AMPLIFICADOR DE UM TRANSISTOR

RELATÓRIO DE EXPERIMENTOS

 

Marcos Portnoi

 

Sumário

Objetivos

Introdução

Parte Experimental

Material Utilizado

Procedimento

Discussão

Comentários Finais

Referências Bibliográficas


Objetivos

Este relatório pretende descrever experimentos realizados com um circuito amplificador de um único transistor. O circuito foi anteriormente projetado com auxílio do simulador Multisim, e os dados obtidos serão usados para a montagem do circuito e validação.

Introdução

O circuito proposto é mostrado na Figura 1. Como parâmetros iniciais, determinou-se os valores abaixo.

Figura 1: Amplificador

Na folha de dados do transistor BC-547, obteve-se o valor beta e a corrente IS:

β = 300

IS = 1,8x10-14 A

De início, os valores dos resistores é desconhecido. Pode-se entretanto calcular o valor de Rc de imediato, usando equação de malha.

O resistor Re também pode ser calculado usando a corrente de emissor.

Para calcular R2, usa-se a equação de malha de R2-VBE-Re. A tensão base-emissor é obtida com auxílio da relação exponencial entre Ic e VBE. Senão vejamos:

O resistor R1 também será calculado por intermédio da equação de malha Vcc-R1-R2-GND, sabendo-se ainda que a corrente que atravessa o resistor R1 é, por projeto, 10% de Ic.

Parte Experimental

Material Utilizado

Procedimento

O circuito para experimentação e tomada de medidas pode ser visualizado na Figura 2.

Figura 2: Amplificador com sinal injetado.

Os resistores foram escolhidos conforme o valor comercial mais próximo daqueles projetados. Como houvesse falta de um resistor de 4K7 no estoque do laboratório, optou-se por utilizar dois resistores de 2K2 em série.

Primeiramente calibrou-se o visor do osciloscópio com auxílio do gerador de sinais interno daquele equipamento. Então, aplicou-se o canal A na fonte de sinal vi, e o canal B no ponto vo. A fonte de sinal vi foi regulada para fornecer uma tensão senoidal de 0,2V de pico, a 1KHz.

Com o multiteste, tomou-se o valor beta do transistor.

β = 260

Ainda com o multiteste, tomou-se as medidas abaixo, com o circuito polarizado, sem sinal senoidal.

Grandeza

Valor (V)

VRC

2,88

VRE

1,4

VR1

12,88

VR2

2,03

VBE

0,65

VCE

10,65

Com o circuito polarizado e com a fonte de sinal ligada, o osciloscópio mostrou a seguinte disposição de ondas. O pico da onda de maior amplitude foi de 0,4V, e o pico da onda de menor amplitude foi de 0,2V (fonte de sinal).

Figura 3: Formas de onda no osciloscópio.

Discussão

Com o valor de tensão em cima do resistor Rc, pode-se calcular a corrente de coletor.

O valor encontrado é bastante próximo do valor de projeto de 5mA, bem como os valores medidos de VBE e VCE mostram-se coerentes com o projeto. Pode-se ainda calcular a corrente que atravessa o resistor R1:

Que é aproximadamente 10% de Ic, conforme o projeto.

A forma de onda encontrada no osciloscópio mostra de imediato que o circuito está amplificando o sinal de entrada 2x, ou 100%. Um sinal de 0,2V pico foi amplificado para 0,4V pico, o que significa um ganho de 2 vezes. Percebe-se também que o sinal de saída está defasado em 180o em relação ao sinal de entrada. Isto deve-se às características deste circuito amplificador. Quando o sinal de entrada está subindo em sua fase positiva, a corrente de base também cresce. Isso obriga a corrente de coletor a cair, caindo consequentemente a tensão VRC e também a tensão vo. Quando o sinal está descendo em sua fase negativa, o efeito inverso ocorre.

Pode-se calcular o ganho teórico deste amplificador com auxílio do modelo para grandes sinais, conforme a Figura 4.

Figura 4: Modelo para grandes sinais.

 

No modelo, o transistor é substituído por uma fonte dependente de corrente, entre o coletor e o emissor, e por um diodo diretamente polarizado entre a base e o emissor, no caso de transistor NPN, com fator de escala de corrente IS/b . O diodo causa uma queda de tensão VBE entre a base e o coletor, que é usada como parâmetro para a fonte de corrente controlada por tensão entre o coletor e o emissor. Esta também pode ser substituída por uma fonte de corrente controlada por corrente, de valor b IB. Para a análise, coloca-se as fontes de tensão DC em curto e o sinal de entrada vi e o sinal de saída vo. Os capacitores de acoplamento evitam que sinais DC advindos da entrada ou saída façam parte da análise. Como as fontes de tensão DC estão em curto, o efeito é que os resistores entre os terminais do transistor e os terminais da fonte estarão todos eles ligados ao terra do circuito, conforme ilustra a Figura 4. Verificar que o ganho de corrente, para este modelo, é simplesmente b (o que explica a denominação de b como sendo ganho de corrente em emissor comum).

Nota:  O cálculo do ganho, abaixo, está imperfeito.

Há que se assumir um valor para IS, já que este não estava disponível para os experimentos. O valor tomado será 10-14A, bem como VT será 25mV. O valor de vo será portanto a corrente da fonte dependente de corrente multiplicada pelo resistor de coletor.

O ganho, por conseguinte, será:

O que representa um erro de aproximadamente 50%. Este valor teórico de ganho, entretanto, é severamente dependente do valor VBE e de IS. O valor medido de VBE com o multiteste foi de 0,65V, mas é interessante observar que, para um valor de VBE de 0,66V, o ganho passa a:

Que representa um erro de cerca de 1%. Ou seja, um valor de VBE com variação de 1,5% resultou em variação de ganho de quase 50%.

Por fim, é interessante analisar a função dos dois capacitores no circuito. O objetivo deles é bloquear o sinal DC vindo do transistor para a fonte de sinal, e também bloquear o sinal DC vindo do transistor para a tensão vo. O efeito desejado para este circuito é amplificar um sinal variante aplicado na entrada vi. A tensão Vcc serve apenas para polarizar o transistor, e esta não deve interferir no sinal. Portanto, deve ser bloqueada pelos capacitores, denominados capacitores de acoplamento.

A característica de bloqueio DC do capacitor deve-se a sua reatância infinita para correntes contínuas e baixa reatância para correntes alternadas. Para o sinal de 1KHz deste experimento, a reatância é de:

Que é, portanto, bastante baixa para o sinal senoidal e infinita para a corrente contínua.

Comentários Finais

As medidas realizadas no circuito montado mostraram-se coerentes com o projeto anteriormente calculado. Isso validou não somente os cálculos feitos, como também as regras e convenções para o projeto do amplificador de um transistor.

A visualização das formas de onda do amplificador proporcionou identificação imediata das características e do ganho da amplificação. Com a manipulação do sinal de entrada, pôde-se verificar ao mesmo tempo as alterações no sinal de saída, fortalecendo o entendimento do funcionamento do circuito e da polarização de um transistor.

 

Referências Bibliográficas

SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4. edição. São Paulo, Makron Books Ltda., 2000. p. 207 a 225.

FAIRCHILD Semiconductor. NPN General Purpose Amplifier [online]. Disponível na Internet via URL: http://www.fairchildsemi.com/pf/BC/BC547_BC547A_BC547B_BC547C.html. Arquivo capturado em 26/05/2001.