relatorio 2 cel
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Amplificadores Classe A,ABTRANSCRIPT
Experimento 2 - Amplicador de
Múltiplos Estágios
Rodrigo Daniel da Silva
Engenharia de Controle e Automação
UNESP - Campus Experimental de Sorocaba
Circuitos Eletrônicos
22/04/2015
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Sumário
1 Resumo 3
2 Objetivos 4
3 Introdução Teórica 5
4 Procedimentos Experimentais 7
4.1 Etapa I - Amplicador em Cascata com 2 transistores . . . . . 7
4.2 Etapa II - Amplicador em Cascata com 3 transistores . . . . 8
5 Resultados Obtidos 9
5.1 Resultados Etapa I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.1.1 Resultados Teóricos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.1.2 Resultados Simulados: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5.1.3 Resultados Físicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5.1.4 Tabela com o resumo dos resultados: . . . . . . . . . . 11
5.2 Resultados Etapa II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.2.1 Resultados Teóricos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5.2.2 Resultados Simulados: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.2.3 Resultados Físicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.2.4 Tabela com o resumo dos resultados: . . . . . . . . . . 14
6 Conclusões 16
7 Referências 16
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1 Resumo
A necessidade de amplicação de um sinal CA é importante para a eletrô-
nica. Com a amplicação do sinal podemos construir componentes de menor
tamanho e melhor performance. Dessa forma, a utilização de amplicadores
de múltiplo estágio utilizando transistores é fundamental. Observamos que o
ganho de tensão pode ser considerável na utilização de amplicadores monta-
dos em cascata utilizando-se dois ou mais transistores, observamos também
que o ganho em cascata varia em função do tipo de montagem utilizada e
não da quantidade de transistores, uma vez que, em certas montagens, por
exemplo, amplicador Darlington a ampliação é apenas unitária, sendo esse
tipo de amplicador utilizado mais para casamento de impedâncias.
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2 Objetivos
Esse experimento visa analisar o ganho CA de amplicadores de múltiplo
estágio utilizando dois e três transistores. Busca-se vericar e comparar
os valores calculados, simulados e realizados experimentalmente através da
utilização dos dispositivos físicos a m de confrontar os valores teóricos com
os valores obtidos experimentalmente.
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3 Introdução Teórica
Os transistores possuem diversas aplicações e o que determina qual dessas
aplicações será utilizada é nada mais e nada menos do que o usuário. Uma
das aplicações mais utilizadas do transistor é no que se trata da amplicação
e comutação de sinais. A amplicação do transistor ocorre devido a sua
composição (semicondutores). A dopagem dos materiais que constituem o
transistor determina qual será o comportamento deste, no caso do transistor
NPN temos respectivamente uma junção dopada com elétrons (tipo N), uma
região dopada com lacuna (tipo P) e mais uma região dopada com elétrons.
Isso ocasiona num comportamento bem especico quando se trata dos 3
terminais desse componente. Inserindo-se uma pequena corrente na base, é
possível ocasionar uma grande corrente entre o coletor e o emissor, e qualquer
pequena variação dessa corrente de base já gera uma grande variação na
corrente entre o coletor e emissor. Isso é valido para quando o transistor
está atuando na região ativa que corresponde a uma junção emissor-base
polarizada diretamente e uma junção base coletor polarizada reversamente.
Pode-se observar as junções do transistor na Figura 1 .
Figura 1: Esquema dos transistores NPN
No entanto, em algumas aplicações são necessários ganhos que somente
um transistor não é capaz de fornecer, nesses casos entra o conceito dos
amplicadores de múltiplos estágios. O amplicador de múltiplos estágios
consiste em interconectar dois ou mais transistores juntos num sistema de
modo que isso ocasione um ganho signicativo. Um dos circuitos utilizados
com essa característica é o de circuito conhecido como transistor de Darling-
ton (Figura 2), que nada mais é do que a ligação de dois transistores em
cascata.
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Figura 2: Transistor de Darlington
Essa ligação entre os transistores pode ser feita ligando-se os transisto-
res diretamente um ao outro, ou utilizando capacitores entre estes (Figura
3). Este amplicador onde utiliza-se o capacitor é chamado de amplicador
em cascata acoplado capacitivamente. Ele é o modelo mais simples e lar-
gamente utilizado, e faz com que a tensão CA na saída do primeiro estágio
seja aplicada ao terminal de entrada do próximo estágio. Isso possibilita a
isolação CC entre os estágios e mantém-se assim as condições de polarização
inalteradas.
