Baixe introdução - electronica e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
ELECTRÓNICA I
3º ano - Ramo APEL
Capítulo 1
INTRODUÇÃO À ELECTRÓNICA
Este texto é oferecido aos alunos para o policopiarem livremente e destina-se a complementar o livro de texto recomendado, "Microelectronic Circuits", de Sedra and Smith. Consiste, essencialmente, numa tradução do capítulo homónimo desse livro, com algumas alterações da responsabilidade do autor visando uma melhor adequação ao programa da disciplina. Beneficiou também de sugestões do Prof. Pedro Guedes de Oliveira.
Franclim F. Ferreira Setembro 1998
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 1
Capítulo 1
INTRODUÇÃO À ELECTRÓNICA
1. Introdução
De uma forma muito geral, podemos definir a Electrónica como a área da Electrotecnia que se ocupa do processamento e da transmissão de sinais eléctricos.
Chamamos sinal eléctrico a uma tensão ou corrente eléctrica variável no tempo segundo uma lei predeterminada e que se propaga ao longo de um canal de transmissão com o objectivo de levar uma mensagem desde o ponto de partida até ao ponto de chegada.
Neste primeiro capítulo, introduziremos alguns conceitos básicos e uma terminologia, em parte já estudados ou a estudar em outras disciplinas, cujo estabelecimento é indispensável para a boa compreensão do funcionamento, análise e projecto dos circuitos electrónicos, que é o propósito desta disciplina e das que se lhe seguem da área da Electrónica.
Assim, começaremos por aprender a caracterizar os sinais eléctricos. Em seguida, abordaremos uma das mais importantes funções realizadas pelos circuitos electrónicos de processamento de sinal: a amplificação. Tão importante que é habitual considerar que a Electrónica teve o seu início em 1911, por ser esse o ano a partir do qual se iniciou a produção do tríodo, uma válvula de vazio com três eléctrodos, que foi o primeiro dispositivo capaz de realizar aquela função.
Definiremos modelos para representar os amplificadores lineares, modelos que posteriormente usaremos extensivamente na análise e projecto dos circuitos amplificadores reais.
2. Sinais
Chamamos sinais aos elementos que nos permitem recolher informação com vista a analisar e interpretar uma determinada realidade física. Por exemplo, para poder prever a evolução do tempo, recolhemos sinais que representam a temperatura do ar, a pressão, a velocidade do ar, a humidade, etc. A voz de um locutor da rádio lendo um noticiário produz um sinal acústico que contém informação sobre os desenvolvimentos recentes dos acontecimentos mais importantes do mundo em que vivemos.
Para extrair informação de um conjunto de sinais, o observador (seja uma pessoa ou uma máquina) necessita de processar, i.e. de tratar, os sinais de uma determinada maneira. Geralmente, este processamento dos sinais é feito de forma muito conveniente usando sistemas electrónicos.
No início do processo, há em geral a necessidade de codificar a informação a tratar, transformando um sinal de outra natureza física num sinal eléctrico.
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 3
Isto confere uma grande importância aos sinais sinusoidais na análise, projecto e teste dos circuitos electrónicos. Assim, recordemos rapidamente as propriedades da sinusóide.
A fig. 3 representa uma tensão sinusoidal va (t) ,
va ( t ) = Va sen ωt (1)
em que Va representa o valor máximo ou amplitude, em volt e ω representa a
frequência angular, em rad/s ; i.e., ω = 2 π f , em que f é a frequência em hertz , f = 1/T
e T é o período em segundos.
(fig. 3)
Um sinal sinusoidal é completamente caracterizado pela sua amplitude Va , a sua
frequência ω e a sua fase relativamente a uma referência temporal arbitrária. Na
expressão anterior, a origem dos tempos foi escolhida por forma à fase ser nula.
Frequentemente, representa-se a amplitude de uma sinusóide em termos do seu
valor eficaz que é igual ao valor máximo dividido por 2. Assim, o valor eficaz da
sinusóide va (t) da fig. 3 é Va / 2. Por exemplo, quando dizemos que a tensão da rede de alimentação pública é 220 V, estamos a falar de uma tensão sinusoidal cujo
valor máximo é 220 2 V.
