APOSTILA CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA PARTE VI - Amplificador de potência - Regulador de tensão - Fonte simétrica - Transistor de efeito de campo - Amplificador operacional - Filtros Prof. Marcio Kimpara 2012 Prof. Marcio Kimpara Página 1
AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA Um circuito pré-amplificador simples pode ser usado para reforçar o sinal de fontes que NÃO sejam capazes de excitar um amplificador. Um pré-amplificador (pré-amp), ou amplificador de controle, é um amplificador eletrônico que prepara um sinal eletrônico para uma posterior amplificação ou processamento. PRÉ AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR O pré-amplificador fornece ganho de voltagem (por exemplo, de 10 milivolts à 1 volt) mas NÃO ganho significante de corrente. O amplificador de potência fornece a maior corrente necessária para alimentar os autofalantes. Desta forma, o amplificador em si é feito com transistores de potência. FOTO-TRANSISTOR OPTOACOPLADOR O foto-transistor é um tipo especial de transistor. Em geral, possui apenas dois terminais acessíveis (coletor e emissor), no entanto, alguns incorporam o terminal de base para uma eventual polarização ou controle elétrico. O foto-transistor tem sua condução dependente da luz. Desta forma ao invés de aplicar uma corrente na base do transistor, aplicamos luz. Símbolo Componente real (Obs: Existem outros encapsulamentos) O foto-transistor é muito utilizado em circuitos integrados para formar um optoacoplador. O optoacoplador é um componente eletrônico bastante utilizado em estruturas onde se deseja um isolamento total de sinal entre a entrada e saída. Em diversas aplicações o terra da entrada não é o mesmo terra da saída. Daí a necessidade de uso de optoacopladores. Prof. Marcio Kimpara Página 2
Um optoacoplador bem simples é mostrado na figura abaixo. Verifica-se a presença de um diodo emissor de luz e de um fototransistor. Um fototransistor é um transistor bipolar encapado em uma capa transparente que permite que luz possa atingir a base coletora da junção. Vista interna do CI Componente real Circuito Integrado (CI) (Obs: Existem outros encapsulamentos) Para ligar um optoacoplador não se esqueça de que a entrada é um LED e, portanto dependo do sinal de entrada é necessário ligar um resistor. (O datasheet do componente fornece a máxima corrente de entrada). O CI REGULADOR DE TENSÃO Como o próprio nome sugere o componente conhecido como regulador de tensão é um circuito integrado responsável por estabilizar valores de tensão em um valor fixo. Os CIs reguladores mais utilizados são os das famílias 78XX e 79XX. A diferença entre eles é que os da família 78XX fornecem tensão de saída positiva, e os da família 79XX fornecem tensão de saída negativa. Os reguladores de tensão integrados da série 78XX (ou 79XX) possuem três terminais, são muito robustos, de muito fácil montagem e simplificam consideravelmente a realização de fontes de alimentação convencionais. Fabricam-se reguladores para vários valores de tensão. Os últimos dois dígitos XX indica o valor de tensão que o integrado fornece. Para que estes integrados funcionem corretamente é necessário que à sua entrada a tensão seja pelo menos superior em 3V ao valor XX, não podendo essa tensão de entrada,na maioria dos casos, ultrapassar os 35V. Devido à simplicidade e baixo custo, é esta a solução normalmente utilizada quando se pretendem realizar fontes de alimentação fixas que forneçam intensidades de corrente até 1A. Como estes integrados possuem proteção contra curto-circuitos, sobrecargas e limitação interna da temperatura, caso se deseje uma alimentação que forneça correntes próximas da máxima (1A), o regulador deve ser montado num dissipador de calor adequado, caso contrário, as proteções atuam e ele reduz Prof. Marcio Kimpara Página 3
