Eletr^onica II Apostila de Laborat orio - lee.eng.uerj.brgermano/EletronicaII-Lab_2016-2/ApostilaLa... · Eletr^onica II Pref acio Esta apostila de laborat orio tem como objetivo

Eletronica II

Apostila de Laboratorio

Professor: Germano Maioli PenelloDepartamento de Eletronica e Telecomunicacoes (DETEL)

Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)

Eletronica II

Prefacio

Esta apostila de laboratorio tem como objetivo descrever experimentosde MOSFETs e BJTs que podem ser realizados como parte da pratica labo-ratorial da disciplina Eletronica II. A versao atual desta apostila esta sendoelaborada pelos professores Teo Cerqueira Revoredo, Frederico Pontes, Dou-glas Mota Dias e Germano Maioli Penello.

Esta versao teve como base inicial a apostila de transistores bipolares doprofessor Teo Cerqueira Revoredo. Os monitores Caio Cesar Peraphan Lima(2014) e Leonardo Moizinho Pinheiro (2016) participaram da elaboracao ini-cial junto com o professor Teo.

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Eletronica II

0.1 Criterios de Avaliacao e Roteiro de Pre-

paratorios e Relatorios

0.1.1 Criterios de Avaliacao

O preparatorio e fundamental para a realizacao do experimento. Sem este, oaluno fica impossibilitado de realizar a experiencia. O preparatorio vale 30%da nota do experimento. O funcionamento do experimento em si, correspondea 40% da nota e o relatorio aos 30% restantes. A nota de laboratorio sera amedia das notas atribuıdas em cada um dos experimentos.Observa-se que o aluno que nao estiver presente na execucao do experimento,automaticamente recebera nota zero naquele experimento.

0.1.2 Dinamica de Laboratorio

Os experimentos devem ser realizados em grupos de ate dois alunos. Os gru-pos poderao, eventualmente, serem compostos por tres alunos, no caso denao haver disponibilidade de infraestrutura para atender a todos os gruposde dois alunos da turma.O preparatorio (seguindo as diretrizes abaixo mencionadas) de cada ex-periencia devera ser entregue ao professor com no mınimo um dia de ante-cedencia com relacao a data de realizacao do experimento a contar o horariode entrada na caixa de e-mail do professor. A entrega deve ser realizadapor correio eletronico ([email protected]). Preparatorios entre-gues em atraso nao serao considerados.

O preparatorio sera avaliado pelo professor ou pelo monitor da disciplinae a sua aceitacao ou nao sera confirmada antes do horario de realizacao daexperiencia. A divulgacao sera realizada no site do curso ou pode ser requi-sitada por correio eletronico. Os alunos que tiverem os seus preparatoriosrecusados nao poderao realizar a experiencia em questao. Cabe ressaltar quea aceitacao pura e simples do preparatorio nao tem a ver com a correcao domesmo e a consequente nota que lhe sera atribuıda.Na capa do preparatorio, e do consequente relatorio, devera constar umatabela tal como a Tabela 1. No dia do experimento, os alunos deverao com-parecer a aula de laboratorio com uma copia do mesmo para que possamsegui-lo durante a realizacao do experimento e para que o professor possa re-gistrar a aceitacao do mesmo. Ademais, deve haver uma tabela com o nomedos alunos e espaco para visto, considerando duas aulas (para a eventualnecessidade de concluir o experimento em mais de uma aula, embora o cro-nograma preveja a realizacao de um experimento por semana). Esta tabela,

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exemplificada na Tabela 2 servira para o controle de presenca dos alunos nasexperiencias.

Tabela 1: Exemplo de tabela de componentes do grupo

Documento Data VistoPreparatorio

FuncionamentoRelatorio

Tabela 2: Exemplo de tabela para datacao das entregas

Grupo Data Visto Data VistoAluno(a) 1Aluno(a) 2Aluno(a) 3

0.1.3 Elaboracao do Preparatorio

O preparatorio deve conter as informacoes sobre o experimento a ser reali-zado, tal como exposto a seguir:

1. Especificacoes do circuito a ser projetado e implementado;

2. Calculos exigidos e/ou necessarios;

3. Projeto do circuito (quando solicitado);

4. Consideracoes praticas e recalculos necessarios;

5. Grandezas a serem medidas e os procedimentos para a sua medicao;

6. Equipamentos e componentes necessarios a execucao do experimento;

7. Descricao e resultados da simulacoes realizadas.

Por especificacoes do circuito a ser projetado e implementado deve-se entender o desafio de analise e/ou projeto proposto pelo professor, isto e,as especificacoes do circuito que devera ser analisado e/ou projetado, imple-mentado e testado/experimentado. E importante neste quesito apresentaruma tabela das especificacoes desejadas ou os diagramas que restrinjam o

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projeto, se for o caso.Por calculos exigidos e/ou necessarios deve-se entender todos os calculosexigidos nas instrucoes do experimento, alem daqueles nao tenham eventual-mente sido solicitados, porem sejam necessarios a realizacao do experimento.E importante nesse ponto apresentar uma tabela com todos os valores calcu-lados dos parametros relevantes do circuito em questao (por exemplo: Ganhode corrente, ganho de tensao, resistencia de entrada, etc.)Por projeto do circuito entende-se a descricao das tecnicas e os calculosfeitos para projetar o circuito dentro das especificacoes desejadas. E impor-tante neste quesito apresentar o diagrama do circuito projetado bem comouma tabela com os valores dos componentes projetados.Por consideracoes praticas e recalculos necessarios entende-se as adap-tacoes que devem ser feitas ao projeto em funcao da indisponibilidade decomponentes com valores especıficos derivados do projeto do circuito. Nesteitem deve-se entao recalcular as metricas que especificam/determinam o pro-jeto de forma a verificar se as mesmas continuam dentro das especificacoesoriginais do projeto, fazendo, sempre que necessario, as correcoes relevantesno mesmo de forma a adequa-lo as especificacoes desejadas. Neste momento,e importante comparar os resultados obtidos e os componentes a serem uti-lizados como resultado deste item e do anterior.Por grandezas a serem medidas e os procedimentos para a suamedicao deve-se entender os experimentos a serem realizados apos a mon-tagem do circuito ou com o circuito montado. Por exemplo, se e necessariomedir um ganho de tensao ou o ponto de operacao de um transistor, deve-seindicar o que sao e como sao realizadas essas medicoes, e necessario, tambem,apresentar os diagramas e listar os equipamentos necessarios a execucao dasmedicoes. Cabe ressaltar que este item trata do planejamento do experi-mento em si. Desse modo, ter-se-a pensado adiantadamente nos experimen-tos a serem realizados no laboratorio, onde tempo e exıguo. Deve-se procurarresponder a perguntas do tipo: Que grandezas devem ser medidas e como?Em quantos pontos? Em quais situacoes? Em quais configuracoes? Etc.

OBSERVACAO

Ao se trabalhar com amplificadores, ao se definir um ganho, deve-se con-siderar a resposta em frequencia do mesmo. Assim, nesses casos, osexperimentos devem ser projetados de forma a permitir levantar a curva deresposta em frequencia. Exemplo de uma curva dessas e apresentado na Fi-gura 1.Deve-se ressaltar que cada medicao possui:

1. Objetivo;

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Figura 1: Exemplo de uma curva de resposta em frequencia.

2. Grandeza a ser medida;

3. Metodologia para realizacao da medicao;

4. Equipamentos necessarios para realizacao da medicao;

Erro de medicao, o qual deve ser apresentado sempre que relevante. Cabeobservar que em variaveis medidas indiretamente o erro devera ser calculadousando derivadas parciais.Como resultado das tarefas acima descritas, tem-se a lista de Equipamen-tos e componentes necessarios a execucao do experimento.De forma a validar tanto os calculos quanto o planejamento dos experimentos(a maneira atraves da qual as medicoes sao realizadas), e necessario apresen-tar simulacoes do projeto com as medidas relevantes. As simulacoes podemser realizadas em qualquer programa que atenda as necessidades do projeto,desde que apresentadas de maneira adequada. Recomenda-se fortemente queas simulacoes sejam realizadas com o programa gratuito LTSpice. Seja qualfor a ferramenta utilizada, deve-se apresentar os codigos desenvolvidos comoum anexo ao relatorio do experimento.Cabe observar que devem ser apresentados os diagramas e as tabelas queforem considerados relevantes para explicar da melhor maneira possıvel osconceitos acima exigidos.

OBSERVACAO

O acima exposto tem o intuito de ressaltar que o experimento deve serpensado antes do tempo de laboratorio. Para tal, o monitor da disci-plina ou o professor podem ser contactados em aulas antecedentes ou mesmofora do horario das aulas, se necessario.