Voltando à representação de sinais como uma soma de sinusóides, acrescentemos que a série de Fourier se utiliza quando o sinal é uma função periódica do tempo. A transformada (ou integral) de Fourier é de aplicação mais geral, pois pode ser utilizada para obter o espectro de frequência de um sinal cuja forma de onda é uma função arbitrária do tempo.
A série de Fourier permite-nos exprimir uma dada função periódica do tempo como a soma de um número infinito de sinusóides cujas frequências são relacionadas harmonicamente, i.e., são múltiplos inteiros da frequência do sinal original. Assim, às componentes desta soma chama-se harmónicos. Por exemplo, o sinal da fig. 4, uma onda quadrada simétrica, pode exprimir-se como
v t
V
a ( )^ =^ ( sen^^ o t^ +^ sen^ ot^ + sen^ t ...)
(^5) o +
em que V é a amplitude da onda quadrada e ω o = 2 π/ T ( T é o período da onda
quadrada) é designada como frequência fundamental.
(fig. 4)
Note-se que uma vez que as amplitudes dos harmónicos decrescem progressivamente, a série infinita pode ser truncada, resultando assim uma aproximação da onda quadrada. A fig. 4a mostra o resultado obtido quando se consideram sucessivas truncagens da onda quadrada.
(fig. 4a)
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 4
As componentes sinusoidais da série da eq. (2) constituem o espectro de frequência do sinal onda quadrada. A representação gráfica deste espectro pode ver-se na fig.
5, em que o eixo horizontal representa a frequência angular ω em radianos por
segundo.
(fig. 5)
A transformada de Fourier pode ser aplicada a uma função aperiódica do tempo, como a representada na fig. 2, e permite obter um espectro de frequência que é uma função contínua da frequência, como se indica na fig. 6.
(fig. 6)
Ao contrário dos sinais periódicos, em que o espectro consiste de frequências
discretas ( ω o e seus harmónicos), o espectro de um sinal aperiódoco contém, em
geral, todas as frequências possíveis. Todavia, as partes essenciais dos espectros dos sinais de interesse prático estão, usualmente, confinadas a relativamente
pequenos segmentos do eixo da frequência ( ω ) - uma observação que é de grande
utilidade no processamento de tais sinais.
Por exemplo, o espectro dos sons audíveis tais como a voz humana e a música estendem-se de cerca de 20 Hz a cerca de 20 kHz - uma gama de frequências conhecida como banda audio. Deve notar-se que apesar de alguns acordes musicais conterem frequências acima de 20 kHz, o ouvido humano é incapaz de ouvir frequências muito acima de 20 kHz.
Concluiremos esta secção notando que um sinal pode ser representado seja em termos de como a sua forma de onda varia no tempo, como é o caso do sinal de tensão va (t) mostrado na fig. 2, ou em termos do seu espectro de frequência, como se mostra na fig. 6. Estas duas representações alternativas são conhecidas como representação no domínio dos tempos e no domínio da frequência, respectivamente.
A representação no domínio da frequência de costuma notar-se pelo símbolo Va ( ω ).
4. Sinais analógicos e digitais
O sinal de tensão representado na fig. 2 é chamado um sinal analógico. O nome deriva do facto que o sinal é análogo ao sinal físico que representa. A amplitude de um sinal analógico pode assumir quaisquer valores; i.e., a amplitude de um sinal analógico exibe uma variação contínua na sua gama de actividade. A grande maioria dos sinais no mundo à nossa volta são analógicos. Os circuitos electrónicos que processam esses sinais designam-se circuitos analógicos.
Uma forma alternativa de representação de um sinal é a de uma sequência de números, cada número representando a amplitude do sinal num dado instante de tempo. O sinal resultante chama-se um sinal digital.
