🎛️ 01 Eletrônica Analógica

Navegação Rápida & Integração Curricular

🏭 Grande Área: 05 Eletrônica, Automação e Controle | 🏠 Hub Central: Hub Principal 📚 Escopo Curricular: Eletrônica Analógica I (Física de Semicondutores, Diodos, TBJ, JFET/MOSFET e Amp-Op Ideal) & Eletrônica Analógica II (Múltiplos Estágios, Cascode, Par Diferencial, Amp-Op CMOS de 2 Estágios, Resposta em Frequência, Efeito Miller, 4 Topologias de Realimentação, Filtros Ativos, Osciladores e Amplificadores de Potência Classes A/B/AB/C/D).

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1. Visão Geral da Disciplina

A disciplina de Eletrônica Analógica constitui o pilar fundamental do processamento contínuo de sinais no domínio elétrico e da interface física entre o mundo real (grandezas analógicas como temperatura, pressão, som e luminosidade) e os subsistemas digitais de processamento. Seu escopo estende-se desde a física quântica do estado sólido e transporte de portadores em semicondutores até a síntese e projeto de circuitos integrados analógicos complexos, abrangendo amplificação linear de pequenos e grandes sinais, instrumentação de alta precisão, filtragem seletiva ativa, geração autônoma de sinais senoidais e estágios de potência termicamente compensados.

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2. Mapa Estruturado das Aulas (Gold Standard)

A matriz programática desta disciplina foi integralmente estruturada e sintetizada no padrão de excelência acadêmica, contendo modelagem físico-matemática exaustiva, equacionamento rigoroso em KaTeX, esquemáticos e curvas em vetores SVG padronizados na paleta Catppuccin Mocha, cadernos de exercícios da UFPR (TE329) e banco de questões comentadas de concursos públicos federais e ENADE:

2.1 🕹️ Laboratórios Virtuais Interativos (HTML5 + SVG)

🕹️ Simulador Dinâmico Interativo: Retificadores (Meia-Onda, Tap Central e Graetz), Regulador Zener e Polarização de TBJ (Retas CC/CA)

Laboratório duplo para análise temporal de retificadores com filtro capacitivo e regulação Zener ($V_{DC},V_{r,pp},PIV$, pulsos $i_D(t)$) e projeto de polarização de TBJ por divisor de tensão com Retas de Carga Estática (CC) e Dinâmica (CA), parâmetros de pequenos sinais ($g_m,r_{\pi },A_v$) e ceifamento por corte e saturação: 👉 ▶️ Clique para Abrir o Simulador em Tela Cheia no Navegador (Arquivo no cofre: [[simulador_analogica_diodos_retificadores_tbj_reta_carga.html]] — Integrado na Aula 01 e Aula 02)

🕹️ Simulador Dinâmico Interativo: Filtros Ativos Analógicos (Butterworth vs. Chebyshev e Mapa de Polos)

Síntese interativa de filtros ativos de $1^{\text{a}}$ a $8^{\text{a}}$ ordem nas aproximações de Butterworth e Chebyshev Tipo I ($\epsilon$), com transformações espectrais (LPF, HPF, BPF e Notch), Diagramas de Bode de Magnitude/Fase, mapa de polos e zeros no plano $s$ e dimensionamento Sallen-Key: 👉 ▶️ Clique para Abrir o Simulador em Tela Cheia no Navegador (Arquivo no cofre: [[simulador_filtros_ativos_butterworth_chebyshev_bode.html]] — Integrado na Aula 05 e Aula 06)

🕹️ Simulador Dinâmico Interativo: Amplificadores de Potência (Classes A, B e AB) e Dimensionamento Térmico

Análise temporal de tensão e corrente nos estágios de saída Classes A, B e AB, visualização da Distorção de Crossover, curva parabólica de dissipação nos transistores com atalho para o ponto crítico $V_p=\frac{2V_{CC}}{\pi }$ e cálculo eletro-térmico da temperatura de junção $T_J$: 👉 ▶️ Clique para Abrir o Simulador em Tela Cheia no Navegador (Arquivo no cofre: [[simulador_amplificadores_potencia_classes_ab_termico.html]] — Integrado na Aula 07)

