teste IZT, e é normalmente designada por VZT.

Em anexo pode encontrar as folhas de especificações de um díodo Zener da série 1N746 onde pode obter entre outras informações a potência que o díodo pode suportar.

Lembre-se que a potência dissipada é dada pela expressão P=V.I. Por exemplo, se VZ=12V e IZ=10 mA, a potência dissipada no seu díodo Zener é de

120 mW. Díodos Zener comercialmente disponíveis tem valores de potência que variam de ¼

W até cerca de 50W. Por exemplo, a folha de especificações do 1N746 diz-nos que a máxima potência

dissipada é de 400 mW. No projecto de um circuito deve-se manter sempre a potência significativamente abaixo do valor máximo.

As folhas de especificação incluem normalmente a corrente máxima que o díodo de Zener pode suportar sem exceder a potencia máxima. Por exemplo, o IN 759 tem uma

IZK, Corrente no joelho da curva, acima deste valor pode usar o Zener com estabilizador de tensão.

IZT, Corrente de teste para a qual o fabricante especifica Vz.

IZM, Corrente máxima que o Zener pode suportar.



tensão de Zener de 12V, por conseguinte a corrente máxima que pode suportar é de IZM=33.3 mA (IZM= 400mW/12V)

As folhas de especificção dão-nos dois valores para a corrente máxima, 30 e 35 mA, estes dois valores é para levar em conta a tolerância na tensão de Zener. Por exemplo, o 1N967 tem uma tensão de Zener de 18V com uma tolerância de 20%.

Experimental

E1- Monte o circuito representado na Figura 3. Ajuste a fonte de tensão continua de modo a ter VR1=1Volt. Aplique ao circuito um sinal sinusoidal com a amplitude 5V de pico a pico, valor dc nulo e com uma frequência de 1 kHz.

E2-Observe o sinal de saída, e compare-o com a onda de entrada. Meça os valores de pico máximo e mínimo.

E3- Varie VR1 de 0 até +5 V. Observe o comportamento do circuito. E4- Inverta o díodo. Observe o sinal de saída. Repita os pontos anteriores.

Figura 3. Limitador com nível variável.

E5- Monte um circuito que permita limitar o sinal de saída a dois níveis variáveis

independentes. Para tal adicione ao circuito da Figura 3 uma fonte de tensão VR2 e um díodo, de modo a limitar a parte inferior do sinal.

Nota: Vai precisar de usar duas fontes de tensão, uma positiva, e outra negativa,

para tal vai ter de ligar à terra o terminal negativo de uma das fontes, enquanto na outra fonte liga à terra o terminal positivo (consulte o professor se tiver dúvidas).

E7- Esboçe o sinal de saída para valores diferentes de VR1 e VR2. E8- Monte o circuito representado na Figura 4 (use C=10 nF,) Observe e explique

VO (t) se Vi(t) for uma tensão sinusoidal (Vpp=5V, f=1 kHz).

Figura 4. Circuito recuperador de nível dc.

E9- Inverta os terminais do díodo. Observe e explique a forma de onda na saída Vo(t).

V0

R=1 KΩ

VR1

Vi V0

C Vi



E10- Monte o circuito representado na Figura 5, (C1=C2=10 nF) aplique à entrada

uma onda sinusoidal com amplitude de 5V e frequência de 1 kHz. Observe a onda em VD1 e em VO. Explique a forma de onda na saída VO(t).

Figura 5. Duplicador de tensão.

E11-Projecte o circuito representado na Figura 6 para manter VL=12V e para uma variação IL de 0 a 200 mA na resistência de carga. Ou seja, determine RS e VZ. Monte o circuito.

Figura 6. Circuito com díodo Zener.


V0 C

Vi C

VD1

RS

16 V RL




Material LDRs

LEDs Transístores bipolares 2N3906 (PNP), 2N3904(NPN) Resistências várias 1 k Ω, 10 Ω

Objectivo

Familiarizar-se com as propriedades dos transístores bipolares, de forma adquirir os conhecimentos básicos que lhe permitam utilizar este dispositivo em circuitos mais complexos. Em concreto, vai apreender a:

1-identificar os terminais de um transístor e o tipo de transistor (npn ou pnp). 2- medir β de um transístor 3-identificar as regiões de funcionamento, e utilizar este dispositivo como

comutador.

Introdução

A estrutura básica de um transístor npn, esta representada na Figura 1, juntamente com o respectivo símbolo, e um encapsulamento típico.

Na prática para identificar rapidamente os terminais de um transístor, precisamos conhecer um conjunto de regras que variam de acordo com o encapsulamento que o fabricante usa. A Figura 2 representa alguns dos encapsulamentos mais comuns.

Figura1. Estrutura física de um transístor bipolar, símbolo de um transístor do tipo npn e um encapsulamento típico.

O Transístor Bipolar

Conceitos básicos e funcionamento como comutador

Base Lab. 4

Colector Colector Base Emissor Emissor Emissor Base Colector



Figura 2. Alguns dos encapsulamentos mais comuns usados para transístores.

Os transístores bipolares mais frequentes no laboratório estão encapsulados no tipo TO-92 ou TO-18. Neste caso a identificação dos terminais faz-se de acordo com o representado na Figura 3.

Figura 3. Diagrama esquemático para identificação dos terminais no encapsulamento do tipo TO-92 e TO-18.

Um método alternativo de identificar os terminais é medir a resistência entre os diferentes contactos. Como se pode observar na Figura 1, a área de contacto entre o emissor e a base é muito menor que área de contacto entre a base e o colector, se recordarmos que a resistência eléctrica (R), de um condutor é dada pela expressão:

Onde: ρ é a resistividade do material, L é comprimento do condutor e A é a área de secção transversal Conseguimos facilmente identificar os terminais de um transístor medindo a resistência que existe entre eles. Tenha em mente que junções com grande área tem uma resistência

TO 18 TO-92 Indica o terminal emissor

E B C TO-92 visto por baixo

RLA

= ρ



ligeiramente inferior, e que a junção base-colector de um transístor típico tem uma área muito maior que a junção base-emissor.

