LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA BÁSICA I – EE531

PRIMEIRA EXPERIÊNCIA

ALUNOS:Maiane Noronha RA 092145 Turma WEliabe Queiroz RA 091000 Turma W

Data: 30/03/2012Bancada: 2

1. RESULTADOS DO EXERCÍCIO PREPARATÓRIO DA PRIMEIRA EXPERIÊNCIA

1.1 CIRCUITO PRÉ-AMPLIFICADOR

Esse circuito controla a amplitude da saída do sistema, funciona como um controlador de volume.

Fig.1 – Diagrama do circuito pré-amplificador

Utilizando o Pspice, fizemos a análise transiente do circuito acima, na situação indicada no arquivo esquemático (Pre-amp.sch). Segue as formas de onda com o comportamento para uma análise AC (em Volt):

1) SET = 1 (potenciômetro na parte inferior)

2) SET = 0.5 (potenciômetro com cursor central no meio)

3) SET= 0 (potenciômetro com cursor central na parte superior)

Como podemos ver no formato de onda o circuito apresenta alto ganho de 1 Hz até aproximadamente 50 kHz, e a posição do potenciômetro muda a resistência total ao longo da malha em torno do amplificador operacional fazendo com que o ganho do circuito seja alterado, isto é o ganho depende da posição do em que o potenciômetro está setado.

Obs: A posição que foi definida como set 0 e 1, apareceu oposto ao que foi demonstrado no laboratório (isto é, o set 0 do laboratório é o set 1 da simulação e vice-versa). No entanto adotamos a posição que foi adotada no laboratório durante o experimento e toda a análise.

1.2 CIRCUITO DE NÍVEL 0 DBU

Esse circuito faz com que um led acenda a partir de uma determinada amplitude do sinal na entrada.

Quando o sinal gerado ultrapassa o potencial de 2V o sinal na base do transistor Q1 começa a chegar próximo a 0,7 V, e Q1 passa a conduzir. O potencial na base do transistor Q2 começa a cair e ele conduz menos, fazendo a tensão aumentar nos diodos de modo que passam a conduzir, se um dos diodos emite luz, ele passa a emitir quando está conduzindo.

Após o transistor Q1 começar a conduzir, a tensão no coletor do TBJ começa a cair e logo o transistor passa da região ativa para a região de saturação, Q2 não conduz devido a tensão na base ser a mesma do coletor de Q1 que é menor que a tensão necessária pra conduzir.

O capacitor Ce faz um terra para altas frequências impedindo que os leds fiquem alternando entre conduzir e não conduzir na mesma frequência do sinal de entrada.

Fig.2 – Diagrama do circuito de nível 0 dBU.

Utilizando o Pspice, fizemos a análise transiente do circuito acima, na situação indicada no arquivo esquemático (Detector de nivel.sch). Segue as formas de onda:

1) O comportamento transiente do circuito (Ve = 1V AC)

2) O comportamento transiente do cicuito (Ve = 4V AC)

3) O comportamento para uma análise “sweep” DC em Ve:

Nos gráficos:V(Q1: c) Tensão no coletor de Q1, base de Q2 e tensão sobre o Capacitor Ce;I(D2) corrente nos diodos;V(Q2: c) Tensão no coletor de Q2 e sobre os diodos;V(Vi) Tensão na base de Q1;V(Ve) Sinal gerado pela fonte.

Podemos observar através das simulações que, se um sinal AC é colocado na entrada e tem amplitude maior que aproximadamente 2 volts, esse sinal começa a acender o leds, sendo a corrente no leds pequena, de aproximadamente 7 mA. Por isso não aparece nos gráficos, que apresentam escala bem maior.

2. RELATÓRIO DA PRIMEIRA EXPERIÊNCIA

2.1 INTRODUÇÃO No relatório será avaliado o ganho do pré-amplificador para três posições do

potenciômetro, com análise das configurações do amplificador operacional e do comportamento do circuito em cada posição. Também haverá uma explicação do comportamento e do funcionamento do circuito de nível de 0 dBu.

2.2 CIRCUITO PRÉ-AMPLIFICADOR

Circuito a ser analisado no experimento.

O amp op RC4580 que foi utilizado no circuito é um amplificador operacional duplo que foi concebido de maneira ideal para aplicações de áudio, tais como melhorar o controle de tom. Oferece baixo ruído, alta largura de banda, a baixa distorção harmônica, e alta corrente de saída, todos para tornar o dispositivo idealmente adequado para a eletrônica de áudio, tais como pré-amplificadores de áudio e filtros ativos, assim como o equipamento de medição industrial.

Pré-amplificador é o estágio de um amplificador de áudio que recebe o sinal da fonte sonora e corrige-o, entregando em sua saída um sinal suficientemente elevado para excitar o amplificador de potência. Em geral, a função de um pré-amplificador é amplificar um sinal de baixo nível para um sinal de nível de linha.

No circuito acima, o potenciômetro Pot1 permite que se ajuste o ganho do circuito com a fonte de sinal de modo a se obter uma saída sem distorção, capaz de excitar o amplificador externo.

