AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM TBJs.docx

8/10/2019 AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM TBJs.docx

1/26

1

SERVIO PBLICO FEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

CAMPUS UNIVERSITRIO DE TUCURUFACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA

LABORATRIO DE ELETRNICA ANLGICA II

RELATRIO SOBRE AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM TBJs

DIORGE DE SOUZA LIMA10134000618

JOO ANDR PEIXOTO DE SOUZA - 08134002718

SAMARA PEREIRA DA SILVA10134002318

VANESSA MENEZES RAMOS10134000318

TUCURUPAR2013


2/26

2

SERVIO PBLICO FEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR

CAMPUS UNIVERSITRIO DE TUCURUFACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA

LABORATRIO DE ELETRNICA ANLGICA II

RELATRIO SOBRE AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM TBJs

TUCURUPAR2013

Relatrio apresentado ao professor

Guilherme A. L. Arajo como

requisito de avaliao da disciplina de

Laboratrio de Eletrnica Analgica

II.


3/26


4/26

4

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. MONTAGEM DO EMISSOR COMUM. [1] ........................................................ 8

FIGURA 2. A CONFIGURAO BSICA DO PAR DIFERENCIAL COM TBJ. [1] .......... 9

FIGURA 3. CORRENTES DO PAR DIFERENCIAL COM TBJ. [1] .................................... 10

FIGURA 4. TRANSISTORES (A) NPN E (B) PNP. .............................................................. 11

FIGURA 5. ESTRUTURA SIMPLIFICADA DO TRANSISTOR NPN. [2] .......................... 12

FIGURA 6. BANCADA COM INSTRUMENTAO. ......................................................... 14

FIGURA 7. CIRCUITO ORIGINAL DO ROTEIRO. ............................................................. 15

FIGURA 8. CIRCUITO MONTADO NO SOFTWARE. ....................................................... 16

FIGURA 9. GERADOR DE SINAIS AJUSTADO. ................................................................ 20

FIGURA 10. TENSO PICO NO COLETOR DE Q1. ............................................................ 21



FIGURA 13. TENSO NA BASE DE Q3. ............................................................................. 22

FIGURA 14. TENSO NA BASE DE Q4. ............................................................................. 23

FIGURA 15. TENSO DE PICO EM Q1 E Q2. ..................................................................... 23

FIGURA 16. TENSO DE PICO EM Q1 E Q2. ..................................................................... 24
http://c/Users/Samara/Desktop/Lab.%20Eletronica%20Anal%C3%B3gica%20II/Experimento%202/AMPLIFICADOR%20DIFERENCIAL%20COM%20TBJs.docx%23_Toc353133075http://c/Users/Samara/Desktop/Lab.%20Eletronica%20Anal%C3%B3gica%20II/Experimento%202/AMPLIFICADOR%20DIFERENCIAL%20COM%20TBJs.docx%23_Toc353133075


5/26

5

LISTA DE TABELAS

TABELA 1. VALORES DAS RESISTNCIAS. .................................................................... 14

TABELA 2. VALORES DOS TRANSISTORES.................................................................... 15

TABELA 3. VALORES DE TENSO MEDIDOS NOS COLETORES E NO EMISSOR. .. 17

TABELA 4. VALORES DAS CORRENTES NOS COLETORES. ....................................... 18

TABELA 5. VALORES CALCULADOS DE ALFA. ............................................................ 19

TABELA 6. VALORES DA RESISTNCIA DE EMISSOR. ................................................ 19

TABELA 7. VALORES DA RESISTNCIAr . ................................................................... 19

TABELA 8. MEDIO DA TENSO PICO A PICO. .......................................................... 20


6/26

6

SUMRIO

INTRODUO .......................................................................................................................... 7

FUNDAMENTAO TERICA ............................................................................................. 8

1AMPLIFICADORES ............................................................................................................ 8

1.1O PAR DIFERENCIAL COM TBJ ................................................................................... 9

1.2VARIAO DAS CORRENTES ................................................................................... 10

1.3TRANSISTOR DE JUNO BIPOLAR - TBJ .............................................................. 11

2AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM TBJs. ................................................................... 13

2.1MATERIAIS .................................................................................................................... 13

2.2METODOLOGIA ............................................................................................................ 13

2.3RESULTADOS E DISCUSSES ................................................................................... 16

CONCLUSO .......................................................................................................................... 24

REFERNCIAS ....................................................................................................................... 25


7/26

7

INTRODUO

Em muitas aplicaes industriais frequentemente necessita-se amplificar

diferenas de tenses. Um amplificador diferencial um tipo de amplificador eletrnico que

multiplica a diferena entre duas entradas por um valor constante (o ganho diferencial).