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 6
Antes de encerrar esta análise, deve, contudo, chamar-se a atenção que nem todos os sinais com que os circuitos electrónicos lidam têm origem no mundo físico. Por exemplo, a calculadora electrónica e o computador digital realizam operações matemáticas e lógicas para resolver problemas. Os sinais digitais internos representam as variáveis e os parâmetros desses problemas e, obviamente, não são directamente derivados de sinais físicos externos.
5. Teoremas básicos dos circuitos
A análise dos circuitos electrónicos e das funções que eles realizam, envolve o uso de modelos que aproximam o funcionamento físico dos dispositivos electrónicos em certas condições. Estes modelos permitem reduzir complexos circuitos electrónicos a circuitos simplesmente constituídos por fontes de corrente e de tensão e por componentes passivos, como resistências, condensadores e, mais raramente, bobinas.
O cálculo que é necessário realizar, para avaliar o desempenho dos circuitos electrónicos e proceder ao seu projecto, pressupõe o conhecimento dos elementos dos circuitos e dos seus parâmetros, dos teoremas básicos da teoria dos circuitos e de algumas regras práticas deles derivadas.
Estes aspectos são estudados em pormenor noutras disciplinas, mas dada a grande importância que têm no estudo da Electrónica, impõe-se que lhes façamos uma breve referência.
5.1. Fontes independentes e controladas
Uma fonte diz-se independente quando a sua tensão ou corrente não depende de qualquer outra tensão ou corrente do circuito. Uma fonte de tensão independente apresenta pois nos seus terminais uma tensão constante, i.e., independente da corrente que fornece, como se mostra na fig. 8.
(fig. 8)
Analogamente, uma fonte de corrente independente fornece uma corrente constante, i.e., independente da tensão nos seus terminais, como se mostra na fig.
(fig. 9)
Note-se que quando dizemos tensão ou corrente constante, não nos estamos a referir ao domínio do tempo, mas apenas, como se referiu à dependência da corrente ou tensão fornecida, respectivamente. Assim, podemos ter fontes independentes constantes no tempo (ditas fontes de corrente contínua) ou variáveis no tempo (ditas fontes de corrente alternada ou fontes de sinal).
Uma fonte diz-se controlada quando o seu valor depende de uma tensão ou de uma corrente existente noutro ramo do circuito. Há, assim, quatro tipos de fontes controladas:
- fonte de tensão controlada por tensão (fig. 10a)
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 7
- fonte de tensão controlada por corrente (fig. 10b)
- fonte de corrente controlada por corrente (fig. 10c)
- fonte de corrente controlada por tensão (fig. 10d)
(fig. 10)
5.2. Teoremas de Thévenin e de Norton
Os teoremas de Thévenin e de Norton são dois teoremas duais de grande importância na análise e projecto dos circuitos electrónicos lineares, uma vez que permitem representar equivalentemente partes do circuito que não estão sob análise, simplificando assim grandemente o trabalho a efectuar.
Segundo o teorema de Thévenin, qualquer circuito linear visto de dois terminais pode ser representado por uma fonte de tensão em série com uma impedância. Assim, como se ilustra na fig. 11(a), supondo um circuito linear dividido em duas partes A e B, unidas por dois nós, o circuito A pode ser substituído pelo seu equivalente Thévenin, resultando o circuito equivalente da fig. 11(b).
Na fig. 11(c) e (d), ilustra-se o procedimento para calcular o valor da tensão da fonte e da impedância. O valor da tensão obtém-se medindo ou calculando a tensão nos terminais do circuito A, em circuito aberto, i.e., com o circuito B desligado. A impedância obtém-se medindo ou calculando a impedância vista dos terminais do circuito A, com o circuito B desligado, e desactivando todas as fontes independentes do circuito A. Desactivar as fontes independentes corresponde a curto-circuitar as fontes de tensão (já que estas têm impedância interna nula) e a abrir as fontes de corrente (já que estas têm impedância interna infinita).
