Folha de características de um díodo zener

Transcrição

1 Díodo zener Exemplos de limitadores polarizados com díodo zener 101 Folha de características de um díodo zener 102 1

2 Folha de características de um díodo zener Z Z - impedância de zener para uma corrente de zener de teste I ZT Z ZK - impedância de zener com uma corrente de zener I ZK (zona do joelho) I R corrente inversa de fugas com tensão inversa aplicada V R I surge - pico de corrente de zener I ZM corrente máxima de zener em funcionamento contínuo 103 Folha de características de um díodo zener Na zona de disrupção, para valores de corrente de zener baixos o valor da impedância de zener é muito alto A corrente máxima de zener em funcionamento contínuo diminui à medida que a tensão de zener aumenta de díodo para díodo Tal deve-se ao valor máximo da potência que esta série de díodos zener pode dissipar 1 W = V Z I Z 4,7 0,193 = 0,907W 9,1 0,100 = 0,9W 33 0,027 = 0,891W O sufixo A indica uma tolerância de ±5% na tensão de zener 104 2

3 Díodos emissores de luz LED (light-emitting diode) Nos díodos, quando polarizados directamente, os electrões livres atravessam a junção e são capturados pelas lacunas abaixamento do nível de energia por irradiação Nos díodos normais a energia é irradiada sob a forma de calor Nos LEDs é irradiada sob a forma de fotões Diferentes elementos químicos (gálio, arsénio, fósforo) permitem a construção de LEDs de diferentes cores (vermelho, verde, amarelo, azul, laranja, infravermelho) Vantagens: baixo consumo, vida longa e elevada velocidade de comutação 105 Folha de características de um díodo LED 106 3

4 Folha de características de um díodo LED 107 Folha de características de um díodo LED 108 4

5 Tensão e corrente num LED Os LEDs têm sempre em série uma resistência para limitar a corrente Na maioria dos LEDs a queda de tensão directa varia entre 1,5V e 2,5V para correntes entre 10mA e 40mA I D U = U R S D 109 Tensão inversa nos LEDs Os LEDs apresentam tensões de disrupção muito pequenas, tipicamente da ordem dos 3V a 5V A utilização de LEDs para sinalização da existência de tensão numa linha da rede eléctrica é possível desde que se coloque um díodo em série, para evitar a aplicação de tensões inversas ao LED 110 5

6 LEDs numéricos e alfa-numéricos Displays de 7 segmentos 111 LEDs numéricos e alfa-numéricos Displays alfa-numéricos 112 6

7 Matrizes de LEDs Displays em matriz Matriz bi-color verde-laranja em ânodo e cátodo comum 113 Fotodíodos Os fotodíodos de silício funcionam como sensores de luz que geram uma corrente quando a junção PN é iluminada Tem origem no movimento de portadores minoritários devida à agitação térmica; a luz incidente aumenta a corrente inversa no fotodíodo Possuem excelente linearidade em relação à luz incidente, ampla resposta espectral 114 7

8 Optoacoplador Combinação de LED e fotodíodo O circuito de entrada alimenta um LED cuja luz emitida incide no fotodíodo criando uma corrente inversa no circuito de saída, a qual origina uma tensão aos terminais da resistência R L O objectivo principal de um optoacoplador é proporcionar isolamento eléctrico entre a entrada e a saída 115 Díodo Schottky O funcionamento dos díodos degrada-se a altas frequências devido à capacidade parasita da junção O intervalo de comutação do díodo passa a ser significativo quando comparado com o período do sinal Os portadores armazenados na junção, e que permitem que esta seja condutora, têm de ser descarregados quando o díodo é sujeito a uma tensão inversa, antes de o díodo bloquear tempo de recuperação inversa Esse comportamento origina o aparecimento de uma corrente inversa e atrasa a saída de condução do díodo 116 8

9 Díodo Schottky Constituídos por uma junção semicondutor-metal Pastilha de silício geralmente do tipo n Pastilha de metal bom condutor (ouro, prata, platina) Devido ao metal de um dos lados da junção, o díodo Schottky não tem camada de deplecção e, por isso, não armazena cargas (capacidade parasita inexistente) Quando não polarizado, os electrões do lado N estão em órbitas menores que os electrões livres do lado do metal À diferença de tamanho das órbitas dá-se o nome de barreira de Schottky e vale aproximadamente 0,25V 117 Díodo Schottky Quando polarizado directamente, os electrões adquirem energia suficiente para circular em órbitas maiores e atravessam a junção, produzindo uma corrente directa intensa Como o metal não tem lacunas, não existe armazenamento de cargas nem tempo de recuperação inversa O díodo Schottky rectifica facilmente acima dos 300MHz 118 9

