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Introdução

Na disciplina de eletrônica, serão apresentados e estudados dispositivos ativos e seus comportamentos em circuitos elétricos. Ao contrário dos componentes passivos (resistores, capacitores e indutores), os componentes ativos podem alterar a frequência de uma tensão ou corrente, além também de poder alterar a amplitude, fase e valor médio.

Os principais componentes a serem estudados são o diodo e o transistor, ambos construídos a partir do Silício. O princípio de fabricação e a consequente característica de tensão e corrente nesses dispositivos serão estudados detalhadamente.

O propósito dessa introdução é apresentar alguns conceitos básicos e a terminologia associada. Em particular, o que são sinais e o que é a amplificação linear, uma das mais importantes funções executadas pelos circuitos eletrônicos.

Sinais

Sinais são, geralmente, informações temporais relacionadas com grandezas físicas e que podem ser processadas. Para realizar tal processamento, essas grandezas são convertidas em grandezas elétricas, como tensão ou corrente, por dispositivos conhecidos como transdutores (ou sensores) passando a ser chamados de sinais elétricos.

Exemplos de informação que podem ser convertidas em sinais elétricos são temperatura, pressão, velocidade, som, volume, etc. Cada grandeza necessita de um transdutor específico que converte a informação em tensão ou corrente.

O processo de conversão não será abordado em detalhes, assumindo que os sinais de interesse já existem no domínio elétrico e os representaremos por uma das duas formas equivalentes, como uma fonte de tensão em série com uma resistência ou uma fonte de corrente com uma resistência em paralelo.

A amplitude de um sinal pode variar no tempo de forma aleatória, acarretando em componentes de frequência também variantes no tempo. Tais variações tornam necessário formas alternativas de tratamento e interpretação do sinal elétrico.

Espectro de Frequências dos Sinais

Uma característica extremamente importante de um sinal (ou de qualquer função arbitrária no tempo) é seu espectro de frequências. Tal descrição de um sinal é obtida utilizando-se ferramentas matemáticas como série de Fourier, Transformada de Fourier e Transformada de Laplace.

Não serão abordados os detalhes de tais ferramentas, somente seus princípios básicos. A série de Fourier (e mais genericamente, a transformada de Fourier) oferece um meio de representar funções variantes no tempo através da soma de funções senoidais de diferentes amplitudes e frequências. A partir dessa análise, um sinal variante no tempo pode ser representado pelas frequências de suas senoides, sendo representado no domínio da frequência. Por exemplo, considere a função senoidal:

v₁=V₁senω₀t

sua amplitude é V1, sua frequência é f = 1/T Hz e sua frequência angular é ω = 2πf rad/s.

Considerando a função:

v₂=V1

3 sen(3 ω0t )

Somando-se as duas funções, temos:

v_a=V₁sen(ω₀t)+V1

3 sen(3 ω0t)

Considerando agora uma terceira função:

v₃=V1

5 sen(5 ω0t )

A soma das três funções fica:

v_a=V₁sen(ω₀t)+V1

3 sen(3 ω0t)+ V₁

Repetindo essa operação sucessivamente, somando-se funções senoidais cuja amplitude é dividida por um número ímpar, e sua frequência é multiplicada pelo mesmo número, teremos uma onda quadrada.

Em outras palavras, uma onda quadrada pode ser representada por uma soma de senóides na forma:

v (t )=4 V_{π [sin(ω0}t )+1

3sin(3 ω0t)+

1

5sin(5 ω0t )+⋯]

onde V é a amplitude da onda quadrada e ω0 é a sua frequência, também chamada de frequência fundamental do sinal. Se representarmos a onda quadrada no domínio da frequência, teremos:

Essa decomposição da onda quadrada na soma de senos é possível graças à série de Fourier, que define essa relação para funções periódicas.

Pelo exposto anteriormente, fica claro que um sinal elétrico é uma grandeza variável no tempo. Tais sinais, contudo, dificilmente podem ser caracterizados matematicamente.

Para funções não periódicas, as componentes de frequência podem ser obtidas a partir da

transformada de Fourier.

Note que a função, no domínio da frequência, é contínua, tendo infinitas componentes. Amplificadores

Uma das tarefas mais simples e mais utilizadas no processamento de sinais elétricos é a amplificação do sinal. Quando um sinal elétrico é muito pequeno para um processamento confiável, é necessário a amplificação desse sinal para níveis mais convenientes.

