Eletrônica Analógica II

Prévia do material em texto

Eletrônica Analógica II 
 
Prof. Juliano Melquiades Vianello-MSc 
 
 
Eletrônica Analógica II – Ementa 
Conceitos básicos 
Transistor Bipolar de Junção (TBJ) 
Transistores de Efeito de Campo (FET) 
 Amplificadores Operacionais. 
Filtros ativos 
Bibliografia recomendada 
 SEDRA, A. S. e SMITH, K. Microeletrônica, 4a edição, Makron 
Books, 1999 
 SEDRA, A. S. e SMITH, K. Microelectronic Circuits, 4th 
edition,Oxford University Press, New York, 1998. 
 MILLMAN, J. e HALKIAS, C.C., Eletrônica, 2a edição, 
volumes 1 e 2, McGraw-Hill do Brasil, 1981. 
 T. F. Bogart Jr., "Dispositivos e circuitos eletrônicos", 3a. 
edição, Makron Books, 1992. 
 P.R. Gray e R.G. Meyer, "Analysis and design of analog 
integrated circuits", 2a edição, John Wiley, 1984. 
 R.C. Jaeger, "Microelectronic circuit design", McGraw-Hill, 
1997. 
Regra do jogo 
 
GQ1- Prova Escrita: 10,0 pontos 
 
GQ2 - Prova Escrita: 5,0 pontos 
 - Laboratório 1 (2,5 pts) + Laboratório 2 (2,5 pts) : 5,0 pontos 
 
Se perder prova escrita de GQ2: GQ3 vale 10,0 pts e perde os 
trabalhos de laboratório 
CAPÍTULO 1 
 
CONCEITOS BÁSICOS 
Circuitos elétricos e circuitos eletrônicos 
 
• Definições gerais (mais intuitivas, não formais): 
• Circuitos elétricos (termo mais genérico): conexão de 
fios condutivos e outros dispositivos onde ocorre um 
fluxo uniforme de elétrons. 
• Circuitos eletrônicos: alguma forma de controle é 
exercido sobre o fluxo de elétrons por outro sinal 
elétrico, que pode ser uma corrente ou uma tensão. 
 O controle sobre o fluxo de elétrons pode também 
ser realizado por: interruptores, relés, reostatos. 
 A distinção está no fato de como o fluxo de elétrons é 
controlado. 
Circuitos elétricos e circuitos eletrônicos 
 
• Interruptores, relés, reostatos: o controle do fluxo de 
elétrons é realizado por meio do posicionamento de 
um dispositivo mecânico, que é acionado por alguma 
força física externa ao circuito. 
• Circuitos eletrônicos: dispositivos especiais capazes de 
controlar o fluxo de elétrons de acordo com outro 
fluxo de elétrons, ou pela aplicação de uma tensão 
estática. 
• Em outras palavras: em um circuito eletrônico, a 
eletricidade controla a eletricidade. 
 
 
Um pouco de história: o tubo a váculo ou 
válvula termiônica 
 
O termo válvula foi utilizado para 
indicar que a corrente elétrica só 
consegue passar em uma direção. 
Um outro nome utilizado é tubo a 
vácuo. 
Diodo a válvula de 
Fleming,1904 
A válvula de Fleming em operação, 
e um dos primeiros modelos de 
sua válvula, 1905. 
Diodo a válvula - operação 
 
O tipo mais simples de válvula, com apenas dois 
eletrodos – anodo e catodo (filamento, no caso 
de válvulas à bateria, como mostrado no 
diagrama). Os eletrodos estão em um ambiente a 
vácuo, no interior de um bulbo de vidro, e as 
conexões aos eletrodos passam por este bulbo 
por entradas vedadas. O filamento quente ou 
catodo gera uma “nuvem” invisível de elétrons 
no espaço à sua volta. Um potencial positivo no 
anodo atrai estes elétrons, havendo, portanto, a 
passagem de corrente do catodo para o anodo. O 
ambiente a vácuo é necessário para que os 
elétrons possam se move livremente à medida 
que passam do catodo (filamento) ao anodo 
(placa). 
Diagrama de 
funcionamento 
Oscillation valves 
 
Parte do diagrama para obtenção da patente 
do primeiro detector sem fio a usar uma 
válvula termiônica, por Fleming, em 1904, 14 
anos após seus primeiros experimentos com 
a válvula. 
Válvulas osciladoras testadas 
por Fleming, em 1904. 
Diodo a válvula - operação 
 
