APOSTILA

UTFPR / DAELN - Prof. Sérgio Francisco Pichorim Eletrônica II pag 1

Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

DAELN – Depto Acadêmico de Eletrônica

Curso Técnico Integrado de ELETRÔNICA

ELETRÔNICA I I - EL 04D

Prof. Sérgio Francisco Pichorim, D.Sc.

Página na Internet : pessoal.utfpr.edu.br/pichorim/AULA

e-mail : [email protected] [email protected]


EXERCÍCIOS - TRANSISTORES 1 - Para o circuito de polarização por divisor de tensão, calcular: Ib, Ic, Vce, Vc, Vb e Ve. 2 – Dado Ib=20µA e Vc=10,6V, calcular: R1, Ic, Vce, Vcc, Vb e Ve. 3 - Para o circuito de polarização estável de emissor, calcular: Ib, Ic, Vce, Vc, Vb e Ve. 4 - Para o circuito de polarização fixa, calcular: Ib, Ic, Vce, Vc, Vb e Ve.

5 - Nos exercícios 1, 3 e 4 diminuir 50% no valor dos ß e recalcular IC e VCE. Comentar sobre a estabilidade dos três circuitos. 6 - No exercício 1 recalcular IC e VCE se R2 = 27kΩ. Repetir para R2=2,2kΩ. 7 - Para o circuito de polarização por divisor de tensão, calcular: Vgs, Id, Vds, Vg, Vd e Vs. 8 – Repetir o exercício anterior com Rs de 150Ω. 9 - Para o circuito de autopolarização, calcular: Vgs, Id, Vds, Vg, Vd e Vs. 10 - Para o circuito de polarização por divisor de tensão, calcular: Vgs, Id, Vds, Vg, Vd e Vs.

+16 V 3,9kΩ ß=80 Si 680Ω

62kΩ 9,1kΩ

+ Vcc 2,7kΩ ß=100 Si 1,2kΩ

R1 8,2kΩ

+20 V 2,4kΩ ß=100 Si 1,5kΩ

510kΩ

+16 V 2,7kΩ ß=90 Si

470kΩ

110 MΩ 10MΩ

+18V 1,8 kΩ Idss=6mA Vp=-3V 750 Ω

+12V

2,2 kΩ

Idss=6mA Vp=-6V

1MΩ

1,6 kΩ

910MΩ 110MΩ

+18V 2,2 kΩ Idss=10mA Vp=-3,5V 1,1 k Ω


AMPLIFICADORES GENÉRICOS

1) O amplificador abaixo tem impedância de entrada de 22kΩ, impedância de saída de 500Ω e ganho de tensão sem carga de 320. Sabendo que Vs é 100mVpp e a carga vale 300Ω, calcular Av, Ai, Vi, Vo, Ii e Io. 2) No amplificador genérico A abaixo, sabendo que Vs é 100mVpp e Vi é 80mVpp, calcular a sua impedância de entrada. 3) No mesmo amplificador A , sabendo que para uma carga RL de 5kΩ tem-se Vo=10Vpp e para uma carga de 2kΩ tem-se Vo=8Vpp, calcular a impedância de saída, os ganhos com carga e o ganho sem carga. 4) Os amplificadores genéricos B abaixo apresentam Zi e Zo de 50kΩ e 2kΩ, respectivamente, e ganho sem carga de 200, cada um. Calcular os ganhos de tensão e de corrente em cada estágio e os ganhos totais.

A Vs 40kΩ Vi Vo RL

B

B 3 mV 30kΩ 6kΩ

A Vs 18kΩ Vi Vo RL


PARÂMETROS DE TRANSISTORES PARA PEQUENOS SINAIS

Figura 3.14 do livro do Boylestad e Nashelsky.

