Universidade Federal de São João del-Rei

Material Teórico de Suporte para

as Práticas

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Amplificador Operacional

Um Amplificador Operacional, ou Amp Op, é um amplificador diferencial de ganho

muito alto, com impedância de entrada muito alta e impedância de saída muito baixa.

Figura 1: Símbolo do Amp-Op.

Do ponto de vista do sinal, o Amp Op tem 3 terminais: 2 terminais de entrada e 1

terminal de saída. Os terminais 1 e 2 são as entradas e o terminal 3 é a saída. Os

amplificadores operacionais devem ser alimentados com uma fonte cc para operar. Quase

todos os CIs Amp-Ops necessitam de uma fonte cc simétrica.

Figura 2: Amp-Op conectado a fonte de alimentação cc simétrica.

Amp Op Ideal

O amp op é projetado para operar como um sensor da diferença entre os sinais de

tensão aplicados em seus dois terminais de entrada (isto é, o valor de ), v2 − v1

multiplicando-se esse valor por um número A que resulta em uma tensão A( ), que v2 − v1

aparece no terminal de saída 3.

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Em um amp op ideal é suposto que nenhuma corrente de entrada seja drenada, isto é,

a corrente do sinal no terminal 1 e a corrente do sinal no terminal 2 são ambas iguais a zero.

Em outras palavras, a impedância de entrada do amp op ideal é supostamente infinita.

O terminal 3 é suposto como se fosse o terminal de uma fonte de tensão ideal. Isto é, a

tensão entre o terminal 3 e o terra será sempre igual a A( ) e será independente da v2 − v1

corrente que possa ser drenada do terminal 3 por uma impedância de carga. A Figura a seguir

ilustra o que foi dito acima.

Figura 3: Circuito Equivalente do Amp Op ideal.

O Amp Op ideal tem um ganho A que permanece constante, desde frequência zero até

frequência infinita. Isto é, o Amp Op amplificará sinais de qualquer frequência com igual

ganho. O Amp Op ideal deve ter um valor de ganho A muito alto ou mesmo infinito.

Configurações em malha fechada

Amplificador Inversor

Figura 4: Configuração inversora em malha fechada.

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Figura 5: Análise da configuração inversora.

Ganho em Malha Fechada: G = vi

v0 = − R1

R2

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Configuração não inversora

Figura 6: Configuração não inversora.

Ganho em Malha Fechada: 1G = vi

v0 = + R1

R2

Amplificador Somador

A tensão de saída deste circuito é a soma algébrica das tensões aplicadas às entradas,

multiplicada pelo ganho dado pelos resistores.

Figura 7: Amplificador Somador.

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Amplificador Diferenciador Inversor

O diferenciador é um circuito que realiza a operação matemática de diferenciação. Ele

produz uma tensão de saída proporcional a inclinação da função da tensão de entrada.

Figura 8.: Amplificador Diferenciador Inversor.

Ganho em Malha Fechada: CG = vi

v0 = − R dtdV (t)i

Amplificador Integrador Inversor

O integrador é um circuito que executa a operação de integração. Se uma tensão fixa

for aplicada como entrada para um integrador, a tensão de saída cresce sobre um período de

tempo, fornecendo uma tensão em forma de rampa.

Figura 9: Amplificador Integrador Inversor.

Ganho em Malha Fechada: (t)dtG = vi

v0 = − 1RC ∫

t

0V i

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Diodos

Diodos são elementos fundamentais de circuito, em que apresentam uma relação i

(corrente) - (tensão) não-linear. A característica elétrica do diodo ideal pode ser v

interpretada como segue: se uma tensão negativa - em relação à referência indicada na Figura

10 (a) - for aplicada no diodo, não haverá circulação de corrente e o diodo se comporta como

um circuito aberto como indicado na Figura 10 (b) nesse modo é dito está reversamente

polarizado.

Por outro lado, se uma corrente positiva - em relação à referência indicada na Figura

10 (a) - for aplicada a queda de tensão no diodo é zero. Nestas condições, o diodo se

comporta como um curto-circuito como na Figura 10 (c) nesse caso é dito está em

condução.

Figura 10: Diodo Ideal.

