Eletronica Analogica tbj

1 Projeto de um amplificador classe A de dois estágios DISCIPLINA ELP51 Eletrônica Analógica 2 Elaboração Prof Luis Carlos Vieira DAELNCT OBJETIVO Projetar um circuito amplificador classe A de dois estágios AVALIAÇÃO Este projeto será desenvolvido ao longo do semestre sendo que o mesmo será avaliado em 2 etapas a entrega do projeto teórico completo com os cálculos de todos os resistores e capacitores e demais parâmetros de projeto conforme solicitado b apresentação do circuito completo montado preferencialmente em protoboard Ensaio do circuito em sala de aula demonstrando seu funcionamento ao professor e entrega de relatório final ESPECIFICAÇÕES DE PROJETO Tensão de alimentação 12V Resistência de carga RL 47 k Corrente quiescente de coletor em cada estágio Ic mA valor a ser definido para cada grupo Tensão quiescente de coletoremissor VCE Vcc2 Neste projeto VCE1 VCE2 Impedância de entrada Zi 1kΩ Ganho de tensão total Av entre 120 e 300 sem distorção do sinal senoidal Frequência de corte inferior fci de cada estágio entre 200 Hz e 300 Hz livre escolha Frequência de operação fo 2 kHz medir o ganho de tensão nesta frequência Sinal de entrada AC Vin 40 mVpp para evitar distorção um valor menor pode ser usado CIRCUITO AMPLIFICADOR Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Departamento Acadêmico de Eletrônica DAELN 2 No terminal emissor RE1 RE11 RE21 O valor de RE afeta a polarização DC enquanto que RE11 ou RE12 afeta o ganho de tensão RE11 ou RE12 mantém o ganho de cada estágio mais estável em relação a variações do beta do transistor Porém esses resistores diminuem o ganho do amplificador No projeto a ser desenvolvido os resistores do 2o estágio poderão ser iguais aos do 1o estágio Ainda assim o ganho do 1o estágio tende a ser menor do que o ganho do 2o estágio PROJETO DE POLARIZAÇÃO DO AMPLIFICADOR A fim de obterse uma boa estabilidade de polarização a tensão de emissor VE deve ser de 10 a 15 da tensão Vcc Neste projeto assumir VE igual a 10 de Vcc Logo a resistência de emissor será REV E I C assumindo IE IC Uma vez que VE1 VE2 teremos RE1 RE2 Os valores específicos de RE11 RE21 RE12 RE22 serão definidos com base na análise CA A resistência de coletor é determinada por RCV CCV C I C ou RCV CCV CEV E I C RC1 RC2 Escolher o valor comercial mais próximo ou associar resistores Na sequência devese estimar a corrente e a tensão de base Assumindo V BE 07 V a tensão na base é dada por VB VE 07 V Neste projeto VB1 VB2 A corrente na base é determinada como a corrente de coletor dividida por hFE ou beta O valor de hFE pode ser obtido a partir da folha de dados do transistor Porém como esse parâmetro varia muito entre transistores de mesmo tipo o fabricante fornece uma faixa de valores hFE Logo podese fazer os cálculos com base num valor médio de hFE e a corrente de base calculada será apenas uma estimativa aproximada do valor real OBS no caso deste projeto pode ser utilizado o valor de hFE