Apostila de Eletrônica

Analógica/Potência

2

Sumário

1. Dispositivos semicondutores: diodos, tiristores e transistores. Diodos de junção, circuitos com diodos e diodos especiais. ....................................................................................................... 4

1.1 Materiais extrínsecos tipo n e tipo p (Boylestad) ............................................................ 4 1.2 Diodos semicondutores (Boylestad) ................................................................................. 4 1.3 Tiristores (Apostila)................................................................................................................. 6 1.4 Transistores (Boylestad)........................................................................................................ 7

2 Características e princípios de operação de dispositivos semicondutores. .................. 10 2.1 Diodos de potência ........................................................................................................... 10 2.2 Tiristores................................................................................................................................. 11 2.3 GTO – Gate turn off thyristor ............................................................................................. 12 2.4 Transistor bipolar de potência - TBP ............................................................................... 13 2.5 Transistor de efeito de campo – MOSFET ....................................................................... 14 2.6 Insulated Gate Bipolar Transistor – IGBT .......................................................................... 14

3 Transistores. Transistores bipolares. Análise para pequenos sinais. Operação como amplificador. ...................................................................................................................................... 16

3.1 O transistor como amplificador ....................................................................................... 17 3.2 A análise para pequenos sinais ....................................................................................... 18

4 Transistores de efeito de campo (FET). Transistores MOS. Polarização, amplificadores e características de ganho e freqüência. Amplificadores de sinais de potência................... 21

4.1 Estrutura e operação do MOSFET tipo enriquecimento.............................................. 21 4.2 O MOSFET tipo depleção.................................................................................................. 22 4.3 O MOSFET como amplificador ......................................................................................... 22 4.4 Polarização de circuitos amplificadores MOSFET......................................................... 24 4.5 Amplificadores MOS de estágio simples ........................................................................ 26 4.6 Resposta em freqüência do amplificador FC............................................................... 28

5 Tipos de comutação. Conversores CC/CC. Conversores CC/CA. Conversores CA/CC. Comutação não dissipativa. Considerações de projetos: proteção de dispositivos e circuitos de comando. Proteção e comutação de tiristores. .................................................. 30

5.1 Conversores CC/CC .......................................................................................................... 30 5.2 Conversores CC/CA – Inversores..................................................................................... 31 5.3 Conversores CA/CC – Retificadores............................................................................... 31 5.4 Comutação não dissipativa............................................................................................. 32 5.5 Proteção de dispositivos e circuitos de comando....................................................... 33

6 Retificadores, chaveadores e inversores. Operação em onda quadrada e PWM...... 35 6.1 Conversores CA/CC - Retificadores ............................................................................... 35 6.2 Conversores CC/CA - Inversores ..................................................................................... 36 6.3 Modulação em onda quadrada .................................................................................... 38 6.4 Modulação por largura de pulso – PWM....................................................................... 38 6.5 Conversores CC/CC .......................................................................................................... 39

7 Harmônicos e filtros. Filtros ativos e aspectos frequenciais, filtros butterworth, filtros chebyshev. Implementação de filtros e resposta em freqüência........................................... 41

7.1 Características dos filtros ativos e seus aspectos relevantes. .................................... 41 7.2 Filtros Butterworth e Chebyshev....................................................................................... 43 7.3 Implementação de Filtros ................................................................................................. 44

8 Características de amplificadores: ganho, eficiência, distorção, ruído, resposta em freqüência, impedância de entrada e saída, configurações e estabilidade. ..................... 48

8.1 Resposta em freqüência, estabilidade, distorção (boylestad 440) .......................... 48 8.2 Saturação ............................................................................................................................ 50

3

8.3 Eficiência (boylestad – 445).............................................................................................. 50 8.4 Ruídos.................................................................................................................................... 50 8.5 Modos de configuração do amp-op............................................................................. 51 8.6 Impedância de entrada e saída..................................................................................... 51 8.7 Ganho .................................................................................................................................. 52 8.8 Circuitos amp-ops práticos............................................................................................... 53

9 Amplificadores operacionais. Configurações básicas. Circuitos com amplificadores operacionais. Amplificadores realimentados e circuitos osciladores. Amplificações não lineares. ............................................................................................................................................... 55

9.1 Configurações básicas...................................................................................................... 55 9.2 Circuitos amp-ops práticos............................................................................................... 56 9.3 Amplificadores realimentados e circuitos osciladores ................................................ 58 9.4 Aplicações não lineares.................................................................................................... 62

10 Conceitos básicos de circuitos digitais. Blocos lógicos. Álgebra booleana, realização e minimização de funções booleanas. Portas lógicas. Circuitos combinacionais. Circuitos seqüenciais. Flip-flops e Memória................................................... 66

10.1 Álgebra Booleana.............................................................................................................. 66 10.2 Portas lógicas ...................................................................................................................... 66 10.3 Tabela da verdade............................................................................................................ 67 10.4 Circuitos lógicos.................................................................................................................. 67 10.5 Leis Fundamentais e Propriedades da Álgebra Booleana......................................... 68 10.6 Derivação de expressões booleanas ............................................................................. 69 10.7 Mapas de Karnaugh.......................................................................................................... 70 10.8 Circuitos combinacionais.................................................................................................. 72

11 Comparadores, conversores AD/DA, temporizadores, circuitos PLL............................ 77 11.1 Comparadores ................................................................................................................... 77 11.2 Conversores Analógicos/Digitais ..................................................................................... 78 11.3 Temporizadores................................................................................................................... 81 11.4 Malha amarrada por fase – PLL....................................................................................... 83

12 FPGA, Dispositivos lógicos programáveis. Arquitetura de dispositivos FPGA. Linguagem descritiva de hardware. ............................................................................................. 85

12.1 Arquitetura de dispositivos FPGAs ................................................................................... 85 12.2 Tecnologias de programação......................................................................................... 86 12.3 Arquitetura de blocos lógicos.......................................................................................... 86 12.4 Arquitetura de roteamento .............................................................................................. 86 12.5 Linguagem descritiva de hardware ............................................................................... 87 12.6 Comparação entre VHDL e Verilog................................................................................ 89

4

1. Dispositivos semicondutores: diodos, tiristores e transistores. Diodos de junção, circuitos com diodos e diodos especiais.