2.2.1 Análise Teórica

Os amplificadores operacionais são amplificadores de acoplamento direto, de alto ganho, que usam realimentação para controle de suas características.

Em amplificadores ideais temos como principais características: ganho de tensão diferencial infinito; ganho de tensão de modo comum igual a zero; tensão de saída nula para tensão de entrada igual a zero; impedância de entrada infinita.

Agora, em amplificadores reais temos que considerar os seguintes itens: Ganho de tensão - Normalmente chamado de ganho de malha aberta, medido

em C.C.(ou em frequências muito baixas), é definido como a relação da variação da tensão de saída para uma dada variação da tensão de entrada. Este parâmetro, notado como A, tem seus valores reais que vão desde alguns poucos milhares até cerca de cem milhões em amplificadores operacionais sofisticados. Normalmente, A é o ganho de tensão diferencial em C.C.. O ganho de modo comum é, em condições normais, extremamente pequeno.

Tensão de "offset" - A saída de um amplificador operacional ideal é nula quando suas entradas estão em curto circuito. Nos amplificadores reais, devido principalmente a um casamento imperfeito dos dispositivos de entrada, normalmente diferencial, a saída do amplificador operacional pode ser diferente de zero quando ambas entradas estão no potencial zero. Significa dizer que há uma tensão C.C. equivalente, na entrada, chamada de tensão de Offset. Muitos amplificadores operacionais disponibilizam os terminais Offset null ou balance para o "zeramento" desta tensão. O ajuste pode ser feito conectando um resistor variável e a alimentação negativa.

Corrente de "offset" - O amplificador operacional ideal apresenta impedância de entrada infinita. Os amplificadores operacionais reais, entretanto, apresentam correntes C.C. de polarização em suas entradas. Essas correntes são geralmente devidas às correntes de base dos transistores bipolares de entrada do amplificador operacional ou ainda correntes de fuga da porta do transistor de efeito de campo em amplificadores dotados de FETs à entrada.

"Slew Rate" - Este parâmetro está ligado à faixa de passagem à plena potência. Quando num operacional é injetado um sinal senoidal de alta freqüência, de amplitude superior a um certo valor prefixado, observa-se a sua saída uma onda triangular. A inclinação desta forma de onda triangular é o "slew rate”. Esta limitação tem origem nas características de construção do dispositivo e está diretamente ligado a um elemento, o chamado capacitor de compensação de fase e à máxima taxa com que este pode ser carregado. O " slew rate " é definido como a máxima variação de tensão de saída por unidade de tempo.

O ganho de tensão (A) se desenvolve a partir da equação: V0 = A (V+ - V-)

Ganho de tensão (set=0)

Ganho de tensão de 0,1 V/V, ou seja nessa posição o circuito atenua o sinal na entrada.

Ganho de tensão (set=0.5)

Ganho de tensão igual a 1V/V, um amplificador unitário, ou seja, não fornece ganho de tensão no circuito.

Ganho de tensão (set=1)

Ganho de tensão igual a 10V/V, ou seja, fornece uma amplificação de 10 vezes no circuito.

2.2.2 Simulações e Resultados experimentais

Para fazer a análise experimental, foi feito as varreduras em frequência 1Hz – 100kHz para três posições do potenciômetro (0, 0.5 e 1), obtendo os seguintes gráficos:

Potenciômetro em 0

No gráfico acima, podemos perceber que quando o potenciômetro está em 0, o circuito funciona como um filtro passa-baixa, ou seja, só com frequências muito baixas é que há uma resposta na saída do circuito pré-amplificador. Oposto ao gráfico obtido do Pspice que deu um filtro passa-faixa pata set=0. Como já explicado anteriormente, no Pspice, a posição do set=0 e do set=1 estão invertidos. Analisando o gráfico do Pspice do set=1, com a frequência perto de 100k, o comportamento é o esperado, ou seja, uma baixa tensão.

Potenciômetro em 0.5

Potenciômetro em 1

Para os cálculos de ganhos teóricos, fizemos a partir de um amplificador ideal. Quando o potenciômetro está setado em 0, os dados obtidos no laboratório e

no Pspice se difereciam. No laboratório o circuito passou a funcionar como um passa baixa, no pspice o circuito funcionava como um passa faixa, como nas demais posições do potenciômetro.

Diferente do potenciômetro em 0, quando ele está em 0.5 ou 1, percebemos que o circuito agora funciona como um filtro passa-faixa, atenuando os sinais de frequências muito baixas, menores que 1Hz, e os sinais de frequências maiores que 100kHz. Quando o potenciômetro está posicionado em 0.5 e em 1, os resultados obtidos em laboratório e os obtidos da simulação são bastante similares, porém o resultado do laboratório apresenta um ganho de faixa. No Pspice o circuito apresenta uma queda de 3dB em 50kHz, no laboratório essa queda seria encontrado em frequências mais altas que 100kHz. Essa diferença também deve ser relacionada as diferenças do circuito real e o modelo no Pspice.

2.3 CIRCUITO DE NÍVEL 0 DBU

Circuito a ser analisado.