10 Transistor bipolar de junção O Dr. John Bardeen, o Dr. Walter Brattain e o Dr. William Shockley descobriram o efeito transistor e desenvolveram o primeiro dispositivo em Dezembro de 1947, enquanto membros da equipa técnica dos Bell Laboratories em Murray Hill, NJ. Receberam o Prémio Nobel da Física em Transistor bipolar de junção Três regiões e duas junções resultado da associação de três pastilhas de semicondutor tipo NPN ou PNP As regiões são denominadas de colector, base e emissor

11 Transistor bipolar de junção A área e o nível de dopagem das regiões é diferente O emissor é muito dopado A base é pouco dopada e tem a mais pequena área O colector apresenta um nível de dopagem intermédio O transistor exibe duas junções Uma entre o emissor e a base Outra entre o colector e a base As duas junções conduzem ao aparecimento de duas zonas de deplecção, ambas com um potencial da barreira de 0,7V 121 Transistor bipolar de junção Aplicando tensão ao transistor, a corrente fluí entre as diferentes partes O emissor fortemente dopado emite ou injecta electrões na base A base fracamente dopada tem como finalidade passar os electrões do emissor para o colector O colector recolhe a maioria dos electrões que vêm da base

12 Transistor bipolar de junção A polarização directa da junção emissor-base, desde que U BB seja superior a 0,7V, leva a que os electrões do emissor passem para a base Na base os electrões podem seguir para o exterior através do terminal de base e da resistência R B para a fonte U BB, ou seguir para o colector A maior parte segue para o colector porque: A distância entre as duas junções é muito pequena A pouca dopagem da base implica que a recombinação é pequena e a corrente de lacunas que fluí da fonte U BB é muito fraca 123 Transistor bipolar de junção Os electrões que seguem para o colector são atraídos pela fonte de tensão U CC, criando uma corrente através de R C Em termos do sentido convencional das correntes temos (para um transistor NPN): I C corrente de colector I B corrente de base I E corrente de emissor Pela lei das correntes de Kirchhoff temos que I E =I C +I B

13 Transistor bipolar de junção Como a corrente de base é, geralmente, muito pequena (tipicamente menos de 1% da corrente de colector), é comum usar-se a aproximação I C I E A razão entre a corrente de colector e a corrente de base designa-se por β e denomina-se Ganho de Corrente IC β = I B Esta razão é praticamente constante dentro de uma certa gama de valores da corrente I C 125 Transistor bipolar de junção O ganho de corrente é a principal característica de um transistor pois permite a modulação de uma corrente elevada (I C ) através da variação de uma corrente pequena (I B ) I C = β I B Nos transistores de baixa potência (até 1 W) o ganho pode situar-se entre os 100 e os 300 Nos transistores de potência mais elevada (acima de 1 W) o ganho pode ir desde 5 até

14 Transistor bipolar de junção 127 Transistor bipolar de junção Modos de ligação de um transistor Base comum Colector comum Emissor comum O circuito apresenta duas malhas Malha da base Malha do colector

15 Transistor bipolar de junção V BB polariza directamente a junção base-emissor, com R B como resistência limitadora de corrente V CC polariza inversamente a junção colector-base O terminal positivo de V CC ligado ao colector permite a recolha dos electrões que vêm do emissor A resistência R C, atravessada pela corrente de colector, modulada pela corrente de base, funciona como carga para a malha de saída 129 Transistor bipolar de junção Característica da base Corrente de base em função da tensão aplicada V BE I B =f(v BE ) Idêntica à de um díodo polarizado directamente qualquer das aproximações usadas com os díodos é válida para esta junção Aplicando a Lei de Ohm à resistência de base temos: I B V = BB V R B BE