automaticamente a tensão de saída. Esta tensão mantém-se baixa enquanto a temperatura no IC estiver acima do seu valor máximo de funcionamento. REGULADOR DE TENSÃO POSITIVA REGULADOR DE TENSÃO NEGATIVA NOTA: As funções dos pinos 1 e 2 da série 79XX são trocadas em relação à série 78XX - Nos reguladores 78XX o pino 1 é a entrada e o pino 2 é o comum (ligado ao terra) - Nos reguladores 79XX o pino 2 é a entrada e o pino 1 é o comum (ligado ao terra) - O pino 3 é a saída tanto para o 78XX quanto para o 79XX O encapsulamento do CI regulador de tensão é mostrado na figura ao lado. Note que é bem similar ao de outros componentes, como por exemplo, o próprio transistor de potência que acabamos de estudar. A tabela abaixo reúne alguns exemplos da família dos CIs reguladores de tensão. EXEMPLOS: 1) Fonte de tensão positiva com CI regulador A figura a seguir mostra o CI regulador 7805 utilizado para fornecer uma tensão de saída estabilizada no valor de 5V. O capacitor de 100nF na saída do CI regulador é Prof. Marcio Kimpara Página 4
utilizado para eliminar pequenas variações de tensão na saída que por ventura não o CI regulador não consiga eliminar. (O datasheet do componente fornece os valores para este capacitor). 2) Fonte de tensão negativa com CI regulador Como já foi dito, o CI regulador 7905 fornece tensão negativa na sua saída, conforme ilustra a figura abaixo. OBS: O CI regulador de tensão Lm317 (ou Lm338) permite ajustar a tensão de saída através de um potenciômetro obtendo-se uma fonte de tensão regulável. Este componente tem capacidade de fornecer até 1,5A e é extremamente fácil de ser utilizado e requer somente dois resistores externos para configurar a tensão de saída. Prof. Marcio Kimpara Página 5
Exemplo ligação: V OUT R 1,25. 1 R 1 2 FONTE SIMÉTRICA Fontes simétricas são amplamente usadas na alimentação de circuitos que fazem uso de amplificadores operacionais, comparadores de tensão, conversores A/D, etc. Estas fontes geram um tensão negativa e uma tensão positiva, de valores iguais em relação a uma referência. A figura a seguir mostra uma fonte de alimentação simétrica utilizando Cis reguladores de 12V. Note que o transformador utilizado tem um enrolamento secundário com derivação central. No semiciclo positivo da tensão de entrada o enrolamento secundário superior fornecerá corrente para o CI regulador 7812 através do diodo D1, enquanto que neste semiciclo o enrolamento secundário inferior fornecerá corrente para o CI regulador 7912 através do diodo D3. No semiciclo negativo da tensão de entrada o enrolamento secundário superior fornecerá corrente para o CI regulador 7912 através do diodo D4, enquanto que neste Prof. Marcio Kimpara Página 6
semiciclo o enrolamento secundário inferior fornecerá corrente para o CI regulador 7812 através do diodo D2. Neste caso a corrente circulará pelos dois enrolamentos secundários, superior e inferior, em ambos os semiciclos da tensão de entrada. Para se alcançar uma variação de tensão entre 1,2V e 20V (considerando uma entrada de 24V), utilizou-sa dois reguladores de tensão: - LM317, responsável pela estabilização da parte positiva do sistema; - LM337, responsável pela estabilização da parte negativa do sistema. TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO (FET) O transistor FET (Field Effect Transistor) que traduzindo para o português significa Transistor de Efeito de Campo é do tipo unipolar. Diferente dos transistores estudados anteriormente que são bipolares, o transistor FET é do tipo unipolar porque têm uma ÚNICA junção, ou seja, funciona como monojunção utilizando a condutibilidade de uma zona chamada canal. Os transistores FET são classificados como sendo de canal P ou canal N. A exemplo do transistor bipolar, o FET é um dispositivo de três terminais, contendo uma junção p-n básica, podendo ser do tipo de junção (JFET) ou do tipo metal-óxidosemicondutor (MOSFET). Prof. Marcio Kimpara Página 7
