5_diodos_de_proposito_geral_1_2

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Diodos de Propósito Geral
Partes 1 e 2
Leonardo B. Zoccal
(lbzoccal@unifei.edu.br)
ELT055 – Eletrônica Analógica I - *
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
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Diodo Zener
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 Representa o princípio básico da regulação de tensão
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Diodo Zener
 Projetado para atuar na região reversa de maneira segura, se utilizando dos efeitos de avalanche e Zener
Símbolo utilizado para representar o diodo ZENER
 Deve ser polarizado reversamente para que atue como um dispositivo especializado 
 Se polarizado diretamente, atua como um diodo comum
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Diodo Zener
Curva Característica
IZM é a corrente máxima (limite imposto pela dissipação de potência) e caso não seja fornecida pode ser avaliada dividindo-se a potência pelo valor máximo de VZ.
A corrente de teste IZT é definida para o ponto em que o dispositivo dissipa ¼ de sua potência nominal e ZZT é a impedância dinâmica (reta tangente no ponto) para este nível de corrente. Algumas literaturas colocam ZZT como sendo a resistência dinâmica desta porção da curva (derivada no ponto) e a representam como rZ.
 O termo nominal para VZ indica um valor médio típico para este valor de tensão.
A corrente IR é fornecida para um valor particular de tensão reversa VR
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Diodo Zener
Parâmetros
Exemplo: diodo Zener da série 1N4728
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Diodo Zener
Parâmetros
Nem sempre o fabricante fornece todos os parâmetros aqui descritos. Por exemplo, pode fornecer apenas a potência máxima ficando a cargo do projetista estimar IZT pela relação P = V·I
ZZK e IZK são a impedância máxima e a corrente de joelho do diodo.
Corrente de Surto
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Existe também TC que reflete a porcentagem de variação em VZ com a variação da temperatura. 
Diodo Zener
Parâmetros
Característica elétrica de um diodo Zener de 10 V, 500 mW
O valor de TC assume valores positivos e negativos e eventualmente zero. A faixa de mudança é próxima de 5V para VZ. Acima desta tensão os coeficientes são positivos e abaixo são negativos.
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Diodo Zener
Modelos
Fica a cargo do projetista observar a necessidade ou não do uso da resistência zener, quer seja na análise quer seja no projeto de circuitos com diodos Zener. Um erro de até 10% é razoável.
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Diodo Zener
Exemplos de Encapsulamento
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Diodo Zener
Análise de circuitos empregando diodos Zener
A análise de circuitos que contenham diodos Zener é similar ao que já foi comentado para os diodos de sinal e retificadores. Não se deve esquecer, entretanto, que o diodo Zener polarizado diretamente atua, basicamente, como um destes diodos.
Um circuito muito útil com Zener é o chamado Regulador Zener. Este circuito baseia-se no fato de que no Zener, quando polarizado na sua região de ruptura, a tensão entre seus terminais fica praticamente constante e, dentro de certos limites, independente da corrente. 
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Quando o sistema é “ligado”, o diodo Zener “ligará” assim que a tensão através dele atingir VZ volts, travando neste valor e jamais alcançará o valor mais elevado de V volts.
Diodo Zener
Análise de circuitos empregando diodos Zener
Determinar o estado do diodo Zener, removendo-o do circuito e calculando a tensão através do circuito aberto resultante
Se o diodo estiver no estado “ligado”, a tensão através do diodo não é de V volts.