16 Transistor bipolar de junção Característica do colector Corrente de colector em função da tensão aplicada V CE I C =f(v CE ) Variando os valores de V BB, variam-se os valores da corrente de base, segundo a equação para a malha da base Para um determinado valor fixo de I B podemos variar o valor de V CC e obter diferentes valores de I C e V CE Desta forma podemos traçar diferentes curvas de I C =f(v CE ) para diferentes valores da corrente de base 131 Transistor bipolar de junção Por exemplo, para um valor fixo da corrente I B =10µA, podemos variar o valor de V CC e medir I C em função de V CE Se V CE =0 I C =0 Quando V CE >0 e inferior ao valor de ruptura I C =βi B =cte. zona activa Um aumento de V CE não implica um aumento de I C I C 5 ma 4 ma 3 ma 2 ma 1 ma 0 I B=50 A IB=40 A I B=30 A I B=20 A I B=10 A I B=0 1 V 40 VV CE

17 Transistor bipolar de junção O colector só recolhe os electrões que são injectados no emissor, e estes dependem da malha da base Um aumento de V CE não leva, por isso, a um aumento da corrente de emissor Só um aumento de V BB leva a que a corrente de base aumente, e consequentemente, a um aumento proporcional da corrente de colector I C Se V CE aumentar exageradamente, a junção colector-base entra em disrupção, com o consequente aumento da potência dissipada e a destruição do transistor 133 Transistor bipolar de junção No circuito do colector temos: V CE = V CC R A potência dissipada no transistor será aproximadamente: P D = VCE IC Esta potência de perdas provoca o aquecimento do transistor, limita a corrente de colector dando origem à denominada Hipérbole de Potência Temperaturas da junção superiores a 200º C conduzem à sua destruição C I C

18 Zonas de operação Zona activa Zona de funcionamento normal do transistor Junção BE polarizada directamente Junção BC polarizada inversamente Zona de saturação Junções polarizadas directamente Pequena tensão V CE I C máximo - não proporcional a I B Zona de corte I B =0 I C =0 135 Efeito da temperatura sobre o ganho do transistor A variação da temperatura de um transistor conduz a variações importantes no seu ganho Para correntes mais elevadas a temperaturas mais altas o transistor atinge mais cedo a zona de saturação h FE =ß parâmetros h de análise de transistores

19 Recta de carga Polarização do transistor estabelecimento do ponto quiescente* (Ponto Q) Polaridade da base ou polarização da base estabelecimento de um valor fixo da corrente de base Cálculo da corrente de colector e da tensão colector-emissor I C = β I B V CE = V CC R C I C * adj., que está sossegado, em paz; quieto, tranquilo 137 Resolução gráfica Baseada na recta de carga do transistor e na caracteristica de I C em função de V CE V = V R I CE CC Resolvendo em ordem a I C VCC VCE IC = R C C C A representação gráfica da eq. resulta numa recta denominada de carga por representar o efeito da carga (R C ) sobre I C e V CE

20 Resolução gráfica As extremidades da recta correspondem a V CE =0 e I C =0 A variação de R B de 0 a variar I C e V CE ao longo da totalidade da sua gama de variação representação gráfica de I C e V CE para cada valor de I B possível A recta de carga define cada ponto possível de operação do transistor Se R B muito pequeno V CE 0 transistor à saturação corrente de colector no máximo possível (c.c. C E) Se R B V CE V CC transistor ao corte (c.a. C E) 139 Ponto de operação Cada circuito transistorizado possui uma recta de carga A partir de um dado circuito determina-se a corrente I C de saturação a tensão V CE de corte e traça-se a recta de carga Variações do ganho ß provocam um rápido deslocamento do ponto de funcionamento, podendo posicioná-lo fora da zona activa De notar que, para um dado circuito, I B =cte. independente de variações de ß

21 Tipos de circuitos a transistores Circuitos de amplificação Ponto Q permanece na zona activa sob qualquer condição de operação Usados na amplificação de sinais variáveis no tempo (ex: amplificadores de som) Circuitos de comutação Ponto Q comuta entre a zona de corte e a zona de saturação Usados em circuitos digitais bipolares e na modelação de potências elevadas 141 Exemplo de um circuito digital Porta lógica NOT Com o interruptor aberto VA = 0 I B = 0 IC = 0 VOUT = + 5V Com o interruptor fechado V I A C = 5 I = 500µ A B = 5mA V OUT 0V +5 V A 10K I B V BE 1K +5 V I C B A B V OUT Considerando um β=100 vemos que o circuito está saturado, uma vez que I C <<β.i B (Ic com V CE =0) Na realidade o ganho de corrente é aproximadamente