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0.1.4 Relatorio

Uma vez contempladas as observacoes acima, o relatorio torna-se um incre-mento do preparatorio. Assim, o relatorio devera ser um produto do experi-mento de forma a preencher/responder os valores/tabelas/questionamentosapresentados no preparatorio.Alem do exposto acima, espera-se uma analise das dificuldades encontradas,dos problemas, dos resultados e outros comentarios que o aluno achar rele-vantes de maneira a apresentar uma Conclusao do experimento.Em resumo, o Relatorio e o preparatorio acrescido de algumas secoes: Re-sultados obtidos, analise desses resultados e conclusao. Outras secoes que oaluno julgar necessarias poderao ser incluıdas.

0.1.5 Organizacao Sugerida para o Preparatorio e parao Relatorio

Esta secao apresenta sugestoes de estruturas para os documentos intituladosPreparatorio e Relatorio.

Preparatorio

1. Objetivos: Objetivos do documento, do projeto e do experimento;

2. Projeto: Projeto de eletronica do circuito;

3. Re-projeto: Adequacao do projeto a valores de componentes reais erecalculos necessarios, calculo dos erros dos valores projetados (utili-zar calculo de erros e sensibilidades atraves de derivadas parciais.Paramaiores detalhes quanto ao calculo de erros e/ou incerteza de medicao,bem como dos termos tecnicos adequados, recomenda-se a leitura doVocabulario Internacional de Metrologia (VIM) 2012 e do documento”Avaliacao de dados de medicao - Guia para a expressao de incertezade medicao”;

4. Medicoes a Serem Realizadas (Experimento): Especificacao dosexperimentos e medicoes a serem realizados no laboratorio, equipamen-tos necessarios, formas de realiza-los e tabelas para preenchimento dosresultados;

5. Simulacoes: Resultados experimentais simulados, isto e, obtidos emsimulacoes, e comparacao com os resultados dos itens Projeto e Re-projeto;

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6. Conclusoes: Conclusoes e comentarios finais

Relatorio

1. Objetivos: Objetivos do documento, do experimento e do relatorio;

2. Projeto: Tal como no preparatorio;

3. Re-projeto: Tal como no preparatorio;

4. Medicoes a Serem Realizadas (Experimento): Tal como no pre-paratorio;

5. Simulacoes: Tal como no preparatorio;

6. Medicoes Realizadas (Experimento): Medicoes realizadas no la-boratorio e as tabelas preenchidas. Deve-se considerar e apresentar oserros dos equipamentos de medicao empregados e os graficos relevantes;

7. Analise dos Resultados: Comparacao dos resultados empıricos comos do projeto, do recalculo e das simulacoes, recomenda-se o uso dosgraficos, tabelas e diagramas que considerados relevantes;

8. Conclusoes: Conclusoes e comentarios finais

Questoes / Dicas de Estilo

Recomenda-se o uso de fontes de tamanho 11 ou 12 pt e formatacao emcoluna simples. Deve-se utilizar frases curtas, claras, concisas e objetivas. Efundamental numerar as secoes do texto, bem como as figuras e tabelas, alemdisso, estas ultimas devem sempre ser referenciadas no texto. Recomenda-seo uso de referencias bibliograficas consideradas necessarias, preferencialmentenumeradas em funcao de suas aparicoes no texto, apresentadas em uma secaoseparada no fim do documento. Informacoes de folhas de dados (datasheets)podem e devem ser empregadas. Caso seja relevante a inclusao de parte deuma folha de dados no documento para justificativas de projeto ou medicoes,recomenda-se que estas sejam inseridas ou como figuras ou na parte relevantedo texto, ou ainda como anexos ao documento. Por fim, indica-se a utilidadedo uso de corretor ortografico no texto e da releitura do documento antes daentrega, de maneira a melhorar a qualidade do mesmo.

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Experiencia 1

Caracterıstica IxV - NMOS

1.1 Objetivo

Estudar as caracterısticas IxV de um transistor NMOS:

• Simulando o funcionamento de um transistor para investigar a relacaode corrente de dreno vs. tensao VGS e VDS.

• Implementando um circuito e medindo as curvas de ID vs. VGS e ICvs. VDS.

• Extraindo os valores de e κn , Vth e λn.

1.2 Material recomendado

• Material de laboratorio.

• 1 transistor NMOS tipo intensificacao (CD4007) - Apresente a pinagemdesse componente no pre-relatorio.

• Protoboard, fios, resistores.

1.3 Simulacao

Considere o circuito da Figura 1.1. Projete o circuito no seu programa desimulacao e conecte as fontes de alimentacao CC na porta e no dreno dotransistor.

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Figura 1.1: Circuito para determinar as caracterısticas IxV do transistorNMOS.

1.3.1 ID vs. VGS

Mantendo VDS em um valor constante de 5 V, varie o valor da tensao naporta de 0 ate 5 V em incrementos de 0.1 V. Desenhe a curva ID vs. VGS. Aque valor de VGS a corrente comeca a aumentar?

1.3.2 ID vs. VDS

Para tres valores de VGS (2.5 V, 3.0 V e 3.5 V), varie o valor da tensao nodreno de 0 ate 5 V em incrementos de 0.1 V. Desenhe a curva ID vs. VDS

em um unico grafico, indicando os valores de VGS para cada uma das curvas.

1.4 Experimento

Monte o circuito da Figura 1.1, usando de uma fonte de alimentacao paragerar as tensoes CC.1

1ATENCAO: O CD4007 e um MOSFET de baixa potencia. As correntes que passamno circuito com a aplicacao de tensao ate 5V em seus terminais sao baixas. Caso vocetroque o transistor, o circuito a ser montado precisara de uma resistencia de dreno paralimitar a corrente!

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1.4.1 ID vs. VGS

Mantendo VDS em um valor constante de 5 V, aumente a tensao da portade 1.0 V ate 3.5 V em incrementos de 0.25 V, e meca a corrente de dreno(Como medir essa corrente?). Desenhe a curva de ID vs. VGS. A qual valorde VDS o transistor comeca a conduzir corrente?

1.4.2 ID vs. VDS

Para tres valores de VGS (2.5 V, 3.0 V e 3.5V), varie o valor da tensao nodreno de 0 ate 3.5 V em incrementos de 0.5 V, e meca a corrente de dreno(Como medir essa corrente?). Desenhe as curvas de ID vs. VDS em um graficounico, indicando claramente os valores de VGS para cada uma das curvas.

1.5 Exercıcios apos as medidas

1.5.1 Simulacao vs. medidas

Quais sao as principais diferencas entre as curvas medidas e simuladas? Qualo motivo dessas diferencas?

Extracao de parametros

Tensao (Threshold), Vth

Baseado na medida ID vs. VGS, determine o valor de VGS para qual o transis-tor liga. Guarde este valor como a tensao de limiar (ou gatilho ou ThresholdVth do seu transistor.

Parametro de trancondutancia do MOSFET, κn

Baseado no valor da corrente de dreno ID com VGS = 3.0V , e usando omodelo de saturacao do transistor, i. e., ID = (1/2)κn(VGS − Vth)2, extraia ovalor de κn = µnCos(W/L). Utilizando o valor extraıdo de Vth e κn, faca umgrafico de ID vs. VGS, usando o modelo de saturacao. Compare esta curvacom a curva medida e com a simulada. Existem diferencas? Qual o motivodessas diferencas?

Tensao Early, VA

Baseado na sua medida ID vs. VDS, para o transistor em saturacao, extraiao valor da tensao Early VA para cada tensao VGS. O valor de VA se altera sig-

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Eletronica II

nificativamente para cada valor de VGS? Qual o valor medio de VA? Baseadono valor medio de VA, calcule λ = 1/VA.

Apresente os resultados do transistor medido em uma tabela contendoVth, κn e VA com suas respectivas unidades.

1.5.2 Extra

Se voce tiver acesso a um analisador de parametros de semicondutores, gerea curva ID vs. VDS usando o analisador. Como essas curvas se comparamcom as geradas previamente?

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Experiencia 2

NMOS em corrente contınua

2.1 Objetivo

Estudar um transistor NMOS polarizado:

• Completando a analise DC de tres circuitos: (1) transistor polarizadona regiao de saturacao. (2) transistor polarizado na regiao de triodo, e(3) um transistor conectado como um diodo.

• Simulando os circuitos para se comparar os resultados com a analiseteorica.

• Implementando os circuitos de forma experimental, realizando medidase comparando a performance do circuito experimental com os resulta-dos teoricos e simulados

• Observacao qualitativa do impacto das variacoes entre transistores NMOS

2.2 Material

• Material de laboratorio.