O tipo de transístor também pode ser determinado se, simplesmente, for observada a polaridade dos transístores ao realizar uma medida na junção base-emissor. Se o terminal (+) ligado à base, e o terminal negativo (-) ao emissor, a leitura de uma baixa resistência indica um transístor do tipo npn. A leitura de uma resistência alta indica um transístor pnp. Embora um ohmímetro possa ser utilizado para a determinação dos terminais de um transístor (base, colector, e emissor), assume-se que esta determinação possa ser feita simplesmente observando-se a orientação dos terminais no encapsulamento (ver Figura 3).

Transístor do tipo npn Transístor do tipo pnp.

Figura 4. Exemplo de como pode determinar o tipo de transístor que esta a usar. Regiões de funcionamento do transístor bipolar de junção.

O modo de funcionamento do transístor é determinado pelas polarizações aplicadas às junções. A junção emissora (base-emissor) e a junção colectora (colector-base) comportam-se como díodos normais (junções pn) quando polarizadas directamente. Considerando a junção colectora independente e polarizando-a inversamente (Figura 5.) ela conduz uma corrente de fugas Is. Quando a junção emissora é polarizada directamente, conduz uma corrente IE, a junção colectora por seu lado passa a conduzir uma corrente IC que é a soma de IS com a corrente αIE, onde α é o ganho de corrente na configuração base-comum. Na prática Is é muito pequena comparada com IE. Quando transístor se encontra a funcionar nestas condições diz-se que se encontra na região activa.

Polarizando também inversamente a junção emissora a corrente IE anula-se e diz-se que o transistor está ao corte. Quando as junções estão ambas polarizadas directamente, o transístor está na região de saturação (ver Figura 6). Figura 5. Modelo equivalente de um transístor pnp.

IC=αIE+IS Ω Alto R

Ω

baixo R

C E

B IE αIE



Figura 5. Curvas características de saída de um transístor npn, mostrando as regiões de funcionamento. E um diagrama esquemático das polarizações das junções. Beta (β) do transístor

Na análise dc os valores de IC e IB são relacionados por um parâmetro denominado beta e definido pela seguinte equação

B

C

II

=β

onde IC e IB são determinadas por um ponto de operação particular na curva característica. Os transístores apresentam valores de β que variam tipicamente de 50 a 400. Para um dispositivo com um β de 200 a corrente do colector é 200 vezes maior do que a corrente de base.

Nas folhas de especificações, βdc é normalmente incluído com hFE, com h derivado de circuito equivalente ac híbrido. As letras FE são derivadas da amplificação de corrente directa (forward) e configuração emissor comum, respectivamente.

Experimental

Alguns multímetros têm a facilidade “diode check”, nestes instrumentos o visor

mostra a queda de tensão entre o ânodo e o cátodo quando o díodo está polarizado directamente. Em polarização inversa o multímetro mostra uma indicação de fora de escala, aparece então no visor as letras “OL” ou outra indicação intermitente. Se o multímetro não tiver a função “diode check”, podemos usa-lo simplesmente como um Ohmímetro para medir a resistência das junções do transístor.

A funcionar como Ohmímetro o instrumento aplica uma pequena tensão aos seus terminais de forma a medir a resistência do dispositivo em teste. E1- Use um transístor do tipo npn (o 2N3904). Meça a resistência entre os terminais do transístor, identificados pelas letras x, y, e z. Use os termos “elevada” ou “baixa” para preencher a Tabela I.

Terminal Terminal Leitura da resistência

Região activa

Região de saturação C

Directa

E

Região de corte

B

Directa

Directa

E

B

Inversa

Inversa

E

B

Inversa

C

C



positivo negativo x y x z y x y z z x z y

Tabela I. Resultados da leitura das resistências entre os terminais de um transistor npn, o 2N3904. Com base nos dados da Tabela I, identifique os terminais do transístor (emissor, base e colector.)

Terminal Identificação (emissor, base ou colector)

x y z

Tabelas II. Identificação dos terminais do transístor 2N3904.

Note que transístores do tipo npn dão resultados opostos aos transístores do tipo pnp. Estes resultados são facilmente explicáveis com base no esquema representado na Figura 4. A aplicação de uma tensão positiva entre a base e o emissor polariza directamente a junção num transistor npn, Já em um transístor do tipo pnp uma tensão positiva entre a base e o emissor polariza inversamente a junção.

Estas experiências simples permitem-lhe identificar não só os terminais de um transístor mas também saber qual o tipo (npn ou pnp) de transístor que está a ser usado

E2- Monte o circuito da Figura 6 utilizando dois LEDs de cores iguais. Figura 6. Circuito para a identificação das regiões de funcionamento de um transístor npn. E2a- Aumente a tensão VB, até observar uma ligeira luminosidade nos LEDs. Fixe VB=3.0 V, observe a luminosidade dos dois díodos (é idêntica ou diferente?). Meça VBE e VCB. Em que região de funcionamento se encontra o transístor? Justifique.

+ 10 V VB RB=1 kΩ RE=1 k Ω RC=1 k Ω

VA

2N3904



Meça as tensões aos terminais das resistências RC e RE, e calcule os valores de IC e IE Calcule agora o valor para α. Achou um valor impossível para α?. Discuta com o problema com o professor.

VBE VCB VRC VRE α

Nota: Analise os resultados das suas medidas, particularmente os valores de α, é provável que encontre um valor para α estimado a partir de IC/IE, muito elevado podendo até ser superior a 1 !! . E2b- Coloque o multímetro de forma a medir VCB , enquanto aumenta ligeiramente VB até que VCB seja aproximadamente zero.O que pode dizer sobre a forma como a polarização da junção colector-base se está a alterar?. Coloque VB =5V e meça a tensão VCB. Observe a luminosidade dos díodos. Meça VBE e VCB. E as correntes IE, IC, e IB. Em que região de funcionamento se encontra o transístor? Justifique.

VBE VCB

E2c-Continue a aumentar a tensão VB até observar uma diferença significativa de luminosidade entre os dois LEDs (não ultrapasse VB=10V). O que pode concluir? E2d- Retire o transístor do circuito e meça o β (hFE) do transístor usando o multímetro Goldstar DM 441B. Compare com o valor de β que mediu no ponto E2a. E2e-Substitua a fonte de tensão continua VB, por um gerador de sinais. Ligue a saída pulsada “output pulse” (nos GW-40) ou TTL /CMOS nos geradores (gold). Escolha uma frequência de aproximadamente 3 Hz. Observe a luminosidade dos LEDs. Se tiver um gerador (gold) puxe para fora o botão (TTL/CMOS) e lentamente aumente a amplitude dos pulsos enquanto observa as diferenças de luminosidade entre os díodos. Pare de subir a amplitude do pulso assim que a luminosidade do LED no colector se reduzir significativamente. Circuito de comutação com um transístor bipolar.

