V - UFSJ

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( v2 − v1 ), que
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( v2 − v1 ) e será independente da
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 =
v0
vi
R
= − R21
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Configuração não inversora
Figura 6: Configuração não inversora.
Ganho em Malha Fechada:​
G =
v0
vi
R
= 1 + R2
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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:
G =
v0
vi
= − RC
dV i(t)
dt
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:
G =
v0
vi
= −
1
RC
t
∫ V i (t)dt
0
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Diodos
Diodos são elementos fundamentais de circuito, em que apresentam uma relação i
(corrente) - v (tensão) não-linear. ​A característica elétrica do ​diodo ideal pode ser
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 v > 0 .
● A região de ​polarização reversa​, determinada por v < 0 .
● 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 v for positiva.
Observando a característica i − v na região direta na Figura 11, percebe-se que a corrente é
desprezivelmente pequena para v < 0, 5 V. Esse valor é definido como ​tensão de corte​, em
que esse limiar é consequência da relação exponencial. Outra consequência é o aumento
rápido de i , desta maneira para uma “​condução plena​” a queda de tensão no diodo se
restringe a faixa de 0, 6 a 0, 8 V. Dando origem ao modelo em que a queda de tensão no
diodo é de aproximadamente 0, 7 V.
Equação da Corrente no Diodo Real (Lei do Diodo) para Polarização Direta
iD = I S(e
V D/n.V T
− 1)
iD = corrente no diodo.
V D = tensão no diodo.
I S = corrente de saturação.
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n = fator de idealidade (1 ≤ n ≤ 2) .
V T = k.T /q
k = Constante de Boltzmann = 1, 38 × 10
−23
J/K .
T = Temperatura em Kelvin = (273 + T (ºC)) .
q = Carga do elétron = 1, 6 × 10
−19
C.
V T = 25, 8 mV ​para​ 25ºC .
Forma logarítmica:
I
V 2 − V 1 = 2, 3.n.V T .log. I21
Região de Polarização Reversa
A operação na região de polarização reversa é obtida quando a tensão aplicada v é
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 V ZK , na
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 V p . Então o diodo corta e o capacitor descarrega através da resistência da carga
R , a descarga do capacitor continuará por quase todo o ciclo até o instante em que V I exceda
o valor da tensão no capacitor. Assim o diodo conduz novamente carregando o capacitor até o
valor de pico de V I e o processo se repete. Para manter a tensão de saída sem que esta
diminui significamente durante a descarga do capacitor, escolhemos o valor de C de modo
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 V 0 . Desta maneira a forma de onda de saída terá,
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 V c será igual a 6 V e 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
C 1 e D1 e um retificador de pico formado por C 2 e D2 . Enquanto os picos positivos são
grampeados em 0 V, o pico negativo atinge − 2V p . Em resposta a essa forma de onda, a
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seção do detector de pico proporciona, através do capacitor C 2 , uma tensão CC negativa de
valor igual a 2V 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 I z e V z na Figura 16 são valores
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 V z = 6V e ser alimentado com uma tensão de
entrada de pelo menos 8,5 V. Com base na Figura ?, a corrente através do resistor limitador é
dada pela soma I s = I z + I r .
Com o diodo Zener operando na região de ruptura, a corrente através do resistor
limitador é tal que a queda de tensão se torna V s = V ent − V z . Como a tensão Zener se
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 V CE = 0 V e quando está no corte, opera
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 ( I B SAT ) e no ponto de corte
(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 ( i > 0 ). Com a
remoção da tensão VGS, o MOSFET bloqueia tensões positivas V DS > 0 .
Figura 23: Símbolo do MOSFET.
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