Universidade Federal de São João del-rei. Material Teórico de Suporte para as Práticas
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- Maria de Begonha Rios Veiga
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1 Universidade Federal de São João del-rei Material Teórico de Suporte para as Práticas 1
2 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 v 2 v 1 ), multiplicando-se esse valor por um número A que resulta em uma tensão A( v 2 v 1 ), que aparece no terminal de saída 3. 2
3 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( v 2 v 1 ) 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. 3
4 Figura 5: Análise da configuração inversora. v Ganho em Malha Fechada: G = 0 R vi = 2 R1 4
5 Configuração não inversora Figura 6: Configuração não inversora. v Ganho em Malha Fechada: G = 0 R vi = R1 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. 5
6 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: Amplificador Integrador Inversor v G = 0 vi = RC dv i (t) dt 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: v G = 0 vi = 1 RC t V i 0 (t)dt 6
7 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. 7
8 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 Observando a característica i v desprezivelmente pequena para v for positiva. na região direta na Figura 11, percebe-se que a corrente é 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 V D/n.V i D = I S (e T 1 ) = corrente no diodo. i D = tensão no diodo. V D = corrente de saturação. I S 8
9 n = fator de idealidade ( 1 n 2 ). V T = k.t /q k = Constante de Boltzmann = 1, J/K. T = Temperatura em Kelvin = ( T (ºC)). q = Carga do elétron = 1, C. V T = 25, 8 mv para 25ºC. Forma logarítmica: I V 2 V 1 = 2, 3.n.V T.log. 2 I 1 Região de Polarização Reversa A operação na região de polarização reversa é obtida quando a tensão aplicada 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. v é 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. 9
10 Figura 12: Curva característica do diodo valor de pico Supondo o circuito da Figura 12, para uma entrada senoidal o capacitor carrega até o. Então o diodo corta e o capacitor descarrega através da resistência da carga V p 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 que a constante de tempo seja muito maior do que o intervalo de tempo de descarga. C de modo Figura 13: Curva característica do diodo. 10
11 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 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 D 1 e um retificador de pico formado por C 2 e D 2. Enquanto os picos positivos são grampeados em 0 V, o pico negativo atinge 2V p. Em resposta a essa forma de onda, a 11
12 seção do detector de pico proporciona, através do capacitor valor igual a 2V p., uma tensão CC negativa de C 2 Diodos Zener Figura 15: Circuito Dobrador de Tensão. 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. 12
13 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 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. 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. 13
14 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. 14
15 No ponto de saturação (chave fechada) a corrente de base é alta ( (chave aberta) a corrente de base é zero. I B SAT ) e no ponto de corte TBJ - O amplificador emissor comum Figura 21: Transistor Bipolar de Junção. 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. 15
16 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. 16
Sumário. Volume II. Capítulo 14 Efeitos de frequência 568. Capítulo 15 Amplificadores diferenciais 624. Capítulo 16 Amplificadores operacionais 666
Volume II Capítulo 14 Efeitos de frequência 568 14-1 Resposta em frequência de um amplificador 570 14-2 Ganho de potência em decibel 575 14-3 Ganho de tensão em decibel 579 14-4 Casamento de impedância
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