Unidade 1 - Eletrônica Analógica_Parte 1

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Universidade Estácio de Sá
Disciplina: Circuitos Eletroeletrônicos Aplicados – CCE0205
Unidade 1 – Eletrônica Analógica
Parte 1
Unidade 1 – Eletrônica Analógica.
1.1 – Conceitos Fundamentais da Eletrônica.
Um átomo é formado por elétrons (partícula de carga
negativa) que giram ao redor de um núcleo composto por
prótons (partícula de carga positiva) e nêutrons (partícula
que não possui carga elétrica). A figura ao lado ilustra,
por exemplo, o átomo de hélio, que tem dois prótons e
dois nêutrons, além de dois elétrons.
Na natureza, um corpo é formado de matéria. Toda matéria é feita de várias
combinações de formas simples de matéria, no qual chamamos de substâncias. A
menor parte possível de uma substância (mantendo suas propriedades) é a molécula
que, por sua vez, é constituída por partículas ainda menores denominadas de
átomos.
O número de elétrons, prótons e nêutrons é diferente para cada tipo de elemento
químico.
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Como já apresentado, os elétrons giram em órbitas (ou camadas) ao redor do
núcleo, conhecidas como K, L, M, N, O, P e Q. A figura abaixo ilustra essas camadas,
conforme o modelo atômico de Bohr.
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Visto que o núcleo só contém cargas positivas (prótons), existe uma força de atração
que atua nos elétrons (carga negativa) que estão nas camadas, sendo dada pela Lei
de Coulomb:
𝐹 = 𝑘
|𝑄1|. |𝑄2|
𝑑2
(𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒: 𝑁, 𝑛𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛𝑠)
k = constante eletrostática, no vácuo = 9 × 109
𝑁.𝑚2
𝐶2
;
Q1 e Q2 = valores das cargas, em coulombs, C;
d = distância entre as cargas, em metros, m. 
A medida que cresce a distância entre o núcleo e os elétrons das órbitas, a força de
atração diminui, atingindo o valor mais baixo na última órbita.
Essa última camada de um átomo define a sua valência, ou seja, a quantidade de
elétrons desta órbita que pode se libertar do átomo através do bombardeio de
energia externa ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes
(compartilhamento dos elétrons da última camada de um átomo com os elétrons de
última camada de outro átomo). Esta camada mais externa recebe o nome de
camada de valência.
Portanto, para esses elétrons da camada de
valência, uma pequena quantidade de
energia recebida faz com que eles se tornem
livres, entrando na banda de condução,
sendo capazes de se movimentar no material.
São estes elétrons livres, sob ação de um
campo elétrico, que formam a corrente
elétrica. A figura ao lado ilustra essa
condição. 4Prof. Ricardo Toscano
O tamanho dessa banda proibida na última camada de elétrons define o
comportamento elétrico do material, como ilustrado abaixo, em três situações
distintas.
Isolantes Condutores Semicondutores
• Isolantes: são materiais no qual pouquíssimos elétrons tem energia suficiente para
sair da banda de valência e atingir a banda de condução, sendo necessária a
aplicação de um potencial (uma tensão) muito elevada para estabelecer uma
corrente mensurável.
• Condutores: são materiais que permitem a passagem do fluxo intenso de elétrons
com a aplicação de uma tensão relativamente pequena, visto a facilidade em
passar da banda de valência para a de condução.
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• Semicondutores: constituem determinado grupo cujas características elétricas são
intermediárias entre as dos condutores e as dos isolantes.
Na indústria Eletrônica, a utilização dos semicondutores é muito grande,
principalmente na fabricação de componentes eletrônicos como, por exemplo, os
diodos semicondutores, os transistores e outros de diversos graus de complexidade
tecnológica, células solares, microprocessadores e nanocircuitos usados
em nanotecnologia.
Uma das características que os torna atrativo para fabricação de componentes
eletrônicos é a possibilidade de variar sua condutividade elétrica pela alteração
controlada de sua composição química ou estrutura cristalina.