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Diodo Zener
Análise de circuitos empregando diodos Zener
Substitua o circuito equivalente apropriado e determine as variáveis desejadas
Equivalente para o estado “ligado”
Equivalente para o estado “desligado”
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Diodo Zener
Análise de circuitos empregando diodos Zener
Para Vi e R Fixos
VL = VZ
IZ = IR - IL
Potência dissipada pelo diodo Zener
PZ = VZ·IZ
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Diodo Zener
Análise de circuitos empregando diodos Zener
Vi Fixo e RL Variável
O diodo Zener ligará quando VL = VZ (RLmínimo)
VR = Vi - VZ
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Diodo Zener
Análise de circuitos empregando diodos Zener
Vi Fixo e RL Variável
IZ = IR - IL
IZ é mínimo quando IL é máximo, e IZ é máximo quando IL é mínimo (IR é constante)
ILmínimo = IR - IZM
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Diodo Zener
Análise de circuitos empregando diodos Zener
Vi Variável e RL Fixo
O valor máximo de Vi é limitado pela corrente Zener máxima IZM
IRmáximo = IZM + IL
Vimáximo = VRmáximo + VZ
Vimáximo = IRmáximo·R + VZ
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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de Carga
Para efeito de análise do Regulador Zener considerar a topologia a seguir
O regulador atua no sentido de fazer com que a tensão sobre a carga (VL) fique constante a despeito de variações que ocorram no sinal de entrada (DVi) e na demanda de corrente da carga (DIL).
VDC
Reta de Carga para o Regulador Zener
IZ(MIN)
IZ(MAX)
IZQ
VZQ
A
B
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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de Carga
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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de Carga
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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de Carga
Para operação do Regulador Zener dois casos são os mais críticos
2) Diminuição de Vi (ViMIN) com aumento de IL (ILMAX) – O Zener perde corrente e não se pode permitir que ele saia de sua região de ruptura pois deixaria de atuar como regulador de tensão passando a ser uma chave aberta (IZ é muito pequena, idealmente zero). Para Iz não cair abaixo do valor mínimo de regulação, se Vi diminui, o resistor Rs não pode ser muito alto, para garantir a corrente mínima disponível para o diodo zener. Tem-se para RS o seu valor máximo (RSMAX).
1) Aumento de Vi (ViMAX) com diminuição de IL (ILMIN) – O Zener deverá absorver a diferença de corrente (aumento de IZ) e não se pode permitir que este aumento faça com que o valor de IZMAX seja excedido. Para Iz não exceder o máximo valor, o resistor Rs não pode ter seu valor muito pequeno, o que levaria a uma corrente excessiva ao zener e carga. Tem-se o menor valor para Rs (RSMIN).
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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de Carga
Para Izmax:
Vi + ΔVi
IL - ΔIL
Vz - Δ%
Rsmin
Para Izmin:
Vi - ΔVi
IL + ΔIL
Vz + Δ%
Rsmax
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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de Carga
Equacionamento para RS que Garante IZMIN< IZQ< IZMAX
Para prevenir essas variações, na prática, deve-se adotar um valor de resistor comercial cuja resistência se situe entre:
RS(MIN) e RS(MAX) (incluindo-se a sua respectiva tolerância).
VDC
VDC
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Regulador Zener: Rejeição da Ondulação de Entrada
Outro ponto interessante do regulador Zener é a capacidade de rejeitar (atenuar) as ondulações (componente AC) presentes no sinal de entrada. 
Substituindo-se a segunda aproximação para o diodo Zener, verifica-se a presença da resistência dinâmica rZ em paralelo com a carga RL. Como, normalmente, rZ é de pequeno valor, o resultado do paralelo é de pequeno valor.
Assim, para a componente AC do sinal de entrada, tem-se um divisor resistivo em que o menor valor de resistência representa a tomada do sinal de saída.
Pode-se estimar a relação entre a ondulação de entrada e a ondulação que passa para a saída da seguinte forma: 
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Parte 2
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Regulador Zener: Exemplo
Projetar um regulador Zener considerando-se que a carga apresenta uma demanda de corrente de 80mA a 100mA, uma tensão nominal de operação de 5V±10% e o sinal de entrada é proveniente de um circuito retificador com filtro capacitivo:
Escolher um diodo Zener adequado que satisfaça: a condição de RS(MAX) > RS(MIN) com uma “folga” suficiente para acomodar um resistor de tolerância 10% e a tensão de 5V±10%.
