Eletrônica Analógica II

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ELETRÔNICA ANALÓGICA II

FEE / ITEC / UFPA

Efeito da impedância de saída

≡∆∆

Erro na transferência de corrente do espelho:2

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Em um circuito de um espelho de corrente objetiva‐se também:‐ Diminuir o erro para a corrente desejada (Io).‐ Diminuir a dependência com Rout, ou seja, Rout tem que ser alta.

Características desejadas

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Compensação de corrente de base

• A relação de transferência de corrente é muito menos dependente de β que a do espelhode corrente simples.

• A reduzida dependência de β é conseguida incluindo um transistor QF cujo emissoralimenta as bases de Q1 e QREF


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Supondo Q1, Q2 e Q3 idênticos

A resistência de saída permanece aproximadamente igual àquela do espelho de corrente simples (igual a ro2).

Compensação de corrente de base

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Espelho de corrente de Wilson

Uma modificação simples, mas engenhosa no espelho bipolar básico, resulta tanto nadiminuição da dependência de β quanto no aumento na resistência de saída.

ó

ó ≅1

1 2/· ≅ /2

Determinação de Rout:Determinação de Icópia:


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Fonte de corrente de Widlar

O circuito denominado de fonte de corrente de Widlar difere do circuito do espelho decorrente básico de modo importante: um resistor RE é incluído no contato do emissor de Q2.

·

·

Considerando Q1 e Q2 dispositivos casados:

·

Mas,

Então: ·

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Fonte de corrente de Widlar

O uso do circuito de Widlar permite a geração de uma pequena corrente constante usando‐seresistores relativamente pequenos.

Exercício

Demonstre que a resistência de saída do circuito fonte de corrente de Widlar é igual aaproximadamente: ≅ 1 ∥


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Exemplo

O circuito abaixo mostra dois circuitos para gerar uma corrente constante igual a 10 µA que opera com uma alimentação de 10 V. Determine os valores dos resistores requeridos supondo que VBE é igual a 0,7 V para uma corrente de 1 mA e desprezando o efeito de β finito.

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Exemplo

Solução:

, , · ,

,0,7 ·

101

0,58

Então,10 0,5810. 10

942 Ω

Para o circuito da figura (a) – fonte de corrente básica:

Para o circuito da figura (b) – fonte de corrente de Widlar:

10 0,71.10

9,3 Ω

· 10 · 10 · 0,025 ·110

11,5 Ω


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Fonte de correntefunciona comocarga para queum alto ganhoseja alcançado.

Espelhos PNP

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Espelho de corrente MOS

ó//

·

A relação entre Icópia e IREF é determinada pela geometria dos transistores.

cópia

Que se reduz a ó se os transistores forem idênticos.


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Espelhos de corrente NMOS e PMOS

Estágio FC Seguidor

Estágio FCSeguidor

Para MOS não há o “efeito da corrente de base”.

ExercícioSe todos os transistores do circuito acima possuírem a mesma razão de aspecto, determine acorrente de dreno de cada transistor.

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Exemplo

Um circuito integrado emprega o seguidor de fonte e o estágio fonte comum mostrados nafigura abaixo. Projete um espelho de corrente que produza I1 e I2 a partir de uma referência de0,3 mA.


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Solução:

Uma possível solução seria selecionar razões de aspecto de 3 · para o dispositivo

conectado como diodo, 2 · para MI1 e 5 · para MI2.

Exemplo

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AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS


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• A configuração com amplificador diferencial permite polarizar simultaneamente osestágios amplificador e o par amplificador sem o uso de capacitores de passagem ouacoplamento, normalmente empregado no projeto de circuitos amplificadores discretos.

AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS

• O par diferencial ou amplificador diferencial é a configuração mais utilizada em circuitosintegrados analógicos.

• O estágio de entrada de um amplificador operacional é um amplificador diferencial.

• Circuitos diferenciais são muito menos sensíveis ao ruído e interferência em relação aosconvencionais.

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Parapolarização

Sinal de voz

Exemplo

• O circuito da figura abaixo foi projetado para amplificar o sinal produzido por ummicrofone. Contudo, ao aplicar o circuito a um alto‐falante observou‐se que a saída doamplificador continha um forte “chiado”. Explique os prováveis motivos para isso.

Solução:

Alimentação Saída (d.c.+a.c.):

Necessidade de eliminar o ripple na saída

Componente d.c.:

microfone


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Para polarização Para polarização

Exemplo

• Como suprimir o “chiado” referente ao exemplo anterior?

‐ Aumentando o capacitor da fonte (ver limitação de volume do circuito).‐ Modificando a topologia do amplificador para que a saída se torne independente dafonte de alimentação (Vcc)

A saída é medida ente os nós X e Y, portanto:

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Sinal em modo comum

Se o mesmo sinal de entrada for aplicado na base de Q1 e Q2.

As componentes de sinal x e yestão em fase e cancelam‐semutuamente.

Para polarizaçãoPara polarização


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Sinais diferenciais

• Invertendo uma das fases da entrada:

Esta topologia provê o dobro da excursão de saída, pois explora a capacidade deamplificação do estágio duplicado.

Circuito para converter o sinal produzidopelo microfone em duas componentes(+vin e ‐ vin) :

Se dois sinais de entrada de polaridades opostas são aplicados, a operação é denominada“terminação dupla”.

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Sinais diferenciais

• O sinal diferencial é medido entre dois nós que têm excursões iguais e opostas.

Sinal diferencial de entrada

Sinal diferencial de saída


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• Exemplo de sinais diferenciais

Sinais diferenciais

Logo, o valor pico a pico da excursão diferencial é 4

v1 e v2 são sinais diferenciais: variam de forma igual e oposta em torno de um nívelmédio fixo, VCM.