Os semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre

condutores e isolantes. Este tipo de elemento pode ser tratado quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica.

Os materiais semicondutores são essenciais na fabricação de dispositivos eletrônicos tais como diodos, tiristores, transistores entre outros.

Este texto tem como objetivo apresentar algumas informações a respeito dos dispositivos semicondutores. Para um melhor entendimento, o texto foi dividido em seções. Na primeira seção apresenta-se uma breve descrição dos materiais extrínsecos. Em seguida, inicia-se a apresentação de alguns dos dispositivos semicondutores mais comuns, bem como sua operação física e características mais relevantes.

1.1 Materiais extrínsecos tipo n e tipo p (Boylestad)

As características dos materiais semicondutores podem ser alteradas significativamente pela

adição de certos átomos de impureza no material. Este processo é chamado de dopagem, e após essa modificação o material semicondutor passa a ser chamado de material extrínseco.

Existem dois materiais extrínsecos de importância fundamental para a fabricação de um dispositivo semicondutor: tipo p e tipo n. Ambos são formados pela adição de um número pré determinado de impurezas em uma base de germânio ou silício.

- Material tipo n: criado através da introdução de impurezas com cinco elétrons de valência como antimônio, arsênio e fósforo. Após as ligações covalentes, um átomo permanecerá desassociado de qualquer ligação covalente e estará livre para mover-se dentro do material tipo n formado.

- Material tipo p: formado através da dopagem do silício ou germânio puro com átomos de impureza com 3 elétrons de valência (boro, gálio e índio). Após a dopagem existirá um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes da rede recém formada. A lacuna resultante é chamada de buraco e poderá aceitar rapidamente um elétron livre.

Ambos os materiais p e n são eletricamente neutros.

1.2 Diodos semicondutores (Boylestad) O diodo é um dos dispositivos mais simples e é formado juntando-se um material tipo n a um

material tipo p, conforme apresentado na Fig. 1.

5

No momento em que os materiais são unidos, os elétrons e buracos na região de junção se

combinam resultando em uma ausência de portadores nessa região próxima a junção. Essa região de íons positivos e negativos não combinados é chamada de região de

depleção. A aplicação de uma tensão nos terminais do diodo conduz a 3 possibilidades: nenhuma

polarização (Vd=0), polarização direta (Vd>0) e polarização reversa (Vd<0).

Sem polarização Reversamente polarizado Diretamente polarizado

Fig. 2 Na ausência da tensão de polarização, o fluxo resultante de carga em qualquer direção

para um diodo semicondutor é zero. Quando um potencial externo Vd é conectado ao diodo de forma que o terminal positivo é

ligado ao material n e o terminal negativo, ao material p, o efeito será um alongamento na região de depleção.

Em um diodo ideal reversamente polarizado, não há fluxo de corrente e a tensão aplicada aos terminais irá aparecer como uma queda de tensão. Na prática porém o comportamento do dispositivo é diferente. A partir da aplicação de uma tensão reversa Vzk (chamada de tensão de ruptura) o diodo irá conduzir uma corrente Is chamada de corrente de saturação reversa.

Finalmente, a polarização direta é estabelecida quando a tensão no anodo é maior que a tensão no catodo. Idealmente, nessa condição, passará pelo diodo uma corrente qualquer, e a queda de tensão é zero. No componente real existirá uma queda de tensão de aproximadamente 0,7 V, que é o potencial necessário para estabelecer um fluxo de corrente no dispositivo.

As curvas i-v para um diodo de junção ideal e real são apresentadas na Fig. 3.

Fig. 3

Os diodos são utilizados nas mais diversas aplicações e para cada uma delas é necessário

escolher o dispositivo adequado dentre os diferentes tipos existentes chamados de diodos especiais.

Diodo zener: Este tipo de diodo tem as polaridades invertidas em ralação ao diodo convencional, bem como o fluxo de corrente.

Varactores: Junções pn reversamente polarizadas exibem um efeito de armazenamento de

6

cargas que é modelado pela capacitância da camada de depleção Cj (que é função da tensão reversa Vr). Os varcatores são usados em uma série de aplicações, como na sintonia automática de receptores de rádios.

Fotodiodos: utilizados para converter sinais luminosos em elétricos. A junção pn reversamente polarizada quando iluminada, sofre uma quebra de ligações covalentes e, portanto, gera pares de eletrons-lacunas na camada de depleção. O campo elétrico resultante leva a uma corrente reversa através da junção. Essa corrente conhecida como fotocorrente é proporcional à luz incidente.

LEDs: O diodo emissor de luz realiza a função inversa do fotodiodo, ele converte corrente direta em luz.

Os diodos são utilizados em diversas aplicações, entre as principais pode-se citar a retificação de tensão (retificador de meia onda, de onda completa e retificador em ponte) e circuitos limitadores e grampeadores. Abaixo são apresentados dois circuitos, na Fig. 4 o retificador em ponte para onda completa e na Fig. 5 um limitador.