Sob nenhuma condição pode haver fluxo de 
corrente do anodo ao catodo (por que?). A 
corrente na válvula ocorre em apenas uma 
direção. Um aumento do potencial positivo (no 
anodo) irá aumentar o fluxo de elétrons do catodo 
ao anodo. Se, no entanto, o anodo estiver em um 
potencial mais negativo que o catodo, não haverá 
mais passagem de corrente. Observe, por 
exemplo, que o arco positivo da senoide irá 
resultar em um fluxo de elétrons (e, portanto, de 
corrente), enquanto que, durante o arco negativo, 
não haverá passagem de corrente. Como só há 
fluxo de corrente em uma direção, o sinal 
resultante será um sinal pulsante mas com 
corrente direta apenas. Qual deve ser o efeito da 
adição de um capacitor aos terminais da saída? E 
de um resistor em série com um capacitor 
adicional? 
Válvulas diodo de Fleming 
 
A propriedade retificadora da 
válvula termiônica de Fleming. 
Diodos a válvula de 
Fleming,1904-1905 
Retificação e ondas de rádio 
 
 O rádio AM utiliza a imagem elétrica de uma fonte de som para modular a 
amplitude de uma onda portadora (carrier wave). Na saída do receptor, no 
processo de detecção, esta imagem é separada da portadora e torna-se novamente 
som por meio de um autofalante. 
Rádio AM 
Retificação e ondas de rádio 
 
 A detecção de ondas de rádio AM é uma das aplicações de diodos. 
Detector AM 
Triodo a vácuo – De Forest 
 
Lee DeForest: introdução do grid entre o filamento (catodo) e a placa (anodo), 
em 1907. Ele mostrou que o fluxo de corrente do filamento à placa dependia da 
tensão aplicada ao grid, e que a corrente desviada pelo grid era muito pequena, 
sendo composta dos elétrons interceptados pelo grid. À medida que a tensão 
aplicada ao grid varia de negativo a positivo, a corrente de elétrons fluindo do 
finalmento à placa varia de modo correspondente. Ou seja, o grid controlaria a 
corrente da placa. O Audion, ou triodo, foi usado como um detector de sinais de 
rádio, um amplificador de áudio e um oscilador para transmissão. 
Lee de Forest vs. 
Fleming 
O primeiro transistor (Bell Labs, 1947) 
 
Point contact transistor, 1947 
O primeiro transistor de 
junção de germânio da Bell 
Laboratories, 1950 
Funcionamento básico - amplificação 
 
• Transistores controlam o fluxo de elétrons através de 
substâncias semicondutoras, ao invés do vácuo  
eletrônica do estado sólido. 
• Pequenas variações na corrente de base do transistor 
controlam variações maiores na corrente de coletor: 
princípio da amplificação. 
• Exemplo: configuração 
 de emissor comum. 
 
 
 
http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbase/electronic/npnce.html#c2 
 vide gráfico ativo 
Evolução do transistor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
http://www.bellsystemmemorial.com/images/tube-trans_history.jpg 
Evolução do transistor - continuação 
(No sentido horário): 
 1941: Válvula termiônica ou tubo a vácuo usado para 
comunicações por telefone; 
 1948: Point-contact transistor, seis meses após sua invenção; 
 1955: Transistor que substituiu os tubos a vácuo em 
equipamentos de comunicação em rede; 
 1957: Amplificador de faixa larga de alta freqüência; 
 1967: Microchip, usado para produzir os tones em aparelhos de 
telefone touch-tone 
 1997: Chip, processador digital de de sinais da Lucent 
Technologies, que pode conter um total de 5 milhões de 
transistores, usados em modems e comunicações celulares. 
Para maiores informações: 
 http://www.academic.marist.edu/pennings/hyprhsty.htm 
 http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/fleming.htm 
 http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/deforest.htm 
 http://encarta.msn.com/encyclopedia_761569907_2/Radio.html 
 http://encarta.msn.com/encyclopedia_761572757/Transistor.html 
 http://www.lucent.com/minds/transistor/history.html 
 http://www.lucent.com/minds/transistor/tech.html (Vide uma 
interessante animação ilustrativa em http://www.lucent.com/minds/transistor/tech3.html) 
 http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube 
 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/etroncon.html#c1 
Conceitos básicos 
 Sinais: contêm informações sobre o mundo físico. 
 Na eletrônica: em forma de tensão ou corrente 
 Processamento de sinais  realizado mais 
convenientemente por sistemas eletrônicos. 
 Sinal genérico  convertido em um sinal elétrico 
(tensão ou corrente) 
 Sinal: quantidade variante no tempo que pode ser 
representada por um gráfico, como o da figura na 
próxima transparência. 
 Sinal: informação  contida nas variações de 
magnitude com o tempo. 
 
