Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

ELT303 – Eletrônica Analógica I

Diodos Especiais

(LED, Varicap, Schottky, Fotodiodo e Zener)

Prof. Paulo César Crepaldi Prof. Leonardo B. Zoccal

Universidade Federal de ItajubáInstituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação

Engenharia da Computação

Atenção

O material constante destas notas de aula foi preparado com base na bibliografia recomendada e destina-se a servir como um apoio ao

acompanhamento da disciplina.

Em alguns slides são utilizados recursos coletados da INTERNET e considerados de domínio público.

3

LED (Light Emitting Diode): FundamentosOs diodos emissores de luz foram desenvolvidos na década de 1960 e são utilizados,

basicamente, como dispositivos indicadores em função da baixa potência que manipulam. Considerando-se que um diodo polarizado diretamente dissipa energia,

parte dela pode ser na forma de luz (visível ou no espectro infravermelho). Para tanto é necessário alterar o tipo material semicondutor de que são fabricados os cristais N e P. A tabela a seguir ilustra alguns exemplos de LEDs com os seus

respectivos comprimentos de onda de emissão e tipo de semicondutor:

Tensão e Corrente em diferentes LEDs

A corrente típica, na polarização direta, para estes dispositivos é da ordem de

10mA a 20mA. Observar que a tensão de joelho é maior que os 0,7V dos diodos de

sinal e depende, também, do tipo de material semicondutor. Outra diferença significativa, em relação aos diodos de

sinal, é que os LEDs apresentam um valor de tensão de ruptura (polarização reversa) muito baixo (algo em torno de 4V a 6V).

4

LED (Light Emitting Diode): Encapsulamento e SímboloO encapsulamento do LED deve ser transparente ou da cor da emissão e a forma de sua lente (clear ou diffuse) permite que se tenha diferentes ângulos de

abertura ou de espalhamento:

Detalhe do “domo” de um LED

Exemplos de Encapsulamento

Ângulo de Espalhamento DiferentesSímbolo do LED

IDVD

+

-

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LED (Light Emitting Diode): Resistor Limitador de Corrente

Curiosidades

Organic light-emitting diodes (OLEDs) are based on organic (carbon based) materials. In contrast to LEDs, which are small point sources, OLEDs are made in sheets which provide a diffuse area light source. OLED

technology is developing rapidly and is increasingly used in display applications such as cell phones and PDA screens. However, OLEDs are still some years away from becoming a practical general illumination source.

Additional advancements are needed in light output, color, efficiency, cost, and lifetime.

Para se utilizar um LED com segurança é recomendável o uso de um resistor para limitar a sua corrente direta (ID) na faixa de

10mA a 20mA com já mencionado. Observe que o equacionamento é bastante simples e envolve a tensão de joelho

(VD) e a máxima tensão aplicada (V).

Bi-Colour LED Multi-Colour LED

+

_vD ID

RS

+

_vS

+V

D

DS I

VVR

6

LED (Light Emitting Diode): Folha de Dados

7

LED: Display de Sete Segmentos

O catodo comum possui dois de seus pinos (os centrais em cima e baixo) ligados ao terra, ou seja, para que você “escreva” qualquer segmento terá que acionar nível alto (1) para o respectivo pino.O anodo comum possui os dois pinos centrais ligados ao VCC (5v), ou seja, para formar um caractere temos que acionar nível

lógico baixo (0) nos respectivos segmentos que o formam.

8

LED: Display de Sete Segmentos

CONTROLANDO DISPLAYS DE 7 SEGMENTOS ATRAVÉS DA PORTA PARALELA

Pesquise a respeito da Matriz de LEDs

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OLED: LED OrgânicoAn OLED (organic light-emitting diode) is a light-emitting diode (LED) in which the emissive electroluminescent

layer is a film of organic compound which emits light in response to an electric current. This layer of organic semiconductor material is situated between two electrodes. Generally, at least one of these electrodes is transparent. This process is called electrophosphorescence. Even with the layered system, these systems are very thin, usually

less than 500 nm (0.5 thousandths of a millimeter). When used to produce displays, OLED technology produces self-luminous displays that do not require backlighting. These properties result in thin, very compact displays. The

displays also have a wide viewing angle, up to 160 degrees and require very little power, only 2-10 volts. There are two main families of OLEDs: those based on small molecules and those employing polymers. Adding mobile ions to

an OLED creates a light-emitting electrochemical cell or LEC, which has a slightly different mode of operation. OLED displays can use either passive-matrix (PMOLED) or active-matrix addressing schemes. Active-matrix OLEDs