Tensão Zener mais próxima: 5V1 (±5%)
Considerar IZMIN = 10% de IZMAX
vi(wt)
VL = 5V±10%
DZ
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Regulador Zener: Exemplo
Projetar um regulador Zener considerando-se que a carga apresenta uma demanda de corrente de 80mA a 100mA, uma tensão nominal de operação de 5V±10% e o sinal de entrada é proveniente de um circuito retificador com filtro capacitivo:
O valor de RS possui uma variação de 10%, ou seja,
0,90∙RS < RS < 1,10∙RS
RS(MAX) = 1,22∙RS
(MIN) (1,10/0,90)
vi(wt)
VL = 5V±10%
DZ
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Regulador Zener: Exemplo
Projetar um regulador Zener considerando-se que a carga apresenta uma demanda de corrente de 80mA a 100mA, uma tensão nominal de operação de 5V±10% e o sinal de entrada é proveniente de um circuito retificador com filtro capacitivo:
vi(wt)
VL = 5V±10%
DZ
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Regulador Zener: Exemplo
O diodo 1N4733A (PZ=1W, VZ=5,1V±5% ) satisfaz as condições apresentadas
Valor comercial: 27Ω±5% 25,6Ω < RS < 28,4Ω
Simulação para as Condições Limites
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Regulador Zener: Exemplo
Verificar a rejeição da ondulação. Algumas vezes, indicada em decibéis (dB)
Simulação para Verificar a Rejeição da ondulação
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LED (Light Emitting Diode)
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Este diodo especializado emite luz quando polarizado diretamente sendo considerado um dispositivo foto-emissor
LEDs
Em um diodo de sinal, por exemplo, a difusão de portadores majoritários através da junção implica que elétrons estão sendo injetados de N para P e lacunas de P para N.
Estes portadores ao se encontrarem podem se recombinar e haverá a liberação de energia, pois elétrons estarão passando da Banda de Condução para a Banda de Valência. Esta liberação de energia se dá sob a forma de Fônons (calor) e Fótons (luz).
Em diodos de Si e Ge grande porcentagem desta energia é liberada na forma de calor.
Em diodos de Fosfeto Arseneto de Gálio (GaAsP) e Fosfeto de Gálio (GaP) o número de fótons emitidos é suficiente para se criar uma fonte de luz visível.
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Dependendo das concentrações de Fósforo e /ou Arsênio (ou do tipo de material) o comprimento de onda produzido representa emissões na faixa do amarelo, do laranja, do verde e do vermelho. Existem, também, LEDs que emitem na faixa do infravermelho
LEDs
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LEDs
Simbologia
Encapsulamento
Simbologia e Encapsulamento
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LEDs
Exemplos
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LEDs
Com relação aos seus parâmetros elétricos existem algumas pequenas diferenças ao se comparar o LED com os diodos de sinal ou retificadores
 A curva característica do LED apresenta uma tensão reversa de ruptura situada em torno de 5V e na condição de polarização direta a tensão de joelho (VT) está entre 1,5V e 2,5V dependendo da cor do LED. Normalmente, o LED opera com uma corrente direta típica de 10 a 20 mA;
Parâmetros Elétricos
 O tempo de resposta dos LEDS é relativamente rápido (na faixa de nanosegundos), oferecem uma boa relação de contraste para a sua visibilidade, consomem potência na ordem de 10 a 150 mW e têm uma vida útil de aproximadamente 100.000 horas (10 anos).
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Fotodiodo
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Fotodiodo
Uma junção PN polarizada reversamente apresenta uma corrente muito pequena por se tratar de um fluxo de portadores minoritários (geração térmica de pares elétrons-lacunas).
Se for permitido que um outro tipo de energia (luz, por exemplo) alcance a região da junção, será possível a produção de pares elétrons lacunas adicionais além daqueles gerados termicamente.
Portanto, é possível aumentar-se o fluxo de portadores minoritários e, conseqüentemente, a intensidade da corrente reversa.
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Fotodiodo
 O fotodiodo é um dispositivo otimizado para apresentar esta sensibilidade à luz.
