Eletr

1
Eletrônica Básica EMhttp//www.engr.sjsu.edu/wdu/
Mechatronics/Spring2003/index.htm
2
Circuitos elétricos e circuitos
eletrônicoshttp//www.allaboutcircuits.com/vol_3/
chpt_1/1.html

• Definições gerais (mais intuitivas, não formais)
• Circuitos elétricos (termo mais genérico)
  conexão de fios condutivos e outros dispositivos
  onde ocorre um fluxo uniforme de elétrons.
• Circuitos eletrônicos alguma forma de controle é
  exercido sobre o fluxo de elétrons por outro
  sinal elétrico, que pode ser uma corrente ou uma
  tensão.
• O controle sobre o fluxo de elétrons pode também
  ser realizado por interruptores, relés,
  reostatos.
• A distinção está no fato de como o fluxo de
  elétrons é controlado.

3
Circuitos elétricos e circuitos
eletrônicoshttp//www.allaboutcircuits.com/vol_3/
chpt_1/1.html

• Interruptores, relés, reostatos o controle do
  fluxo de elétrons é realizado por meio do
  posicionamento de um dispositivo mecânico, que é
  acionado por alguma força física externa ao
  circuito.
• Circuitos eletrônicos dispositivos especiais
  capazes de controlar o fluxo de elétrons de
  acordo com outro fluxo de elétrons, ou pela
  aplicação de uma tensão estática.
• Em outras palavras em um circuito eletrônico, a
  eletricidade controla a eletricidade.

4
Um pouco de história o tubo a váculo ou válvula
termiônicahttp//store.electron-valve.com/tubehis
tory.html
Diodo a válvula de Fleming,1904
A válvula de Fleming em operação, e um dos
primeiros modelos de sua válvula, 1905.
O termo válvula foi utilizado para indicar que a
corrente elétrica só consegue passar em uma
direção. Um outro nome utilizado é tubo a vácuo.
5
Diodo a válvula - operaçãohttp//chem.ch.huji.ac.
il/eugeniik/history/fleming.htm
O tipo mais simples de válvula, com apenas dois
eletrodos anodo e catodo (filamento, no caso de
válvulas à bateria, como mostrado no diagrama).
Os eletrodos estão em um ambiente a vácuo, no
interior de um bulbo de vidro, e as conexões aos
eletrodos passam por este bulbo por entradas
vedadas. O filamento quente ou catodo gera uma
nuvem invisível de elétrons no espaço à sua
volta. Um potencial positivo no anodo atrai estes
elétrons, havendo, portanto, a passagem de
corrente do catodo para o anodo. O ambiente a
vácuo é necessário para que os elétrons possam se
move livremente à medida que passam do catodo
(filamento) ao anodo (placa).
Diagrama de funcionamento
6
Oscillation valveshttp//chem.ch.huji.ac.il/euge
niik/history/fleming.htm
Válvulas osciladoras testadas por Fleming, em
1904.
Parte do diagrama para obtenção da patente do
primeiro detector sem fio a usar uma válvula
termiônica, por Fleming, em 1904, 14 anos após
seus primeiros experimentos com a válvula.
7
Diodo a válvula - operaçãohttp//chem.ch.huji.ac.
il/eugeniik/history/fleming.htm
Sob nenhuma condição pode haver fluxo de corrente
do anodo ao catodo (por que?). A corrente na
válvula ocorre em apenas uma direção. Um aumento
do potencial positivo (no anodo) irá aumentar o
fluxo de elétrons do catodo ao anodo. Se, no
entanto, o anodo estiver em um potencial mais
negativo que o catodo, não haverá mais passagem
de corrente. Observe, por exemplo, que o arco
positivo da senoide irá resultar em um fluxo de
elétrons (e, portanto, de corrente), enquanto
que, durante o arco negativo, não haverá passagem
de corrente. Como só há fluxo de corrente em uma
direção, o sinal resultante será um sinal
pulsante mas com corrente direta apenas. Qual
deve ser o efeito da adição de um capacitor aos
terminais da saída? E de um resistor em série com
um capacitor adicional?
8
Válvulas diodo de Fleminghttp//chem.ch.huji.ac.i
l/eugeniik/history/fleming.htm
Diodos a válvula de Fleming,1904-1905
A propriedade retificadora da válvula termiônica
de Fleming.
9
Retificação e ondas de rádiohttp//hyperphysics.p
hy-astr.gsu.edu/hbase/audio/c3
Rádio AM

• O rádio AM utiliza a imagem elétrica de uma
  fonte de som para modular a amplitude de uma onda
  portadora (carrier wave). Na saída do receptor,
  no processo de detecção, esta imagem é separada
  da portadora e torna-se novamente som por meio de
  um autofalante.