22 Montagem amplificadora Polarização do emissor Nos circuitos amplificadores é importante que o Ponto Q seja imune a variações do ganho de corrente, isto é, seja fixo Tal consegue-se usando o esquema designado de polaridade do emissor Cálculo da tensão e corrente de emissor VE = VBB VBE VE I E = IC RE V BB ou seja, a corrente de colector é fixa independentemente de flutuações no ganho I B V BE R E I C V CE I E R C V CC 143 Montagem amplificadora Montagem amplificadora C A e C B condensadores de desacoplamento de entrada e saída Evitam que a componente contínua necessária à polarização do transistor circule através do microfone e do altifalante, o que poderia conduzir à sua saturação Na montagem R A, R B, R C e R E fixam o ponto quiescente em torno do qual se dá a variação da tensão

23 Montagem amplificadora Funcionamento na zona activa da característica I C =f(v CE ) A uma variação do sinal de entrada entre 10µA<I B <45µA corresponde uma variação de 1mA<I C <45mA Ganho de corrente β= Montagem amplificadora Quando o valor da tensão do sinal de entrada ultrapassa os limites da zona activa, o amplificador satura Perde-se a relação de proporcionalidade entre I C e I B dada pelo ganho em corrente β Esta situação é indesejável pois corresponde a uma distorção do sinal de saída em relação ao sinal de entrada

24 Transistores de efeito de campo O funcionamento do transistor bipolar de junção tem por base dois tipos de carga eléctrica: electrões livres e lacunas bipolar ( bi pref. lat. 'duas vezes') O transistor de efeito de campo (Field Effect Transistor FET) é do tipo unipolar a sua operação depende apenas de um tipo de carga eléctrica: electrões livres ou lacunas o FET tem portadores maioritários mas não minoritários Dois tipos de transistores unipolares: JFETs (Junction Field Effect Transistor) MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Effect Transistor) 147 JFET Princípio de funcionamento Uma pastilha tipo N com duas regiões opostas do tipo P interligadas internamente Fonte e dreno são positivas em relação à porta díodo porta-fonte inversamente polarizado corrente de porta I G 0 impedância de entrada Forma-se uma camada de deplecção em torno das regiões P Um aumento do valor da tensão negativa na porta aumento da zona de deplecção estreitamento do canal de condução diminuição da corrente através do JFET

25 JFET A tensão aplicada à porta controla a corrente de dreno O JFET é um dispositivo controlado por tensão, ao contrário do transistor que é um dispositivo controlado por corrente (a corrente de base controla a corrente de colector) Tensão U GS =0 I D =I DMáx Tensão U GS <0 I D 0 As camadas de deplecção expandem-se até se tocarem o canal de condução entre fonte e dreno desaparece e a corrente anula-se Símbolo gráfico do JFET Tipo N ou P consoante os portadores (canal N tipo N canal P tipo P) Porta Gate Dreno Drain D G G S Fonte Source Tipo N D S Tipo P 149 Característica de dreno I D =f(u DS ) tipo N O aumento de U DS leva a um aumento da zona de deplecção e a um estrangulamento do canal Para valores de U DS >U P (tensão de estrangulamento), a continuação do aumento de U DS não leva a um aumento da corrente A zona activa entre U P e U DSMáx impedância em condução 0,5Ω Para U DS >U DSMáx o JFET entra em disrupção

26 Característica de dreno Na zona 0<U DS <U P o JFET tem um comportamento óhmico, equivalente a uma resistência zona óhmica U R DS = I R DS - Resistência óhmica do JFET A resistência óhmica é constante na zona óhmica Para U GS =-4V I D 0 tensão de corte porta-fonte U GS =U P valores para os quais as camadas de deplecção se tocam, ou devido ao aumento de U DS ou de U GS P DSS 151 Característica de transcondutância I D =f(u GS ) tipo N A característica é não linear porque I D aumenta mais rapidamente à medida que U GS se aproxima de zero A equação desta característica é I D 1 U = GS I DSS U GS, corte