• 1 transistor NMOS tipo intensificacao (CD4007) - Apresente a pinagemdesses dois componentes no pre-relatorio.

• Protoboard, fios, resistores.

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Figura 2.1: Circuito para operar um transistor NMOS nas regioes de sa-turacao e triodo.

2.3 NMOS na regiao de saturacao

Projete o circuito da figura 2.1 tal que ID = 1 mA, VG = 0 V, e VD = +5V. Utilize fontes de tensao de V+ = −V− = 15V . Apos os calculos teoricos,utilize os valores dos resistores comerciais apresentados no apendice B comoreferencia para obter as resistencias projetadas (associe resistores em serieou paralelo para que o valor da resistencia utilizada seja proxima do valorideal). Recalcule o valor da corrente ID com o valor nominal dos resistorescomerciais. Qual a diferenca entre o valor de ID recalculado com o valor idealde 1mA? Essa diferenca e significativa?

2.3.1 Calculos

• Desenhe o circuito, nomeando claramente os terminais do transistor.

• Baseado na experienca passada (experiencia 1), calcule VOV .

• Baseado na experienca passada (experiencia 1), compare Vtn com ovalor fornecido pelo datasheet. Qual o valor de VS?

• Agora voce possui informacao suficiente para calcular RS. Os valorescalculados estao disponıveis em valores comerciais? E possıvel alcancaresses valores usando combinacoes de resistencias? Comente.

• Agora voce possui informacao suficiente para calcular RD. Os valorescalculados estao disponıveis em valores comerciais? E possıvel alcancar

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Eletronica II

esses valores usando combinacoes de resistencias? Comente.

• Quais os valores de R1 e R2? Comente sobre sua escolha.

2.3.2 Simulacao

• Simule o circuito utilizando os valores calculados de RS, RD, R1 e R2.

• Obtenha da simulacao os valores de VS, VG, VD e ID. Os valores simu-lados estao de acordo com os valores calculados?

2.3.3 Projeto e medicao

• Monte o circuito em um protoboard.

• Leia o manual da fonte de tensao e explique como utiliza-la como umafonte simetrica +15V e −15V .

• Utilizando um multımetro, meca VS, VG e VD.

• Usando o multımetro, meca os valores de todos as resistencias com trescasas decimais de precisao.

2.3.4 Atividade pos-medicao

• Quais sao os valores medidos de VGS e VDS? Como eles se compa-ram com os valores calculados? Explique quaisquer discrepancias. Otransistor esta na regiao de operacao de saturacao? Explique.

• Baseado nos valores medidos de VS e VD e as medidas das resistencias,determine o valor de ID?

2.4 NMOS na regiao de triodo

Projete novamente o circuito da figura 2.1 tal que ID = 1 mA, VD = +2V eVDS = 0.5 V. Utilize fontes de tensao de V+ = −V− = 15 V. Note que nestaanalise, voce deve se usar o modelo de triodo.

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Eletronica II

2.4.1 Calculos


• Calcule VOV e VGS. Qual o valor de VG?

• Agora voce possui informacao suficiente para calcular RS. Os valorescalculados estao disponıveis em valores comerciais? E possıvel alcancaresses valores usando combinacoes de resistencias? Comente.

• Agora voce possui informacao suficiente para calcular RD. Os valorescalculados estao disponıveis em valores comerciais? E possıvel alcancaresses valores usando combinacoes de resistencias? Comente.

• Quais os valores de R1 e R2? Comente sobre sua escolha.

2.4.2 Simulacao

• Simule o circuito utilizando os valores calculados de RS, RD, R1 e R2.

• Quais sao os valores de VS, VG, VD e ID. Os valores simulados estaode acordo com os valores calculados? (Nota: o simulador utiliza ummodelo mais completo do transistor. Este modelo se aproxima maisde um transitor real. Pequenas variacoes entre o valor calculado e osimulado sao esperadas.)


• Monte o circuito em um protoboarrd.




• Quais sao os valores medidos de VGS e VDS? Como eles se comparamcom os valores calculados? Explique quaisquer discrepancias.


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Eletronica II

Figura 2.2: Circuito com um transistor NMOS conectado como um diodo.

2.5 transistor conectado como um diodo

Projete o circuito da figura 2.2 tal que ID = 1 mA e RS = 15kΩ. Utilizefontes de tensao de V+ = −V− = 15 V.

2.5.1 Calculos


• Qual e a regiao de operacao do transistor? Calcule VOV . Qual o valorde VS e VD?

• Agora voce possui informacao suficiente para calcular RD. Os valorescalculados estao disponıveis em valores comerciais? E possıvel alcancaresses valores usando combinacoes de resistencias? Comente.

2.5.2 Simulacao

• Simule o circuito utilizando o valor calculado de RD.

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Eletronica II

• Apresente os valores de VS, VG, VD e ID. Os valores simulados estaode acordo com os valores calculados?


• Monte o circuito em um protoboarrd.




• Como os valores medidos se comparam com os valores calculados? Ex-plique quaisquer discrepancias.


2.6 Extra

• Reutilize o circuito da parte 2.3, assim como os valores de RD e RS

calculados. No entanto, substitua o divisor de tensao R1 e R2 com umpotenciometro de 10-k de 20 voltas, com o pino central conectado noterminal de porta do transistor. Isso permitira que voce ajuste a tensaoDC na porta.

• Gradualmente aumente a tensao da porta, anotando os valores medidosde VS, VG e VD. O que voce observa? Voce pode indicar os pontos detransicao entre as diferentes regioes de operacao do transistor?

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Experiencia 3

Amplificador Fonte Comum -NMOS

3.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador fonte comum - NMOS:

• Completando a analise DC e a analise de pequenos sinais de acordocom o comportamento teorico.

• Simulando o circuitos para comparar os resultados com os calculosteoricos.

• Implementando os circuitos de forma experimental, realizando medidase comparando se a performance do circuito montado com os resultadosteoricos e simulados.

• Medindo a resistencia de saıda.

• Observando qualitativamente o impacto das variacoes de transistor pratransistor

3.2 Materiais

• Material de laboratorio (equipamentos, protoboard)

• 1 Transistor NMOS do tipo intensificacao (CD4007)

• 3 capacitores com alto valor de capacitancia (por ex. 47 µF )

• Fios e resistores de valores variados

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Eletronica II

Figura 3.1: Circuito amplificador fonte comum NMOS.

3.3 Projeto e simulacao

Considere o circuito mostrado na figura 3.1. Projete o amplificador paraalcancar um ganho de pequeno sinal de ao menos Av = −5V/V . Use fon-tes de V+ = −V− = 15V , Rsig = 50Ω, RL = 10kΩ, RG = 10kΩ, e umacorrente ID = 1mA. Apos os calculos teoricos, utilize os valores dos resis-tores comerciais apresentados no apendice B como referencia para obter asresistencias projetadas (associe resistores em serie ou paralelo para que o va-lor da resistencia utilizada seja proxima do valor ideal). Recalcule o valor dacorrente ID com o valor nominal dos resistores comerciais. Qual a diferencaentre o valor de ID recalculado com o valor ideal de 1mA? Essa diferenca esignificativa? Apresente o datasheet do transistor que estiver utilizando.

3.3.1 Analise DC - ponto de polarizacao

• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os tres capacitores deacoplamento CC1, CC2 e CS por circuitos abertos (para simplificar, vocepode omitir vsig, Rsig e RL).

• Determine o valor de VOV . Determine o valor de gm. Determine o valorde VGS. (Lembre-se que o valor real de Vtn e ligeiramente diferente dovalor nominal. Como determinar o valor de Vtn sem ter que confiar novalor nominal?)

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Eletronica II

• Calcule ro.

• Agora voce ja tem informacao suficiente para calcular RS. O valorcalculado e disponıvel comercialmente? Voce pode obter este valorcom uma combinacao de resistores? Comente.

• Note que ate o momento ainda nao determinamos VDS nem RD.

3.3.2 Analise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais. Substitua os capa-citores por curto-circuitos (o que acontece com RS?), e substitua V+por uma conexao com o terra. O que acontece com V-? Nomeie oterminal de porta do transistor como vi, ou seja, o sinal de tensao debaixa amplitude na entrada (Lembre-se da aproximacao de pequenossinais).

• Determine a razao vi/vsig? Como voce poderia aproxima-la em futuroscalculos?

• Encontre uma expressao para o ganho Av = vo/vi. Qual o valor de RD

que produz um ganho de sinal pequeno de ao menos Av = −5V/V ?O valor calculado de RD esta disponıvel comercialmente? Voce podeobter este valor com uma combinacao de resistores? Comente.

