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Eletrônica II
Transistores de Efeito de Campo
Introdução Os transistores bipolares são dispositivos controlados por corrente,
isto é, a corrente de coletor é controlada pela corrente de base.
No caso do FET (Field-Effect Transistor ou Transistor de Efeito de Campo) a corrente é controlada pela tensão ou pelo campo elétrico.
Vantagens do FET em relação ao transistor bipolar: altíssima impedância de entrada além de ser um dispositivo de baixo ruído.
Aspectos Construtivos do JFET
O JFET é um dispositivo unipolar (o que significa apenas um tipo de portador, elétron ou lacuna, é responsável pela corrente controlada).
Fisicamente, podem ser encontrados dois tipos de JFET: JFET-Canal N e JFET Canal-P.
Simbologia:
Terminais:
Fonte (source)
Dreno (drain)
Porta (gate): faz o controle da passagem dos elétrons.
Construção do JFET
A figura acima mostra um JFET de canal N.
O aspecto construtivo mostrado na figura é utilizado apenas para fins didáticos.
Na prática, é extremamente complicado o processo de dopagem nos dois lados do substrato.
Funcionamento do JFET
O objetivo é controlar a corrente iD que circula entre a fonte e o dreno. Isto pode ser feito aplicando-se uma tensão na porta.
Com o potencial de porta igual a zero (VG=0 ou VGS=0), aplicando-se uma tensão entre o dreno e a fonte (VD ou VDS), surge uma corrente iD, como indica a figura.
Funcionamento A dopagem da região da porta é muito maior do
que a do canal, desta forma a região de depleção (região de carga espacial) será muito maior do lado do canal.
Parâmetros encontrados: IDSS - corrente máxima que o JFET pode produzir, na
qual ocorre o estrangulamento do canal quando VGS=0.
VPO – tensão máxima de saturação ou de estrangulamento (pinch-off).
VP – tensão na qual ocorre o corte do dispositivo.
BVDSS – tensão de ruptura do dispositivo para VGS = 0.
Consideremos inicialmente VDS=0 e apliquemos uma tensão VGS com a polaridade indicada na figura e que polariza reversamente a junção PN.
Inicialmente o canal estará todo aberto e entre e dreno e fonte existirá um canal com uma determinada resistência.
Como a tensão aplicada na resistência é zero a corrente resultante será zero (ID=0).
Funcionamento
Se a tensão de porta for aumentada, aumenta a polarização reversa o que faz a região de carga espacial avançar mais no canal até fechá-lo totalmente.
A tensão de porta que provoca o fechamento total do canal é chamada de tensão de pinçamento (pinch-off em inglês), VPO, sendo uma quantidade negativa no caso de canal N e positiva para o canal P.
Funcionamento
Agora consideremos VGS=0 e apliquemos uma tensão entre dreno e fonte com a polaridade indicada na figura .
O que acontece com a corrente quando VDS varia?
Inicialmente com o VDS pequeno o canal praticamente não se altera e dentro de certos limites o dispositivo se comporta como uma resistência.
À medida que VDS aumenta, a corrente de dreno aumenta provocando uma queda de tensão ao longo do canal que faz com que o estreitamento não seja uniforme.
Funcionamento
Na figura a corrente de dreno provoca entre o ponto A e a fonte uma tensão VA e entre o ponto B e a fonte uma tensão VB estando claro que VA>VB.
Estas tensões são aplicadas na junção de forma reversa e no ponto onde a tensão reversa é maior a região de carga espacial avança mais no canal,isto é, o estreitamento é maior próximo do dreno.
IDSS = corrente de curto circuito entre dreno e fonte ou drain-source shorted current e corresponde à corrente máxima de dreno que o JFET pode produzir.
O estreitamento é máximo quando a tensão de dreno for igual à tensão de pinçamento em modulo.
Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, as regiões de carga espacial não se tocam, ao invés disso o estreitamento aumenta ao longo do canal conforme figura e a corrente de dreno se mantém aproximadamente constante em IDSS, isto é, o dispositivo passa a se comportar como uma fonte de corrente constante.
Na pratica existe um pequeno aumento em ID quando VDS aumenta além de VP.
Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, eventualmente será atingida uma tensão que provocará a ruptura da junção, destruindo o dispositivo. Esta tensão é designada por BVDSS
Aumento da Camada de Depleção e Estreitamento do Canal
A partir de um certo valor de VDS ocorre o estrangulamento do canal (estreitamento máximo), fazendo com que a corrente iD permaneça praticamente constante.
Essa tensão é chamada de tensão de estrangulamento ou pinch off (VPO) e corresponde à tensão máxima de saturação do JFET.
A corrente de dreno para VGS=0, no seu ponto máximo, é denominada corrente de curto circuito entre dreno e fonte ou drain-source shorted current (IDSS) e corresponde à corrente máxima de dreno que o JFET pode produzir.
Mostramos abaixo a curva característica de dreno.
Curvas de Dreno Com uma pequena tensão entre dreno e fonte VDS, a região N
funciona como uma resistência e a corrente iD aumenta linearmente conforme VDS aumenta.
Conforme VDS aumenta, aparece uma tensão entre a fonte e a região de porta (VGS), polarizando reversamente essa junção.
Isso faz com que a camada de depleção aumente, estreitando o canal, o que aumenta a resistência na região N, fazendo com que diminua a taxa de crescimento de [email protected] 15
Aplicando-se entre porta e fonte uma tensão de polarização reversa (VGS1<0), haverá um aumento na camada de depleção, fazendo com que o estrangulamento do canal ocorra para valores menores de VDS e ID. O mesmo ocorre para outros valores negativos de VGS.
Para cada valor de VGS, obtém-se uma curva característica de dreno, até que ele atinja a tensão de corte = VP, na qual iD é praticamente zero.
Para qualquer FET a tensão de corte VP é igual, em módulo, à tensão de estrangulamento do canal (VPO).
VP = VPO
A corrente através da porta (iG) é muito pequena e desprezível, garantindo uma altíssima impedância de entrada (ZE).
Essa resistência pode ser calculada através da tensão máxima VGS que causa o corte do JFET (com VDS=0) e da corrente de porta de corte IGSS
(gate-source shorted current). ZE = VGS(VDS=0)
Exemplo: No JFET BF245, para –VGS = 20V, com VDS = 0, tem-se IGSS =
5nA. Calcule ZE.
Relembrando: ZE = VGS(VDS=0)
IGSS
ZE = 20 / 5x10-9 = 4GΩ
Há uma grande semelhança entre as curvas do JFET e a curva característica de saída do transistor bipolar, tendo, inclusive, as mesmas regiões: corte, saturação, ativa e de ruptura.
Parâmetros encontrados:
IDSS - corrente máxima que o JFET pode produzir, na qual ocorre o estrangulamento
do canal quando VGS=0.
VPO – tensão máxima de saturação ou de estrangulamento (pinch-off).
VP – tensão na qual ocorre o corte do dispositivo.
BVDSS – tensão de ruptura do dispositivo para VGS = 0.
Exemplo de Curvas de Dreno Se a tensão de porta foi fixada em VGS=0V, e a tensão de dreno for variada, o gráfico da corrente de dreno em função da tensão de dreno é obtido, IDxVDS, tendo VGS como parâmetro.
A figura mostra o circuito para obter as curvas características de dreno.
O gráfico no próximo slide mostra a curva de dreno do JFET quando VGS=0 e a tensão de dreno varia, para um JFET (2N4393) canal N com VP= - 2,81V.
Se a tensão de dreno aumentar mais ainda, eventualmente será atingida uma tensão, BVDSS para a qual a junção PN sofrerá ruptura.
Inicialmente com VDS=0 a corrente de dreno ID também é zero.
Com VDS aumentando e inicialmente bem menor do que VP o comportamento é de uma resistência, isto é, se a tensão de dreno dobrar de valor a corrente de dreno também dobra de valor.
Dizemos que a região de operação é chamada de região ôhmica ou saturação (o JFET se comporta como uma resistência controlada por VGS).
À medida que a tensão de dreno se aproxima da tensão de pinçamento (VPO) e o canal se aproxima do estreitamento máximo, a curva começa a se inclinar (resistência do dreno aumenta).
