POLARIZAO E AMPLIFICAO COM BJT

Jean Silva de Lima e Juliana Lopes

E-mail: jeanslima@hotmail.com e juliana.lopes@live.com

I. INTRODUO

Esta prtica tem o objetivo de fixar principais caractersticas do Amp Op, familiarizar-se com alguns parmetros nominais fornecidos pelos fabricantes, conhecer os efeitos de realimentao positiva e suas aplicaes.

II. REFERENCIAL TERICO

O amplificador Operacional (AmpOp) um circuito integrado utilizado num grande nmero de aplicaes, entre as quais se destaca:

Controle de processos Amplificao Regulao de sistemas Operaes lineares e no lineares Filtragem

A figura seguinte representa o seu smbolo:

Figura 1 Smbolo do amplificador operacional.

O AmpOp um dispositivo composto por duas entradas: a entrada inversora (-) e a entrada no inversora (+) ; uma sada e os terminais da tenso de alimentao. constitudo internamente por uma cascata de amplificadores com transistores. A sada do AmpOp uma tenso proporcional diferena de tenso entre as suas entradas no inversora e inversora. Esta proporcionalidade conhecida como ganho. Vo = Av * Vi Vo = Av * (V+ - V-) Neste trabalho sero feitas simulaes utilizando o amplificador operacional com realimentao negativa. Todos os clculos feitos foram comprovados atravs de simulao, com o auxlio da ferramenta Multisim.

III. METODOLOGIA E RESULTADOS

Comparador regenerativo

O incio do experimento foi dado pela montagem de uma das aplicaes do Amp Op com realimentao positiva: o circuito comparador regenerativo, o qual tem o circuito mostrado na figura 2:

Figura 2 Circuito comparador regenerativo. Os comparadores so bastante utilizados como conversores de sinais analgicos para sinais digitais, servindo de ponte entre os circuitos digitais e os analgicos. O comparador regenerativo Schmitt Trigger, representado acima, constitudo por Amp op. Quando o nvel de tenso de entrada maior que um limiar escolhido, a sada est em nvel alto; quando a entrada est abaixo de outro limiar, a sada est em nvel baixo; quando a entrada se encontra entre os dois limiares, a sada retm o valor anterior at a entrada se alterar suficientemente para mudar o estado do Trigger. A ao dos dois limiares chamada de histerese. Entre os dois valores de tenso da entrada no h variao na sada. Tal efeito estabiliza a sada contra uma comutao rpida devido um rudo. Foi aplicada, na entrada inversora, uma onda triangular, 3 Vpp e freqncia de 100HZ. Logo aps, foi observada a curva de histerese para as trs seguintes situaes:

Sinal constante de 0 V na entrada positiva

Figura 3 Circuito e curva de histerese.

Sinal constante de 0.5V na entrada positiva

Figura 4 Circuito e curva de histerese.

Sinal constante de -0.5 V na entrada positiva

Figura 5 Circuito e curva de histerese.

Observa-se atravs destas curvas representadas que o centro da janela de histerese est representado onde est o sinal a ser comparado, neste caso, 0V, 0,5V e -0,5V respectivamente. A largura da janela de histerese pode ser alterada de acordo com o ajuste dos valores de R1 e R2, para que a mesma seja maior que o rudo pico a pico do sinal de entrada. Com o intuito de fazer com que o circuito ignore os rudos que possam atingir 3Vpp em torno de 0 V, o trimpot foi ajustado de forma que a largura da janela de histerese fosse 3V, ou seja, a diferena entre V+ e V- fosse 3V. Para isto, foram utilizadas as seguintes equaes: V + = +VSAT x R2/(R1 + R2) (I) V - = -VSAT x R2/(R1 + R2) (II) Onde: Vsat = V de saturao = 12V R1= 100K V + e V so os extremos da largura da janela de histerese. Como o centro da curva est em 0V, pode-se concluir que a curva simtrica em relao ao eixo vertical e, dessa forma, para cada hemisfrio, h 1,5V. Utilizando as equaes acima: 1,5 = 12 x R2/(100000 + R2) 150000 + 1,5R2 = 12 R2 10,5R2 = 150000 R2 = 14,285K Para a equao II, o valor de R2 ser o mesmo. Os clculos acima foram confirmados com a simulao mostrada na figura a seguir, em que o trimpot foi ajustado em 65% de 22K, equivalente a 14,3K.

Figura 6 Curva de histerese.

Janela de hiserese

Janela de

hiserese

Janela de hiserese

Foram observadas as formas de onda de entrada triangular e a de sada e obtido o seguinte grfico:

Figura 7 Circuito e forma de onda.

Como esperado, a forma de onda da sada uma onda quadrada, uma vez que o circuito comparador emite apenas dois tipos de sada: nvel lgico alto ou baixo. Observa-se tambm, que quando o sinal de entrada negativo, o de sada (onda quadrada) positivo, o que pode ser interpretado na curva de histerese. Olhando a curva de histerese, vemos que, enquanto Vent for negativo, a sada positiva (+Vs). Aumentando Vent at ficar positiva, a sada permanece positiva, at que Vent atinja +BVs (B= fator de realimentao representado por R2/( R1 + R2)). Neste ponto a sada comuta de positiva para negativa (-Vs). No sentido inverso, enquanto Vent for positiva, a sada ser negativa. Seguindo baixando Vent at ficar negativa, a sada permanece negativa at que Vent atinja - BVs. Neste ponto a sada retorna positiva. Analogamente ao procedimento anterior, foi ajustado o trimpot R2 para que o circuito ignore rudos que podem atingir 0,3Vpp em torno de 0V. Tal resultado foi confirmado foi simulado (figura 8), onde o valor de R2 foi ajustado a 3% do trimpot de 22K, equivalente a 0,66K.