(fig. 11)
Segundo o teorema de Norton, qualquer circuito linear visto de dois terminais pode ser representado por uma fonte de corrente em paralelo com uma impedância. Assim, como se ilustra na fig. 12(a), supondo um circuito linear dividido em duas partes A e B, unidas por dois nós, o circuito A pode ser substituído pelo seu equivalente Norton, resultando o circuito equivalente da fig. 12(b).
Na fig. 12(c) e (d), ilustra-se o procedimento para calcular o valor da corrente da fonte e da impedância. O valor da corrente obtém-se medindo ou calculando a corrente entre os terminais do circuito A, em curto-circuito, i.e., com o circuito B desligado e com os terminais curto-circuitados. A impedância obtém-se medindo ou calculando a impedância vista dos terminais do circuito A, com o circuito B desligado, e desactivando todas as fontes independentes do circuito A. Por outras palavras, a impedância é a mesma do equivalente Thévenin. Resulta ainda que
I
V
n Z = t (3)
(fig. 12)
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 9
5.4.1. Parâmetros y
A caracterização do diporto usando as admitâncias em curto-circuito (ou parâmetros y ) é baseada na escolha de V 1 e V 2 como variáveis independentes ou de excitação, como se mostra na fig. 15(a). As equações descritivas são as equações (4) e (5). Os quatro parâmetros admitâncias podem ser definidos de acordo com o seu significado nas equações (4) e (5).
Especificamente, da equação (4) vemos que y 11 é definido como
y
I
11 V V
1 (^1 )
=
Assim, y 11 é a admitância de entrada no porto 1 com o porto 2 curto-circuitado. Esta definição está ilustrada na fig. 15(b), que também fornece um método conceptual para medir a admitância de entrada em curto-circuito y 11.
(fig. 15)
A definição de y 12 pode obter-se a partir da equação (4) como sendo
y
I
12 V V
1 (^2 )
=
Assim, y 12 representa a transmissão do porto 2 para o porto 1. Uma vez que, nos amplificadores, o porto 1 representa o porto de entrada e o porto 2 o de saída, y 12 representa a realimentação interna do circuito. A fig. 15(c) ilustra a definição e o método para medir y 12.
A definição de y 21 pode obter-se a partir da equação (5) como sendo
y
I
21 V V
2 (^1 )
=
Assim, y 21 representa a transmissão do porto 1 para o porto 2. Se o porto 1 for a entrada e o porto 2 a saída, então y 21 dá uma medida do ganho directo ou transmissão do circuito. A fig. 15(d) ilustra a definição e o método para medir y 21.
O parâmetro y 22 pode ser definido com base na equação (5) como sendo
y
I
22 V V
2 (^2 )
=
Assim, y 22 é a admitância vista no porto 2 com o porto 1 curto-circuitado. Nos amplificadores, y 22 é a admitância de saída em curto-circuito. A fig. 15(e) ilustra a definição e o método para medir y 22.
5.4.2. Parâmetros z
A caracterização das impedâncias em circuito aberto (ou parâmetros- z ) dos diportos pressupõe tomar I 1 e I 2 como variáveis independentes, como se mostra na fig. 16(a).
As equações que descrevem o diporto são então:
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 10
V 1 = z 11 I 1 + z 12 I 2 (10) V 2 = z 21 I 1 + z 22 I 2 (11)
Devido à dualidade entre as caracterizações com parâmetros- z e parâmetros- y , dispensamo-nos de pormenorizar a discussão dos parâmetros- z. A definição e o método de medida de cada um dos quatro parâmetros- z pode ver-se na fig. 16.
