MONTAGEM E ENSAIO DE UM AMPLIFICADOR …ee97148/outras/AmpOp.pdf · Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 3 06/2000 Amplificador operacional discreto POLARIZAÇÃO ANÁLISE

Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 1 06/2000 Amplificador operacional discreto

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Electrónica II

MONTAGEM E ENSAIO DE UM AMPLIFICADOR OPERACIONAL

DISCRETO

Jorge André Leitão, Hugo Alexandre Pinto


IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO

Pretendeu-se com este trabalho montar e estudar um amplificador operacional. O estudo consistiu em várias etapas:

1. Polarização

2. Tensão de desvio à entrada

3. Ganho em malha aberta

4. Largura de banda

5. Compensação da resposta em frequência

Par isso foi feita uma análise teórica com cálculos e comentários,

seguida de uma simulação em computador com o auxilio do Electronics Workbench (EWB) e posterior montagem no laboratório, procurando comparar os resultados obtidos e justificar eventuais falhas. Por último foram apresentadas algumas conclusões e justificações dos resultados obtidos.


PPOOLLAARRIIZZAAÇÇÃÃOO ANÁLISE TEÓRICA

Para se obter um ganho em malha fechada de –100 V/V escolheram-se

as resistências R17 e R18 de modo a que 10018

17 −=−RR . Utilizaram-se para R17

100 KΩ e para R18 1KΩ.

Assumiram-se tadas as correntes de base nulas e correntes do emissor iguais às do colector para mais fácil análise. Esta aproximação não introduz grande erro porque o β dos transístores é elevado logo o α é aproximadamente unitário.

V 7.10152.83.3

2.8

65

63 =

+=

+= CCB V

RRR

V

233 V 4.117.0 CBE VVV ==+=


71314

138 V 7.10)15(

2.83.32.8)( BCCB VV

RRR

V =−=−+

=−+

=

788 V 4.117.0 EBE VVV =−=−=

712

77 mA 33.1

7.2154.11

CCCE

E IR

VVI ≈=+−

=−

=

mA 26.07.27.0

81 ===

RVI BE


442217 mA 07.126.033.1 CEC IIIIII ≈≈=−=⇔+=

3413 mA 33.107.126.0 ECC IIII ≈=+=+≈

mA 32.1

4.1115

3

23 =

−=

−=

RVVI CCC

2332 mA 67.133.13 EEC IIII ≈=−=−=

11821 mA 63.167.13.3 CECEE IIIII ≈=−=⇔=+

V 6.1063.1*7.215121 =−=−= ECCC IRVV


SIMULAÇÃO EM EWB

ENSAIO NO LABORATÓRIO

Para “medir” uma corrente de 3.3 mA no emissor de Q8 mediu-se a queda de tensão em R16 e variou-se o potenciómetro até obter 1 KΩ*3.3 mA=3.3 V.

VB -0.51 VVC +10.71 V

Q1

VE -1.16 VVB -0.52 VVC +11.30 V

Q2

VE -1.16 VVB +10.68 V

Q3 VC +0.19 V


VE +11.3 VVB -0.46 VVC +0.19 V

Q4

VE -1.10 VVB +0.19 V

Q5 VC +14.89 V VE -0.44 V

VB -1.10 VVC -14.99 V

Q6

VE -0.49 VVB -10.69 VVC -1.10 V

Q7

VE -11.33 VVB -10.69 VVC -1.16 V

Q8

VE -11.35 V CONCLUSÕES

Apesar das aproximações feitas na análise teórica (β muito elevado e VBE=0.7 V) e de eventuais erros de medição no laboratório verificou-se que os valores obtidos são muito semelhantes.