medido na prática de laboratório anterior A corrente em RB2 e RB4 dever ser pelo menos 10 vezes maior do que a corrente de base Neste projeto calcular essa corrente como IRB2 25IB1 e IRB4 25IB2 Logo os valores de RB2 e RB4 são calculados como RB2V B1 I RB2 e RB4 V B 2 I RB4 Assumindo que a IRB1 IRB2 a resistência RB1 é dada por RB1V CCV B1 I RB2 Da mesma forma RB3V CCV B2 I RB4 3 Importante Na implementação prática as seguintes variações serão aceitas nos valores medidos do ponto quiescente VCE 05 V IC 07 mA para o caso projetado de 5 mA IC 06 mA para o caso projetado de 4 mA CÁLCULO DOS RESISTORES DE REALIMENTAÇÃO CA O valor dos resistores de realimentação CA RE1x são definidos em função do ganho de tensão desejado para cada estágio a Resistores de emissor do 2 o estágio No caso do 2o estágio o ganho de tensão é dado por Av2 RC 2 r e2RE12 assumindo RC2 ro e RC2 RL Como visto na teoria do modelo re a resistência dinâmica do transistor é definida como re 26mV IE Logo o resistor de realimentação do 2o estágio pode ser obtido como RE12 RC 2 Av 2 r e2 Utilizar nesse cálculo o valor comercial de RC2 O resistor RE22 é então determinado como RE22RE RE 12 b Resistores de emissor do 1 o estágio O ganho de tensão do 1o estágio é dado por Av1 RC 1 Zi2 r e1RE11 Nesta fórmula RE11 é a resistência de realimentação CA do 1o estágio Zi2 é a impedância vista na entrada do 2o estágio dada por Zi2RB3 RB 4 β2re 2 RE 12 RE12 é a resistência CA do 2o estágio obtida anteriormente Logo o resistor de realimentação do 1o estágio pode ser obtido por RE11 RC 1 Zi2 Av 1 re1 Nos cálculos acima utilizar os valores comerciais de resistores O resistor RE21 do 1o estágio pode ser determinado como RE21RE RE 11 Após todos os resistores serem determinados verificar se a impedância de entrada do amplificador atende ao valor especificado no projeto Zi 1kΩ ZiRB1 RB2 β1re1RE11 Caso Zi fique num valor menor do que o especificado alterar o critério de polarização IRB2 25IB1 de modo a aumentar a impedância vista na entrada 4 CÁLCULO DOS CAPACITORES Para a conclusão do projeto é necessário o cálculo dos capacitores de acoplamento C1 C3 C4 e de bypass C2 e C5 Estes capacitores determinam a frequência de corte inferior fci do amplificador Na prática para o amplificador de um único estágio calculase os capacitores para a mesma fci e na sequência escolhese o capacitor de maior valor para definir a fci do estágio amplificador Geralmente este capacitor é o de bypass Os capacitores menores são então multiplicados por 10 o que resulta em reatâncias capacitivas bem baixas na frequência de corte inferior projetada Neste projeto realizar os cálculos de modo que ambos os estágios tenham a mesma frequência de corte inferior fci Na montagem prática a frequência de corte inferior do amplificador de 2 estágios será maior do que fci devido à interação entre os dois estágios Para um amplificador de 2 estágios a frequência de corte inferior final fci2 é dada por f ci2 f ci 