Circuitos Osciladores e Realimentação

Prévia do material em texto

1
Eletrônica 
Analógica 
Avançada
Aula 02: Realimentação,
circuitos osciladores
e temporizadores
Professor Renato Kazuo Miyamoto
• Unidade de Ensino: 2
• Competência da Unidade: compreender a análise e 
projeto dos circuitos osciladores; 
• Resumo: apresentar o projeto e análise de circuitos 
osciladores variados;
• Palavras-chave: circuitos osciladores; teoria de 
realimentação; circuitos temporizadores; multivibrador
555;
• Título da Tele aula: Realimentação, circuitos osciladores 
e temporizadores;
• Tele aula nº: 2
Contextualização
• Como são gerados os sinais alternados?
• Quais circuitos podem ser utilizados em um 
gerador de função?
adaptada de Boylestad e Nashelsky (2013).
adaptada de Boylestad e Nashelsky (2013).
Contextualização AMP-OP
Amplificadores Operacionais são amplificadores diferenciais com ganho muito alto,
impedância de entrada alta e impedância de saída baixa.
Suas principais aplicações, como o próprio nome diz, são realizar operações
matemáticas (integração, diferenciação, soma, multiplicação/amplificação, etc.) -> 
região ativa.
Possui três modos de entrada: entrada inversora, entrada 
não inversora e entrada diferencial, quando as entradas 
inversora e não inversora são utilizadas simultaneamente.
Conceitos
Realimentação
• Existem dois tipos de 
realimentação:
• Negativa: controle do ganho do 
amplificador;
• Positiva: permite que o circuito 
entre em oscilação;
• Em alguns circuitos, mesmo 
com realimentação negativa 
acontece oscilação;
elaborada pelo autor.
1 2
3 4
5 6
2
• A realimentação negativa possui algumas 
vantagens em relação a positiva;
• Formas de conexão do sinal de realimentação:
• Realimentação-série de tensão.
• Realimentação-paralela de tensão.
• Realimentação-série de corrente.
• Realimentação-paralela de corrente.
• A realimentação-série de tensão é a mais 
utilizada pois permite uma alta impedância de 
entrada e baixa impedância de saída;
• Os ganhos de um circuito com 
realimentação podem ser definidos 
como:
• Para o circuito com realimentação-serie 
de tensão:
elaborada pelo autor.
• Circuito realimentação 
série de tensão com amp-
op;
• O ganho A é o ganho em 
malha aberta do amp-op;
elaborada pelo autor.
• Circuito 
realimentação 
série de tensão 
com transistor;
elaborada pelo autor.
Situação-problema: Projeto de amplificador com realimentação
• Você deve projetar um amplificador de som para integrar o 
projeto de um apito eletrônico para um cliente de sua empresa;
• O circuito deve possibilitar o ajuste do ganho (volume);
elaborada pelo autor.
Resolvendo a situação-problema
• Características: alta impedância de entrada, 
baixa impedância de saída e estabilidade no 
ganho  amplificador com amp-op;
• O amp-op deve disponibilizar uma alta corrente 
de saída  LM675 (3 A de saída);
• Ajuste do volume pode ser feito por um 
potenciômetro;
7 8
9 10
11 12
3
• O circuito possui a topologia de um 
amplificador não inversor, que utiliza 
realimentação negativa;
• O ajuste do potenciômetro permite o 
ajuste do ganho entre 21,1 e 1,1 vezes;
elaborada pelo autor.
Conceitos
Estabilidade em 
frequência e 
Circuitos 
osciladores
• Os amplificadores com realimentação negativa 
possuem essa condição somente na faixa 
central de operação  ganho varia com a 
frequência  deslocamento de fase;
• O deslocamento de fase faz com que parte do 
sinal de realimentação passe a ser somado 
realimentação positiva;
• O projeto de um amplificador deve levar em 
consideração a sua estabilidade em todas as 
frequências;
• Uma das formas de se analisar a estabilidade é 
utilizando os diagramas de Nyquist;
adaptada de Boylestad e Nashelsky (2013, p. 638).
• É possível determinar margens que irão indicar 
a instabilidade de um amplificador a partir do 
produto A.β;
adaptada de Ogata (2010, p. 426).
• Quando se deseja montar circuitos osciladores, 
utiliza-se diretamente um circuito com 
realimentação positiva;
• Caso o ganho em malha fechada seja maior 
que 1 e sejam satisfeitas as condições de fase, o 
circuito irá funcionar como um oscilador;
• Para que um circuito possua uma oscilação 
autossustentável, deve ser satisfeito o critério 
de Barkhausen:
13 14
15 16
17 18
4
• Na prática os circuitos são projetados com A.β maior que 1 para as 
oscilações se iniciem com a amplificação do ruído;
adaptada de Boylestad e Nashelsky (2013, p. 639).