(AMOLED) require a thin-film transistor backplane to switch each individual pixel on or off, but allow for higher resolution and larger display sizes. An OLED display works without a backlight. Thus, it can display deep black

levels and can be thinner and lighter than a liquid crystal display (LCD). In low ambient light conditions such as a dark room an OLED screen can achieve a higher contrast ratio than an LCD, whether the LCD uses cold cathode

fluorescent lamps or LED backlight. Due to its low thermal conductivity, an OLED typically emits less light per area than an inorganic LED. OLEDs are used in television screens, computer monitors, small, portable system screens

such as mobile phones and PDAs, watches, advertising, information, and indication. OLEDs are also used in large-area light-emitting elements for general illumination.

Schematic of a bilayer OLED:1. Cathode (−);2. Emissive Layer;3. Emission of radiation;4. Conductive Layer;5. Anode (+).

10

OLED: LED Orgânico

11

OLED: Exemplo (Módulo OLED DD-160128FC-2A)

12

Varicap (Varactor): FundamentosEste 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 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 e, conseqüentemente, ao se modificar este valor de tensão o valor da capacitância

também se altera.

Símbolo do Varicap

VR

+

- 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.

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Varicap (Varactor): FundamentosAs folhas de dados destes dispositivos informam um valor de referência da

capacitância medida para um determinado nível de tensão reversa. Por exemplo, o diodo 1N5142 apresenta uma capacitância de 15pF em –4V (o sinal de menos pode

ser omitido pois simplesmente reforça a condição de polarização reversa). Além deste valor de referência, as folhas de dados fornecem uma faixa de sintonia e o

alcance de tensão. Para o diodo 1N5142 citado, tem-se uma faixa de sintonia de 3:1 para um alcance de tensão de 60V.

Valores Limites e Características Elétricas para o Varicap 1N5142

14

Diodo Schottky (Hot-Carrier Diode, HCD) : Fundamentos

O diodo Schottky tem uma aplicação muito importante em sistemas de alta freqüência e também em sistemas de alta potência. Sua construção é diferente dos

diodos semicondutores discutidos até então. Trata-se da junção entre um metal (prata, tungstênio ou cromo) e um material semicondutor (normalmente um cristal

do tipo N). O fator limitante nas aplicações que envolvem altas freqüências é o tempo de recuperação reverso trr. Para um diodo de sinal, como o 1N4148, o trr

está por volta de 4 nS que o permite operar até algumas unidades de MHZ.

ID

VD+ -

O diodo Schottky, pelo seu aspecto construtivo, diminui o trr para a faixa de pS possibilitando, assim, operações em centenas de MHZ a unidades de GHZ. O

ponto fundamental deste dispositivo é o fato dos elétrons ao serem injetados no metal (polarização

direta) não serem portadores minoritários. Na realidade, não se consegue distinguir quem são os elétrons que já existiam no metal dos que foram

injetados. Então, ao se dar o comando para a condição de polarização reversa, o retorno dos elétrons ao cristal N será facilitado diminuindo sensivelmente o tempo de

recuperação.Símbolo do Schottky

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Diodo Schottky: FundamentosOutro parâmetro importante do diodo Schottky é a sua barreira de potencial ou tensão de joelho. Seu valor é algo em torno de 0,2V. Aplicações em que o diodo

está submetido a altas correntes e precisa ser rápido (caso de uma fonte chaveada em que a corrente direta pode ser 100A com chaveamentos tipicamente na ordem

de 20 a 50 KHZ) tem neste dispositivo uma solução bastante interessante.Como desvantagens deste dispositivo cita-se a sua maior corrente reversa (na

ordem de mA como nos diodos de Germânio) e a sua menor tensão de ruptura (comparativamente ao diodo de silício).

Características Elétricas para Alguns Diodos Schottky

16

Diodo Schottky: Outras Informações

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tSRIDV VeII

1N5817 THRU 1N5819

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Fotodiodo: FundamentosUma 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.O fotodiodo é um dispositivo otimizado para apresentar esta sensibilidade à luz.

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.