2 121 ou f ci2156 f ci Nos cálculos a seguir utilizar os valores comerciais de resistores que foram obtidos anteriormente a Cálculo de C1 O capacitor C1 está acoplado em série com a impedância de saída da fonte de sinal Rs e a impedância de entrada do amplificador C1a 1 2 π f ciRsZi ZiRB1 RB2 β1re1RE11 C1 10C1a Obs Considerar Rs 50 Ω Após o cálculo teórico de C1 escolher o valor comercial mais próximo acima do valor calculado b Cálculo de C2 Na determinação de C2 devese considerar a resistência equivalente CA Req vista nos terminais de RE21 1o estágio ReqRE21 RB 1 RB2 RS β1 re 1RE11 C2 1 2 π f ci Req Escolher para C2 o valor comercial mais próximo acima ou abaixo do valor teórico c Cálculo de C3 O capacitor C3 está acoplado em série com RC1 e a impedância de entrada do 2o estágio C3a 1 2 π f ciRC 1Zi2 C3 10C3a d Cálculo de C4 O capacitor C4 está em série com RC2 e RL Logo este capacitor pode ser calculado como 5 C4a 1 2π f ciRC 2RL desprezando o efeito de ro C4 10C4a Escolher o valor comercial mais próximo acima do valor calculado e Cálculo de C5 Na determinação de C5 considerar a resistência equivalente CA Req vista nos terminais de RE22 ReqRE22 RB 3 RB4 RC1 β2 re 2RE12 C5 1 2 π f ci Req Escolher para C5 o valor comercial mais próximo acima ou abaixo do valor teórico Importante Simular o circuito para revisar o projeto e verificar se a forma de onda de saída aparece na forma senoidal bem como conferir o ganho de tensão obtido Achatamentos na forma de onda significam distorção do sinal Se o sinal de saída conter distorção será considerado que o mesmo não está funcionando de forma adequada Se o ganho total ficar menor que 120 alterar o valor de R E1x do 1o ou 2o estágio ou de ambos de modo a aumentar o ganho total Após a finalização dos cálculos e a simulação do circuito preencher o Anexo A Tabela com Valores de Projeto do Amplificador para entrega ao professor dentro do prazo estabelecido 6 Anexo A Tabela com Valores de Projeto do Amplificador NOME Código NOME Código 1 Resistência de carga RL 47 kΩ 2 Tipo de transistor NPN BC548B ou 3 Corrente quiescente de coletor Ic mA 4 Tensão quiescente de coletoremissor VCE V 5 Ganhos de tensão de cada estágio AV1 AV2 6 Ganho de tensão total AV 7 Frequência de corte inferior de cada estágio fci Hz 8 Valor de ou hFE do transistor T1 medido anteriormente 1 9 Valor de ou hFE do transistor T2 medido anteriormente 2 10 Resistência total de emissor 1o estágio VE IC RE1 Ω 11 Resistência parcial de emissor RE11 1o estágio RE11 calculado Ω RE11 comercial Ω 12 Resistência parcial de emissor RE21 1o estágio RE21 calculado Ω RE21 comercial Ω 13 Resistência de coletor 1o estágio RC1 calculado Ω RC1 comercial Ω 14 Valor estimado da corrente na base de T1 IB1 μA 15 Valor calculado da corrente em RB2 1o estágio IRB2 μA 16 Resistência RB1 1o estágio RB1 calculado Ω RB1 comercial Ω 7 17 Resistência RB2 1o estágio RB2 calculado Ω RB2 comercial Ω 18 Valor calculado da resistência dinâmica