• Qual e a tensao DC no terminal de dreno? Essa tensao esta de acordocom o transistor operando na regiao de saturacao? Explique.

• Qual e a resistencia de saıda, Ro?

3.3.3 Simulacao

• Simule a performance de seu circuito. Utilize capacitores CC1 = CC2 =CE = 47µF e os valores de RS e RD baseados nos seus calculos anterio-res. Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 10mVpk−pk como vsig. (Noteque vsig nao tem componente DC.)

• A partir dessa simulacao, anote os valores DC de VGS, VDS e ID. O quaoproximo eles estao dos valores calculados? (Lembre-se que a simulacaotem seu modelo proprio, muito mais complexo, do transistor.)

• A partir dessa simulacao, observe Av. O quao proximo ele esta do valorcalculado?

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Eletronica II

3.4 Projeto

• Monte om circuito no protoboard utilizando os valores especificados eos calculados. Note que Rsig representa a resistencia do gerador defuncoes, portanto nao deve ser incluıdo no seu circuito.

3.5 Medicoes

• Medicao do ponto de polarizacao: Usando um multımetro, meca astensoes DC nos terminais de porta(VG), dreno(VD) e fonte(VS) do tran-sistor.

• Medicao AC : Usando o gerador de funcoes, aplique uma onda senoidalde 1kHz e 10mVpk−pk sem componente DC (Se o gerador de funcoesnao atingir esse valor de 10mVpk−pk, utilize o menor valor possıvel doequipamento.)

• Com o osciloscopio, gere os graficos das formas de onda de vo e vi vs.t.

• Resistencia de saıda Ro: Substitua RL por uma resistencia de 1MΩ erepita a medida AC acima. Qual e a amplitude da forma de onda desaıda? Guarde este valor. Modifique o valor de RL ate encontrar umvalor tal que que a amplitude da forma de saıda seja aproximadamentemetade do que era para o resistor de 1MΩ. Esse novo valor de RL e aresistencia de saıda Ro. Explique o porque deste metodo fazer sentido.Como isso se compara ao valor que voce calculou anteriormente nopasso 2? Dica: Nao pode ser maior do que o valor de RD.

• Exploracoes adicionais : O que ocorre com a forma de onda da saıdaconforme voce aumenta a amplitude do sinal de entrada para 1Vpk−pk?Em qual amplitude de entrada voce comeca a notar distorcao signifi-cativa? Explique.

• Varie a frequencia da senoide gerada pelo gerador de funcoes. Qual afaixa de frequencias que este amplificador funciona?


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Eletronica II

3.6 Exercıcios pos-medicao


• Baseado nos valores medidos de VS e VD e as medidas das resistencias,quais sao os valores reais de todas as correntes? Como elas se comparamaos seus calculos anteriores? Explique quaisquer discrepancias.

• Qual e o valor medido de Av? Como este se compara aos seus calculosanteriores? Explique quaisquer discrepancias.

3.7 Analise adicional

• Em vez de conectar RG ao terra, tente conecta-lo ao terminal de drenodo transistor. Repita a medicao do ponto de polarizacao e do ganho depequenos sinais. Qual foi a alteracao na medida? As resistencias RD eRS precisam ser alteradas para manter as especificacoes do circuito?

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Experiencia 4

Amplificador Fonte Comumcom Degeneracao de Fonte -NMOS

4.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador fonte comum com resistor dedegeneracao de fonte - NMOS:





4.2 Materiais




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Eletronica II

Figura 4.1: Circuito amplificador fonte comum NMOS com resistor de dege-neracao de fonte, RS1.



Considere o circuito mostrado na figura 4.1. Projete o amplificador paraalcancar um ganho de pequeno sinal de ao menos Av = −4V/V com RS1 =220Ω. Use fontes de V+ = −V− = 15V , Rsig = 50Ω, RL = 10kΩ, RG = 10kΩ,e projete o circuito para ID = 1mA. Apos os calculos teoricos, utilize os va-lores dos resistores comerciais apresentados no apendice B como referenciapara obter as resistencias projetadas (associe resistores em serie ou paralelopara que o valor da resistencia utilizada seja proxima do valor ideal). Re-calcule o valor da corrente ID com o valor nominal dos resistores comerciais.Apresente o datasheet do transistor que estiver utilizando.


• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os tres capacitores deacoplamento CC1, CC2 e CS por circuitos abertos (para simplificar, vocepode omitir vsig, Rsig e RL). Qual e a corrente DC atraves de RG?

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Eletronica II


• Calcule rO.

• Agora voce ja tem informacao suficiente para calcular RS1 + RS2 e,consequentemente, determinar RS2.

• Os valores de RS1 e RS2 estao disponıveis comercialmente? Voce podeobter este valor com uma combinacao de resistores? Comente.

• Nota: ate o momento nao determinamos VDS nem RD.

4.3.2 Analise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais. Substitua os capa-citores por curto-circuitos (o que acontece com RS2?), e substitua V+por uma conexao com o terra. O que acontece com V-? Nomeie oterminal de porta do transistor como vi, ou seja, o sinal de tensao debaixa amplitude na entrada (Lembre-se da aproximacao de pequenossinais).


• Encontre uma expressao para o ganho Av = vo/vi. Qual o valor de RC

que produz um ganho de sinal pequeno de ao menos Av = −4V/V ?O valor calculado de RD esta disponıvel comercialmente? Voce podeobter este valor com uma combinacao de resistores? Comente.


4.3.3 Simulacao

• Simule a performance de seu circuito. Utilize capacitores CC1 = CC2 =CE = 47µF e os valores de RS1, RS2 e RD baseados nos seus calculosanteriores. Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 10mVpk−pk como vsig.(Note que vsig nao tem componente DC.)

25

Eletronica II



4.4 Projeto


4.5 Medicoes





• Distorcao: O que ocorre com a forma de onda da saıda conforme voceaumenta a amplitude do sinal de entrada para 1Vpk−pk? Em qual ampli-tude de entrada voce comeca a notar distorcao significativa? Explique.


26

Eletronica II


• Medicao adicional : O que acontece se voce diminuir o valor de RS1

para 200Ω mantendo o valor de RS1 +RS2 constante?



• Baseado nos valores medidos de VS e VD e as medidas das resistencias,quais sao os valores reais de todas as correntes, baseadas em suas me-didas no laboratorio? Como elas se comparam aos seus calculos ante-riores? Explique quaisquer discrepancias.



• Inverta a posicao dos resistores RS1 e RS2. Meca o novo ponto depolarizacao DC e o ganho de sinal pequeno. Quais as diferencas com amedida antiga? O que se mantem igual? Explique este resultado.

27

Experiencia 5

Amplificador Porta Comum -NMOS

5.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador porta comum - NMOS:





5.2 Materiais





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Eletronica II

Figura 5.1: Circuito amplificador porta comum NMOS.


Considere o circuito mostrado na figura 5.1. Projete o amplificador paraalcancar um ganho de pequeno sinal de ao menos Av = 5V/V . Use fontes deV+ = −V− = 15V , Rsig = 50Ω, RL = 10kΩ e uma corrente ID = 1mA. Aposos calculos teoricos, utilize os valores dos resistores comerciais apresentadosno apendice B como referencia para obter as resistencias projetadas associeresistores em serie ou paralelo para que o valor da resistencia utilizada sejaproxima do valor ideal). Recalcule o valor da corrente ID com o valor nominaldos resistores comerciais. Qual a diferenca entre o valor de ID recalculadocom o valor ideal de 1mA? Essa diferenca e significativa? Apresente odatasheet do transistor que estiver utilizando.


• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os tres capacitores deacoplamento CC1 e CC2 por circuitos abertos (para simplificar, vocepode omitir vsig, Rsig e RL).


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Eletronica II

• Agora voce ja tem informacao suficiente para calcular RS. O valorcalculado e disponıvel comercialmente? Voce pode obter este valorcom uma combinacao de resistores? Comente.

• Note que ate o momento ainda nao determinamos VDS nem RD.

5.3.2 Analise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais. Substitua os capa-citores por curto-circuitos (o que acontece com RS?), e substitua V+por uma conexao com o terra. O que acontece com V-? Nomeie oterminal de fonte do transistor como vi, ou seja, o sinal de tensao debaixa amplitude na entrada (Lembre-se da aproximacao de pequenossinais).


• Encontre uma expressao para o ganho Av = vo/vi. Qual o valor deRC que produz um ganho de sinal pequeno de ao menos Av = 5V/V ?O valor calculado de RD esta disponıvel comercialmente? Voce podeobter este valor com uma combinacao de resistores? Comente.