(fig. 16)
5.4.3. Parâmetros h
A caracterização dos parâmetros híbridos (ou parâmetros- h ) dos diportos pressupõe tomar I 1 e V 2 como variáveis independentes, como se mostra na fig. 17(a) (note-se a razão para o nome híbrido ). As equações que descrevem o diporto são então:
V 1 = h 11 I 1 + h 12 V 2 (12) I 2 = h 21 I 1 + h 22 V 2 (13)
das quais se pode obter a definição dos quatro parâmetros- h como sendo:
h
V
11 I V
1 (^1 )
=
h
I
21 I V
2 (^1 )
=
h
V
12 V I
1 (^2 )
=
h
I
22 V I
2 (^2 )
=
Assim h 11 é a impedância de entrada no porto 1 com o porto 2 curto-circuitado. O parâmetro h 12 representa o factor de realimentação ou ganho de tensão inverso do diporto, medido com o porto de entrada em circuito aberto. O parâmetro de transmissão directa h 21 representa o ganho de corrente do circuito com o porto de saída curto-circuitado; por esta razão h 21 é chamado ganho de corrente em curto- circuito. Finalmente, h 22 é a admitância de saída com o porto de entrada em circuito aberto.
As definições e os métodos de medida dos parâmetros- h são dados na fig. 17.
(fig. 17)
5.4.4. Parâmetros g
A caracterização dos parâmetros híbridos inversos (ou parâmetros- g ) dos diportos pressupõe tomar V 1 e I 2 como variáveis independentes, como se mostra na fig. 18(a). As equações que descrevem o diporto são então:
I 1 = g 11 V 1 + g 12 I 2 (14) V 2 = g 21 V 1 + g 22 I 2 (15)
As definições e os métodos de medida dos parâmetros- g são dados na fig. 18.
(fig. 18)
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 12
Num divisor de tensão, a tensão nos terminais de uma impedância obtém- se a partir da tensão total, multiplicando-a pela impedância respectiva e dividindo-a pela impedância total.
Chamamos divisor de corrente a um diporto constituído por duas impedâncias em paralelo, como se mostra na fig. 21.
Z 1 Z (^2) Z 1 Z (^2)
I 1
I
(a) (b)
I 2
Fig. 21
O simples recurso às leis dos circuitos permite concluir como as correntes nas impedâncias Z 1 e Z 2 se obtêm da corrente de entrada:
I
Z
Z Z
1 2 I
1 2
I
Z
Z Z
2 1 I
1 2
Também estes resultados podem fixar-se facilmente através da expressão mnemónica seguinte:
Num divisor de corrente, a corrente num dos ramos obtém-se a partir da corrente total, multiplicando-a pela impedância do outro ramo e dividindo- a pela impedância total.
6. Amplificadores
Nesta secção, faremos uma introdução a uma função fundamental do processamento de sinal, a amplificação de sinal, que é utilizada em quase todos os circuitos electrónicos.
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 13
6.1. Amplificação de sinal
Dum ponto de vista conceptual, a tarefa mais simples do processamento de sinais é a amplificação de sinal. A necessidade de amplificar resulta do facto de os transdutores produzirem sinais ditos “fracos”, i.e., na gama de microvolt ou de milivolt e possuindo pequenos níveis de energia. Tais sinais são demasiado pequenos para um processamento fiável e o processamento é mais fácil se a amplitude do sinal for aumentada. O bloco funcional que realiza esta tarefa é o amplificador de sinal.
Neste ponto, é importante realçar a necessidade de linearidade no funcionamento dos amplificadores. Quando se amplifica um sinal, é necessário garantir que não haja alteração da informação contida no sinal, nem que nova informação seja introduzida.
Assim, quando se alimenta um amplificador com, por exemplo, o sinal da fig. 2 pretendemos que o sinal de saída seja uma réplica exacta da entrada, embora com maior amplitude. Por outras palavras, o “serpentear” da forma de onda da saída deve ser idêntico ao da forma de onda da entrada. Qualquer alteração na forma de onda é considerada distorção e é obviamente indesejável.
Um amplificador que preserva os pormenores da forma de onda é caracterizado pela expressão:
vo ( t ) = Avi ( t ) (20)
em que vi e vo são, respectivamente, o sinal de entrada e o de saída, e A é uma constante representando a grandeza da amplificação, conhecida como ganho de tensão. A equação (20) exprime uma relação linear; assim, o amplificador que ela descreve é um amplificador linear. É certamente fácil de verificar que, se a relação entre vo e vi contém potências não unitárias de vi , então a forma de onda de vo não é mais idêntica à de vi. Diz-se, então, que o amplificador tem distorção não linear.