27 MOSFET O MOSFET difere do JFET por ter uma porta isolado do canal de condução dos portadores maioritários Existem dois tipos de MOSFETs: MOSFET de deplecção (tipo D ou D-MOSFET) (pouco usados) MOSFET de enriquecimento (tipo E ou E-MOSFET) A principal utilização dos MOSFETs discretos é na comutação de potência e em circuitos integrados na comutação digital A maior vantagem dos MOSFET é a sua elevada velocidade de comutação e baixa dissipação de potência 153 MOSFET de deplecção Pastilha do tipo P, denominada substrato, onde são inseridas duas regiões do tipo N interligadas entre si através de um canal estreito (tipo N) Por cima do canal, isolada electricamente do substrato por uma camada de óxido de silício, situa-se a porta (gate) A largura do canal é controlada pela tensão aplicada à porta

28 MOSFET de deplecção Uma vez que a porta está isolada do substrato, a corrente através da porta é nula A porta comporta-se como um pequeno condensador, pelo que só há circulação de corrente no terminal de porta quando a tensão que lhe está aplicada varia dv i = C dt A aplicação de uma tensão entre dreno e fonte força a existência de uma corrente entre eles A tensão aplicada à porta controla a largura do canal, controlando o fluxo de corrente entre dreno e fonte 155 Tensão de porta A tensão porta-fonte (V GS ) pode ser positiva ou negativa Se a tensão for negativa, os electrões do canal são repelidos e o canal torna-se mais estreito, diminuindo a corrente I D Se a tensão for positiva, mais electrões são atraídos para o canal tornando-o mais largo e aumentando a corrente I D

29 Características de um MOSFET de deplecção I D =f(u DS ) & I D =f(u GS ) 157 MOSFET de enriquecimento Pastilha do tipo P, denominada substrato, onde são inseridas duas regiões do tipo N (tipo N) Ao contrário do MOSFET de deplecção, estas duas regiões não estão unidas Por cima do canal, isolada electricamente do substrato por uma camada de óxido de silício, situa-se a porta (gate) A existência do canal e a sua largura é controlada pela tensão aplicada à porta G D S Tipo N G D S Tipo P

30 MOSFET de enriquecimento A simples aplicação de uma tensão entre dreno e fonte não provoca o aparecimento de uma corrente entre eles É necessário aplicar uma tensão positiva à porta para que se crie o canal do tipo N condutor O valor da tensão controla a largura do canal, controlando o fluxo de corrente entre dreno e fonte Tal como nos MOSFET de deplecção, uma vez que a porta está isolada do substrato, esta comporta-se como um pequeno condensador, só existindo circulação de corrente no terminal de porta quando a tensão a ela aplicada varia 159 Tensão de porta A tensão porta-fonte (V GS ) só pode ser positiva (no caso dos MOSFET tipo N) Se a tensão for negativa, os electrões do substrato são repelidos e o canal não se forma Se a tensão for positiva, os electrões são atraídos para o canal, criando-o e permitindo a circulação da corrente I D O valor da tensão determina a largura do canal e, em consequência, o valor da corrente I D

31 Características de um MOSFET de enriquecimento I D =f(u DS ) & I D =f(u GS ) 161 Amplificadores operacionais (AmpOp) Amplificador integrado de corrente contínua com: Elevado ganho de tensão Elevada impedância de entrada Impedância de saída muito baixa São os componentes mais básicos dos sistemas analógicos Com alguns componentes externos é possível construir uma panóplia de diferentes circuitos Na generalidade os AmpOp necessitam de tensões de alimentação simétricas

32 Amplificadores operacionais (AmpOp) Esquema funcional de um amplificador operacional 1º andar amplificador diferencial determina as características de entrada do AmpOp o andar de saída do tipo seguidor de emissor de classe B permite a obtenção de uma gama simétrica de tensões na saída (dependente das tensões de alimentação) 163 Amplificadores operacionais (AmpOp) Amplificador diferencial de entrada Tensão alternada de saída igual a v OUT = v v C 2 C1 Designa-se de saída diferencial porque combina as duas tensões alternadas dos colectores numa única tensão, igual à diferença das tensões dos colectores Quando v 1 =v 2 v OUT =

