Caderno Pedagógico: Eletrônica Analógica - Ensino a Distância

ENSINO A DISTÂNCIA ELETRÔNICA ANALÓGICA Copyright 2021 by Editora Faculdade Avantis Direitos de publicação reservados à Editora Faculdade Avantis e ao Centro Universitário Avantis UNIAVAN Av Marginal Leste 3600 Bloco 1 88339125 Balneário Camboriú SC editoraavantisedubr Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Lei nº 10994 de 14 de dezembro de 2010 Nenhuma parte pode ser reproduzida transmitida ou duplicada sem o consentimento da Editora por escrito O Código Penal brasileiro determina no art 184 dos crimes contra a propriedade intelectual Editoração Patrícia Fernandes Fraga Tayane Medeiros dOliveira Projeto gráfico e diagramação Ana Lúcia Dal Pizzol Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca doCentro Universitário Avantis UNIAVAN Maria Helena Mafioletti Sampaio CRB 14 276 CDD 21ª ed 621319 Eletrônica analógica Malaver Wilmer Johan Lobato M239e Eletrônica analógica EAD Caderno pedagógico Wilmer Johan Lobato Malaver Balneário Camboriú Faculdade Avantis 2022 120 p il Inclui Índice ISBN 9786559013333 ISBNe 9786559013340 1 Eletrônica 2 Amplificadores operacionais 3 Diodos Transistor TBJ 4 Transistor de efeito de campo 5 Eletrônica Ensino a Distância I Centro Universitário Avantis UNIAVAN II Título PLANO DE ESTUDOS Caro acadêmico o objetivo desta disciplina será capacitar o aluno na análise de circuitos que envolvem amplificadores operacionais e dispositivos semicondutores tais como o diodo Transistor Bipolar de Junção TBJ e Transistor de Efeito de Campo MOSFET Este caderno de estudos está estruturado em 4 unidades e cada uma delas possui o desenvolvimento teórico dos tópicos exercícios aplicações leituras e vídeos complementares Além disso no material anexo foi colocada uma pasta de arquivos de simulação no LTSpice uma poderosa ferramenta livre a qual permitirá ao acadêmico provar computacionalmente os conceitos estudados Também nos anexos disponibilizouse um laboratório físico para cada unidade que deverá ser desenvolvido junto com o tutor Na Unidade 1 estudaremos os amplificadores operacionais inversor não inversor somador derivativo integrador de instrumentação e resposta em frequência enquanto a Unidade 2 apresentará os diodos modelos elétricos curva característica Análise em Tensão Contínua DC e Tensão Alternada AC conversor ACDC e circuito ceifador Na Unidade 3 conheceremos o transistor bipolar de junção estrutura física formas de operação curva característica análise em tensão DC ruptura e efeito da temperatura Por fim na Unidade 4 veremos transistor efeito de campo estrutura física formas de operação curva característica análise em tensão DC ruptura e efeito da temperatura O PAPEL DA DISCIPLINA PARA A FORMAÇÃO DO ACADÊMICO A disciplina de Eletrônica Analógica é essencial na formação do acadêmico do curso de Engenharia Elétrica Esta disciplina apresentará os conceitos teóricos e práticos dos principais dispositivos semicondutores Estes dispositivos representam a transição desde os circuitos analógicos até os circuitos digitais Circuitos analógicos envolvem o estudo do resistor do capacitor e o indutor enquanto os circuitos digitais poderão ser projetados a partir dos dispositivos semicondutores Através deste caderno de estudos utilizaremos uma abordagem de ensino integrada para o melhor aproveitamento da disciplina A metodologia adotada possui as seguintes etapas de ensino fundamentação teórica resolução de exercícios simulação de circuitos em software de tipo SPICE e outras atividades complementares tais como leituras e vídeos instrutivos A disciplina também inclui um conjunto de atividades de laboratório que o aluno desenvolverá junto com o tutor validando na prática os aprendizados teóricos e de simulação Neste sentido o presente caderno de estudos relaciona os aspectos teóricos e práticos que compõem a ementa da disciplina Em relação à articulação com outras matérias o acadêmico precisará estudar previamente a disciplina de circuitos elétricos a qual compõe uma base teórica para a compreensão da eletrônica analógica A aplicabilidade dos conceitos aprendidos poderá ser encontrada em disciplinas tais como Análise de Circuitos Elétricos Eletrônica de Potência Eletrônica Digital e Trabalho de Conclusão de Curso I e II PROGRAMA DA DISCIPLINA EMENTA DA DISCIPLINA Amplificadores operacionais ideal real e diferentes configurações Diodo de junção N Circuitos retificadores Diodo Zener Aplicações com diodos retificadores e Zeners Transistores bipolares NPN e PNP Polarização e estabilidade térmica dos transistores bipolares Amplificadores de pequenos sinais com transistores bipolares Introdução ao estudo dos transistores a efeito de campo OBJETIVO GERAL DA DISCIPLINA Compreender o funcionamento dos amplificadores operacionais ideais bem como as configurações não inversora e inversora WILMER JOHAN LOBATO MALAVER Graduado em Engenharia Eletrônica pela Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas UPC Lima Peru em 2010 É especialista no desenvolvimento de produtos eletrônicos pelo Instituto Federal de Santa Catarina IFSC 2018 Também é mestre e doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina UFSC concluídos em 2015 e 2020 respectivamente Possui experiência em desenvolvimento de projetos de pesquisa atuando principalmente com técnicas de processamento de sinais biomédicos tais como sinais de Eletrocardiograma ECG Eletromiografia EMG e Eletroencefalograma EEG Atualmente está dedicandose ao desenvolvimento de métodos robustos para redução de ruído em aparelhos auditivos e implantes cocleares É professor do curso de engenharia elétrica do Centro Universitário Avantis UNIAVAN desde 2019 lecionando as seguintes disciplinas Cálculo Numérico em Computadores Análise de Sistemas Lineares Controle Digital Cálculo Vetorial Microcontroladores Trabalho de Conclusão de Curso I E II Em relação à experiência com a presente disciplina atualmente leciona uma disciplina equivalente em outra instituição de ensino superior É autor do caderno de estudos para a modalidade EAD da disciplina de Cálculo Numérico em Computadores editado e diagramado durante o semestre 202002 Lattes httplattescnpqbr4977341806167292 APRESENTAÇÃO DO AUTOR SUMÁRIO UNIDADE 1 AMPLIFICADORES OPERACIONAIS 11 OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM 12 INTRODUÇÃO À UNIDADE 12 11 INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA ANALÓGICA 13 12 O AMPLIFICADOR IDEAL 15 121 Características 15 122 Sinais em Diferença e Modo Comum17 13 CONFIGURAÇÕES BÁSICAS 18 131 Configuração Inversora 18 132 Configuração Não Inversora21 14 TIPOS DE AMPLIFICADORES 24 141 Amplificador Somador 25 142 Amplificador Integrador 27 143 Amplificador Derivativo 29 144 Amplificador de Instrumentação 31 15 IMPERFEIÇÕES DE DC 33 151 Tensão de Offset 34 16 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA 35 161 Resposta de Malha Aberta 36 162 Resposta de Malha Fechada 36 PARA SINTETIZAR 38 GLOSSÁRIO 39 EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 40 REFERÊNCIAS 43 UNIDADE 2 DIODOS 45 OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM 46 INTRODUÇÃO À UNIDADE 46 21 TEORIA DE DIODOS 47 211 Física de Semicondutores 47 212 Modelos de Diodo 49 2121 Modelo de Diodo Ideal 50 2122 Modelo de Tensão Constante 52 2123 Modelo Exponencial 53 22 ANÁLISE DE CIRCUITOS EM TENSÃO CONTÍNUA DC 54 221 Análise DC Usando Diodo Ideal 55 222 Portas Lógicas Usando Diodo Ideal 56 2221 Porta Lógica OR 57 2222 Porta Lógica AND 58 23 ANÁLISE DE CIRCUITOS EM TENSÃO ALTERNADA AC 60 231 Retificador de Meia Onda 61 232 Retificador de Onda Completa 64 24 APLICAÇÕES COM DIODOS 65 241 Conversor ACDC 66 242 Diodo Zener como Regulador de Tensão 69 243 Circuitos Ceifadores 70 PARA SINTETIZAR 72 GLOSSÁRIO 73 EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 74 REFERÊNCIAS 76 UNIDADE 3 TRANSISTOR TBJ 77 OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM 78 INTRODUÇÃO À UNIDADE 78 31 ESTRUTURA FÍSICA E OPERAÇÃO 79 311 Estrutura Física 79 312 Modos de Operação 81 32 OPERAÇÃO NO MODO ATIVO 83 321 Amplificador de Corrente 83 322 Circuito Equivalente 84 33 CARACTERÍSTICAS CORRENTETENSÃO 86 331 Curva Característica 86 332 Efeito Early 87 34 CIRCUITOS COM TBJ EM TENSÃO CONTÍNUA DC88 35 RUPTURA DO TRANSISTOR E EFEITO DA TEMPERATURA92 PARA SINTETIZAR 94 GLOSSÁRIO 95 EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 96 REFERÊNCIAS 98 UNIDADE 4 TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO 99 OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM 100 INTRODUÇÃO À UNIDADE 100 41 ESTRUTURA FÍSICA E OPERAÇÃO 101 411 Estrutura Física 101 412 MODOS DE OPERAÇÃO 103 42 OPERAÇÃO NO MODO TRÍODO E SATURAÇÃO 105 421 Transistor NMOS 105 422 Transistor PMOS 107 43 CARACTERÍSTICAS CORRENTETENSÃO 109 431 Curva Característica 109 432 Efeito Early110 44 CIRCUITOS COM MOSFET EM TENSÃO CONTÍNUA DC 111 45 RUPTURA DO TRANSISTOR E EFEITO DA TEMPERATURA115 PARA SINTETIZAR 116 GLOSSÁRIO 117 EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 118 REFERÊNCIAS 120 1 UNIDADE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS 12 ELETRÔNICA ANALÓGICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Compreender o funcionamento dos amplificadores operacionais ideais Estudar as configurações não inversora e inversora Compreender e implementar um amplificador somador Compreender e implementar um amplificador integrador e derivativo Compreender o funcionamento de um amplificador de instrumentação Estudar e mitigar os efeitos das imperfeições de DC INTRODUÇÃO À UNIDADE A primeira unidade apresentará os conceitos teóricos e práticos que envolvem o amplificador operacional também chamado de AMPOP Entenderemos a importância do seu estudo como um importante bloco de conhecimento o qual possui diversas aplicações na Engenharia Elétrica Na sequência estudaremos as leis elétricas que governam o seu funcionamento e suas configurações básicas A compreensão das leis elétricas que governam ao AMPOP ideal e do modo de operação dependendo da sua configuração permitirá o estudo dos principais tipos de AMPOP somador integrador e derivativo Ainda nesta seção veremos o amplificador de instrumentação sua importância e suas principais aplicações Vamos analisar também as imperfeições dos AMPOP e formas de lidar com características indesejáveis Finalmente a análise em frequência dos AMPOP em malha aberta e malha fechada serão estudados e discutidos A Unidade 1 propõe uma atividade de laboratório a ser desenvolvida com o tutor nos documentos em anexo o qual permitirá ao acadêmico aplicar os conceitos aprendidos Finalmente desenvolveremos alguns exercícios que visam avaliar o aprendizado e o cumprimento dos objetivos da unidade Bom estudo 13 ELETRÔNICA ANALÓGICA 11 INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA ANALÓGICA Antes de iniciarmos o conteúdo da disciplina de Eletrônica Analógica faremos uma pequena introdução que estabelecerá uma relação com as outras matérias do curso Durante a disciplina de Circuitos Elétricos vocês devem ter estudado os dispositivos elétricos que consomem energia o resistor denotado como R e aqueles que armazenam energia na forma de tensão o capacitor denotado como C ou de corrente o indutor denotado como L O estudo destes dispositivos faz parte do que conhecemos como teoria de circuitos elétricos Você deve estar se questionando então onde começam os circuitos eletrônicos ou simplesmente o que é eletrônica mesmo Veja a Figura 1 que representa os conjuntos dos circuitos elétricos e da eletrônica digital também chamada de circuitos eletrônicos Figura 1 Representação em conjuntos dos dispositivos que fazem parte dos circuitos elétricos e da eletrônica digital também chamada de circuitos eletrônicos Fonte Elaborada pelo autor 2021 14 ELETRÔNICA ANALÓGICA A intersecção entre os dois conjuntos mencionados é chamada de eletrônica analógica a qual será abordada ao longo deste caderno de estudos Dito de outra forma são os dispositivos de transição entre a elétrica e a eletrônica entre o analógico e o digital o diodo o transistor MOSFET e o transistor TBJ A grande vantagem deles Figura 1 é que podem atuar como dispositivos analógicos como amplificadores de tensão ou de corrente ou dispositivos digitais como chaves que possuem dois estados definidos aberto ou fechado desligado ou ligado 0 ou 1 etc No terceiro conjunto a eletrônica digital envolve a lógica combinacional a qual abrange as portas lógicas AND OR NOT XOR e variantes Também envolve a lógica sequencial na qual são estudados os conceitos mais básicos de memórias tais como os flipflops A evolução da lógica combinacional e sequencial resulta em dispositivos de alta complexidade multitarefa e facilmente programáveis como o microprocessador que permite desenvolver projetos embarcados e soluções de alto desempenho Finalmente aprenderemos a utilizar o simulador gratuito LTSpice da Analog Devices um software de livre distribuição que possui ferramentas muito robustas para simular circuitos análise em Corrente Contínua DC em Corrente Alternada AC análise em frequência varredura de parâmetros etc dispositivos de diferentes características Além disso esta ferramenta possui uma grande rede acadêmica de colaboração SAIBA MAIS Vários tutoriais foram disponibilizados em anexo ao caderno de estudos Então prezado aluno baixe o instalador que é totalmente gratuito Acesse httpswwwanalogcomendesigncenterdesigntoolsandcalculatorsltspicesi mulatorhtml 15 ELETRÔNICA ANALÓGICA 12 O AMPLIFICADOR IDEAL Um amplificador pode ser entendido como um dispositivo capaz de aumentar o nível de tensão ou de corrente aplicado na entrada Existem muitas situações em que precisamos aumentar a magnitude de entrada SEDRA SMITH 2015 Por exemplo um cantor precisa aumentar o volume da sua voz para que uma plateia possa ouvilo ou um médico que precisa ver as ondas vitais do seu paciente para descobrir a existência ou não de alguma patologia médica Um amplificador operacional AMPOP possui três terminais dois terminais que compõem a entrada e um terminal de saída Figura 2 O primeiro terminal é a entrada inversora denotada como v a segunda é a entrada não inversora denotada como v A subtração desses sinais é o sinal de entrada isto é vin v v Figura 2 Amplificador operacional ideal Fonte Elaborado pelo autor 2021 O terceiro terminal é a saída do amplificador a qual é dada pelo sinal de entrada vin multiplicado pelo ganho de tensão Av obtendo que vout Av vin BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 121 Características Explicando de uma forma simples um amplificador é chamado de ideal quando possui as características elencadas na Tabela 1 em relação ao ganho Av largura de banda 16 ELETRÔNICA ANALÓGICA BW Bandwidth resistência de entrada Rin e resistência de saída Rout BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Tabela 1 Características de um Amplificador Operacional Ideal Características Valor ideal Av BW Rin Rout 0 Fonte Elaborada pelo autor 2021 Mas o que significam estas características ideais Um ganho infinito significa que você será capaz de amplificar qualquer sinal do seu interesse independentemente de sua amplitude inicial Uma largura de banda infinita significa que seu amplificador funcionará da mesma forma para qualquer frequência do sinal de entrada Isto é ele é valido tanto para sinais de baixas frequências como um sinal de eletrocardiograma de poucos Hz de largura de banda quanto para sinais de alta frequência como um sinal de GSM Global System for Mobile Communications de alguns poucos GHz Em relação às resistências de entrada e saída uma resistência de entrada infinita significa que não há perdas de acoplamento entre estágios amplificadores E finalmente uma resistência de saída idealmente zero significa que o AMPOP pode alimentar qualquer carga na saída sem perda de potência Por exemplo a carga na saída de amplificadores de som é o altofalante SEDRA SMITH 2015 Para fins práticos um AMPOP ideal possui duas leis elétricas que o governam Estas características geram as leis de tensões e correntes para AMPOP BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 como segue a As tensões nas entradas são iguais isto é v v b As correntes nas entradas são zero isto é i i 0 Usando as leis elétricas para AMPOP ideais descritas acima ao longo deste caderno de estudos vamos analisar o comportamento de cada tipo de AMPOP entendendo como trabalham as suas diferentes aplicações 17 ELETRÔNICA ANALÓGICA 122 Sinais em Diferença e Modo Comum O amplificador ideal estudado na seção anterior é apenas a representação de um modelo desejado Na realidade um amplificador real possui um ganho e largura de bandas finitos alta resistência de entrada e baixa resistência de saída Como foi explicado anteriormente os amplificadores operacionais são capazes de amplificar a diferença vin v v aplicada entre os seus terminais inversor e não inversor respectivamente BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Além disso devido à operação de subtração nos terminais os amplificadores operacionais são capazes de rejeitar todo sinal que for colocado de modo comum Um exemplo disso é a rejeição ao ruído de modo comum na qual se considera que o ruído afeta da mesma forma em ambos os terminais de entrada do dispositivo Apoiado no princípio da amplificação da diferença nas entradas o amplificador será capaz de eliminar este tipo de ruído Tal característica é mensurada mediante a razão de rejeição ao ruído em modo comum ou CMRR Commom Mode Rejection Ratio que é altamente desejada no projeto de AMPOPs MALVINO BATES 2007 FREITAS MENDONÇA 2010 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 É importante esclarecermos que os amplificadores operacionais são compostos de circuitos de alta complexidade envolvendo vários dispositivos tais como resistores capacitores diodos e transistores No entanto nesta primeira unidade vamos analisar o AMPOP como se fosse um único elemento ou caixa preta Figura 2 que possui um conjunto de entradas e saídas Por esse motivo o estudo ao longo da primeira unidade é baseado nas características e configurações de um circuito integrado de um AMPOP real Por exemplo os circuitos integrados LM741 OP07 e AD741 que são os mais usados na Engenharia Elétrica SAIBA MAIS Leitura da folha técnica do LM741 Consulte a folha técnica de dados do amplificador operacional LM741 fabricado pela National Instruments nos anexos do presente caderno de estudos Leia sobre a identifica ção dos pinos do dispositivo e desenhe a representação triangular 18 ELETRÔNICA ANALÓGICA 13 CONFIGURAÇÕES BÁSICAS Dentre os principais AMPOP comerciais o circuito integrado LM741 é um dos mais utilizados cujo circuito é alimentado com tensões de 15V As entradas inversoras e não inversoras se encontram nos pinos 2 e 3 respectivamente A saída do AMPOP é obtida no pino 6 TEXAS INSTRUMENTS 2021a Em caso de precisar de mais unidades de amplificação existem circuitos integrados que possuem vários LM741 no interior Por exemplo o circuito integrado LM148 possui quatro LM741 tornandose uma implementação de menor custo espaço físico e consumo de energia Afinal o que é uma configuração Então chamase de configuração a uma forma de conexão que produzirá uma forma de operação Nesta unidade estudaremos duas configurações inversora e não inversora Em termos práticos o AMPOP está na configuração inversora ou não inversora quando a entrada vin está ligada na entrada inversora ou não inversora do AMPOP respectivamente Na sequência entenderemos em detalhe o funcionamento elétrico de cada configuração e as suas principais aplicações 131 Configuração Inversora A Figura 3 mostra um amplificador na configuração inversora Para compreendermos o seu funcionamento aplicamse as leis elétricas de AMPOP estudadas na seção 121 Neste sentido consideramos que as tensões nas entradas do AMPOP são iguais v v e que as correntes nelas são iguais a zero i i 0 Na Figura 3 a corrente que passa pelo resistor R pode ser expressa como i vinR Logo a corrente i não passa pela entrada inversora mas pelo resistor RF Então a corrente também pode ser expressa como i voutRF MALVINO BATES 2007 FREITAS MENDONÇA 2010 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Usando estas expressões é possível expressar a saída vout do AMPOP como 19 ELETRÔNICA ANALÓGICA F out in R v t v t R 1 A partir daqui vamos chamar de ganho Av ao quociente saída voutt e entrada vint Explicado de outra forma é o coeficiente que vai multiplicar ao sinal de entrada para gerar o sinal de saída Note que o ganho do AMPOP inversor é Av RFR ATENÇÃO Não existe ganho negativo O sinal negativo que aparece na equação acima significa que há uma inversão de fase do sinal de entrada na saída Figura 3 Circuito elétrico do amplificador operacional inversor no LTSpice Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 Na sequência veremos um exemplo Considere o AMPOP na configuração inversora mostrado na Figura 3 com R 1 KΩ e RF 3 KΩ Calcule o sinal de saída voutt se um sinal alternado dado por vint sen2πt é aplicado no AMPOP A Figura 4 mostra as plotagens dos sinais de entrada e saída que vamos analisar 20 ELETRÔNICA ANALÓGICA O sinal de entrada identificado de cor verde corresponde ao sinal vint sen2πt A saída do AMPOP é dada por voutt RFR vint O quociente dos resistores que resulta no ganho de amplificador é 3 tendo que voutt 3 sen2πt Como foi explicado na seção anterior o sinal negativo apenas indica uma inversão de fase o que não representa um problema pois indica que o sinal está em atraso mas ele está amplificado sim O sinal de saída voutt foi identificado de cor azul Figura 4 Figura 4 Sinais de entrada verde e sinal de saída azul do exemplo de AMPOP inversor Fonte Elaborada pelo autor 2021 21 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA PRATICAR Considere que o sinal digital com valores de 1 V e 1 V da Figura 5 é aplicado no AMPOP inversor com R 3 KΩ e RF 12 KΩ Determine e desenhe o sinal de saída voutt do AMPOP inversor Figura 5 O sinal de entrada é um sinal digital com valores 1 V e 1 V Fonte Elaborada pelo autor 2021 132 Configuração Não Inversora A Figura 6 exemplifica um amplificador na configuração não inversora Visando entender seu funcionamento aplicaremos as leis elétricas de AMPOP aprendidas Note que a corrente que passa pelo resistor R pode ser expressa como i vinR Logo a mesma corrente passando pelo resistor RF é obtida como i vout vinRF BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Usando as expressões é possível obter a saída do amplificador operacional não inversor como 22 ELETRÔNICA ANALÓGICA 1 out in F R v t v t R 2 Figura 6 Circuito elétrico do amplificador operacional não inversor no LTSpice Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 Visando observar a diferença entre as duas configurações utilizaremos o exemplo desenvolvido para o amplificador inversor modificando para configuração não inversora Então considere o AMPOP na configuração não inversora da Figura 6 com R 1 KΩ e RF 3 KΩ Calcule o sinal de saída voutt se um sinal alternado dado por vint sen2πt é aplicado A Figura 7 mostra as plotagens dos respectivos sinais de entrada e saída que vamos analisar O sinal de entrada vint sen2πt é identificado de cor verde Figura 7 A saída do AMPOP é dada por voutt 1 RFR vint O quociente dos resistores mais a unidade resulta no ganho de amplificador de 4 tendo que voutt 4 sen2πt Então o sinal de saída voutt é identificado de cor azul Figura 7 23 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 7 Sinais de entrada verde e sinal de saída azul do exemplo de AMPOP inversor Fonte Elaborada pelo autor 2021 24 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA PRATICAR Considere que o sinal digital com valores de 0 V e 1 V da Figura 8 é aplicado no AMPOP não inversor com R 3 KΩ e RF 12 KΩ Determine e desenhe o sinal de saída voutt do AMPOP não inversor Figura 8 O sinal de entrada é um sinal digital com valores 0 V e 1 V Fonte Elaborada pelo autor 2021 14 TIPOS DE AMPLIFICADORES Na seção anterior aprendemos as duas configurações básicas do AMPOP a configuração inversora e não inversora Dentre as configurações o modo inversor é o mais prático para fins de projeto então esta configuração é a mais usada para definir diferentes tipos de AMPOP que possuem aplicações interessantes que são amplificador somador integrador e derivativo BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 25 ELETRÔNICA ANALÓGICA 141 Amplificador Somador A Figura 9 mostra o amplificador somador inversor Novamente aplicaremos as leis elétricas de AMPOP aprendidas para entender o seu funcionamento Note que há uma corrente i1 que passa pelo resistor R1 expressa como i1 vin1R1 Da mesma maneira observamse as correntes que passam pelos resistores R2 e R3 obtendo as correntes i2 vin2R2 e i3 vin3R3 respectivamente Logo a soma das correntes dada por i i1 i2 i3 passa pelo resistor RF e pode ser obtida como i voutRF MALVINO BATES 2007 FREITAS MENDONÇA 2010 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Usando todas essas expressões é possível obter a saída do amplificador somador inversor 1 2 3 1 2 3 F F F out in in in R R R v t v t v t v t R R R 3 A expressão obtida demonstra que o circuito da Figura 9 é capaz de somar um conjunto de sinais aplicados na entrada e aplicar um determinado fator para cada uma delas Finalmente inverte o sinal resultante Figura 9 Circuito elétrico do amplificador somador inversor no LTSpice Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 26 ELETRÔNICA ANALÓGICA IMPORTANTE Considere o amplificador somador inversor da Figura 9 e os sinais de entrada são vin1t sen2πt vin2t sen4πt e vin3t sen6πt mostrados na Figura 10 de cor verde azul e vermelho respectivamente Considere que todos os resistores são iguais isto é R1 R2 R3 RF 1 KΩ Obtenha o sinal de saída voutt do amplificador somador inversor Figura 10 Sinais de entrada verde azul e vermelho e de saída ciano do exemplo do somador Fonte Elaborada pelo autor 2021 Devido a todos os resistores possuírem o mesmo valor os três ganhos são unitários Substituindo os dados deste exercício na equação obtida acima é possível expressar a saída como voutt sen2πt sen4πt sen6πt a qual foi plotada de cor ciano na Figura 10 Note que o sinal de saída possui três ondulações diferentes correspondentes às frequências dos três sinais de entrada 27 ELETRÔNICA ANALÓGICA 142 Amplificador Integrador A Figura 11 traz o amplificador integrador inversor Visando entender o seu funcionamento aplicaremos as leis elétricas do AMPOP Note que há uma corrente it que passa pelo resistor R a qual é expressa como it vintR Logo a mesma corrente passa pelo capacitor C Lembrese de que a corrente do capacitor é dada pela expressão it C d0 vouttdt Usando as expressões obtidas temos out in dv t v t dt RC 4 Aplicase a integral em cada lado da equação acima obtendo a expressão de saída do integrador BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 1 out in v t v t dt RC 5 Como podemos ver o circuito da Figura 11 recebe um sinal de entrada que depende do tempo aplica a operação da integral multiplica por um fator e inverte o sinal resultante Neste sentido consideramos um AMPOP integrador cujo sinal de entrada é dado pelo sinal digital de valores 1 e 1 Figura 12 Consideremos que os valores do resistor e do capacitor são R 3 KΩ e C 01μF respectivamente As integrais de 1 e de 1 são dadas pelas funções t K1 e t K2 respectivamente onde K1 e K2 são constantes 28 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 11 Circuito elétrico do amplificador integrador inversor no LTSpice Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 Figura 12 Sinal de entrada verde e sinal de saída azul do exemplo de AMPOP integrador Fonte Elaborada pelo autor 2021 29 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA PRATICAR Considere o amplificador integrador inversor da Figura 11 com resistor R 1MΩ e C 1μF Coloque o sinal de entrada vint sen2πt Obtenha e desenhe o sinal de saída voutt 143 Amplificador Derivativo A Figura 13 exibe o amplificador derivativo inversor A fim de entender o seu funcionamento vamos aplicar as leis elétricas do AMPOP Observe que há uma corrente it que passa pelo capacitor C a qual é dada por it C dvintdt A mesma corrente passa pelo resistor R expressa como it vouttR Usando as expressões obtidas é possível chegar à expressão de saída voutt do AMPOP derivativo inversor BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 in out dv t v t RC dt 6 Figura 13 Circuito elétrico do amplificador derivativo inversor no LTSpice Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 30 ELETRÔNICA ANALÓGICA Para complementarmos o exercício do amplificador integrador tomaremos a saída obtida por ele para obtermos o sinal de entrada original na saída do AMPOP derivativo Neste sentido consideremos que o circuito da Figura 13 possui R 1M e C 1μF O sinal de entrada é o sinal triangular da Figura 14 cor verde o qual é composto de uma reta com inclinação positiva e uma reta com inclinação negativa As derivadas das retas do sinal triangular são de 1 e 1 respectivamente A multiplicação do resistor e capacitor é RC 1 Finalmente a operação inversora é aplicada fazendo com que o sinal de saída seja um sinal digital de 1 e 1 mostrado na Figura 14 de cor azul Figura 14 Sinal de entrada verde e sinal de saída azul do exemplo de AMPOP derivativo Fonte Elaborada pelo autor 2021 PARA PRATICAR Aplique o sinal vint sen2πt no AMPOP derivativo inversor da Figura 12 com C 01μF e R 100KΩ Determine a expressão e desenhe a função de saída voutt resultante 31 