TTEENNSSÃÃOO DDEE DDEESSVVIIOO ÀÀ EENNTTRRAADDAA ((TTEENNSSÃÃOO DDEE OOFFFFSSEETT)) ANÁLISE TEÓRICA

Com a montagem seguinte é possível medir a tensão de desvio à entrada

do amplificador operacional (queda na resistência de 10 Ω):

ioio VVVK

V *10011010

1011 =⇔

+=


SIMULAÇÃO EM EWB

mV 23.110012332.1

1001*1001 1

1 ≈==⇒=VVVV ioio


mV 5.11001

5.1V 5.11 ≈=⇒= ioVV

CONCLUSÕES

Mais uma vez os valores experimentais e simulados com o EWB são semelhantes.


GGAANNHHOO EEMM MMAALLHHAA AABBEERRTTAA DDOO OOPPEERRAACCIIOONNAALL ANÁLISE TEÓRICA

Ganho do TL081: A1=105 V/V

( )

( )

−=⇔−=⇒

=

+=

−=⇒

+=

−=

≈+

=⇔

−=⇒

=−=

+

+

++

+

−

−+

2100110012

121

21

21

1001101010

1

1

11

1

1

1

1

11

1111

1

11

vv

AvAvvvv

vvv

vAvvK

v

vAv

vA

vAv

vAvAv

vvvvAv

ii

oi

oio

ioo

ENSAIO I Substituindo o transístor Q7 por uma resistência de 8.2 KΩ ligada entre os terminais colector-emissor deste.


SIMULAÇÃO EM EWB

VV 3202

9.14.41001

V 9.1V 4.4

≈

−=⇒

==

Avv

i

i



VV 2002

0.24.41001

V 0.2V 4.4

≈

−=⇒

==

Avv

i

i

ENSAIO II Nas mesmas condições mas adicionando um condensador de 220 µF ligado entre a saída do amplificador operacional e o ponto intermédio de junção entre a resistência de 8.2 KΩ e a resistência R12.


SIMULAÇÃO EM EWB

VV 84852

42.04.41001

mV 421V 4.4

≈

−=⇒

==

Avv

i

i


VV 71742

48.04.41001

V 48.0V 4.4

≈

−=⇒

==

Avv

i

i

ENSAIO III Com o transístor em Q7 (actuando como carga activa para Q3)


SIMULAÇÃO EM EWB

VV310*302

14.04.41001

V 14.0V 4.4

≈

−=⇒

==

Avv

i

i


VV310*252

18.04.41001

V 18.0V 4.4

≈

−=⇒

==

Avv

i

i

CONCLUSÕES Na situação do ensaio III (com o transístor Q7), como VCE=10.2 V e a

corrente no emissor ou no colector é aproximadamente 1.34 mA, teriamos


que ter uma resistência entre colector e emissor de 10.2/1.34=7.6 KΩ. Assim, uma resistência de 8.2 provocará aproximadamente o mesmo efeito na polarização quando comparado com o transístor.

Quanto ao ganho, será menor no primeiro ensaio quando comparado com o terceiro já que não tem o transístor Q7 que, com Q4, constitui o andar de amplificação do sinal. Quanto ao segundo ensaio, devido ao condensador de elevada capacidade, a saída é “transportada” para o ponto intermédio de ligação de R12 e a resistência de 8.2 KΩ e provoca um incremento da resistência de saída do amplificador, levando a um ganho maior do que no primeiro caso.


DDEETTEERRMMIINNAAÇÇÃÃOO DDAA LLAARRGGUURRAA DDEE BBAANNDDAA DDOO OOPPEERRAACCIIOONNAALL SIMULAÇÃO EM EWB

Resposta em frequência do circuito em malha fechada:

A frequência superior de corte em malha fechada é aproximadamente 790 KHz.

Através da medição do tempo de subida é também possível calcular a frequência superior de corte em malha fechada:


KHz 76010*46.0

35.035.0*

s 46.0

6 ≈=⇒≈

≈

−HrH

r

ftf

t µ

Os dois valores obtidos são bastante idênticos, como seria de esperar.