5.3.3 Simulacao

• Simule a performance de seu circuito. Utilize capacitores CC1 = CC2 =47µF e os valores de RS e RD baseados nos seus calculos anteriores.Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 20mVpk−pk como vsig. (Note quevsig nao tem componente DC.)



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Eletronica II

5.4 Projeto


5.5 Medicoes





• Exploracoes adicionais : O que ocorre com a forma de onda da saıdaconforme voce aumenta a amplitude do sinal de entrada para 2Vpk−pk?Em qual amplitude de entrada voce comeca a notar distorcao signifi-cativa? Explique.


• Usando um multımetro, meca os valores de todos as resistencias comtres casas decimais de precisao.

31

Eletronica II



• Baseado nos valores medidos de VS e VD e as medidas das resistencias,quais e o valor real da corrente ID? Como elas se comparam aos seuscalculos anteriores? Explique quaisquer discrepancias.



• Usando o gerador de funcoes, addicione uma componente DC de 1Vao sinal de entrada vsig e repita as medidas. O ganho Av e o ponto deoperacao DC ainda sao os mesmos medidos anteriormente? Explique.

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Experiencia 6

Amplificador Dreno Comum(Seguidor de fonte) - NMOS

6.1 Objetivos

Estudar o funcionamento de um amplificador dreno comum (Seguidor defonte) - NMOS:





6.2 Materiais





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Eletronica II

Figura 6.1: Circuito amplificador dreno comum (seguidor de fonte) NMOS.


Considere o circuito mostrado na figura 6.1. Utilizando fontes de V+ =−V− = 15V , Rsig = 50Ω, RG = 10kΩ e uma corrente ID = 1mA, projeteo amplificador para alcancar um ganho de pequeno sinal de Av = 0.8V/V .Qual e o valor mınimo de RL que satisfaz esta condicao. Apos os calculosteoricos, utilize os valores dos resistores comerciais apresentados no apendiceB como referencia para obter as resistencias projetadas (associe resistoresem serie ou paralelo para que o valor da resistencia utilizada seja proximado valor ideal). Recalcule o valor da corrente ID com o valor nominal dosresistores comerciais. Qual a diferenca entre o valor de ID recalculado como valor ideal de 1mA? Essa diferenca e significativa? Apresente o datasheetdo transistor que estiver utilizando.


• Desenhe o modelo DC do circuito, substituindo os capacitores de aco-plamento CC1 e CC2 por circuitos abertos (para simplificar, voce podeomitir vsig, Rsig e RL). Qual e o valor da corrente que passa por RG?

• Determine o valor de VOV (Lembre-se que o valor real de Vtn e ligeira-mente diferente do valor nominal. Como determinar o valor de Vtn semter que confiar no valor nominal?).

• Determine o valor de RS. O valor calculado e disponıvel comercial-mente? Voce pode obter este valor com uma combinacao de resistores?Comente.

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Eletronica II

6.3.2 Analise AC

• Desenhe o modelo de pequenos sinais do circuito, substituindo o tran-sistor pelo modelo equivalente de pequenos sinais (Sugestao: Utilize omodelo T e ignore ro). Substitua os capacitores por curto-circuitos (oque acontece com RS?), e substitua V+ e V− por uma conexao com oterra. Nomeie o terminal de porta do transistor como vi, ou seja, o sinalde tensao de baixa amplitude na entrada (Lembre-se da aproximacaode pequenos sinais).


• Encontre uma expressao para o ganho Av = vo/vi.

• Qual o valor de gm?

• Qual e o menor valor de RL que satisfaz os requerimentos do projeto?


6.3.3 Simulacao

• Simule a performance de seu circuito. Utilize capacitores CC1 = CC2 =CE = 47µF e o valor de RS baseados nos seus calculos anteriores.Utilize uma onda senoidal de 1kHz e 10mVpk−pk como vsig. (Note quevsig nao tem componente DC.)



• Simule uma varredura em frequencias e determine a faixa de frequenciasque o amplificador opera.

6.4 Projeto


35

Eletronica II

6.5 Medicoes





• Usando um multımetro, meca os valores de todos as resistencias comtres casas decimais de precisao.



• Baseado nos valores medidos de VS e VD e as medidas das resistencias,quais e o valor real da corrente ID? Como elas se comparam aos seuscalculos anteriores? Explique quaisquer discrepancias.


• O que aconteceria se voce utilizasse o gerador de funcoes com umaresistencai de saıda de 50Ω diretamente conectado na resistencia decarga? Qual o ganho voce obteria? O que aconteceria se a resistencaide saıda do gerador de funcoes mudasse de 50Ω para 5kΩ? Qual aconclusao podemos tirar destas analises?


• Adicione um resistor de 500Ω entre a saıda do gerador de funcoes eo capacitor CC1. Qual a mudanca observada no ganho do circuito?Explique.

36

Experiencia 7

Amplificadores de um estagiocom TBJ: EC - Conceitosfundamentais

7.1 Objetivo

O projeto e a analise de amplificadores analogicos muitas vezes nao se res-tringem a circuitos com apenas um transistor, mas, em vez disso, agrupamcircuitos deste tipo para criar um novo amplificador que contenha todas aspropriedades desejadas para a aplicacao, a saber: Impedancias de entrada esaıda e ganho. Antes de se analisar e construir esses amplificadores multi-transistorizados mais robustos, no entanto, deve-se, primeiro, entender osconceitos basicos dos amplificadores com um unico transistor.O objetivo deste experimento e o de familiarizar o aluno com a configuracaode amplificador de um unico estagio denominada emissor comum (EC) e assuas propriedades.

7.2 Material recomendado

O material recomendado para a experiencia e apresentado na Tabela 7.1.Caso os componentes especificados nao estejam disponıveis, cabe aos alunosencontrar alternativas que permitam a execucao adequada do experimento.

37

Eletronica II

Tabela 7.1: Componentes recomendados.

Componente QuantidadeTransistor 2N2222 ou BC547Resistor de 1kΩ 1Resistor de 10kΩ 1Capacitor de 10µF 1Potenciometro de 10kΩ 1Auto-falante de 8Ω 1

7.3 Procedimento

7.3.1 Polarizacao para ganho maximo

As propriedades de um amplificador emissor comum sao muito afetadas peloponto de polarizacao e pelos circuitos de polarizacao especıficos. Neste expe-rimento, utiliza-se uma fonte de tensao e um resistor de pull up para polarizaro coletor do TBJ e a tensao DC de offset do gerador de funcoes (ou de umafonte DC) para polarizar a base. Em amplificadores multi-transistorizados,no entanto, um transistor e comumente polarizado utilizando-se outros tran-sistores para alcancar um alto ganho de pequenos sinais.

1. Construa um modelo para o circuito apresentado na Figura 7.1, umsimples amplificador emissor comum com nenhuma carga conectada,em um programa de simulacao (sugestao: LTSpice, Multisim ou MA-TLAB). Utilize RC = 1kΩ e VCC = 5V .

2. Usando simulacao, considere a componente AC nula e varie a tensao DCdo sinal de entrada de 0V a 1V com passos de 1mV e faca o grafico deVOUT vs. VIN . A partir deste grafico, determine o ponto de polarizacaodo amplificador que alcanca o ganho maximo. Qual e o valor desteganho? Quais sao os valores de VIN e VOUT no ponto de maximo ganho?

3. Usando uma reta de carga para o resistor de pull up sobre uma curvaI vs V do TBJ, explique por que o mesmo tem um ganho muito baixose ele nao for polarizado na regiao ativa.

7.3.2 Propriedades do amplificador

As caracterısticas operacionais de um amplificador podem ser quantificadasatraves de tres propriedades: Impedancia de entrada, ganho e impedancia de

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Eletronica II

Figura 7.1: Emissor comum com carga acoplada.

saıda. A meta agora e medir e aprender mais sobre essas propriedades parao amplificador EC.

1. Usando simulacao, varie VIN de 0V a 1V, mantendo a componente desinal nula, e faca o grafico de IIN vs VIN . Qual e o valor da resistenciade entrada quando VIN e polarizado para alcancar o ganho maximo(vide item B da Secao 7.3.1)?

2. Aplique, agora, um sinal senoidal na entrada com um offset DC corres-pondente ao ponto de polarizacao que prove o ganho maximo. Meca aamplitude pico-a-pico do sinal na saıda com o auxılio do osciloscopio.Qual e o ganho medido com o osciloscopio? Ele e aproximadamente omesmo obtido em simulacao? Qual e a diferenca, se alguma, no valorde pico alcancavel para as excursoes positiva e negativa do sinal desaıda? Registre a amplitude pico-a-pico do sinal de entrada empregadoneste item.