O transistor bipolar de junes (TBJ) foi o primeiro dispositivo de semicondutor

desenvolvido tecnologicamente capaz de amplificao de potncia. O seu princpio de

funcionamento baseia-se no comportamento da juno p-n. Nomeadamente, as correntes no

dispositivo podem ser modalizadas em termos da evoluo das densidades dos portadores

minoritrios junto regio de transio.

Este experimento tem por objetivo a verificao prtica de um circuito amplificador

diferencial usado largamente em diversas reas da engenharia eletrnica. Nas experincias

que aqui iremos discutir foram montadas dois tipos de configuraes usando transistores do

tipo TBJ, os quais iremos primeiramente fazer uma fundamentao terica e em seguida

expor os materiais e mtodos utilizados durante as experincias assim como discutir os

resultados tericos e prticos.


8/26

8

FUNDAMENTAO TERICA

1.AMPLIFICADORES

O uso de amplificadores operacionais (Amp Ops) com realimentao negativa permite

realizar montagens amplificadoras muito versteis e, particularmente, com ganho muito

estabilizado. Realmente, hoje em dia, os amplificadores que se usam so praticamente sempre

com realimentao.

Das montagens bsicas, a montagem de emissor comum (EC) com BJT (ou de fontecomum (FC) com FET) que permite obter um mais elevado ganho de tenso, simultaneamente

com um Rino muito baixo.

Assim, poder-se-ia realizar o amplificador de cima, com um s transistor, como

indicado na Figura 1. As resistncias R2e R1so as que definem o ganho. Por anlise direta,

fcil verificar que se obtm um ganho V0/ Vi-9,1, razoavelmente prximo deR2/R1= -

10.

Contudo, notrio que a montagem EC, por si s, no tem condies para poderrealizar satisfatoriamente as caractersticas do AmpOp. Por exemplo, no tem entrada

diferencial (logo, no serve para implementar a montagem no inversora), tem resistncia de

entrada relativamente baixa e resistncia de sada elevada (Rir e R0100 k // 10 k).

[1]

Figura 1. Montagem do emissor comum. [1]


9/26

9

A resistncia de entrada pode aumentar-se inserindo uma resistncia no emissor;

todavia isso reduz o ganho (e aumenta ainda mais a resistncia de sada, embora

marginalmente).

Notemos, entretanto, que outras caractersticas do AmpOp devero ainda ser procuradas:

ganho muito elevado, resistncia de entrada grande, resistncia de sada baixa, desvio de tenso e

de corrente prximos de zero.

O amplificador diferencial o bloco de construo de circuito mais utilizado nos

integrados analgicos. Por exemplo, o estgio de entrada de cada amp op um amplificador

diferencial. Alm disso, o amplificador diferencial com TBJ a base de uma famlia de

circuitos lgicos de velocidade muito alta, chamada lgica de acoplamento por emissor. [2]

1.1. O PAR DIFERENCIAL COM TBJ

Considere-se a montagem da Figura 2, mostra a configurao bsica do par diferencial

com TBJ. O par diferencial realizado com dois BJTs. Se VB1= VB2= VCM, tenso de modo

comum, as tenses VC1 e VC2mantm-se inalteradas mesmo quando VCM varia (dentro de

certos limites, impostos pela necessidade de os transistores funcionarem no modo ativo). Poroutro lado, se

21 BB VV , as tenses VC1 e VC2 sero diferentes.

Assim, dizemos que o par diferencial (idealmente) responde a sinais diferenciais (i.e.,

a diferena das tenses de entrada) e rejeita o modo comum, i.e., no reage a sinais idnticos.

Figura 2. A configurao bsica do par diferencial com TBJ. [1]


10/26

10

1.2. VARIAO DAS CORRENTES

Sendo idnticos os transistores, como a soma das correntes de emissor constante,

quando se varia a tenso diferencial12 BBD VVV , a corrente transfere-se de um para o outro

transistor. Essa variao das correntes em funo da tenso diferencial pode ver-se na Figura

3.

Figura 3. Correntes do par diferencial com TBJ. [1]

A expresso das correntes pode ser dada por:

T

dV

vC

e

Ii

1

2,1

Equao 1

A transcondutncia mg ,pode ser encontrar pela Equao 2.