 
 
 
 
 Transdutores: Dispositivos que convertem um tipo 
de energia em outro; é um elemento passivo. 
 Exemplos: 
 Eletroquímicos: bateria. 
Conceitos básicos (2) 
Eletromecânicos: atuadores – motores; relés 
Transdutores 
Eletroacústicos: alto-falantes; microfones 
Foto-elétricos: diodo emissor de luz (LED); fototransistor; célula solar 
Eletromagnéticos: antena, lâmpada 
Magnéticos: sensor de efeito Hall 
Transdutores (2) 
Eletroestáticos: LCD – liquid crystal display 
Termoelétrico: termopar; termistor (PTC e NTC) 
Transdutores (3) 
Eletromecânicos: atuadores (como motores – converte elergia elétrica 
em energia mecânica), relays (energia elétrica  corrente  em energia 
mecância  movimento do contato mecânico), sensores piezoelétricos 
(tensão proporcional à pressão mecânica exercida sobre ele). 
 Eletroacústicos: autofalante (converte energia elétrica em energia 
acústica), microfone (converte som em sinal elétrico), cristal 
piezoelétrico. 
 Fotoelétricos: diodos emissores de luz (LED), fototransistor, célula 
solar. 
 Eletromagnéticos: antena (corrente elétrica alternada em campo 
eletromagnético), lâmpada (energia elétrica em energia luminosa – 
radiação eletromagnética). 
 Magnéticos: sensor de efeito Hall (tensão proporcional ao campo 
magnético aplicado). 
 Eletroestáticos: LCD – liquid crystal display 
 Termoelétrico: termopar (temperatura em tensão), termistor (PTC e 
NTC) - resistência proporcional à temperatura. 
Sinais na forma elétrica 
(Tensão ou corrente) 
- Fontes de sinal de tensão: 
 
 
Forma de Thevenin 
(preferível quando Rs for pequeno) 
 Fontes de sinal de corrente: 
Forma de Norton 
(preferível quando Rs for grande) 
Fonte ideal: Rs  ∞ Fonte ideal: Rs = 0 
Amplificadores 
 Amplificador: elemento básico em circuitos analógicos. 
 Inversor lógico: elemento básico em circuitos digitais. 
 Motivação: transdutores fornecem sinais ”fracos”, na escala 
 de mV ou mV, e com baixa energia. 
 Amplificador linear: sinal de saída da mesma forma (com as 
mesmas informações) do sinal de entrada (mas, obviamente, 
com uma maior magnitude). Importante  não introduz 
distorções, que são indesejáveis. 
 
 Simbologia: 
 
 
)( )( tvAtv
io

Ganho de tensão 
 
 
 
 
)(
)(
)( tensãode Ganho
 
tv
tv
A
i
o
v

RL: resistência de carga 
Característica de 
transferência 
Ganho de potência e corrente 
 
 
 
II
oo
I
L
p
iv
iv
P
P
A
 
 
 
)( entrada da potência
)( carga da potência
)( potência de Ganho
 

carga à entregaor amplificad o que corrente : 
 
 
L
o
o
R
v
i 
sinal de fonte da puxa""or amplificad o que corrente : 
I
i
 
 
 
I
o
i
i
i
A )( corrente de Ganho
 

ivp
AAA
 
 :anteriores equações Das 
Ganho em Decibéis 
 
 
 
dBA log 20corrente de e tensãode Ganho 
 Fonte da potência adicional  fontes DC para polarização do 
amplificador. 
 
 
 
dBA
p
 log 10potência de Ganho
 

Atenuação: |A| < 1  AdB < 0; Buffer:|A| = 1  AdB = 0 
Eficiência 
 
 
 
2211
 :oramplificad ao fornecida DC Potência IVIVP
dc

 
dissipadaLIdc
PPPP 
Potência “puxada” da fonte 
de sinais pelo amplificador 
Potência fornecida à carga 
 
 
 ) (assumindo
 100 : 
 
 
dcI
dc
L
PP
P
P
oramplificaddoeficiência


Saturação em Amplificadores 
 Amplificador real: linear em apenas uma faixa de 
valores de entrada e saída (alimentação finita). 
 Amplificador alimentado por duas fontes DC  a 
tensão de saída não pode exceder um limite positivo 
especificado e não pode ser inferior a um limite 
negativo especificado. 
 Nível de saturação: 1V a 2V da tensão da fonte de 
alimentação. 
 Para evitar a distorção do sinal de saída  a 
excursão do sinal de entrada deve ser mantida na 
 
região linear de operação: 
v
I
v
A
L
v
A
L
 
 
 