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3. Prontuário de Fórmulas e Equações Canônicas

3.1 Diodos e Retificação

• Equação de Shockley da Junção: $I_D=I_S\left[\exp \left(\frac{V_D}{n{V}_T}\right)-1\right],V_T=\frac{k_{B}T}{q}\approx 26\text{ mV}$
• Resistência Dinâmica Incremental: $r_d=\frac{n{V}_T}{I_{DQ}}$
• Tensão de Ripple Pico-a-Pico (Filtro Capacitivo): $V_{r,pp}=\frac{I_{DC}}{f_{r}C}=\frac{V_{\text{max}}}{f_r{R}_{L}C}$
• Tensão Contínua Média com Filtro C: $V_{DC}=V_{\text{max}}-\frac{V_{r,pp}}{2}$

3.2 Transistor Bipolar de Junção (TBJ)

• Relações de Corrente e Ganho: $I_E=I_B+I_C,I_C=\beta I_B=\alpha I_E,\alpha =\frac{\beta }{\beta +1}$
• Polarização por Divisor Thévenin: $I_{BQ}=\frac{V_{th}-V_{BE}}{R_{th}+(1+\beta )R_E},V_{th}=V_{CC}\left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right),R_{th}=R_1\parallel R_2$
• Condição de Insensibilidade a $\beta$: $R_{th}\le 0,1(1+\beta )R_E$
• Parâmetros Híbrido-$\pi$ de Pequenos Sinais: $g_m=\frac{I_{CQ}}{V_T},r_{\pi }=\frac{\beta }{g_m}=\frac{V_T}{I_{BQ}},r_o=\frac{V_A}{I_{CQ}}$

3.3 Transistores de Efeito de Campo (MOSFET / JFET)

• JFET em Saturação (Shockley): $I_D=I_{DSS}{\left(1-\frac{V_{GS}}{V_P}\right)}^2,g_m=\frac{2I_{DSS}}{|V_P|}\left(1-\frac{V_{GS}}{V_P}\right)$
• MOSFET NMOS em Região Triodo ($V_{DS}<V_{GS}-V_{th}$): $I_D=k_n\left[(V_{GS}-V_{th})V_{DS}-\frac{1}{2}{V}_{DS}^2\right]$
• MOSFET NMOS em Região de Saturação ($V_{DS}\ge V_{GS}-V_{th}$): $I_D=\frac{1}{2}{k}_n(V_{GS}-V_{th}{)}^2(1+\lambda V_{DS})$
• Transcondutância do MOSFET: $g_m=k_n{V}_{ov}=\frac{2I_{DQ}}{V_{ov}}=\sqrt{2k_n{I}_{DQ}}$

3.4 Amplificadores Operacionais, AmpOp CMOS e Instrumentação

• Amplificador Inversor e Não-Inversor: $A_{v,\text{inv}}=-\frac{R_f}{R_1}(R_{\text{in}}=R_1),A_{v,\text{n-inv}}=1+\frac{R_f}{R_1}(R_{\text{in}}\to \infty )$
• Amplificador de Instrumentação (INA de 3 Amp-Ops): $A_d=\left(1+\frac{2R_1}{R_G}\right)\left(\frac{R_3}{R_2}\right)$
• AmpOp CMOS de Dois Estágios (Ganhos, Compensação de Miller e Anulação do Zero): $A_{v1}=-g_{m1}(r_{o2}\parallel r_{o4})=-\frac{2/V_{OV1}}{\frac{1}{|V_{A2}|}+\frac{1}{V_{A4}}},A_{v2}=-g_{m6}(r_{o6}\parallel r_{o7})=-\frac{2/V_{OV6}}{\frac{1}{V_{A6}}+\frac{1}{|V_{A7}|}}$ ${\omega }_t=\frac{g_{m1}}{C_C},s_z=\frac{1}{C_C\left(\frac{1}{g_{m6}}-R_z\right)}⟹R_z=\frac{1}{g_{m6}}\text{ (elimina o zero RHP)}$
• Largura de Banda e Slew Rate: $f_c=\frac{GBW}{A_v},SR=\frac{I_{\text{tail}}}{C_C},f_{\max }=\frac{SR}{2\pi V_{\text{pk}}}$