T

C

mV

Ig Equao 2

Tambm pode-se calcular a resistncia de emissor er e a resistncia r , atravs daEquaes 3 e 5 respectivamente.

1

Equao 3

Obtendo atravs de,

mE

T

egI

Vr

Equao 4


11/26

11

Calculando a resistnciar

.

mgr

Equao 5

Ou,

err 1 Equao 6

O funcionamento s aproximadamente linear para pequenas tenses diferenciais,

zona em que a exponencial tem um comportamento aproximadamente linear. Pode ver-se que,

para mVVV TD 25 , o ganho varia cerca de 20%.

Por outro lado, basta uma entrada diferencial de cerca de 100 mV para que um dos

transistores tome praticamente toda a corrente.

1.3.TRANSISTOR DE JUNO BIPOLAR TBJ

Os transistores podem ser classificados de acordo com o tipo de portador de carga

utilizado para transporte de corrente. Sob esse ponto de vista, existem dois tipos de

transistores: os bipolares e os unipolares.Existem dois tipos de transistor bipolar: npn e pnp. O tipo npn consiste em duas

regies nseparadas por uma regio p. O tipo pnpconsiste em duas regies p separadas por

uma regio n. Um terminal conectado em cada uma das trs regies do transistor, sendo

estes terminais denominados de emissor (E), base (B) e coletor (C).

Figura 4. Transistores (a) npn e (b) pnp.


12/26

12

O transistor consiste em duas junes pn, a juno emissor-base (JEB) e a juno

coletor-base (JCB), como de mostra a Figura 5. Dependendo da condio de polarizao

(direta ou reversa) de cada uma desas junes, so obtidos diferentes modos de operao do

TBJ, conforme mostrado na Tabela 1.

Figura 5. Estrutura simplificada do transistor npn. [2]


13/26

13

EXPERINCIA

2.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM TBJs.

2.1. MATERIAIS

01 Fonte de tenso contnua

01 Gerador de sinais

01 Osciloscpio01 Protoboard

01 Multmetro

01 Capacitor de mF10

05 Resistncias de K10

04 Transistores BC 546

2.2. METODOLOGIA

Para a realizao do experimento primeiramente, organizou-se na bancada os

instrumentos como: fonte de tenso contnua, gerador de sinais, osciloscpio, protoboard e o

multmetro, demonstrado na Figura 6.


14/26

14

Figura 6. Bancada com instrumentao.

Aps organizar os instrumentos, partiu-se para a etapa de montagem do circuito.

Primeiramente, separaram-se os componentes e observou-se que no havia disponvel no

laboratrio o resistor de K1,5 , ento, substituiu-se o resistor por dois resistores de K10

associados em paralelo obtendo valor aproximado requerido no roteiro do experimento, o qual

KRR 1,532 . Em seguida, com o auxilio do multmetro na funo ohmmetro, mediu-se

todas as resistncias, verificando se o valor medido est prximo do valor comercial,

conforme Tabela 1.

Tabela 1. Valores das resistncias.

Resistncia

(Valor Comercial)

Resistncia

(Valor Medido)

Valor resultante

da associao

R1 K10 K84,9 -

R2K10 K94,9

K98,4 K10 K10

R3K10 K83,9

K93,4 K10 K81,9

Os valores de dos transistores tambm foram medidos e seus valores se encontram

na Tabela 2.


15/26

15

Tabela 2. Valores dos transistores.

Transistor (Valor Comercial) (Valor Medido)

1Q BC 546 364

2Q BC 546 353

3Q BC 546 388

4Q BC 546 287

Realizado a separao dos componentes, partiu-se para a montagem do circuito da

Figura 7, porm o circuito original do roteiro alterado. Sendo assim, o circuito a ser

implementado no laboratrio o da Figura 8, entretanto na etapa da obteno de dadosobservaram-se inconsistncias nos valores medidos, provavelmente estando o erro na

montagem do circuito na pratica, sendo necessrio simular o circuito em um software

comercial, pelo fato de no ter mais tempo suficiente para reproduzi-lo no laboratrio.

Figura 7. Circuito original do roteiro.

Q4

Q2N3904

V2

15,7V0

Q1

Q2N3904

V3

FREQ = 1 0kHz

VAMPL = 100 mV

VOFF = 0

C1

47uF

R2

100k

R1

7,35k

0

R3

100kR7

150 Ohms

R4

10k

V1

15V

Q2

Q2N3904

0

R5

10k

Q3

Q2N3904

0R6

100k

R9

150 Ohms


16/26

16

Figura 8. Circuito montado no software.