2.3.1 Análise Teórica

O circuito de nível 0 DBU funciona da seguinte maneira: quando o sinal de entrada for maior que 0.7V, o transistor Q2 começa a conduzir. Nesse caso, como há corrente passando pelo transistor Q2, não passa corrente pelo transistor Q1, que fica cortado. Como Q1 está cortado, há corrente passando por D1, ou seja, o led acende.

Já quando a tensão de entrada for menor que 0.7V, o Q2 não conduz, e com isso, Q1 começa a conduzir. Com isso, não há corrente por D1 e o led não acende.

Os transistores são utilizados como interruptores dos sinais elétricos, no caso, a corrente para acender ou não o led de acordo com a tensão na entrada.

Os resultados das análises do transiente onde podermos ver certinho o comportamento dos transistores encontram-se no próximo tópico, que terá a explicação do gráfico de varredura DC.

2.3.2 Simulações e Resultados experimentais

Pelo osciloscópio, obtemos as formas de onda nos pontos P.1, P.2 e P.3, usando a frequência de 100Hz.

Forma de onda nos pontos P.1 (amarelo) e P.2 (verde)

O sinal P.1 corresponde ao sinal de entrada do circuito. Já o sinal em P.2 corresponde ao sinal que está no primeiro transistor Q2.

Podemos analisar no sinal de P.2 que no topo (tensão máxima), ele está conduzindo corrente, e portanto, o led acende. Agora, na base do sinal, é quando não está conduzindo corrente (tensão mínima), portanto o led ficará pagado. O transistor Q.2 só começa a conduzir após a tensão nele ser maior que 0.7V.

Forma de onda nos pontos P.2 (amarelo) e P.3 (verde)

O sinal em P.2 corresponde ao sinal que está no transistor Q2. E o sinal em P.3 corresponde ao sinal que está no transistor Q1.

Nesses dois sinais, claramente podemos perceber que enquanto um está conduzindo, o outro não está, e vice versa. No caso, quando P.2 conduz (topo do sinal), o led está acesso, pois o transistor Q1 não está conduzindo. Agora, quando a tensão do sinal em P.2 começa a diminuir, o transistor Q1 começa a conduzir, aumentando sua tensão. No topo do sinal em P.3, ou seja, base do P.2 temos então o led apagado.

Simulação transient no Pspice

No laboratório podemos perceber que Q1 alterna de conduzindo para não conduzindo com a mesma frequência que Q2, o que não acontece na simulação. Pelos gráficos apresentados vemos que há uma diferença entre o circuito simulado e o circuito analisado no laboratório. Provavelmente o capacitor do circuito do laboratório deve ter um valor menor que o circuito que aparece na simulação, ou pode haver uma associação de capacitâncias não consideradas no Pspice.

Utilizando um capacitor de valor bem mais baixo, 2.2nF, conseguimos valores bastante parecidos com o obtido no laboratório, pelo gráfico a seguir.

Simulação no Pspice: capacitor na base de Q1 de 2.2nF

A diferença de circuito que faz com que Q1 alternasse de conduzindo para não conduzindo na mesma frequência de Q2, também faz com que a tensão no coletor de Q1 apresentasse variações na mesma frequência que as variações de condução de Q1

e Q2. Comportamento que pode ser visto também no segundo gráfico obtido no laboratório.

Agora, temos a varredura em amplitude (linear) medindo a saída do canal utilizado (eixo x) e o ponto P.2 (eixo Y). Amplitude variando de 0.5 – 4 Vpp, frequência de 1kHz. Como ajuste inicial colocamos um sinal de 2 Vpp no gerador e ajustamos o potenciômetro do ganho até a ponto onde o LED acendesse (ou seja, quando em P.2 há condução de corrente).

Varredura em amplitude

Simulação do circuito no Pspice

A varredura de amplitude no Pspice foi bastante similar a varredura feita no laboratório. A diferença está onde a tensão no coletor de Q2 começou a cair, aproximadamente em 0.5 V acima do obtido na simulação. Essa diferença pode ser resultante de diferenças no circuito ou até de diferenças no método de análise, pois as medidas do laboratório foram feitas em tensão alternada, de frequência constante e

amplitude variante, inserida na entrada do circuito, e a simulação no Pspice, aparentemente, é feita com um sinal em forma de rampa.

2.4 CONCLUSÕES

No geral houve algumas discrepâncias dos dados teóricos (Pspice) com os dados do experimento em si. Isso porque no Pspice a análise é um modelo teórico, ou seja, não representa com exatidão o funcionamento do circuito, nem por isso se torna uma ferramenta menos útil. Já no laboratório, fatores como os equipamentos, as medidas e o circuito real que podem afetar a comparação entre os dois comportamentos.

Mas mesmo assim, pudemos fazer uma boa análise dos resultados, tanto do circuito pré-amplificador com os ganhos de tensão de acordo com o set (0, 0.5 ou 1), quanto para o circuito de nível 0 DBU, analisando os gráficos de transiente. Pudemos ver o comportamento dos transistores, e entender como eles funcionam nesse caso.

3. NOTIFICAÇÃO DE PROBLEMAS COM O KIT UTILIZADO

Não houve nenhum problema aparente com o kit 02, que foi o utilizado.