3. Varie o valor do offset da fonte de sinal (ou a tensao da fonte DC, sefor o caso), VIN , e observe o que acontece com o sinal de saıda. O quemuda com relacao a excursao do sinal (parte positiva e parte negativa)?

4. Escolha um valor de offset que resulte em um sinal de saıda sem “acha-tamentos”nas partes de cima e de baixo e, em seguida, aumente a

39

Eletronica II

Figura 7.2: Emissor comum com carga acoplada.

amplitude do sinal de entrada ate que o sinal de saıda pareca estar“achatado”nas partes superior e inferior. Por que ocorre “achatamen-tos”no topo? Por que ocorre “achatamentos”na parte de baixo? Utilizegraficos para explicar bem estas situacoes. Em termos aproximados, oquao grande pode ser o sinal de saıda sem que haja “achatamentos”?A maxima amplitude sem “achatamentos”e denominada maxima ex-cursao do sinal de saıda.

5. Inclua, agora, um capacitor de acoplamento de 10µF e um potenciometrode 10KΩ na saıda, conforme mostrado na Figura 7.2. O potenciometroe aqui utilizado para simular uma carga para o amplificador. Por querazao o capacitor e necessario?

6. Aplique o mesmo sinal utilizado no item 2 na entrada do circuito eajuste a resistencia do potenciometro ate que a amplitude do sinalatraves do potenciometro seja exatamente a metade da amplitude dosinal sem nenhuma carga conectada. A resistencia do potenciometroneste momento sera identica a resistencia de saıda do amplificador.

7.3.3 Degeneracao de emissor

O termo degeneracao de emissor refere-se a colocacao de uma resistenciano emissor de um amplificador EC. Aqui, vamos analisar o efeito desta re-

40

Eletronica II

Figura 7.3: Emissor comum com degeneracao de emissor.

sistencia.

1. Construa o circuito apresentado na Figura 7.3. Sejam VCC = 5V ,RC = 10kΩ e RE = 1kΩ.

2. Polarize o circuito (ajuste VIN) para obtencao de maxima excursao dosinal. Qual e o ponto de operacao? Qual e o valor do ganho, Av,neste ponto? Esse valor e maior ou menor do que o ganho encontradosem a resistencia no emissor? De uma explicacao para o fenomeno queacontece no circuito que implica nessa mudanca de ganho.

3. Meca as impedancias de entrada e a saıda do circuito.

4. Apresentando todas as etapas do desenvolvimento, calcule os valoresteoricos para as impedancias de entrada e a saıda, bem como o ganhodo amplificador. Obtenha o valor de β da folha de dados do TBJutilizado.

5. Para o que a degeneracao de emissor pode ser util?

41

Eletronica II

7.3.4 O pior amplificador para um auto-falante (Pontoextra)

Esta parte objetiva demonstrar as capacidades do amplificador CE acimadescrito com uma carga fisicamente observavel.

1. Aplique um sinal senoidal com frequencia de 1kHz e 10mV de amplitudediretamente aos dois terminais do alto-falante. Observe o volume demaneira qualitativa.

2. Construa o circuito apresentado na Figura 7.2. Sejam RC = 1kΩ eC = 10µF. Polarize VIN para obter maxima excursao de sinal e apliqueum sinal senoidal de 1kHz e 10mV de amplitude entrada. Conecteo alto-falante na saıda do amplificador e avalie o volume de maneiraqualitativa. Ele e mais alto, mais baixo, ou apenas semelhante ao obtidoao conectar o auto-falante diretamente a fonte de sinal? Explique esseresultado.

42

Experiencia 8

Amplificadores de um estagiocom TBJ: Emissor comum -Analise

8.1 Objetivo

Analisar em detalhes uma configuracao de amplificador emissor comum eestudar as suas propriedades.

8.2 Circuito base e material recomendado

O circuito de base para este experimento e apresentado na Figura 8.1. Consi-dere inicialmente os componentes especificados na Tabela 8.1 e uma frequenciade operacao de 1000Hz.

8.3 Procedimento

8.3.1 Analise teorica

1. Para o circuito apresentado na Secao 8.2, faca o que se pede:

(a) Apresente (desenhe) o circuito equivalente para a analise DC. Oque acontece com os capacitores nessa situacao? Explique;

(b) Calcule o ponto quiescente;

(c) Faca o grafico da reta de carga DC;

43

Eletronica II

Tabela 8.1: Componentes recomendados.

Componente QuantidadeTransistor BC547 ou 2N2222R1 33kΩR2 18kΩRC 1kΩRE1 150ΩRE2 1.0kΩRL 1kΩRS 5kΩC1 2.7µFC2 1.5µFCE 47µF

2. Apresente (desenhe) o circuito equivalente para a analise AC com oTBJ e com o modelo π-hıbrido simplificado o substituindo;

3. Determine as expressoes e os valores numericos para:

(a) O ganho de tensao com relacao a entrada do amplificador (Avi);

(b) O ganho de tensao com relacao a fonte de sinal (Avs);

(c) O ganho de corrente do amplificador (razao entre a corrente deentrada e a corrente na carga) (Ai);

(d) A resistencia de entrada na base (Rib);

(e) A resistencia de saıda do amplificador (R0);

(f) Faca o grafico da reta de carga AC;

4. Refaca o item 3 considerando as seguintes situacoes:

(a) O capacitor CE e colocado entre o emissor do TBJ e o terra;

(b) O capacitor CE e retirado do circuito;

5. O que aconteceu com o ganho de tensao do amplificador para as si-tuacoes acima se comparado ao item 3?

8.3.2 Simulacao

1. Simule o circuito apresentado na Secao 8.2. e faca o que se pede:

44

Eletronica II

Figura 8.1: Circuito amplificador emissor comum.

(a) Meca e compare os valores dos ganhos e das resistencias calculadosna Secao 8.3.1. Apresente uma tabela comparativa;

(b) Considerando vs como um sinal senoidal com 80mVpp, faca osgraficos do sinal de entrada e saıda para o circuito, considerandoas tres configuracoes com relacao ao capacitor CE discutidas naSecao 8.3.1;

(c) Varie os valores de R1 e R2 separadamente, para cima e parabaixo, e avalie a influencia destas mudancas no sinal de saıda.Utilize estes resultados para discorrer sobre a excursao maximado sinal de saıda, sobre as regioes de corte e saturacao, e sobre osganhos maximo e mınimo sem distorcao.

8.3.3 Experimento

1. Monte o circuito apresentado na Secao 8.2.

2. Explique como e faca a medicao dos valores das grandezas abaixo lis-tadas, e compare-os com os valores calculados e simulados:

(a) O ganho de tensao com relacao a entrada do amplificador (Avi);

(b) O ganho de tensao com relacao a fonte de sinal (Avs);

(c) O ganho de corrente do amplificador (Ai);

(d) A resistencia de entrada na base (Rib);

45

Eletronica II

(e) A resistencia de saıda do amplificador (R0);

(f) A resistencia interna da fonte de sinal (RS);

3. Refaca o item 2 considerando as situacoes a seguir e explique os resul-tados, comparando-os aos resultados obtidos em simulacao:

(a) O capacitor CE e colocado entre o emissor do TBJ e o terra;

(b) O capacitor CE e retirado do circuito;

46

Experiencia 9

Amplificadores de multiplosestagios com TBJ: CircuitoCascode - Analise

9.1 Objetivo

Analisar em detalhes uma configuracao de amplificador cascode e estudar assuas propriedades.

9.2 Circuito base e material recomendado

O circuito de base para este experimento e apresentado na Figura 9.1. Omodelo de transistor sugerido para T1 e T2 e o 2N2222. Pode-se utilizaroutros modelos, desde que observadas as diferencas entre eles e justificadaseventuais diferencas no experimento resultantes destas diferencas. Considereinicialmente uma frequencia de operacao de 5kHz.

9.3 Procedimento

9.3.1 Analise teorica

1. Para o circuito apresentado na Secao 9.2, faca o que se pede:

(a) Apresente o circuito equivalente para a analise DC.

(b) Calcule o ponto quiescente de ambos os transistores;

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Eletronica II

Figura 9.1: Circuito cascode.

2. Apresente o circuito equivalente para a analise AC com os modelo π-hıbrido simplificado;

3. Determine as expressoes e os valores numericos para:

(a) O ganho de tensao do circuito (Avs);

(b) O ganho de corrente do amplificador (Ai);

(c) A resistencia de entrada do circuito (Ri);

(d) A resistencia de saıda do circuito (R0);

4. Determine a excursao maxima alcancavel para o sinal de saıda;;

5. Determine a resposta em frequencia do amplificador e compare-a coma resposta em frequencia do circuito utilizado no Experimento “Ampli-ficadores de um estagio com TBJ: Emissor Comum - Projeto”(retomeas simulacoes do referido experimento e determine a sua resposta emfrequencia para que seja possıvel fazer a comparacao).