10
Retificação e ondas de rádiohttp//hyperphysics.p
hy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/amfmdet.htmlc1
Detector AM

• A detecção de ondas de rádio AM é uma das
  aplicações de diodos.

11
Triodo a vácuo De Foresthttp//en.wikipedia.org
/wiki/Vacuum_tube
Lee de Forest vs. Fleming
Lee DeForest introdução do grid entre o
filamento (catodo) e a placa (anodo), em 1907.
Ele mostrou que o fluxo de corrente do filamento
à placa dependia da tensão aplicada ao grid, e
que a corrente desviada pelo grid era muito
pequena, sendo composta dos elétrons
interceptados pelo grid. À medida que a tensão
aplicada ao grid varia de negativo a positivo, a
corrente de elétrons fluindo do finalmento à
placa varia de modo correspondente. Ou seja, o
grid controlaria a corrente da placa. O Audion,
ou triodo, foi usado como um detector de sinais
de rádio, um amplificador de áudio e um oscilador
para transmissão.
12
O primeiro transistor (Bell Labs, 1947)
http//www.bellsystemmemorial.com/belllabs_transis
tor.html
O primeiro transistor de junção de germânio da
Bell Laboratories, 1950
Point contact transistor, 1947
13
Funcionamento básico - amplificaçãohttp//www.all
aboutcircuits.com/vol_3/chpt_1/1.html

• Transistores controlam o fluxo de elétrons
  através de substâncias semicondutoras, ao invés
  do vácuo ? eletrônica do estado sólido.
• Pequenas variações na corrente de base do
  transistor controlam variações maiores na
  corrente de coletor princípio da amplificação.
• Exemplo configuração
• de emissor comum.

http//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electro
nic/npnce.htmlc2 ? vide gráfico ativo
14
Evolução do transistor http//www.bellsystemmemor
ial.com/belllabs_transistor.html

• http//www.bellsystemmemorial.com/images/tube-tran
  s_history.jpg

15
Evolução do transistor - continuação

• (No sentido horário)
• 1941 Válvula termiônica ou tubo a vácuo usado
  para comunicações por telefone
• 1948 Point-contact transistor, seis meses após
  sua invenção
• 1955 Transistor que substituiu os tubos a vácuo
  em equipamentos de comunicação em rede
• 1957 Amplificador de faixa larga de alta
  freqüência
• 1967 Microchip, usado para produzir os tones em
  aparelhos de telefone touch-tone
• 1997 Chip, processador digital de de sinais da
  Lucent Technologies, que pode conter um total de
  5 milhões de transistores, usados em modems e
  comunicações celulares.

16
Para maiores informações

• http//www.academic.marist.edu/pennings/hyprhsty.
  htm
• http//chem.ch.huji.ac.il/eugeniik/history/flemi
  ng.htm
• http//chem.ch.huji.ac.il/eugeniik/history/defor
  est.htm
• http//encarta.msn.com/encyclopedia_761569907_2/R
  adio.html
• http//encarta.msn.com/encyclopedia_761572757/Tra
  nsistor.html
• http//www.lucent.com/minds/transistor/history.ht
  ml
• http//www.lucent.com/minds/transistor/tech.html
  (Vide uma interessante animação ilustrativa em
  http//www.lucent.com/minds/ transistor/tech3.html
  )
• http//en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_tube
• http//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electr
  onic/etroncon.htmlc1

17
Eletrônica Básica EM Ementa

• Introdução aos materiais semicondutores
• O Diodo
• O diodo Zener
• O transistor
• Polarização e estabilização
• Estudo do amplificador EC, BC e CC
• Fontes de alimentação estabilizadas e
  reguláveis
• Amplificadores Operacionais.