1) Para um transistor de silício com as curvas de coletor e de base mostradas na figura a cima, calcular de forma aproximada (via eq. 7.32, 33, 34 e 35):

a. Determinar hre para IB=80µA e para IB=20µA.

b. Determinar hie para VCE=1V e para IB=70µA.

c. Determinar hie para VCE=10V e para IB=30µA.

d. Determinar hoe para IB=10µA, para 40µA e para 70µA.

e. Determinar hfe para VCE=15V e IB=15µA.

f. Determinar hfe para VCE=10V e IB=35µA.

g. Determinar hfe para VCE=5V e IB=75µA.

h. Determinar HFE para VCE=10V e IC=5mA.

i. Determinar HFE para VCE=5V e IB=70µA.

j. Determinar HFE para VCE=12V e IB=10µA.

2) Para as letras b. e c. determinar nos gráficos os valores de IC. A partir disso, calcular os valores de IE, β e re (via eq. 7.11). 3) Comparar os valores de β.re do exercício 2 com os valores de hie do exercício 1.


RESUMO DAS CONFIGURAÇÕES DE AMPLIFICADORES COM TRANSISTOR – I

Configuração Ganho de Tensão sem Carga (Avo)

Impedância de Entrada (Zi)

Impedância de Saída (Zo)

Emissor Comum com polarização fixa

Alto (-200)

reroRC )//(−

Média (1kΩ)

reRB .// β

Média

roRC //

Emissor Comum com pol. divisor de tensão e com CE

Alto (-200)

reroRC )//(−

Média (1kΩ)

reRR .//// 21 β

Média

roRC //

Emissor Comum com pol. divisor de tensão e sem CE

Baixo (-5)

)( reRR

E

C

+−

Alta (10 kΩ)

).(//// 21 ERreRR +β

Média CR

Emissor Comum com dupla realimentação (de coletor e emissor)

Baixo (-5)

)( reRR

E

C

+−

Média (10kΩ)

).(// reRAvR

EF +β

(Efeito Miller *)

Média

FC RR //

(Efeito Miller *)





Base Comum

Alto (+200)

reRC

Baixa (20Ω)

reRE //

Média CR

Coletor Comum

Baixo (<1) 1≅

Alta (100kΩ)

RxRR .//// 21 β

)//( LE RRreRx +=

Baixa (20Ω)

+ reRyRE β

//

21 //// RRRRy G=

LEMBRANDO QUE:

β=hfe

rehie .β= rohoe /1=

L

L

RZoRAvoAv+

= .

LRZiAvAi .=

(*) Efeito Miller (John M. Miller, E.U.A., 1882 – 1962) A impedância de Miller (Zm) aparece refletida em paralelo com a entrada valendo Zm / (1 – A) e em paralelo com a saída valendo Zm / (1 – 1/A). Se |A| >> 1 então tem-se na entrada Zm / | A | e na saída Zm .

Sérgio Francisco Pichorim, soov

Vi A Vo

Zm


RESUMO DAS CONFIGURAÇÕES DE AMPLIFICADORES COM TRANSISTOR – II




JFET ou MOSFET Fonte Comum com autopolarização

Médio (-20)

)//( rdRgm D−

Alta (10MΩ) GR

Média (2kΩ)

rdRD //

JFET ou MOSFET Fonte Comum com divisor de tensão e com CS

Médio (-20)

)//( rdRgm D−

Média (1MΩ)

21 // RR

Média (2kΩ)

rdRD //

JFET ou MOSFET Fonte Comum sem capacitor CS

Baixo (-2)

S

D

RgmrdRgm

.1)//(

+−

Alta (10MΩ) GR

Média (2kΩ)

rdRD //

JFET ou MOSFET Porta Comum

Médio (+20)

DRgm.

Baixa (1kΩ)

S

S

RgmR

.1+

Média (2kΩ)

rdRD //





JFET ou MOSFET Dreno Comum

Baixo (<1)

S

S

RgmRgm.1

.+

Alta (10MΩ) GR

Baixa (100Ω)

gmRS

1//

MOSFET Fonte Comum com pol. de Dreno

Médio (+20)

)//( rdRgm D−

Média (1MΩ)

)//.(1 rdRgmR

D

G

+

Média (2kΩ)

rdRD //

LEMBRANDO QUE:

gmyfs =

rdyos /1=

L

L

RZoRAvoAv+

= .

