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
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 2 06/2000 Amplificador operacional discreto
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.
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 3 06/2000 Amplificador operacional discreto
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 ==+=
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 4 06/2000 Amplificador operacional discreto
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
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 5 06/2000 Amplificador operacional discreto
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
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 6 06/2000 Amplificador operacional discreto
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
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 7 06/2000 Amplificador operacional discreto
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.
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 8 06/2000 Amplificador operacional discreto
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 =⇔
+=
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 9 06/2000 Amplificador operacional discreto
SIMULAÇÃO EM EWB
mV 23.110012332.1
1001*1001 1
1 ≈==⇒=VVVV ioio
ENSAIO NO LABORATÓRIO
mV 5.11001
5.1V 5.11 ≈=⇒= ioVV
CONCLUSÕES
Mais uma vez os valores experimentais e simulados com o EWB são semelhantes.
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 10 06/2000 Amplificador operacional discreto
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.
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 11 06/2000 Amplificador operacional discreto
SIMULAÇÃO EM EWB
VV 3202
9.14.41001
V 9.1V 4.4
≈
−=⇒
==
Avv
i
i
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 12 06/2000 Amplificador operacional discreto
ENSAIO NO LABORATÓRIO
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.
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 13 06/2000 Amplificador operacional discreto
SIMULAÇÃO EM EWB
VV 84852
42.04.41001
mV 421V 4.4
≈
−=⇒
==
Avv
i
i
ENSAIO NO LABORATÓRIO
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)
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 14 06/2000 Amplificador operacional discreto
SIMULAÇÃO EM EWB
VV310*302
14.04.41001
V 14.0V 4.4
≈
−=⇒
==
Avv
i
i
ENSAIO NO LABORATÓRIO
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
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 15 06/2000 Amplificador operacional discreto
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.
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 16 06/2000 Amplificador operacional discreto
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:
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 17 06/2000 Amplificador operacional discreto
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
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 18 06/2000 Amplificador operacional discreto
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.
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 19 06/2000 Amplificador operacional discreto
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
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 20 06/2000 Amplificador operacional discreto
Resposta temporal variando R17 (transição ascendente)
ENSAIO NO LABORATÓRIO Ganho –10: R17=10 KΩ R18=1 KΩ
Transição ascendente Transição descendente
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 21 06/2000 Amplificador operacional discreto
Ganho –5.6: R17=5.6 KΩ R18=1 KΩ
Transição ascendente Transição descendente
Ganho –3.3: R17=3.3 KΩ R18=1 KΩ
Transição ascendente Transição descendente
Ganho –1.8: R17=1.8 KΩ R18=1 KΩ
Transição ascendente Transição descendente
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 22 06/2000 Amplificador operacional discreto
Ganho –1.2: R17=1.2 KΩ R18=1 KΩ
Transição ascendente Transição descendente
Ganho –1: R17=1 KΩ R18=1 KΩ
Transição ascendente Transição descendente
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 23 06/2000 Amplificador operacional discreto
COMPENSAÇÃO COM C1 (EFEITO MILLER) SIMULAÇÃO EM EWB
Resposta temporal variando C1 (transição ascendente)
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 24 06/2000 Amplificador operacional discreto
Resposta temporal variando C1 (transição descendente)
ENSAIO NO LABORATÓRIO C1=10 nF
Transição ascendente Transição descendente
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 25 06/2000 Amplificador operacional discreto
C1=1.5 nF
Transição ascendente Transição descendente
C1=680 pF
Transição ascendente Transição descendente
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 26 06/2000 Amplificador operacional discreto
COMPENSAÇÃO COM C2 (EFEITO POLE SPLITTING) SIMULAÇÃO EM EWB
Resposta temporal variando C2 (transição ascendente)
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 27 06/2000 Amplificador operacional discreto
ENSAIO NO LABORATÓRIO C2=100 nF
Transição ascendente Transição descendente
C2=15 nF
Transição ascendente Transição descendente
C2=1 nF
Transição ascendente Transição descendente
Electrónica 2 Montagem e ensaio de um Página 28 06/2000 Amplificador operacional discreto
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.
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