D Dreno (drain) = coletor S (source) = emissor G - (gate) = base Como se pode observar na figura abaixo, o FET (do tipo canal N) é constituído por uma zona com semicondutor dopado tipo N, com duas ligações às extremidades e por uma parte de material tipo P que envolve o percurso do canal N. Pode-se também construir o transistor completamente com canal P, invertendo as dopagens das duas zonas entre si. Os eletrodos ligados às extremidades do canal são o SOURCE (S) e o DRAIN (D); o GATE (G) está ligado à camada lateral. Entre o source e o drain existe condutibilidade ôhmica, cujo valor é em função da dopagem e das seções do canal. A corrente de saída do dispositivo é feita passar entre S e D, enquanto que para comandar esta corrente é necessário variar a largura da zona de esvaziamento do canal; a largura desta zona será tanto maior, quanto maior será a tensão inversa aplicada entre o gate e o source. Pode-se dizer que ao variar da tensão inversa de gate, se aperta mais ou menos o canal de condução entre source e drain, (pense-se por analogia a um tubo de plástico no qual se pode regular a passagem de um líquido, apertando mais ou menos o próprio tubo, variando portanto a seção útil à passagem do fluxo). É importante observar que neste dispositivo, o controle realiza-se através de uma tensão inversa, sobre um circuito de entrada com grande resistência e, portanto, com corrente de entrada desprezível. Prof. Marcio Kimpara Página 8
A figura a seguir mostra a simbologia para os FETs de canal n e canal p: Vantagens com relação aos transistores bipolares: impedância de entrada elevadíssima; menor interferência a ruído e possui melhor estabilidade térmica. Desvantagem: banda de ganho relativamente pequena. O transistor FET é um dispositivo de tensão controlada e, necessita apenas de uma pequena corrente de entrada. POLARIZAÇÃO DO FET Nos transistores com efeito de campo, a polarização está relacionada ao tipo de canal. No transistor FET as tensões de alimentação devem ser aplicadas observando o seguinte: FET canal N: Tensão de drain positiva em relação ao source. Tensão de gate negativa em relação ao source. FET canal P: Tensão de drain negativa em relação ao source. Tensão de gate positiva em relação ao source. Prof. Marcio Kimpara Página 9
Os transistores FET são aplicados em todos os circuitos nos quais é útil explorar a elevada resistência (impedância) de entrada entre gate e source. Os FET são usados, por exemplo, nos temporizadores, onde é possível obter tempos longos sem utilizar capacitores grandes demais (devido ao baixo consumo de corrente), nos amplificadores para instrumentos de medida, nos modernos osciloscópios obtendo resultados de sensibilidade, amplificação e rumor muito melhores que com os transistores BJT. Dentre os dispositivos de efeito de campo, o MOSFET é o mais conhecido e utilizado, principalmente em circuitos chaveados, devido à alta velocidade de chaveamento, da ordem de nanosegundos. O MOS-FET é equivalente a um FET com o circuito de gate constituído por um capacitor com baixa capacidade em série na junção gate source. O símbolo MOS significa metal oxide semicondutor ; de fato, o circuito de gate é construído isolando o próprio gate, pelo canal através de uma camada de silício, que se comporta como perfeito dielétrico. A ligação de gate é constituída por uma metalização sobre o óxido de silício que a separa do canal. O transitor MOS FET apresenta em relação ao FET, um ulterior aumento de resistência de entrada, devido ao isolamento do circuito de entrada sobre o gate. AMPLIFICADOR OPERACIONAL O amplificador operacional (AO) é um dispositivo em CI que tem grandes aplicações em todas as