eletrônica básica em
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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 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 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 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 - 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 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 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
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
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 transistor http://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 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
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 links do 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.
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 V 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
tvA
i
ov
RL: resistência de carga
Característica de transferência
Ganho de potência e corrente
II
oo
I
Lp iv
iv
P
PA
)( entrada da potência
)( carga da potência)( potência de Ganho
carga à entregaor amplificad o que corrente :
L
oo R
vi
sinal de fonte da puxa""or amplificad o que corrente : Ii
I
oi i
iA )( 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 IVIVPdc
dissipadaLIdc PPPP
Potência “puxada” da fonte de sinais pelo amplificador
Potência fornecida à carga
) (assumindo
100 :
dcI
dc
L
PP
P
Poramplificaddoeficiência
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
Lv
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
Ov dv
dvA
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
Lvo
i
ov
oL
Livoo RR
RA
v
vA
RR
RvAv
Ganho de tensão em circuito aberto (V/V)
Ri finito si
isi RR
Rvv
oL
L
si
ivo
s
o
RR
R
RR
RA
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
Livoo RR
RvAv
si
isi RR
Rvv
)/(
:aberto circuito em tensãode Ganho
0
VVv
vA
oii
ovo
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
AAi
iA
ovi
ois
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
VAv
iG
ovi
om
Ideal: R i = ∞
Ideal: R o = ∞
Modelos de circuitos (5) Amplificador de transresistência:
)/(
:aberto circuito em tênciaTransresis
0i
AV
i
vR
oi
om
Ideal: R i = 0
Ideal: R o = 0Rmi i
i ii ii 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 amplificadorna freqüência de teste
: fase do ganho do amplificadorna freqüência de teste
| T () | = Vo / Vi ; T () =
T (): 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).
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.
Para próxima aula Leitura prévia: Livro texto, capítulo 3, itens 3.1 a 3.3