ELETRÔNICA ANALÓGICA 144 Amplificador de Instrumentação Uma das maiores dificuldades dos amplificadores comerciais ex LM741 é a baixa resistência de entrada Rin e o baixo ganho Av Estas características são muito importantes para amplificar sinais com baixa amplitude que são altamente sensíveis ao ruído de modo comum BOYLESTAD NASHELSKY 2013 WEBSTER EREN 2014 SEDRA SMITH 2015 Por exemplo em aplicações biomédicas tais como sinais de eletrocardiograma ECG com amplitudes até 10mV Neste tipo de situação utilizase o amplificador de instrumentação Alguns circuitos integrados comerciais são o INA114 e INA121 Consulte a referência Texas Instruments 2021b SAIBA MAIS Leia a folha técnica de dados do INA114 fabricado pela Texas instruments que está disponível nos documentos em anexo deste caderno e descreva os seus pinos modos de operação e principais aplicações A Figura 15 apresenta um circuito clássico do amplificador de instrumentação o qual é composto de dois estágios O primeiro estágio é a préamplificação dos sinais de entrada vin1 e vin2 que são inseridos de forma separada usando a configuração não inversora de cada amplificador interno O segundo estágio coleta as duas saídas do primeiro estágio as quais serão as entradas de um amplificador somador inversor KHANDPUR 2003 WEBSTER EREN 2014 SEDRA SMITH 2015 32 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 15 Circuito elétrico clássico de um amplificador de instrumentação no LTSpice Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 Na sequência utilizaremos as configurações aprendidas para expressar a saída do amplificador de instrumentação em função dos seus componentes Veja que o primeiro estágio é composto de dois AMPOPs que trabalham na configuração não inversora então as saídas vout1 e vout2 podem ser diretamente expressas como 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1 out in out in R R v v v v R R 7 O segundo estágio é um amplificador somador inversor cujas entradas são as saídas determinadas na equação acima Considere que a diferença entre as tensões de entrada é denotada como vdiff onde vdiff vin2 vin1 Então a saída vout pode ser expressa através da expressão BOYLESTAD NASHELSKY 2013 WEBSTER EREN 2014 SEDRA SMITH 2015 4 4 2 1 2 3 3 1 1 out out out diff R R R v v v v R R R 8 33 ELETRÔNICA ANALÓGICA No caso do circuito integrado INA114 os resistores R2 R3 R4 25 KΩ O ganho do INA114 é regulado pelos dois resistores R1 em série ver Figura 15 o qual se encontra na parte externa do dispositivo sendo chamado de resistência de ganho RG onde RG 2R1 Ao substituirmos os valores dos resistores fixos na equação acima temos que o ganho do INA114 é Av 1 50KΩRG SEDRA SMITH 2015 IMPORTANTE Considere um sinal alternado de amplitude muito pequena e dado por vint 10mV sen2πt Devido às condições de ruído ou até de limitações do dispositivo os circuitos comerciais de AMPOP não podem ser utilizados Projete o valor do resistor de ganho RG para obter uma tensão pico aproximada de 051V na saída do amplificador de instrumentação INA114 O primeiro passo para resolver este problema é obter o ganho desejado Para tanto dividiremos as tensões picos na saída e na entrada isto é Av 051001 51 Observe que a seguinte equação deve ser satisfeita 1 50KΩRG 51 Resolvendo a equação descrita o valor da resistência de ganho deve ser RG 1KΩ 15 IMPERFEIÇÕES DE DC Até aqui estudamos o AMPOP ideal e temos analisado as principais configurações e tipos de amplificadores utilizando as características e leis ideais No entanto na prática os AMPOPs possuem limitações que afetam o seu desempenho Dentre de todas as características indesejáveis na saída de um AMPOP a literatura tem selecionado o tópico de tensão e corrente de offset como uma das que mais afeta o desempenho dos AMPOPs 34 ELETRÔNICA ANALÓGICA 151 Tensão de Offset Para entendermos como a tensão de offset é gerada considere a Figura 16 Mesmo que nós utilizemos a lei elétrica para AMPOP a qual determina que as tensões nas entradas são iguais isto é v v poderá existir uma pequena tensão DC nos terminais chamada de tensão de offset denotado como VOS Figura 16 comumente de até 5mV aproximadamente MALVINO BATES 2007 FREITAS MENDONÇA 2010 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Figura 16 Representação da tensão de offset VOS em um AMPOP não inversor no LTSpice Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 Notem que a pequena tensão DC que aparece na entrada será amplificada pelo AMPOP não inversor obtendo a seguinte saída em DC indesejada VO 2 1 1 o os R V V R 9 Imaginemos agora um AMPOP com ganho de tensão de 1000VV Para uma tensão de offset de 5mV a tensão DC da saída que idealmente deve ser 0 volts seria de 5V Se aplicarmos uma entrada diferencial senoidal na entrada a saída será dada pela amplificação do sinal diferencial montado em uma tensão DC de 5V BOYLESTAD 35 ELETRÔNICA ANALÓGICA NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Isso representa um problema sério pois pode ultrapassar as tensões de alimentação do AMPOP ou uma futura conversão analógica digital a qual não permite tensões maiores que 5V Uma forma amplamente utilizada para lidar com este problema é colocar um capacitor de acoplamento na entrada do AMPOP O capacitor em série deixa passar as tensões alternadas mas não permite a passagem de tensão DC No entanto devemos tomar cuidado pois o fato de colocar um capacitor na entrada faz o circuito da Figura 16 se comportar como um filtro passa altas Em poucas palavras isso quer dizer que o circuito resultante vai eliminar o DC e também uma faixa de sinais de baixa frequência Então tenha certeza de que o seu sinal de entrada não seja de baixa frequência uma vez que pode ser atingido pelo filtro anulando o sinal de entrada MALVINO BATES 2007 FREITAS MENDONÇA 2010 SEDRA SMITH 2015 FÓRUM Pesquise sobre outras formas de mitigação das imperfeições de DC e elabore uma breve discussão junto com os seus colegas sobre as formas que você tem pesquisado Ressalte a importância de resolver esta problemática 16 RESPOSTA EM FREQUÊNCIA Tal como foi explicado no começo da unidade o AMPOP ideal possui largura de banda infinito ou seja ele é capaz de amplificar qualquer sinal e de qualquer frequência que seja colocada na entrada do AMPOP No entanto na prática o AMPOP possui largura de banda limitada ou finita BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Nesta seção descobriremos como é a resposta em frequência de um AMPOP quando ele opera em malha aberta e em malha fechada Um AMPOP é de malha aberta quando não existe conexão entre a saída do circuito e alguma das entradas Em malha fechada ou também chamado de circuito realimentado 36 ELETRÔNICA ANALÓGICA a saída é novamente colocada na entrada oferecendo muitas vantagens em termos de redução de ruído maior largura de banda a custo de reduzir o ganho do amplificador BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 161 Resposta de Malha Aberta Para entendermos o que acontece no domínio da frequência é necessário falarmos sobre o ganho do AMPOP Lembrem que o ganho de malha aberta Av de um AMPOP real não é infinito e além disso ele diminui com o aumento da frequência Na Figura 17 de cor azul é mostrado o ganho de um AMPOP de malha aberta ao longo de uma faixa de frequências sendo chamado a partir daqui de largura de banda Note que o ganho cai com o aumento da frequência SEDRA SMITH 2015 O conceito de largura da banda possui muitas definições dependendo da aplicação Nesta disciplina a largura de banda é dada pela diferença da frequência inferior e superior cujo ganho do AMPOP é mantido Estas frequências são aquelas em que o ganho na banda passante cai pela metade ou aproximadamente 3dB BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 162 Resposta de Malha Fechada Quando a saída do AMPOP é conectada novamente em alguma das entradas no caso dos amplificadores que temos estudado nesta unidade o ganho do AMPOP diminui para Avf o ganho de malha fechada Figura 17 Contudo a largura de banda de malha fechada aumenta para Bf A relação de ganho e largura de banda representa um compromisso que pode ser mensurado através do chamado de produto ganho e largura de banda GB Gain Bandwidth product dado por GB A BW o qual é crucial no projeto de AMPOPs 37 ELETRÔNICA ANALÓGICA BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Figura 17 Ganho e largura de banda de AMPOP de malha aberta e de malha fechada Fonte Adaptada pelo autor 2022 a partir de Sedra e Smith 2015 38 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA SINTETIZAR A Unidade 1 teve como objetivo apresentar o amplificador operacional e suas características ideais configuração inversora não inversora e os principais tipos de amplificadores somador integrador e derivativo Analisamos as imperfeições do amplificador na prática e o efeito da realimentação no ganho e na resposta em frequência Finalmente explicamos a sua aplicabilidade para soluções biomédicas Ao longo das próximas unidades serão estudados os dispositivos que permitem projetar amplificadores operacionais isto é o diodo e o transistor 39 ELETRÔNICA ANALÓGICA GLOSSÁRIO Largura de Banda é a faixa de valores de frequência nos quais opera um determinado circuito amplificador Malha Aberta é a analise realizada quando em um determinado circuito a saída não possui ligação com as entradas Malha Fechada é a análise realizada quando em um determinado circuito a saída se encontra novamente ligada na entrada o que é denominado de caminho da realimentação 40 ELETRÔNICA ANALÓGICA EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 01 Considere o amplificador em cascata de dois estágios representado na Figura 18 A primeira etapa é um amplificador inversor e a segunda é um amplificador não inversor Se a entrada do circuito é vint sen2πt Assinale a alternativa que expressa a saída voutt do circuito apresentado Figura 18 Circuito elétrico de um AMPOP de dois estágios amplificador inversor e não inversor Fonte Elaborada pelo autor 2021 a voutt sen2πt b voutt 2 sen2πt c voutt 4 sen2πt d voutt 6sen2πt e voutt 4 sen2πt 02 Considere o amplificador em cascata mostrado na Figura 19 o qual possui dois estágios O primeiro estágio é um amplificador integrador inversor e o segundo estágio é um amplificador derivativo inversor Considerando que a entrada do circuito é vint sen2πt assinale a alternativa que expressa a saída voutt 41 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 19 Circuito elétrico de um AMPOP de dois estágios amplificador integrador e derivativo Fonte Elaborada pelo autor 2021 a voutt sen2πt b voutt sen2πt c voutt 1000 sin2πt d voutt 10 cos2πt e voutt 1000 sen2πt 03 Como foi explicado ao longo desta unidade o amplificador de instrumentação é uma parte muito importante na digitalização de sinais biomédicos principalmente devido à sua alta rejeição ao ruído comum Considere que um sinal de ECG será a entrada de um amplificador de instrumentação exemplo o INA114 sendo R5 R7 e RG R5 R7 5 KΩ Considere que R6 R8 R9 R10 R11 R12 25 KΩ O segundo estágio é um amplificador não inversor com R1 1 KΩ que opera como um complemento de amplificação para o sinal de ECG O valor de R1 é fixo e o RF é um potenciômetro que regula o ganho do segundo estágio Assinale a alternativa que expressa o valor de RF o qual regula um ganho total de Av 1111VV 42 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 20 Circuito de um AMPOP de dois estágios amplificador de instrumentação e não inversor Fonte Elaborada pelo autor 2021 a RF 50 KΩ b RF 5 KΩ c RF 25 KΩ d RF 1 KΩ e RF 100 KΩ 43 ELETRÔNICA ANALÓGICA REFERÊNCIAS BOYLESTAD R NASHESKY L Electronic devices and circuit theory 11 ed New Jersey Pearson Education 2013 FREITAS M A MENDONÇA R G Eletrônica básica Curitiba Editora de Livro Técnico 2010 KHANDPUR R S Biomedical instrumentation technology and applications New Delhi McGrawHill Publishing 2003 MALVINO A P BATES D J Eletrônica V 1 7ª ed São Paulo Makron 2007 SEDRA A SMITH K Microelectronic circuits 7 ed New York Oxford University Press 2015 TEXAS INSTRUMENTS Folha técnica de dados do amplificador operacional LM741 2021a Disponível em httpswwwticomproductLM741 Acesso em 07 set 2021 TEXAS INSTRUMENTS Folha técnica de dados do amplificador de instrumentação INA114 2021b Disponível em httpswwwticomproductINA114 Acesso em 07 set 2021 WEBSTER J G EREN H Measurement instrumentation and sensors handbook electromagnetic optical radiation chemical and biomedical measurement 2 ed Boca Raton Taylor Francis 2014 46 ELETRÔNICA ANALÓGICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Estudar a curva característica do diodo Compreender e aplicar os modelos elétricos do diodo Entender o processo de retificação de sinais Analisar e implementar um retificador de meia onda e onda completa Estudar o funcionamento de circuitos limitadores e ceifadores INTRODUÇÃO À UNIDADE A Unidade 2 apresentará os conceitos teóricos e práticos que envolvem o diodo o primeiro dispositivo semicondutor que vamos estudar ao longo deste caderno Primeiramente apresentarseá a importância do seu estudo como bloco de conhecimento e suas aplicações Na sequência estudaremos o diodo em três níveis de análise nível químico nível físico e nível elétrico Após entendermos o seu funcionamento focaremos no nível elétrico Neste ponto conheceremos os principais modelos matemáticos que aproximam o seu comportamento modelo ideal de tensão constante e exponencial A compreensão dos modelos permitirá analisar circuitos com Diodos em Tensão Contínua DC e Alternada AC bem como suas aplicações adquirindo a habilidade de analisar e resolver problemas com diodos Dentre as aplicações com diodos nesta segunda unidade desenvolveremos passo a passo todos os blocos de um conversor de tensão alternada para tensão contínua ACDC usando circuitos com diodos e outros blocos de operação Apresentarseão também outras aplicações tais como o circuito ceifador e o dobrador de tensão A Unidade 2 propõe uma atividade de laboratório a ser desenvolvida junto com o tutor nos documentos em anexo possibilitando ao acadêmico aplicar os conceitos aprendidos 47 ELETRÔNICA ANALÓGICA 21 TEORIA DE DIODOS Nesta seção assimilaremos os processos que ocorrem no diodo mediante três níveis de análise químico físico e elétrico Na sequência serão vistos alguns modelos matemáticos que representam o diodo 211 Física de Semicondutores Nas disciplinas prévias estudamos o resistor R o capacitor C e o indutor L O resistor é um dispositivo que consome energia Por outro lado capacitor e indutor são dispositivos que armazenam energia na forma de tensão ou de corrente respectivamente Estes três dispositivos fazem parte de Circuitos Analógicos A partir do descobrimento dos dispositivos semicondutores a tecnologia tem evoluído fortemente Um material semicondutor é aquele