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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 =⇒
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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