IRVR

+

-

Símbolo do Fotodiodo

Exemplos de Encapsulamento

Circuito Equivalente de um Fotodiodo

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Fotodiodo: FundamentosUm dado apresentado pelo fabricante é a chamada “dark current” (corrente no

escuro) e representa a corrente que existe no fotodiodo sem a presença da energia luminosa incidente. Esta corrente nada mais é que a corrente reversa devida

unicamente aos portadores minoritários gerados termicamente.

Características Elétricas para o Fotodiodo VTP1332

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Diodo Zener: FundamentosEste diodo está otimizado para atuar na região de ruptura (polarização reversa). Apesar de existirem dois mecanismos de ruptura (avalanche e Zener) o diodo

recebe o nome de Zener. Quando polarizado diretamente tem as mesmas características de um diodo de uso geral. O estudo do diodo Zener e do circuito

Regulador Zener constituem os fundamentos básicos do princípio de Regulação de Tensão.

Símbolo do Diodo Zener

IZVZ

+

-

Exemplos de Encapsulamento

A localização do valor da tensão de ruptura é controlada pelos níveis de dopagem dos cristais N e P, sendo disponíveis valores que vão 1,8V a 200V. As potências

podem variar de ¼ W até 50W. Normalmente o silício é utilizado tendo em vista a sua maior capacidade de operar em temperaturas de junção mais elevadas

(tipicamente 1500C).

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Diodo Zener: Curva CaracterísticaNa seqüência, uma ilustração da curva característica de um diodo Zener e uma lista

de alguns parâmetros importantes (base: diodo 1N961):

IZT

IZM

IR

VRVZ

ZZT

Tensão Zener

Nominal(VZ @ IZT)

Corrente de

Teste(IZT)

Impedância DinâmicaMáxima

(ZZT @ IZT)

CorrenteReversaMáxima(IR @ VR)

CorrenteMáxima

(IZM)

Coeficientede

Temperatura(TC)

10V 12,5 mA 8,5 W 10 mA 32 mA +0,072 %/0C

Características Elétricas @ 250C

Parâmetros para o Diodo Zener 1N961 (10V±20%, 500mW)

O terceiro quadrante é a região de interesse e, normalmente, atribui-se para alguns parâmetros o sub-índice Z como um indicativo de se tratar de

um diodo Zener.

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Diodo Zener: Curva CaracterísticaO termo nominal para VZ indica um valor médio típico para este valor de tensão.

Observar que o 1N961 tem uma tolerância de 20% o que significa que é de se esperar: 8V < VZ < 12V. Existem diodos com especificações mais precisas com

tolerâncias de 10% e 5%.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 a sendo uma

resistência dinâmica e a representam como rZ.

IZM é a corrente máxima (limite imposto pela dissipação de potência) e caso não

seja fornecida pode ser avaliada dividindo-se a potência máxima pelo valor máximo de VZ. Alguns projetistas colocam ainda uma margem de segurança de

pelo menos 10%, ou seja, IZM = 0,9.PZ/VZMAX

TC reflete a porcentagem de variação em VZ com a variação da temperatura.

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

A corrente IR é fornecida para um valor particular de tensão reversa VR.

22

Diodo Zener: Exemplo de Folha de Dados

23

Diodo Zener: Modelos

Assim como o diodo de uso geral é possível estabelecer modelos para o comportamento do diodo Zener. A seguir estão identificados 2 modelos: Modelo ideal representado por uma bateria de valor VZ e uma segunda aproximação que

inclui a presença da resistência dinâmica.

+

-VZ

+

-VZ

IZrZ

+

-

VZ + IZ rZ

Regulador ZenerUm circuito básico muito importante é o chamado Regulador Zener. Tem por

princípio fundamental o 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. Atua, portanto, como um regulador de tensão. Este circuito é o ponto de partida para o desenvolvimento de outros circuitos, mais

sofisticados, denominados de Fontes de Referência de Tensão (utilizados, por exemplo, nos reguladores de tensão de três terminais).

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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de CargaPara efeito de análise do Regulador Zener considerar a topologia a seguir:

RS

IS

IZ

IL ± DIL

Vi ± DVi

+

_RL

+

_VL = VZ

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).