33 Amplificadores operacionais (AmpOp) O amplificador diferencial tem duas entradas: v 2 designada por entrada não-inversora porque v out está em fase com v 2 v 1 designada por entrada inversora porque v out está em oposição de fase com v 1 Em algumas aplicações uma ou outra das entradas está ligada à terra Quando as duas tensões estão presentes, a entrada denomina-se entrada diferencial dado que a tensão de saída é igual ao produto do ganho de tensão pela diferença das duas tensões de entrada 165 Amplificadores operacionais (AmpOp) v OUT = A( v 2 v1) De notar que a tensão aos terminais de R E é sempre igual para os dois pares de transístores, uma vez que esta resistência é comum aos dois Sendo os dois transístores iguais, o valor de V BE de ambos também é igual, pelo que a tensão de base de ambos é sempre igual Isto significa que à entrada do AmpOp temos um curto-circuito virtual, isto é, a tensão na entrada inversora é sempre igual à tensão na entrada não-inversora

34 Amplificadores operacionais (AmpOp) Como a polarização mantém V E praticamente constante, as duas metades do amplificador respondem de maneira complementar Um aumento de corrente em Q 1, durante a alternância positiva do sinal de entrada induz uma diminuição da corrente em Q 2 e Vice-versa na alternância negativa 167 Amplificadores operacionais (AmpOp) Saída em seguidor de emissor de classe B Devido às alimentações separadas e opostas, a saída em repouso é, idealmente, igual a zero quando a tensão de entrada for nula Se a tensão da entrada não-inversora for superior à da entrada inversora, a tensão de saída é positiva Se a tensão da entrada inversora for superior à da entrada não-inversora, a tensão de saída é negativa +V CC Q 1 Q 2 v OUT -V EE

35 Amplificadores operacionais (AmpOp) Em suma, o amplificador apenas responde à diferença de tensões entre os dois terminais de entrada Se ambas as tensões forem iguais, a tensão de saída é idealmente nula O amplificador ignora o sinal comum às duas entradas Este efeito designa-se por Rejeição de Modo Comum O AmpOp ideal é um amplificador de entrada diferencial e saída única com o ganho A a ser designado por Ganho Diferencial ou Ganho em Malha Aberta 169 Amplificadores operacionais (AmpOp) Esquema funcional de um AmpOp Idealmente o AmpOp tem: Ganho de tensão A infinito Impedância de entrada infinita (R in = ) corrente de polarização da entrada nula Impedância de saída nula (R out =0) Na prática, um AmpOp como o LM741C tem A=100000, R in =2MΩ e R out =75 Ω

36 Amplificadores operacionais (AmpOp) Como o ganho é muito elevado, os desvios da tensão na entrada saturam facilmente o AmpOp necessidade de componentes externos para estabilização do ganho de tensão Em muitos casos usa-se uma realimentação negativa para ajuste do ganho num valor muito mais baixo em troca de uma operação linear estável 171 Amplificador inversor A tensão v in excita a entrada inversora através de R 1, resultando na tensão v 1 A tensão é amplificada e produz uma tensão de saída invertida v out A tensão de saída v out é reenviada para a entrada através de R 2, originando uma realimentação negativa, uma vez que v out está em oposição de fase com v

37 Amplificador inversor Ou seja, quaisquer variações de v 1 são opostas pela realimentação do sinal de saída Se o ganho A crescer, o v out tenderá a aumentar, o que implica que o sinal realimentado aumentará fazendo decrescer o valor de v 1 e, como tal, fazendo diminuir v out Desta forma, o AmpOp não corre o risco de saturar e o ganho mantém-se estável 173 Amplificador inversor Análise do funcionamento No AmpOp ideal o ganho e a resistência de entrada são infinitas, pelo que a corrente de entrada i 2 é nula O circuito equivalente será Assumindo A infinito, para termos uma tensão de saída finita a diferença de tensão entre os terminais de entrada terá se ser aproximadamente nula, pois vout v2 v1 = 0 A

38 Amplificador inversor Uma vez que A, v 2 -v 1 0 v 2 =v 1 Desta forma, a corrente em R 1 é igual à corrente em R 2, igual a i in e a tensão na entrada inversora é zero O ganho, dito de malha fechada, será: v in Logo v v out in = R i 1 = A f in v R = R out 2 1 = 0 R 2 i in 175 Amplificador inversor O ganho da montagem inversora é simplesmente a razão entre as duas resistências; o sinal menos indica a inversão do sinal O potencial da entrada inversora segue o potencial da entrada não-inversora, falando-se de um Curto-Circuito Virtual, em que a tensão é nula, como num curto-circuito real, mas a corrente é nula, como se fosse um circuito aberto Como a impedância de saída do AmpOp ideal é nula, a tensão é constante, independentemente de variações na carga