O circuito de comutação, conhecido por inversor, é um dos elementos básicos em electrónica digital, pois permite implementar a função lógica “NAND”. Um exemplo de um inversor está representado na Figura 7.

No funcionamento como inversor, o transístor polarizado de forma a operar, alternadamente entre dois estados de condução, correspondentes à situação de quase saturação e de quase corte. Em electrónica digital, estes estados são designados de UM e ZERO. No estado ZERO, o transístor deve comportar-se entre o colector e o emissor, como um interruptor fechado com resistência baixa e no estado UM, como um interruptor aberto, não deixando passar corrente. O valor destes estados depende da corrente do colector, que é controlada pela tensão da base. Quando a tensão Vi é nula ou inferior a 0.7 V (ZERO lógico), a corrente de base IB é zero, e o transístor está ao corte (IC=0). Quando a tensão de entrada VI sobe para UM lógico, a corrente de base IB será suficientemente grande, fazendo o transístor



entrar em modo de saturação. Em resultado da mudança de estado da entrada, de ZERO para UM, o estado de saída passou de UM para ZERO.

O transístor opera agora de forma semelhante a um relé eletromecânico, porém com muitas vantagens. Ao contrario do relé, o transístor não tem parte móveis e não usa contactos mecânicos. O transístor é também bastante mais rápido. E3- Monte o circuito da Figura 7, aplicando o sinal VI com 1 kHz de freqüência. Use a saída “output pulse” do gerador de sinais.

Figura 7. Funcionamento de um transístor npn como comutador inversor. E3a- Utilizando os dois canais do osciloscópio, visualize, e registe no seu caderno de engenheiro as formas de onda VI e VO. Repita o procedimento anterior para as forma de onda VI e VBE. Identifique as regiões de funcionamento do transístor ao longo de um período. E3b- Aumente a frequência do sinal para 10 kHz e depois para 100 KHz. Justifique o comportamento observado a mais altas freqüências, atendendo aos tempos de resposta do transistor (tON e tOFF). E4- Monte o circuito representado na Figura 8. Ajuste o valor do potenciômetro de forma que em condições normais de iluminação do laboratório o LED esteja desligado. Quando passar a mão por cima do LDR e assim reduzir substancialmente a quantidade de luz que incide no LDR, o LED deve acender. Explique o funcionamento do circuito. Monte o circuito de forma que em condições normais de iluminação o LED esteja aceso e se desligue quando passar a mão por cima do LDR.

VI(t)

RB=10 kΩ

RC=1 k Ω

VO(t)

2N3904

VCC=10V



Figura 8. Interruptor activado pela luz.

Algumas informações úteis obre os componentes que está a usar.

É importante lembrar que o LED tem polaridade, veja a Figura 9.

Figura 9. Encapsulamento de um LED e indicação da polaridade dos terminais.

Figura 10. Os LDRS são dispositivos fotocondutores feitos geralmente com sulfato de cádmio, (CdS. O CdS é um material semicondutor cuja a resistência depende da intensidade luminosa.

1 k 220 Ω 470 k LDR + 5V A zona plana indica o terminal negativo.

Serpentina de material fotocondutor Encapsulamento dieléctrico



Figura 11. Funcionamento de um BJT como comutador.



Nota histórica: A invenção do transístor, 17 de Novembro de 1947.

A 17 de Novembro d 1947 Walter Brattain colocou toda a sua experiência num termo com água. O “silicon contraption” que acabara de construir era suposto ajuda-lo a entender como os electrões actuavam na superfície de um semicondutor. Mas a condensação da água na superfície do semicondutor estava a estragar a experiência. Para se livrar desta condensação Brattain devia ter colocado a sua experiência em vácuo, mas isso demorava muito tempo, e para apressar as coisas colocou a experiência em água e livrou-se da condensação!!!.

Figura 12. Réplica do primeiro transístor.

O dispositivo produziu a maior amplificação que ele já tinha observado. Quando contaram o sucedido a Jonhn Bardeen ele pensou que isto era uma nova forma de construir um amplificador. Então a 21 Novembro, Bardeen sugeriu colocar uma ponta metálica no silício rodeado por água destilada. E consegui observar amplificação: Bardeen e Brattain aperceberam-se então que estavam no caminho de uma descoberta muito importante.

Figura 13 Os três investigadores que receberam o prémio Nobel por descobrirem o transistor.

Nestes primeiros estudos, os investigadores observaram que a corrente na junção

semicondutor-metal variava, quando uma outra corrente percorria uma segunda junção semicondutor metal, próxima da primeira. Era um transístor de ponta de contacto. O futuro dos transístores

O primeiro anúncio do transístor foi sem grande

pompa. Pensava-se que os circuitos integrados só iriam ter aplicações militares. Os interessados em computadores pensavam que era uma perda de dinheiro. O nascimento do transístor foi assim bastante desvalorizado.

O próprio Lee de Forest (o inventor do tríodo) quando foi convidado para a apresentação da descoberta, disse a brincar: “O transístor não vai ter futuro”.

Figura 14. Uma página do caderno de laboratório de Walter Brattain. Repare como ele tomava nota de tudo de forma detalhada. Um exemplo do que deve ser um caderno de laboratório.



Apesar deste nascimento, o transístor ultrapassou todas as expectativas e modificou o mundo.

Actualmente as previsões dizem que o transístor não pode ser substancialmente reduzido para além das dimensões actuais. Mas em 1961 já os cientistas tinham previsto que o transístor não podia ser mais pequeno do 10 µm. Hoje um moderno transístor num Intel pentium é cerca de 100 vezes mais pequeno!!

Nesta perspectiva, todas as previsões podem parecer ridículas, e as previsões actuais serão tão idiotas como eram as previsões a cerca de trinta anos atrás. Não será bem assim. As previsões modernas são baseadas na física fundamental, e no tamanho do átomo e do electrão. Os transístores funcionam com corrente eléctrica, e portanto tem de ser suficientemente grandes para deixar passar electrões.