S

iZZ

SL

LiZZ

LSZ

S

iZ

L

ZZ

S

ZiLZS

R

VI0)(VBponto

RR

RVV0)(IAponto

R

1

R

1V

R

VI

R

VI

R

VVIII

IZ(MIN)

IZ(MAX)

IZQ

VZQA

B

Q

Z(MAX)ZQZ(MIN) III

Reta de Carga para o Regulador Zener

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Regulador Zener: Circuito Básico e Reta de CargaSe Vi e IL variam, existem quatro situações limites a serem exploradas: aumento de Vi com diminuição de IL, aumento de Vi com aumento de IL, diminuição de Vi com aumento de IL e diminuição de Vi com diminuição de IL. Dois casos, entretanto, são

os mais críticos:Aumento de Vi (ViMAX) com diminuição de IL (ILMIN) – O Zener deverá absorver a diferença de corrente (aumenta IZ) e não se pode permitir que este aumento faça com que o valor de IZMAX seja excedido. Tem-se o menor valor para Rs (RSMIN).

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 (IR é muito pequena, idealmente zero).. Tem-se para RS o seu valor máximo (RSMAX).

Na prática, adotar um valor de resistor comercial cuja resistência se situe entre RS(MIN) e RS(MAX) (incluindo-se a sua respectiva tolerância).

Utilizando-se o equacionamento do slide anterior e incluindo o impacto da tolerância da tensão Zener, chega-se a:

LMINZMAX

ZiiS(MIN) II

Δ%VΔVVR

LMAXZMIN

ZiiS(MAX) II

Δ%VΔVVR

Equacionamento para RS que Garante IZMIN< IZQ< IZMAX

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Regulador Zener: Rejeição da Ondulação de EntradaOutro 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. Então, representa uma atenuação em relação

ao valor original da ondulação. Pode-se estimar a relação entre a ondulação de entrada e a ondulação que passa para a saída da seguinte forma:

RS

DVi

+

_

RL

+

_DVO

rZ

Ao se projetar um regulador Zener, deve-se ter em mente que o diodo deve suportar, no mínimo, as variações de demanda da corrente de carga, ou seja, DIZ >DIL e que Vi

seja maior que VZ.

LZ

SZ

Z

i

O

SLZ

LZiO Rrp/

Rr

r

ΔV

ΔV

R//Rr

//RrΔVΔV

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Regulador Zener: ExemploProjetar 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) vsec(wt)+

_Cf

RS

80mA < iL < 100mA

VL = 5V±10%

DZ

11V

9V

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

884mW5%5,1V165mAP

165mAI

2,1100mA0,1I

80mAI

80mAI

6,25V1,22

100mA0,1I

3,645V

80mAI

5%5,1V11V1,22

100mA0,1I

5%5,1V9V

1,22RR

ZMAX

ZMAX

ZMAX

ZMAX

ZMAXZMAX

ZMAXZMAX

S(MIN)S(MAX)

28

Regulador Zener: Exemplo

O diodo 1N4733A (PZ=1W, VZ=5,1V±5% )

satisfaz as condições apresentadas.

30,9Ω100mA17,8mA

3,645VR

24,2Ω80mA178mA

6,25VR

S(MAX)

S(MIN)

Calcular os valores limites de RS usando os dados de

corrente do Zener.Valor comercial: 27W±5% → 25,6 W < RS < 28,4W

Simulação para as Condições Limites

5.083V

DzD1N4733

192.8mW

37.93mA

Rs

28.4

540.3mW

137.9mA

I1

508.3mW

100mA

Vi9V

0

5.226VRs

25.6

1.302W

225.5mA

DzD1N4733

760.6mW

145.5mA

I1

418.1mW

80mA

Vi11V

0

29

5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 40ms 45ms 50ms0V

2V

4V

6V

8V

10V

12V

0V

1.0V

2.0V

3.0V

4.0V

5.0V

6.0V

Regulador Zener: Exemplo

Verificar a rejeição da ondulação. Algumas vezes, indicada em

decibéis (dB):

