Eletrônica Básica EM engr. sjsu

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1 Eletrônica Básica EM http://www. engr. sjsu

2 Circuitos elétricos e circuitos eletrônicos http://www
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 eletrônicos http://www
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 termiônica 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 - operação http://chem. ch. huji. ac
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 valves http://chem. ch. huji. ac
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 - operação http://chem. ch. huji. ac
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 Fleming http://chem. ch. huji. ac
Diodos a válvula de Fleming, A propriedade retificadora da válvula termiônica de Fleming.

9 Retificação e ondas de rádio http://hyperphysics. phy-astr. gsu
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 rádio http://hyperphysics. phy-astr. gsu
Detector AM A detecção de ondas de rádio AM é uma das aplicações de diodos.

11 Triodo a vácuo – De Forest http://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 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
O primeiro transistor de junção de germânio da Bell Laboratories, 1950 Point contact transistor, 1947

13 Funcionamento básico - amplificação http://www. allaboutcircuits
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.  vide gráfico ativo

14 Evolução do transistor http://www. bellsystemmemorial

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:
(Vide uma interessante animação ilustrativa em transistor/tech3.html)

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: 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 = 0 Fonte ideal: Rs  ∞

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 RL: resistência de carga
Ganho de tensão RL: resistência de carga Característica de transferência

28 Ganho de potência e corrente

29 Atenuação: |A| < 1  AdB < 0; Buffer:|A| = 1  AdB = 0
Ganho em Decibéis Atenuação: |A| < 1  AdB < 0; Buffer:|A| = 1  AdB = 0 Fonte da potência adicional  fontes DC para polarização do amplificador.

30 Eficiência Potência fornecida à carga Potência “puxada” da fonte
de sinais pelo amplificador Potência fornecida à carga

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 Ganho de tensão em circuito aberto (V/V)
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 = ∞ ; Real: R i >> R s (por que?) Ideal: R o = 0 ; Real: R o << R L (por que?)

36 Modelos de circuitos (3)
Amplificador de corrente: i i R i Aisi i R o + v o – v i i o Ideal: R i = 0 Ideal: R o = ∞

37 Modelos de circuitos (4)
Amplificador de transcondutância: R i Gmv i R o + v o – v i i o Ideal: R i = ∞ Ideal: R o = ∞

38 Modelos de circuitos (5)
Amplificador de transresistência: Rmi i i i i o 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 | 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