Os semicondutores mais comuns utilizados na
indústria Eletrônica são o silício (Si) e o germânio
(Ge). Estes dois elementos caracterizam-se por
serem tetravalentes (possuem quatro elétrons na
camada de valência), como ilustrado na figura ao
lado.
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Por serem tetravalentes, cada um de seus átomos pode realizar quatro
ligações covalentes com quatro átomos. O termo covalente significa uma
ligação de átomos estabelecida pelo compartilhamento de elétrons. A figura
abaixo ilustra a ligação covalente.
Nessa estrutura, simétrica, em seu estado natural, um material semicondutor
quase não possui elétrons livres, o que não proporciona uma boa condutividade
elétrica. Com intuito de alterar essa característica elétrica, são adicionadas
impurezas no cristal, por um processo denominado de dopagem. 7
As características dos materiais semicondutores podem ser consideravelmente
alteradas pela adição de determinados átomos de impurezas no material
semicondutor relativamente puro. Embora adicionadas apenas na razão de uma
parte em 10 milhões, essas impurezas podem alterar suficientemente a estrutura de
banda para modificar por completo as propriedades elétricas do material.
Um material semicondutor submetido ao processo de dopagem é denominado de
material extrínseco.
Há dois materiais extrínsecos imprescindíveis para a fabricação de dispositivos
semicondutores:
• Material do tipo n;
• Material do tipo p;
Essas estruturas serão apresentadas a seguir.
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A definição de dopagem é a seguinte: processo utilizado para constituir os
semicondutores p e n por meio de adição ao Si ou ao Ge de quantidade bem
reduzidas de impurezas. Entende-se por impureza todo átomo diferente do Si e do
Ge.
O material do tipo p é obtido dopando-se um cristal de germânio ou silício puro com
átomos de impureza que possuam três elétrons de valência. Os elementos mais
comumente utilizados para esse propósito são o boro, o gálio e o índio. O efeito do
boro sobre a base de silício é ilustrado na figura abaixo.
Conforme a figura acima, é possível notar que
agora há um número insuficiente de elétrons
para completar as ligações covalentes da rede
recém-formada. O espaço vazio resultante é
chamado de lacuna.
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A lacuna é representada sinal positivo devido à ausência de uma carga negativa.
Cada lacuna resultante aceitará rapidamente um elétron livre. As impurezas com três
elétrons de valência são chamadas átomos aceitadores.
O material do tipo n é criado com a introdução dos elementos de impurezas que tem
cinco elétrons de valência (pentavalente), como o antimônio, o arsênio e o fósforo. O
efeito é indicado na figura abaixo, usando o antimônio como a impureza em uma
base de silício.
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Na figura é possível notar que as quatro
ligações covalentes ainda estão presentes. No
entanto, existe um quinto elétron adicional
devido à existência do átomo de impureza
dissociado de qualquer ligação covalente
específica.
Esse elétron adicional está relativamente livre para se mover dentro do recém-
formado material do tipo n, já que o átomo de impureza inserido contribuiu para a
estrutura com o elétron relativamente livre. As impurezas com cinco elétrons de
valência são chamadas de átomos doadores.
É importante frisar que, mesmo que um grande numero de portadores livres tenha se
estabelecido no material tipo n, ele ainda é eletricamente neutro, pois o número de
prótons carregados positivamente no núcleo ainda é igual ao número de elétrons
livres orbitando com carga negativa na estrutura.
Num material do tipo n, o elétron é chamado de portador majoritário, e a lacuna é
chamado de portador minoritário. No caso material do tipo p, a lacuna é o portador
majoritário, e o elétron é o portador minoritário.
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Os materiais dos tipos n e p representam os blocos básicos de construção dos
dispositivos semicondutores. A união de um material do tipo n com um material do
tipo p resultará em um dispositivo semicondutor de considerável importância nos
sistemas eletrônicos:o diodo semicondutor.
O diodo semicondutor é formado pela simples união dos materiais p e n, constituídos
a partir da mesma base (Ge ou Si), como ilustrado na figura abaixo.