Os amplificadores de que temos estado a falar pressupõem sinais de entrada muito pequenos. Destinam-se a aumentar a amplitude do sinal e, por essa razão, são encarados como amplificadores de tensão. O pré-amplificador dum sistema estereofónico doméstico é um exemplo de um amplificador de tensão. Todavia, usualmente, este amplificador faz algo mais do que simples amplificação do sinal; realiza algum modelamento do espectro do sinal de entrada. Este aspecto, contudo, não será considerado por agora.
Outro tipo de amplificador é o amplificador de potência. Este pode realizar um ganho de tensão modesto (ou mesmo nenhum, i.e., numericamente igual a 1), mas apresenta um substancial ganho de corrente. Nestas condições, o amplificador recebe uma pequena potência da fonte de sinal, frequentemente um pré- amplificador, e fornece uma potência elevada à carga. Como exemplo, podemos recorrer ainda à “estereofonia” doméstica, uma vez que também contém um amplificador de potência, necessário para garantir potência suficiente para alimentar os altifalantes. Este exemplo, ajuda-nos a compreender talvez melhor a necessidade de linearidade: um amplificador de potência linear permite que os diferentes níveis musicais sejam reproduzidos sem distorção.
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 15
Das equações (21) a (24) resulta que
Ap = Av Ai (25)
6.5. Ganho expresso em decibeis
Os ganhos dos amplificadores definidos atrás são quocientes de grandezas com as mesmas dimensões. Assim, são expressos por números sem dimensões ou, para enfatizar o seu significado, por V/V para o ganho de tensão, A/A para o ganho de corrente e W/W para o ganho de potência. Alternativamente, por várias razões, algumas delas históricas, é habitual em Electrónica exprimir os ganhos através de uma medida logarítmica. Especificamente, o ganho Av pode ser expresso como
Ganho de tensão em decibeis = 20 log Av dB
e o ganho de corrente Ai pode ser expresso como
Ganho de corrente em decibeis = 20 log Ai dB
Uma vez que a potência é proporcional ao quadrado da tensão (ou da corrente), o ganho de potência Ap pode ser expresso em decibeis como segue
Ganho de potência em decibeis = 10 log Ap dB
Usa-se o módulo para os ganhos de tensão e de corrente em virtude de em certos casos Av ou Ai poderem ser negativos. Um ganho Av negativo significa simplesmente que existe oposição de fase entre o sinal de saída e o de entrada; não significa que o amplificador atenua o sinal. Por outro lado, um amplificador cujo ganho de tensão é, por exemplo, -20 dB, atenua realmente o sinal de entrada de um factor de 10 (i.e., Av = 0,1).
6.6. As fontes de alimentação de um amplificador
Uma vez que a potência entregue à carga é maior do que a potência fornecida pela fonte de sinal, uma questão que se põe é saber a origem dessa potência adicional. A resposta encontra-se observando que os amplificadores necessitam de fontes de alimentação de corrente contínua para o seu funcionamento. Estas fontes de alimentação de c.c. fornecem a potência extra entregue à carga assim como qualquer potência que possa ser dissipada no circuito interno do amplificador (essa potência é convertida em calor). Na fig. 23(a) estas não foram explicitamente representadas.
