Relatorio Prática 1 Cascode

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Universidade Federal de Pernambuco – UFPE
Departamento de Eletrônica e Sistemas – DES
Eletrônica II
Laboratório I: Polarização e Análise em Pequenos Sinais
Recife, 25 de setembro de 2015
Introdução
	O transistor é um componente eletrônico muito utilizado como comutador em Eletrônica Digital (funcionamento na região de corte e na de saturação). Na Eletrônica Analógica, aparece sobretudo, como dispositivo linear (funcionamento na região ativa). O grande avanço da tecnologia na área de eletrônica se deve, principalmente, ao nível de amplificação que os transistores são capazes de fornecer. Nesta prática, iremos abordar o uso de transistores bipolares aplicados na configuração Cascode a fim de analisarmos a viabilidade desse modelo. 
	
Objetivo
	O intuito da prática é a aplicação do conhecimento adquirido em sala, de forma teórica, buscando ampliar a visão de análise de circuitos e sua utilização em instrumentação eletrônica. Fazendo uso de configurações Cascode, bem como comparando seus resultados e escolhendo a configuração que melhor se adapta ao projeto, fazendo uso de resultados experimentais, simulados e teóricos.	
Metodologia
	Foi fornecido um circuito com resistores, capacitores e transistores acoplados. Analisando a resposta em frequência, implementando um circuito com uma boa excursão de sinal e pouca dependência com a temperatura fazendo uso de uma polarização otimizada (escolhendo resistores de forma a obter a melhor excursão do sinal). Foi verificado as resistências de entrada, saída, o ganho de tensão e corrente de cada configuração. Por fim, foi feia a analise em média lta frequência dada pelos capacitores externos ao circuito. 
Fundamentação Teórica
	
A configuração cascode tem por função alta impedância de entrada com ganho de tensão moderado em altas frequências. O arranjo mais comum desta configuração é cascatear (estágios) um amplificador emissor comum com um estágio base comum, como mostrado na figura 2 abaixo. Esta configuração permite que a capacitância base coletor do transistor do primeiro estágio não seja amplificada pelo efeito miller.
Figura 1: Configuração Cascode
Cada capacitor da figura 1 tem um função, assim: os capacitores CS , CE , CC bloqueiam o nível DC; o capacitor CB aterrar ,em AC, a base de Q2;Os resistores RB1 ,RB2 ,RB3 define as tensões nas bases dos transistores, analisando a polarização DC; o Resistor RE define a corrente de polarização (IC ) e o RC a carga (também define o ganho de tensão).
CARACTERISTICAS:
· Resistência de saída (ROUT) alta (maior que o emissor comum)
· Minimização do efeito Miller na capacitância de CL de Q1, aumentando a sua resposta em frequência;
Teoria
T1) Dado o circuito de referência da figura 2, foi pedido para polarizar este circuito de forma a se obter uma corrente de emissor que seja fiel ao valor calculado e de forma que a tensão de coletor propicie uma boa excursão do sinal amplificado. 
· Analise DC
Como um arranjo pratico foi utilizado a regra de VBB com cerca de Vcc, VcB com cerca de Vcc e ICRC com cerca de Vcc.E considerando IC1=IC2=IE1=IE2 = 1mA
Preencher aqui com os dados calculados
Figura 2: Circuito Referencia - Cascode
T2) Fazer a análise em pequenos sinais e obter o ganho de tensão e de corrente do circuito e as impedâncias de entrada e de saída. Também determinar a tensão máxima de entrada para que o circuito não entre em corte ou saturação.
Cascode em AC
Ganho de tensão 
Base Comum : Avb = = = =137,4 V/V
Emissor Comum: Ave = = 
Logo: 
 Av = Avb x Ave = -137 V/V
O ganho global : Gv = -137 V/V , pois não figura a fonte aparece como ideal.
 