][dB14ΔV

ΔV20log

0,2277

7

ΔV

ΔV

Rrp/Rr

r

ΔV

ΔV

i

O

i

O

LZSZ

Z

i

O

Simulação para Verificar a Rejeição da ondulação

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Conceito de DecibelEsta forma de notação é amplamente utilizada porque torna a tarefa de se calcular ganhos e perdas muito mais fácil. Através do uso da notação decibel podemos substituir a multiplicação ( ganho ) e divisão ( perdas ) por adição e subtração, respectivamente. O decibel nada mais é do que

uma expressão da relação entre dois sinais. Os sinais podem ser tensões, correntes ou níveis de potencia. Quando convertido para a forma de notação decibel, entretanto, os logaritmos das relações são usados ao invés das taxas aritméticas simples. É o uso do logaritmo das relações que

torna possível substituir multiplicação e divisão por soma e subtração.O decibel foi originalmente concebido pela indústria da telefonia para descrever os ganhos e perdas de sinais de áudio nos circuitos de telefones. A unidade original foi denominada bel após Alexandre Graham Bell, o inventor do telefone. Na maioria das atividades da eletrônica, entretanto,

o bel provou ser uma unidade grande, logo o decibel ( um décimo de um bel ) foi adotado como notação padrão.Uma forma prática de se entender o conceito de decibel, é através do ouvido humano. O ouvido responde ( é mais sensível ) a mudança na

intensidade do som em níveis mais baixos do que altos. Um acréscimo de 4Watts para 5Watts irá parecer muito mais alto do que uma mudança de 20W para 21W, ainda que ambos incrementos sejam de 1Watt. É, entretanto, as relações de potencia que realmente importa (4W para 5W representa um acréscimo de 25% em potencia, enquanto 20W para 21W é um acréscimo de apenas 5% ). Como veremos a seguir, dobrando a potencia de saída de um amplificador de 50W para 100W é um acréscimo de 3dB; quadruplicando a potencia de saída de 50W para 200W é

apenas um acréscimo de 6dB a partir dos 50W originais.Dobrando a potencia representa um acréscimo de 3dB, enquanto dobrando a tensão ou corrente é um acréscimo de 6dB. Isto se deve ao

quadrado da tensão conforme a potencia. Quando um numero é elevado ao quadrado, o logaritmo é dobrado, criando relações de tensão que são o dobro das quantidades em dB para as relações de potencia equivalentes.

Existem três formas de calcular o decibel, dependendo do que se trata, sendo tensão, corrente ou nível de potencia. Lembre-se que o decibel encontra a relação entre dois níveis de potencia, e se expressa com um numero logaritmo. Se P1 e P2 são dois níveis de sinais, então a relação é

P1/P2 . Para encontrar o equivalente decibel:

As expressões decibel de tensão e corrente são similares a expressão da potencia, exceto pela constante que é 20 ao invés de 10:

2

1

P

P10log

2

1

2

1

I

I20log

V

V20log

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Conceito de DecibelAo longo dos anos diferentes segmentos da indústria de radio e eletrônica tem criado escalas especiais para seu próprio uso. Todos são baseados nas três equações fornecidas acima. As diferenças estão nas condições especificadas sob as quais as medidas são realizadas, e do nível especifico usado como ponto de referencia.. A referencia padrão de tensão ou potencia será colocada no denominador da equação, e é geralmente referida como o nível de referencia de "0 dB". Este nome vem do fato de que colocando o mesmo nível no numerador produz uma relação de 1:1, ou 0

dB. A seguir um exemplos de escalas especiais para dB.dBm: Estas unidades se referem aos decibéis relativos a um miliwatt (1mW) de potencia dissipada em uma impedância resistiva de 50 ohms

(definido como o nível de referencia de 0 dB), e é calculado a partir de 10.log(Pwatts/0.001). A escala dBm é usada na descrição de amplificadores e receptores. Por exemplo, um sinal de entrada ou de saída pode ser definido em termos de dBm. Similarmente, o ruído de fundo

de um receptor pode ser fornecido em dBm.dBµV: Esta unidade se refere a um sinal de tensão, medido em decibéis, relativo a um microvolt (1μV) desenvolvido ao longo de uma

impedância resistiva de 50 ohm.

Alexander Graham Bell (March 3, 1847 – August 2, 1922) was an eminent scientist, inventor, engineer and innovator who is credited with inventing the first practical telephone.

Bell's father, grandfather, and brother had all been associated with work on elocution and speech, and both his mother and wife were deaf, profoundly influencing Bell's life's work. His research on hearing and speech further

led him to experiment with hearing devices which eventually culminated in Bell being awarded the first US patent for the telephone in 1876. In retrospect, Bell considered his most famous invention an intrusion on his real work as

a scientist and refused to have a telephone in his study.Many other inventions marked Bell's later life, including groundbreaking work in optical telecommunications,

hydrofoils and aeronautics. In 1888, Bell became one of the founding members of the National Geographic Society. He has been described as one of the most influential figures in human history.