Por outro lado, a única coisa que precisamos é de um electrão de cada vez. Um transístor suficientemente pequeno que funcione apenas com um electrão será incrivelmente pequeno, mas ainda assim teoricamente possível. Os transístores do futuro podem fazer parecer os microprocessadores actuais qualquer coisa parecida com as gigantescas válvulas electrónicas.

Mesmo sem novas tecnologias, existe ainda espaço para miniaturização, melhorando as técnicas de fabrico. Provavelmente no ano 2010 os transístores terão metade do tamanho actual. O que tornará os nossos computadores mais rápidos e aparentemente mais “inteligentes” !!.




Material

Dois transístores bipolares do tipo npn, 2N3904 Resistências 1 KΩ (x2), 4.7 KΩ, 10 KΩ (1/4 W).

Potenciómetro de 10 KΩ. Secador de cabelo

Objectivo

O objectivo desta experiência é verificar as tensões e as correntes num circuito

de polarização usando um divisor de tensão, e construir a recta de carga do circuito.

Introdução

O termo polarização significa a aplicação de tensões dc em um circuito para estabelecer valores fixos de corrente e tensão. Para amplificadores com transístor, a corrente e a tensão dc resultante, estabelecem um ponto de funcionamento nas curvas que define a região empregada para a amplificação do sinal aplicado. Já que o ponto de operação é um ponto fixo na curva, este é também chamado ponto quiescente (ponto Q abreviado) Por definição, quiescente significa repouso, imóvel, inactivo.

Polarização do transistor bipolar por

divisor de tensão

Lab. 5



Análise aproximada do circuito de polarização por divisor de tensão

A secção de entrada do divisor de tensão pode ser representada pelo circuito da Figura 2. A resistência Ri é a resistência equivalente vista da base para a terra, para o transístor com uma resistência no emissor RE. Se Ri, é muito menor do que a resistência R2, a corrente IB será muito menor do que I2 e I2 será então aproximadamente igual a I1.

Se aceitarmos a aproximação de que IB é desprezável em relação a I1 ou I2, então I1=I2 e R1 e R2 podem ser considerados elementos em série. A tensão através de R2, que é na verdade, a tensão de base, pode ser determinada pela aplicação da regra do divisor de tensão (daí o nome para a configuração).

Figura 2.

CCB VRR

RV ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+≅

21

2 (1)

)(saturação (6) )(EC

CCsatC RR

VI+

≅

(Corte) (7) off)( CCCE VV =

ERRR β〈〈〈21 || (8)

( ) ECECCCCCE VVRRIVV −=+−≅ (5)

BEBE VVV −= (2)

CCCCC RIVV −= )4(

Figura 1.



Experimental

E1-Considere o circuito representado na Figura 3. Assuma que a queda de tensão VBE é de 0.7V. Calcule as tensões de polarização, VB VE e VC e a queda de tensão entre o colector e o emissor, VCE. Tome nota dos seus cálculos na Tabela I. E2- Monte o circuito representado esquematicamente na Figura 1. Usando o multímetro meça as tensões VB,VE ,VC e VCE. Tome nota dos seus valores na Tabela I e compare os valores medidos com os estimados com base nas equações representadas na Figura 1. Os seus resultados devem concordar com uma margem de erro de 10%.

Figura 3.

E3- Meça a corrente no colector IC, e compare com o valor estimado usando a Equação 3. Tome nota dos resultados na Tabela I. E4- Use um secador de cabelo para aquecer durante alguns segundos o transístor, enquanto mede a corrente no colector. Observe o comportamento da corrente IC com o aumento da temperatura. E5-Use as equações 6 e 7 para calcular os pontos de saturação (IC(sat))e de corte (VCE(off)) da recta de carga do circuito. Tome nota dos seus valores na Tabela II. Desenhe a recta de carga do circuito. Com base nos valores medidos de IC e VCE represente no mesmo gráfico onde desenhou a recta de carga, o ponto de funcionamento do seu circuito. O que pode dizer acerca do ponto de funcionamento? Nota: Deve observar que o ponto de funcionamento se situa praticamente em cima da recta de carga. E6- Substitua o seu transístor por um outro (transístor 2) e repita os passos E3 até E6. Que diferenças encontrou entre os dois transistores? Nota: Deve observar que não existem diferenças importantes entre os valores medidos. Um divisor de tensão bem desenhado torna o ponto de funcionamento do circuito independente de β. E7-Usando o transístor 2 desligue a fonte de alimentação e substitua as resistências R1 e R2 por um potenciómetro de 10 KΩ, como se representa na Figura 4.

Figura 4.



E8- Ligue novamente a fonte de alimentação e coloque o multímetro entre os terminais do colector e emissor. Lentamente varie a resistência do potenciômetro até que VCE atinja um valor máximo, VCE(off) . Meça o valor correspondente da corrente no colector IC(off) . Tome nota dos seus valores na Tabela II.

E9- Enquanto mede a corrente no colector do transístor (IC), varie lentamente a resistência do potenciômetro até a corrente do colector atingir um valor máximo. Este valor é a corrente de saturação do colector IC(sat). Meça o valor correspondente da tensão colector-emissor VCE(sat). Tome nota de ambos os valores IC(sat) e de VCE(sat) a Tabela II. Em saturação VCE(sat) é idealmente zero enquanto no corte IC(off), é zero. Represente gráficamente os valores de IC e VCE no corte e em saturação no gráfico realizado no passo E5. Nota: Deve encontrar que ambos os pontos se situam essencialmente em cima da recta de carga, e muito próximos dos pontos ideais de corte e saturação. E10-Varie a resistência do potenciômetro de forma a medir 5 valores para IC e VCE sobre toda a região activa da recta de carga. Tome nota dos seus valores na Tabela II. Represente graficamente os seus valores num gráfico.

Resultados

Parâmetro Valores medidos Valor esperado Transístor 1 Transístor 2

VB(V) VE(V) VC(V) VCE(V) IC(mA) IE(mA) β

Tabela I. Comparação entre os valores calculados e experimentais.

Condição Valores calculados Valores medidos IC VCE IC VCE

Corte(E8) Saturação(E9) Região activa

(E10)

Tabela II. Resultados para a construção da recta de carga.