Resistencia de entrada e saida
Resistencia da base: Rib = rπ2 = 2,5 KΩ
Resistencia de entrada : RIN = (R1 || R2) || Rib = 714 Ω
Resistencia de Saida: Rout = 6KΩ
Ganho de Corrente
Ai = = = -28.57 A/A
Tensao Maxima
Na saturação a corrente do coletor é máxima,logo:
Ic = = 12 / 6k = 2mA
Como a corrente de base é muito próxima de zero, implica Ic = Ie e consequentemente Vc = Ve , logo:
Vc = Re x Ie = 2,6 V
A tensão de saída para o circuito na saturação deve ser Vo = 2,6 V,assim usando a formula do ganho de tensão global:
|Gv| = Vo / Vs 
-137,4 = 2,6/Vs
Vsmax = 52,8 V
T3)Constante de tempo de circuito Fechado- Frequencia de corte inferior 	
Circuito 1 – Analisando o Capacitor Cs
Logo em AC:
Rcs = rπ2 = 714,29 Ω
= Rcs Cs = 0,157
Circuito 2 – Analisando o Capacitor CE
Logo: 
Rce = || Re = 33,75 Ω
= Rce Ce = 7,42x10-3
 
Circuito 3 – Analisando o Capacitor CB
Logo:
 rπ1 = 975,6 Ω 
= RcB CB = 0,215
Capacitor CL
14k
= RCL CL = 3.08
Logo :
fL = = 23,26 Hz
Simulação
Usamos o programa LTspice como software de simulação, o circuito foi polarizado conforme os valores obtidos na teoria e chegamos aos seguintes resultados:
S1) Escolha uma ferramenta de simulação adequada e obtenha os valores da polarização (Ic, VBE1 (ON), VBE2 (ON) etc) e os compare com os teóricos. Há alguma diferença? Explique.
Análise DC:
 Ie = 1.02261 mA
Figura S1: Tensões nos Terminais em DC do Circuito Polarizado.
Os valores simulados foram bem próximos (podemos considerar iguais) aos valores calculados da parte teórica, as tensões de base Vb1 e Vb2 tiveram uma diferença de menos de 0.02V, diferença dada pelas aproximações nos cálculos teóricos. Verificamos também que as correntes de base são praticamente desconsideráveis. Percebe-se também que os valores gerados pelo software nos fornecem valores condizentes com os valores teóricos. O circuito acima foi montado sem os capacitores e sem a fonte de sinal para facilitar a análise, pois os capacitores se comportam como se estivessem abertos na configuração DC, podendo ser comprovado na figura S2.
S2) Quais os ganhos de tensão e de corrente obtidos na simulação do circuito?
Para o ganho de tensão e correte, simulamos e analisamos em sua configuração AC.
Análise AC: --- Operating Point ---
V(n002):	 5.92446	 
V(n004):	 3.98	 
V(n005):	 3.32471	 
V(n007):	 1.98496	 
V(n008):	 1.32939	 
V(n001):	 12	 
Ic(Q2):	 0.00101757	 
Ib(Q2):	 5.03742e-006	 
Ie(Q2):	 -0.00102261	 
Ic(Q1):	 0.00101259	 
Ib(Q1):	 4.98284e-006	 
Ie(Q1):	 -0.00101757	 
I(C1):	 2.92467e-016	 
I(R4):	 1.30338e-015	 
I(Rc):	 0.00101259	 
I(Re):	 0.00102261	 
I(R3):	 0.0010025	 
I(R2):	 0.000997518	 
I(R1):	 0.00099248	 
I(V2):	 4.36691e-017	 
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Figura S2: Tensões nos Terminais em AC do Circuito Polarizado.
Os ganhos observados na simulação foram observados pelo sinal de entrada e saída como mostrado abaixo. O gráfico azul é o sinal de entrada e o vermelho de sinal de saída.
Figura S3: Ganho do Circuito
Para os ganhos de tesão e de corrente, "Av" e "Ai":
Para calcular o valor do ganho de corrente acima, usamos o valor aproximado da corrente na carga (resistor R4), e a acorrente proveniente da fonte de sinal (fonte V2), apresentados em vermelho na tabela acima.
S3) Para o ganho de tensão, mostre o resultado num gráfico vo x vs (utilize valores de vs tal que se possa observar o transistor na região linear em pequenos sinais e próximo do corte e da saturação). Comente sobre a curva obtida. Obtenha os valores das impedâncias de entrada e de saída. Escolha um valor adequado para vi em pequenos sinais e trace a curva vo/vs em função da frequência e obtenha fL.
Resposta em frequência para obter :
Figura S4: Gráfico para determinar " "
 