LRZiAvAi .=

Sérgio Francisco Pichorim, soog


10MΩ 100Ω

+22V 1,8 kΩ Idss=12mA Vp=-3,5V

91MΩ 15MΩ 3,3 kΩ

+V 6,8 kΩ

+Vcc

5MΩ

1 kΩ

11 - Para o circuito, calcular: Ie, re, Zi, Zo e Av. Vi Vo 12 – Repetir o exercício anterior considerando ro=40kΩ. 13 - Para o circuito, calcular: Ie, re, Zi, Zo e Av. Vi Vo 14 – Repetir o exercício anterior sem o capacitor Ce. 15 - Para o transistor com hfe=180, hie=3kΩ e hoe=20µS, calcular: Zi, Zo e Av. Vi Vo

16 - Para o circuito, calcular: Vgs, gm, Zi, Zo e Av. Vi Vo 17 - Para o transistor com yos=35µS e yfs=6mS, calcular: Zi, Zo e Av. Vi Vo 18 - Para o transistor com yfs=8mS, calcular: Zi, Zo e Av. Vi Vo

+12 V 2,2kΩ ß=60 Si

220kΩ

+16 V 3,9kΩ ß=100 (Si) Ce

39kΩ 4,7kΩ 1,2kΩ

+ Vcc 2,2kΩ Ce

68kΩ 12kΩ 1,2kΩ


19- No circuito amplificador a seguir, calcular IC e VCE, determinar re, Avo, Av, Ai, Zi e Zo. Determinar também os valores dos sinais de entrada (Vi) e de saída (Vo).

20- No circuito amplificador em cascata a seguir, calcular para cada estágio os valores de IC e VCE, determinar re, Avo, Av, Ai, Zi e Zo. Determinar também os valores dos sinais de entrada (Vi) e de saída (Vo).

21- Nos exercícios 19 e 20, calcular todos os capacitores para uma freqüência de corte inferior de 20 Hz. Para cada circuito, escolher um capacitor como o dominante e ajustar todos os capacitores para valores comerciais.


22 – Para o circuito de Polarização Fixa ao lado:

a) Calcular o ganho de tensão para VM sendo 1 V. b) Repetir item a para VM sendo 1,5 V. c) Repetir item a para VM sendo 0,5 V. d) Comentar sobre a ação de VM sobre o circuito.

23 – Um amplificador emissor comum com ganho (sem carga) de 100, impedância de saída de 800 Ω e impedância de entrada de 8 kΩ, foi utilizado para amplificar um sinal de 10 mVef e entregá-lo para uma carga de 8 Ω (alto-falante). Determinar os ganhos de tensão e correntes desta conexão e a amplitude do sinal na carga. 24 – No exercício anterior, conectar entre o amplificador e a carga um transformador abaixador de tensão (para casamento de impedância) com relação de espiras a de 10:1. Com esta nova implementação recalcular os ganhos e a amplitude do sinal. Comentar sobre a vantagem obtida. 25 – Ainda com relação ao exercício 2, conectar entre o amplificador emissor comum e a carga um estágio coletor comum (ganho de tensão sem carga de 0,8, impedância de entrada de 800 Ω e impedância de saída de 8 Ω). Com esta nova implementação recalcular os ganhos e a amplitude do sinal. Comentar sobre a vantagem obtida. 26 – Para o amplificador genérico A abaixo. Qual deve ser a impedância de entrada para que ocorra a máxima transferência do sinal Vs para a entrada Vi? Qual deve ser a impedância de saída para que ocorra a máxima transferência do sinal amplificado para a carga RL?