Fig. 4 Fig. 5 1.3 Tiristores (Apostila) Tiristor é o nome genérico dado a família dos componentes compostos por 4 camadas

semicondutoras pnpn. O tiristor SCR (Silicon Controled Rectifier) é o mais conhecido e aplicado dos tiristores e funciona analogamente a um diodo, porém possui um terceiro terminal conhecido como gatilho (gate ou porta). Esse terminal é responsável pelo controle da condução (disparo).

Em condições normais de operação, para um SCR conduzir, além de polarizado adequadamente, deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso.

Na Fig. 6 são mostradas a simbologia e as camadas e junções de um SCR.

Fig. 6

7

O SCR ideal se comportaria como uma chave ideal, ou seja, enquanto não recebe um sinal de corrente no gatilho, seria capaz de bloquear tensões de valor infinito, tanto em polarização direta ou reversa. Bloqueado, o SCR não conduziria. Já quando disparado o SCR se comportaria como um diodo ideal.

Assim como os diodos, tais características seriam ideais e não se obtém na prática. Os SCRs têm portanto, limitações de bloqueio de tensão direta e reversa e apresentam fuga de corrente quando bloqueados. Quando habilitados tem limitações de condução de corrente e queda de tensão na barreira de potencial das junções causando aquecimento do componente.

Fig. 7

Princípio de funcionamento Se entre anodo e catodo tivermos uma

tensão positiva, as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, enquanto j2 estará inversamente polarizada. Não haverá condução

de corrente até que Vak se eleve a um valor de ruptura que provoque a ruptura da barreira de potencial em j2.

Se Vgk for positiva, circulará uma corrente através de J3, desta forma, a junção reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo sem a corrente de porta.

Se Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, enquanto J2 estará diretamente polarizada e o bloqueio do componente é mantido.

Disparo Existem várias maneiras de disparar o SCR, sendo que a mais usual é o disparo da corrente

de porta. Após entrar em condução, mesmo com a retirada da corrente de porta, o tiristor permanecerá conduzindo (desde que se mantenha a corrente mínima necessária para isso – corrente de manutenção).

A comutação ou desligamento do SCR pode ser natural (redução da corrente de anodo a um valor abaixo da corrente de manutenção) ou forçada (utilizada em circuitos CC por exemplo).

Aplicações A principal aplicação dos SCRs é na conversão e controle de grandes quantidades de

potencia em circuitos CC e CA, utilizando uma pequena potência de controle.

1.4 Transistores (Boylestad)

1.4.1 Transistor bipolar de junção – TBJ O TBJ é um dispositivo semicondutor no qual existe uma camada tipo p entre duas camadas

8

tipo n, ou uma camada tipo n entre duas p. Ambos são mostrados na Fig. 9, sendo que o primeiro é denominado npn e o segundo pnp.

Fig. 9

Um terminal é conectado a casa uma das três regiões do transistor, sendo denominadas de

emissor (E), base (B) e coletor (C). O transistor consiste em duas junções pn, a junção emissor-base JEM e a junção coletor-base (JCB). Dependendo do tipo de polarização (direta ou reversa) de cada uma das junções, são obtidos diferentes modos de operação do TBJ.

Modo JEB JCB Corte Reversa Reversa Ativo Direta Direta Saturação Direta Direta

A polarização do transistor para que este funcione no

modo de operação desejado pode se dar através de três configurações diferentes: a configuração base-comum, emissor-comum e coletor-comum.

Para melhor entender o princípio de operação dos transistores, tomemos como exemplo um tbj pnp na configuração base-comum.

Avaliando o circuito percebe-se que a junção JEB está reversamente polarizada, enquanto

JCB está diretamente polarizada. Nessa situação a região de depleção JEB é reduzida em largura devido à tensão aplicada, resultando em um fluxo de denso de corrente do material p para o n. Já a região de depleção em JBC é aumentada resultando em uma redução do fluxo de corrente. De acordo com a tabela anterior, pode-se afirmar que o transistor encontra-se na região ativa e existe no circuito um fluxo de corrente conforme indicado na Fig. 10a.

Fig. 11

Na Fig. 11 apresenta-se o símbolo gráfico para os transistores pnp e npn. A seta do símbolo gráfico define o sentido da corrente de emissor (fluxo convencional)

9

através do dispositivo. Todos os sentidos de corrente apresentados na Fig. 11 são os sentidos reais, definidos pelo fluxo convencional.

1.4.2 Transistor de efeito de campo (Field Effect Transistor) – FET Assim como para o TBJ, no FET a tensão entre dois

terminais controla a corrente que circula no terceiro terminal.

A família dos dispositivos FET é construída de vários tipos diferentes de transistores, porém o MOSFET (transistor de efeito de campo metal oxido condutor) tornou-se o mais popular.

A Fig. 12 mostra a estrutura física de um MOSFET tipo enriquecimento canal n.

O transistor é fabricado sobre um substrato do tipo p, onde são criadas duas regiões fortemente dopadas tipo n (fonte S, e dreno D). Uma fina camada de dióxido de silício (isolante) é crescida sobre a superfície do substrato, cobrindo a área entre as regiões de fonte e dreno. São feitos contatos de metal para as regiões de fonte, dreno, porta e corpo.

A principal característica do mosfet é que uma tensão na porta controla o fluxo de corrente entre fonte e dreno.

Operação sem tensão de porta Sem uma tensão de polarização aplicada à porta, há dois diodos face a face em série

entre o dreno e a fonte que impedem a circulação de corrente do dreno para a fonte quando aplicada uma tensão vds.

Para permitir a circulação de corrente, é necessário aplicar uma tensão positiva na porta. Essa tensão irá atrair os elétrons da região n+ para a região do canal, criando uma região n entre fonte e dreno. Agora se uma tensão vds for aplicada entre dreno e fonte, haverá um caminho para a circulação de corrente.