Observando o gráfico da resposta em frequência da figura acima, podemos verificar a "fL" olhando o ganho em banda média e caindo 3db para a esquerda. Então:
Impedâncias de entrada e saída:
Para calcular tais impedâncias, colocamos um potenciômetro em série na entrada no circuito da figura S2, e variamos sua resistência de forma que o ganho caísse pela metade, de forma análoga calculamos a resistência de saída, colocando o potenciômetro em paralelo com o resistor R4.De acordo com o procedimento feito um valor aproximado para a resistência de entrada foi:
Equipamentos utilizados
- Fonte de alimentação; 
- Multímetro; 
- Transistor 2N3904; 
- Resistores de KΩ, 10KΩ, 2.2KΩ, KΩ e KΩ;
- Capacitores de 220μF e μF;
- Gerador de Frequência;
- Osciloscópio;
- Entrada CC.
Prática
1) Procedimento Experimental
P1) Montado o circuito no laboratório, este foi polarizado da maneira mais próxima possível da teórica. Inicialmente foi medido os valores de tensão e correntes para checar se os valores teóricos estão próximos aos medidos na pratica. Logo em seguida, foi medido o ganho de tensão, bem como os valores da resistência de entrada e de saída. Fez o uso de um osciloscópio e o Gerador de frequência para a medição do ganho para cada configuração. No gerador de frequência inicialmente foi utilizado 10KHz e uma tensão de entrada de amplitude inicial, representando vsig, de 20mV (figura 3). Ligou-se a fonte de alimentação CC de 15V.
Figura 3: Montagem do Circuito-
Configuração Cascode
. 
Figura 4: Montagem do Circuito-
Configuração Cascode
P3)Foi necessário alterar o osciloscópio para o tipo XY ,onde pode-se medir os a curva Vo X Vs .Também foi possível medir a frequência, até atingir 3dB,estimando assim o valor de fL. 
2) Resultado e Análise
P1) Medindo os valores de polarização:
Configuração Cascode
· Correntes: 
 
 
 
 
· Tensões de base: 
· Tensões do coletor: 
 
· Tensões no emissor: 
Concluímos que os valores quiescentes de tensão e corrente estão de acordo com os calculados e simulados. Sendo possível então dar continuidade a pratica com essas configurações.
Ganho de tensão:
O ganho obtido foi de ~ 105,6 V/V, como mostra a figura 1.Em azul (CH1) está a entrada do circuito e em vermelho (CH2) a saída amplificada.
Figura 5: Ganho tensão no Cascode
Através da tabela 1 podemos observar que os valores medidos estão de acordo com os valores simulados e teóricos. As pequenas discrepâncias são devido à má utilização dos equipamentos na hora das medições.
Tabela 1: Comparação dos valores teóricos, simulados e medidos em relação ao ganho de tensão.
	
	
Valores Teóricos
	
Valores Medidos
	
Valores Simulados
	Ganho de Tensão Cascode
	
-137 V/V
	
- 105,6V/V
	
Ganho de corrente
Não é possível obter diretamente do osciloscópio o ganho de corrente de forma direta. Então, é necessário estimar esse valor fazendo uso do ganho de tensão obtido anteriormente.
22,99 ~ 23 A/A
Tabela 2: Comparação dos valores teóricos, simulados e medidos em relação ao ganho de corrente.
	