que possui a característica de se comportar como condutor ou como isolante a depender das condições de operação O cristal de silício é o material semicondutor mais utilizado por isso toda a teoria encontrada na literatura é baseada nas suas propriedades químicas e físicas SEDRA SMITH 2015 Nesta seção explicaremos três níveis de análise em semicondutores Nível Químico o cristal de silício material semicondutor se comporta como um isolante em temperaturas extremamente baixas chamado de zero absoluto impedindo a geração de corrente nos seus terminais Se a temperatura aumentar o cristal de silício atua como condutor de correntes baixas Porém é possível aumentar os níveis de condução de corrente quando o cristal de silício é dopado isto é contaminado quimicamente Existem dois tipos de dopagem a utilização de átomos de fósforo silício tipo n ou átomos de boro silício tipo p Estes cristais de silício tipo n e p são ricos em partículas subatômicas sendo chamados de elétrons livres e de lacunas respectivamente SEDRA SMITH 2015 48 ELETRÔNICA ANALÓGICA Nível Físico desde o ponto de vista físico é importante comentar que o fluxo de corrente é proporcional à movimentação de elétrons livres e de lacunas Então se uma fonte de tensão for aplicada no cristal de silício tipo p ou n provocará esta movimentação a qual gera um fluxo de corrente ao longo do cristal SEDRA SMITH 2015 Nível Elétrico é importante mencionarmos que o diodo é composto pela união dos materiais p e n chamado de junção pn Esta junção possui dois modos de operação a polarização direta e reversa A polarização direta ocorre quando a fonte de tensão aplicada ultrapassa uma tensão de barreira intrínseca da junção que impede a passagem de corrente Quando isso acontece a corrente se dispara de forma exponencial Na polarização reversa a tensão é menor que a tensão de barreira Então a corrente no diodo tornase desprezível SEDRA SMITH 2015 A compreensão da forma de operação da junção pn facilita o estudo do diodo e do transistor No caso de transistor MOSFET existem os transistores de canal n e de canal p No caso dos transistores TBJ os transistores estão formados pelas junções npn e pnp Na sequência trarei alguns vídeos e leituras complementares SUGESTÃO DE VÍDEO Física dos Semicondutores este vídeo estende as explicações sobre os materiais semicondutores e os níveis químico físico e elétrico mencionados aqui Acesse httpswwwyoutubecomwatchv1hGdS1us9kabchannelUNIVESP O diodo é um dispositivo semicondutor junção pn que possui dois terminais ânodo A e cátodo K tal como mostra a Figura 21 O fato de ele ser um dispositivo semicondutor significa que possui duas formas de operação condutor ou isolante Considerase que o dispositivo é condutor quando permite a passagem de corrente e é 49 ELETRÔNICA ANALÓGICA isolante quando a corrente é zero SEDRA SMITH 2015 No dispositivo físico o cátodo pode ser identificado pela faixinha cinza que tem o diodo Figura 21a Desde o ponto de vista elétrico o diodo é representado como um triângulo o qual aponta na direção ânodocátodo Figura 21b Isso quer dizer que a corrente apenas pode circular nesse sentido sentido pn no qual opera como condutor A corrente não poderá circular no sentido contrário pois será impedida pela barreira vertical que se encontra na ponta direita do triângulo operando como um isolante BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Figura 21 Ânodo e cátodo do diodo a dispositivo físico b representação elétrica Fonte Elaborada pelo autor 2021 Para entendermos o funcionamento de um dispositivo elétrico é muito importante conhecermos a sua curva característica correntetensão IV Por exemplo nas matérias prévias você estudou o resistor Então sabemos que o resistor é um dispositivo linear o qual pode ser corroborado mediante a lei de Ohm V I R que define a curva característica tensãocorrente VI do resistor como uma função linear com inclinação R correspondente ao valor da resistência 212 Modelos de Diodo Ao longo desta unidade será analisado o diodo que é um dispositivo não linear Esta propriedade será corroborada através da curva característica IV Para entendermos os mecanismos de funcionamento deste dispositivo utilizarseão modelos matemáticos que aproximam o seu comportamento 50 ELETRÔNICA ANALÓGICA 2121 Modelo de Diodo Ideal O modelo do diodo ideal é o mais simples de entendermos Neles o diodo pode ser entendido como um interruptor que possui dois estados aberto e fechado Para explicar este modelo as tensões no ânodo e cátodo são denotadas como VA e VK respectivamente Além disso a corrente e tensão no diodo no sentido ânodo cátodo são denotados como ID e VD respectivamente Quando uma corrente ID flui desde o ânodo para o cátodo Figura 22 o diodo se comporta como um condutor isto é como um interruptor fechado o qual faz com que a tensão no diodo seja zero i e VD 0V pois é um curto circuito Note que nesta situação as tensões no ânodo e cátodo são iguais VA VK Quando a tensão no cátodo é maior do que no ânodo isto é VA VK 0V ou VD 0V o diodo se comporta como um isolante ou seja como um interruptor aberto fazendo com que a corrente no diodo seja zero i e ID 0A pois é um circuito aberto BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 Figura 22 As duas regiões de operação do modelo de diodo ideal Em cima polarização direta interruptor fechado abaixo polarização reversa interruptor aberto Fonte Elaborada pelo autor 2021 A curva característica do modelo ideal pode ser obtida mediante a simulação do circuito diodoresistor da Figura 23 esquerda Usando o simulador LTSpice criase o modelo SPICE de diodo ideal gerando a plotagem da relação entre a corrente no diodo e tensão no diodo isto é ID vs VD Figura 23 direita Além disso temos identificado as regiões de polarização direta e reversa Observe que na polarização direta ID 0 produz VD 0 e na reversa VD 0 produz ID 0 51 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 23 Representação do modelo de diodo ideal Esquerda circuito diodoresistor em DC direita curva característica correntetensão IDVD Fonte Elaborada pelo autor 2021 O modelo de diodo ideal apresentado é apenas uma representação simples da forma de operação do diodo É importante ressaltar que este dispositivo ideal não existe mas a sua compreensão permite construir modelos cada vez mais aproximados ao diodo real ou diodo comercial Além disso o modelo de diodo ideal tem aplicações interessantes que serão estudadas ao longo da unidade FÓRUM Disserte sobre o seguinte contexto Qual a potência que consome um diodo ideal seja em polarização direta ou reversa Fundamente sua resposta 52 ELETRÔNICA ANALÓGICA 2122 Modelo de Tensão Constante Na verdade a região de polarização direta não ocorre quando VD 0V como no caso do diodo ideal É necessário que a tensão no diodo atinja uma tensão limiar a chamada tensão de barreira Em outras palavras a diferença de tensão entre o ânodo e o cátodo é dada por VA VK ξ em que ξ é um valor entre 06V e 08V A Figura 24 apresenta as duas regiões de polarização como segue quando uma corrente ID flui desde o ânodo para o cátodo o diodo poderá ser modelado como uma fonte de tensão constante de VD 07V note que não é mais um curto circuito Por outro lado se a tensão no diodo é menor do que a tensão de barreira VD 07V o diodo é um interruptor aberto ou seja ID 0A SEDRA SMITH 2015 Figura 24 As duas regiões de operação do modelo de tensão constante Acima polarização direta tensão constante de 07V abaixo polarização reversa interruptor aberto Fonte Elaborada pelo autor 2021 A curva característica poderá ser obtida usandose os mesmos passos do modelo ideal Criase o modelo SPICE do diodo de tensão constante e gerase a plotagem da curva ID vs VD mostrado na Figura 25 direita identificando as mesmas regiões de operação isto é a polarização direta e a polarização reversa O modelo de diodo de tensão constante é uma outra forma de representar a forma de operação do diodo o qual não existe fisicamente A compreensão de que o diodo deve ultrapassar a tensão de barreira de uns 07V possibilita a construção de modelos mais exatos ao comportamento do diodo real 53 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 25 Curva característica correntetensão IDVD do modelo de diodo de tensão constante Fonte Elaborada pelo autor 2021 2123 Modelo Exponencial Os modelos matemáticos do diodo ideal e de tensão constante apresentados nas seções prévias ajudaram a entender o comportamento do diodo Porém estes modelos não são fisicamente realizáveis devido ao disparo vertical de corrente na polarização direta Uma aproximação mais realística é modelar a relação entre a tensão VD e a corrente ID através da seguinte relação exponencial 1 D T n V V D S I I e 10 54 ELETRÔNICA ANALÓGICA Onde os parâmetros IS e VT são respectivamente a corrente de escala e a tensão termal com valores a temperatura ambiente de IS 1015A e VT 25mV Na sequência vamos provar com um diodo comercial o 1N4148 trazido da biblioteca do LTSpice A Figura 26 exemplifica a sua respectiva curva característica VD vs ID Figura 26 Curva característica correntetensão IDVD do diodo comercial 1N4148 Fonte Elaborada pelo autor 2021 22 ANÁLISE DE CIRCUITOS EM TENSÃO CONTÍNUA DC Nesta seção serão analisados circuitos em tensão contínua usando o modelo de diodo ideal Na sequência aplicaremos os conceitos aprendidos para projetar circuitos lógicos 55 ELETRÔNICA ANALÓGICA 221 Análise DC Usando Diodo Ideal No subitem anterior compreendemos os diferentes tipos de modelos de diodo Qual devemos usar A resposta é que isso depende da exatidão de que sua aplicação precisa O modelo exponencial é de fato um modelo mais exato do que o modelo ideal por exemplo No entanto o projeto de circuitos com diodos usando o modelo exponencial pode ser uma tarefa complicada que só pode ser resolvida com soluções aproximadas através de métodos numéricos Devemos estar cientes de que o uso de modelos mais práticos modelo ideal e de tensão constante não produz soluções exatas mas eles facilitam muito os cálculos PARA PRATICAR Considere os circuitos esquerda e direita da Figura 27 Determine a corrente I e a tensão V em cada circuito considerando VCC 5 V e diodos ideais Figura 27 Exercícios de análise DC polarização direta esquerda e polarização reversa direita Fonte Elaborada pelo autor 2021 56 ELETRÔNICA ANALÓGICA Conforme já comentamos o diodo ideal pode ser um interruptor aberto ou fechado O processo de análise é o seguinte você deve criar uma hipótese diodo aberto ou diodo fechado que possa ser provada Caso a hipótese seja provada ela é válida do contrário a hipótese válida é a que não foi escolhida Lembrese de que o diodo ideal apenas possui estes dois estados Na Figura 27 esquerda o circuito possui tensão positiva na parte superior e terra ground na parte inferior A hipótese mais provável é que a corrente circula de cima para baixo de acordo com a convenção de sinais Se esta hipótese for verdadeira a corrente vai entrar pelo ânodo do diodo provocando para que o diodo entre em condução e se comporte como um fio Então a tensão nos extremos de um fio qualquer é zero isto é V 0V Substituindo o diodo por um fio a corrente pode ser determinada como I 5V 1KΩ 5mA Já na Figura 27 direita o circuito é o mesmo porém o diodo foi invertido A mesma hipótese será provada isto é que a corrente vai de cima para baixo A corrente no diodo apenas pode ir no sentido ânodocátodo e nunca em sentido contrário Então a corrente no diodo é zero isto é I 0 A A tensão pode ser obtida como segue devido ao fato de que a corrente é zero a tensão de 5V passa pelo resistor sem perda de tensão e aparece no cátodo do diodo Finalmente a diferença de tensão entre o ânodo e o cátodo do diodo é V 5V 222 Portas Lógicas Usando Diodo Ideal O modelo do diodo ideal possui dois estados aberto ou fechado ou 0 e 1 em lógica digital Devido a esta característica é possível projetar circuitos digitais baseados neste modelo 57 ELETRÔNICA ANALÓGICA 2221 Porta Lógica OR A porta lógica OR ou em português trabalha da seguinte maneira se pelo menos uma das entradas é 1 lógico a saída é 1 lógico Caso contrário a saída é 0 lógico A porta lógica OR pode ser implementada usando o circuito integrado 74LS32 cuja folha técnica de dados está disponível nos anexos deste caderno Para mais informações sobre a porta lógica OR consulte Widmer Moss e Tocci 2018 Em vez de utilizarmos o 74LS32 uma porta OR pode ser implementada através do circuito da Figura 28a o qual considera diodos ideais As tensões em A B e C representam as entradas e X é a saída Lembrando que a padronização amplamente utilizada é considerar que 1 lógico corresponde a uma tensão de 5V e 0 lógico corresponde a uma tensão de 0V A Figura 28b mostra a tabela de verdade da porta OR a qual apresenta todas as possíveis combinações na entrada e a respectiva saída Figura 28 Porta lógica OR usando diodos a Circuito elétrico b Tabela de verdade Fonte Elaborada pelo autor 2021 Na sequência aplicaremos os conceitos de polarização direta e reversa do diodo ideal estudados na seção anterior analisando a saída na carga para o caso A 5V e B C 0V Notem que ao colocar 5V no ânodo do diodo e colocar 0V do lado contrário 58 ELETRÔNICA ANALÓGICA provocase a geração de corrente no sentido ânodocátodo Esta condição fará com que apenas o diodo D1 conduza e D2 e D3 estejam em corte Então a tensão na carga será igual à tensão no nó A Assim se alguma das entradas é 5V fará com que pelo menos um diodo conduza Isso é suficiente para que apareça 5V na saída ou seja 1 lógico Em caso de que todas as entradas fossem 0V então todos os diodos entrariam em corte e ao não haver corrente passando pelo resistor a tensão em X seria de 0V ou seja 0 lógico Resumindo no caso da porta lógica OR é suficiente que um diodo entre em condução a fim de que a tensão de entrada apareça na saída FÓRUM Considerem o mesmo circuito da Figura 28 onde o diodo D1 tem sido invertido tendo o cátodo ligado na entrada A Considerando A 5V B 0V e C 0V Expli que qual seria o valor no nó X fundamentando sua resposta 2222 Porta Lógica AND A porta lógica AND e em português trabalha da seguinte maneira se todas as entradas são 1 lógico a saída é 1 lógico Caso contrário a saída é 0 lógico A porta lógica AND pode ser implementada usando o circuito integrado 74LS08 cuja folha técnica de dados está disponível nos anexos deste caderno Para mais informações sobre a porta lógica AND consulte Widmer Moss e Tocci 2018 Ao invés de utilizarmos o 74LS08 uma porta AND poderá ser implementada através do circuito da Figura 29a o qual considera diodos ideais As tensões em A B e C representam as entradas e X é a saída A padronização de tensões e valores lógicos são os mesmos utilizados no caso anterior A Figura 29b traz a tabela de verdade da porta AND a qual mostra