18
Bibliografia recomendada

• Livro Texto
• SEDRA, A. S. e SMITH, K. Microelectronic
  Circuits, 4th edition,Oxford University Press,
  New York, 1998.
• Outras referências
• SEDRA, A. S. e SMITH, K. Microeletrônica, 4a
  edição, Makron Books, 1999.
• MILLMAN, J. e HALKIAS, C.C., Eletrônica, 2a
  edição, volumes 1 e 2, McGraw-Hill do Brasil,
  1981.
• T. F. Bogart Jr., "Dispositivos e circuitos
  eletrônicos", 3a. edição, Makron Books, 1992.
• P.R. Gray e R.G. Meyer, "Analysis and design of
  analog integrated circuits", 2a edição, John
  Wiley, 1984.
• R.C. Jaeger, "Microelectronic circuit design",
  McGraw-Hill, 1997.

19
Outras referências bibliográficas

• Zeghbroeck , Bart Van. Principles of
  semiconductor devices. online Disponívle na
  internet via http http//ece-www.colorado.edu/ba
  rt/book/title.htm Arquivo acessado em 02 de
  setembro de 2004.
• Para outras referências online, consulte a página
  de links do curso.
• Referências bibliográficas adicionais serão
  indicadas ao longo do curso, sempre que
  necessário.

20
Conceitos básicos

• Leitura prévia Livro texto, capítulo 1, itens
  1.1, 1.4, 1.5 e 1.6.
• Sinais contêm informações sobre o mundo físico.
• Na eletrônica em forma de tensão ou corrente
• Processamento de sinais ? realizado mais
  convenientemente por sistemas eletrônicos.
• Sinal genérico ? convertido em um sinal elétrico
  (tensão ou corrente)
• Sinal quantidade variante no tempo que pode ser
  representada por um gráfico, como o da figura na
  próxima transparência.

21
Conceitos básicos (2)

• Sinal informação ? contida nas variações de
  magnitude com o tempo.
• Transdutores Dispositivos que convertem um tipo
  de energia em outro é um elemento passivo.
• Exemplos
• Eletroquímicos bateria.

22
Transdutores

• Eletromecânicos atuadores motores relés

• Eletroacústicos alto-falantes microfones

• Foto-elétricos diodo emissor de luz (LED)
  fototransistor célula solar

• Eletromagnéticos antena, lâmpada

23
Transdutores (2)

• Magnéticos sensor de efeito Hall

• Eletroestáticos LCD liquid crystal display

• Termoelétrico termopar termistor (PTC e NTC)

24
Transdutores (3)

• Eletromecânicos atuadores (como motores
  converte elergia elétrica em energia mecânica),
  relays (energia elétrica ? corrente ? em energia
  mecância ? movimento do contato mecânico),
  sensores piezoelétricos (tensão proporcional à
  pressão mecânica exercida sobre ele).
• Eletroacústicos autofalante (converte energia
  elétrica em energia acústica), microfone
  (converte som em sinal elétrico), cristal
  piezoelétrico.
• Fotoelétricos diodos emissores de luz (LED),
  fototransistor, célula solar.
• Eletromagnéticos antena (corrente elétrica
  alternada em campo eletromagnético), lâmpada
  (energia elétrica em energia luminosa radiação
  eletromagnética).
• Magnéticos sensor de efeito Hall (tensão
  proporcional ao campo magnético aplicado).
• Eletroestáticos LCD liquid crystal display
• Termoelétrico termopar (temperatura em tensão),
  termistor (PTC e NTC) - resistência proporcional
  à temperatura.

25
Sinais na forma elétrica

• (Tensão ou corrente)
• Fontes de sinal de tensão

• Fontes de sinal de corrente

Forma de Thevenin (preferível quando Rs for
pequeno)
Forma de Norton (preferível quando Rs for grande)
Fonte ideal Rs ? 8
Fonte ideal Rs 0
26
Amplificadores

• Amplificador elemento básico em circuitos
  analógicos.
• Inversor lógico elemento básico em circuitos
  digitais.
• Motivação transdutores fornecem sinais
  fracos, na escala de mV ou mV, e com baixa
  energia.
• Amplificador linear sinal de saída da mesma
  forma (com as mesmas informações) do sinal de
  entrada (mas, obviamente, com uma maior
  magnitude). Importante ? não introduz distorções,
  que são indesejáveis.
• Simbologia

27
Ganho de tensão

28
Ganho de potência e corrente
29
Ganho em Decibéis

Atenuação A lt 1 ? AdB lt 0 BufferA 1 ?
AdB 0

• Fonte da potência adicional ? fontes DC para
  polarização do amplificador.