O semicondutor n apresenta um excesso de elétrons e o semicondutor p um
excesso de lacunas. Logo, ao formar a junção pn, ocorre a difusão dos elétrons
livres do lado n para o lado p. No lado n, a ausência dos elétrons cria uma região de
íons positivos (cátions) próximos a junção. No lado p, quando os elétrons ocupam as
lacunas que também se encontram próximas da junção (recombinação elétron-
lacuna), eles criam íons negativos (ânions). Com isso, ocorre uma ausência de
portadores livres na região próxima a junção. Essa região descoberta constituída de
íons positivos e negativos é chamada de região (ou camada) de depleção, devido à
ausência de portadores nessa região. A figura a seguir ilustra essa condição.
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A K
A ausência de portadores livre na região próxima a
junção caracteriza-se como uma barreira de potencial,
cujo valor depende do material semicondutor e da
temperatura ambiente. Essa diferença de potencial (VƔ),
a 25oC, é de aproximadamente 0,7 V para os diodos de
silício e 0,3 V para os diodos de germânio.
No diodo, o terminal do lado p, onde se formam os ânions é
denominado de anodo (A) e o terminal do lado n, onde se
formam os cátions é denominado de catodo (K).
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Como o diodo é um dispositivo de dois terminais, a aplicação de uma tensão através
de seus terminais permite duas possibilidades: polarização direta e polarização
reversa. Cada condição resultará em uma resposta. Aplicando-se uma tensão aos
terminais do diodo, a camada de depleção se modifica. Isso depende do sentido de
polarização do diodo.
• Polarização direta: ocorre quando o potencial
positivo da fonte encontra-se ligado ao lado p e o
potencial negativo ao lado n, como ilustrado na
figura ao lado.
Com VCC > VƔ, os elétrons do lado n ganham mais energia porque são repelidos pelo
terminal negativo da fonte, rompem a barreira de potencial VƔ e são atraídos para o
lado p, atravessando, assim, a junção. No lado p, eles recombinam-se com as
lacunas, tornando-se elétrons de valência, mas continuam deslocando-se de lacuna
em lacuna, pois são atraídos pelo terminal positivo da fonte, formando-se uma
corrente elétrica (ID = Corrente Direta), fazendo com que o diodo semicondutor de
comporte como um condutor ou uma resistência direta RD muitíssimo pequena.
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• Polarização reversa: ocorre quando o potencial
negativo da fonte encontra-se ligado ao lado p e
o potencial positivo ao lado n, como ilustrado na
figura ao lado.
Em função da polarização reversa, os elétrons do lado n são atraídos para o terminal
positivo e o número de íons negativos não combinados aumentará no material do tipo p.
Portanto, o efeito será uma ampliação da camada de depleção. Essa ampliação
estabelecerá uma barreira grande demais para os portadores majoritários superarem,
reduzindo efetivamente o fluxo de portadores majoritários a zero. Por outro lado, existe
uma corrente muito pequena formada pelos portadores minoritários de corrente de
saturação reversa (IR), sendo desprezada na grande maioria dos casos. Assim, o diodo se
comporta como se fosse um circuito aberto ou uma resistência reversa (RR) altíssima,
como ilustrado abaixo.
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Portanto, o diodo semicondutor é um dispositivo que conduz apenas quando está
polarizado diretamente.
A figura a seguir ilustra a curva característica do diodo de silício nas polarizações
direta e reversa.
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Polarização 
direta
Polarização 
reversa
No primeiro quadrante, com tensões positivas,
tem-se a curva do diodo na polarização direta.
Enquanto a tensão sobre o diodo é menor do
que a barreira de potencial (0,7 V), a corrente é
praticamente nula. A partir de 0,7 V, a corrente
cresce muito, como o diodo estivesse em curto.
O valor máximo dessa corrente direta (IDM) dos
diodos pode ser obtida nos data sheet dos
fabricantes.
Se o diodo fosse de germânio, o aspecto da curva seria o mesmo, exceto a tensão de joelho,
que seria aproximadamente 0,3 V.
No terceiro quadrante, com tensões negativas, tem-se a curva do diodo na polarização
reversa. A corrente reversa é muito pequena e cresce muito pouco com o aumento da tensão
reversa. No entanto, há um valor de tensão denominada tensão de ruptura (VBR) que faz com
que o diodo inicie um processo de condução reversa, tendo como resultado a sua ruptura.