todas as combinações na entrada e a respectiva saída 59 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 29 Porta lógica AND usando diodos a Circuito elétrico b Tabela de verdade Fonte Elaborada pelo autor 2021 Na sequência veremos a saída na carga para o caso A 5V e B C 0V Observe que ao colocar 0V no cátodo do diodo e 5V externo do lado contrário provocará a geração de corrente no sentido ânodocátodo Esta condição fará com que os diodos D2 e D3 conduzam e que D1 esteja em corte Então a tensão na carga será igual à tensão no nó B ou C Então se alguma das entradas é 0V ela fará com que pelo menos um diodo conduza Isso é suficiente para aparecer 0V na saída ou seja 0 lógico Em caso de todas as entradas serem 5V todos os diodos entram em corte e não havendo corrente que passa pelo resistor a tensão em X será de 5V vindo da fonte de tensão VREF Figura 29a ou seja 1 lógico Resumindo no caso da porta lógica AND é necessário que todos os diodos estejam em corte para a tensão externa VREF 5V aparecer na saída Fiquemos à vontade para testar todas as possibilidades que foram apresentadas nas tabelas de verdade das portas OR e AND conferindo o valor lógico na saída Vamos aproveitar esta característica para projetar circuitos digitais 60 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA PRATICAR Considere a expressão seguinte booleana X A B C Utilizando todos os conceitos aprendidos neste item analise o seguinte circuito que usa diodos ideais e disserte sobre o seu funcionamento lógico Figura 30 Exercício com portas lógicas OR e AND para representar X A B C Fonte Elaborada pelo autor 2021 23 ANÁLISE DE CIRCUITOS EM TENSÃO ALTERNADA AC Estudaremos os circuitos em tensão alternada usando o modelo de diodo ideal na resolução de exercícios que nos capacitem na compreensão do retificador de meia onda e de onda completa 61 ELETRÔNICA ANALÓGICA 231 Retificador de Meia Onda Chamase de retificador um conjunto de circuitos utilizados para converter a tensão alternada AC em tensão contínua DC No entanto é importante esclarecermos que os retificadores apenas são uma parte do processo O retificador de meia onda é dado pelo circuito da Figura 31 esquerda O circuito consiste em um diodo e um resistor em série A entrada é dada por um sinal alternado que possui a forma VIt VIp sin2πtT onde VIp é a tensão pico da entrada máxima tensão do sinal e T é o período do sinal alternado Quando a tensão de entrada é positiva ciclos positivos o diodo entrará em condução e o sinal de entrada passará diretamente na carga resistiva Além disso durante os ciclos negativos o diodo entrará em corte circuito aberto e a corrente na carga é 0A Em conclusão o circuito diodoresistor deixa passar apenas as tensões positivas zerando as tensões negativas na saída na carga tal como demonstra a Figura 31 direita na curva de cor azul Figura 31 Retificador de meia onda Esquerda Circuito diodoresistor Direita Plotagem dos sinais de entrada cor verde e de saída cor azul Fonte Elaborada pelo autor 2021 62 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA PRATICAR 1 Consideremos o retificador de meia onda da Figura 31 Entendemos que o sinal alternado possui uma tensão pico VIp 12 V e carga de R 3 KΩ Calcule o valor pico da corrente no diodo IDp e a componente DC da saída VOdc Solução Tal como foi explicado anteriormente o diodo atuará como um retificador de meia onda deixando passar os ciclos positivos e zerando os ciclos negativos Note então que a corrente no diodo é a mesma corrente que passa pelo resistor Nesse sentido a corrente no diodo pode ser obtida como ID IR VOR A curva da corrente possui a mesma forma da tensão de saída ver Figura 32 e apenas é colocada em escala usando o fator 1R Figura 32 Plotagem da corrente na carga resistiva de um circuito retificador de meia onda Fonte Elaborada pelo autor 2021 Desse modo o valor pico da corrente é IDp VOpR 12V3KΩ 4mA Observe que o diodo está em condução desde o tempo t 0 até t T2 e entra em corte desde t T2 até t T A segunda parte do exercício é o cálculo da tensão de DC Lembremse de que na Unidade 1 comentamos sobre este parâmetro Em palavras simples é o valor médio do sinal Por exemplo o cálculo da temperatura média na semana é obtido como a soma de todas as temperaturas 63 ELETRÔNICA ANALÓGICA desde segundafeira até sextafeira e é dividido pelo número de temperaturas coletadas na amostra O valor médio ou valor DC também poderá ser calculado para sinais variantes no tempo usando o mesmo conceito Somamse todas as amostras do sinal usando o operador da integral a integral é uma soma de valores contínuos Finalmente o resultado da integral será dividido entre o total isto é o período da função de forma similar à média amostral De forma geral o valor DC de um sinal vt é dado por 1 dc T V v t dt T 11 Da Figura 31 direita note que a saída é igual à entrada desde 0 t T2 e igual a zero para T2 t T Então o valor DC pode ser calculado apenas para o intervalo 0 t T2 como segue 2 0 1 sin 2 t T p O dc p t V V V t T dt T π π 12 Utilizando os dados do exercício é possível calcular o valor DC da tensão de saída como VOdc VOpπ 12Vπ 382 V A principal limitação do retificador de meia onda é que não aproveita o sinal completo na futura conversão para DC o qual significa perda de potência na carga Este problema pode ser resolvido por meio de um retificador de onda completa 2 Calcule o valor DC do sinal quadrado de período 3 dado por 2 0 1 1 1 3 t v t t 13 64 ELETRÔNICA ANALÓGICA 232 Retificador de Onda Completa Neste caderno de estudos explicaremos o retificador de onda completa que usa uma ponte de quatro diodos e um resistor na carga Figura 33 à esquerda A entrada é dada por um sinal alternado que possui a forma VIt VIp sin2πtT Na sequência analisarseão os ciclos positivos e negativos da onda Para Ciclos Positivos o sinal mais positivo do sinal alternado chega ao nó X e o sinal mais negativo chega ao nó Y fazendo com que os diodos D1 e D2 estejam em condução enquanto os diodos D3 e D4 em corte Para Ciclos Negativos o sinal mais positivo do sinal alternado chega ao nó Y e o sinal mais negativo chega ao nó X Assim os diodos D3 e D4 estão em condução e os diodos D1 e D2 em corte Para Ambos os Ciclos é importante observar que o sentido da corrente que passa pela carga é sempre o mesmo SEDRA SMITH 2015 Em conclusão o circuito retificador de onda completa deixa passar as tensões positivas e inverte a polaridade das tensões negativas Figura 33 à direita Figura 33 Retificador de onda completa Esquerda circuito ponte de diodos e resistor na carga direita plotagem dos sinais de entrada cor verde e de saída cor azul Fonte Elaborada pelo autor 2021 65 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA PRATICAR Considerem o retificador de onda completa da Figura 33 Estudamos que o sinal alternado possui uma tensão pico VIp 12V e carga de R 3 KΩ Calcule a componente DC da saída VOdc Solução Da Figura 33 direita note que a saída é igual à entrada desde 0 t T2 e igual à entrada com troca de sinal multiplicada por 1 desde T2 t T Então o valor DC da saída pode ser calculado como segue 2 0 2 2 1 sin 2 sin 2 t T t T p O dc p p t t T V V V t T dt V t T dt T π π π 13 Utilizando os dados do exercício é possível calcularmos o valor DC da tensão de saída como VOdc 2VOpπ 24Vπ 764 V Sintamse à vontade para comprovar o valor da integral que estamos colocando aqui O valor médio de um retificador de onda completa é o dobro do retificador de meia onda aproveitando a potência do sinal no período total 24 APLICAÇÕES COM DIODOS Neste item apresentaremos algumas aplicações interessantes que podem ser realizadas com o diodo comercial 1N4148 conversor ACDC diodo zener como regulador de tensão e circuito ceifador 66 ELETRÔNICA ANALÓGICA 241 Conversor ACDC Os retificadores de meia onda e de onda completa apenas são uma parte dos conversores ACDC A Figura 34 mostra os próximos estágios que serão estudados o filtro capacitivo e o regulador de tensão Figura 34 Processo de conversão ACDC sinal alternado retificador de onda completa filtro capacitivo regulador de tensão sinal DC Fonte Elaborada pelo autor 2021 Na seção anterior conseguimos retificar completamente um sinal alternado isto é para ciclos positivos e negativos Desta maneira podemos aproveitar a potência total do sinal No entanto o sinal de saída da Figura 33 volta para 0V durante intervalos curtos de tempo e de forma periódica sinal tipo pente Visando obter uma simulação mais próxima da realidade diodos comerciais foram utilizados Figura 35 Para evitar que o sinal volte a zero um capacitor foi colocado em paralelo com a carga mantendo os picos positivos O capacitor carregará a tensão da carga e a depender do valor da capacitância não permitirá muita perda na carga Este tipo de circuito é chamado de filtro capacitivo A saída resultante é plotada na Figura 35 direita Note que o sinal obtido de cor azul é muito mais próximo de uma tensão DC 67 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 35 Retificador de onda completa com filtro capacitivo Esquerda circuito ponte de diodos capacitor e carga direita plotagem dos sinais de entrada cor verde e de saída cor azul Fonte Elaborada pelo autor 2021 Na Figura 35 observase que a tensão de saída possui um comportamento de tipo oscilatório o qual é indesejável Por isso é interessante regular essa tensão para que ela seja o mais plano possível Existem maneiras de fazêlo utilizando bancos de capacitores ou reguladores de tensão A vantagem de usar reguladores é que há circuitos integrados os quais fazem esta tarefa como por exemplo o LT1086 Na Figura 36 vemos o circuito resultante e os sinais de entrada e de saída Parabéns Conseguimos construir uma aplicação simples e muito útil na engenharia elétrica Os conversores ACDC podem ser usados em carregadores de baterias de smartphone laptop e de muitos aparelhos eletrônicos 68 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 36 Retificador de onda completa filtro e regulador de tensão Acima circuito ponte de diodos capacitor e regulador de tensão LT1086 abaixo plotagem dos sinais de entrada cor verde e de saída cor azul Fonte Elaborada pelo autor 2021 SAIBA MAIS Leitura da folha técnica do LT1086 Leia a folha técnica de dados do regulador de tensão LT1086 Estude o seu funcionamento e projete os valores dos resistores e capacitores para regular uma tensão de 33 V na saída 69 ELETRÔNICA ANALÓGICA 242 Diodo Zener como Regulador de Tensão O diodo Zener é um tipo de diodo que possui uma característica interessante uma vez que opera na região de ruptura Podemos nos perguntar trabalharmos nesta região poderá trazer algum tipo de aplicação A resposta é sim Na curva característica de um diodo comum durante a região de ruptura a relação IV no diodo é quase uma reta vertical Isso quer dizer que é possível conduzirmos grandes quantidades de corrente no sentido reverso quase sem variar a tensão no diodo Dentre as aplicações que aproveitam esta característica temos o regulador de tensão BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 A Figura 37 exemplifica o circuito do regulador de tensão baseado no diodo zener 1N750 o qual regula uma tensão de 47V na saída Figura 37 Circuito regulador de tensão usando diodo zener 1N750 Fonte Elaborada pelo autor 2021 70 ELETRÔNICA ANALÓGICA SAIBA MAIS Vocês podem utilizar os arquivos de simulação em LTSpice que estou dispo nibilizando nos anexos deste caderno de estudos Se tirarmos o diodo zener do circuito a tensão de saída será de 975V Então como o diodo Zener consegue regular 47V Simples o diodo zener está operando na zona de ruptura Haja vista que o diodo atinge a tensão de 47V ele não precisará aumentar mais a tensão pois ele é capaz de conduzir altas correntes nesta região 243 Circuitos Ceifadores Em muitos sistemas existe a necessidade de alterar a tensão média DC de um circuito para acoplálo a estágios posteriores BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 A Figura 38 representa um circuito ceifador O sinal de entrada é um sinal quadrado que alterna entre 6V e 4V Este sinal pode ser alterado para alternar entre 0 e 10V sendo apenas uma modificação do valor médio valor DC Na Figura 38 direita o objetivo foi atingido Figura 38 Aplicação do circuito ceifador Esquerda circuito ceifador baseado no diodo capacitor e resistor carga direita plotagem dos sinais de entrada cor verde e de saída cor azul Fonte Elaborada pelo autor 2021 71 ELETRÔNICA ANALÓGICA Entendamos qual é o processo passo a passo Para V1 6V o diodo terá mais tensão no ânodo do que no cátodo entrando em condução diodo fechado o qual provocará que o capacitor carregue a tensão da entrada sem efeito na carga Na Figura 38 esquerda foi adotada uma convenção para VC Então o capacitor carregará VC 6V e a tensão na carga será de Vo 0V Para V1 4V o diodo terá menos tensão no ânodo do que no cátodo entrando em corte diodo aberto A soma da tensão de entrada V1 4V com a tensão no capacitor VC 6V terá como resultado uma tensão na carga de Vo 10V 72 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA SINTETIZAR A Unidade 2 tinha como objetivo estudar o diodo Apresentouse uma introdução permitindonos fazer uma ligação dos níveis químico físico e elétrico que compõem a análise do diodo o qual é um semicondutor Entendendo isso foi possível estudar a curva característica correntetensão do diodo as regiões de operação e alguns modelos elétricos que facilitam a sua análise Foram analisados ainda circuitos com diodos em tensão contínua e alternada e na sequência algumas aplicações tais como o conversor ACDC O conversor ACDC envolve retificador de onda completa filtro capacitivo e o regulador de tensão A segunda unidade propôs uma lista de exercícios que visa reforçar o aprendizado e o cumprimento dos objetivos Ao longo das próximas unidades estudaremos outros dispositivos semicondutores chamados de transistores os quais são baseados no funcionamento do diodo 73 ELETRÔNICA ANALÓGICA GLOSSÁRIO Corrente de Deriva é a corrente gerada pela movimentação de elétrons livres e lacunas devido aos efeitos da temperatura Corrente de Difusão é a corrente gerada pela movimentação de elétrons livres e lacunas devido à dopagem do material semicondutor Corrente de Escala IS é a corrente no diodo quando a tensão é menor do que a tensão de barreira À temperatura ambiente IS 1015 A Material Semicondutor é um componente que possui características isolantes e condutoras a depender do modo de operação Região de Depleção é a região onde há uma queda de carga em ambos os materiais p e n Isto acontece na região da junção pn Tensão Termal VT à temperatura ambiente considerase VT 25mV 74 ELETRÔNICA ANALÓGICA EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 01 Considere os circuitos da Figura 39 esquerda e direita Calcule a corrente