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Eletrônica Básica EMhttp://www.engr.sjsu.edu/wdu/Mechatronics/Spring2003/index.htm

Circuitos elétricos e circuitos eletrônicoshttp://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_1/1.html

• 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 éexercido 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 écontrolado.

Circuitos elétricos e circuitos eletrônicoshttp://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_1/1.html

• 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

http://store.electron-valve.com/tubehistory.html

O termo válvula foi utilizado para indicar que a corrente elétrica sóconsegue 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.

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Diodo a válvula - operaçãohttp://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/fleming.htm

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 valveshttp://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/fleming.htm

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 - operaçãohttp://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/fleming.htm

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 haverámais passagem de corrente. Observe, por exemplo, que o arco positivo da senoide iráresultar em um fluxo de elétrons (e, portanto, de corrente), enquanto que, durante o arco negativo, não haverá passagem de corrente. Como só háfluxo 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 Fleminghttp://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/fleming.htm

A propriedade retificadora da válvula termiônica de Fleming.

Diodos a válvula de Fleming,1904-1905

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Retificação e ondas de rádiohttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/audio/c3

→ 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 rádiohttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/amfmdet.html#c1

→ A detecção de ondas de rádio AM é uma das aplicações de diodos.

Detector AM

Triodo a vácuo – De Foresthttp://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube

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)http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html

Point contact transistor, 1947

O primeiro transistor de junção de germânio da Bell Laboratories, 1950

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Funcionamento básico - amplificaçãohttp://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_1/1.html

• 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 transistorhttp://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html

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 LucentTechnologies, 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

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Eletrônica Básica EM – EmentaIntrodução aos materiais semicondutores;O Diodo;O diodo Zener;O transistor;Polarização e estabilização;Estudo do amplificador EC, BC e CC;Fontes de alimentação estabilizadas e

reguláveis;Amplificadores Operacionais.

Bibliografia recomendadaLivro Texto:

SEDRA, A. S. e SMITH, K. Microelectronic Circuits, 4th edition,Oxford University Press, New York, 1998.

Outras referências:SEDRA, A. S. e SMITH, K. Microeletrônica, 4a edição,

Makron Books, 1999.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.

Outras referências bibliográficas

Zeghbroeck , Bart Van. Principles of semiconductor devices. [online] Disponívle na internet via http: http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/title.htm Arquivo acessado em 02 de setembro de 2004.

Para outras referências online, consulte a página de linksdo curso.

Referências bibliográficas adicionais serão indicadas ao longo do curso, sempre que necessário.

Conceitos básicos

Leitura prévia: Livro texto, capítulo 1, itens 1.1, 1.4, 1.5 e 1.6.

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.

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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.

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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

AmplificadoresAmplificador: elemento básico em circuitos analógicos.

Inversor lógico: elemento básico em circuitos digitais.

Motivação: transdutores fornecem sinais ”fracos”, na escala de μV 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

tvAi

ov ≡

RL: resistência de carga

Característica de transferência

Ganho de potência e corrente

II

oo

I

Lp iv

ivP

PA

)( entrada da potência

)(cargadapotência)( potência de Ganho =≡

carga à entregaor amplificad o que corrente :

L

oo R

vi =

sinaldefontedapuxa""or amplificadoquecorrente:Ii

I

oi i

iA )( corrente de Ganho ≡

ivp AAA :anterioresequaçõesDas =⇒

8

Ganho em DecibéisdBA log 20corrente de e tensãode Ganho =

Fonte da potência adicional fontes DC para polarização do amplificador.

dBA p log 10potênciadeGanho =Atenuação: |A| < 1 ⇒ AdB < 0; Buffer:|A| = 1 ⇒ AdB = 0

Eficiência

2211:oramplificad ao fornecida DC Potência IVIVPdc +=

dissipadaLIdc PPPP +=+

Potência “puxada” da fonte de sinais pelo amplificador

Potência fornecida à carga

) (assumindo

100 :

dcI

dc

L

PPPPoramplificaddoeficiência

<<

×=η

Saturação em AmplificadoresAmplificador 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

Iv A

LvAL

+− ≤≤

Saturação em Amplificadores (2)

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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

Ov dv

dvA =

totalainstantâne entrada : )()( tvVtv iII +=

Modelos de circuitosObjetivo: modelar o comportamento observado a

partir dos terminais do dispositivo.

Amplificador de tensão:

Ro não nulo oL

Lvo

i

ov

oL

Livoo RR

RAvvA

RRRvAv

+=≡⇒

+=

Ganho de tensão em circuito aberto (V/V)

Ri finito si

isi RR

Rvv+

= oL

L

si

ivo

s

o

RRR

RRRA

vv

++=⇒

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

Livoo RR

RvAv+

=

si

isi RR

Rvv+

=

)/(

:abertocircuitoemtensãode Ganho

0 VV

vvA

oii

ovo

=

≡

Modelos de circuitos (3)Amplificador de corrente:

i i

R i Aisi i R o

+v o–

+v i–

i o

)/(

:circuito-curtoemsaídaacomcorrentedeGanho

0 AA

iiA

ovi

ois

=

≡

Ideal: R i = 0

Ideal: R o = ∞

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Modelos de circuitos (4)Amplificador de transcondutância:

R i Gmv i R o

+v o–

+v i–

i o

)/(

:circuito-curtoem tânciaTranscondu

0 VA

viG

ovi

om

=

≡

Ideal: R i = ∞

Ideal: R o = ∞

Modelos de circuitos (5)Amplificador de transresistência:

)/(

:abertocircuitoemtênciaTransresis

0i

AV

ivR

oi

om

=

≡

Ideal: R i = 0

Ideal: R o = 0Rmi i

i ii i i o

Resposta em freqüênciaSabemos 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 amplificadorna freqüência de teste ω

φ: fase do ganho do amplificadorna freqüência de teste ω

| T (ω) | = Vo / Vi ; T (ω) = φ

T (ω): 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 com ganhos distintos).

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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 épassa-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.

Para próxima aula Leitura prévia: Livro texto, capítulo 3, itens 3.1 a 3.3