O valor de vgs mínimo para a formação de cana é chamado de tensão de limiar. A porta o corpo do MOSFET formam um capacitor de placas paralelas. A tensão positiva na

porta cria um campo elétrico que atua na vertical e controla a quantidade de cargas no canal e conseqüentemente, a corrente que circulará por ele quando aplicada uma tensão vds.

Fig. 13 Fig. 14

10

2 Características e princípios de operação de dispositivos semicondutores. Os semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre

condutores e isolantes. Este tipo de elemento pode ser tratado quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica.

Os materiais semicondutores são essenciais na fabricação de dispositivos eletrônicos tais como diodos, tiristores, transistores entre outros.

Este texto tem como objetivo apresentar as características e princípios de operação de alguns dispositivos semicondutores de potencia. Para um melhor entendimento, o texto foi dividido em Seções.

2.1 Diodos de potência

Um diodo semicondutor é uma estrutura pn que dentro de seus limites de tensão e de corrente, permite a passagem de corrente em um único sentido.

A Fig. 1 mostra simplificadamente, a estrutura interna de um diodo.

Fig. 1

Um diodo de potencia, no entanto, tem sua estrutura interna um pouco diferente da

apresentada na Fig. 1. Nestes componentes, existe uma região n intermediaria, com baixa dopagem. O papel dessa região é permitir ao componente suportar tensões mais elevadas.

Essa região de pequena densidade de dopante dará ao diodo uma significativa característica resistiva quando em condução. Já no estado bloqueado, pode-se analisar a região de transição como um capacitor cuja carga é aquela presente na própria região de transição.

Na condução não existe tal carga, no entanto, à

medida que cresce a corrente cria-se uma carga espacial no catodo, a qual terá que ser removida para permitir a passagem para o estado bloqueado do diodo.

O comportamento dinâmico do diodo de potencia é na verdade muito diferente de uma chave ideal.

Na Fig. 3 é ilustrada a característica dinâmica de um diodo de potencia.

Na entrada em condução (1), o diodo pode ser considerado um interruptor ideal, pois ele comuta rapidamente. No bloqueio (2), a corrente do diodo torna-se negativa por um tempo, chamado de tempo de recuperação reversa. Durante esse período, são removidos os portadores de carga armazenados na junção durante a condução direta.

Tipos de diodos de potencia - Diodos convencionais – trr não especificado, 50 ou 60Hz. - Diodos rápidos e ultra rápidos: trr e carga armazenada na capacitância de junção

especificados pelo fabricante. Operação em médias e altas freqüências. - Diodos Schottky – praticamente não existe tempo de recuperação (carga armazenada

praticamente nula).

11

Fig. 3

2.2 Tiristores Tiristor é o nome genérico dado a família dos componentes compostos por 4 camadas

semicondutoras pnpn. O tiristor SCR (Silicon Controled Rectifier) é o mais conhecido e aplicado dos tiristores e funciona analogamente a um diodo, porém possui um terceiro terminal conhecido como gatilho (gate ou porta). Esse terminal é responsável pelo controle da condução (disparo).

Em condições normais de operação, para um SCR conduzir, além de polarizado adequadamente, deve receber um sinal de corrente no gatilho, geralmente um pulso.

Na Fig. 4 são mostradas a simbologia e as camadas e junções de um SCR.

Fig. 4

O SCR ideal se comportaria como uma chave ideal, ou seja, enquanto não recebe um sinal

de corrente no gatilho, seria capaz de bloquear tensões de valor infinito, tanto em polarização direta ou reversa. Bloqueado, o SCR não conduziria. Já quando disparado o SCR se comportaria como um diodo ideal.

Assim como os diodos, tais características seriam ideais e não se obtém na prática. Os SCRs têm portanto, limitações de bloqueio de tensão direta e reversa e apresentam fuga de corrente quando bloqueados. Quando habilitados tem limitações de condução de corrente e queda de tensão na barreira de potencial das junções causando aquecimento do componente.

Fig. 5

12

Princípio de funcionamento Se entre anodo e catodo tivermos uma

tensão positiva, as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, enquanto j2 estará inversamente polarizada. Não haverá condução de corrente até que Vak se eleve a um valor de ruptura que provoque a ruptura da barreira de potencial em j2.

Se Vgk for positiva, circulará uma corrente através de J3, desta forma, a junção reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo sem a corrente de porta.

Se Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, enquanto J2 estará diretamente polarizada e o bloqueio do componente é mantido.

Disparo Existem várias maneiras de disparar o SCR, sendo que a mais usual é o disparo da corrente

de porta. Após entrar em condução, mesmo com a retirada da corrente de porta, o tiristor permanecerá conduzindo (desde que se mantenha a corrente mínima necessária para isso – corrente de manutenção).

A comutação ou desligamento do SCR pode ser natural (redução da corrente de anodo a um valor abaixo da corrente de manutenção) ou forçada (utilizada em circuitos CC por exemplo).

Aplicações A principal aplicação dos SCRs é na conversão e controle de grandes quantidades de

potencia em circuitos CC e CA, utilizando uma pequena potência de controle.

2.3 GTO – Gate turn off thyristor

O GTO possui uma estrutura de 4 camadas típica dos componentes da família dos tiristores . Sua característica principal é sua capacidade de entrar em condução e bloquear através de comandos adequados no terminal do gate.

O mecanismo de disparo é semelhante ao SCR: supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente do gate é injetada, é iniciada a circulação da corrente anódica. Se esta corrente se manter acima da corrente de manutenção, o dispositivos não necessita de sinal de gate para manter-se conduzindo.