Esse valor também é obtido no data sheet do fabricante.
❖ Principais especificações do diodo semicondutor:
i) Como a junção pn possui uma barreira de potencial natural (VƔ), na polarização
direta só existe corrente elétrica se a tensão aplicada ao diodo VD for:
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𝑉𝐷 ≥ 𝑉Ɣ
ii) Na polarização direta, existe uma corrente máxima que o diodo pode conduzir (IDM)
e uma potência máxima de dissipação (PDM), cuja relação é:
𝑃𝐷𝑀 = 𝑉𝐷. 𝐼𝐷𝑀
iii) Na polarização reversa, existe uma tensão reversa máxima que pode ser aplicada
ao diodo (VBR):
iv) Na polarização reversa, existe uma corrente muito pequena denominada de
corrente reversa (IR).
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❖Modelos de Diodos:
i) Modelo 1 – Diodo Ideal: considera o diodo comportando-se como um condutor na
polarização direta e como um circuito aberto na polarização reversa.
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ii) Modelo 2 – Diodo com VƔ: considera o diodo como um condutor em série com uma
bateria de valor VƔ na polarização direta e como um circuito aberto na polarização
reversa.
iii) Modelo 3 – Diodo com VƔ e RD: considera o diodo comportando-se como um
condutor em série com uma bateria de valor VƔ e uma resistência RD correspondente
à inclinação de sua curva característica na polarização direta e como um circuito
aberto na polarização reversa.
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Comparação:
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Diferenças pequenas nos resultados
Diferenças maiores nos resultados
Conclusão: Se os valores de tensão
presentes no circuito forem muito maiores
que VƔ, pode-se considerar o diodo como
um elemento ideal.
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Os circuitos eletrônicos podem trabalhar com tensões e correntes contínuas ou
alternadas.
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1.2 – Circuitos a Diodo.
Um sinal de tensão alternado bastante comum é um sinal senoidal, sendo
representado matematicamente pela seguinte equação geral:
𝑣 𝑡 = 𝑉𝑚. 𝑠𝑒𝑛 (ω𝑡 + φ0)
onde:
• v é o valor instantâneo da função, dado em volts (V);
• Vm é o valor máximo de tensão (pico), dado em volts (V);
• ω é a velocidade angular da função (ω =
2𝜋
𝑇
ou ω = 2𝜋. 𝑓), dada em rad/s;
• φ0 é o ângulo de fase (em graus ou radianos).
A seguir são apresentadas diversas características de um sinal alternado, tomando
como referencia um sinal senoidal.
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• Frequência: é o número de oscilações completas (ciclos) produzidos pela onda na
unidade de tempo. No SI, a frequência é medida em hertz (Hz). Exemplo: portadora de
uma determinada Rádio FM é 99,9 MHz, caracterizando a sua frequência.
t (s)10,25
v (V)
 Amplitude
Valor de pico positivo = 10 V
Valor de pico negativo = - 10 V 
10 
-10 
Primeira oscilação completa Segunda oscilação completa
Frequência de 4 hertz 
 Quatro oscilações 
completas em 1 segundo 
Período de 0,25 segundo
Tempo gasto para completar 1 ciclo
T = 1/ 4 = 0,25 segundo 
Comprimento de onda (λ) 
Distância entre dois picos 
máximos consecutivos da onda 
λ=c/f = 3x108/ 4 = 0,75x108 m
Terceira oscilação completa Quarta oscilação completa
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t (s)10,25
v (V)
 Amplitude
Valor de pico positivo = 10 V
Valor de pico negativo = - 10 V 
10 
-10 
Primeira oscilação completa Segunda oscilação completa
Frequência de 4 hertz 
 Quatro oscilações 
completas em 1 segundo 
Período de 0,25 segundo
Tempo gasto para completar 1 ciclo
T = 1/ 4 = 0,25 segundo 
Comprimento de onda (λ) 
Distância entre dois picos 
máximos consecutivos da onda 
λ=c/f = 3x108/ 4 = 0,75x108 m
Terceira oscilação completa Quarta oscilação completa• Período (T): Tempo gasto para a onda completar 1 ciclo. Sua unidade é o segundo (s). O
período se relaciona com a frequência através da seguinte equação.