27 – Para se obter um amplificador com alto Zi, alto ganho e baixo Zo, uma solução possível é apresentada a seguir:

Para a associação acima, calcular Zi e Zo do conjunto e Av e Ai totais para uma carga RL de 30 Ω. Sabendo que:

• FET em Source-Comum com Zi = 10 MΩ, Zo = 10 kΩ e Avo = –6. • Bipolar em Emissor-Comum com Zi = 5 kΩ, Zo = 1 kΩ e Avo = –200. • Bipolar em Coletor-Comum com Zi = 3 kΩ, Zo = 10 Ω e Avo=1.

sfp.sn.on.soov

A Vs Rs Vi Vo RL

FET em Source Comum

Bipolar em Emissor Comum

Vs Rs Vi RL Bipolar em

Coletor Comum

+ 24 V 10 kΩ Co Vo Vi Ci Idss = 4mA Vp = –2V 1MΩ VM


28) Nos amplificadores abaixo determinar: Zi, Zo, Av med (nas freqüências de passagem), as freqüências de corte de cada capacitor (fci, fce, fco) e das capacitâncias internas (fhi e fho). Desenhar o diagrama de Bode marcando as freqüências de corte inferior e superior do circuito.

29) No amplificador abaixo, descrever o funcionamento do circuito, destacando o tipo de polarização, a classe e a configuração de cada transistor. Comentar também sobre a função de outros componentes importantes.


OS PRIMEIROS AMPLIFICADORES OPERACIONAIS

A empresa Philbrick apresentou o primeiro Amplificador Operacional (AmpOp) disponível comercialmente (custava cerca de 20 dólares) e era construído com duas válvulas duplo-triodo, conhecido como K2-W. Era um módulo plug-in de 8 pinos desenvolvido em 1952.

Com a utilização de transistores os AmpOp passaram de 300V para 15V de alimentação, e começaram a ser montados em circuitos impressos, como o P45 projetado por Bob Pease e lançado em 1963.


Em 1962, a empresa George Philbrick desenvolveu o AmpOp chamado PP65.

Nos anos 1970 são produzidos os AmpOp em circuitos integrados híbridos como o modelo HOS-050.

No final da década de 1960 são lançados os AmpOp integrados LM709 e LM101. O clássico AmpOp conhecido como 741, foi projetado pela Fairchild em 1969. Ele veio resolver alguns problemas técnicos apresentados pelos dois anteriores, como por exemplo: falta de compensação interna, falta de proteção contra curto na saída, dissipação térmica excessiva, etc. Para saber mais: Op Amp Applications Handbook, by Walt Jung da Analog Device. Acessível no link BOOK do sítio :

www.analog.com/library/analogDialogue/pot/potpourri.html


Circuitos que compõem (ou podem compor) um Amplificador Operacional: • Amplificador diferencial • Fontes de corrente • Amplificadores emissor comum e coletor comum (classe A) • Entrada em configuração Darlington ou com JFET • Saída Push-pull (classe B) • Capacitor interno de compensação • Circuito de proteção contra curto na saída

Localize e identifique estes circuitos nos Amp.Op. comerciais abaixo:


AMPLIFICADORES OPERACIONAIS 1) Qual a faixa de ajuste do ganho do circuito abaixo?

10kΩ 22kΩ

3,3kΩ Vi

Vo 2) Qual a faixa de ajuste do ganho do circuito abaixo? Vi

10kΩ 47kΩ

3,3kΩ

Vo 3) Idem para o circuito abaixo:

Vi

Vo

22kΩ 10kΩ 3,3kΩ

4) Idem para o circuito abaixo:

Vi Vo

47kΩ

12kΩ 1kΩ

5) Calcule a tensão de saída do circuito a seguir:

33kΩ 33kΩ 1V

22kΩ -2,5V 4V

Vo 12kΩ

6) No circuito abaixo, Vo é dada por: Vo=R3.(R2+R4) . V1 - R4.V2 (R1+R3) R2 R2 a) Deduza a expressão acima b) Se R2=R4 e R1=R3, calcule Vo. c) Qual a função do circuito?