3.5 Filtros Ativos e Osciladores

• Sallen-Key LPF com Componentes Iguais: ${\omega }_0=\frac{1}{RC},Q=\frac{1}{3-K},K=1+\frac{R_a}{R_b}(K_{\text{Butterworth}}=3-\sqrt{2}\approx 1,586)$
• Aproximações de Butterworth e Chebyshev Tipo I: $|H_{\text{Butt}}(j\omega )|=\frac{1}{\sqrt{1+(\omega /{\omega }_0{)}^{2n}}},|H_{\text{Cheb}}(j\omega )|=\frac{1}{\sqrt{1+{\epsilon }^2{C}_n^2(\omega /{\omega }_0)}},\epsilon =\sqrt{10^{R_{\text{dB}}/10}-1}$
• Escalonamento de Impedância ($k_m$) e Frequência ($k_f$): $R^{\prime }=k_{m}R,L^{\prime }=\frac{k_m}{k_f}L,C^{\prime }=\frac{C}{k_m{k}_f}$
• Critério de Oscilação de Barkhausen e Ponte de Wien: $|A(j{\omega }_0)\beta (j{\omega }_0)|=1,\angle [A(j{\omega }_0)\beta (j{\omega }_0)]=0^{\circ }⟹f_{0,\text{Wien}}=\frac{1}{2\pi RC},\beta ({\omega }_0)=\frac{1}{3},R_f\ge 2R_1$

3.6 Par Diferencial, Cascode, Teorema de Miller e Realimentação Negativa

• Impedância de Saída e Ganho do Estágio Cascode: $R_{\text{out,cas}}=(1+g_{m2}{r}_{o2})r_{o1}+r_{o2}\approx g_{m2}{r}_{o2}{r}_{o1},A_{v0,\text{cas}}\approx -(g_{m1}{r}_{o1})(g_{m2}{r}_{o2})$
• Par Diferencial (Modo Diferencial, Modo Comum, CMRR e Carga Ativa): $A_d=g_m(R_D\parallel r_o),A_{cm}=-\frac{g_m{R}_D}{1+2g_m{R}_{SS}},CMRR=\left|\frac{A_d}{A_{cm}}\right|,A_{d,\text{espelho}}=g_{m1}(r_{o2}\parallel r_{o4})$
• Teorema de Miller e Frequência de Transição ($f_T$): $C_{\text{in,M}}=C_F(1-A_v)=C_F(1+|A_v|),C_{\text{out,M}}=C_F\left(1+\frac{1}{|A_v|}\right),f_T=\frac{g_m}{2\pi (C_{GS}+C_{GD})}$
• Equação Geral da Realimentação Negativa e Impedâncias: $A_f=\frac{A}{1+A\beta },f_{Hf}=f_H(1+A_0\beta ),PM=180^{\circ }+\angle T(j{\omega }_{0\text{dB}})$ $\text{Tensa˜o-Seˊrie: }{R}_{\text{in},f}=R_{\text{in}}(1+A\beta ),R_{\text{out},f}=\frac{R_{\text{out}}}{1+A\beta }|\text{Corrente-Seˊrie: }{R}_{\text{in},f}=R_{\text{in}}(1+A\beta ),R_{\text{out},f}=R_{\text{out}}(1+A\beta )$ $\text{Tensa˜o-Paralelo: }{R}_{\text{in},f}=\frac{R_{\text{in}}}{1+A\beta },R_{\text{out},f}=\frac{R_{\text{out}}}{1+A\beta }|\text{Corrente-Paralelo: }{R}_{\text{in},f}=\frac{R_{\text{in}}}{1+A\beta },R_{\text{out},f}=R_{\text{out}}(1+A\beta )$