Lente Convergente
 Neste diodo, uma janela permite que a luz atravesse o seu encapsulamento e atinja diretamente a junção PN. Normalmente, esta janela tem o formato de uma lente convergente.
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Fotodiodo
“Dark current” (corrente no escuro): é a corrente que existe no fotodiodo sem a presença da energia luminosa incidente. Esta corrente é a corrente reversa devida unicamente aos portadores minoritários gerados termicamente;
Características
Apresentam uma relação aproximadamente linear entre o fluxo luminoso incidente e a corrente reversa produzida;
Tempo de resposta na faixa de nanosegundos;
Dentre os materiais semicondutores, o Germânio é utilizado na construção dos fotodiodos.
Apresenta um gap de energia (entre as bandas de valência e condução) de menor valor, possibilitando a sua maior sensibilidade e a sua resposta a um espectro mais amplo de comprimentos de onda incluindo a faixa IR (InfraRed).
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Fotodiodo
Resposta Espectral Relativa
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Optoacoplador ou Optoisolador
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Optoacoplador ou Optoisolador
Um dos tipos de optoacoplador reúne, em um mesmo encapsulamento, um LED e um fotodiodo.
O LED é considerado a entrada do sistema e o fotodiodo a saída. A idéia fundamental é transformar a energia elétrica em luz através do LED, transmitir esta luz acoplando-a a um fotodiodo que irá reconverter a luz em energia elétrica.
O ponto principal deste tipo de circuito é a isolação elétrica entre os circuitos de entrada e de saída que pode chegar a milhares de Volts (de outro modo, pode-se enxergar uma resistência elétrica altíssima entre estes circuitos)
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Diodos Varactor (Varicap)
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Varactor (Varicap)
Este diodo é largamente utilizado em receptores de televisão, de rádio e outros equipamentos de comunicação que necessitam de circuitos de sintonia. Trata-se de um dispositivo semicondutor otimizado para atuar como um capacitor variável dependente da tensão
Sua operação esta baseada na capacitância de junção (ou transição) que existe quando o diodo está polarizado reversamente
Este efeito capacitivo é modelado como um capacitor de placas paralelas em que a distância entre as placas é dada pela largura da região de depleção. Esta largura depende da intensidade da polarização reversa
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Varactor (Varicap)
Um aumento da tensão reversa provoca um aumento da região de depleção e uma diminuição da capacitância e uma diminuição da tensão um aumento da capacitância
ε é a permissividade dos materiais semicondutores
A é a área da junção p-n
Wd é a largura de depleção
n é ½ para junções de liga e ⅓ para junções difusas
VT é o potencial de joelho
C(0) é a capacitância quando não há polarização
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Varactor (Varicap)
A faixa de capacitâncias que podem ser obtidas situa-se, tipicamente, entre 2 a 100 pF (para uma variação de tensão reversa também, tipicamente, na faixa de 20 V) dependendo do tipo de varicap. Para garantir uma corrente de fuga pequena, estes dispositivos são fabricados com silício
As folhas de dados destes dispositivos informam um valor de referência da capacitância medida para um determinado nível de tensão reversa
Além deste valor de referência, as folhas de dados fornecem uma faixa de sintonia e o alcance de tensão
Por exemplo, o diodo BB139 apresenta os valores de capacitância da seguinte forma
C = 30 pF (a –3V) e C3/C25 = 5 
Significa que a capacitância do diodo varia de 30 pF (a –3V) 
a 6 pF (a –25V)
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Diodos Schottky (Portadores Quentes)
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Diodo Schottky
 Aplicações em altas freqüências, devido ao seu tempo de resposta rápido e à sua figura de ruído reduzida;
Aplicações
 Empregado em fontes de potência de baixa tensão/alta corrente e em conversores ca-cc;
 Sistemas de radar e lógica TTL Schottky para computadores, misturadores e detectores em equipamentos de comunicações, instrumentação e conversores analógico-digitais.
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Diodo Schottky
Construção é bem diferente da junção p-n. O diodo é formado através da junção metal/semicondutor.