 
  
Saturação em Amplificadores (2) 
Análise de pequenos sinais 
Q: ponto quiescente, ponto bias dc ou ponto de operação 
v i ( t ): sinal ac a ser amplificado 
V I : tensão dc 
linear quase segmento do inclinação : 
 
 
QemI
O
v
dv
dv
A 
 totalainstantâne entrada : )()(
 
tvVtv
iII

Modelos de circuitos 
 Objetivo: modelar o comportamento observado a 
partir dos terminais do dispositivo. 
 Amplificador de tensão: 
 Ro não nulo  
oL
L
vo
i
o
v
oL
L
ivoo
RR
R
A
v
v
A
RR
R
vAv




 
 
 
 
Ganho de tensão em circuito aberto (V/V) 
 Ri finito  
si
i
si
RR
R
vv


 
oL
L
si
i
vo
s
o
RR
R
RR
R
A
v
v

 
 
 
 
 
 
Modelos de circuitos (2) 
 Amplificador de tensão (cont.): 
Ideal: R i = ∞ ; Real: R i >> R s (por que?) 
Ideal: R o = 0 ; Real: R o << R L (por que?) 
oL
L
ivoo
RR
R
vAv


 
si
i
si
RR
R
vv


 
 
)/(
:aberto circuito em tensãode Ganho
0 
 
VV
v
v
A
oii
o
vo


Modelos de circuitos (3) 
 Amplificador de corrente: 
i i 
R i Aisi i R o 
+ 
v o 
– 
+ 
v i 
– 
i o 
 
)/(
:circuito-curto em saída a com corrente de Ganho
0 
 
AA
i
i
A
ovi
o
is


Ideal: R i = 0 
Ideal: R o = ∞ 
Modelos de circuitos (4) 
 Amplificador de transcondutância: 
R i Gmv i R o 
+ 
v o 
– 
+ 
v i 
– 
i o 
 
)/(
:circuito-curto em tânciaTranscondu
0 
 
VA
v
i
G
ovi
o
m


Ideal: R i = ∞ 
Ideal: R o = ∞ 
Modelos de circuitos (5) 
 Amplificador de transresistência: 
 
)/(
:aberto circuito em tênciaTransresis
0i 
 
 
AV
i
v
R
oi
o
m


Ideal: R i = 0 
Ideal: R o = 0 
Rmi i 
i i i i i o 
Resposta em freqüência 
 Sabemos que qualquer sinal de corrente ou tensão 
pode ser representada por uma série de Fourier, ou seja, 
por uma soma de sinais senoidais de diferentes 
freqüências e amplitudes (para revisão: item 1.2 do 
Sedra e Smith) 
 Pode-se caracterizar o desempenho de um amplificador 
em termos de sua resposta a entradas senoidais de 
diferentes freqüências  resposta em freqüência do 
amplificador. 
Vo / Vi : magnitude do ganho do amplificador 
 na freqüência de teste w 
f: fase do ganho do amplificador 
 na freqüência de teste w 
| T (w) | = Vo / Vi ; T (w) = f 
T (w): Função de transferência 
Largura de banda (ou de faixa) 
 Largura de banda (bandwidth): faixa de valores na qual 
o ganho do amplificador é praticamente constante 
(normalmente, com uma variação de  3dB). 
 Deve-se projetar o amplificador de modo que sua 
largura de banda coincida com o espectro dos sinais que 
deve amplificar (caso contrário, diferentes componentes 
do sinal de entrada serão amplificados comganhos 
distintos). 
Circuitos de constante de 
tempo única 
 Circuito de constante de tempo única (single-time-
constant): um circuito que é composto por, ou pode ser 
reduzido a, um componente reativo (indutância ou 
capacitânciaq) e uma resistência. 
 Qual dos circuitos abaixo é passa-baixas? E qual é 
passa-altas? (Revisão: vide Apêndice F.) 
Classificação de amplificadores 
baseada na resposta em freqüência 
 Amplificador com acoplamento capacitivo. 
 Atenuação em altas freqüências: capacitâncias internas 
no dispositivo (um transistor). 
 Atenuação em baixas freqüências: capacitores de 
acoplamento (usados para conectar um estágio de 
amplificação a outro). 
Classificação de amplificadores baseada 
na resposta em freqüência (2) 
 Amplificador com acoplamento direto. 
 Em baixas freqüências: ganho constante. 
 Na figura: resposta em freqüência de um amplificador 
dc  amplificador “passa-baixas”. 
Classificação de amplificadores baseada 
na resposta em freqüência (3) 
 Amplificador sintonizado passa-faixas. 
FIM