de emissor re de T1 re1 Ω 19 Impedância de entrada do amplificador calculado Utilizar no cálculo o valor comercial de resistores Zi Ω 20 Resistência total de emissor 2o estágio VE IC RE2 Ω 21 Resistência parcial de emissor RE12 2o estágio RE12 calculado Ω RE12 comercial Ω 22 Resistência parcial de emissor RE22 2o estágio RE22 calculado Ω RE22 comercial Ω 23 Resistência de coletor 2o estágio RC2 calculado Ω RC2 comercial Ω 24 Valor estimado da corrente na base de T2 IB2 μA 25 Valor calculado da corrente em RB4 2o estágio IRB4 μA 26 Resistência RB3 2o estágio RB3 calculado Ω RB3 comercial Ω 27 Resistência RB4 2o estágio RB4 calculado Ω RB4 comercial Ω 28 Valor calculado da resistência dinâmica de emissor re de T2 re2 Ω 29 Capacitor C1 C1 calculado μF C1 comercial μF 30 Capacitor C2 C2 calculado μF C2 comercial μF 31 Capacitor C3 C3 calculado μF C3 comercial μF 32 Capacitor C4 C4 calculado μF C4 comercial μF 8 33 Capacitor C5 C5 calculado μF C5 comercial μF OBSERVAÇÕES Descrever abaixo qualquer alteração necessária nos cálculos originais a fim de atingir as especificações do projeto Exemplo se for alterado o critério IRB2 25IB1 Anexo A Tabela com Valores de Projeto do Amplificador Nome Código Item Descrição Valor Calculado Valor Comercial 1 Resistência de carga RL 47 kΩ 2 Tipo de transistor BC548B NPN 3 Corrente quiescente de coletor IC 5 mA 4 Tensão quiescente de coletoremissor VCE 60 V 5 Ganho de tensão do 1º estágio Av1 10 6 Ganho de tensão do 2º estágio Av2 15 7 Ganho de tensão total Av 150 8 Frequência de corte inferior de cada estágio fci 250 Hz 9 Valor de do β transistor T1 100 10 Valor de do β transistor T2 100 11 Resistência total de emissor RE1 240 Ω 240 Ω 12 Resistência parcial de emissor RE11 1º estágio 464 Ω 47 Ω 13 Resistência parcial de emissor RE21 1º estágio 193 Ω 200 Ω 14 Resistência de coletor RC1 1º estágio 960 Ω 1000 Ω 15 Corrente de base IB1 estimada 50 A μ 16 Corrente em RB2 1º estágio 125 mA 17 Resistência RB1 1º estágio 8080 Ω 8200 Ω 18 Resistência RB2 1º estágio 1520 Ω 1500 Ω 19 Resistência dinâmica do emissor re1 52 Ω 20 Impedância de entrada Zi 1019 Ω 21 Resistência total de emissor RE2 240 Ω 240 Ω 22 Resistência parcial de emissor RE12 2º estágio 6147 Ω 62 Ω 23 Resistência parcial de emissor RE22 2º estágio 178 Ω 180 Ω 24 Resistência de coletor RC2 2º estágio 960 Ω 1000 Ω 25 Corrente de base IB2 estimada 50 A μ 26 Corrente em RB4 2º estágio 125 mA 27 Resistência RB3 2º estágio 8080 Ω 8200 Ω 28 Resistência RB4 2º estágio 1520 Ω 1500 Ω 29 Resistência dinâmica do emissor re2 52 Ω 30 Capacitor C1 595 F μ 68 F μ 31 Capacitor C2 153 F μ 22 F μ 32 Capacitor C3 308 F μ 47 F μ 33 Capacitor C4 0133 F μ 015 F μ 34 Capacitor C5 118 F μ 22 F μ 3 determinação da tensão base VD e corrente de base IB Para polarização estável considerase VBE 07 V então VB VE VBE 12 V 07 V 19 V A corrente em cada transistor aprox max IE IC é IB IC β 5 mA 100 50 μA Para garantir a boa base façase a corrente da rede de