A Fig. 7 mostra o símbolo do GTO e uma representação simplificada dos processos de entrada e saída de condução do componente.

A aplicação de uma polarização reversa na junção gate-catodo pode levar ao desligamento do GTO. Aparentemente seria possível tal comportamento também nos SCRs, as diferenças no entanto, estão no nível da construção do componente.

A curva característica i-v para um GTO é apresentada na Fig. 8.

13

Fig. 8

2.4 Transistor bipolar de potência - TBP Embora seja um dispositivo tecnologicamente ultrapassado, os TBPs representaram um

importante passo no desenvolvimento de componentes de média potência atingindo tensões de bloqueio da ordem de 1000 V, conduzindo correntes de 500 A.

A Fig. 9 mostra a estrutura básica de um transistor bipolar de junção.

Fig. 9

A operação normal de um transistor npn é feita com a junção J1 (BE) diretamente

polarizada, e com J2 (BC) reversamente polarizada. O controle da tensão vbe determina a corrente de base que por sua vez se relaciona com Ic pelo ganho de corrente do dispositivo.

A estrutura dos TBPs é diferente, para suportar tensões elevadas, existe uma camada intermediária do coletor, com baixa dopagem , a qual define a tensão de bloqueio do componente.

A Fig. 10 mostra uma estrutura típica de um transistor bipolar de potencia.

Fig. 10

É recomendável que o TBP trabalhe sempre na área de operação segura (AOS) para que

ele não se danifique . O uso preferencial de TBP tipo NPN se deve às menores perdas em relação

14

aos PNP, o que ocorre por causa da maior mobilidade dos elétrons em relação às lacunas, reduzindo, principalmente, os tempos de comutação do componente.

2.5 Transistor de efeito de campo – MOSFET O MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) é um semiconductor

totalmente controlado, através de uma tensão aplicada entre gate e fonte. Atualmente não existem transistores MOSFET para aplicações em potências mais elevadas.

Os componentes disponíveis tem características típicas na faixa de: 1000V/20A ou 100V/200A. Sua principal vantagem é a facilidade de acionamento, feita em tensão, e a elevada velocidade de chaveamento, tornando-o indicado para as aplicações de freqüência elevada (centenas de kHz).

Para permitir a circulação de corrente no MOSFET é necessário aplicar uma tensão positiva na porta. Essa tensão irá atrair os elétrons da região n+ para a região do canal criando uma região n entre fonte e dreno. Agora, se uma tensão vds for aplicada entre o dreno e a fonte haverá um caminho para a circulação de corrente.

O valor de vgs mínimo para a formação do canal é chamado de tensão de limiar. A

característica estática do MODFET é ilustrada na Fig. 12. A largura do canal depende da tensão vgs-vds. A medida que aumenta-se vds, o canal se torna mais estreito e sua resistência aumenta correspondentemente.

Estes transistores, em geral, são de canal N por apresentarem menores perdas e maior

velocidade de comutação, devido à maior mobilidade dos elétrons em relação às lacunas. A máxima tensão Vds é determinada pela ruptura do diodo reverso. Os MOSFETs não

apresentam segunda ruptura uma vez que a resistência do canal aumenta com o crescimento de Id. Este fato facilita a associação em paralelo destes componentes.

A tensão Vgs é limitada a algumas dezenas de volts, por causa da capacidade de isolação da camada de SiO2.

2.6 Insulated Gate Bipolar Transistor – IGBT

O IGBT alia a facilidade de acionamento dos MOSFET com as pequenas perdas em condução dos TBP. Sua velocidade de chaveamento é superior à dos transistores bipolares. Os limites atuais de tensão e corrente em dispositivos únicos estão em torno de 2kV e 1000A, o que indica que tal componente pode ser utilizado (quando associado em série ou em paralelo) em aplicações de média potência.

15

A estrutura do IGBT é similar à do MOSFET, mas com a inclusão de uma camada P+ que forma o coletor do IGBT, como se vê na Fig. 13.

Fig. 13

O controle de componente é análogo ao do MOSFET, ou seja, pela aplicação de uma

polarização entre gate e emissor. Também para o IGBT o acionamento é feito por tensão. A máxima tensão suportável é determinada pela junção J2 (polarização direta) e por J1 (polarização reversa). Como J1 divide 2 regiões muito dopadas, conclui-se que um IGBT não suporta tensões elevadas quando polarizado reversamente.

Os IGBTs apresentam um tiristor parasita. A construção do dispositivo deve ser tal que evite o acionamento deste tiristor, especialmente devido às capacitâncias associadas à região P, a qual relaciona-se à região do gate do tiristor parasita. Os modernos componentes não apresentam problemas relativos a este elemento indesejado.

A entrada em condução é similar ao MOSFET, sendo um pouco mais lenta a queda da tensão Vce, uma vez que isto depende da chegada dos portadores vindos da região P+.

A curva característica i-v é apresentada na Fig. 14.

Fig. 14

Conclusão Neste texto buscou-se fazer um breve relato a respeito dos dispositivos semicondutores de

potencia, suas características e princípios de operação. Estes componentes são de fundamental importância em aplicações de eletrônica de

potencia, uma ciência que aborda a conversão e controle de fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas distintos.

16

3 Transistores. Transistores bipolares. Análise para pequenos sinais. Operação como amplificador.

O transistor bipolar de junção TBJ é um dispositivo semicondutor de três terminais : a base, o

coletor e o emissor. Em suma, a tensão de base controla o fluxo de corrente entre o coletor e o emissor.

Ao longo deste texto será apresentada a estrutura básica do dispositivo, o princípio de funcionamento, além da análise para pequenos sinais e a operação como amplificador. Para um melhor entendimento o texto foi dividido em tópicos como segue.