Com o circuito montado, aterraram-se as duas bases e realizaram-se as medidas das

tenses DC nos coletores e no emissor de cada transistor. Em seguida, calculo-se os valores

das correntes DC de coletor e da fonte de corrente, verificando se satisfaz a Lei das correntes

de Kirchhoff.

De posse das correntes DC calculadas anteriormente e da tenso equivalente da

temperatura mVVT 25 , calculou-se a transcondutncia de pequenos sinais, mg , a

resistncia de emissor, er e a resistncia r .

Realizada a anlise DC, aplicou-se na entrada um sinal senoidal com amplitude de

mV100 pico a pico, com frequncia de KH10 no circuito da Figura 7. Com o auxlio do

osciloscpio verificou-se os valores das tenses de pico em cada um dos coletores dos TBJs

que compem o par diferencial.

Depois de montado o circuito, partiu-se para a etapa das medies para a confirmao

dos resultados calculados e novos valores. Os resultados dos parmetros encontrados sero

apresentados e discutidos no prximo tpico.

2.3. RESULTADOS E DISCUSSES


17/26

17

Com a configurao montado da Figura 8, na qual utilizam-se quatro transistores de

juno bipolar npn tipo BC 546, nomeados e medidos na Tabela 2, aterrou-se as bases e

mediu-se o valores das tenses DC nos coletores e no emissor de cada transistor, sendo

31 Qvv . Os valores medidos podem ser observados na Tabela 3.

Tabela 3. Valores de tenso medidos nos coletores e no emissor.

Tenso (V) no 1Q 1Q 3Q 4Q

Coletor 24,8 64,0 45,3 34,12

Emissor 85,8 93,8 63,0 63,0

Com os valores das tenses VVC 36,11 e VVC 45,32 , e utilizando os resistores 2R e

3R calculou-se as correntes 1CI , 2CI e 3CI referente respectivamente a 3Q , 4Q e 1Q .

Utilizando a Equao 7.

2

1

1R

VVccI CC

Equao 7

KIC

9,4

36,191

Equao 8

mAIC 534,11 Equao 9

Calculando 2CI .

3

2

2R

VVccI CC

Equao 10

mAIC 125,12 Equao 11

Calculando 3CI .

K

IC10

3,893

Equao 12

mAIC 73,13 Equao 13


18/26

18

Em seguida, realizou-se a medida da corrente nos coletores de cada transistor e da

fonte de corrente, o qual obteve-se mAI 41,2 . A Tabela 4 mostra os valores obtidos na

medio nos coletores.

Tabela 4. Valores das correntes nos coletores.

Transistor Corrente Medida (mA) Corrente Calculada (mA)

1Q 76,1 73,1

2Q 41,2 39,2

3Q 54,1 534,1

4

Q 12,1 125,1

Com os valores das correntes DC e da tenso equivalente de temperatura mVVT 25 ,

calculou-se a transcondutncia de pequenos sinais mg , a resistncia r , atravs das

Equaes 2 e 5. E a resistncia de emissor er utilizando primeiramente a Equao 3 para

encontrar e depois utilizando a Equao 4. Sendo calculado para os valores de corrente

medida na pratica e calculada anteriormente.

Calculando a transcondutncia com valores de corrente calculadas nas Equaes 9 e

11.

T

CC

T

Cm

V

II

V

Ig 21

Equao 14

mV

mAgm

25

125,1534,1 Equao 15

VA

mg 1063,0 Equao 16

Calculando a transcondutncia com valores de correntes medidas na pratica,

demonstrada na Tabela 4.

mV

mAgm

25

12,154,1 Equao 17

VA

mg 1064,0 Equao 18


19/26

19

Para obtermos a resistncia de emissor er , necessitou encontrar primeiro os valores

de para cada transistor. Na Tabela 5, encontram-se os valores que foram calculados.

Tabela 5. Valores calculados de alfa.

Transistor (Valor Medido) Valores calculados de

1Q 364 9973,0

2Q 353 9972,0

3Q 388 9974,0

4Q 287 9965,0

Utilizando os valores de e dos valores tantos medidos como calculados da

transcondutncia, obtiveram-se os valores da resistncia de emissor. A Tabela 6 apresenta os

valores encontrados.

Tabela 6. Valores da resistncia de emissor.

Transistor re (Valor Medido) re (Valor Calculado)

1Q 373,9 376,9

2Q 372,9

375,9

3Q 374,9

377,9

4Q 366,9

369,9

Utilizando os valores tantos medidos como calculados da transcondutncia, obtiveram-

se os valores da resistnciar . A Tabela 7 mostra os valores encontrados para resistncia

r

.