em cada circuito e as tensões X e Y Considere Vcc 3V e diodos D1 e D2 ideais Figura 39 Circuitos diodo resistor esquerda e direita Fonte Elaborada pelo autor 2021 a ID1 3mA e VX 0V ID2 0A e VY 3V b ID1 0A e VX 3V ID2 1mA e VY 3V c ID1 1mA e VX 1V ID2 0A e VY 1V d ID1 0A e VX 07V ID2 3mA e VY 1V e ID1 1mA e VX 0V ID2 0A e VY 3V 02 Considere o sinal alternado dado por vit 220 senω0t V Assinale a alternativa que mostra qual é a tensão DC do sinal vit a 220V b 0V c 1102V 75 ELETRÔNICA ANALÓGICA d 2202V e 2V 03 Considere o sinal alternado dado por vit 5 senω0t V o qual é o sinal de entrada de um circuito retificador de meia onda Assinale a alternativa que mostra corretamente a tensão DC do sinal de saída do retificador a 25 V b 0 V c 25π V d π V e 5π V 76 ELETRÔNICA ANALÓGICA REFERÊNCIAS ANALOG DEVICES Folha técnica de dados do regulador de tensão LT1086 Disponível em httpswwwanalogcommediaentechnicaldocumentationdatasheets1086ffs pdf Acesso em 10 out 2021 BOYLESTAD R NASHESKY L Electronic devices and circuit theory 11 ed New Jersey Pearson Education 2013 FREITAS M A MENDONÇA R G Eletrônica básica Curitiba Editora de Livro Técnico 2010 MALVINO A P BATES D J Eletrônica V 1 7 ed São Paulo Makron 2007 SEDRA A SMITH K Microelectronic circuits 7 ed New York Oxford University Press 2015 WIDMER N MOSS G TOCCI D Digital systems principles and applications 12 Ed Pearson 2018 78 ELETRÔNICA ANALÓGICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Estudar as curvas características dos transistores TBJ Compreender as regiões de operação dos transistores TBJ Analisar circuitos em tensão contínua DC usando transistor TBJ Entender o Efeito Early em transistores TBJ INTRODUÇÃO À UNIDADE Na Unidade 3 aprenderemos os conceitos teóricos e práticos que envolvem o Transistor Bipolar de Junção TBJ bem como a importância do seu estudo como bloco de conhecimento e suas aplicações na Engenharia Elétrica Na sequência a unidade abordará o princípio de funcionamento do TBJ e suas três regiões de operação corte ativa e saturação Estas regiões definem quando o transistor TBJ atua como um amplificador de tensão analógico e quando atua como chave digital A terceira unidade também propõe uma atividade de laboratório desenvolvida junto ao tutor que permitirá ao acadêmico a aplicação dos conceitos aprendidos Adicionalmente o software LTSpice da Analog Devices3 possui componentes que simulam um transistor TBJ Você pode criar ainda seu próprio modelo de transistor TBJ com características específicas Explore as ferramentas que possuem o LTSpice tais como análise em Corrente Contínua DC em Corrente Alternada AC análise em frequência varredura de parâmetros etc 79 ELETRÔNICA ANALÓGICA 31 ESTRUTURA FÍSICA E OPERAÇÃO O transistor TBJ Bipolar Junction Transistor Transistor Bipolar de Junção é um dispositivo semicondutor igual ao diodo visto na Unidade 2 utilizado para aplicações de baixa potência isto é baixa corrente O TBJ é usado no projeto de circuitos digitais como portas lógicas OR AND NOT NAND NOR XOR etc Além disso ele é empregado em projetos de amplificadores de pequenos sinais SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 FÓRUM Pesquise sobre alguma aplicação do transistor TBJ e faça uma descrição geral do seu funcionamento máximo de cinco linhas Como foi comentado nas unidades anteriores o transistor é um dispositivo de transição entre o mundo analógico e digital No mundo analógico é considerado um amplificador de tensão ou de corrente enquanto no mundo digital pode ser entendido como um interruptor que possui dois estados aberto e fechado similar ao diodo SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 311 Estrutura Física O transistor TBJ é um dispositivo que possui três terminais base B coletor C e emissor E Cada terminal está conectado a um material semicondutor de tipo p ou n 80 ELETRÔNICA ANALÓGICA Neste sentido existem dois tipos de transistores TBJ transistor npn e pnp Figuras 40 e 41 os quais diferem apenas no sentido das correntes SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Visando analisar as formas de operação do transistor TBJ mostram se as tensões em cada terminal na base VB coletor VC e emissor VE nas correntes na base IB coletor IC e emissor IE No caso do transistor npn utilizaremos o transistor comercial 2N3904 Figura 40 esquerda Note que o emissor e o coletor estão ligados aos materiais de tipo n enquanto a base está no material tipo p Figura 40 meio O símbolo elétrico do transistor TBJ de tipo npn Figura 40 direita possui no terminal do emissor uma flecha que aponta para fora indicando o sentido da corrente IE Figura 40 Transistor npn Esquerda dispositivo físico meio materiais semicondutores e terminais direita símbolo elétrico do transistor npn Fonte Elaborada pelo autor 2021 No caso do transistor pnp utilizaremos o transistor comercial 2N3906 Figura 41 esquerda Note que o emissor e o coletor estão ligados aos materiais de tipo p e a base no material tipo n Figura 41 meio O símbolo elétrico do transistor TBJ de tipo pnp Figura 41 direita possui no terminal do emissor uma flecha que aponta para dentro indicando o sentido da corrente IE 81 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 41 Transistor pnp Esquerda dispositivo físico meio materiais semicondutores e terminais direita símbolo elétrico do transistor pnp Fonte Elaborada pelo autor 2021 312 Modos de Operação Como foi explicado anteriormente o transistor trabalha de forma analógica ou digital Este comportamento é determinado pelo seu modo de operação Na Figura 40 notamos que o transistor TBJ é composto de duas junções pn A primeira se encontra entre a base e o emissor e a segunda entre a base e o coletor Então de acordo com a forma de operação das junções polarização direta ou reversa o transistor TBJ atua em um modo determinado tal como descrito no Quadro 1 SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Quadro 1 Modos de operação do transistor TBJ MODO JUNÇÃO BE JUNÇÃO BC Corte Reversa Reversa Ativa Direta Reversa Saturação Direta Direta Fonte Elaborado pelo autor 2021 82 ELETRÔNICA ANALÓGICA O transistor TBJ possui três modos de operação corte ativa e saturação os quais são explicados a seguir Região de Corte aqui ambas as junções BE e BC estão em polarização reversa circuito aberto A consequência direta é que o transistor também estará em corte Figura 42 esquerda Região Ativa na região ativa a junção BE está em polarização direta e a junção BC em reversa Esta condição fará o transistor trabalhar como um amplificador de corrente Figura 42 meio Região de Saturação nesta região ambas as junções BE e BC estão em polarização direta curto circuito A consequência direta é que os terminais E e C sejam um curto circuito Figura 42 direita Do explicado acima observamos como a comutação das regiões de corte e saturação são utilizadas para representar circuitos digitais aberto e fechado Por outro lado a região ativa faz com que o transistor trabalhe de forma analógica como amplificador de corrente BOYLESTAD NASHELSKY 2013 SEDRA SMITH 2015 A região ativa será explicada em detalhes na próxima seção Figura 42 Modos de operação do transistor TBJ Esquerda corte meio ativa direita saturação Fonte Elaborada pelo autor 2021 83 ELETRÔNICA ANALÓGICA 32 OPERAÇÃO NO MODO ATIVO Como descrito no Quadro 1 quando a junção BE está polarizada diretamente e a junção BC está polarizada reversamente o transistor TBJ opera no modo ativo isto é como amplificador de corrente Aqui entenderemos como se produz esta amplificação e as suas implicações elétricas 321 Amplificador de Corrente Notemos que se a junção BE é polarizada diretamente ela se comporta como um diodo em condução o qual provocará o disparo de corrente usando a relação de crescimento exponencial que depende de VBE No caso do transistor TBJ este disparo também pode ser modelado como a amplificação da corrente que entra pela base IB mensurado no coletor IC C B I β I 14 Em que β é o ganho de corrente possui valores comerciais sendo 50 100 150 200 ou 300 SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Você deve estar se perguntando como faço para saber qual o valor de β de um transistor TBJ npn ou pnp Os multímetros digitais permitem mensurar este valor SUGESTÃO DE VÍDEO Aprenda a medir o valor de β com o multímetro digital O seguinte vídeo mostra como você pode chegar ao resultado A medição é muito importante devido à grande variabilidade deste parâmetro entre transistores Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvUcsjx0D3jcUabchannelnamedid 84 ELETRÔNICA ANALÓGICA As seguintes equações elétricas são válidas para os transistores npn e pnp A corrente no emissor IE representada pela flecha é a soma das correntes da base IB e do coletor IC SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 expresso como E B C I I I 14 Então a corrente no emissor IE pode ser expressa como 1 E B B B I I I I β β 16 Observemos que das equações descritas acima é possível estabelecer uma relação entre a corrente no coletor IC e a corrente no emissor IE SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 1 C E C C E I I I I I α β β β 17 Assim é possível concluir que a relação encontrada é igual a IC α IE em que α é um valor próximo da unidade Quando β for muito grande i e β então α 1 O transistor TBJ tipo pnp funciona da mesma forma somente com a mudança no sentido das correntes Veja na Figura 41 que a corrente no emissor entra no transistor Neste sentido as correntes da base e do coletor saem do transistor 322 Circuito Equivalente Na Figura 43 mostrase o circuito equivalente do transistor TBJ de tipo npn Na entrada temos a corrente da base IB A tensão VBE pode ser entendida como um diodo 85 ELETRÔNICA ANALÓGICA de tensão constante No coletor há uma fonte dependente da corrente na base expressa como IC β IB Perceba também que a junção BE está polarizada diretamente e a ligação BC está polarizada reversamente circuito aberto SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Figura 43 Circuito equivalente do transistor TBJ de tipo npn no modo ativo Fonte Elaborada pelo autor 2021 De forma similar a Figura 44 exemplifica o circuito equivalente do transistor TBJ de tipo pnp quando trabalha no modo ativo como amplificador de corrente Aqui a junção de EB e CB está em polarização direta e reversa respectivamente SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Figura 44 Circuito equivalente do transistor TBJ de tipo pnp no modo ativo Fonte Elaborada pelo autor 2021 86 ELETRÔNICA ANALÓGICA 33 CARACTERÍSTICAS CORRENTETENSÃO Na Unidade 2 estudamos a importância das curvas características correntetensão as quais permitem avaliar o comportamento do dispositivo De forma similar ao diodo os modos de operação do transistor TBJ estão governados pelas curvas características correntetensão entre os terminais base coletor e emissor 331 Curva Característica A Figura 45 acima mostra um transistor npn comercial o 2N3904 Lembrese de que o transistor TBJ é composto por duas junções pn entre os terminais BE e BC A junção BE pode ser polarizada aplicando uma tensão VBE Se VBE é menor do que a tensão de barreira a junção BE fica reversamente polarizada e o transistor seria um circuito aberto corte se VBE é maior que a tensão de barreira a corrente dispara no coletor Figura 45 abaixoesquerda parecido com o funcionamento de um diodo SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Por outro lado uma tensão externa VCE poderá ser colocada visando polarizar de forma direta ou reversa a segunda junção pn Quando VCE é pequeno a junção pn em BC fica diretamente polarizada pois VC é menor do que VB O fato de ter as duas junções polarizadas diretamente faz com que o transistor se comporte como um curtocircuito um fio Este modo de operação do transistor é chamado de saturação Por outro lado quando VCE é grande o suficiente a junção BC fica reversamente polarizada Esta combinação de polarização faz com que o transistor se comporte como um amplificador Este modo de operação é chamado de ativo SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 A Figura 45 abaixodireita mostra a curva característica IC vs VCE para diferentes valores de VBE Note a alta dependência de VBE no disparo de corrente no coletor do transistor TBJ 87 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 45 Acima circuito de polarização do transistor TBJ usando o 2N3904 abaixoesquerda curva característica IC vs VBE abaixodireita curva característica IC vs VCE para diferentes VBE Fonte Elaborada pelo autor 2021 332 Efeito Early Quando a curva característica IC vs VCE da Figura 45 abaixodireita atinge o modo ativo a corrente deveria ficar estagnada em um valor constante No entanto ela se torna uma reta de baixa inclinação Isso acontece porque a tensão de polarização reversa na junção BC é intensificada quando a tensão VCE aumenta provocando a ampliação da região de depleção mediante a modulação da largura da base O efeito da reta inclinada observada é chamado de Efeito Early SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 No modelo equivalente da Figura 44 poderá ser inserido um resistor ro na saída 88 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 46 o qual indica que existe uma relação linear observado como uma reta entre a corrente no coletor IC e a tensão VCE Figura 45 abaixodireita Figura 46 Circuito equivalente do transistor TBJ de tipo pnp no modo ativo considerando o efeito Early modelado como um resistor na saída ro Fonte Elaborada pelo autor 2021 FÓRUM Discuta com os seus colegas qual deve ser o valor de ro do modelo equivalen te da Figura 46 para que não exista Efeito Early 34 CIRCUITOS COM TBJ EM TENSÃO CONTÍNUA DC Aprendemos como trabalha o transistor TBJ principalmente no modo ativo quando se comporta como um amplificador de corrente Este tópico é dedicado à resolução de exercícios que envolvem transistores TBJ No final de cada atividade resolvida propõese um exercício similar para que você possa praticar o que foi aprendido 89 ELETRÔNICA ANALÓGICA NA PRÁTICA Exercício 1 Considere o circuito da Figura 47 o qual possui uma tensão VCC 12V VBE 07V Se β 100 Calcule as correntes IE IB IC e a tensão VC Figura 47 Circuito do primeiro exercício Fonte Elaborada pelo autor 2021 Como a tensão VBE 07V a junção baseemissor está em condução Sabese então que o transistor não está em corte veja o Quadro 1 Sendo a tensão na base VB0V e VE 07V o próximo passo é calcular a corrente no emissor 2 07 12 282 4 E CC E V V V V I mA R K Ω 18 Na sequência calculase a corrente na base IB utilizando a corrente no emissor IE encontra da previamente O cálculo pode ser feito usando o ganho de amplificação de corrente β 100 através da seguinte expressão 282 2797 1 101 E B I mA I µA β 19 90 ELETRÔNICA ANALÓGICA Logo aplicase a lei de correntes no