R4

R2 V2 V1 Vo

R1 R3 7) No circuito abaixo, para V1= -5V e V2 =4V, calcular Vo: +7V 2kΩ 50kΩ 20kΩ V1 10kΩ V2

Vo 10V 30kΩ 30kΩ 8) Repita o anterior para V1=0V e V2=2V: 9) Ainda para o anterior, sabendo que o amp. operacional está alimentado com +20 e –20V, recalcular Vo para V1=V2= +5V


10) Calcule V1 e V2 12kΩ 56kΩ 0,5V V1

180kΩ

33kΩ V2

11) No circuito abaixo, calcule Vo:

36kΩ 750kΩ

Vo 150mV 12) Idem para o circuito abaixo:

18kΩ 510kΩ 200µV

680kΩ

22kΩ

Vo 13) Para V1 = 0,4+j0,1 (V) e V2 = 0,2–j0,6 (V), calcule Vo. V1

47kΩ 470kΩ 12kΩ V2

Vo

14) No circuito abaixo, calcule Vo: 150kΩ 300kΩ 2V

Vo 1V

10kΩ 10kΩ 15) No circuito abaixo, calcule Vo: 33kΩ 330kΩ 47kΩ 12mVcc

470kΩ

47kΩ 18mVef

Vo 16) Para o circuito abaixo, calcule IL:

10kΩ 2kΩ IL

12V

2kΩ 17) No circuito abaixo, calcule Vo: 2,5mA 10kΩ

Vo 18) Para o circuito abaixo, calcule Io:

Io -10mV 200kΩ 100kΩ

10Ω

M


19) Projete um circuito com Amp. Operacional para que a saída varie linearmente de 0 a 10V para uma variação na entrada de 2,5 a 5V, respectivamente. 20) No circuito abaixo, sabendo que a entrada tem 100Hz com Duty cycle de 50%, desenhar e calcular a forma de onda na saída. +2V 0 -2V 21) No circuito abaixo, sabendo que na saída tem-se um sinal de 12Vpp, desenhar a forma de onda na saída e calcular a freqüência do sinal. +5V 0 -5V 22) No circuito ao lado, determinar as expressões algébricas de I, Vo1 e Vo2.

?

+15V Vi Vo 2,5V 0V a a 5 V 10V - 15V

Vo 10V 0V 2,5 V 5V Vi

Vi 10 kΩ 100nF

Vo

Vi 100nF 10 kΩ

Vo

V1

Vo1 Vo2

R1 R3 R2 I

V2


23) Dado o Amplificador Operacional X no circuito abaixo, calcular: a) Para Ve=0V, qual o valor de Vo ? Vo=________ b) Para um sinal de 1mV em Ve, qual a freqüência de corte ? fc=________ c) Para um sinal senoidal de 2 Vp em Ve, qual a freqüência de corte ? fc=________ d) Para um sinal quadrado em Ve, qual o tempo para a saída mudar de -10 para +10V ? t=________ Parâmetros do Ampl. Operacional X

Iio = 30 nA Vio = 5 mV Slew Rate = 1,5 V/µs CMRR = 75 dB Ad = 300 V/mV f unit. = 2 MHz

24) Calcular a tensão de saída nos dois circuitos. (Usar o Amplificador Operacional X) Vo=__________ Vo=__________ 25) Determinar do ampl. operacional abaixo os ganhos comum e diferencial. Calcule também a CMRR. -0,5mV +0,5mV 26) Utilizando dois ampl. operacionais 741 faça o projeto prático (valores comerciais, incluindo a pinagem) de dois amplificadores com ganhos de 15 e –30. 27) Utilizando um ampl. operacional LM 124 faça o projeto prático (valores comerciais, incluindo a pinagem) de um seguidor de tensão.

