Universidade Federal de São João del-rei. Material Teórico de Suporte para as Práticas

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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

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