áreas da eletrônica. O Amplificador Operacional (AOP) denominava originalmente os circuitos amplificadores que realizavam operações matemáticas, tais como: adição, multiplicação, integração, etc. Atualmente este circuito tem amplo uso em amplificação de sinais, conformação de ondas, instrumentação analógica, transformações de impedâncias, processos de servomecanismo e controle, etc. Pode-se obter amplificadores operacionais utilizando componentes discretos, mas na atualidade existe uma grande variedade de amplificadores operacionais integrados, que oferecem, entre outras, as seguintes vantagens: pequeno tamanho, alta confiabilidade, baixo custo e reduzida influência da temperatura. Simbologia: V- = Entrada inversora V+ = Entrada não-inversora Vo = Saída Prof. Marcio Kimpara Página 10
O ampliop possui duas entradas e uma saída, que possui um valor múltiplo da diferença entre as duas entradas. O fator A é o ganho de tensão do amplificador operacional, ou seja, a relação entre a tensão de entrada diferencial e a de saída do componente. Vo A. V V AMPLIFICADOR OPERACIONAL NA PRÁTICA Indica a parte SUPERIOR do componente * Existem diversos encapsulamentos para estes componentes, inclusive CIs contendo mais de um amplificador operacional. OBS: Para qualquer CI (circuito integrado) a numeração dos pinos é feita da seguinte forma (após identificar a parte superior do componente): do lado esquerdo de cima para baixo do lado direito de baixo para cima O ampop mais popular e mais antigo é o 741, com quatro pinos, por isto o restante dos operacionais tem uma pinagem semelhante, que é mostrado na figura abaixo. Outro operacional bastante comum é o ampop é 324 que possui quatro amplificadores no mesmo encapsulamento. Algumas características do amplificador operacional - Impedância de entrada infinita (significa baixo consumo de corrente) - Impedância de saída nula Prof. Marcio Kimpara Página 11
- Insensibilidade à temperatura - Ganho infinito* * Teórico (ideal) FUNCIONAMENTO O AOP tem a função de amplificar o resultado da diferença entre suas entradas como no exemplo a seguir. O amplificador operacional 741 é um dos circuitos integrados clássicos da eletrônica. O 741 exige uma fonte de alimentação simétrica e seu funcionamento pode ser resumido da seguinte forma: Uma tensão aplicada à entrada não inversora (+) é subtraída da tensão aplicada à entrada inversora (-) e a diferença é amplificada cerca de 100.000 vezes, ou seja, o 741 tem um "ganho" de cerca de 100.000. Ele possui uma impedância de entrada muito alta, cerca de 2MΩ (dois milhões de ohms), e uma impedância de saída baixa (cerca de 75Ω). Isto significa que o 741 coloca o sinal amplificado na sua saída quase sem consumir corrente na entrada. A sua saída, apesar da baixa impedância, está limitada a uma pequena corrente, cerca de 20mA. O 741 utilizado com ganho total (100.000), somente tem aplicação como comparador de tensão. Neste caso, uma pequena diferença de tensão entre as entradas (+) e (-) é amplificada 100.000 vezes, levando a tensão de saída a um valor próximo da tensão de alimentação positiva ou negativa, dependendo do sinal da diferença e da configuração do circuito como inversor ou não inversor. Utilizando dois resistores, os amplificadores operacionais podem ser levados a ter um ganho programado. Os dois resistores fazem parte de um circuito de realimentação. Os circuitos amplificadores podem ser inversores ou não-inversores. Os inversores amplificam a tensão, mas sua saída tem polaridade oposta à do sinal de entrada. Os não inversores amplificam a tensão sem alterar sua polaridade. MODOS DE OPERAÇÃO - Sem Realimentação - Com Realimentação Prof. Marcio Kimpara Página 12