39 Somador v1 i1 = ; i2 R i = i v i 2 v = R + K+ i = 0 i R R f R f v = 0 v1 + v R1 R2 f 2 2 ; K i n v = R R + K+ R n 2 n n A tensão de saída é igual à soma pesada das tensões de entrada Cada parcela desta soma pode ser ajustada independentemente f n v n 177 Misturador Uma das mais comuns utilizações dos somadores são os misturadores de som Várias fontes sonoras são combinadas pela utilização de entradas com regulação individual do seu nível e regulação do ganho de saída comum

40 Integrador Circuito com um AmpOp que realiza a função de integração Na realimentação é usado um condensador Usada na geração de rampas lineares crescentes ou decrescentes Se na entrada v 1 for aplicado um impulso temos que v = 0 i = 1 0 V v1 = V i = R V 0 v 1 i T R 0 i - + C v out 0 V RC T v out 179 Integrador Esta corrente vai carregar o condensador, aumentando a sua tensão A terra virtual implica que a tensão de saída seja igual à tensão aos terminais do condensador Com uma tensão V positiva a tensão de saída cresce negativamente, sendo igual ao integral da tensão de entrada Sendo a corrente de carga constante (=V/R) a carga aumenta linearmente com o tempo variação linear de U V dv dq dv i V V i = = cte. i = C = = cte. = = V = t R dt dt dt C RC RC v out 1 ( t) = v t dt RC 1( ) t

41 Derivador Circuito com um AmpOp que realiza a função de derivação Na entrada é usado um condensador Usado na geração de impulsos positivos ou negativos de muito curta duração i R Se na entrada v 1 for aplicado um impulso temos que v = 0 i = 1 0 dv v1 = V i = C dt V 0 v 1 i T C 0 em que dv/dt exprime o declive da tensão de entrada - + v out 0 T v out 181 Derivador A terra virtual implica que um dos terminais do condensador esteja ligado à massa enquanto o outro está ligado a v 1 Quando a tensão v 1 varia estabelece-se uma corrente que vai carregar o condensador, aumentando a sua tensão até igualar v 1 A corrente de carga do condensador provoca o aparecimento de uma queda de tensão na resistência da malha de realimentação A terra virtual implica que a tensão de saída seja igual à tensão aos terminais dessa resistência Logo, a tensão na saída será igual à derivada da tensão de entrada i = dv C dt R dv dv vout = R i vout = = K c / K = cte. C dt dt

42 Montagem não-inversora A tensão v in excita a entrada não-inversora Esta tensão é amplificada e origina a tensão de saída v out em fase com a tensão de entrada Parte da tensão de saída é realimentada através do divisor de tensão R 1 -R 2 A tensão de realimentação obtida em R 1 V A - é aplicada à entrada inversora, opondo-se à tensão de entrada realimentação negativa 183 Montagem não-inversora Ou seja, quaisquer variações de v 1 são opostas pela realimentação do sinal de saída Se o ganho A crescer, o v out tenderá a aumentar, o que implica que o sinal realimentado aumentará fazendo decrescer o valor de v 1 e, como tal, fazendo diminuir v out Desta forma, o AmpOp não corre o risco de saturar e o ganho mantém-se estável

43 Montagem não-inversora Análise do funcionamento No AmpOp ideal o ganho e a resistência de entrada são infinitas, pelo que a corrente de entrada i 2 é nula O circuito equivalente será Assumindo A infinito, para termos uma tensão de saída finita a diferença de tensão entre os terminais de entrada terá se ser aproximadamente nula, pois vout v2 v1 = 0 A 185 Montagem não-inversora v Uma vez que A, v 2 -v 1 0 v 2 =v 1 (terra virtual) Desta forma, a tensão em R 1 é igual à tensão da fonte, v in, e a corrente i percorre R 1 e R 2, sendo que a tensão v out será igual à soma das quedas de tensão nas duas resistências O ganho, dito de malha fechada, será: in Logo v v out in = R i v = 1 A f out 1 = ( R R1 + R2 = R 1 + R ) i 2 R = 1+ R