polarização 25 vezes maior IRB 25 x IB 25 x 50 μA 125 mA 4 cálculo de dois resistores de cada divisão de base RBL e RB para o 1º estagio RB3 e RB4 para o segundo estágio No primeiro estágio RB1 ligado a VD1 terra deve conduzir 125 mA e RB1 ligado de VEE a VB1 também conduz 125 mA RB1 VB1 IRB 19 V 125 mA 1510 Ω valor comercial 8 100 Ω RB1 VEE VB1 IRB 12 V 19 V 125 mA 8080 Ω valor comercial 8 100 Ω 1 DADOS DO PROJETO Tensão de alimentação VEE 12 V Resistência da carga RL 47 kΩ Transistores BE548 B NPN com hFE médio 100 β100 em cada estágio Corrente quiescente de coletor em cada transmissor IC1IC2 5 mA Tensão quiescente de coletoremissor em cada transistor VCE1 VCE2 metade da VEE 6 V Frequência da operação para medir ganho de tensão 2 kHz Frequência de corte inferior desejada para cada estágio FEi 250 Hz Sinal de entrada AC 40 mVpp Impedância de entrada mínima exigida 17 Ω 2 Projeto da polarização em corrente contínua ECE 1 definição de VE e cálculo de RE total VE 010 x VEE 010 x 12 V RE VE IC 12 5mA 240 Ω Nos dois estágios RE1 RE2 240 Ω valor comercial 2 CÁLCULO DE RE RE VEE VCE VE 1E 12 V 60 V 12 V 48 V 5 mA 5 mA 960 Ω No estágio 1 calculase analogamente VB1 19 V igual ao 1º estágio 1RB4 125 mA RB1 VB1 125 mA 19 V 125 mA 1520 Ω valor comercial 1500 Ω RB3 12 V 19 V 125 mA 8080 Ω valor comercial 8200 Ω Resumindo a polarização de este estágio RE total 240 Ω NE 1 Ω VB 19 V RB de cima RB1 ou RB3 81 kΩ RB de baixo RB2 ou RB4 15 kΩ 5 cálculo da resistência dinâmica do emissor RE em cada transistor Aproximadamente de RE 26 mV IC como IC 5 mA temos RE 26 mV 5 mA 52 Ω Assim NE1 RE2 52 Ω 6 Projeto de resistores em realimentação AC REAL RE1D no 1º estágio RE2D e RC1 no 1º estágio AV total 150 distribuído AV1 10 no 1º estágio e AV2 15 no 2º estágio 1 1 L 2 estagio transition t1 envleio de Re1 e Re12 Av2 Re12 52 Re12 Queremos Av2 15 com Re1 1000 Ω e Re12 52 Ω 15 1000 52 Re12 1000 15 6667 Ω Re12 6667 52 6147 Ω Valor comercial mais próximo para Re12 62 Ω como Re total Re12 240Ω 62Ω 178 Ω o valor comercial mais próximo é de 180Ω portanto no 1 estagio Re12 62 Ω Re22 180Ω Verificação de ganho prático Av2 1000 52 62 1000 672 1488 15 1 impedância de entrada do 1 estagio Zi1 necessária para elevar o ganho do 1 estagio 1 1 Zi1 é vista na base de t2 e vale Zi1 RB3RB4 β2 x Re12 Re11 Substituindo RB3 8100 Ω RB4 1500 Ω β2 100 Re2 52 Ω 62 Ω 671 Ω β2 x Re12 Re11 100 x 672 Ω 6720 Ω Paralelo de 8100 Ω 1500 Ω e 6720 Ω 1 Zi1 1 8100 1 1500 1 6720 0000123 0000667 0000147 0000937 Zi1 1 0000937 1066 Ω 1 estagio po transistor t1 envleio de Re11 e Re11 Ganho próximo do 1 estagio Av1 Re1 Zi1Zi2 Re1 Re11 Re2 1000 Ω e Re1 52 Ω também Zi21066 Ω primeiro eleva Re11Zi2 Re11Zi2 1 1 1000 1 1066 1 0001 0000938 516 Ω 1 1 para que Av1 10 faz se 10 516 52 Re11 516 10 516 Ω Re11 516 52 464 Ω Valor comercial mais próximo para Re11 47 Ω então como Re1 total 240Ω 47 Ω 193 Ω valor comercial mais próximo 200 Ω Assim no 1 estagio Re11 47 Ω Re21 200 Ω Verificação de ganho