A tensão c.c. VCM é chamada de “nível de modo comum (CM)”

Dados os sinais: e

Circuitos diferenciais tem uma maior excursão de tensão máxima.

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Exemplo

• Amplificador de biopotencial

Fonte: David Prutchi e Michael Norris. Design and Development of Medical Electronic Instrumentation. John Wiley & Sons, Inc. 2005

Outro exemplo da necessidade de utilização de amplificador diferencial


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O PAR DIFERENCIAL BIPOLAR (COM TBJ)

Configuração básica do par diferencial com TBJ.

O circuito é semelhante ao estudado anteriormente, exceto pelo fato de que os emissores deQ1 e Q2 são conectados a uma fonte de corrente constante.

IEE é chamada de fonte de corrente de cauda (“tail current source”).

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O PAR DIFERENCIAL BIPOLAR (COM TBJ)

Operação com tensão em modo comum

Para evitar a saturação:

Para o circuito acima, tem‐se:


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Limite superior de VCM

para evitar a saturação.

Operação em modo comum

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Exemplo

• Um par diferencial bipolar utiliza uma resistência de carga de 1 kΩ e uma corrente de caudade 1 mA. Quão próximos podem ser os valores escolhidos para VCC e VCM?

Ou seja, VCM deve permanecer abaixo de VCC por, pelo menos 0,5 V.

Solução:

,


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Para grandes variações nas tensões de entrada de Q1 e Q2 somente um transistor irá conduzir.

• Os dois transistores do circuito da figura abaixo estão em condução?

Par bipolar

Exemplo

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Com um VBE1 = 1,7 V um transistor típico conduzuma corrente enorme e, como IC1 não pode sermaior que IEE, conclui‐se que as condiçõesVBE1=1,7 V e VP=0,3 V não podem ocorrer.

Então, na verdade com uma tensão típica VBE1 = 0,7 V,Q1 mantém o nó P com 1,3 V e assegura que Q2

permaneça desligado.

Solução:

Supondo que Q2 esteja em condução:

+0,7 V‐

Portanto, somente Q1 está em condução e Q2 estáem corte.

+0,7 V‐

+‐0,3 V‐

1 0,7 0,3

Exemplo


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Exercício

Para o circuito abaixo suponha IEE = 1 mA. Qual o valor máximo permitido para RC para que Q1

permaneça na região ativa?

Resposta: 500Ω

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Exercício

Para o circuito abaixo suponha IEE = 1 mA e RC = 800 Ω. Determine a região de operação de Q1?

Resposta: Q1 opera na região de saturação.


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Exercício

Calcule o valor de vE, vC1 e vC2 no circuito da figura abaixo. Suponha que de umtransistor em condução é aproximadamente 0,7 V e que ≅ 1.

Exercício 7.7 Sedra/Smith, 5ª edição

Resposta: +0,7 V; ‐5 V; ‐0,7 V.

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OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS

‐ Necessidade de entender as limitações do circuito quando opera como amplificador linear.‐ Aplicação do par diferencial como um circuito (não linear) de direcionamento de corrente.


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Operação com grandes sinais

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A diferença entre vin1 e vin2 não pode ser muito grande, pois um transistor levará o outroao corte.

À medida que a diferença entre as duas entradas se afasta de zero, o par diferencial“direciona” a corrente de cauda de um transistor para o outro.



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Região linear

Tensão diferencial de entrada normalizada

Corrente de coletor norm

alizada EE EE

EE

Fonte: Sedra/Smith ‐Microeletrônica 5ª Edição Operação com grandes sinais

• Observe que uma diferença de tensão de cerca de 4VT é suficiente para chavear quaseinteiramente a corrente para um lado do par com TBJ.

• O par diferencial com TBJ pode ser usado como uma chave de corrente.

• Para operação linear, a diferença do sinal de entrada é limitada a VT /2.

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Exemplo

• Determine as correntes de coletor em função da corrente de cauda IEE quando:

Q1 conduz apenas 0,00454% da corrente de cauda e pode‐se considerar que IEE foitotalmente direcionada para Q2.

Solução:

Como:

Portanto,

.


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Exemplo

• Determine a tensão diferencial de entrada que direciona 98% da corrente de cauda paraum dos transistores do par diferencial.

Um sinal de 4.VT é suficiente para praticamente desligar um lado do par bipolar. Este valorpermanece independente de IEE e IS.

Portanto,

Solução:

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Para as tensões de saída, tem‐se:

Tensão de saída diferencial:

Lembrando que:


tanh11

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Comparando com a equação acima: 2


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Portanto, a tensão de saída diferencial pode ser expressa como:


Tensão de saída diferencial:

Tensão em um terminal de saída:

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Exemplo

• O que acontece com as curvas da corrente no coletor e da tensão diferencial de saída se atemperatura passar de 27 oC para 100 oC?

Solução:

-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Vin,diferencial [V]

Ic1/

IEE

e I

c2/I

EE

(em

T =

27

oC);

Ic1

/IE

E e

Ic2

/IE

E (

em T

= 1

00 o

C)

[m

A]

Ic1 (27 oC)

Ic2 (27 oC)Ic1 (100 oC)

Ic2 (100 oC)


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Exemplo

Continuação

-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Vin,diferencial [V]

Vou

t,di

fere

ncia

l/Rc*

IEE

(27

oC

) ;

Vou

t,di

fere

ncia

l/Rc*

IEE

(10

0 oC

) [

V]

vout,dif (27 oC)

vout,dif (100 oC)

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Com resistor de degeneração (RE)

Técnica frequentemente adotada para aumentar a faixa de operação linear.

Corrente de coletor norm

alizada

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