Sem realimentação Este modo é conhecido como operação em malha, por utilizar o ganho do operacional estipulado pelo fabricante, ou seja, não se tem o controle do mesmo. Este modo de operação é largamente empregado em circuitos comparadores. Com realimentação Este modo de operação é o mais importante e o mais utilizado em circuitos com AOP, veja que a saída é reaplicada à entrada inversora do AOP através de RF. Existem várias aplicações para os AOP com realimentação negativa entre elas podemos destacar: - Amplificador Inversor; - Amplificador Não Inversor; - Amplificador Somador; - Amplificador Diferencial; - Filtros Ativos. Este modo de operação como na realimentação positiva tem característica de malha fechada, ou seja, o ganho é determinado por R1 e RF e pode ser controlado pelo projetista. Amplificadores operacionais são utilizados principalmente no condicionamento de sinais. Entenda como condicionamento a necessidade de se tratar (alterar) certos níveis de tensão/corrente em circuitos eletrônicos. Dentre estas aplicações, podemos destacar: Amplificação/Atenuação de sinais (ganhos de tensão) Amplificação de correntes (ganho de corrente buffer) Filtragem ativa de sinais CIRCUITOS COM AMPLIFICADOR OPERACIONAL 1) Amplificador Inversor Uma das configurações mais utilizadas do amplificador operacional (AmpOp) é o chamado amplificador inversor. O circuito é constituído por um AmpOp e duas resistências ligados como se mostra na figura abaixo. R2 Vin R1 Vo Prof. Marcio Kimpara Página 13
A saída é uma réplica amplificada da entrada (ganho R2/R1), mas com a polaridade invertida em relação ao terra (referência) do circuito. Equação: R V. 0 R 1 2 V in A relação (R 2 /R 1 ) é o ganho do circuito OBS: O sinal de menos na equação acima significa que quando medimos a tensão de saída em relação ao terra do circuito, a mesma tem polaridade invertida. Exemplo 1: Determinar o valor da tensão de saída no circuito abaixo. 2kΩ 1kΩ 2V Vo R2 2k V0. Vin.2V 4V R1 1k OBS: Note que o valor do ganho (R 2 /R 1 ) pode ser MAIOR, IGUAL ou MENOR que 1 (um). Isso significa que quando utilizamos um resistor R2 com resistência maior que R1, o valor da tensão de saída é maior que o valor da tensão aplicada na entrada. Quando utilizamos resistores com resistências iguais, a tensão de saída é simplesmente a mesma da entrada e quando o valor de R2 é menor que R1 o valor da tensão de saída será menor do que o valor da tensão na entrada. Neste último caso, temos uma atenuação, ou seja, diminuição no valor da tensão de saída. Exemplo 2: Determinar o valor da tensão de saída no circuito abaixo. 15kΩ 30kΩ 5V Vo R2 15k V0. Vin.5V 2, 5V R1 30k Prof. Marcio Kimpara Página 14
2) Amplificador Não-Inversor Como a inversão de polaridade do circuito anterior pode ser indesejável em alguns casos, é possível fazer um circuito amplificador do tipo não-inversor. A figura seguinte representa o amplificador não inversor. R2 R1 Vin Vo Observe que neste caso a tensão de entrada é aplicada diretamente na entrada nãoinversora do amplificador operacional. Neste circuito, a tensão de saída tem a mesma polaridade da tensão de entrada, em relação ao terra do circuito. Equação: R V. 0 R 1 2 1 V in A relação (1+ R 2 /R 1 ) é o ganho do circuito OBS: Com este tipo de circuito, NUNCA será possível obter um valor de tensão de saída menor que o valor da tensão de entrada. Matematicamente na equação acima, teremos sempre (1+(R2/R1)) e, a soma de 1 mais qualquer outro valor, já implica em um ganho maior que 1. Exemplo: Determinar o valor da tensão de saída no circuito abaixo. 10kΩ 10kΩ 3V Vo R2 10k V0 1. Vin 1.3V 6V R1 10k OBS 1: Em qualquer um dos circuitos anteriores (inversor ou não-inversor) é possível utilizar resistores variáveis (trimpots ou potenciômetros) ao invés de resistores fixos para se obter ganhos variáveis que podem ser ajustados de acordo com a necessidade. Prof. Marcio Kimpara Página 15