A corrente de dreno para VDS=VPO é denominada de IDSS, corrente na saturação.
Se a tensão de dreno aumentar além desse valor a variação da corrente de dreno fica constante em IDSS.
Por exemplo para o transistor 2N4393 IDSS=30mA.
Exemplo de Curvas de Dreno
Se agora for aplicada uma tensão, de porta de digamos VGS = -1V, e o procedimento é repetido, isto é, a tensão de dreno é variada a partir de zero, será obtida uma curva semelhante à anterior porém com um valor de corrente na saturação menor que IDSS.
O valor de VDS que provocará o pinçamento será menor, neste caso aproximadamente 1,8V.
De uma forma geral o valor de VDS que provoca o pinçamento é dado por:
O conjunto de curvas para os diferentes valores de VGS é chamado de curvas características de dreno.
Curva de Transferência A curva de transferência ou de transcondutância mostra como iD varia em
função da tensão VGS aplicada à porta, conforme mostra a curva.
Esta curva é obtida para o maior valor de VDS indicado na curva de dreno.
Esta curva é um trecho de parábola que tem como equação:
Alguns fabricantes não fornecem a curva de transferência. Com a equação anterior é possível obtê-la, esta equação é válida para qualquer JFET.
O JFET possui tolerâncias muito elevadas. Por isso os manuais fornecem as curvas típicas ou médias de
dreno e transferência, ou os valores máximos e mínimos para o par IDSS e VP.
Isso resultaria em duas parábolas, sendo uma para valores máximos e outra para valores mínimos.
Exemplo de Curva Característica
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Com os dados mínimos e máximos de IDSS e VP e através da equação da curva de transferência, as duas parábolas podem ser traçadas, como mostradas a seguir:
Pontos da parábola mínima:
Para VGS = -0,3V ID = 0,32mA
Para VGS = -0,1V ID = 1,28mA
Pontos da parábola máxima:
Para VGS = -6V ID = 0,41mA
Para VGS = -3V ID = 2,54mA
Para VGS= -1V ID = 5mA
1,28
As curvas características de transferência relacionam a saída, corrente de dreno (ID), com a entrada, tensão de porta (VGS).
Essas curvas são obtidas para um valor de VDS, por exemplo VDS=5V.
O gráfico de IDxVGS é chamado de curva característica de transferência, pois transfere os valores de entrada para a saída.
Curva característica de Dreno
Curva Característica De Transferência
O gráfico de IDxVGS é chamado de
curva característica
de transferência
, pois transfere os valores de
entrada para a saída.
A equação que relaciona corrente de dreno com tensão de porta é dada aproximadamente por:
onde IDSS é a corrente de dreno na saturação
para VGS=0 e VP a tensão de pinçamento.
Exemplo: Se VGS= -1V qual a corrente de dreno considerando o transistor 2N4393?
Como Vp= -2,81V e IDSS=36mA então:
Valor que pode ser obtido diretamente das curvas características.
Polarização do JFET Polarizar um JFET é determinar o seu ponto quiescente ou de operação (IDQ,
VGSQ e VDSQ).
A potência dissipada pelo JFET polarizado é dada por:
PD = VDSQ . IDQ
Atenção na hora de polarizar um JFET: A tensão VDD deve ser menor que BDVSS;
A potência dissipada pelo JFET deve ser menor que PDmáx, dada pelo fabricante;
A configuração fonte (source) comum é a mais utilizada para o JFET. Assim os tipos de polarização estarão baseados [email protected] 33
Polarização com VGS Constante Impõe-se uma tensão VGSQ constante na porta através de VGG para obter a
corrente IDQ desejada.
Dessa forma a junção está polarizada reversamente, por isso, VGSQ = -VGG.
Assim o resistor RG é utilizado apenas para definir a impedância de entrada do circuito, não influenciando na polarização do JFET.
Para polarizar o transistor basta calcular RD.
Malha de saída:
RD.IDQ + VDSQ – VDD = 0
RD = (VDD – VDSQ) / IDQ
Exemplo:A) Polarizar o JFET BF245A no seguinte ponto quiescente: IDQ = 1mA, VDSQ
= 15V e VGSQ = -1V.