Ao amplificar um sinal, entretanto, deve-se ter cuidado para não modificar a informação contida nele, portanto, a informação na saída do amplificador deve ser uma réplica exata do sinal na entrada, exceto, é claro, quanto a sua amplitude.

Um amplificador que preserva os detalhes da forma de onda de um sinal é caracterizado por: vo(t) = A vi(t)

onde vi e vo são sinais de entrada e de saída, respectivamente, e A é uma constante que representa o

fator de amplificação, conhecido como ganho do amplificador. Como é claro na equação acima, a relação entre sinal de saída e entrada é dada por uma equação de primeiro grau, caracterizando, portanto, o amplificador linear.

Muitas das aplicações visa amplificar a amplitude da tensão do sinal, proveniente de transdutores de informação. Os dispositivos que realizam tal tarefa são considerados amplificadores de tensão. Outros amplificadores podem proporcionar um ganho modesto de tensão, mas um substancial ganho de corrente, sendo considerados amplificadores de potência. Um exemplo dessa aplicação é um sistema de som, cujo objetivo é proporcionar potência o suficiente para acionar o auto-falante. Por se tratar de um dispositivo cuja entrada e saída são, normalmente, tensões (diferença de potencial), seu símbolo em diagrama de circuitos necessita de dois terminais de entrada e dois de saída (quadripolo):

Ganho

O ganho de um sistema é a relação entre a grandeza de saída e a grandeza de entrada. O ganho de tensão de um amplificador linear, como mostrado anteriormente, é definido como:

A_v=vo

vi

No caso de amplificadores de potência, o ganho é definido pela relação entre as potências de saída e entrada:

Ganhode potência (A_p)= Potênciada carga(Po)

Potência da entrada(P_i)=

voio

v_ii_i

Ap = Av Ai

Por se tratar de uma divisão de grandezas de mesma unidade, os ganhos são grandezas adimensionais. No entanto, é comum expressar esse ganho de forma logarítmica, na forma:

10 log |Ap|

Essa expressão é usada em várias áreas da física e engenharia, e é definida para relação de potência (acústica, elétrica, elástica, etc). A transformação do ganho em uma relação logarítmica na forma acima define a grandeza decibel [dB].

Considerando um sistema elétrico onde a impedância é conhecida, temos que P = V²/R e P = I²R, portanto, ao se expressar o ganho de tensão e corrente em decibéis temos:

GdB=10 log

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Como a potência entregue à carga é maior que a potência obtida da fonte de sinal, essa potência adicional deve ser suprida por fontes externas. Dessa forma, amplificadores necessitam de fontes de alimentação cc para sua operação.

O circuito amplificador pode ser representado utilizando componentes passivos já conhecidos, além de fontes controladas. Essas representações são modelos matemáticos, e não possuem equivalentes reais.

onde Ri e Ro representam as resistências de entrada e saída, respectivamente. Tais resistências

modelam as perdas de tensão que ocorrem no interior do amplificador. A fonte controlada ilustra o ganho ideal Avo, que será entregue na saída a partir do valor de tensão da entrada.

Em uma aplicação prática, o amplificador acima será conectado a um circuito que entregará uma tensão em sua entrada, e a um circuito que receberá a tensão entregue na sua saída.

No circuito acima, temos o amplificador alimentado na entrada por uma fonte de sinal vs com uma

resistência Rs e conectado na saída a uma resistência RL. A resistência de saída Ro diferente de zero,

faz com que apareça na saída apenas uma fração de Avovi:

v_o=A_vov_i RL RL+Ro

Portanto, o ganho de tensão é dado por:

A_v≡vo

vi

=A_vo RL

Então, a fim de evitar perda de ganho ao acoplar a saída do amplificador à carga, a resistência de saída Ro deve ser muito menor que RL. Em um amplificador ideal Ro = 0.

A resistência de entrada finita Ri introduz outro divisor de tensão na entrada, resultando em que apenas uma fração da fonte de sinal vs realmente alcance os terminais de entrada do amplificador, isto é:

v_i=v_s Ri R_i+R_s

Para evitar uma perda considerável do sinal de entrada, o amplificador deve ser projetado de modo que Ri >> Rs. Um amplificador de tensão ideal tem Ri = ∞.