Electrónica I, ano lectivo 2005/2006

Lab. 6



Engenharia de Sistemas e Informática Engenharia Física Tecnológica

Material

Transístores bipolares do tipo npn, 2N3904

Resistências Condensadores

Objectivo

Neste trabalho vai completar o emissor comum realizado no guia nº 6 e de forma

a ter uma resistência de saída apropriada para alimentar, por exemplo um autifalante. Este processo exige a introdução de uma configuração em colector comum. O objectivo é caracterizar os dois andares de forma independente e depois o circuito global em termos de resistências de entrada e de saída, e do ganho.

Experimental

Figura 1.

E1- Monte novamente o emissor comum representado na Figura 1, e que realizou no guia nº 6. E2- Meça a resistência de entrada (Ri), a resistência de saída (Ro), e o ganho em tensão (Av). E3- Tome nota da diferença de fase que existe entre o sinal de entrada e o sinal de saída. E4- Aumente a amplitude do sinal de entrada até observar distorção ou corte no sinal de saída, explique o seus resultados com base nas tensões de polarização do circuito.

Síntese de um amplificador com

transistores bipolares



E5- Projecte um circuito de polarização para transístor numa configuração de colector comum (use as regras enunciadas nas aulas teóricas). E6-Meça todas as correntes e tensões de polarização, e compare com os valores calculados. E7- Meça a resistência de entrada (Ri), a resistência de saída (Ro), e o ganho em tensão (Av), da configuração em colector comum. Compare a fase do sinal na entrada e na saída. E8- Modifique o circuito (se for caso disso) de forma a que a resistência de saída (Ro) seja inferior a 30 Ω. E9- Ligue o andar em emissor comum com o andar em colector comum. Use um condensador para isolar as componentes dc entre os dois andares. Meça as características do amplificador, Ri, Ro e Av. E10- Modifique o circuito global (se for caso disso) de forma a que o seu amplificador no final obedeça às seguintes especificações:

Ø Ri>1 KΩ Ø Ro< 30 Ω Ø Ganho em tensão (Av) mínimo de –50. Ø A excursão máxima do sinal na saída não deve ultrapassar os ± 2V de

pico a pico.

Nota: Depois de acabar este trabalho não desmonte o seu circuito.



Medir a impedância de entrada de um circuito.

Para um sistema de duas portas (dois pares de terminais), o lado da entrada (o lado no qual é geralmente aplicado o sinal) é o da esquerda e o lado da saída (onde a carga é ligada) é o lado da direita. De facto para muitos sistemas eléctricos e eléctrónicos o fluxo geral é, normalmente, da esquerda para a direita: para ambos os conjuntos de terminais, a impedância entre cada par de terminais sob condições de funcionamento normais é muito importante.

Impedância de entrada Zi Para o lado da entrada, a impedância de entrada Z i, é definida pela lei de Ohm como se segue

Rsensor

-

+ Zi

Vi Zo Zi Sistema de duas portas -

+ +

-

Vo Ω Sistema de duas portas

Um Ohmímetro não pode ser usado para medir a impedância de entrada ac para pequenos sinais, já que o ohmímetro funciona em modo dc

Zi Sistema de duas portas

VS

Um método de medir a resistência de entrada no domínio ac. Por exemplo, na Fig. 2, uma resistência de prova Rsensor foi adicionada ao lado da entrada para permitir a determinação de Ii usando a Lei de Ohm. Um osciloscópio ou multímetro digital sensível (DMM) pode ser usado para medir a tensão Vi e VS. Ambas as tensões podem ser pico-a-pico, pico, ou valores rms, desde que ambos os niveis usem a mesma unidade-padrao. A impedância de entrada é então determinada da seguinte maneira:

i

ii IVZ =




Material

Arrays de FETS 4007 ou o VQ 1000J

Resistências Condensadores

Figura 1. Digrama dos pinos para os integrados que vão ser usados neste trabalho.

Objectivo

O objectivo deste guia é familiarizar-se com as características básicas de

transístores do tipo MOSFET, quer com canal do tipo n quer com canal do tipo p, e explorar algumas das aplicações práticas deste tipo de dispositivos.

Introdução O estudo vai incidir principalmente no circuito integrado CD 4007, cuja

configuração de pinos esta representada na Figura 1. O conjunto consiste em 6 transístores, 3 de canal p, e 3 de canal n, interligados entre si de forma a reduzir o número total de pinos do integrado, mas mantendo alguma flexibilidade. Um ponto importante a notar é que os pinos 14 e 7, que são respectivamente o substrato de todos os dispositivos com canal p e de todos os dispositivos de canal n, devem ser ligados de forma correcta, independentemente do uso que se esta a fazer do dispositivo. Em concreto, o pino 14 deve ser ligado ao terminal da fonte mais positivo, e o pino 7 ao terminal mais negativo que esta a ser usado. Note também que a tensão entre os pinos 14 e 7 deve ser limitada a 18 V, caso contrario pode ocorrer uma ruptura interna. Por razões de segurança, mantenha esta fonte de alimentação abaixo dos 16 V.

O transístor de efeito de campo

(MOSFET)

Lab. 7 4007 VQ 1000J



Experimental

E1.0 Verificação da integridade do dispositivo O objectivo dos pontos seguintes é aprender técnicas para verificar rapidamente

a integridade de dispositivos do tipo MOSFET. Embora alguns dos passos não parecem claros de imediato, a familiarização com estas técnicas, permitirá mais tarde, quando trabalhar com circuitos complicados, verificar se o seu integrado está em funcionamento.

E1.1 Fazendo uso um dos integrados que foi disponibilizado, monte o circuito representado na Figura 2. A figura está desenhada para o 4007, e os números representados designam os pinos do integrado. Todos os outros pinos podem ser deixados flutuantes.

Meça a tensão entre o nó A e a terra (ou seja, a leitura indicada pelo DVM representado na Figura 2.) Faça uma estimativa para o valor de Vt. Use o DVM para medir o Vt dos outros dispositivos com os pinos 6 e 13 ou 10 e 12 ligados como nó A, e com os pinos 11 e 14 ligados. Observe como varia o Vt de dispositivo para dispositivo.