Tabela 7. Valores da resistnciar .

Transistorr (Valor Medido)

r (Valor Calculado)

1Q K42,3 K42,3

2Q K32,3 K318,3


20/26


21/26

21

Figura 10. Tenso pico no coletor de Q1.

Tenso de pico medida para 3Q .


Teso de pico medida para4

Q .


22/26

22


Tambm colheram-se os valores da tenso de sada 1inv e 2inv nas bases dos TBJs 3Q

e4

Q , atravs da simulao utilizando Proteus 7.2. Obteve-se Vvin 11 e Vvin 12 , na Figura

13 tem-se o sinal em forma de onda senoidal de 1inv e na Figura 14 de 2inv , ambos

demonstrado no osciloscpio virtual.

Figura 13. Tenso na base de Q3.


23/26

23

Figura 14. Tenso na base de Q4.

Realizaram-se medies atravs de simulao da tenso de sada nos coletores dos

TBJs. Na Figura 15, tem-se a tenso de pico nos coletores de3Q e 4Q .

Figura 15. Tenso de pico em Q1 e Q2.

Na Figura 16, tem-se a tenso de pico nos coletores de1

Q (onda amarela) e2

Q (onda

azul).


24/26

24

Figura 16. Tenso de pico em Q1 e Q2.

Em todos os coletores obteve-se tenses de pico de 1V.

CONCLUSO


25/26

25

Ao fim da experincia realizada utilizando amplificadores diferencial com transistores

TBJ, percebeu-se que o mesmo foi de grande importncia fazendo com que os discentes se

familiariza com as tcnicas de polarizao de circuitos, montagem e analise de amplificador

diferencial bsico, bem como compreender sua operao medindo e calculando os valores de

tenso e correntes de polarizao, ganhos de tenso de sada de pequenos sinais nos modos

simples e diferencial, ganho de tenso de sada em modo comum e clculo da resistncia de

entrada diferencial e de modo comum.

Os vrios tipos de circuitos de polarizao. Aprendendo ajustar adequadamente a

corrente de referncia para obter-se a corrente de polarizao desejada e a comparar as vrias

fontes de corrente, verificando a dependncia da corrente de sada com o do transistor e

calculando a resistncia de sada de cada tipo de fonte.A visualizao das formas de onda do amplificador, com o osciloscpio,

proporcionou identificao imediata das caractersticas e do ganho da amplificao. Com a

manipulao do sinal de entrada, pde-se verificar ao mesmo tempo as alteraes no sinal de

sada, fortalecendo o entendimento do funcionamento do circuito e da polarizao de um

transistor.

Percebeu-se ainda que os valores medidos do circuito foram praticamente iguais aos

calculados, levando em considerao as adaptaes realizadas por falta do componenteespecificado no roteiro ou aquele que segundo os dados tericos seria o valor timo para ser

inserido no circuito alm do mais na pratica os valores dos componente no so iguais aos

valores comerciais.

Obtiveram-se resultados tericos coerentes com aqueles medidos na pratica

permitindo- nos desenvolver a habilidade de projetar, montar e analisar circuitos com

transistores amplificadores.

.

REFERNCIAS


26/26

[1] FERREIRA, Franclim F., et all. Amplificadores diferenciais e multiandar. Disponvel

em: . Acesso em:

02 de abril de 2013.

[2] SEDRA, Adel S; SMITH, Kenneth C. Microeletrnica. 4.ed. So Paulo: Pearson

Markron Books, 2000.

[3] BOYLESTAD, Roberto L; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrnicos e teoria de

circuitos. 8.ed. . So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004.

[4] Universidade Federal de Campina Grande - UFCG. Amplificador operacional Guia de

experimentos. Disponvel em:

. Acesso em: 02 de abril de 2013.

[5] LOBO, Aniela Oliva P. Amplificadores Operacionais. Disponvel em:

. Acesso em: 02 de abril

de 2013.

[6] SHIGUE, Carlos Y. Transistores- Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de

So Paulo - EEL USP - Departamento de Engenharia de Materiais. Disponvel em:

. Acesso em: 03 abril 2013.

[7] BERTOLI, Roberto Angelo. Eletrnica - Departamento de Engenharia Electrotcnica

(DEE). Disponvel em:. Acesso

em: 02 abril 2013.

Documents

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM TBJs.docx