Figura 3: Circuito com acoplamento feito por capacitor
Caso o acoplamento não seja feito por um capacitor, é possível ainda
assim obter um grande ganho de corrente mas nesse caso é necessário analisar
a polarização dos transistores simultaneamente. Na ligação de Darlington
pode-se analisar o circuito multiplicando-se o coeciente β de cada transistor,
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desse modo o circuito que relaciona os dois transistores pode ser analisado
considerando ganho total dos transistores como β1×β2. Dentre as vantagens
que os amplicadores de darlington possuem, pode-se destacar:
• Maior ganho de corrente
• A queda de tensão em saturação é constante
• Requer menos espaço do que os transistores normais
E como principal problema é possível destacar o fato de que comparado
com um transistor comum, apresenta maior defasagem em altas frequências
e isso pode tronar-se facilmente instável.
4 Procedimentos Experimentais
4.1 Etapa I - Amplicador em Cascata com 2 transis-
tores
Calculou-se teoricamente o ganho obtido através do circuito da Figura
4. Após o calculo dos valores, o mesmo circuito foi analisado utilizando o
software de simulação Pspice. Por m, montou-se o circuito sicamente a
m de comparar os resultados. Em todas as situações obteve-se através os
valores de tensão de entrada e saída e quando possível as imagens das ondas
de entrada e saída a m de comparar os três casos.
Figura 4: Amplicador em cascata com 2 transistores
Utilizando-se Vcc = 12 V, transistores com β = 100 e os seguintes dispo-
sitivos:
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R1 180 KΩR2 68 KΩRc 3.3 KΩRe 2.7 KΩRL 1 KΩ
C1 = C2 10 µFCe1 = Ce2 470 µF
Cb 68 nF
Tabela 1: Componentes do Amplicador com 2 Transistores
Para a tensão CA de entrada, no simulador e nos cálculos utilizamos
diretamente o valor de 1 mV, porém, para chegar a esse valor sicamente
precisamos incluir um divisor de tensão utlizandos os resistores RD1 = 10KΩ
e RD2 = 1KΩ com Vca=10 mV e frequência de 1 KHz.
4.2 Etapa II - Amplicador em Cascata com 3 transis-
tores
Agora, utilizando-se um circuito amplicador de multiestágio com 3 tran-
sistores (Figura 5) calculou-se teoricamente o ganho obtido e após o calculo
dos valores, o mesmo circuito foi analisado utilizando o software de simula-
ção Pspice. Por m, montado-se o circuito sicamente a m de comparar os
resultados. Em todas as situações obteve-se através os valores de tensão de
entrada e saída e quando possível as imagens das ondas de entrada e saída a
m de comparar os três casos.
Figura 5: Amplicador em cascata com 3 transistores
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5 Resultados Obtidos
5.1 Resultados Etapa I
5.1.1 Resultados Teóricos:
Para a análise teórica recorremos à modelagem matemática do circuito,
observando que temos dois amplicadores emissor comum em cascata, con-
forme Figura 6
Figura 6: Modelo Simplicado para análise
Onde:
Rg = 50 Ω
Z1entrada = R1//R2//βr′e
Z1saida = RC
A1 =RC
r′e
Z2entrada = R1//R2//βr′e
Z2saida = RC
A2 =RC
r′e
r′e =25 mV
IE
Para o circuito acima, IE = 3.3−0.750Kβ
+2.7K= 0.8 mA
Logo, r′e = 30Ω e portanto temos:
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Z1entrada = 180K//68K//100 × 30 ≈ 3KΩ
Z1saida = 3.3KΩ
A1 =3.3K
30≈ 110
Z2entrada = 180K//68K//100 × 30 ≈ 3KΩ
Z2saida = 3.3KΩ
A2 =3.3K
30≈ 110
Assim, temos que as tensões são:
V ′entrada = 1mV × 3K
50 + 3K≈ 1 mV
A1V′entrada = 110 × 1 mV ≈ 110 mV
V ′′entrada = 110 mV × 3K
3.3K + 3K≈ 52 mV
A2V′′entrada = 110 × 52 mV ≈ 6 V
Vsaida = 6 V × 1K
3.3K + 1K≈ 1.4 V
Dessa forma, o ganho nal foi de:
VsaidaVentrada
=1.4V
1mV≈ 1400
5.1.2 Resultados Simulados:
Abaixo segue imagem das ondas de entrada e saída produzidas através
da simulação:
Observe que o ganho nesse caso é de:
VsaidaVentrada
=1.5V
1mV≈ 1500
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Figura 7: Ondas de Entrada e Saída Simuladas
5.1.3 Resultados Físicos:
Abaixo segue imagem das ondas de entrada (amarelo) e saída (azul) pro-
duzidas através da montagem física do circuito:
Figura 8: Ondas de Entrada e Saída Montagem Física
Apenas observando que a onda de entrada ainda passa pelo divisor de
tensão que deixa a tensão de entrada em aproximadamente 1 mV
VsaidaVentrada
=1.3V
1mV≈ 1300
5.1.4 Tabela com o resumo dos resultados:
Abaixo segue tabela com o resumo dos resultados.