30
Eficiência

31
Saturação em Amplificadores

• Amplificador real linear em apenas uma faixa de
  valores de entrada e saída (alimentação finita).
• Amplificador alimentado por duas fontes DC ? a
  tensão de saída não pode exceder um limite
  positivo especificado e não pode ser inferior a
  um limite negativo especificado.
• Nível de saturação 1V a 2V da tensão da fonte
  de alimentação.
• Para evitar a distorção do sinal de saída ? a
  excursão do sinal de entrada deve ser mantida na
• região linear de operação

32
Saturação em Amplificadores (2)
33
Análise de pequenos sinais
v i ( t ) sinal ac a ser amplificado V I
tensão dc
Q ponto quiescente, ponto bias dc ou ponto de
operação
34
Modelos de circuitos

• Objetivo modelar o comportamento observado a
  partir dos terminais do dispositivo.
• Amplificador de tensão

Ganho de tensão em circuito aberto (V/V)
? Ro não nulo ?
? Ri finito ?
35
Modelos de circuitos (2)

• Amplificador de tensão (cont.)

Ideal R i 8 Real R i gtgt R s (por
que?) Ideal R o 0 Real R o ltlt R L (por que?)
36
Modelos de circuitos (3)

• Amplificador de corrente

Ideal R i 0 Ideal R o 8
37
Modelos de circuitos (4)

• Amplificador de transcondutância

Ideal R i 8 Ideal R o 8
38
Modelos de circuitos (5)

• Amplificador de transresistência

Ideal R i 0 Ideal R o 0
39
Resposta em freqüência

• Sabemos que qualquer sinal de corrente ou tensão
  pode ser representada por uma série de Fourier,
  ou seja, por uma soma de sinais senoidais de
  diferentes freqüências e amplitudes (para
  revisão item 1.2 do Sedra e Smith)
• Pode-se caracterizar o desempenho de um
  amplificador em termos de sua resposta a entradas
  senoidais de diferentes freqüências ? resposta em
  freqüência do amplificador.

Vo / Vi magnitude do ganho do amplificador na
freqüência de teste w f fase do ganho do
amplificador na freqüência de teste w

• T (w) Vo / Vi T (w) f
• T (w) Função de transferência

40
Largura de banda (ou de faixa)

• Largura de banda (bandwidth) faixa de valores
  na qual o ganho do amplificador é praticamente
  constante (normalmente, com uma variação de ?
  3dB).
• Deve-se projetar o amplificador de modo que sua
  largura de banda coincida com o espectro dos
  sinais que deve amplificar (caso contrário,
  diferentes componentes do sinal de entrada serão
  amplificados com ganhos distintos).

41
Circuitos de constante de tempo única

• Circuito de constante de tempo única
  (single-time-constant) um circuito que é
  composto por, ou pode ser reduzido a, um
  componente reativo (indutância ou capacitânciaq)
  e uma resistência.
• Qual dos circuitos abaixo é passa-baixas? E qual
  é passa-altas? (Revisão vide Apêndice F.)

42
Classificação de amplificadores baseada na
resposta em freqüência

• Amplificador com acoplamento capacitivo.
• Atenuação em altas freqüências capacitâncias
  internas no dispositivo (um transistor).
• Atenuação em baixas freqüências capacitores de
  acoplamento (usados para conectar um estágio de
  amplificação a outro).

43
Classificação de amplificadores baseada na
resposta em freqüência (2)

• Amplificador com acoplamento direto.
• Em baixas freqüências ganho constante.
• Na figura resposta em freqüência de um
  amplificador dc ? amplificador passa-baixas.

44
Classificação de amplificadores baseada na
resposta em freqüência (3)

• Amplificador sintonizado passa-faixas.

• Para próxima aula ? Leitura prévia Livro texto,
  capítulo 3, itens 3.1 a 3.3