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.

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

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

β = 300

I_S = 1,8x10^-14 A

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

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

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

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

• 2 x Resistor 2K2 ohm
• 1 Resistor 330 ohm
• 1 Resistor 680 ohm
• 1 Resistor 27K ohm
• 2 x Capacitor eletrolítico 47μF, 25V
• 1 Transistor NPN BC-547
• 1 Gerador de sinais MINIPA MFG-4201 (Sweep Function Generator)
• 1 Osciloscópio MINIPA MO-1251
• 1 Multiteste com teste para diodos (MINIPA ET-2060)
• 1 fonte regulada MINIPA MPS-3006D
• 1 protoboard (base para montagem de circuitos sem solda) GUBINTEC

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

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.

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

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).

Com o valor de tensão em cima do resistor R_c, 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 V_BE e V_CE mostram-se coerentes com o projeto. Pode-se ainda calcular a corrente que atravessa o resistor R₁:

Que é aproximadamente 10% de I_c, 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 180^o 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 V_RC 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.

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 I_S/b . O diodo causa uma queda de tensão V_BE 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 I_B. 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).

Há que se assumir um valor para I_S, já que este não estava disponível para os experimentos. O valor tomado será 10^-14A, bem como V_T 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 V_BE e de I_S. O valor medido de V_BE com o multiteste foi de 0,65V, mas é interessante observar que, para um valor de V_BE de 0,66V, o ganho passa a:

Que representa um erro de cerca de 1%. Ou seja, um valor de V_BE 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 V_cc 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.

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.

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.