RD = (VDD – VDSQ) / IDQ = (25 – 15) / 1x10-3
RD = 10 KΩ
B) Analisar as variações do ponto quiescente
em função das tolerâncias do transistor.
Traça-se a reta de VGS constante (VGSQ = -1V) sobre a curva de transferência deste transistor e tem-se:
Reta com VGS constante (VGSQ = -1V) O ponto quiescente Q poderá se
localizar em qualquer posição entre Q1 e Q2.
A variação de IDQ vai de 0 a 5mA.
Este tipo de polarização apresenta dois inconvenientes:
1º) Necessita de duas fontes de alimentação;
2º) Seu ponto quiescente pode ter variações brutais com VGS constante.
CURVAS FORNECIDAS PELO DATASHEET DA PHILIPS
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CURVAS FORNECIDAS PELO DATASHEET DA PHILIPS
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Autopolarização Utiliza apenas uma fonte de alimentação, eliminando-se VGG.
Isto é feito utilizando-se um resistor RS em série com a fonte JFET, para gerar uma tensão reversa na junção porta-fonte.
O resistor RS produz uma realimentação negativa.
Se a corrente de dreno iD aumenta, a tensão sobre RS também aumenta.
Isto faz aumentar a tensão reversa porta-fonte (VGS) estreitando o canal, reduzindo novamente a corrente iD.
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Autopolarização Existem duas formas de determinar os valores dos resistores de polarização (RS e
RD): pela reta de carga traçada sobre as curvas de dreno e pela reta de autopolarização traçada sobre a curva de transferência.
É mais interessante utilizar a curva de transferência para definir a polarização, pois os manuais sempre fornecem pelo menos os parâmetros IDSS e VP que a definem.
Determinação da Reta de AutopolarizaçãoÉ traçada sobre a curva de transferência, podemos obtê-la da malha de
entrada.-VGS = RS.ID – RG.IG
IG é praticamente nula devido à alta impedância de entrada, tem-se: -VGS = RS.ID
Um ponto da reta de autopolarização é a origem o outro deve encontrar a curva de transferência.
Reta de Autopolarização
Análise das Tolerâncias do JFET
O ponto quiescente pode estar localizado em qualquer posição entre Q1 e Q2.
A variação possível de IDQ na autopolarização é menor que com VGS constante e este circuito é mais estável.
Determinação dos Resistores de Polarização Da equação da reta de autopolarização, obtém-se:
RS = - VGSQ/ IDQ
Da malha de saída, obtém-se:
VDD = RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ
RD = (VDD- VDSQ + VGSQ) / IDQ
O valor de VDSQ é fixado por RD .
Exemplo:Dada a curva de transferência do JFET BF245A (PDmáx = 300mW), determinar os valores de
RS e RD do circuito de autopolarização para IDQ = 1mA e VDSQ = 15V.
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Determinação da Reta de Autopolarização 1º Ponto: Q 2º Ponto: Origem
Do ponto Q da reta de autopolarização, obtém-se: VGSQ = -1V
Cálculo de RS e RD:
RS = -VGSQ / IDQ = -(-1) / 1x10-3 RS = 1KΩ
RD = (VDD – VDSQ + VGSQ) / IDQ = (25 – 15 – 1) /1x10-3 = 9KΩ
Potência dissipada pelo JFET (deve ser menor que PDmax):
PD = VDSQ.IDQ = 15. 1x10-3 = [email protected] 48
Polarizando o JFET Sem a Curva de Transferência Para isso utiliza-se os valores mínimos de IDSS e VP, fornecidos pelos manuais.
Os dois pontos (IDSS, -VP) e a origem definem a reta de autopolarização.
Com os parâmetros (IDSSmax, -VPmax) e (IDSSmín, -VPmín), calculam-se dois valores para o resistor RS, sendo um para a parábola máxima e outro para a mínima:
RSmax = -VPmax / IDSSmax RSmín = -VPmín / IDSSmín
Um valor intermediário entre RSmín e RSmax garante um ponto quiescente próximo ao da parábola correspondente à dos parâmetros típicos do JFET.