prático Av1 516 52 47 516 512 988 10 Negociação de is pedância de entrada total Zi do amplificador Zi 1 Ω no 1 estagio calculase Zi paralelo entre RB1 RB2 e β1 x Re7 Re11 RB1 8100 Ω RB2 1500 Ω β1 x Req1 Re11 RB1 8100 Ω RB2 1500 Ω β1 x Req1 Re11 100 x 52 Ω 47 Ω 100 x 512 5120 Ω Paralelo 1 Z 18100 11500 15120 0000667 0000192 0000195 0600981 Zi 1 0000981 1019 Ω Assim Zi é 1019 Ω que satisfaz Zi 1000 Ω Lista final de valores teóricos x comerciais Estágio 1 1 Re1 total 240 Ω comercial 240 Ω Re11 total 464 Ω comercial 47 Ω Re21 Total 153 Ω comercial 1000 Ω Re11 960 Ω comercial 1000 Ω RB1 8080 Ω comercial 8100 Ω Estágio 2 2 Re1 total2 240 Ω comercial 240 Ω Re12 total2 6147 Ω comercial 62 Ω Re22 total 178 Ω comercial 180Ω Re1 total 960 Ω comercial 1000 Ω Valores dos componentes R03 total 8080 Ω comercial 8200 RB4 total 1520 Ω comercial 1500 Ω Cálculo de capacitores para estimar as frequências de corte inferiores Capacitor C1 carga vista em série R5 50 Ω da fonte Zi 1019Ω no amplificador e1 1 2πfe1Zst Zi 1 2π 150HZ x 1019Ω 1 2π x 150 x 1069 595 x 106 F 0595 µF e1 10 x 0595 µF 595 µF Valor comercial 68 µF tensão nominal 16V 2 Capacitor C2 bypass de R21 no 1º estágio req2 resistência equivalente vista em reb1 pc21 200 Ω Do outro lado RB1 RB2 R5 dividimos por β1 somando a req re RB1 RB2 R5 1 RB1 RB2 R5 18200 11500 150 0000122 0000667 002 0020789 4812 Ω Dividindo por β1 100 4812 100 0481 Ω Soma com Req1 Re11 52 Ω 47 Ω 522 Ω Então dentro 0481 Ω 522 Ω 52681 Ω Agora Req2 paralelo entre 200 Ω Re21 e 52681 Ω Req2 1 1200 152681 1 0005 0019 0024 Cálculo de e2 e2 1 2πfe1 Req1 1 2π x 250 Hz x 4167 Ω 153 x 105 F 153 µF Valor comercial mais próximo 22 µF tensão nominal 16V 3 Capacitor C3 acoplamento entre estágios carga vista em série Re21 1000 Ω Zi 1069 Ω capacitor mínima c2a c2a 1 2πfei re1 zi1 1 2π x 250 Hz x 1000Ω 1066Ω 1 2π x 250 x 1066 308 x 10⁷ F 0308 μF c2a 308 μF valor corrente mais próximo 47 μF 4º capacitor em acoplamento na saída do 1º estágio carga em série re 9 rl2 48 000 Ω capacitancia mínima em c4 c4 1 2πfei re9 rl2 2π x 250 Hz x 48000Ω 1 366 x 10⁸ f 00133 μf c4 0133 μF valor corrente mais próximo 015 μF 5 capacitor c5 by pass de rd22 no estágio 21 Calculase a resistência vista em rd22 req5 rd22 180 Ω rb3 rb4 re1 β2 somando re2 re12 Então paralelo de rb3 8200 Ω rb4 1500Ω e 10 Ω 18200 11500 1 10 0000122 0000667 01 0100789 991Ω aprox soma com re2 re12 52 Ω 62 Ω 672 Ω totalando portanto 991 Ω 672 Ω 7712 Ω req5 paralelo entre 180 Ω e 7712Ω req5 1 1180 17712 1 000556 001297 001853 5396 Ω cálculo de c5 c5 1 2πfei req5 2π x 250 Hz x 5396Ω 112 x 10⁵ F 112 μF valor corrente mais próximo 22 μF tensão nominal 16V resumo final dos capacitores teóricos x comerciais ex1 595 μF 68 μF ex2 153 μF 22 μF ex3 308 μF 47 μF ex4 0133 μF 015 μF ex5 118 μF 22 μF gamas de tensão calculados definitivos t1 av1 re11 zi1 re1 re11 0516 988 10 52 147 t2 av2 re2 re2 re12 1000 1488 15 5 2 62 av total av1 x av2 10 x 15 150 dentro do intervalo desejado