Estrutura do transistor e suas características O transistor é um dispositivo semicondutor no qual existe uma camada tipo p entre duas tipo

n ou uma camada tipo n entre duas tipo p. O primeiro tipo é o npn e o ultimo o pnp. Os dois tipos de transistores bipolares são mostrados na Fig. 1

Fig. 1

A polarização DC adequada se faz necessária para estabelecer a região ideal de

operação para a amplificação AC como será mostrado mais a frente. Os terminais são normalmente indicados pelas letras maiúsculas E – emissor, C – coletor e B – base.

O fluxo de corrente nesses dispositivos ocorre do emissor para o coletor nos transistores pnp e do coletor para o emissor nos npn.

Em função dessa característica, tem-se o símbolo usado para representar os transistores vistos na Fig.1, onde a seta no desenho indica o sentido do fluxo da corrente.

Para os dois transistores, a corrente que circula no emissor é a soma da corrente na base

mais a corrente no coletor. Ie=Ic+Ib Polarização As formas como são polarizadas as junções emissor-base e coletor-base, direta ou reversa,

são utilizadas para obter o modo de operação dos transistores.

Modo JEB JCB Corte Reversa Reversa Ativo Direta Direta Saturação Direta Direta

O modo ativo é aquele em que o transistor é usado para operar como amplificador. As

aplicações de chaveamento utilizam os modos de corte e saturação. As conexões entre os terminais do transistor podem ser feitas em 3 configurações: base

comum, coletor comum e emissor comum, sendo que a ultima é a mais freqüentemente utilizada.

17

3.1 O transistor como amplificador Para operar como amplificador, um transistor deve ser polarizado na região ativa. O objetivo

da polarização é estabelecer uma corrente CC constante no emissor (ou no coletor). Essa corrente deve ser previsível e insensível a variações na temperatura.

A necessidade de manter uma corrente constante no coletor provem do fato de que a operação do transistor como amplificador é altamente influenciada pelo valor de polarização da corrente.

Para entender o funcionamento do transistor como amplificador, considere o circuito idealizado na Fig. 3.

No circuito, a junção emissor-base está diretamente polarizada

pela bateria VBE. A polarização reversa da junção coletor-base é estabelecida pela conexão da fonte DC de alimentação VCC através do resistor RC. O sinal de entrada a ser amplificado está representado pela fonte de tensão vbe.

Para que o circuito opere no modo ativo, a tensão no coletor (VC) deve ser maior que a tensão na base (VB) por um valor que permita oscilações com amplitude razoáveis no sinal de coletor e ainda mantenha o transistor na região ativa o tempo todo.

Corrente de coletor e transcondutância Quando o sinal vbe é aplicado conforme indicado na Fig. 3, a tensão emissor-base

instantânea total vBE torna-se:

Se vbe << Vt é feita a aproximação para pequenos sinais e a corrente no coletor (ic) pode

ser escrita como:

Ic=corrente de polarização Vt =tensão de limiar vbe=sinal aplicado Ic/Vt=Gm=transcondutância Nos TBJs a transcondutância é diretamente proporcional a corrente de polarização do

coletor Ic. Logo, para obter um valor previsível e constante para Gm, necessita-se um valor previsível e constante de Ic.

Uma interpretação gráfica de Gm é apresentada na Fig. 4.

Fig. 4

18

Na Fig. 4 ilustra-se a operação linear do transistor na condição de pequenos sinais: um sinal

pequeno vbe com forma de onda triangular é sobreposto q tensão CC VBE. Ela dá origem ao sinal de corrente de coletor ic com forma de onda também triangular, sobreposta a corrente CC Ic.ic=Gm.vbe.

A aproximação para pequenos sinais implica manter a amplitude do sinal suficientemente pequena de modo que a operação fique restrita ao seguimento linear da curva exponencial da Fig.4. Aumentar a amplitude do sinal resultará em uma corrente de coletor com componentes não-lineares.

Conclui-se que para vbe<<Vt, o transistor se comporta como uma fonte de corrente controlada por tensão.

Corrente de base e resistência de entrada A resistência de entrada para pequenos sinais entre base e emissor e a corrente de base,

olhando para o terminal da base é dado por:

Corrente de emissor e resistência de entrada no emissor

A relação entre rπ e re é dada por:

Ganho de tensão A excitação de um transistor por um sinal vbe na base-emissor faz com que uma corrente

proporcional a gm .vbe circule pelo terminal de coletor em uma alta impedância. Desse modo o transistor age como uma fonte de corrente controlada por tensão. Para obter um sinal de tensão na saída, deve-se forçar a corrente a circular por um resistor, conforme ilustra a Fig. 3.

O ganho de tensão desse amplificador é:

Onde: vc=-ic.Rc=-gm.vbe.Rc

3.2 A análise para pequenos sinais Enquanto o transistor permanecer em operação para pequenos sinais é possível fazer a sua

analise através de modelos equivalentes para pequenos sinais. Esses modelos são obtidos pelo teorema da superposição considerando apenas os efeitos

das pequenas variações de tensão e corrente. Na análise em pequenos sinais, as fontes de tensão CC serão distribuídas por curtos-circuitos,

enquanto as fontes de corrente por circuitos abertos. São apresentados a seguir os modelos equivalentes para pequenos sinais, o modelo π e o

modelo T (são deduzidos para o transistor npn mas os conceitos valem para o pnp também). Modelo π híbrido Esse modelo representa o TBJ como uma fonte de corrente controlada por tensão. Este é o

modelo mais utilizado para o TBJ. Um modelo equivalente ligeiramente diferente pode ser obtido expressando –se a corrente

da fonte controlada em termos da corrente de base.