Exemplo:Para o JFET BF245A, o manual do fabricante fornece os seguintes parâmetros:
Polarização por Divisão de Tensão na Porta Este tipo de polarização é uma mistura dos dois processos anteriores.
A tensão VGG em RG2 e a tensão em RS, impõem VGS na porta do JFET, sendo que VGG deve ser menor que VRS para garantir polarização reversa entre porta e fonte.
Como a corrente iG é praticamente zero, VGG pode ser calculada por:
VGG = RG2 .VDD
RG1 + RG2 (divisor de tensão)
Determinação da Reta de Autopolarização A tensão VGS fica definida pela diferença entre a tensão VRS e VGG:
-VGS = RS.ID – VGG
1º Ponto: para ID = 0 VGS = VGG
2º Ponto: para VGS = 0 ID = VGG / RS
Verifica-se que a reta é deslocada de zero para VGG na abscissa (eixo horizontal), diminuindo sua inclinação.
Em relação aos processos de polarização anteriores, este processo tem uma variação ainda menor de IDQ.
Reta de Autopolarização e Variações do Ponto Q
Malha de entrada:
RS = (VGG – VGSQ) / IDQ
Malha de Saída
RD = VDD – VDSQ – RS
IDQ
Exemplo: Determinar os valores de RG1, RG2, RS e RD do circuito de autopolarização do JFET
BF245A (PDmax = 300mW), para o ponto quiescente: IDQ = 1mA, VGSQ = -1V e VDSQ = 15V.
Como VGG deve ser menor que VGSQ, será utilizado: VGG = 0,5V.
Para encontrar RG1 e RG2 devemos arbitrar um
deles, neste caso RG2 = 10KΩ.
Relembrando:
VGG = __RG2___. VDD RS.IDQ – VGG + VGS = 0
RG1 + RG2 RD.IDQ + VDSQ + RS.IDQ – VDD =0
Resp: RG1= 490KΩ, RS = 1,5KΩ, RD = 8,5KΩ.
IG
Chave Analógica Iremos polarizar o JFET para funcionar nas regiões de corte e saturação, como uma chave DC.
Quando VG < VP, o JFET encontra-se na região de corte, isto é ID =0 e VS ≡ 0. É como se ele funcionasse como uma chave aberta.
Quando VG = 0, para um valor adequado de R, a corrente ID pode levar o JFET a operar na região de saturação. É como se ele funcionasse como uma chave fechada, VS ≡ VDD.
Na região de saturação, a curva de dreno tem uma inclinação que define a resistência entre dreno e fonte para sinais DC, denominada RDS(on), calculada por:
RDS(on) = VDS(sat) / IDSsat
RDS(on) pode variar entre unidades a centenas de Ohm.
Ao lado é mostrado o circuito equivalente para o JFET funcionando como chave DC.
Quando a chave está fechada, a tensão VDD divide-se entre RDS(on) e R.
Para minimizar o efeito de RDS(on) utiliza-se R>> RDS(on).
Amplificador Fonte Comum A configuração fonte comum é a mais utilizada para o JFET, atuando como
amplificador de pequenos sinais (baixa potência) e baixa frequência.
Os capacitores C1 e C2 têm a finalidade de acoplar o sinal AC, respectivamente, do gerador de entrada à porta e do dreno à carga de saída.
O capacitor CS serve para desacoplar o sinal AC da fonte, desviando-o para o terra.
Modelo Simplificado do JFET Este modelo é válido para valores de pico a pico de iD correspondentes a no
máximo 10% de IDQ e para frequências menores que a frequência de corte superior natural do JFET.
O parâmetro gfs é denominado condutância de transferência ou, simplesmente, transcondutância, e reflete o quanto a corrente de saída iD está sendo controlada pela tensão de entrada VGS.
Portanto, gfs pode ser obtida por:
Modelo Simplificado do JFET Os manuais fornecem o valor máximo de gfs, simbolizado por gfso, isto
é, quando VGS=0, porém seu valor pode ser calculado por:
Mas, para a análise do amplificador, o que interessa é o gfs para o ponto quiescente do JFET. Este valor pode ser calculado em função de gfso e por uma das expressões abaixo:
Modelo Simplificado do Amplificador O amplificador, para sinais AC pode ser representado pelo modelo do JFET
acrescido dos resistores de polarização vistos pelo gerador de entrada, mostrado abaixo.