Para o cálculo da frequência superior de corte em malha aberta utilizou-

se o primeiro resultado (790 KHz) já que este é mais correcto (o segundo envolveu mais aproximações).

KHz 63.210*30

100*10*790** 3

3

≈=⇒= hmamfHmfmaHma fAfAf

ENSAIO NO LABORATÓRIO tr=0.34 µs tl=2 µs

MHz 110*34.0

35.035.0* 6 ≈=⇒= −hrHmf ftf

KHz 410*25100*10** 3

6

≈=⇒= hmamfHmfmaHma fAfAf


CONCLUSÕES

Como seria de esperar, a frequência superior de corte em malha fechada é maior do que em malha aberta, já que no primeiro caso o ganho é menor e quanto menor é o ganho, maior a estabilidade.

Podemos concluir que a estabilidade aumenta com o aumento do feedback (e consequente diminuição do ganho em malha fechada) e o ampificador será muito instável em malha aberta.


EESSTTUUDDOO DDAA EESSTTAABBIILLIIDDAADDEE EE CCOOMMPPEENNSSAAÇÇÃÃOO ANÁLISE TEÓRICA

Pretende-se modificar a função de transferência em malha aberta de modo a ter um amplificador em malha fechada estável para qualquer valor de ganho.

Para isso foi usado um método que consistiu na introdução de um pólo na função de transferência de modo a aumentar a margem de ganho e consequente estabilidade. Contudo esta técnica diminui a largura de banda do amplificador.

Numa primeira experiência introduziu-se um condensador num ponto do circuito onde se verificasse o Efeito Miller, de modo a não ser necessária uma capacidade elevada. Substituiu-se depois por um condensador no ponto de mais elevada impedância do circuito de modo a utilizar-se o Pole Splitting. SIMULAÇÃO EM EWB

Utilizando a função Parameter Sweep, verifica-se que a variação do valor da resistência R17 e por consequência do ganho em malha fechada não altera a largura de banda:

Resposta em frequência variando R12


Resposta temporal variando R17 (transição ascendente)

ENSAIO NO LABORATÓRIO Ganho –10: R17=10 KΩ R18=1 KΩ

Transição ascendente Transição descendente


Ganho –5.6: R17=5.6 KΩ R18=1 KΩ


Ganho –3.3: R17=3.3 KΩ R18=1 KΩ


Ganho –1.8: R17=1.8 KΩ R18=1 KΩ



Ganho –1.2: R17=1.2 KΩ R18=1 KΩ


Ganho –1: R17=1 KΩ R18=1 KΩ



COMPENSAÇÃO COM C1 (EFEITO MILLER) SIMULAÇÃO EM EWB

Resposta temporal variando C1 (transição ascendente)


Resposta temporal variando C1 (transição descendente)

ENSAIO NO LABORATÓRIO C1=10 nF



C1=1.5 nF


C1=680 pF



COMPENSAÇÃO COM C2 (EFEITO POLE SPLITTING) SIMULAÇÃO EM EWB

Resposta temporal variando C2 (transição ascendente)


ENSAIO NO LABORATÓRIO C2=100 nF


C2=15 nF


C2=1 nF



CONCLUSÕES

Para não haver ringing (oscilação do sinal em torno do seu valor final) é necessário um condensador de capacidade mais elevada em C2 do que em C1. Isto deve-se ao Efeito Miller em C1, isto é, a sua capacidade virá multiplicada pelo ganho do estágio. Além disso a largura de banda no primeiro caso será maior, já que o tempo de subida é menor.

Quanto aos ensaios laboratoriais em EWB, a capacidade ideal para C1 foi 10 nF e para C2 foi 100 nF (ou 1µF, também aceitável), o que confirma o dito anteriormente.

Documents

MONTAGEM E ENSAIO DE UM AMPLIFICADOR …ee97148/outras/AmpOp.pdf · Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 3 06/2000 Amplificador operacional discreto POLARIZAÇÃO ANÁLISE