Figura 2. Circuito para medir o Vt(tensão de arranque) de um MOSFET de canal p. E 2.0 Curvas características

Considere o circuito representado na Figura 3, as tensões VGG e VDD, representam fontes de alimentação, que neste caso vão ser usadas como fontes de sinal. As resistências RG e RD, embora não sejam essenciais, torna a realização da experiência mais segura, ou seja, menos sensível a curto–circuitos. O termo DCM refere-se ao seu

multímetro digital ligado como amperímetro “Direct Current Meter (DCM)”. Um segundo multímetro ou o osciloscópio pode ser usado para medir as tensões aos terminais do dispositivo. O pino 14 deve ser sempre ligado a tensão mais alta presente no circuito.

Figura 3. Circuito usado para

medir as características do MOSFET. E 2.1. Trace as curvas características do MOSFET que está a usar. E 3.0. O MOSFET como dispositivo amplificador.



Vamos agora explorar o MOSFET como elemento amplificador. Para isso vamos usar o circuito representado na Figura 4. Apesar de este circuito não ser uma configuração apropriada para aplicações práticas, tem a vantagem de ser simples.

A tensão V1 é uma fonte dc que tem a função de ajustar a componente dc de VGS e, por conseguinte o valor dc de iD. A tensão V2 controla o valor de VDS e, por conseguinte o valor de ID estabelecido. O condensador C desacopla as tensões dc no nó B, mas é suficientemente grande por forma a deixar passar os sinais ac com a freqüência de interesse.

E 3.1 Fazendo uso do n-FET 345 (quer dizer o FET que está ligados aos pinos 3,4,5), monte o circuito da Figura 4.

Ligue o substrato à terra e V2 de forma apropriada. Baixe a amplitude do gerador de sinais até ao valor mínimo. Com V2=6V, ajuste V1 até obter VC=5V. Meça V1. (e porque não VB ?).

Figura 4. E 3.2 Aplique no nó I, uma onda sinusoidal com 1V de pico a pico e com uma

frequência de 1 KHz. Visualize no osciloscópio as tensões nos nós A e C. Use acoplamento ac no canal do osciloscópio que estiver a observar o nó C. Calcule o ganho em tensão do nó A para o nó C. Assumindo que AV=gmRD, estime o valor de gm.

E.3.3. Sem sinal de entrada, aumente V2 até 15V e V1 até que VC=5V. Meça V1 Mas não VB!)

E3.4. Aplique uma onda sinusoidal de 1 KHz e 1 V de pico a pico ao nó I, observe e meça os sinais nos nós A e C. Calcule o ganho em tensão do nó A para o nó C. Estime o valor de gm.

E 3.5. Mantendo os valores de V1 e V2, mas temporariamente desligados, ligue em paralelo um segundo transistor, o (678) em paralelo com o (345) que esta a usar. Ligue novamente as fontes de alimentação V1 e V2 e meça a tensão no nó C.

E3.6. Ajuste V1 até obter novamente 5V. E 3.7. Aplique 1V pp no nó I e meça o ganho de A para C, e estime gm. Comente o efeito do aumento das dimensões (largura) do dispositivo no

ganho e no gm. E 4.0 Distorção. E 4.1.Usando apenas um transístor montado como na Figura 4, e com V2=15V e

V1 ajustado de forma que VC=5V, aplique uma triangular com 1 KHz ,e 100 mV pp.

E 4.2. Meça as tensões nos nós A e C. Mantenha o canal do osciloscópio ligado ao nó C em acoplamenteo ac, e o canal ligado ao nó A em posição invertida. Ajuste o ganho do osciloscópio e as posições para o sinal no nó A de forma que os sinais se sobreponham exactamente no visor.



E 4.3. Aumente a amplitude do sinal do gerador de sinais até que as formas de onda defiram aproximadamente de 10% em amplitude de pico. Observe a amplitude de pico a pico da forma de onda em C. E 4.4. Mude o acoplamento do canal que está a observa r o nó C para modo dc e meça os valores dc de pico da forma de onda triangular. Trabalho Data Professor




Lab. 8



Material

Arrays de FETS 4007

Resistências 2x (10 MΩ), 2x (10KΩ) Condensadores: C ≥0.1µ F

Texto de apoio

Secções 5.7 e 5.9 do livro Microelectronics circuits, Sedra & Smith

Figura 1. Digrama dos pinos para os integrados que vão ser usados neste trabalho.

Objectivo

Neste guia vai aprender a construir circuitos amplificadores usando transístores do tipo MOS. Vão ser exemplificadas várias técnicas de polarização, quer usando elementos discretos externos, quer fazendo uso exclusivo do circuito integrado.

Apesar da ênfase ser colocada na configuração emissor comum, as configurações colector-comum, e gate-comum serão também exploradas.

E 1.0 Configuração de polarização com realimentação. Vamo-nos concentrar em uma das muitas topologias de polarização possíveis,

que está representada na Figura1. Esta configuração faz uso de uma resistência de realimentação. Existem várias razões para usar este circuito, algumas de carácter prático

Amplificadores com MOSFETs



outras meramente pedagógicas. Primeiro esta configuração permite ligar o terminal fonte (“source”) directamente à terra, eliminado assim a necessidade de um condensador de desacoplamento. Segundo garante o funcionamento do FET na região de saturação, e em terceiro, introduz o conceito de realimentação, que como veremos mais tarde, é muito importante para a implementação prática de alguns circuitos.

E1.1 Amplificador discreto em fonte comum

Monte o circuito representado na Figura 2. Os números dentro dos círculos indicam os pinos do integrado CD 4007. Comfirme que ligou o substrato correctamente aos terminais da fonte de alimentação (pino 14 aos +15V e o pino 7 à terra). Quando necessário, ligue o gerador de sinais directamente ao nó A.

Figura 2. Configuração de polarização com realimentação.

Com o multímetro meça a tensão de polarização nos nós B e C. Explique porque são diferentes. Qual seria o seu valor medido se a impedância de entrada do seu multímetro fosse infinita?

Com a ajuda de um segundo multímetro meça as tensões nos nós B e C simultaneamente. O que conclui quanto ao valor da resistência do multímetro ligado ao nó B?

Ligue um segundo transístor em paralelo com o primeiro, ligue os pinos 3 e 6, 5 e 8 (o 4 e 7 já estão ligados). Meça a tensão no nó C.

Aplique no nó A uma onda sinusoidal de 0.2 V de pico a pico com a frequência de 1 KHz use o osciloscópio para medir as tensões nos nós A, C e D. Porque não no nó B. Meça o Ganho do nó A para o nó C e D.