Determinação dos principais parâmetros do amplificador:
Impedância de Entrada Total – ZET
Como ZE é muitíssimo alta, tem-se:
ZET = RG1 / / RG2
Modelo Simplificado do AmplificadorImpedância de Saída Total vista pela Carga – ZST
ZST = RD
Ganho de Tensão Total sem Carga – A´vT
Ignorando a presença da carga RL, a tensão na saída é VL = -gfs.VGS.RD.
Dividindo-se a tensão de saída pela tensão de entrada, tem-se:
Circuito equivalente final:
Exemplo:Para o amplificador a seguir, calcular
a tensão na carga e o ganho de tensão total AvT (considerando a carga). Dados: IDSS =8mA, VP= -2V, IDQ= 2mA, VGSQ= -1V.
CURVAS FORNECIDAS PELO DATASHEET DA PHILIPS
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CURVAS FORNECIDAS PELO DATASHEET DA PHILIPS
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Exercícios JFET
Dados os principais parâmetros do JFET BF256C na tabela:
1)Calcule os valores para desenhar as parábolas máxima e mínima e desenhe a curva de transferência do BF 256C com base nos valores máximos calculados.
2) Polarize o BF 256C com VGS constante para VDD = 25V, IDQ = 5mA e VDSQ = 10V.
3) Polarize o BF256C pelo processo de autopolarização para VDD = 25V, IDQ = 5mA, VDSQ = 10V e adote –VGSQ = 2,4V.
4)Polarize o BF256C pelo processo de divisor de tensão na porta para VDD = 25V, IDQ = 5mA, VDSQ = 10V, –VGSQ = 2,4V, VGG = 2V e adote RG2 = 1MΩ .
5)Implemente uma chave analógica que funcione de forma inversa à da apresentação apresentada, ou seja, VG = 0 → VS ≡ 0 e para VG < VP → VS ≡ VE.
Exercícios JFET1) Calcule os valores para desenhar as parábolas máxima e mínima e desenhe a curva de transferência do BF 256C com base nos valores máximos calculados.
Parábola mínima:Com VGS= -0,4V ID = 0,44mACom VGS= -0,3V ID = 1,76mACom VGS= -0,2V ID = 3,96mACom VGS= -0,1V ID = 7,04mA
Parábola máxima:Com VGS= -7V ID = 0,28mACom VGS= -5V ID = 2,53mACom VGS= -3V ID = 7,03mACom VGS= -1,5V ID = 11,88mACom VGS= -1V ID = 13,78mA
Exercícios JFET2) Polarize o BF 256C com VGS constante para VDD = 25V, IDQ = 5mA e VDSQ = 10V.RD.IDQ + VDSQ – VDD = 0 RD = (VDD – VDSQ) / IDQ
RD = (25 -10) / 5m = 3KΩ
3) Polarize o BF256C pelo processo de autopolarização para VDD = 25V, IDQ= 5mA, VDSQ = 10V e adote –VGSQ = 2,4V.
Como IG≡0 (ZE muito alta) -VGS = RS.ID RD = (VDD - VDSQ + VGSQ) / IDQ
RS = 2,4 / 5m = 480Ω RD = (25 – 10 – 2,4) / 5m = 2,52KΩ
Exercícios JFET4) Polarize o BF256C pelo processo de divisor de tensão na porta para VDD = 25V, IDQ = 5mA, VDSQ = 10V, –VGSQ = 2,4V, VGG = 2V e adote RG2 = 1MΩ.
VGG = __RG2___. VDD -VGS = RS.ID – VGG
RG1 + RG2 (divisor de tensão)
Da malha de saída temos: RD = VDD – VDSQ – RS
IDQ
RS = 4,4 / 5 = 880Ω RG1 = (25M – 2M) / 2 = 11,5MΩ
RD = [ (25 – 10) / 5m] - 880Ω = 2,12KΩ
Exercícios JFET5) Implemente uma chave analógica que funcione de forma inversa à da
apresentada, ou seja, VG = 0 →VS ≡ 0 e para VG < VP → VS ≡ VE.
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