A fig. 24(a) mostra um amplificador que requer duas fontes de c.c.: uma positiva de valor V 1 e uma negativa de valor V 2. O amplificador tem dois terminais, designados por V +^ e V -^ , para ligação às fontes de c.c.. Para o amplificador funcionar, o terminal V +^ tem de ser ligado ao terminal positivo da fonte de c.c. de valor V 1 , cujo terminal negativo deve ser ligado à massa. Analogamente, o terminal V -^ deve ser ligado ao terminal negativo da fonte de c.c. de valor V 2 , cujo terminal positivo deve ser ligado à massa. Assim, se a corrente fornecida pela fonte de alimentação positiva for I 1 e a corrente da fonte negativa I 2 (ver fig. 24(a)), então a potência de c.c. fornecida ao amplificador é
Pcc = V 1 I 1 + V 2 I 2
Se designarmos a potência dissipada no amplificador por Pd , a equação que exprime o balanço da potência no amplificador pode ser escrita como
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 16
Pcc + PI = PL + Pd
Uma vez que a potência fornecida pela fonte de sinal ( PI ) é geralmente pequena, o rendimento do amplificador é definido por
η ≡ ×
P
P
L cc
O rendimento de potência é um importante parâmetro do desempenho dos amplificadores que trabalham com potências elevadas. Esses amplificadores, chamados amplificadores de potência, são usados, por exemplo, como amplificadores de saída dos sistemas estereofónicos.
Com vista a simplificar o desenho dos circuitos, adoptaremos a convenção ilustrada na fig. 24(b). Aqui, o terminal V +^ foi ligado a uma ponta de seta apontando para cima e o terminal V -^ a uma ponta de seta dirigida para baixo. A tensão correspondente é indicada junto de cada seta. Contudo, em muitos casos, por questão de simplicidade, as ligações às fontes de alimentação serão omitidas. Finalmente, acrescentaremos que alguns amplificadores requerem apenas uma fonte de alimentação.
(fig. 24)
6.7. Saturação de um amplificador
A característica de transferência de um amplificador só é linear numa gama limitada de tensões de entrada e de saída. Para um amplificador que funciona com duas fontes de alimentação, a tensão de saída não pode exceder um determinado limite positivo e não pode descer abaixo de um determinado limite negativo. A característica de transferência resultante está ilustrada na fig. 25, com os níveis de saturação positivo e negativo designados por L + e L - , respectivamente.
Obviamente, para evitar distorcer a forma de onda do sinal de saída, a excursão do sinal de entrada deve manter-se na gama linear de funcionamento.
L A
v
L
v I Av
A fig. 25 mostra duas formas de onda de entrada e as correspondentes formas de onda de saída. Notemos que os picos da forma de onda de maior amplitude foram cortados devido à saturação do amplificador.
(fig. 25)
6.8. Características de transferência não lineares e polarização
À excepção dos efeitos de saturação à saída que acabámos de analisar, até agora admitimos que a característica de transferência dos amplificadores é perfeitamente linear. Nos amplificadores práticos, a característica de transferência pode exibir não linearidades de várias amplitudes, dependendo de quão elaborado o circuito é e do esforço dispendido no projecto para assegurar funcionamento linear.
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 18
A terminar, chamemos a atenção para a notação usada atrás e que continuaremos a usar. Assim, os valores instantâneos representam-se por letras minúsculas com índices maiúsculos, como por exemplo, iA(t), vC(t); valores contínuos são representados por letras maiúsculas com índices maiúsculos, como IA, VA ; finalmente, sinais incrementais são representados por letras minúsculas com índices minúsculos, como ia (t) , vc (t).
Desde que um amplificador seja adequadamente polarizado e o sinal de entrada seja mantido pequeno, o funcionamento é suposto ser linear. Assim, podemos empregar as técnicas da análise dos circuitos lineares para analisar o funcionamento para sinais do circuito amplificador.
7. Modelos de circuitos para amplificadores
Uma boa parte do nosso programa preocupa-se com o projecto de circuitos amplificadores usando transístores de vários tipos. Tais circuitos variam em complexidade desde os que usam um simples transístor até os que possuem 20 ou mais dispositivos. A fim de poder aplicar-se o amplificador resultante como um bloco num sistema, é necessário poder caracterizar-se, ou modelar-se, o seu comportamento terminal.
Nesta secção estudaremos modelos de amplificadores simples mas eficientes, que se podem aplicar independentemente da complexidade do circuito interno do amplificador. Os valores dos parâmetros dos modelos podem ser determinados seja analisando o circuito amplificador seja realizando medidas nos terminais do amplificador.
