eletronica 1

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1. Apostila de Eletronica 1 (com simulacoes em Spice) Felipe Duque Belfort felipe.duder@gmail.com Material de apoio Universidade Federal de Pernambuco Departamento de Eletronica e Sistemas Maio, 2013 2. 2 3. Sumario 1 Amplicador operacional 1 1.1 O amp-op em malha fechada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Conguracoes do amp-op . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Conguracao inversora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Conguracao nao-inversora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Amplicador de diferencas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Resposta em frequencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 Taxa maxima de variacao da sada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.6 Para que serve tudo isso? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.6.1 Seguidor de tensao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.6.2 Amplicador de diferencas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.6.3 Gerador de onda quadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.6.4 Derivador / integrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6.5 Conversor Digital/Analogico (DAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.6.6 Simulador de indutancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.7 Algoritmo para resolucao de problemas com amp-op . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.8 Exerccios com resposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Diodo 13 2.1 Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Analise de circuitos com diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.1 O diodo ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2.2 O diodo semi-real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 O diodo Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4 Para que serve tudo isso? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.1 Reticador de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.2 Reticador de pico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.3 Regulador de tensao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.4 Restaurador de cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.5 O dobrador de tensao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.6 O superdiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.7 O multiplicador de frequencias (Gerador de sinais AM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4.8 Circuitos limitadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5 Exerccios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3 Transistor bipolar de juncao (polarizacao) 27 3.1 Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.1 Regiao ativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.2 Regiao de saturacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.3 Regiao de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.4 Resumo dos estados do TBJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2 Analise de circuitos cc com TBJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3 Projeto de circuitos de polarizacao com TBJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.1 Divisao de tensao na base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.2 Polarizacao com duas fontes de alimentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3 Polarizacao com resistor de realimentacao entre coletor e base . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.4 Polarizacao com fonte de corrente constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.5 Resumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 i 4. ii SUM ARIO 3.4 Para que serve tudo isso? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4.1 Regulador de tensao transistorizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4.2 Espelho de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4.3 Operacao como chave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.5 Exerccios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.6 Analise de pequenos sinais com TBJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4 Transistor de efeito de campo (polarizacao) 43 4.1 Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.1 Regiao de saturacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.1.2 Regiao de triodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.1.3 Regiao de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.1.4 Resumo dos estados do FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.1.5 A mobilidade de eletrons/buracos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.1.6 A capacitancia do oxido Cox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.1.7 A razao entre largura e comprimento W/L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.1.8 A tensao de limiar Vt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.2 Analise de circuitos cc com MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3 Projeto de circuitos de polarizacao com MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.1 Divisao de tensao na porta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.2 Resistor de realimentacao entre porta e dreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.3.3 Polarizacao com fonte de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4 Para que serve tudo isso? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4.1 Portas logicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.4.2 Espelho de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.5 Exerccios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5 Analise de pequenos sinais em MOSFET 53 5.1 Teoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.1 Transcondutancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.2 Capacitores de acoplamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.1.3 Modelo de pequenos sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.1.4 Terra/Circuito aberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2 Analise de circuitos em pequenos sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.2.1 Conguracoes comuns de amplicadores MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.3 Exerccios resolvidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5. Introducao Apesar de existirem diversos excelentes livros-texto na area de eletronica[SS07] [MH01] [HH89], muitas vezes se perde o aspecto pratico da eletronica. Os calculos, apesar de precisos e importantes, podem esconder a beleza de um circuito transistorizado ou prejudicar uma analise rapida de um sistema. Esta apostila tenta resgatar a analise - e um pouco da sntese - elegante e rapida de circuitos eletronicos. Alem disso, os captulos tambem serao permeados de aplicacoes praticas de cada assunto estudado, alem de varios exerccios resolvidos. Minha real motivacao para realizar esta apostila e a de tentar incutir nos estudantes o mesmo deslumbra- mento que eu tenho com a eletronica. Por exemplo, nao e fascinante a ideia de podermos simular um indutor somente com capacitores, resistores e dois amplicadores operacionais?, ou um simples diodo poder misturar dois sinais de frequencias distintas, resultando em sinais de sada com frequencias diferentes das de entrada?, ou podermos acrescentar um componente cc num sinal alternado sem utilizar nenhuma bateria adicional? E o melhor: tudo isso e usado bastante nos nossos aparelhos eletronicos do dia-a-dia. Inicialmente, esta apostila e destinada aos estudantes da disciplina Eletronica 1 da Universidade Federal de Pernambuco, mas a distribuicao e gratuita - e encorajada - a qualquer pessoa. O principal requisito para um bom acompanhamento do material e uma boa base em analise de circuitos. Gostaria de agradecer