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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA EDNARDO ÉDSON LUCENA E LIMA PROJETO DE UM AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CARAÚBAS - RN 2022 EDNARDO ÉDSON LUCENA E LIMA PROJETO DE UM AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Relatório apresentado à disciplina de Laboratório de Circuitos Eletronicos 2 do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal Rural do Semi- Árido, campus Caraúbas, como requisito para aprovação na referida disciplina. Docente: Prof. Dr. Francisco De Assis Brito Filho CARAÚBAS - RN 2022 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................... 4 2 REFERENCIAL TEÓRICO .................................................................... 5 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................. 6 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................ 7 5 CONCLUSÕES .......................................................................................... 8 5 REFERÊNCIAS ........................................................................................ 9 Figuras: 1 – Circuito Amplificador Diferencial 2 – Análise DC 3 – Análise AC 4 – Análise Transiente da entrada de sinal 5 – Análise Transiente da saída de sinal 4 1 INTRODUÇÃO Este relatório apresenta o projeto de um amplificador diferencial utilizando transistores MOSFETs do tipo BS170. O objetivo é alcançar uma potência de saída de 1mW, com uma alimentação VCC de 2V e um ganho de tensão de -10. A escolha dos MOSFETs BS170 se deve a suas vantagens em baixo consumo de energia e alta impedância de entrada, tornando o amplificador adequado para dispositivos de baixa potência e portáteis. O projeto inclui a explanação dos princípios teóricos, cálculos de componentes, simulações e testes práticos para verificar o desempenho e funcionalidade do amplificador proposto. O objetivo final é criar uma solução eficiente e robusta para amplificação diferencial, atendendo aos requisitos específicos e contribuindo para aplicações em sistemas sensíveis e de baixa potência. 2 REFERENCIAL TEÓRICO O amplificador diferencial é um circuito amplificador que possui duas entradas e uma saída, sendo projetado para amplificar a diferença de tensão entre suas entradas. A utilização de transistores MOSFETs do tipo BS170 permite a implementação de um amplificador diferencial com características adequadas para aplicações em baixa potência e alta sensibilidade. Os transistores MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) são dispositivos semicondutores que oferecem vantagens significativas em relação a outros tipos de transistores, como o baixo consumo de energia e a alta impedância de entrada. O MOSFET BS170, em particular, é conhecido por sua operação eficiente com baixas tensões de alimentação, tornando-o ideal para aplicações em dispositivos portáteis e alimentados por baterias. 5 No projeto do amplificador diferencial, é essencial atingir uma potência de saída de 1mW, um ganho de tensão de 10 e uma tensão de alimentação VCC de 2V. Para alcançar esses objetivos, é necessário selecionar cuidadosamente os valores dos componentes do circuito, como resistores, para garantir o ponto de polarização adequado e a linearidade do amplificador. A topologia diferencial do amplificador oferece vantagens significativas, pois proporciona uma excelente rejeição de ruídos comuns, aumentando a imunidade a interferências externas. Além disso, a amplificação diferencial é utilizada em várias aplicações, como amplificadores de áudio, transmissores e receptores de sinais, além de instrumentação de precisão. Ao longo deste relatório, serão detalhados os princípios teóricos que embasam o funcionamento do amplificador diferencial com MOSFETs do tipo BS170, bem como os cálculos e simulações necessários para alcançar os requisitos de potência, ganho e alimentação estabelecidos. O objetivo é proporcionar uma solução confiável e eficiente para amplificação diferencial, contribuindo para aplicações em sistemas de baixa potência e alta sensibilidade. 