Figura 8 Circuito e curva de histerese.

Foram obtidas as formas de onda (representadas na imagem a seguir) e obtidas as formas esperadas, conforme anlise da curva de histerese, feita da mesma forma que o caso anterior (quando a entrada for negativa, a sada, em forma de onda quadrada, assume valor negativo).

Figura 9 Circuito e forma de onda.

Oscilador de relaxao Montamos no multisim um circuito oscilador de relaxao utilizando o CI 741 como se v na figua 10.

Figura 10 Circuito oscilador de relaxao.

Ajustamos o resistor de 22k em 45% (R aproximadamente igual a 10K) e medimos o Vsat com o osciloscpio no terminal de sada e Bv com o osciloscpio na entrada inversora. Obtivemos os seguintes resultados: Vsat=11,118V e Bv=5,462V, como pode ser observado na figura 11.

Figura 11 Medio do osciloscpio.

O Vsat a amplitude da onda quadrada e o B.Vsat a amplitude da onda triangular. Para que o sinal tivesse uma freqncia de 5Hz, ajustamos o valor do trimpot de 300k em 31% (R aproximadamente igual a 93k). Para descobrir esta freqncia medimos o perodo de um ciclo. Vide figura abaixo.

Figura 12 Medio do perodo.

Como a freqncia o inverso do perodo, temos:

Ajustamos mais uma vez o trimpot de 300k, at que o sinal tivesse uma freqncia de 50Hz. Com o trimpot em 3% (aproximadamente 9k), medimos o perodo (19,818ms) e calculamos a freqncia, f = 50,46Hz.

Figura 13 Medio do perodo.

A partir das figuras 12 e 13, verificamos que a amplitude do sinal a mesma, variando-se o valor de resistncia, modificaremos o da valor freqncia. Com o osciloscpio medindo os sinais do terminal inversor e no-inversor, para os dois casos acima, verificamos a onda quadrada de sada tem mesma freqncia que os sinais de entrada, mas a amplitude da sada maior.

(a)

(b)

Figura 14 Sinais de entrada, (a)5Hz, (b)50Hz. Fixando valores para o trimpot de 22k, e variando o valor do trimpot de 300k com a inteno de se chegar na freqncia de 100Hz, obtivemos os valores da tabela abaixo: R (22k) B Amplitude (V) Freqncia

(Hz)

2,5 (11%) 0,1866 11,115 103

5,0 (23%) 0,3345 11,115 98,28

10,0 (45%) 0,4929 11,115 101,38

15,0 (68%) 0,5978 11,115 99,81

20,0 (91%) 0,6649 11,115 102,59

Com esta tabela conclumos que a sensibilidade da freqncia est no trimpot de 300k, o Bv aumentou a medida que o valor do trimpot de 22k aumentou e a amplitude manteve-se constante. Para chegar ao valor de Bv=4V e freqncia igual a 50Hz. Ajustamos o trimpot de 22k em 25% e o valor do trimpot de 300k em 5%.

Figura 15 Circuito ajustado.

Desta forma, obtivemos os seguintes resultados: Bv=3,9V e freqncia 49,8Hz.

Figura 16 Formas de onda.

Aplicando-se uma onda triangular de Vpp = 4V e freqncia de 50Hz na entrada inversora e um sinal contnuo na entrada no-inversora, medimos a sada deste circuito para saber o seu duty cicly.

Figura 17 Circuito. O duty cicle de um sinal a diferena entre o tempo ativo do sinal e o tempo total, este valor dado em porcentagem, ento temos:

Para encontrar o Tativo, medimos o perodo em que o sinal est com amplitude mxima, j o Ttotal o perodo de um ciclo do sinal. Para encontrar um duty cicle de 20%, variamos o sinal contnuo do circuito da figura 18. Com esse sinal em -2,15V, medimos o Tativo e o Ttotal, alcanamos D = 25%.

Figura 18 Duty cicle.

Depois variamos novamente esse sinal contnuo para tentar alcanar um duty cicle de 85%. Com a tenso em 2,87V, medimos o Tativo e o Ttotal, alcanamos D = 80%.

Figura 19 Duty cicle. Nas figuras abaixo esto circulados de amarelo os pontos de comutao entre o sinal triangular de entrada e o sinal quadrado de sada. No primeiro para um D=80% e no segundo, D=20%.

Figura 20 Pontos de comutao.

IV. COMENTRIOS E CONCLUSES Vimos que o amplificador operacional com realimentao positiva pode ser empregado em circuitos comparadores, osciladores de relaxao. Imprimimos curvas de histerese para diferentes sinais de entrada, calculamos as resistncias que limitam as janelas de histerese e fizemos a medio, os valores foram muito prximos. No circuito oscilador pudemos medir o duty cicle do sinal para o mesmo circuito com tenses diferentes. Conclumos que para o D> que 50% o Vcc deveria ser positivo e para D