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t (s)10,25
v (V)
 Amplitude
Valor de pico positivo = 10 V
Valor de pico negativo = - 10 V 
10 
-10 
Primeira oscilação completa Segunda oscilação completa
Frequência de 4 hertz 
 Quatro oscilações 
completas em 1 segundo 
Período de 0,25 segundo
Tempo gasto para completar 1 ciclo
T = 1/ 4 = 0,25 segundo 
Comprimento de onda (λ) 
Distância entre dois picos 
máximos consecutivos da onda 
λ=c/f = 3x108/ 4 = 0,75x108 m
Terceira oscilação completa Quarta oscilação completa
• Comprimento de onda (λ – Lâmbda): Distância entre dois picos máximos consecutivos da
onda. Sua unidade é o metro (m). O comprimento pode ser obtido pela relação entre a
velocidade de propagação da luz no vácuo c (igual a 3 x 108 m/s) e a frequência da onda
em questão.
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t (s)10,25
v (V)
 Amplitude
Valor de pico positivo = 10 V
Valor de pico negativo = - 10 V 
10 
-10 
Primeira oscilação completa Segunda oscilação completa
Frequência de 4 hertz 
 Quatro oscilações 
completas em 1 segundo 
Período de 0,25 segundo
Tempo gasto para completar 1 ciclo
T = 1/ 4 = 0,25 segundo 
Comprimento de onda (λ) 
Distância entre dois picos 
máximos consecutivos da onda 
λ=c/f = 3x108/ 4 = 0,75x108 m
Terceira oscilação completa Quarta oscilação completa
• Amplitude: caracteriza-se pelo valor da origem até a crista da onda. Quanto maior for a
amplitude, maior será a quantidade de energia presente. Sua unidade pode ser, por
exemplo, tensão v (dada em volts, V) e corrente elétrica i (dada em ampères, A). Pode ser
denominado como valor de pico (Vp), negativo e positivo.
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• Fase (φ): caracteriza-se pela medida obtida em relação a uma referência fixa ou
comparativa entre sinais. Um sinal pode estar em fase com outro, atrasado ou avançado
em relação a esse outro sinal.
v (V)
t (s)
Sinal alternado a 
Sinal alternado b 
Sinais a e b em fase
v (V)
t (s)
Sinal alternado a 
Sinal alternado b 
Sinais a e b não estão em fase
Prof. Ricardo Toscano
27Prof. Ricardo Toscano
27
• Formas de Onda: Caracteriza-se como a representação gráfica da forma com que uma
onda evolui ao longo do tempo.
Em Laboratório, para realização de experimentos, tem-se um
equipamento que gera sinais senoidal, quadrado e triangular.
Este equipamento é denominado de Gerador de Funções.
➢ Bibliografia Complementar:
❖ BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos
eletrônicos e teoria de circuito. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1999;
❖ CIPELLI, Antônio Marco Vicari; MARKUS, Otávio; SANDRINI, Waldir
João. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos
eletrônicos. 23. ed. São Paulo: Érica, 2007;
❖ MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, 1997;
❖ SOUZA, Marco Antônio Marques. Eletrônica – Todos os
Componentes. ed. Hermus, 2003.
➢ Bibliografia Complementar:
❖ CATHEY, Jimmie J. Dispositivos e circuitos eletrônicos. São Paulo:
Makron, 1994;
❖ LALOND, David E.; ROSS, John A. Princípios de dispositivos e
circuitos eletrônicos. Tradução Alex Belo Feres Francisco. São
Paulo: Makron, 1999;
❖ MILLMAN, Jacob; HALKIAS, Christos C. Eletrônica: dispositivos e
circuitos. Tradução Eledio José Robalino. 2. ed. São Paulo:
MacGraw-Hill, 1981;
❖ SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. São Paulo:
Person Education do Brasil, 2007;