OBS 2: É importante destacar que os amplificadores operacionais precisam de alimentação (fonte de tensão) para funcionarem. O valor da tensão de alimentação varia de componente para componente e deve ser verificado no datasheet do CI através do número (código) impresso. Uma vez definido o valor da tensão de alimentação, o amplificador operacional ficará limitado a fornecer na saída um valor máximo igual ao valor desta alimentação, ou seja, dizemos que o amplificador operacional satura no valor da fonte de alimentação. Desta forma, imaginemos que o amplificador esteja sendo alimentado em 15V e aplicarmos uma tensão de 3V em sua entrada. O ganho poderá ser no máximo de 5 vezes. Mesmo que utilizarmos valores de resistores que proporcionem um ganho maior, o valor na saída será sempre de no máximo 15V para este caso. 3) Seguidor de tensão ou Buffer Um buffer é um amplificador de ganho unitário usado para isolar e conectar um estágio de alta impedância de saída a uma carga de baixa impedância de entrada. (Em outras palavras um circuito que fornece baixa corrente em um circuito que puxa corrente). Um buffer é usualmente chamado de seguidor de tensão, já que esse circuito faz uma cópia da tensão em sua entrada na sua saída. Ele é também conhecido como acoplador/casador de impedâncias. Como é um amplificador de ganho unitário, não fornece ganho de tensão, porém o circuito pode fornecer corrente infinitamente (dentro de suas limitações), já que possui impedância de saída nula. Neste caso chamamos o circuito de buffer de corrente e isso pode ocasionar ganho de potência. Na figura seguinte representa-se a configuração denominada BUFFER. Vin Vo Equação: V0 V in O ganho do circuito é 1. OBS: A tensão é a mesma, mas a presença do amplificador operacional pode fornecer mais corrente, caso a carga exige. Prof. Marcio Kimpara Página 16
4) Comparador Frequentemente precisamos comparar uma tensão com outra para verificar qual delas é a maior. Tudo o que precisamos é uma resposta sim/não. Um comparador é um circuito com duas tensões de entrada (não inversora e inversora) e uma tensão de saída. Quando a tensão não inversora for maior que a tensão inversora, o comparador produzirá uma alta tensão (valor da tensão de alimentação); quando a entrada não inversora for menor que a entrada inversora, a saída se baixa. A saída alta simboliza a resposta SIM e a resposta NÃO será mais baixa. +Vcc V1 V2 Vo Se: -Vcc V2 > V1 Vo = +Vcc (Saturação positiva) V2 < V1 Vo = -Vcc (Saturação negativa) Exemplo: Explique o funcionamento do circuito abaixo. +15V 4k7Ω 10kΩ 2 7 741 6 1kΩ verde 4k7Ω 3 4 azul -15V Prof. Marcio Kimpara Página 17
SOLUÇÃO O circuito é um comparador com 0V (referência). De acordo com a posição do potenciômetro, a tensão na porta inversora ora fica maior, ora fica menor que 0V. Desta forma a saída do amplificador pode ser +15V ou -15V. Como ambos os LEDs estão conectados no referencial 0V, o sentido de circulação da corrente depende do potencial na saída do amplificador operacional. Quando a saída é +15V, a corrente circula pelo LED verde (a corrente vai do maior potencial para o menor). Quando saída é -15V, a corrente circulará pelo LED azul. 5) Somador Inversor Um somador inversor não é mais que um amplificador inversor, utilizando vários ramos de entrada. R V1 V2 V3 R1 R2 R3 Vo Vn Rn Podemos ter n ramos conectados à porta inversora. Considerando 3 ramos a equação é dada abaixo. Para mais ramos, basta adicionar mais parcelas à equação de maneira similar às anteriores. Equação: V R R R. V 1. V2 V R1 R2 R3 0. 3 Equação para 3 ramos, ou seja, soma de 3 tensões (V 1, V 2 e V 3 ). Prof. Marcio Kimpara Página 18