44 Seguidor de tensão Circuito não-inversor com realimentação negativa máxima O curto-circuito virtual na entrada impõe que a tensão de saída seja igual à tensão de entrada (Ganho=1) Impedância de entrada teoricamente infinita A carga do circuito vista pela fonte de sinal é praticamente nula Impedância de saída teoricamente nula Variações da carga não implicam variações na tensão de carga 187 Subtractor A tensão de saída é igual à diferença pesada das tensões de entrada Cada parcela pode ser ajustada independentemente A tensão V out é obtida por aplicação do teorema da sobreposição, considerando individual e independentemente o contributo de cada fonte para a tensão de saída

45 Subtractor A contribuição da fonte v 1 para a tensão de saída é v+ = v = 0 v out 1 R = R 2 1 v Subtractor A contribuição da fonte v 2 para a tensão de saída é R4 v+ = R + R Como R4 R + R v 3 out2 ( v + ) ( v ) 4 3 v R1 + R = R v 2 2 R1 = R + R 1 R1 v = R + R 3 2 out out2 = 0 v+ = v v R4 R + R Aplicando a sobreposição, temos, v v R + R R finalmente, que vout = vout + v 1 out = v2 v 2 1 R1 R3 + R4 R1 190 R 45

46 Ganho vs. frequência Na realidade, o ganho de um amplificador operacional em malha aberta não é infinito e decresce com a frequência Ganho expresso em décibeis G db =10 log P P out in Década 10 X 191 Amplificadores de instrumentação Montagens empregando amplificadores operacionais e optimizadas para possuírem: um elevado ganho de tensão um elevado factor de rejeição de modo comum uma reduzida deriva térmica uma alta impedância de entrada Empregues na amplificação de sinais provenientes de sensores de grandezas físicas (temperatura, aceleração, torção, etc )

47 Amplificadores de instrumentação Os sinais provenientes de sensores são na generalidade dos casos caracterizados por serem sinais de muito fraca potência Daí a necessidade de se usarem montagens com valores de ganho elevado e impedância de entrada muito grande, de forma a que a montagem não constitua uma carga para o sensor, falseando as leituras A sua baixa potência implica acrescidos cuidados com ruído, tolerância e deriva térmica própria dos vários componentes 193 Amplificadores de instrumentação Esquema clássico de uma montagem amplificadora para instrumentação O amplificador diferencial de saída tem ganho unitário As resistências usadas têm tolerâncias da ordem de ±0,1% e uma deriva térmica que pode ir até 1ppm/ºC

48 Amplificadores de instrumentação O 1º andar consiste em dois amplificadores operacionais comportando-se como um pré-amplificador De notar que o ponto A entre as duas resistências R 1 funciona efectivamente como uma terra virtual para um sinal de entrada diferencial Ou seja, cada AmpOp de entrada é um amplificador não-inversor e o ganho de tensão diferencial do 1º andar será R A = 1+ 2 R 1 Como o 2º andar tem ganho unitário, o ganho total corresponde ao ganho diferencial do 1º andar 195 Amplificadores de instrumentação Características dos AmpOps usados em instrumentação Ex: Tensão de desvio de entrada 25µV Corrente de polaridade de entrada 2nA Corrente de desvio de entrada 1nA Ganho em tensão mínimo (110dB) Deriva térmica 0,6µV/ºC

49 Amplificadores de instrumentação Uma vez que o sinal diferencial à saída dos sensores é geralmente muito pequeno, usa-se frequentemente cabos com protecção por blindagem ou emalhamento O objectivo é minimizar possíveis interferências electromagnéticas que levem à indução de ruído no sinal, alterando a medição A blindagem consiste numa película metálica que envolve o cabo e que actua como ecrã O emalhamento numa malha metálica que envolve o cabo 197 Amplificadores de instrumentação Normalmente, no projecto de amplificadores de instrumentação usam-se amplificadores de instrumentação monolíticos integrados, como o AD524 A vantagem do uso de amplificadores de instrumentação monolíticos é a muito baixa tolerância que se consegue para os diferentes componentes, ao usar-se uma base comum de silício para todos eles, melhorando o desempenho Este AmpOp possui um ganho de tensão programável predefinido à escolha 1, 10, 100 ou 1000 Outros valores diferentes podem ser conseguidos através do uso de uma resistência externa

50 Amplificadores de instrumentação 199 Fim Once a new technology rolls over you, if you`re not part of the steamroller, you`re part of the road. Stewart Brand