Relatorio Tecnico - Projeto de Circuito Seguidor de Fonte para Conversores AD DA

Os conversores AD ou DA que convertem o sinal analógico para o digital ou o digital para analógico são usados em diversos tipos de equipamentos e aplicações como a leitura de sensores sejam estes industriais sejam sensores simples presentes no nosso cotidiano Os conversores também são utilizados na digitalização de áudio e vídeo Na sequência encontramos um exemplo de sensor de nível industrial largamente aplicado que conta com conversor AD Fonte ekipaj Shutterstock 2020 Além disso esses conversores de analógico para digital possuem inúmeros subcircuitos para a implementação efetiva e eficiente da conversão dos sinais Um exemplo é sem dúvida o uso dos seguidores de tensão tipos importantes de amplificadores obtidos a partir de transistores Assim nesse sentido considerando nossos estudos e o conteúdo exposto desenvolva um relatório técnico de até cinco páginas a respeito do projeto de um circuito seguidor de fonte para a situação problema apresentada Para tanto tenha como base uma revisão teórica sobre o assunto justificando o porquê de utilizar o circuito escolhido uma simulação computacional feita para esse circuito e uma explicação quanto ao funcionamento do circuito escolhido 1 Explicação Teórica Um seguidor de fonte também conhecido como buffer ou seguidor de emissor é um tipo de circuito amplificador que possui uma entrada de sinal e uma saída que replica o sinal de entrada sem amplificálo ou invertêlo Ele é frequentemente construído utilizando um transistor e a sua principal função é isolar a carga do sinal de entrada evitando que o circuito de carga afete o sinal original O transistor normalmente utilizado em circuitos seguidores de fonte é o transistor de junção bipolar BJT especificamente o tipo NPN Os transistores NPN têm duas junções PN e são compostos por três camadas de material semicondutor emissor base e coletor Eles são amplamente utilizados em eletrônica analógica devido à sua capacidade de amplificar sinais elétricos Os transistores NPN funcionam de tal forma que a corrente flui do coletor para o emissor quando uma corrente é aplicada à base Isso os torna ideais para projetos de seguidores de fonte onde a corrente do emissor é controlada pela corrente da base permitindo que o sinal de entrada seja replicado na saída Antes de se entrar no projeto do circuito seguidor de fonte é importante compreender a função e a necessidade de tal circuito Ao lidar com sensores áudio ou sinais analógicos em geral é necessário transmitir esses sinais para outros dispositivos ou sistemas sem degradar sua qualidade ou características O uso de um circuito seguidor de fonte é crucial nesses cenários Portanto uma característica muito importante desses circuitos é a sua alta impedância de entrada e baixa impedância de saída Isso significa que ele pode aceitar sinais de baixa amplitude e alta impedância evitando que o sinal original seja afetado Além disso ele fornece uma baixa impedância de saída permitindo que o sinal seja entregue a cargas subsequentes sem perda significativa de amplitude 2 Circuito projetado No circuito Amplificador de Dreno Comum em JFET a tensão de saída é desenvolvida através do resistor de fonte Rs O resistor de carga externo Rl é conectado ao terminal de fonte S do transistor por meio do capacitor de acoplamento C2 e a tensão de polarização do canal Vg é derivada de Vdd por meio do divisor de potencial formado por R1 e R2 Nenhum resistor é conectado em série com o terminal do dreno e nenhum capacitor de desvio de fonte é utilizado O sinal de entrada é aplicado ao canal através do capacitor de acoplamento C1 Figura 1 Circuito seguidor de fonte Para entender o funcionamento do circuito é importante observar que a tensão do canal Vg é uma constante como em qualquer circuito de polarização com divisor de potencial Quando um sinal é aplicado ao canal do transistor FET através de C1 a tensão do canal aumenta e diminui à medida que o sinal de entrada fica positivo e negativo respectivamente Além disso a tensão Vgs permanece substancialmente constante Dessa forma a tensão de fonte Vs aumenta ou diminui com o aumento ou diminuição da tensão do canal Como a fonte do FET é o terminal de saída observase que a tensão de saída de um circuito de dreno comum é aproximadamente a mesma que a tensão de entrada Assim podese dizer que o circuito de dreno comum possui ganho aproximadamente unitário Devido a isso o circuito acima conhecido como circuito de dreno comum pode ser utilizado como um circuito seguidor de fonte Figura 2 Circuito equivalente em corrente alternada O circuito equivalente em corrente