Exemplo: Determinar o valor da tensão de saída no circuito abaixo. 10kΩ 1V 3V 2V 1,5V 1kΩ 100kΩ 10kΩ 100kΩ Vo R R R R V 0. V1. V2. V3. V4 R1 R2 R3 R4 10k 10k 10k 10k V0.1.3.2.1, 5 1k 100k 10k 100k V 10.1 0,1.3 1.2 0,1.1,5 12, 45 V 0 6) Subtrator O Amplificador subtrator tem a finalidade de amplificar as diferenças de tensões entre as entradas. A tensão na saída deste circuito é proporcional à diferença entre as tensões da entrada (V1 V2) e qualquer sinal comum as duas entradas não é amplificado, ou em outras palavras, é rejeitado. A saída de um amplificador operacional, nesta configuração, realiza a subtração entre os dois sinais aplicados em suas entradas. Além de realizar esta subtração é possível aplicar um ganho, determinado pelos resistores R1 e R2. R2 V1 R1 V2 R1 Vo R2 Prof. Marcio Kimpara Página 19
Equação: R V 0. V 2 V2 1 R A relação (R 2 /R 1 ) é o ganho do circuito 1 Exemplo 1: Determinar o valor da tensão de saída no circuito abaixo. 10kΩ 2V 10kΩ 10V 10kΩ Vo 10kΩ R2 10k V0. 2 1 8 R1 10k V V. 10 2 V Exemplo 2: Determinar o valor da tensão de saída no circuito abaixo. 2kΩ 1V 1kΩ 4V 1kΩ Vo 2kΩ R2 2k V0. 2 1 6 R1 1k V V. 4 1 V ESTÁGIOS EM CASCATA Uma conexão em cascata é um arranjo de dois ou mais circuitos com amplificadores operacionais em sequência, de tal maneira que a saída de um circuito é conectada à entrada de outro. Prof. Marcio Kimpara Página 20
Você pode combinar dois ou mais circuitos amplificadores para amplificar um sinal de entrada Vin, nesse caso cada amplificador deve ser tratado como um circuito independente chamado etapa amplificadora onda a tensão de entrada da etapa seguinte é a tensão de saída da etapa anterior. Quando circuitos com amplificadores estão em cascata, cada circuito é uma etapa chamada de estágio. O sinal de entrada original é aumentado pelo ganho de cada estágio individual. Como a saída de um estágio é a entrada do próximo estágio, o ganho total da conexão em cascata é o produto dos ganhos dos circuitos individuais. Exemplo: Determine o ganho total do circuito abaixo e o valor da tensão de saída. SOLUÇÃO Este circuito possui dois amplificadores em cascata: A1 é um amplificador não inversor com entrada Vi e saída no ponto Vo, e A2 é um amplificador inversor com entrada Vo1 e saída Vo. V G V V 01 1 01 0 Circuito 1: G. V 1 i R2 10k 1 1 R1 5k 3.10mV 30mV Circuito 2: G. V 2 01 R2 12k G2 2 R1 6k Vo ( 2).30mV 60mV OU G G V TOTAL TOTAL V G 0 0 G1. G2 3.( 2) 6 TOTAL. V i ( 6).10mV 60mV 1 2 3 Prof. Marcio Kimpara Página 21
FILTROS Filtros são circuitos eletrônicos projetados para permitir, ou não, a passagem de um sinal, cujo espectro esteja dentro de um valor preestabelecido. Como o próprio nome filtro indica, filtrar um sinal significa separá-lo, ou seja, separar a parte que interessa e eliminar o restante. Os filtros eletrônicos constituem um tipo de circuitos muito importantes em sistemas de comunicação e instrumentação. Estes constituem uma área da eletrônica bastante vasta e por isso vamos abordar somente os conceitos fundamentais sobre o assunto, assim como um conjunto útil de circuitos de filtros e métodos de projeto. Os filtros separam sinais desejados de sinais indesejados, bloqueiam sinais de interferência, fortalecem sinais de voz e vídeo, e alteram sinais para outras evoluções. Um filtro deixa passar uma banda de frequência e rejeita outra. Um filtro pode ser passivo ou ativo. Filtros passivos Constituídos por resistências, capacitores e indutores (elementos passivos). Funcionam bem em altas frequências; em aplicações de baixa frequência (até 100kHz), as bobinas necessárias são volumosas. Não tem ganho de potência e são relativamente difíceis de sintonizar. O termo passivo refere-se ao fato de estes circuitos se utilizarem de componentes que não requerem alimentação para produzir o resultado desejado. Filtros ativos Constituídos por resistências, capacitores e elementos ativos como amplificadores operacionais, transistors, etc. (indutores são raramente utilizados em filtros ativos). São úteis para frequências abaixo de 1MHz, tem ganho de potência e são fáceis de sintonizar. Como os sinais são separados? Através da frequência!!! CLASSIFICAÇÃO Temos basicamente 4 tipos de filtros (sejam passivos ou ativos): - Filtro Passa-Alta ou High Pass Filter, em inglês Prof. Marcio Kimpara Página 22