9.3.2 Simulacao

1. Simule o circuito apresentado na Secao 9.2 e meca todos os valores soli-citados na Secao 9.3.1. Compare os resultados com os valores teoricos.

9.3.3 Experimento

1. Monte o circuito apresentado na Secao 9.2 e meca todos os valores soli-citados na Secao 9.3.1. Compare os resultados com os valores teoricose os valores simulados. De especial importancia a medicao da resposta

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Eletronica II

em frequencia do circuito e discorra sobre a mesma, comparando-a coma do circuito amplificado emissor comum de um estagio.

49

Apendice A

Tutorial de Utilizacao doLTSpice

Tutorial ainda em construcao. Se sentirem falta de alguma in-formacao, entrem em contato comigo que eu adiciono assim quepossıvel.

Vıdeos sobre a utilizacao do LTSpice estao disponıveis em http://www.

lee.eng.uerj.br/~germano/VideoTutoriais.html.

A.1 Introducao

Este apendice serve como uma breve referencia de alguns comandos que seraoutilizados no LTSpice ao longo do curso. Informacoes mais detalhadas sobre oLTSpice pode ser encontrada on-line. Alguns enderecos uteis contendo exem-plos de circuitos, utilizacao e diretrizes do LTSpice podem ser encontradasnas paginas:

• http://www.linear.com/designtools/software/

• http://denethor.wlu.ca/ltspice/

• http://www.simonbramble.co.uk/lt_spice/ltspice_lt_spice.htm

• http://www.allaboutcircuits.com/textbook/reference/chpt-

7/example-circuits-and-netlists/

.

50

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/VideoTutoriais.html

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/VideoTutoriais.html

http://www.linear.com/designtools/software/

http://denethor.wlu.ca/ltspice/

http://www.simonbramble.co.uk/lt_spice/ltspice_lt_spice.htm

http://www.allaboutcircuits.com/textbook/reference/chpt-7/example-circuits-and-netlists/

http://www.allaboutcircuits.com/textbook/reference/chpt-7/example-circuits-and-netlists/

Eletronica II

A.2 Notacao cientıfica

Os valores inseridos no programa sao interpretados como sendo escritos emnotacao cientıfica (1E7 = 1 × 107) ou notacao de engenharia (10MEG =1 × 107). A tabela A.1 mostra a equivalencia entre alguns prefixos e multi-plicadores mais utilizados.

Atencao: O prefixo mili e representado pela letra M (1M = 1 × 10−3)enquanto que o prefixo mega e utilizado como MEG (1MEG = 1× 106) noLTSpice. Letras maiusculas e minusculas sao interpretadas igualmente peloLTSpice. Portanto, tanto 1m quanto 1M sao equivalentes a 1× 10−3.

Prefixo MultiplicadorT 1012

G 109

Meg 106

K 103

M 10−3

u 10−6

n 10−9

p 10−12

f 10−15

Tabela A.1: Equivalencia entre prefixos e multiplicadores no LTSpice. Letrasmaiusculas e minusculas sao interpretadas igualmente pelo LTSpice. Por-tanto, tanto 1m quanto 1M sao equivalentes a 1× 10−3.

A.3 Desenhando o circuito

Uma das melhores formas de acelerar o desenho do circuito e utilizandoteclas de atalho. A lista com todas as teclas de atalho estao acessıveis em“Tools → Control Panel → Drafting Options → Hot Keys”. Neste mesmolocal voce pode alterar as teclas de atalho como achar conveniente. Algunsdos principais comandos para desenhar o circuito e suas respectivas teclasde atalho originalmente utilizadas pelo programa estao detalhadas na tabelaA.2.

Seguindo as teclas de atalho padrao do LTSpice, uma fonte de tensaopode ser inserida pressionando a tecla “F2” e selecionando o item “voltage”.Os valores dos componentes podem ser alterados clicando com o botao dadireita do mouse em cima do componente desejado (a seta se transforma em

51

Eletronica II

Inserir componente a partir deuma lista

F2

Inserir resistor RInserir capacitor CInserir terra G (Nao se esqueca

de inserir o terra nocircuito)

Inserir fios F3Inserir uma diretriz do Spice SGirar componente (antes de eleser inserido no circuito)

CTRL + R

Espelhar componente (antes deele ser inserido no circuito)

CTRL + E

Remover componente F5 ou DelDesfazer acao F9Refazer acao desfeita SHIFT + F9Nomear pontos do circuito F4Ajustar zoom automaticamente Espaco

Tabela A.2: Algumas das teclas de atalho uteis para o desenho do circuito.

uma mao). Nao e necessario incluir unidade junto com o valor. Por exemplo,ao inserir um capacitor de 1nF , pode-se inserir tanto 1n quanto 1nF que oprograma entendera o valor do componente.

Fontes de tensao controlado por tensao e de corrente controladas portensao podem ser utilizadas selecionando os componentes e e g da lista decomponentes1.

A.4 Netlist

O desenho do circuito feito no LTSpice e traduzido para uma netlist. Este ar-quivo de texto contem toda a informacao necessaria para realizar a simuacaodo circuito desenhado (componentes, valores, diretrizes sobre como realizara simulacao e comentarios). Cada linha da netlist contem uma informacaodo circuito que serve para indicar como os componentes estao conectados.O simulador e sensıvel a primeira letra de cada linha do netlist. A tabela

1Mais detalhes da criacao de fontes de tensao controlada por corrente e fonte decorrente controlada por corrente pode ser encontrada em http://ltwiki.org/files/

LTSpiceSupplementalDocumentation.pdf

52

http://ltwiki.org/files/LTSpiceSupplementalDocumentation.pdf

http://ltwiki.org/files/LTSpiceSupplementalDocumentation.pdf

Eletronica II

A.3 relaciona alguns componentes que serao utilizados no curso com as suasrespectivas letras iniciais. Nesta mesma tabela pode-se encontrar o caracterrelacionado a comentarios e as diretrizes da simulacao.

Letra inicial SignificadoC CapacitorD DiodoE Fonte de tensao dependente de tensaoF Fonte de corrente dependente de correnteG Fonte de tensao dependente de correnteH Fonte de corrente dependente de tensaoI Fonte de correnteM Transistor MOSFETQ Transistor bipolarR ResistorV Fonte de tensao* Comentario. Diretriz de simulacao

Tabela A.3: Equivalencia entre declaracao da letra inicial do arquivo netliste sua respectiva .

Para salvar o netlist a partir do circuito desenhado, clique em “Tools”→ “Export Netlist”. O arquivo .net gerado pode ser aberto com o proprioLTStpice ou com qualquer programa editor de texto.

Exercıcio: Crie um circuito com uma fonte de tensao DC de 5V comdois resistores de 10kΩ e 5kΩ ligados em serie. Insira alguns comentarios e adiretriz Spice .op. Clique na aba View e no item SPICE Netlist e analise anetlist gerada pelo programa. Confira se a netlist faz sentido com o circuitodesenhado. Rode a simulacao e confira os valores encontrados pela simulacaocom os valores calculados manualmente.

A.5 Simulacao

Os transistores utilizados neste curso (CD4007) nao estao disponıveis na listade componentes originais do LTSpice. Os arquivos para download e passo-a-passo de como inserir os modelos dos transistores do CD4007 na lista decomponentes do LTSpice pode ser encontrado no site do curso de laboratoriode Eletronica II em http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Trabalhos.

html.

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http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Trabalhos.html

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Trabalhos.html

Eletronica II

A.5.1 Diretrizes Spice

As diretrizes a serem utilizadas no LTSpice permitem com que possamossimular o funcionamento do circuito da maneira desejada. A tabela A.4contem algumas das diretrizes que serao utilizadas no curso.

Ponto de operacaodo circuito

.op

Variar fonte detensao DC

.dc <NOME><Vinicio><Vfim><Vincr>

Analisar transiente .tran <Tpasso><Tfim>[Tinicio [dTmax]]Analisar frequenciade funcionamento

.ac <MODO><Npassos><FreqIni><FreqFim>

Simular com va-riacoes no valor docomponente

.step param <PARAM><Pini><Pfim><Pincr>

Ajustar condicoesiniciais

.ic [V(<n1>)= <TENSAO>

Incluir arquivo .include <ARQUIVO>Incluir biblioteca .lib <ARQUIVO>

Definir modeloSPICE

.model<NOME><TIPO>[(<PARAMETROS>)]

Limitar a quanti-dade de dados sal-vos

.save V(<n1>) [V(<n2>) ...]

