R i

Eletrônica Básica EM
http://www.engr.sjsu.edu/wdu/Mechatronics/Spring2003/index.htm
Circuitos elétricos e circuitos eletrônicos
http://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 eletrônicos
http://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
Diodo a válvula de
Fleming,1904
A válvula de Fleming em operação,
e um dos primeiros modelos de
sua válvula, 1905.
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 - operação
http://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
Diagrama de
anodo atrai estes elétrons, havendo, portanto, a
funcionamento
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).
Oscillation valves
http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/fleming.htm
Válvulas osciladoras testadas
por Fleming, em 1904.
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.
Diodo a válvula - operação
http://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 Fleming
http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/fleming.htm
Diodos a válvula de
Fleming,1904-1905
A propriedade retificadora da
válvula termiônica de Fleming.
Retificação e ondas de rádio
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/audio/c3
Rádio AM
 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.
Retificação e ondas de rádio
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/amfmdet.html#c1
Detector AM
 A detecção de ondas de rádio AM é uma das aplicações de diodos.
Triodo a vácuo – De Forest
http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube
Lee de Forest vs.
Fleming
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.
O primeiro transistor (Bell Labs, 1947)
http://www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transistor.html
O primeiro transistor de
junção de germânio da Bell
Laboratories, 1950
Point contact transistor, 1947
Funcionamento básico - amplificação
http://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.phyastr.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 – Ementa
Introdução 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 recomendada
Livro 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://ecewww.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
convenientemente por sistemas eletrônicos.
mais
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.
Conceitos básicos (2)
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.
Transdutores
Eletromecânicos: atuadores – motores; relés
Eletroacústicos: alto-falantes; microfones
Foto-elétricos: diodo emissor de luz (LED); fototransistor; célula solar
Eletromagnéticos: antena, lâmpada
Transdutores (2)
Magnéticos: sensor de efeito Hall
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
piezoelétrico.
(converte
som
em
sinal
elétrico),
cristal
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)
Fonte ideal: Rs = 0
Fontes de sinal de corrente:
Forma de Norton
(preferível quando Rs for grande)
Fonte ideal: Rs  ∞
Amplificadores
Amplificador: elemento básico em circuitos analógicos.
Inversor lógico: elemento básico em circuitos digitais.
Motivação: transdutores fornecem sinais ”fracos”, na escala
de mV 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:
vo (t )  A vi (t )
Ganho de tensão
Ganho de tensão ( A v ) 
vo (t )
vi (t )
Característica de
transferência
RL: resistência de carga
Ganho de potência e corrente
potência da carga ( PL ) vo io
Ganho de potência ( A p ) 

potência da entrada ( PI ) v I iI
io 
vo
: corrente que o amplificad or entrega à carga
RL
iI : corrente que o amplificad or " puxa" da fonte de sinal
io
Ganho de corrente ( A i ) 
iI
 Das equações anteriores : A p  A v A i
Ganho em Decibéis
Ganho de tensão e de corrente  20 log A dB
Ganho de potência  10 log A p dB
Atenuação: |A| < 1  AdB < 0; Buffer:|A| = 1  AdB = 0
Fonte da potência adicional  fontes DC para polarização do
amplificador.
Eficiência
Potência DC fornecida ao amplificad or : Pdc  V1 I1  V2 I 2
Potência fornecida à carga
Pdc  PI  PL  Pdissipada
Potência “puxada” da fonte
de sinais pelo amplificador
PL
eficiência do amplificador :  
 100
Pdc
(assumindo PI  Pdc )
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
L
L
vI 
região linear de operação:
Av
Av
Saturação em Amplificadores (2)
Análise de pequenos sinais
Av 
dvO
dvI
: inclinação do segmento quase linear
em Q
v i ( t ): sinal ac a ser amplificado
V I : tensão dc
v I (t )  V I  v i (t ) : entrada instantânea total
Q: ponto quiescente, ponto bias dc ou ponto de operação
Modelos de circuitos
Objetivo: modelar o comportamento observado a
partir dos terminais do dispositivo.
Amplificador de tensão:
Ganho de tensão em circuito aberto (V/V)
vo
RL
RL
 Av 
 A vo
 Ro não nulo  v o  A vov i
RL  Ro
vi
RL  Ro
Ri
vo
Ri
RL

 A vo
 Ri finito  v i  v s
Ri  Rs
vs
R i  Rs RL  Ro
Modelos de circuitos (2)
Amplificador de tensão (cont.):
Ri
vi  vs
Ri  Rs
Ganho de tensão em circuito aberto :
RL
v o  A vov i
RL  Ro
A vo 
vo
vi
(V / V )
io  0
Ideal: R i = ∞ ; Real: R i >> R s (por que?)
Ideal: R o = 0 ; Real: R o << R L (por que?)
Modelos de circuitos (3)
Amplificador de corrente:
io
ii
+
vi
–
Ri
Aisi i
Ro
+
vo
–
Ideal: R i = 0
Ideal: R
o
=∞
Ganho de corrente com a saída em curto - circuito :
io
A is 
ii
( A / A)
vo  0
Modelos de circuitos (4)
Amplificador de transcondutância:
io
+
vi
–
Ri
Gmv i
Ro
+
vo
–
Ideal: R i = ∞
Ideal: R
o
=∞
Transcondu tância em curto - circuito :
io
Gm 
vi
( A /V )
vo  0
Modelos de circuitos (5)
Amplificador de transresistência:
io
ii
Ideal: R i = 0
Rmi i
Ideal: R
o
=0
Transresis tência em circuito aberto :
Rm 
vo
ii
(V / A)
io 0
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 amplificador
na freqüência de teste w
f:
fase do ganho do amplificador
na freqüência de teste w
| T (w) | = Vo / Vi
;
T (w) = f
T (w): 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-timeconstant): 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