O semicondutor é geralmente de silício tipo n
São usados vários metais (molibdênio, platina, cromo, tungstênio, etc.)
Dependendo da técnica empregada, conjuntos de características específicas são conseguidas (faixa de freqüência de emprego, níveis de polarização direta, etc.)
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Diodo Schottky
 Em ambos os materiais, 
o elétron é o portador majoritário
 Há um fluxo intenso de elétrons 
do semicondutor para o metal quando 
os materiais são unidos
 Esses portadores injetados têm um nível de energia cinética muito alto em comparação aos elétrons do metal, sendo também chamados de “portadores quentes”
 O fluxo intenso de elétrons para o metal cria na região próxima
à superfície da junção uma depleção de portadores no silício (semelhante à região de depleção no diodo de junção p-n)
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Diodo Schottky
 A aplicação de uma polarização direta reduz a depleção dos portadores, aumentando o fluxo de elétrons da junção (seu valor agora é controlado pelo valor do potencial aplicado)
A barreira do diodo Schottky é menor que a dos dispositivos de junção p-n
Para uma mesma polarização o diodo Schottky possui um valor de corrente mais alto. Para a polarização reversa isto é uma desvantagem
 Is (à temperatura ambiente) é da ordem de microamperes para componentes de baixa potência e de miliamperes para os de alta potência
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Diodo Schottky
 O valor de VT para o diodo de “portadores quentes” é determinado em grande parte pelo tipo de metal empregado
A ausência de portadores minoritários no diodo Schottky faz com que o tempo de recuperação reverso seja bastante pequeno
 Existe um compromisso entre faixa de temperatura e o valor de VT. O aumento de um resulta no aumento do outro
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Outros Diodos
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Outros Diodos
Diodos de Potência: São diodos desenvolvidos especificamente para suportar as demandas de alta potência e alta temperatura de algumas aplicações; 
Varistores: São também conhecidos como supressor de transiente. O dispositivo é feito de material semicondutor e funciona como dois diodos Zener ligados em anti-série com uma tensão de ruptura alta nos dois sentidos de polarização. É conectado em paralelo com o enrolamento primário;
Diodos de Corrente Constante: Funcionam de modo exatamente oposto aos diodos Zener. Em vez de manter a tensão constante, esses diodos mantêm a corrente constante;
Diodo de Recuperação em Degrau: Apresenta um nível de dopagem que a medida que se aproxima da junção decresce de valor. Durante o semiciclo positivo, o diodo conduz como um diodo de silício.
Durante o semiciclo negativo, existe uma corrente reversa por alguns instantes, por causa das cargas armazenadas e depois cai a zero repentinamente. 
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Outros Diodos
Diodo de Recuperação em Degrau (cont.): Esta interrupção da corrente neste tipo de diodo é rica em harmônicos e pode ser filtrada para produzir uma senóide com uma frequência mais alta. Este tipo de diodo é usado em multiplicadores de frequência, circuitos cuja frequência de saída é um múltiplo da frequência de entrada.
Diodos de Retaguarda: São diodos Zener com níveis de dopagem mais alto, com isso o efeito Zener ocorre próximo de zero. A condução direta ainda ocorre em torno de 0,7V, mas a condução reversa começa em -0,1V aproximadamente.
Este diodo recebe esse nome porque ele conduz melhor reversa do que diretamente polarizado. São usados para retificar sinais fracos, cujos picos de amplitudes estão entre 0,1 e 0,7V;
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Outros Diodos
Diodo Túnel: Pelo aumento do nível de dopagem de um diodo de retaguarda, podemos obter uma ruptura em 0V (diodos túneis).
Estes diodos exibem um fenômeno conhecido como resistência negativa (aumento na tensão direta produz uma diminuição na corrente direta, pelo menos em uma parte da curva direta).
A resistência negativa dos diodos túneis é útil em circuitos de alta frequência chamados osciladores (convertem uma potência cc em potência ca).
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Universidade Federal de Itajubá
Grupo de Microeletrônica
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