	
Valores Teóricos
	
Valores Medidos
	
Valores Simulados
	
Ganho de Corrente Cascode
	
28,57 A/A
	
23 A/A
	
Aumentando o valor de Vs até obter a saturação
Para saturação foi obtido um valor de Vs = 34.40. Na figura 6,observa-se a pequena deformação no canal 2, em vermelho.
Figura 6: Circuito Saturado
O valor calculado não condiz com o valor medido, pois a fonte do laboratório não é ideal tendo uma resistência Rs de entrada. O que modifica o ganho global e consequentemente o valor de saturação. Como mostra a tabela 3.
Tabela 3: Comparação dos valores teóricos, simulados e medidos em relação ao ganho de tensão.
	
	
Valores Teóricos
	
Valores Medidos
	
Tensão Máxima de Saturação
	
52,8 V
	
34,40 V
Impedâncias de entrada e saída
Para as impedância de entrada foi colocado um potenciômetro que tivessem o mesmo valor calculado de Rin, foi obtido um ganho metade do valor anterior, de -70,7 V/V como mostra a teoria abaixo. E valor de Rin ~1kΩ, como mostra a figura 10.
Figura 7: Metade do Ganho tensão no Cascode
Figura 8: Valor da resistência de entrada-
 Fazendo uso do potenciômetro 
O Mesmo para as impedâncias de saída, neste caso o mesmo valor calculado que Rout , foi obtido um ganho metade do valor anterior, de -78,1 V/V como mostra a teoria abaixo. E valor de Rout ~ 5,45 k .
Figura 9: Metade do Ganho tensão no Cascode
P2) Gráfico V0 x Vs aplicado ao gráfico S3
O gráfico com análise do transistor na região linear é mostrado através da Figura 7, e o gráfico desta figura aponta a forma do comportamento da saída no domínio do tempo, com a aplicação de um sinal variável senoidal na entrada e partir da curva encontrada conclui-se que: A curva obtida para o comportamento da saída no tempo mostra uma evidente linearidade dos valores de saída conforme o tempo passa, portanto, nestas configurações, o circuito trabalha no modo ativo e além disso o transistor está na região linear em pequenos sinais.
Figura 7: Representação no osciloscópio 
Para Vo X Vs
Corrobora-se também, que a correspondência entre as duas variáveis de tensão assumem aparentemente uma função linear decrescente porque há justamente uma defasagem entre o sinal de entrada e o de saída.
P3) Estimando o valor de fL 
Para estimar os valores de fL ,foi necessário alterar a frequência até atingir uma tensão que cai em torno de 3dB.Reduzimos o valor de tensão de saída, em vermelho na figura 8, até ~2.28 V e a frequência fL terá valor de aproximadamente 25,96Hz.
Figura 8: Representação da frequência fL– Cascode
Tabela 4: Comparação dos valores teóricos, simulados e medidos em relação ao ganho de tensão.
	
	
Valores Teóricos
	
Valores Medidos
	
Valores Simulados
	
Frequencia fL Cascode
	
23,26 Hz
	
25,96 Hz
	
Conclusão
De modo geral a análise teórica e simulação se aproximaram dos valores medidos na prática, apenas com uma discrepância no cálculo do ganho. Foi possível ver que o amplificador darlington utilizado possui diversas características boas, que tornam esta configuração melhor do que as configurações básicas: ótimo ganho de corrente e alta impedância de entrada. 
Assim, ao longo da pratica foi possível explorar formas de polarizar um circuito, utilização de pequenos sinais e configurações de circuitos usando o modelo Darlington, onde a cada aluno é dado a incumbência de projetar, respeitando a máxima excursão do sinal, e buscar solução de problemas que possam vir a aparecer ao se trabalhar com projetos de circuitos eletrônicos. O conhecimento adquirido na literatura e em sala de aula pôde ser confirmado de maneira prática.