3.7 Amplificadores de Potência (Classes A, B e AB) e Dimensionamento Térmico

• Seguidor de Emissor Classe A: $A_v=\frac{R_L}{R_L+\frac{V_T}{I_1}},V_{p,\max }=I_1{R}_L,\eta =\frac{V_p}{4V_{CC}}⟹{\eta }_{\max }=25\%$
• Estágio Push-Pull Complementar Classe B: $P_{\text{out}}=\frac{V_p^2}{2R_L},P_{SS}=\frac{2V_{CC}{V}_p}{\pi R_L},\eta =\frac{\pi }{4}\left(\frac{V_p}{V_{CC}}\right)⟹{\eta }_{\max }=\frac{\pi }{4}\approx 78,54\%$ $V_{p,\text{crit}}=\frac{2V_{CC}}{\pi }\approx 0,6366V_{CC}(\eta =50\%)⟹P_{D,\max \text{ (total)}}=\frac{2V_{CC}^2}{{\pi }^2{R}_L},P_{Q,\max \text{ (por transistor)}}=\frac{V_{CC}^2}{{\pi }^2{R}_L}$
• Multiplicador de $V_{BE}$ (Classe AB) e Equação Eletro-Térmica de Fourier: $V_{BB}=V_{BE}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right),T_J-T_A=P_D\cdot \left({\theta }_{JC}+{\theta }_{CS}+{\theta }_{SA}\right)$

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4. Acervo de Apostilas, Slides e Listas de Exercícios Integradas

4.1 Acervo Base de Eletrônica Analógica I

• O Diodo · Transistor Bipolar de Junção (TBJ) · O Transistor · Amplificadores Operacionais · Introdução aos Sistemas Analógicos · Sistemas de transmissão analógicos e digitais · ABC da Eletrônica 10.

4.2 Acervo de Eletrônica Analógica II (UFPR — TE329 — Profa. Ana Flávia dos Reis)

• Aulas Teóricas:
  1. 1. Revisão analog I e características não ideiais de Amplificadores
  2. 2. Amplificadores de múltiplos estágios e amplificadores diferenciais
  3. 3. Resposta em frequência
  4. 4. AmpOp CMOS de dois estágios
  5. 5. Realimentação de AmpOps parte I
  6. 6. Realimentação de AmpOps parte II
  7. 7. Filtros analógicos parte I
  8. 8. Filtros analógicos parte II
  9. 9. Amplificadores de Potência
  10. 10. Osciladores
• Listas de Exercícios e Atividades Práticas:
  • lista_exercicios_parte1 (Múltiplos estágios, Cascode, Espelhos de corrente e Par diferencial)
  • lista_exercicios_parte2 (Diagramas de Bode, Baixa/Alta frequência, Teorema de Miller, AmpOp e 4 Topologias de Realimentação)
  • lista_exercicios_parte3 (Filtros passivos/ativos, Butterworth/Chebyshev, Osciladores RC/LC e Amplificadores de Potência)

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5. Integração Multidisciplinar e Conexões no Vault

A disciplina de Eletrônica Analógica atua como a espinha dorsal de condicionamento e controle que conecta os seguintes domínios do conhecimento:

• 03 Eletrônica Industrial: Conversores chaveados CC-CC (Buck/Boost), pontes tiristorizadas e controle PWM de potência utilizam os princípios de semicondutores e par de disparo.
• 04 Sistemas Dinâmicos e Controle: Resposta em frequência de malha fechada, margens de ganho e fase e estabilidade de Bode são diretamente aplicados nos amplificadores com realimentação e filtros ativos.
• 09 Sistemas de Proteção e Medição: Os canais de aquisição de sinal de relés digitais IED utilizam amplificadores de instrumentação e filtros anti-aliasing Sallen-Key analógicos antes da conversão A/D.
• 02 Eletrônica Digital: A operação de portas lógicas TTL e inversores CMOS fundamenta-se nos estados de chaveamento corte/saturação de TBJs e MOSFETs.

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6. Referências Bibliográficas Normativas

1. SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microelectronic Circuits. 7th ed. Oxford: Oxford University Press, 2014.
2. RAZAVI, Behzad. Fundamentals of Microelectronics. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2013.
3. BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 11ª ed. São Paulo: Pearson, 2013.
4. FRANCO, Sergio. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. 4th ed. New York: McGraw-Hill, 2014.
5. MALVINO, Albert; BATES, David. Eletrônica: Volume 1 e Volume 2. 8ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2016.
6. JAEGER, Richard C.; BLALOCK, Travis N. Microelectronic Circuit Design. 5th ed. New York: McGraw-Hill, 2015.