Universidade Federal de São João del-Rei
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
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( v2−v1) 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 5: Análise da configuração inversora.
Configuração não inversora
Figura 6: Configuração não inversora.
Ganho em Malha Fechada:
G
=
v1
i
v0
= +
R1 R2Amplificador Somador
A tensão de saída deste circuito é a soma algébrica das tensões aplicadas às entradas, multiplicada pelo ganho dado pelos resistores.
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:
G
=
vC
i
v0
= −
R
dt dVi(t)Amplificador Integrador Inversor
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:
G
=
v(
t
)
dt
i
v0
= −
1 RC∫
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 .
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 for positiva. v Observando a característica i−v na região direta na Figura 11, percebe-se que a corrente é desprezivelmente pequena para v < 5 0, 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 , desta maneira para uma “ i 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
(e )
iD=IS V D/n.VT− 1
= corrente no diodo.
iD
= tensão no diodo.
VD
= corrente de saturação.
= fator de idealidade .
n ( ≤1 n≤ 2 )
.T/q
VT =k
= Constante de Boltzmann = .
k 1 3 × 1, 8 0 −23J/K
= Temperatura em Kelvin = .
T (273+T(ºC))
= Carga do elétron = .
q 1 6 × 1, 0 −19C
= para .
VT 2 85, mV 25ºC
Forma logarítmica: , .n.V .log. V2−V1= 2 3 T II21
Região de Polarização Reversa
A operação na região de polarização reversa é obtida quando a tensão aplicada é v 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.
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 VZK, na região de ruptura a corrente reversa aumenta rapidamente com um aumento muito pequeno na queda de tensão associada.
Diodo - Retificador com Filtro Capacitivo
Figura 12: Curva característica do diodo
Supondo o circuito da Figura 12, para uma entrada senoidal o capacitor carrega até o valor de pico Vp. Então o diodo corta e o capacitor descarrega através da resistência da carga
, a descarga do capacitor continuará por quase todo o ciclo até o instante em que exceda
R VI
o valor da tensão no capacitor. Assim o diodo conduz novamente carregando o capacitor até o valor de pico de VI 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 Cde modo que a constante de tempo seja muito maior do que o intervalo de tempo de descarga.
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 V0. Desta maneira a forma de onda de saída terá, 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 Vc será igual a 6 V e V0=Vt+Vc .
Figura 14: Circuito Grampeador.
Dobrador de Tensão
É um circuito composto por de duas seções em cascata: um grampeador formado por e e um retificador de pico formado por e . Enquanto os picos positivos são
C1 D1 C2 D2
seção do detector de pico proporciona, através do capacitor C2, uma tensão CC negativa de valor igual a 2Vp.
Figura 15: Circuito Dobrador de Tensão. Diodos Zener
Nas aplicações normais dos diodos zener, a corrente circula entrando pelo catodo, ou seja, o catado é positivo em relação ao anodo. Portanto Ize Vzna Figura 16 são valores positivos. São diodos criados para operar na região de ruptura.
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 Vz= 6V e ser alimentado com uma tensão de entrada de pelo menos 8,5 V. Com base na Figura ?, a corrente através do resistor limitador é dada pela soma Is=Iz+Ir.
Com o diodo Zener operando na região de ruptura, a corrente através do resistor limitador é tal que a queda de tensão se torna Vs=Vent−Vz. Como a tensão Zener se mantém praticamente constante, conclui-se que o decréscimo no nível da tensão de entrada é totalmente aplicado entre os terminais do resistor limitador.
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
No ponto de saturação (chave fechada) a corrente de base é alta ( IBSAT) e no ponto de corte (chave aberta) a corrente de base é zero.
Figura 21: Transistor Bipolar de Junção. TBJ - O amplificador emissor comum
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.
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 VDS> 0 .