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Aqui descreveremos os passos para projetar e analisar o amplificador diferencial utilizando transistores MOSFETs do tipo BS170, a partir dos parâmetros definidos. 3.1 Materiais necessários: 2 - Transistores MOSFETs do tipo BS170 2 - Resistores e capacitores necessários para a configuração do amplificador 1 - Fonte de alimentação com tensão de 2V 2 - Geradores de sinais. 3.2 Seleção dos Componentes Para calcular os valores dos resistores e capacitores necessários para polarizar o transistor MOSFET e garantir o ganho desejado e a linearidade do amplificador, foram utilizadas as equações adequadas para a configuração FC (fonte comum), na análise DC 6 de polarização bem como na análise AC, alem de datasheets do transistor BS170 para obter os valores corretos. Corrente de Dreno (polarização): IDD = 𝑃 𝑉𝐶𝐶 = 1𝑚𝑊 2𝑉 = 0,5𝑚𝐴 Transresistência: 𝑟𝑒 = 26𝑚𝑉 𝐼𝐷𝐷 2⁄ = 26𝑚𝑉 0,25𝑚𝐴 = 104Ω Transcondutância: 𝑔𝑚 = 1 𝑟𝑒 = 9,61x10−3Ω−1 Redistencia de Dreno (polarização): 𝑅𝐷 = |𝐴𝑉| 𝑔𝑚 = 10 9,61x10−3Ω−1 = 1040Ω 3.3 Montagem do circuito No software Multisin montar o amplificador diferencial utilizando os transistores BS170 e os componentes selecionados. 7 Figura 1 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Após o procedimento experimental para o projeto do amplificador diferencial com os BS170, foram obtidos resultados significativos que nos permitem avaliar o desempenho e a eficiência do circuito projetado. A seguir apresentaremos os dados referente à análise AC, DC e Transiente do amplificador. Essas informações são cruciais para compreender a viabilidade e o potencial do circuito proposto em aplicações práticas, bem como identificar possíveis melhorias ou aperfeiçoamentos para futuras implementações. A análise DC tem como objetivo examinar o comportamento do amplificador diferencial em condições estáticas, ou seja, quando não há variação na frequência do sinal de entrada. 8 Figura 2 A análise DC é crucial para definir os valores adequados dos componentes de polarização, garantindo que o amplificador funcione de forma estável e com o ganho de tensão desejado. Observa-se que os valores na entrada (Gate) dos transistores tem seu valor zerado, isso se da devido a ligação direta com uma fonte de alimentação AC (ou gerador de sinal). A análise AC é realizada para examinar o comportamento do amplificador diferencial em resposta a variações de frequência do sinal de entrada. Nessa análise, o circuito é submetido a sinais de entrada de diferentes frequências e a resposta em frequência é analisada. O intervalo definido foi de 900Hz ate 2kHz, tendo assim uma margrm boa para análise. Figura 3 Por fim à análise transiente é utilizada para examinar o comportamento dinâmico do amplificador diferencial em resposta a mudanças abruptas no sinal de entrada. Nessa 9 análise, o circuito é submetido a um sinal de entrada que varia no tempo, e o comportamento da saída é observado à medida que o circuito se adapta a essas variações. A análise transiente é importante para verificar a resposta do amplificador a transições de estado, sua estabilidade e a presença de eventuais oscilações ou distorções transitórias. Figura 4 10 Figura 5 5 CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos, é possível afirmar que o amplificador diferencial projetado possui potencial para contribuir de formasignificativa em sistemas que requerem amplificação de sinais com precisão e rejeição de ruídos comuns. No entanto, é importante destacar que sempre há espaço para aprimoramentos contínuos e otimizações no projeto, considerando fatores como a minimização de distorções, a melhoria da linearidade e a redução de consumo de energia. Os resultados obtidos por meio das análises DC, AC e Transiente demonstram que para os parâmetros de Vcc=2v, Av= -10 e P=1mW, o transistor BS107 atingiu todas as necessidades, assim como está explicito em seu Datasheet. 6 REFERÊNCIAS Boylestad, Robert L. Dispositivos Eletrônicos / Robert L. Boylestad. - 9. ed. - São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006. PHILIPS. BS107 Datasheet. Disponível em: https://pdf1.alldatasheetpt.com/datasheet- pdf/view/16633/PHILIPS/BS107.html. Acesso em: 26 de julho de 2023. 11
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