Tabela A.4: Algumas das diretrizes Spice para realizar as simulacoes dofuncionamento do circuito. Os comandos entre <>sao obrigatorios, a diretriznao funcionara sem eles. Comandos entre [ ] sao opcionais e sao utilizadosapenas quando se quer ter mais controle da simulacao.

Recomenda-se sempre comecar a analise com a diretriz .op. Apos inseriruma diretriz Spice, pode-se modificar os comandos clicando com o botaodireito do mouse sobre o texto. Desta maneira, o LTSpice fornece umajanela que facilita o preenchimento dos valores desejados. A diretriz .actem tres modos de simulacao: oct, dec e lin. O modo oct apresenta umavarredura em frequencias por oitavas, o modo dec em decadas e o modo linlinearmente.

Para realizar uma varredura de uma fonte de tensao DC de nome V1comecando em 2 V e terminando em 7 V com incrementos de 0.25 V deve-seinserir a seguinte diretriz: .dc V1 2 7 0.25.

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Para uma analise de varredura em frequencia, a diretriz .ac dec 5 10 10krealizara uma varredura em decadas com 5 pontos por decada comecando de10 Hz e terminando em 10kHz. Um ponto importante a ressaltar e que a fontede tensao deve ser ajustada em pequenos sinais antes de rodar a simulacao.Isto pode ser feito clicando com o botao direito do mouse sobre a fonte,clicando no botao Advanced e inserindo o valor numerico 1 no campo ACAmplitude dentro do bloco Small signal AC analysis.

A diretriz .TRAN 10ns 10us simula o circuito em funcao do tempo,comecando em 0s, com passos de 10ns e terminando em 10 µs. Note queos valores opcionais nao foram inseridos neste exemplo. Caso desejado quea simulacao comece em um determinado valor (por exemplo, 5µs), pode-seinserir o tempo inicial da seguinte maneira .TRAN 10ns 10us 5us.

A diretriz .STEP simula o circuito com variacoes do valor do parametrodesejado. O resultado final e um grafico contendo os resultados todas assimulacoes. Note que isto pode causar um aumento significativo no tempo desimulacao. Para utilizar o comando .STEP, deve ser criado um componentecom um parametro variavel em vez de um valor numerico fixo. O parametrovariavel deve ser inserido entre chaves ( PARAM) no desenho do circuito.

Por exemplo, deseja-se simular um resistor com cinco valores diferentesde resistencia de 1kΩ ate 5kΩ. Em vez de rodar cinco simulacoes separadas,pode-se utilizar a diretriz .STEP. O valor da resistencia devera declaradacomo um parametro variavel Rvar. A diretriz a ser inserida e .STEPPARAM Rvar 1k 5k 1k.

Uma outra forma, em vez de usar <Pini><Pfim><Pincr>, e usar ocomando list. Suponha que deseja-se apenas os valores de resistencia iguaisa 1kΩ, 4.5kΩ e 5kΩ. O comando list permite criar uma lista de valores aserem utilizados onde o incremento entre os valores nao e obrigatoriamenteconstante. Para este exemplo, a diretriz a ser utilizada e .STEP PARAMRvar list 1k 4.5k 5k. Neste exemplo apenas tres valores na lista foi usado,mas pode-se criar uma lista com quantos valores forem desejados.

A diretriz .IC V(in)=5V V(out)=0V V(N001)= 2.5V permite queo circuito comece a ser simulado com o no in, out e N001 tenham 5 V,0V e 2.5V, respectivamente. Pode-se utilizar este comando para especificarcorrentes iniciais tambem.

A diretriz .include C:\EletronicaII\SpiceModel\CD4007.lib incluio arquivo CD4007.lib como se ele tivesse sido escrito na netlist. Pode-seutilizar o caminho absoluto do arquivo (Neste exemplo o arquivo encontra-sena pasta C:\EletronicaII\SpiceModel). Caso nao utilize o caminho absoluto,o programa procurara o arquivo primeiro na pasta de instalacao do LTSpice,na subpasta lib\sub, e depois no diretorio onde a netlist se encontra. Eobrigatorio o uso do nome do arquivo incluindo a extensao.

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A diretriz .lib C:\EletronicaII\SpiceModel\CD4007.lib inclui o ar-quivo CD4007.lib como se ele tivesse sido escrito na netlist. Pode-se utilizar ocaminho absoluto do arquivo (Neste exemplo o arquivo encontra-se na pastaC:\EletronicaII\SpiceModel). Caso nao utilize o caminho absoluto, o pro-grama procurara o arquivo primeiro na pasta de instalacao do LTSpice, nasubpasta lib\cmp, depois na subpasta lib\sub e depois no diretorio onde anetlist se encontra. E obrigatorio o uso do nome do arquivo incluindo aextensao.

Caso desejado, pode-se criar o proprio modelo de componentes com adiretriz .model <NOME><TIPO>[(<PARAMETROS>)]2. Algunsexemplos de tipos possıveis para diodos e transistores pode ser visto na tabelaA.5. Por exemplo, o comando .model MeuModelo NPN(BF=100) criaum modelo de um transistor NPN chamado MeuModelo que possui betaigual a 100. Uma lista copmleta com os parametros das simulacoes pode serencontrada oon-line, nao entraremos em mais detalhes sobre isso no presentetexto.

TIPO ComponenteD DiodoNPN Transistor bipolar NPNPNP Transistor bipolar PNPNMOS MOSFET de canal nPMOS MOSFET de canal pVDMOS MOSFET de potencia vertical double diffusedNJF JFET de canal nPJF JFET de canal pNMF MESFET de canal nPMF MESFET de canal p

Tabela A.5: Alguns tipos de transistores possıveis de serem simulados com adiretriz .model.

Dependendo da complexidade do circuito a ser analisado e da diretrizSPICE utilizada, algumas simulacoes podem gerar arquivos de dados muito

2Esta e uma boa maneira de conferir os calculos de exercıcios de livros texto doscursos que envolvem componentes com parametros variados. No caso dos transistores,pode-se criar o modelo exato do exercıcio para uma conferencia direta com o resultadoobtido ao fim da resolucao. A criacao de um modelo simples pode conter exatamenteapenas os mesmo parametros indicados no exercıcio. Os modelos presentes originalmenteno LTSpice, por utilizarem diversos outros parametros que reproduzem o comportamentoreal dos componentes, nao sao bons de serem utilizados para comparacao com exercıciosde livro texto.

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Eletronica II

grandes. Para restringir o numero de dados salvos pelo LTSpice apenasaos dados desejados apos o termino da simulacao, pode-se utilizar a diretriz.save. Por exemplo, em uma analise de transiente, pode-se salvar apenas osdados de entrada e saıda do circuito com a insercao da diretriz .save V(out)V(in) no netlist (Durante o desenho do circuito, os nos de entrada e saıdaforam nomeados como out e in, respectivamente.). Desta maneira, qualqueroutra informacao (correntes, tensoes de outros nos) do circuito nao sera salvaapos a simulacao. Caso desejado, pode-se tambem salvar apenas as correntesdo transitor com a diretriz .save I(Q1). Se for desejado tanto correntequanto tensoes de entrada e saıda, pode-se combinar os dois exemplos emapenas uma diretriz (.save V(out) V(in) I(Q1)). Pergunta: a letra Qindica que este exemplo utiliza qual transistor?

A.6 Exportando dados

Pode-se salvar separadamente o desenho do circuito e o resultado da si-mulacao clicando em “Tools” → “Write plot to a .wmf file”. Caso as coressalvas nao sejam muito boas para visualizacao, altere o padrao de cores doLTSpice em “Tools” → “Color preferences”.

Outra forma de obter as imagens da tela e em “Tools” → “Copy bitmapto clipboard”. Desta maneira, o arquivo nao sera salvo. A imagem poderaser inserida utilizando o comando de colar (tecla de atalho: Ctrl + v).

Os dados dos graficos tambem podem ser salvos em um arquivo no for-mato txt. Uma vez que a janela do grafico estiver selecionada, clique em“File” → “Export” e selecione a curva que deseja exportar. Caso desejado,altere o caminho e o nome do arquivo a ser salvo e pressione “OK ”. Os dadossalvos podem ser manipulados em outros programas editores de dados comoExcel, Origin, Igor, Matlab, etc. Esta e a melhor maneira de salvar caso sedeseja manipular o resultado para uma analise mais detalhada da simulacao.

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Apendice B

Tabela de Resistores

Os valores comerciais tıpicos de resitores com tolerancia de 10% podem serencontrados na figura B.1. Utilize esses valores como referencia ao realizaros projetos deste curso.

Figura B.1: Valores comerciais de resitores com tolerancia de 10%.

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