Curva Característica do Diodo

Conforme indicado a curva característica consiste em três regiões distintas:

● A região de polarização direta, determinada por . 0v >

● A região de polarização reversa, determinada por 0 .v <

● A região de ruptura, determinada por . v < − V ZK

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Figura 11: Curva característica do diodo com escalas expandidas e outras comprimidas a fim

de revelar certos detalhes.

Região de Polarização Direta

A região direta é uma região de operação estabelecida quando a tensão for positiva. v

Observando a característica na região direta na Figura 11, percebe-se que a corrente é i − v

desprezivelmente pequena para V. Esse valor é definido como tensão de corte, em 0,v < 5

que esse limiar é consequência da relação exponencial. Outra consequência é o aumento

rápido de , desta maneira para uma “condução plena” a queda de tensão no diodo se i

restringe a faixa de a V. Dando origem ao modelo em que a queda de tensão no ,0 6 ,0 8

diodo é de aproximadamente V.,0 7

Equação da Corrente no Diodo Real (Lei do Diodo) para Polarização Direta

(e )iD = IS V D/n.V T − 1

= corrente no diodo.iD

= tensão no diodo.V D

= corrente de saturação.IS

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= fator de idealidade .n 1 )( ≤ n ≤ 2

.T /qV T = k

= Constante de Boltzmann = . k , 8 0 J/K1 3 × 1 −23

= Temperatura em Kelvin = .T 273 (ºC))( + T

= Carga do elétron = .q , 0 C1 6 × 1 −19

= para .V T 5, mV2 8 5ºC2

Forma logarítmica:

, .n.V .log.V 2 − V 1 = 2 3 T I1

I2

Região de Polarização Reversa

A operação na região de polarização reversa é obtida quando a tensão aplicada é v

negativa, como visto na Figura ?. Diodos reais apresentam corrente reversa de valor muito

pequeno devido a efeitos de fuga, em que aumenta proporcional a tensão reversa.

Região de Ruptura

A região de ruptura pode ser identificada na Figura 11, que é obtida quando a tensão

reversa excede a um valor de limiar específico para um diodo particular e é chamada de

tensão de ruptura. É a tensão de “joelho da curva” na Figura 11 representada por , na V ZK

região de ruptura a corrente reversa aumenta rapidamente com um aumento muito pequeno

na queda de tensão associada.

Diodo - Retificador com Filtro Capacitivo

Uma forma de reduzir a tensão de saída é conectar um capacitor em paralelo com o

resistor de carga, em que o capacitor de filtro serve para reduzir as variações de tensões de

saída.

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Figura 12: Curva característica do diodo

Supondo o circuito da Figura 12, para uma entrada senoidal o capacitor carrega até o

valor de pico . Então o diodo corta e o capacitor descarrega através da resistência da carga V p

, a descarga do capacitor continuará por quase todo o ciclo até o instante em que excedaR V I

o valor da tensão no capacitor. Assim o diodo conduz novamente carregando o capacitor até o

valor de pico de e o processo se repete. Para manter a tensão de saída sem que esta V I

diminui significamente durante a descarga do capacitor, escolhemos o valor de de modo C

que a constante de tempo seja muito maior do que o intervalo de tempo de descarga.

Figura 13: Curva característica do diodo.

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Diodo - Dobrador de Tensão

Circuito Grampeador

É circuito muito interessante com muitas aplicações, uma forma de visualizar a

operação do circuito da Figura 14 : como o diodo está conectado em paralelo com a saída e

com a polaridade mostrada, ele evita que a tensão na saída seja menor que 0 V (pela

condução e carga do capacitor, fazendo então que a saída seja maior que 0 V), mas essa

conexão não limita excursão positiva de . Desta maneira a forma de onda de saída terá, V 0

portanto, seu pico mais baixo “grampeado” em 0 V. Por exemplo, a entrada for uma onda

quadrada com um nível de - 6 V e + 4 V, então será igual a 6 V e .V c V 0 = V t + V c

Figura 14: Circuito Grampeador.