Nota: Tente perceber porque os ganhos que encontrou são diferentes? Qual é a

reactância de um condensador de 0.1 µF à frequência de 1KHz ?. para igualar os ganhos podemos aumentar o valor de C2 ou a frequência de funcionamento (por exemplo 10 KHz.

E 1.2 Medição da resistência de entrada. Insira uma resistência de 1MΩ do nó I (gerador de sinais) para o nó A do

amplificador. Repita as medidas anteriores nos nós I, A e D usando uma onda de 10 KHz 0.2 V pp aplicada no nó I. Estime a resistência de entrada do amplificador.

Nota: Considere o valor da resistência de entrada que mediu. Que valor

esperava? O que aconteceu? Aumentou a sua confiança, ou enfraqueceu-a? E 1.3 Amplificador discreto em dreno comum.



Monte o circuito representado na Figura 3. Não se esqueça de ligar o substrato. Sem sinal de entrada meça a tensão

de polarização no nó C. Calcule VGS e ID.

Figura 3. Um “source follower”. Nota: Os circuitos representados nas Figuras 3 e 4 são topologicamente

equivalentes em dc. Sendo assim se os transístores forem os mesmos, seria de supor que VGS e ID deveriam ter o mesmo valor. Mas não! Porquê? A razão é devida a que o terminal fonte do transistor já não esta ligado à terra. Como veremos mais adiante, o ganho do seguidor é mais baixo do que o esperado.

Aplique um sinal sinusoidal de 0.2V pp com a frequência de 10 KHz no nó A, e

meça os nós A,C,e D com o osciloscópio. Calcule o ganho de A para D. Visualize simultaneamente no osciloscópio os sinais nos nós A e D. Lentamente

aumente a amplitude do sinal de entrada e observe as modificações na forma de onda de saída e no ganho. Tome nota dos valores de tensão a que ocorrem as modificações interessantes.

Repita o passo anterior usando uma onda triangular e observe os nós A e C (em vez de D). Note que fazendo a medida no nó C elimina o desvio do sinal no nó D que origina distorção devido à incapacidade do condensador transmitir dc.

Nota: Considere os três tipos de distorção, uma devido as características do dispositivo que variam com o quadrado de VGS e as outras que são devidas ao transístor entrar na região linear e na região de corte.

.E 2.0 “MOS loaded amplifier”

Monte o circuito representado na Figura 4. Apesar da resistência RG2 não ser necessária vai permitir mais adiante fazer um melhoramento considerável.

Figura 4. “MOS loaded amplifier” E 2.1 Medições simples

• Sem sinal na entrada, meça a tensão dc no nó C. Observe que devido ao alto

valor de RG, as medidas em E e B perturbam consideravelmente o arranjo da polarização.

Note que a tensão no nó C não é metade da fonte de alimentação. Isto apesar de e assumir que os transístores Q1 e Q2 são idênticos.

• Aplique uma onda triangular 0.2Vpp com a frequência de 10 KHZ na entrada A. Meça o sinal nos pontos A e D . Estime o valor do ganho em tensão.



• Ajustando os comandos do osciloscópio sobreponha no visor as formas de onda que observa em A e D.

• Lentamente aumenta a amplitude do sinal de entrada até observar distorção, primeiro num dos picos e depois no outro pico. Para cada um destas distorções tome nota da tensão no ponto C (valor completo incluindo o valor dc).

• Baixe lentamente o valor da fonte de alimentação de +15V e observe os efeitos que o valor da fonte de alimentação tem quer no ganho quer na distorção.

Nota: Identifique duas razões que justifiquem o ganho relativamente pequeno do seu amplificador. Quais os aspectos interessantes da distorção que observou? Qual é a maior amplitude de sinal que pode colocar à entrada sem causar distorção na saída?

• Desligue a fonte de alimentação e ligue um segundo transístor em

paralelo com o transístor Q1. Para fazer isto ligue o pino 3 ao 6, o pino 5 ao 8, note que o 4 e 7 já estão ligados.

• Volte a ligar a fonte de alimentação e repita as observações anteriores, nomeadamente meça a tensão no ponto C, o ganho em tensão e a distorção.

Nota: Note o efeito que as dimensões do dispositivo tem no controlo do ganho. Infelizmente duplicar as dimensões do dispositivo não aumenta o ganho significativamente. Aumenta de quanto?

E 2.2 “Bootstrapped Load”

Modifique o circuito da Figura 4 adicionando um condensador C3=0.1µF entre os nós C e E de forma a obter o circuito representado na Figura 5. O resultado é o circuito designado por “Bootstrapped Load”

Repita todas as medições básicas realizadas em E 2.1

Nota: Comente no efeito geral desta modificação. Qual é o novo ganho em tensão? Comente as diferenças que observa agora na distorção.

Figura 5. “Bootstrapped Load”.





Material

Amplificadores operacionais 741 ou 358

O amplificador operacional

Lab. 9



Resistências Condensadores Fotodíodo

Objectivo

Esta aula tem por objectivo a familiarização com a montagem de circuitos usando amplificadores operacionais vulgarmente chamados amp-ops ou em inglês “op-amps”. Em concreto pretende-se atingir os seguintes objectivos:

Explicar o funcionamento de um amplificador diferencial Saber interpretar as folhas de especificação de um amplificador operacional Analisar as configurações de amplificação Analisar os efeitos de realimentação negativa Reconhecer as limitações dos amp-ops.

Introdução

Nos guias anteriores estudou um conjunto de dispositivos discretos, por exemplo díodos e transístores. Estes dispositivos estavam encapsulados de forma individual.

Vamos agora lidar com circuitos integrados. Neste tipo de circuitos vários componentes, (transístores, díodos e condensadores) são fabricados numa bolacha de silício e encapsulados numa caixa. Neste guia vamos tratar este circuito completo como um único circuito, ou seja, vamos ser ter apenas uma visão externa em termos de entrada e saída, e não nos vamos preocupar com os detalhes internos do circuito.

O símbolo usado para um amplificador operacional está representado na Figura 1. Tem dois terminais de entrada, a chamada entrada inversora (-), a entrada não inversora (+), e um terminal de saída.