Tipo de Análise Ganho
Calculado 1400Simulado 1500
Experimental 1300
Tabela 2: Ganhos obtidos na Etapa I
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Observe que a variação do simulado e experimental com referencia ao
valor calculado é de aproximadamente 7%.
5.2 Resultados Etapa II
5.2.1 Resultados Teóricos:
Para a análise teórica recorremos à modelagem matemática do circuito,
observando que temos dois amplicadores em cascata, o primeiro é um emis-
sor comum e o segundo é um amplicador modelo Darlington, conforme
Figura 9
Figura 9: Modelo Simplicado para análise amplicador com 3 transistores
Onde:
Rg = 2 KΩ
Z1entrada = R1//R2//βr′e
Z1saida = RC
A1 =RC
r′e
Z2entrada = R1//R2
Z2saida = r′e3 +r′e2β3
+R1//R2//Rg
β3β2
A2 = 1
r′e =25 mV
IE
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Para o circuito acima, IE1 = 2.14−0.72.14Kβ
+1K= 1.4 mA
Logo, r′e1 = 17.8Ω e portanto temos:
Efetuando a análise de malhas chegamos a IE2 = 6 µA e IE3 = 0.6 mA
Logo, r′e2 = 4.19KΩ e r′e3 = 40.98Ω. Assim, temos:
Z1entrada = 15K//2.5K//100 × 17.7 ≈ 960Ω
Z1saida = 3.3KΩ
A1 =3.3K
30≈ 110
Z2entrada = 20K//20K = 10KΩ
Z2saida = 83Ω
A1 =3.3K
17.7≈ 186
Assim, temos que as tensões são:
V ′entrada = 9mV × 960
960 + 2K≈ 3 mV
A1V′entrada = 186 × 3 mV ≈ 542 mV
V ′′entrada = 542 mV × 10K
10K + 3.3K≈ 408 mV
A2V′′entrada = 1 × 408 mV ≈ 408 mV
Vsaida = 408 V × 1K
83 + 1K≈ 376 mV
Dessa forma, o ganho nal foi de:
VsaidaVentrada
=376mV
9mV≈ 42
5.2.2 Resultados Simulados:
Abaixo segue imagem das ondas de entrada e saída produzidas através
da simulação:
Observe que o ganho nesse caso é de:
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Figura 10: Ondas de Entrada e Saída Simuladas
VsaidaVentrada
=345mV
9mV≈ 38
5.2.3 Resultados Físicos:
Abaixo segue imagem das ondas de entrada (azul) e saída (amarelo) pro-
duzidas através da montagem física do circuito:
Figura 11: Ondas de Entrada e Saída Montagem Física
VsaidaVentrada
=500mV
10mV≈ 50
5.2.4 Tabela com o resumo dos resultados:
Abaixo segue tabela com o resumo dos resultados.
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Tipo de Análise Ganho
Calculado 42Simulado 38
Experimental 50
Tabela 3: Ganhos obtidos na Etapa II
Observe que a variação do simulado e experimental com referencia ao
valor calculado é de aproximadamente 10 a 20 %.
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6 Conclusões
Observou-se que o ganho na montagem em cascata de dois amplicadores
do tipo emissor comum foi elevado signicativamente. Apesar de acreditar-
mos que o ganho nal deve ser aproximadamente β1 × β2, ou seja, 10000,
na verdade isso não ocorre, pois temos a variação de impedância ao longo da
montagem e a carga que atuam no valor do ganho nal. Porém, um ganho
de aproximadamente 1500 pode ser considerado um bom resultado para a
aplicação. Interessante ressaltar também que a onda de saída não teve defa-
sagem de 180 graus em relação à onda de entrada, o que é comum quando
utilizamos um transistor apenas, mas no caso de dois transistores a defasa-
gem total seria de 360 graus o que corresponde a onda de entrada e saída em
fase.
Quanto ao amplicador utilizando 3 transistores, onde o temos um am-
plicador emissor comum e um do tipo Darlington observamos que o ganho
foi de aproximadamente 40. Não parece ser um ganho signicativo, contudo
o mais importante nesse tipo de montagem é a necessidade do casamento
das impedâncias de entrada e saída do circuito com a carga e a fonte, por
isso recorremos a utilização do Darlington que possui ganho unitário. Nesse
caso, como temos 3 transistores tivemos a defasagem de 180 graus da onda
de saída em relação à onda de entrada.
7 Referências
[1] SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C.. Microeletrônica. 5. ed. São
Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.
[2] MALVINO, Albert Paul.. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Pearson
Prentice Hall, 2005.
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