7.1. Amplificadores de tensão
A fig. 27(a) mostra um modelo de circuito para o amplificador de tensão. O modelo consiste de uma fonte de tensão controlada por tensão com um factor controlante Avo , uma resistência de entrada Ri que resulta do facto de o amplificador absorver corrente da fonte de sinal, e uma resistência de saída Ro que determina a variação da tensão de saída em função do valor da carga. Na fig. 27(b) mostra-se o modelo do amplificador alimentado por uma fonte de tensão vs possuindo uma resistência Rs , e uma resistência de carga RL ligada à saída. A existência de uma resistência de saída não nula implica que apenas uma fracção da tensão Avo vi seja aplicada à carga. Usando a regra do divisor de tensão encontramos
v A v
R
o vo iR R
L L o
Assim, o ganho de tensão é dado por
A
v v
A
R
v R R
o i
vo
L L o
Deste resultado é evidente que a fim de não se perder ganho quando ligamos o amplificador a uma carga, a resistência de saída Ro deve ser muito mais pequena do que RL. Por outras palavras, para uma dada RL , o amplificador deve ser projectado por forma que saída Ro seja muito menor do que RL. Um amplificador ideal de tensão deveria ter Ro = 0.
Cap. 1 - Introdução à Electrónica 19
A equação (27) indica também que para RL = ∞, Av = Avo. Assim, Avo é o ganho de tensão em circuito aberto. Resulta também que ao especificar o ganho de um amplificador, deve também especificar-se o valor da resistência de carga para a qual este ganho é medido ou calculado. Quando a resistência de carga não é especificada, subentende-se, normalmente, que se trata do ganho de tensão em circuito aberto.
(fig. 27)
O valor finito da resistência de entrada Ri responsabiliza-se por outro efeito de divisor de tensão na entrada, implicando que apenas uma fracção da tensão da fonte vs seja realmente aplicada à entrada do amplificador, i.e.,
v v
R
i sR R
i i s
Conclui-se, então, que a fim de não perder uma porção importante do sinal de entrada ao ligar a fonte de sinal à entrada do amplificador, este deve ser projectado por forma que a resistência de entrada Ri seja muito maior do que a resistência da
fonte, Ri >> Rs. Um amplificador ideal de tensão deverá ter Ri = ∞. Note-se que
neste caso, quer o ganho de corrente, quer o de potência tornam-se infinitos.
Há situações em que em vez do ganho de tensão interessa mais o ganho de potência. Por exemplo, imaginemos que a fonte de sinal tem um valor da tensão razoável, mas a resistência é muito maior do que a resistência da carga. Ligando a fonte directamente à carga verifica-se uma atenuação significativa do sinal.
Num caso como este interessaria inserir entre a fonte e a carga um amplificador com elevada resistência de entrada (muito maior do que a da fonte) e uma resistência de saída baixa (muito menor do que a da carga). Quanto ao ganho de tensão, basta um valor modesto ou mesmo unitário. Um tal amplificador chama-se um amplificador isolador (buffer).
7.2. Outros tipos de amplificadores
No projecto de um sistema electrónico, o sinal de interesse - seja à entrada do sistema, num andar intermédio, ou à saída - pode ser uma tensão ou uma corrente. Por exemplo, alguns transdutores têm resistências de saída muito elevadas e podem ser modelados adequadamente como fontes de corrente. Analogamente, há aplicações em que a corrente de saída tem mais interesse do que a tensão. Assim, apesar de ser o mais popular, o amplificador de tensão considerado atrás é apenas um de quatro tipos possíveis. Os outros três são o amplificador de corrente, o de transcondutância e o de transresistência.
A fig. 28(a) mostra um modelo de circuito para o amplificador de corrente. Consiste de uma fonte de corrente controlada por corrente com um factor controlante Ais , uma resistência de entrada Ri , e uma resistência de saída Ro. A fig. 28(b) mostra o amplificador de corrente alimentado por uma fonte de corrente is , com uma resistência Rs , e uma resistência de carga RL liga à saída.
(fig. 28)