Figura 1. Símbolo para um amplificador operacional. Um amplificador operacional típico necessita de duas fontes dc de alimentação, uma positiva e outra negativa como se representa na Figura 1. Frequentemente as fontes de alimentação não são representadas nos diagramas esquemáticos. A Figura 2 ilustra, usando duas baterias de 9 Volts a forma como se deve fazer as ligações de forma a obter uma alimentação de ± 9V. Os amplificadores operacionais geralmente usam tensões de alimentação no intervalo ± 5 V a ± 15 V em relação à terra.



Figura 2. Como obter uma fonte de tensão de ± 9 V em relação à terra.

Os tipos de encapsulamento mais frequentes para o 741, estão representados na Figura 3.

Figura 3. A configuração de pinos para o 741 e o tipos de encapsualmento mais

frequentes.

Experimental

Antes de começar a montar o seu circuito com um amplificador operacional deve ter presentes dois pontos importantes: -Primeiro, como é colocado o amplificador na “breadbord”? A Figura 3 ilustra a forma como se deve montar o amplificador



Figura 3. Colocação de um circuito integrado na placa de prototipagem.

- segundo os amplificadores necessitam de ser alimentados, normalmente com ± 15V. Lembramos isto porque muitos dos diagramas de circuitos não representam explicitamente as fontes de alimentação. - Como qualquer outro circuito integrado, os “amp-ops” são dispositivos

delicados, que devem ser usados com cuidado. Use sempre condensadores de 0.1 µ F para fazer o ”bypass“ das fontes de alimentação, e desligue sempre a fonte de alimentação antes de realizar qualquer alteração no circuito

E1- Monte o circuito representado na Figura 4. Tente obter 0 V à saída do potenciometro. Deixe-se impressionar pelo que observa à medida que tenta obter os 0 Volts. Verifique se o comportamento observado está de acordo com ganho do amplificador dado nas folhas de especificações.

Figura 4. Teste de um operacional em malha aberta.

10 KΩ +15 V

-15 V +15 V -15 V Out



E2- Configuração inversora. E2a- Monte o circuito representado na Figura 5.

Figura 5. Configuração inversora.

E2b-Aplique à entrada, um sinal sinusoidal com amplitude de 200 mV e frequência de 1 KHz. Meça o ganho em tensão (Av). Compare com o valor obtido teoricamente.

E2c- Aumente a amplitude do sinal na entrada, que pode dizer sobre máxima excursão do sinal na saída. E acerca da linearidade do sinal na saída? Para realizar este teste aumente a frequência do sinal de entrada.

E2d- Tente medir a impedância de saída do seu circuito. E3- Amplificador somador. E3a- Monte o amplificador somador representado na Figura 6. Use

resistências de 100 KΩ.

Figura 6. Amplificador somador.

Vin2. 3 2 R1=1K Ω

R2=10 K Ω

-15 V

+15 V -15 V Vin. Vout.

3

2 R1=100 K Ω

R2=100 K Ω

-15 V

+15 V

-15 V

Vin1. Vout. R1=100 K Ω +15 V



Use o seu gerador de sinais e uma fonte d.c. variável para criar tensões de entrada diferentes. Note que pode implementar uma fonte de tensão variável usando um potenciômetro (ver Figura 6).

E3b- escolha dois sinais, e meça a tensão na saída e na entrada inversora. Os resultados que obteve estão de acordo com o que esperava teoricamente.

E3c- Substitua uma das resistências de entrada de 100 KΩ por uma resistência de 50 KΩ, e meça novamente a tensão na saída. Explique como esta modificação altera o valor de tensão na saída.

E4- Configuração não inversora. E4a-Monte o amplificador não inversor representado na Figura 7.

Escolha os valores de resistências R1, R2 e do condensador C, para obter um ganho em tensão de aproximadamente 10 V/V e uma frequência de corte de aproximadamente de 100 Hz.

Figura 7. Amplificador não inversor.

E5- Conversor de corrente para tensão, aplicação com fotodíodos.

Figura 8. Conversor de corrente para tensão.

C

3

2 R1

+15 V

-15 V Vin. Vout. R2 3

2

R2=1 M Ω

-15 V

+15 V

-15 V

Vout.

Luz Fotodíodo



E6- Características não ideais. Medição de VOS IP, IN. e PSRR Nas aulas teóricas começou por aprender as características ideais de um amplificador operacional. Resumidamente:

1- Ganho: infinito 2- Impedância de entrada: infinita 3- Impedância de saída: zero 4- Largura de banda: infinita 5- Tensão na saída é nula quando as tensões nas duas entradas forem iguais. 6- As correntes que entram dentro do amplificador são extremamente pequenas.

Figura 9. Características ideais de um amplificador operacional.

Na prática os amplificadores não têm estas características.

E6a- Monte o circuito representado na Figura 10 a. Meça a saída com um voltímetro em modo DC com a escala de maior sensibilidade que tiver disponível (10 µ V ou melhor). Dado que o amp-op esta a funcionar como um seguidor de tensão o valor da tensão na saída é simplesmente a tensão de offset VOS. Compare o valor que mediu com o valor dado nas folhas de especificação do 741. Comente o resultado. Nota: devido a eventuais variações na temperatura do integrado (thermal drift), os dígitos menos significativos do seu multímetro irão flutuar. Decida como interpretar as suas leituras e justifique a sua decisão. E6b- Desligue a alimentação e insira uma resistência de 1 MΩ como mostra a figura 10b. Esta resistência tem por objectivo causar uma queda de tensão Vp=-RIP devido à corrente IP que esta a fluir no terminal não inversor, de forma que V1=VOS-RIP, de acordo com o principio da sobreposição. Meça V1, e calcule IP=(VOS-V1)R, com VOS encontrado no passo E6a. Para obter resultados mais exactos meça R com o Ohmimetro. E6d Desligue a fonte de alimentação e ligue uma resistência de 1 MΩ como representado na Figura 10c. Recorrendo a argumentos simelhantes aos referidos nas alíneas anteriores, a corrente IN que na entrada não inversora vai causar uma tensão V2=VOS+RIN. Ligue a alimentação e meça V2, e calcule IN=(V2-VOS)/R, use o valor de VOS calculado no passo E6a. E6e- Use as equações IB=(IP+IN)/2 e IOS=IP-IN, para calcular IB e IOS. Compare os seus valores com os valores referidos nas folhas de especificação do 741.


universidade do algarve, faculdade de ciências e tecnologia

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