19

Modelo T Embora o modelo π seja satisfatório para a maior parte das análises, há algumas situações

em que o modelo T é mais apropriado. Assim como para o modelo π, no modelo T, o TBJ pode ser representado por uma fonte de corrente controlada por tensão ou por uma fonte de corrente controlada por corrente.

Diferente do modelo π-hibrido, o modelo T mostra explicitamente a resistência de emissor re,

enquanto o π-hibrido mostra a resistência de base rπ. Tanto o modelo π-hibrido, quanto o modelo T rendem bons resultados, porém se maior

precisão for requerida é aconselhável o uso do modelo π-hibrido expandido. Nesse modelo considera-se a presença do Efeito Early. Este efeito faz com que a corrente de

coletor dependa não apenas de vBE, mas também de vCE. A dependência de vCE pode ser modelada atribuindo-se uma resistência finita na saída da fonte de corrente controlada do modelo π-hibrido.

Modelo π-hibrido expandido (sedra antigo)

Va – tensão Early Ic – corrente de polarização CC O modelo π-hibrido para altas freqüências Quando o transistor trabalha em altas freqüências é necessário considerar os efeitos

capacitivos do modelo. Especificamente, há duas capacitâncias: a de emissor-base (cπ) e a de coletor-base (Cµ).

O circuito do modelo π-hibrido para altas freqüências é apresentado na Fig. 8.

20

Fig. 8

Conhecidos os modelos equivalentes para pequenos sinais, sua aplicação para a análise do

TBJ em operação com pequenos sinais faz da analise de circuitos amplificadores com transistores um processo sistemático.

O processo consiste nos seguintes passos. 1 – Determinar o ponto de operação CC do TBJ e em particular o valor de Ic. 2 – Calcular os parâmetros gm, rπ e re. 3 – Eliminar as fontes CC substituindo: a fonte de tensão CC por curto e a fonte de corrente

CC por circuito aberto. 4 – Substituir o TBJ pelo modelo equivalente mais adequado. 5 – Análise do circuito resultante para determinar as grandezas de interesse.

21

4 Transistores de efeito de campo (FET). Transistores MOS. Polarização, amplificadores e características de ganho e freqüência. Amplificadores de sinais de potência.

O transistor de efeito de campo – FET (Field Effect Transistor), é um dispositivo de três

terminais. Assim como o TBJ (transistor bipolar de junção) a tensão entre dois terminais do FET controla a corrente que circula no terceiro terminal. Correspondentemente, o FET pode ser usado tanto como amplificador quanto como chave.

Um tipo particular de FET, o transistor de Efeito de campo tipo metal oxido semicondutor(MOSFET) tornou-se extremamente popular. Comparado aos TBJs os transistores MOS podem ser feitos com dimensões muito pequenas e seu processo de fabricação é relativamente simples. Devido a esses fatores entre outros, atualmente a tecnologia MOS tem sido aplicada extensivamente ao projeto de circuitos integrados analógicos e digitais.

4.1 Estrutura e operação do MOSFET tipo enriquecimento

A Fig. 1 mostra a estrutura física de um MOSFET tipo enriquecimento canal n. O transistor é fabricado sobre um substrato tipo p, onde são criadas duas regiões fortemente dopadas tipo n (fonte – S e dreno – D). Uma fina camada de dióxido de silício (isolante) é crescida sobre a superfície do substrato, cobrindo a área entre as regiões de fonte e dreno. São feitos contatos de metal para as regiões de fonte, dreno, porta e corpo.

A principal característica do MOSFET é que uma tensão na porta controla o fluxo de corrente entre a fonte e o dreno.

Na ausência de uma tensão de porta, há dois diodos face a face em série entre fonte e dreno que impedem a circulação de corrente do dreno para a fonte quando aplicada uma tensão vds.

Para permitir a circulação de corrente, é necessário aplicar uma tensão positiva na porta. Essa tensão irá atrair os elétrons da região n+ para a região do canal, criando uma região n entre fonte e dreno. Agora, se uma tensão vds for aplicada entre dreno e fonte, haverá um caminho para a circulação de corrente (Fig. 2).

Fig. 2

O valor de vgs mínimo para a formação de canal é chamado de tensão de limiar

(Threshold) e é representado por Vt. Para um FET canal n, Vt é positivo e tipicamente está dentro de uma faixa de 1 a 3 V.

A porta e o corpo do MOSFET formam um capacitor de placas paralelas com a camada de óxido agindo como dielétrico do capacitor. A tensão positiva na porta faz com que cargas positivas se acumulem na parte de cima da placa do capacitor. A carga negativa corresponde à placa de baixo e é formada pelos elétrons do canal induzido. Portanto, um campo elétrico está atuando na direção vertical. É esse campo que controla a quantidade de carga no canal. Logo, ele determina a condutividade e, por sua vez a corrente que circulará pelo canal quando vgs for aplicada.

22

Aumento de vds Mantendo-se vgs constante, com um valor maior que Vt e aumentando-se vds observa-se

que o canal induzido sofre um estreitamento e sua resistência aumente correspondentemente. Se vds continuar aumentando a profundidade do canal no final do dreno diminui até próximo de zero e dizemos que o canal está estrangulado (Fig. 3).

Fig. 3

O gráfico da Fig. 3 apresenta o comportamento de iD versus vds. Na curva são identificadas

duas regiões: triodo e saturação.Se não houver a formação de canal, diz-se que o transistor está em corte.

4.2 O MOSFET tipo depleção

Sua estrutura é similar a do MOSFET tipo enriquecimento, com uma diferença importante,: ele possui um canal implantado fisicamente. Portanto, se a tensão vds for aplicada entre dreno e fonte, circulará corrente iD com vgs=0. Em outras palavras, não há necessidade de induzir um canal.