Permite a passagem de frequências acima da frequência de corte estipulada pelo projetista e atenua frequências inferiores. - Filtro Passa-Baixa ou Low Pass Filter, em inglês Ao contrário do filtro passa-alta, só permite a passagem de baixas frequências, atenuando frequências acima da de corte. - Filtro Passa-Faixa ou Band Pass Filter, em inglês) Permite a passagem de frequências entre dois valores de frequência preestabelecidos pelo projetista. - Filtro Rejeita-Faixa (FRF) ou Band Reject Filter, em inglês Bloqueia frequências intermediárias, enquanto permite a passagem de frequências inferiores e superiores à banda (faixa) não permitida. RESPOSTA DOS FILTROS Um filtro ideal deveria funcionar como na figura (a) mostrada acima, ou seja, uma vez definida a frequência de corte (f c ), o filtro deveria eliminar as frequências acima (ou abaixo) da f c. Entretanto o que acontece na prática é que o filtro ainda permite a passagem de frequências próximas à da f c, como mostra a figura (b) ao lado. Para minimizar este efeito, podemos aumentar a ordem do filtro. ORDEM (ou polos) DOS FILTROS Em um mesmo filtro poderá haver mais de um circuito de desvio, isto faz com que sua taxa de atenuação seja maior, aproximando-o de um filtro ideal. Assim, quanto maior for a ordem do filtro, mais íngreme será sua inclinação. Prof. Marcio Kimpara Página 23
FILTRO PASSA-BAIXA Passivo Não fornece ganho de potência. Filtro passa baixa com indutor Filtro passa baixa com capacitor Elimina frequências acima da frequência de corte definida pelos valores de R e C no circuito acima. A frequência de corte fica então definida por: Equação: f 1 c 2.. R. C Ativo Pode fornecer ganho maior que 1. * Note que a fórmula é a mesma. A utilização de um amplificador operacional é que garante que o sinal além de filtrado, pode ser elevado, ou seja, o filtro fornece um ganho. Prof. Marcio Kimpara Página 24
FILTRO PASSA-ALTA Passivo Não fornece ganho de potência. Filtro passa alta com indutor Filtro passa alta com capacitor O circuito correspondente a um filtro passa alta é mostrado nas figuras acima. Neste caso, as frequências abaixo da frequência de corte é que são cortadas. A fórmula para determinar a frequência de corte é a mesma do filtro passa baixa, ou seja, f 1 c 2.. R. C Observe que a posição dos elementos (indutor, resistor, capacitor) é que determina se o filtro é passa baixa ou passa alta. Ativo Pode fornecer ganho maior que 1. Prof. Marcio Kimpara Página 25
FILTRO PASSA-FAIXA RC A função deste filtro é deixar passar apenas um intervalo de frequências, ou seja, uma faixa. Como já vimos os filtros do tipo passa baixa e passa alta, a ideia é juntar estes dois filtros para obter o circuito de um filtro passa faixa. Como mostra a figura abaixo, a primeira etapa é formada por um filtro passa alta (PA) onde apenas passam as frequências maiores ou iguais a f co. Em seguida o filtro passa baixa (PB) é ajustado para uma frequência f c1 e apenas valores de frequencia menores que esta passam, enquanto as demais são eliminadas. Portanto, a faixa útil de frequências fica entre f co e f c1. A frequência f co é determinada pelos valores de R e de C que compõe o filtro passa alta. Já f c1 é determinada pelos valores de R e C que compõe o filtro passa baixa. Prof. Marcio Kimpara Página 26
REFERÊNCIAS - Texto e figuras de elaboração própria - Texto e figuras retirados de outros materiais/apostilas disponíveis na internet - Livros e artigos relacionados - Blogs, datasheets, fóruns Prof. Marcio Kimpara Página 27