transistor em que a corrente no emissor é a soma das correntes da base e coletor isto é IE IB IC A substituição dos valores obtidos resulta na corrente de coletor IC 280mA Finalmente calculase a tensão no coletor VC através da Lei de Ohm por meio da expressão 1 12 2 280 64 C CC C V V R I V K mA V Ω 20 Do descrito acima note que o transistor TBJ opera na região ativa por conta das junções BE e BC as quais operam na polarização direta e reversa respectivamente Agora é com você refaça o Exercício 1 considerando VCC 10V VBE 07V β 75 R1 3KΩ R2 6KΩ Calcule as correntes IE IB IC e a tensão VC No próximo exercício trabalharemos com o transistor pnp Fique tranquilo pois as leis elétri cas são mantidas Apenas mudará o sentido das correntes ou seja a corrente do emissor IE que entra no terminal a qual é dividida nas correntes IB e IC que saem pela base e coletor respectiva mente Vamos lá Exercício 2 Considere o circuito da Figura 48 o qual possui uma tensão VCC 127V e VEB 07V Se β é muito alto calcule IE IC e VC Figura 48 Circuito do Exercício 2 Fonte Elaborada pelo autor 2021 91 ELETRÔNICA ANALÓGICA Como a tensão VEB 07V a junção emissorbase que é uma junção pn está em condução Então o transistor não está em corte veja o Quadro 1 Uma vez que a tensão na base é VB 0V e que VE 07V o próximo passo é calcular IE como 1 127 07 1 10 CC E E V V V V I mA R K Ω 21 Agora devese obter a corrente na base IB a partir da corrente no emissor IE calculada utilizandose o ganho de amplificação da corrente β A informação do exercício é apenas de que o valor de β é alto Este tipo de enunciado deverá trazer o entendimento de que a corrente da base é desprezível em comparação à corrente do coletor Vamos descrever a relação entre a corrente do emissor IE e do coletor IC como 1 C E E I I I β β 22 Para β alto a relação ββ1 é aproximadamente 1 Neste sentido a corrente no coletor também será IC 1mA Finalmente calculase a tensão no coletor VC através da Lei de Ohm usando a expressão 1 127 10 1 27 CC C V R I V K mA V Ω 23 Do descrito acima observamos que o transistor TBJ opera na região ativa devido às junções EB e CB as quais operam na polarização direta e reversa respectivamente Agora é com você refaça o exercício 2 considerando VCC 15V VEB 07V β muito alto R1 R2 143KΩ Calcule IE IC e VC 92 ELETRÔNICA ANALÓGICA Até aqui resolvemos os exercícios com transistor npn e pnp Vimos que na região ativa estes circuitos aumentam a corrente de entrada Então é possível usa los em aplicações tais como amplificadores de som de sinal biomédico etc Circuitos amplificadores baseados em transistores são comumente projetados com mais de um estágio de amplificação 35 RUPTURA DO TRANSISTOR E EFEITO DA TEMPERATURA Esta seção visa explicar brevemente dois efeitos não ideais em transistores O primeiro deles é a ruptura Lembrase da tensão de ruptura no diodo As máximas tensões reversas que podem ser aplicados no transistor TBJ estão limitadas pelas tensões de ruptura nas junções BE e BC É importante relembrar que a ruptura do transistor não é destrutiva desde que a dissipação de energia do transistor seja mantida dentro de limites seguros SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Ao longo da unidade temos considerado que o ganho de corrente β é fixo mas o transistor possui duas junções pn Portanto elas elevam a condução de corrente à medida que a temperatura aumenta SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Com o intuito de visualizar este efeito a Figura 49 demonstra a corrente do coletor IC Para T1 0C T2 27C e T3 50C 93 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 49 Curva característica IC vs VBE no transistor 2N3904 para três temperaturas diferentes T1 0C cor verde T2 27C cor azul T3 50C cor vermelha Fonte Elaborada pelo autor 2021 94 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA SINTETIZAR A Unidade 3 tinha como principal objetivo estudar o transistor TBJ npn e pnp Assim foram analisadas as curvas características que definem os seus três modos de operação corte saturação e ativa Esses modos de operação configuram o transistor TBJ como um interruptor aberto ou fechado nos modos de corte e saturação ou como um amplificador de corrente no modo ativo No modo ativo vimos as leis elétricas que produzem amplificação de corrente e resolvemos exercícios que envolvem transistores neste modo de operação 95 ELETRÔNICA ANALÓGICA GLOSSÁRIO Efeito Early este efeito é a relação linear entre a corrente no coletor e a tensão na junção BC devido à modulação da base a qual é provocada pelo aumento da tensão de polarização reversa Região de Corte a corrente na saída coletor é um circuito aberto IC 0A Nesta região as junções BE e BC operam em polarização reversa Região Ativa o transistor opera como amplificador de corrente e a corrente de saída IC é uma amplificação da corrente de entrada IB Nesta região as junções BE e BC operam em polarização direta e reversa respectivamente Região de Saturação a tensão de saída coletoremissor é um curtocircuito VCE 0V Nesta região as junções BE e BC operam em polarização direta 96 ELETRÔNICA ANALÓGICA EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 01 Um transistor TBJ de tipo npn possui duas junções pn na baseemissor BE e na basecoletor BC Diante deste contexto assinale a alternativa que define de forma correta qual o modo de operação das junções BE e BC na região ativa a BE ruptura BC reversa b BE reversa BC reversa c BE direta BC ruptura d BE direta BC direta e BE direta BC reversa 02 O transistor TBJ pode ser configurado para trabalhar como amplificador de corrente ou como chave aberta ou fechada dependendo da região de operação do dispositivo Diante deste contexto assinale a alternativa que define corretamente a região na qual o transistor TBJ trabalha como amplificador de corrente a Tríodo b Saturação c Corte d Ativa e Ruptura 03 O transistor TBJ opera como amplificador de corrente quando suas junções pn são polarizadas de uma forma determinada Considere um transistor TBJ de tipo npn que opera como amplificador com corrente na base IB 100μA Se o ganho de corrente é β 100 assinale a alternativa que mostra os valores das correntes IC e IE a IC 10mA e IE 101mA b IC 100μA e IE 200μA 97 ELETRÔNICA ANALÓGICA c IC 100μA e IE 1001mA d IC 1mA e IE 101mA e IC 0A e IE 0A 98 ELETRÔNICA ANALÓGICA REFERÊNCIAS BOYLESTAD R NASHESKY L Electronic devices and circuit theory 11 ed New Jersey Pearson Education 2013 FREITAS M A MENDONÇA R G Eletrônica básica Curitiba Editora de Livro Técnico 2010 MALVINO A P BATES D J Eletrônica V 1 7 ed São Paulo Makron 2007 ONSEMI Folha técnica de dados do transistor npn 2N3904 Disponível em https wwwonsemicompdfdatasheet2n3903dpdf Acesso em 10 out de 2021 ONSEMI Folha técnica de dados do transistor pnp 2N3906 Disponível em https wwwonsemicompdfdatasheet2n3906dpdf Acesso em 10 out de 2021 SEDRA A SMITH K Microelectronic circuits 7 ed New York Oxford University Press 2015 UNIDADE4 TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO 100 ELETRÔNICA ANALÓGICA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Estudar as curvas características dos transistores MOSFET Entender as regiões de operação dos transistores MOSFET Analisar circuitos em Tensão Contínua DC usando transistor MOSFET Compreender o Efeito Early em transistores MOSFET INTRODUÇÃO À UNIDADE Esta unidade apresenta os conceitos teóricos e práticos relacionados ao Transistor de Efeito De Campo MOSFET Entenderemos a importância do seu estudo como bloco de conhecimento além de suas aplicações Na sequência abordaremos as definições que explicam o princípio de funcionamento e suas três regiões de operação corte tríodo e saturação Estas regiões definem quando o transistor MOSFET atua como um amplificador de tensão analógico e quando atua como chave digital O acadêmico será capaz de analisar circuitos que envolvem transistores MOSFET através da solução de exercícios A unidade 4 propõe uma atividade de laboratório que será desenvolvida junto com o tutor permitindo ao acadêmico aplicar os conceitos aprendidos Finalmente desenvolveremos alguns exercícios que visam avaliar o aprendizado do aluno e o cumprimento dos objetivos da unidade 101 ELETRÔNICA ANALÓGICA 41 ESTRUTURA FÍSICA E OPERAÇÃO O transistor MOSFET MetalOxideSemicondutor Field effect Transistor Transistor de Efeito de Campo MetalÓxido Semicondutor é também um dispositivo semicondutor igual ao diodo e ao transistor TBJ estudados nas Unidades 2 e 3 respectivamente Porém o MOSFET é utilizado para aplicações de alta potência alta corrente Por exemplo é muito usado no projeto de conversores DCDC tais como conversor abaixador buck converter elevador boost converter e híbridos Outra aplicação importante é no projeto de drivers circuitos de controle de motores DC SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 FÓRUM Pesquise sobre alguma aplicação do transistor MOSFET e faça uma descrição geral do seu funcionamento máximo de cinco linhas Da mesma forma que o transistor TBJ o MOSFET opera como um amplificador de tensão ou de corrente analógico ou como um interruptor aberto ou fechado digital SEDRA SMITH 2015 411 Estrutura Física O transistor MOSFET possui três terminais porta G de Gate fonte S de Source 102 ELETRÔNICA ANALÓGICA e dreno D de Drain Existe um quarto pino chamado de substrato B referente a Body que é ligado ao material do substrato canal do dispositivo de tipo n ou p Neste sentido existem dois tipos de transistores MOSFET de canal p ou NMOS e de canal n ou PMOS Figuras 50 e 51 os quais diferem apenas no sentido das correntes SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Visando analisar as formas de operação do MOSFET denotamse as tensões na porta VG dreno VD e fonte VS e as correntes na porta IG dreno ID e fonte IS Em relação às leis elétricas que governam o transistor MOSFET a corrente que passa pela porta G é sempre zero isto é IG 0A Em consequência aplicando a lei de correntes temse que as correntes na fonte e dreno são iguais isto é ID IS SEDRA SMITH 2015 A Figura 50 esquerda mostra a estrutura do transistor NMOS A fonte e o dreno estão ligados aos materiais de tipo n e a porta no material tipo p Figura 50 meio O símbolo elétrico do NMOS Figura 50 direita possui no terminal da fonte uma flecha que aponta para fora indicando o sentido da corrente IS Figura 50 Transistor MOSFET de canal n NMOS Esquerda dispositivo NMOS comercial e terminais meio estrutura física do transistor NMOS e direita símbolo elétrico do transistor NMOS Fonte Elaborada pelo autor 2021 A Figura 51 esquerda apresenta a estrutura do transistor PMOS Observamos que desta vez a fonte e o dreno estão ligados em materiais tipo p e a porta no material tipo n Figura 51 meio O símbolo elétrico Figura 51 direita possui no terminal da fonte uma flecha que aponta para dentro indicando o sentido da corrente IS 103 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 51 Transistor MOSFET de canal p PMOS Esquerda Dispositivo PMOS comercial e terminais meio estrutura física do transistor PMOS e direita símbolo elétrico do transistor PMOS Fonte Elaborada pelo autor 2021 O transistor MOSFET é considerado um amplificador de transcondutância isto é a entrada é uma fonte de tensão e a saída é uma corrente A proporção desta conversão é dada pelos parâmetros do dispositivo em que se destacam largura W e comprimento L do MOSFET em μm e o parâmetro de transcondutância Kn dado em amperes por volts ao quadrado AV2 Para compreender a transcondutância é necessário relembrar a Lei de Ohm resistência R é a divisão entre tensão V e a corrente I que passa pelo resistor sendo a transcondutância a relação contrária a relação IV A transcondutância é o oposto da resistência Se uma alta resistência conduz baixas correntes então uma alta transcondutância conduz altas correntes 412 MODOS DE OPERAÇÃO O transistor MOSFET também é capaz de operar de forma analógica e digital Este comportamento é determinado pelo modo de operação do transistor Na Figura 50 é possível perceber que o transistor MOSFET é composto de duas junções pn A primeira se encontra entre a porta e a fonte e a segunda entre a porta e o dreno Então de acordo com a forma de operação das junções polarização direta ou reversa o transistor MOSFET atua em um modo determinado tal como descrito no Quadro 1 SEDRA SMITH 2015 104 ELETRÔNICA ANALÓGICA BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Quadro 1 Modos de Operação do Transistor MOSFET MODO JUNÇÃO GS JUNÇÃO GD Corte Reversa Triodo Direta Direta Saturação Direta Reversa Fonte Elaborado pelo autor 2021 O transistor MOSFET possui três modos de operação corte tríodo e saturação que são explicados a seguir Região de Corte analisase a junção GS Se a tensão VGS não ultrapassa a tensão limiar Vtn está polarizada reversamente fazendo com que todas as correntes sejam zero ID IS 0A De outro lado se uma sobretensão VOV dada por VOV VGS Vtn é maior que 0V então a junção GS está polarizada diretamente Nesta condição fazse necessário analisar a tensão VDS para determinar se o transistor trabalha na região de tríodo ou de saturação Região de Tríodo o transistor NMOS opera na região de tríodo quando a tensão entre o dreno e a fonte é menor do que a sobretensão entre a porta e fonte ou seja VDS VOV Nesta região a corrente no dreno depende tanto da sobretensão VOV quanto de VDS Região de Saturação o transistor NMOS opera na região de saturação quando VDS VOV Aqui a corrente no dreno depende apenas da sobretensão VOV Esta região trabalha como um amplificador analógico de transcondutância entrada de tensão e saída de corrente Do exposto acima a região de saturação faz com que o transistor trabalhe como um amplificador de transcondutância sem distorção BOYLESTAD NASHELSKY 2013 105 ELETRÔNICA ANALÓGICA SEDRA SMITH 2015 Além disso as regiões de corte e saturação também são usadas para representar circuitos digitais aberto e fechado As regiões de tríodo e saturação serão abordadas a seguir para observarmos suas diferenças 42 OPERAÇÃO NO MODO TRÍODO E SATURAÇÃO Como descrito no Quadro 1 quando a tensão VGD é menor que sobretensão Vov a junção pn é diretamente polarizada e o transistor MOSFET trabalha na região de tríodo Caso contrário trabalha na região de saturação A seguir explicamse as implicâncias de trabalhar em cada região 421 Transistor NMOS Inicialmente observase que a corrente no dreno ID é a saída de interesse no MOSFET Devido ao IG 0 temos ID IS Quando o transistor não está em corte isto é VGS Vtn analisase a tensão VDS para determinar se o transistor opera em tríodo ou saturação Sendo VDS VOV a corrente do dreno ou da fonte representada pela flecha Figura 51 pode ser obtida através da seguinte relação não linear SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 2 1 2 D triodo n OV DS DS n OV DS W