Ve 47 kΩ 220 kΩ

Vo X

Vo

X

5µV Vo

X

8mV

Vo=8V Vo=12mV 1mV


EXERCÍCIOS EXTRAS DE AMP. OPERACIONAL

Descrever a funcionamento de cada um dos circuitos abaixo. Indicar sua função e possível aplicação. 1)

2)

3)


4) 5)

6) 7)

Sérgio F. Pichorim, circuitos extraídos de: National Semiconductors LM 124/324 pdf file.


RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS

Pol. Transistores 1) 21,2µA, 1,7mA, 8,21V, 9,37V, 1,86V e 1,16V. 2) 32,2kΩ, 2mA, 8,18V, 16V, 3,12V e 2,42V. 3) 29,2µA, 2,92mA, 8,6V, 12,98V, 5,08V e 4,38V. 4) 32,55µA, 2,9mA, 8,1V, 8,1V, 0,7V e 0V 6) 3,5mA e 0V / 0mA e 16V 7) -0,83V, 3,12mA, 10,04V, 1,5V 9) -2,77V, 1,73mA, 5,41V, 0V, 8,18V e 2,77V 10) -1,6V, 3,2mA, 7,44V, 1,94V Amplificadores Genéricos 1) 120 8800 55mV 2) Zi=160kΩ 3) Zo=1kΩ, Av=100,125 e 150 4) Av=192,3 e 150, Ai=192,3 e 1250, Avt=28.845 e Ait=240.375 Parâmetros de Transistor (valores aproximados!) 1) a 38 10-4 9,5 10-4 b 1 kΩ c 5 kΩ d 20µ 75µ 160 µS e 110 f 90 g 70 h 100 i 85,7 j 140 2) IC = 5,2 e 3,4 mA IE = 5,27 e 3,43 mA β = 74,3 e 113,3 re = 5Ω e 7,6 Ω β.re = 370Ω e 860 Ω

Amplificadores com Transistores 11) 3,13mA, 8,3Ω, 497Ω, 2,2kΩ e -265 12) 3,13mA, 8,3Ω, 497Ω, 2,09kΩ e -251 13) 0,818mA, 31,8Ω, 1808Ω, 3,9kΩ e -122,6 14) 0,818mA, 31,8Ω, 4,06kΩ, 3,9kΩ e -3,17 15) 2,32kΩ, 2,11kΩ e -126,4 16) -0,81V, 5,27mS, 10MΩ, 1,8kΩ e -9,5. 17) 12,8MΩ, 5,5kΩ e -33 18) 5MΩ, 111Ω e 0,88. Amplificadores com Transistores 19 e 20) Ic=1,07mA Vce=5,06V re=24,22Ω, Zo=3,6kΩ e Zi=1,65kΩ. 19) Avo=-17,63, Av=-13, Ai=2,14, vi=36,7mV e vo=0,475V 20) Av1=-33, Ai1=33, Av2=-109,3, Ai2=11,25, Avt=3607, vi=0,632mV e vo=2,28V 22) a –20 b –10 c –30 23) 24) 25) 26) 27) 28)

Amplificador Operacional 1) Av = -6,7 a –9,7 2) Av = -3,5 a –14,2 3) Av = 1,33 a 3,53 4) Av = 4,6 a 48 5) Vo = -8,25 V 6b) Vo=V1-V2 6c) Subtrator 7) Vo = -17,5 V 8) Vo = -15 V 9) Vo = -20 V Amplificador Operacional 10) V1=-2,33V V2=12,7V 11) 3,275 V 12) 181mV a 180 graus 13) 1,18 V 14) -2,5 V 15) 1,2 Vcc – 0,18 Vef 16) 6mA 17) -25 V 18) 500 µA Amplificador Operacional 20) Triangular de 0 a -10V 21) Quadrada +6V e -6V e 300Hz 22) V1 + (R1/R2) (V1-V2) V2 – (R3/R2) (V1-V2) Amplificador Operacional 23) 35mV 427kHz 119kHz 13,3µs 24) 1,5V 0,426 V 25) 8000, 12, 56,48 dB

Sérgio F.Pichorim soov

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