Desenvolvimento de amplificador Lock-in para caracterização de dispositivos optico-eletrônicos

Resumo

O objetivo principal do projeto é desenvolver um amplificador síncrono analógico, também conhecido como amplificador lock-in, para caracterização de impedância elétrica. O amplificador síncrono é constituído basicamente de um oscilador em Ponte de Wien, circuitos de deslocamento de fase, multiplicador de tensão, filtro passa-baixa de Butterworth de primeira ordem e circuitos acondicionadores do sinal do Dispositivo em Análise (DEA), que é o dispositivo em que se tem interesse em analisar as características de impedância resistiva e capacitiva. Essa classe de amplificador permite a medição de sinais com magnitude extremamente diminuta, mesmo que imersos em ruído, através da detecção da diferença de fase entre dois sinais de mesma frequência [Meade, 1982]. O sinal de saída do lock-in está relacionado com características de impedância resistiva e capacitiva do DEA. Dentre as possíveis aplicações, tem-se a otimização de sinais obtidos por sensores resistivos e capacitivos e caracterização de impedância de dispositivos ópticos-eletrônico, como por exemplo, fotodetectores e células solares. A metodologia utilizada foi o estudo e dimensionamento de cada bloco que compõe o amplificador. Com ajuda do software MULTISIM® da National Instruments, foram realizadas simulações de cada bloco do circuito e, em seguida, do amplificador lock-in completo. O Dispositivo Em Análise foi emulado com um capacitor variável na faixa de 20 a 200 nF. Como resultado da simulação foi verificado que existe uma relação linear entre o valor da capacitância do DEA com o sinal de saída do amplificador síncrono, que é o comportamento esperado [Horowitz, 1989]. O circuito foi montado em protoboard. Foi verificado o comportamento de cada bloco do amplificador síncrono para verificar se o comportamento estava similar ao verificado na simulação. Após a conexão de todos os blocos, o DEA foi emulado com capacitores na mesma faixa de capacitância utilizada na simulação. Foi verificada a mesma relação linear entre o valor da capacitância e o sinal DC de saída, estimado no projeto do circuito e nas simulações. Conclui-se que os resultado obtidos indicam que o amplificador projetado é preciso para caracterização de capacitância do Dispositivo em Análise da ordem de nF. As próximas etapas consistem em realizar caracterização de capacitância de fotodetectores e células solares, além de verificar quais as modificações necessárias para que o lock-in seja capaz de também analisar características resistivas do DEA. Em seguida, desenvolver um programa residente em uma plataforma microcontrolada que permita modificar paramentos do amplificador síncrono de forma automática. Finalmente, a elaboração do projeto da placa de circuito impresso.