Dobrador de Tensão

É um circuito composto por de duas seções em cascata: um grampeador formado por

e e um retificador de pico formado por e . Enquanto os picos positivos sãoC1 D1 C2 D2

grampeados em 0 V, o pico negativo atinge . Em resposta a essa forma de onda, a V− 2 p

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seção do detector de pico proporciona, através do capacitor , uma tensão CC negativa de C2

valor igual a .V2 p

Figura 15: Circuito Dobrador de Tensão.

Diodos Zener

Nas aplicações normais dos diodos zener, a corrente circula entrando pelo catodo, ou

seja, o catado é positivo em relação ao anodo. Portanto e na Figura 16 são valores Iz V z

positivos. São diodos criados para operar na região de ruptura.

Figura 16: Símbolo diodo zener.

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Figura 17: Curva característica do diodo zener.

Uso do Diodo Zener Como Regulador Paralelo

O circuito regulador com diodo Zener deve ser alimentado na entrada com uma tensão

pelo menos 40% superior ao valor da tensão Zener, para que possa efetuar adequadamente a

regulação. Por exemplo, se a tensão regulada for especificada com um valor de 6 V o circuito

regulador deve utilizar um diodo Zener com = 6V e ser alimentado com uma tensão de V z

entrada de pelo menos 8,5 V. Com base na Figura ?, a corrente através do resistor limitador é

dada pela soma .Is = Iz + Ir

Com o diodo Zener operando na região de ruptura, a corrente através do resistor

limitador é tal que a queda de tensão se torna . Como a tensão Zener se V s = V ent − V z

mantém praticamente constante, conclui-se que o decréscimo no nível da tensão de entrada é

totalmente aplicado entre os terminais do resistor limitador.

Figura 18: Circuito zener como regulador paralelo.

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Transistores Bipolares de Junção (TBJ)

Transistor Bipolar de Junção (TBJ ou BJT, do inglês: bipolar junction transistor) é

formado por duas junções pn com duas possibilidades básica: NPN e PNP, terminal central,

denominado base, “controla” a corrente que circula pelos dois terminais principais, emissor e

coletor.

Figura 19: Configuração TBJ NPN.

Figura 20: Configuração TBJ PNP.

Transistor TBJ: Chave

Para que o TBJ opere como chave, devemos utilizar os modos de operação no

corrente e na saturação. Quando um transistor está saturado opera como um curto (chave

fechada) entre o coletor e o emissor de forma que = 0 V e quando está no corte, opera V CE

como um circuito aberto (chave aberta) entre o coletor e o emissor, de forma que . V CE = V CC

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No ponto de saturação (chave fechada) a corrente de base é alta ( ) e no ponto de corte IB SAT

(chave aberta) a corrente de base é zero.

Figura 21: Transistor Bipolar de Junção.

TBJ - O amplificador emissor comum

O Amplificador Emissor Comum é um dos blocos mais utilizados em projetos de

circuitos integrados, apresentando características de ganho de corrente, ganho de tensão,

impedância de entrada e impedância de saída bastante flexíveis e úteis. Para operar como

amplificador um transistor deve ser polarizado na região ativa. A polarização deve

estabelecer uma corrente cc constante no coletor, insensível a variações de temperatura, β,

etc.

Figura 22: Transistor TBJ: Amplificador Emissor Comum.

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Operação em pequeno sinal e modelos

Transistores de Efeito de Campo (FETS)

O MOSFET ou simplesmente FET (MOS = metal-oxide semiconductor - metal óxido

semicondutor e FET = field effect transistor - transistor de efeito de campo ), é um tipo de

transistor, componente usado como chave ou amplificador de sinais elétricos.

Transistor FET: Chave

O MOSFET é uma chave ativa com camadas semicondutoras N e P, cujo controle de

condução é feito por um terminal isolado chamado de gate (porta). É um semicondutor

totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre o gate e o source. O transistor

MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, ou transistor de

efeito de campo de semicondutor de óxido metálico). Quando uma tensão VGS adequada é

aplicada, o MOSFET entra em condução e conduz correntes positivas ( ). Com a i > 0

remoção da tensão VGS, o MOSFET bloqueia tensões positivas .DSV > 0

Figura 23: Símbolo do MOSFET.

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