alternada CA do Amplificador JFET de dreno comum é mostrado na Figura 2 O gerador de corrente é gmVgs onde Vgs Vin Vout Além disso Rg R1 R2 O ganho fica Normalmente rd Rs Rl Portanto fazendo gm Rs Rl 1 Assim o valor do ganho de tensão tornase aproximadamente igual à unidade ligeiramente menor Impedância de Entrada A impedância de entrada do circuito é RG R1 R2 Impedância de Saída Em um circuito de Seguidor de Fonte qualquer variação na tensão de saída Vout afeta a tensão gatesource Vgs e Vgs é determinada como Normalmente Rgs Rs Rg ficando Vgs Vout Portanto Simulação do circuito Figura 3 Circuito simulado arquivo enviado em anexo 1 Explicação Teórica Um seguidor de fonte também conhecido como buffer ou seguidor de emissor é um tipo de circuito amplificador que possui uma entrada de sinal e uma saída que replica o sinal de entrada sem amplificálo ou invertêlo Ele é frequentemente construído utilizando um transistor e a sua principal função é isolar a carga do sinal de entrada evitando que o circuito de carga afete o sinal original O transistor normalmente utilizado em circuitos seguidores de fonte é o transistor de junção bipolar BJT especificamente o tipo NPN Os transistores NPN têm duas junções PN e são compostos por três camadas de material semicondutor emissor base e coletor Eles são amplamente utilizados em eletrônica analógica devido à sua capacidade de amplificar sinais elétricos Os transistores NPN funcionam de tal forma que a corrente flui do coletor para o emissor quando uma corrente é aplicada à base Isso os torna ideais para projetos de seguidores de fonte onde a corrente do emissor é controlada pela corrente da base permitindo que o sinal de entrada seja replicado na saída Antes de se entrar no projeto do circuito seguidor de fonte é importante compreender a função e a necessidade de tal circuito Ao lidar com sensores áudio ou sinais analógicos em geral é necessário transmitir esses sinais para outros dispositivos ou sistemas sem degradar sua qualidade ou características O uso de um circuito seguidor de fonte é crucial nesses cenários Portanto uma característica muito importante desses circuitos é a sua alta impedância de entrada e baixa impedância de saída Isso significa que ele pode aceitar sinais de baixa amplitude e alta impedância evitando que o sinal original seja afetado Além disso ele fornece uma baixa impedância de saída permitindo que o sinal seja entregue a cargas subsequentes sem perda significativa de amplitude 2 Circuito projetado No circuito Amplificador de Dreno Comum em JFET a tensão de saída é desenvolvida através do resistor de fonte Rs O resistor de carga externo Rl é conectado ao terminal de fonte S do transistor por meio do capacitor de acoplamento C2 e a tensão de polarização do canal Vg é derivada de Vdd por meio do divisor de potencial formado por R1 e R2 Nenhum resistor é conectado em série com o terminal do dreno e nenhum capacitor de desvio de fonte é utilizado O sinal de entrada é aplicado ao canal através do capacitor de acoplamento C1 Figura 1 Circuito seguidor de fonte Para entender o funcionamento do circuito é importante observar que a tensão do canal Vg é uma constante como em qualquer circuito de polarização com divisor de potencial Quando um sinal é aplicado ao canal do transistor FET através de C1 a tensão do canal aumenta e diminui à medida que o sinal de entrada fica positivo e negativo respectivamente Além disso a tensão Vgs permanece substancialmente constante Dessa forma a tensão de fonte Vs aumenta ou diminui com o aumento ou diminuição da tensão do canal Como a fonte do FET é o terminal de saída observase que a tensão de saída de um circuito de dreno comum é aproximadamente a mesma que a tensão de entrada Assim podese dizer que o circuito de dreno comum possui ganho aproximadamente unitário Devido a isso o circuito acima conhecido como circuito de dreno comum pode ser utilizado como um circuito seguidor de fonte Figura 2 Circuito equivalente em corrente alternada O circuito equivalente em corrente alternada CA do Amplificador JFET de dreno comum é mostrado na Figura 2 O gerador de corrente é gmVgs onde Vgs Vin Vout Além disso Rg R1 R2 O ganho fica Normalmente rd Rs Rl Portanto fazendo gm Rs Rl 1 Assim o valor do ganho de tensão tornase aproximadamente igual à unidade ligeiramente menor Impedância de Entrada A impedância de entrada do circuito é RG R1 R2 Impedância de Saída Em um circuito de Seguidor de Fonte qualquer variação na tensão de saída Vout afeta a tensão gatesource Vgs e Vgs é determinada como Normalmente Rgs Rs Rg ficando Vgs Vout Portanto Simulação do circuito Figura 3 Circuito simulado arquivo enviado em anexo