W I k V V V k V V L L 26 106 ELETRÔNICA ANALÓGICA Compreendemos que em vez de ganho de corrente β como o caso do transistor TBJ aqui no transistor MOSFET temos ganho de transcondutância entrada de tensão e saída de corrente O ganho é dado pelo parâmetro de transcondutância Kn e pela largura W e comprimento L do dispositivo FÓRUM Pesquise sobre algum transistor comercial NMOS e mencione algum estudo ou ficha técnica de dados com valores para Kn W e L Considerando um VDS pequeno temse uma expressão aproximada Por outro lado quando VDS VOV chega um momento em que VDS não influencia mais na corrente de dreno ID a qual é obtida através da seguinte expressão 2 2 1 1 2 2 D saturação n OV n GS tn W W I k V k V V L L 27 É possível relacionarmos as regiões de tríodo e saturação analisando a junção pn que existe entre a porta e o dreno da seguinte forma para entrar na região de tríodo temos que VD VS VG VS Vtn e manipulando a expressão VGD Vtn Isso significa que a junção em GD deve estar polarizada diretamente para entrar em tríodo Por outro lado no modo saturação a junção GD está em polarização reversa SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Na Figura 52 mostrase o circuito equivalente do transistor NMOS na região de saturação Note que a tensão de entrada VGS é sempre um circuito aberto isto é IG 0A Na região de saturação temse que VGS Vtn e que VDS VOV sendo VOV VGS Vtn A corrente no dreno é uma fonte dependente do quadrado da sobretensão de entrada e de 107 ELETRÔNICA ANALÓGICA uma constante a qual é dada pelo parâmetro de transcondutância e pelas dimensões do transistor SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Figura 52 Circuito equivalente do transistor NMOS operando na região de saturação Fonte Elaborada pelo autor 2021 422 Transistor PMOS Em comparação ao transistor NMOS no caso do transistor PMOS algumas diferenças são consideradas a O parâmetro de transcondutância é Kp b As junções pn estão invertidas então as novas tensões serão VSG e VSD c Devido a esta inversão a tensão de barreira Vtp possui valor negativo Nesse sentido será adotado o operador módulo a fim de se evitar confusão de sinais nas tensões constantes Vtp e VOV SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Quando o transistor não está em corte ou seja VSG Vtp analisase a tensão VSD para determinar se o transistor opera em tríodo ou saturação Quando VSD VOV em que VOV VSG Vtp então a corrente do dreno ou da fonte representada pela flecha Figura 53 pode ser obtida através da seguinte relação não linear SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 2 1 2 D triodo p OV SD SD p OV SD W W I k V V V k V V L L 28 108 ELETRÔNICA ANALÓGICA Novamente observase que considerando VSD pequeno temse uma expressão aproximada Por outro lado quando VSD VOV a corrente de dreno ID pode ser obtida através da expressão 29 Vemos que aqui o operador módulo no VOV pode ser dispensado devido à operação quadrática Então temse 2 2 1 1 2 2 D saturação p OV p SG tp W W I k V k V V L L 29 É possível relacionarmos as regiões de tríodo e saturação analisando a junção pn que existe entre a dreno e a porta da seguinte forma para entrar na região de tríodo temos que VS VD VS VG Vtp e manipulando a expressão VDG Vtp Isso significa que a junção em DG deve estar polarizada diretamente para entrar em tríodo Por outro lado no modo saturação a junção DG está em polarização reversa SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Na Figura 53 mostrase o circuito equivalente do transistor PMOS na região de saturação Note que a tensão de entrada VSG é sempre um circuito aberto isto é IG 0A Na região de saturação temos VSG Vtp e VSD VOV em que VOV VSG Vtp Notase também que a corrente no dreno é dependente do quadrado da sobretensão de entrada do parâmetro de transcondutância e das dimensões do transistor SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Figura 53 Circuito equivalente do transistor PMOS operando na região de saturação Fonte Elaborada pelo autor 2021 109 ELETRÔNICA ANALÓGICA 43 CARACTERÍSTICAS CORRENTETENSÃO De forma similar ao diodo estudado na Unidade 2 e ao transistor TBJ os modos de operação do transistor MOSFET estão relacionados às características correntetensão nos terminais porta dreno e fonte 431 Curva Característica A Figura 54 acima mostra o transistor NMOS comercial o IRF7413 Não esqueça que o transistor NMOS é composto de duas junções pn entre os terminais GS e GD A junção GS pode ser polarizada aplicando uma tensão VGS Se VGS é menor do que a tensão de barreira a junção GS fica reversamente polarizada e o transistor seria um circuito aberto corte Se VGS é maior do que a tensão de barreira a corrente dispara no dreno Figura 54 abaixoesquerda semelhante ao funcionamento de um diodo SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Por outro lado uma tensão externa VDS poderá ser colocada visando polarizar de forma direta ou reversa a segunda junção pn Quando VDS é pequeno provoca uma relação quase linear entre a corrente ID e VDS Figura 54 abaixodireita Por outro lado sendo VDS maior do que VOV a junção GD é polarizada de forma reversa Tal combinação faz com que o transistor se comporte como um amplificador de transcondutância sem distorção Este modo de operação é chamado de saturação SEDRA SMITH 2015 Na Figura 54 abaixo direita mostramse diferentes curvas ID vs VDS para diferentes tensões VGS observando sua forte dependência 110 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 54 Acima circuito de polarização do transistor NMOS usando IRF7413 abaixoesquerda curva característica ID vs VGS abaixodireita curva característica ID vs VDS para diferentes VGS Fonte Elaborada pelo autor 2021 432 Efeito Early Quando a curva característica ID vs VDS da Figura 54 abaixodireita atinge o modo de saturação a corrente deveria ficar estagnada em um valor constante No entanto ela se torna uma reta de baixa inclinação pois quando a tensão VDS aumenta elevase a tensão de polarização reversa na junção GD provocando o aumento da região de depleção mediante a modulação do canal do substrato O efeito da reta inclinada observada é chamado de Efeito Early SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 No modelo equivalente da Figura 52 pode ser inserido um resistor ro na saída Figura 55 o qual indica que existe uma relação linear observado como uma reta entre a corrente no dreno ID e a tensão VDS Figura 45 abaixodireita 111 ELETRÔNICA ANALÓGICA Figura 55 Circuito equivalente do transistor NMOS no modo saturação considerando o Efeito Early modelado como um resistor na saída ro Fonte Elaborada pelo autor 2021 NA PRÁTICA Faça uma discussão com seus colegas qual deve ser o valor de ro do modelo equivalente da Figura 55 para que a inclinação da reta na curva característica devido ao efeito Early seja muito grande 44 CIRCUITOS COM MOSFET EM TENSÃO CONTÍNUA DC Aprendemos como trabalha o transistor MOSFET mesmo no modo de saturação quando se comporta como amplificador de transcondutância Este subitem é dedicado à resolução de exercícios que envolvem o transistor MOSFET 112 ELETRÔNICA ANALÓGICA NA PRÁTICA Exercício 1 Considere o circuito da Figura 56 Se o transistor MOSFET está operando no ponto Q ID 05mA VD 05V projete o valor dos resistores RD e RS Considere os parâmetros VDD 3V VSS VDD Vt 1V μnCox 05mAV2 L 4μm e W 28μm Figura 56 Circuito do Exercício 1 Fonte Elaborada pelo autor 2021 Primeiramente note que o ponto de operação Q ID 05mA VD 05V é o ponto da curva característica ID vs VD no qual trabalha o transistor NMOS No terminal do dreno é possível formular a seguinte equação usando os dados do exercício 3 05 05 DD D D D D V I R V V mA R V 29 Isolando RD na equação acima temos que RD 5KΩ Observamos que o transistor não está em corte pois ID 0A No entanto precisamos saber se este opera em tríodo ou saturação A tensão no dreno é maior do que na porta isto é VGD 0 Então o NMOS está em saturação e a expressão da corrente no dreno ID a qual deve ser usada é a seguinte substituindo os dados do exercício 2 3 2 1 175 10 2 D n ox ov ov W I C V V L µ 30 113 ELETRÔNICA ANALÓGICA Isolando VOV na equação acima temos VOV 053V Além disso a sobretensão é dada por VOV VG VS Vtn Substituindo os valores obtidos temos que VS 153V Assim para projetar o resistor RS aplicase a Lei de Ohm 294 S SS S D V V R K I Ω 31 Finalmente obtemos RS 294 KΩ Tendo em vista o exposto acima note que o transistor MOSFET opera na região de saturação uma vez que as junções GS e GD operam na polarização direta e reversa respectivamente Agora é com você Refaça o primeiro exercício considerando Q ID 04m VD 05V VDD VSS 25V Vt 08V μnCox 100μV2 L 1μm e W 4μm Exercício 2 Considere o circuito da Figura 57 Calcule o valor do resistor R que resulta em VD 12V O transistor NMOS possui Vt 1V μnCox 100 μAV2 L 1μm e W 16 μm Considere VDD 2V Figura 57 Circuito do Exercício 2 Fonte Elaborada pelo autor 2021 Observe que o transistor não está em corte pois a corrente ID passa pelo resistor R devido à diferença de potencial entre VDD e VD Também a porta está em curto circuito com o dreno obtendo VGD 0V indicando que o transistor está em saturação confira a Tabela 3 na seção 114 ELETRÔNICA ANALÓGICA anterior Então utilizase a expressão de ID correspondente a esta região que depende da sobreten são Esta sobretensão VOV é calculada como VGS Vt 12V 1V 02V Substituindo os valores obtidos na expressão da corrente em modo saturação temos 2 1 32 2 D n ox ov W I C V A L µ µ 29 Novamente IS ID Por fim para calcular o valor do resistor R aplicase a Lei de Ohm como segue 2 12 25 32 DD D D D V V V V R K I µA Ω 29 Logo RD 25 KΩ O transistor MOSFET opera na região de saturação devido às junções GS e GD que operam na polarização direta e reversa respectivamente IMPORTANTE A configuração mostrada neste exercício ou seja a ligação do terminal da porta com o terminal do dreno é chamada de transistor conectado como diodo Note que isso equivale a uma única junção pn dada por GS Agora é com você Refaça o Exercício 2 considerando VD 07V Vt 07V μnCox 05mAV2 L 3μm e W 21 μm Considere VDD 25V 115 ELETRÔNICA ANALÓGICA 45 RUPTURA DO TRANSISTOR E EFEITO DA TEMPERATURA Nesta seção explicaremos dois efeitos não ideais em transistores MOSFET sua ruptura e o efeito da temperatura A ruptura do transistor acontece quando as junções GS e GD entram na região de ruptura ver Tabela 3 Aqui devemos ressaltar que este processo não é destrutivo Contudo a dissipação de energia deve ser mantida dentro de limites seguros isto é a corrente no dispositivo SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Ao longo da unidade temos considerado que o ganho de transcondutância do MOSFET é um valor fixo embora as duas junções pn do transistor sejam sensíveis à temperatura denotado nos parâmetros Vt e kn Portanto a condução de corrente aumenta quando se eleva a temperatura SEDRA SMITH 2015 BOYLESTAD NASHELSKY 2013 Visando analisar este efeito a Figura 58 mostra a corrente do dreno ID para T1 0C T2 27C e T3 120C Figura 58 Curva característica ID vs VGS no transistor BSP89 para três temperaturas diferentes T1 0C verde T2 27C azul T3 120C vermelho Fonte Elaborada pelo autor 2021 116 ELETRÔNICA ANALÓGICA PARA SINTETIZAR A quarta e última unidade de nosso estudo teve como objetivo estudar os transistores NMOS e PMOS Foram analisadas as curvas características que definem os seus três modos de operação corte tríodo e saturação Estes modos configuram o transistor como um interruptor aberto ou fechado ou como um amplificador de corrente no modo saturação Dessa forma no modo saturação estudamos as leis elétricas que produzem amplificação de transcondutância com a resolução de exercícios em que o MOSFET operava em saturação 117 ELETRÔNICA ANALÓGICA GLOSSÁRIO Efeito Early este efeito é a relação linear entre a corrente no dreno e a tensão na junção GD devido à modulação do canal do substrato a qual é provocada pelo aumento da tensão de polarização reversa Ganho de Transcondutância é o ganho de um amplificador em amperes por volts de um amplificador que recebe uma tensão de entrada VGS e produz uma corrente amplificada na saída ID Região de Corte a corrente na saída dreno é um circuito aberto ID 0A Nesta região as junções GS e GD operam em polarização reversa Região de Tríodo a corrente de saída no dreno depende fortemente da tensão VDS e em menor medida da sobretensão VOV Isso representa uma relação não linear entre a tensão e a corrente no dispositivo Nesta região ambas as junções GS e GD operam em polarização direta Região de Saturação aa corrente de saída no dreno depende mais do valor da sobretensão VOV do que de VDS ficando estagnada Nesta região as junções GS e GD operam em polarização direta e reversa respectivamente 118 ELETRÔNICA ANALÓGICA EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 01 Um transistor NMOS possui duas junções pn na portafonte GS e na portadreno GD Diante deste contexto assinale a alternativa que descreve qual o modo de operação das junções GS e GD na região de tríodo a GS ruptura GD reversa b GS reversa GD reversa c GS direta GD ruptura d GS direta GD direta e GS direta GD reversa 02 O transistor NMOS pode ser configurado para trabalhar como amplificador de corrente e como chave aberto ou fechado dependendo da região de operação do dispositivo Diante deste contexto assinale a alternativa que descreve a região de operação em que o transistor NMOS trabalha como uma chave fechada a Tríodo b Saturação c Corte d Ativa e Ruptura 03 O transistor MOSFET opera como amplificador de transcondutância isto é uma determinada tensão de entrada gera uma corrente de saída Considere um transistor NMOS que opera em saturação e os parâmetros VGS 37V Vt 07V kn 02 mAV W 4μm L 2μm Assinale a alternativa que mostra o ganho de transcondutância e o valor da corrente no dreno ID a Ganho de transcondutância 2 μAV e ID 18 mA 119 ELETRÔNICA ANALÓGICA b Ganho de transcondutância de 1 μAV e ID 10 mA c Ganho de transcondutância de 2 mAV e ID 06 mA d Ganho de transcondutância 1 mAV e ID 6 mA e Ganho de transcondutância 02 mAV e ID 18 mA 120 ELETRÔNICA ANALÓGICA REFERÊNCIAS BOYLESTAD R NASHESKY L Electronic devices and circuit theory 11 ed New Jersey Pearson Education 2013 FREITAS M A MENDONÇA R G Eletrônica básica Curitiba Editora de Livro Técnico 2010 INFINEON Folha técnica de dados do transistor IRF7413 Disponível em httpwww infineoncomdgdlirf7413pbfpdffileId5546d462533600a4015355fa8e901bb8 Acesso em 10 out de 2021 INFINEON Folha técnica de dados do transistor BSP89 Disponível em httpswwwinfineoncomdgdlInfineonBSP89DSv0202en pdffileIddb3a30433b47825b013b4b8a07f90d55 Acesso em 10 out de 2021 MALVINO A P BATES D J Eletrônica V 1 7 ed São Paulo Makron 2007 SEDRA A SMITH K Microelectronic circuits 7 ed New York Oxford University Press 2015