Oscilador de deslocamento de fase
• Pode ser montado com 
transistor ou amplificador 
operacional;
• A malha de realimentação 
gera um deslocamento de 
fase de 180º;
• Sinal de saída senoidal e frequência de poucos 
Hz a centenas de kHz;
• Rf/Ri deve ser maior que 29;
elaborada pelo autor.
Oscilador a ponte de Wien
• Considerado o oscilador 
padrão para geração de ondas 
senoidais de baixas e médias 
frequências;
elaborada pelo autor.
Oscilador Colpitts
• Capaz de gerar sinais 
senoidais de alta frequência;
elaborada pelo autor.
elaborada pelo autor.
Oscilador a cristal
• Frequência 
estável devido as 
características do 
cristal;
elaborada pelo autor.
elaborada pelo autor.
19 20
21 22
23 24
5
Conceitos
Circuitos 
osciladores e 
temporizadores
Situação-problema: Projeto de circuito oscilador
• Você deve projetar um circuito oscilador para integrar o projeto de 
um apito eletrônico para um cliente de sua empresa;
• O circuito deve possibilitar o ajuste da frequência e ter saída 
senoidal;
elaborada pelo autor.
Resolvendo a situação-problema
• O oscilador deve permitir um ajuste de 
frequência entre 1 kHz e 50 kHz;
• Oscilador a ponte de Wien  utiliza poucos 
componentes e o ajuste de frequência pode ser 
feito por um potenciômetro;
• Considerações práticas são necessárias para 
garantir o funcionamento estável do circuito;
• Fixando o valor do capacitor e calculando o 
valor das resistências para os limites de 
frequência:
• Utilizar resistor de 910 Ω em série com 
potenciômetro de:
elaborada pelo autor.
• Diodos limitam a amplitude do sinal 
de saída evitando a saturação do 
amp-op;
• O TL071 possui boa largura de banda 
e slew rate, garantindo o 
funcionamento correto do oscilador;
elaborada pelo autor.
Circuitos temporizadores
• Os circuitos temporizadores são utilizados para gerar 
um pulso de tempo específico; Problema!
O sinal de entrada 
deve ficar em nível alto 
por toda a duração do 
pulso de saída. 
elaborada pelo autor.
25 26
27 28
29 30
6
• Circuito temporizador com disparo por pulso;
Problema!
O desligamento da 
saída ainda acontece 
lentamente seguindo a 
resposta do capacitor
elaborada pelo autor.
• Adicionar um 
circuito schmitt
trigger torna o 
desligamento da 
saída abrupto.
elaborada pelo autor.
Conceitos
Multivibrador 555
• Simplicidade  basta um capacitor e 
resistores para que entre em 
funcionamento;
• Muito utilizado para gerar ondas 
quadradas de baixas e médias frequências;
• Não necessita de fonte simétrica;
• Pode operar basicamente em dois modos:
• Monoestável;
• Astável;
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/
commons/3/35/NE555_Symbol.svg
• Funcionamento 
baseado em 
comparadores e 
um flip-flop;
https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:NE555_Bloc_Diagram.svg
Monoestável
• Utilizado para gerar atrasos 
de tempo;
31 32
33 34
35 36
7
Astável
• Gera uma onda 
quadrada em 
sua saída;
Situação problema: Projeto de circuito temporizador 
• Você deve projetar um circuito temporizador para integrar 
o projeto de um apito eletrônico para um cliente de sua 
empresa;
• O circuito deve possibilitar o ajuste do tempo de 1 a 10 s;
elaborada pelo autor.
Resolvendo a situação-problema
• Uma montagem mais compacta e eficiente 
pode ser feita utilizando o 555 na configuração 
monoestável;
• Fixando o valor do capacitor e calculando o 
valor do resistor para os limites de tempo:
• Portanto, deve ser colocado um resistor de 9,1 
kΩ em série com um potenciômetro de:
• Para melhorar a aproximação do valor do 
potenciômetro, pode se colocar um resistor em 
paralelo;• Também 
apresentar o 
circuito final do 
apito eletrônico;
elaborada pelo autor.
Conceitos
Recapitulando
37 38
39 40
41 42
8
Recapitulando
• Realimentação positiva e negativa;
• Critério de Barkhausen;
• Estabilidade em frequência;
• Oscilador a ponte de Wien;
• Oscilador Colpitts;
• Oscilador de deslocamento de fase;
• Oscilador a cristal;
• Circuitos temporizadores;
• Multivibrador 555: astável e monoestável;
• Circuito final do apito 
eletrônico que permite 
ajustes de frequência, 
volume e duração do 
apito;
elaborada pelo autor.
43 44
45