A profundidade do canal e portanto sua condutividade podem ser controladas por vgs, exatamente do mesmo modo para o dispositivo tipo enriquecimento.

4.3 O MOSFET como amplificador

Para entender o funcionamento do MOSFET como amplificador consideramos o circuito amplificador conceitual da Fig. 4. Ele utiliza um MOSFET tipo enriquecimento polarizado por uma tensão VGS, com o sinal de entrada a ser amplificado vgs, superposto à VGS. A tensão de saída é tomada no dreno.

Fig. 4

Para que o MOSFET possa operar como amplificador, inicialmente ele deve ser polarizado

em um ponto dentro da região de saturação. Ponto de polarização CC Fazendo vgs=0 encontra-se a corrente de dreno através de:

23

A tensão CC no dreno, VDS ou simplesmente VD (já que S é aterrado), será:

Para garantir a operação na região de saturação devemos ter:

Sinal de corrente no terminal do dreno Considerando o sinal vgs aplicado, a tensão instantânea porta-fonte será:

Na condição de pequenos sinais, a corrente de dreno instantânea total iD pode ser expressa

por:

Onde id é dado por:

O parâmetro que relaciona id com vgs é a transcondutância gm dada por:

A Fig. 6 apresenta uma representação gráfica da operação em pequenos sinais para o

amplificador MOSFET tipo enriquecimento.

Fig. 6

24

Ganho de tensão O ganho de tensão no amplificador é dado por:

Para o amplificador da Fig. 4 apresenta-se as tensões instantâneas vgs e VD. A fim de garantir a operação linear, é necessário que o sinal de entrada vgs tenha

amplitude menor que 2(VGS-Vt) que é a condição para pequenos sinais. Para operar na região de saturação o tempo todo, o valor mínimo de Vd não deve ser

menor do que o valor correspondente de vG acima de Vt. Além disso, o valor máximo de vD deve ser menor que VDD.

Fig. 7

Quando o MOSFET opera na região de saturação, também atua como fonte de corrente

controlada por tensão: mudanças na tensão porta-fonte vGS dão lugar a correspondentes mudanças na corrente de dreno iD. Conseqüentemente, o MOSFET saturado pode ser utilizado para implementar um amplificador de transcondutância.

Para obter uma amplificação linear a partir de um dispositivo não linear que é o transistor, utiliza-se a polarização em CC do MOSFET. Para operar em certo vGS apropriado e um correspondente ID , e então superpor o sinal de tensão a ser amplificado vgs sobre a tensão de polarização CC VGS.

4.4 Polarização de circuitos amplificadores MOSFET

A polarização consiste no estabelecimento de um ponto de operação CC apropriado. Este ponto é caracterizado por uma corrente de dreno ID previsível e estável e uma tensão de CC de dreno-fonte que determine a operação no modo de saturação quaisquer que sejam os níveis de sinal de entrada esperados.

Polarização de amplificadores discretos A Fig. 8 mostra um arranjo de polarização muito empregado quando o circuito é

25

alimentado com uma única fonte de alimentação. O divisor de tensão (RG1 e RG2) estabelece uma tensão fixa na porta e o resistor de antipolarização RS está conectado à fonte. RD deve ser o menor possível para se obter elevado ganho, mas pequeno suficiente para permitir uma larga excursão do sinal de dreno mantendo o MOSFET na saturação.

Fig. 8 Fig. 9

Quando duas fontes de alimentação são disponíveis a montagem de polarização

apresentadas na Fig. 9 pode ser empregada. O circuito tem o mesmo princípio de funcionamento do circuito da Fig. 8. RG estabelece um terra CC na porta e ao mesmo tempo é resistência de entrada para uma possível fonte de sinal capacitivamente acoplado a porta.

Na Fig. 10 são apresentadas outras duas configurações. Em Fig. 10a uma fonte de corrente constante I é conectada ao terminal de fonte e estabelece I=ID. Já o circuito da Fig. 10b emprega um circuito de realimentação RG que força a tensão CC na porta a ser igual a do dreno.

Fig. 10a Fig. 10b

Polarização de amplificadores em CIs Os circuitos mostrados anteriormente não são adequados para a polarização de

amplificadores MOS em CIs, devido ao fato de fazerem extensivo uso de resistores. Diante desses fatores, o circuito conhecido como espelho de corrente é amplamente

utilizado para a polarização de amplificadores MOS em CIs. Quando dois transistores do circuito são idênticos, a corrente de referencia é replicada no

terminal de saída (Iref=Io). O ganho de corrente ou razão de transferência é descrito pela equação abaixo (I=ID2).

26

4.5 Amplificadores MOS de estágio simples Amplificador Fonte –comum É a mais amplamente utilizada de todos os circuitos amplificadores de MOSFET. Para fixar a fonte um terra para sinal ou um terra CA, é utilizado um capacitor de alto valor

Cs, entre fonte e terra. Esse capacitor é necessário para prover uma impedância muito baixa em todas as freqüências de interesse.

O amplificador FC também pode vir acompanhado de uma resistência de fonte Rs. Essa resistência pode ser utilizada para controlar a amplitude do sinal vgs.

Ambas as configurações são apresentadas a seguir:

Fonte comum Rin=RG Av=-gm.(ro||RD||RL) Rout=ro||RD

Fonte comum com resistência

Rout=RD

Modelo π para pequenos sinais. Característica inversora Amplificador porta –comum Se estabelecermos um terra para sinal no terminal de porta do MOSFET é obtida a

configuração porta-comum.

27

Rin=1/gm Av=gm.(RD||RL) Rout=RD

Não é inversor. Rin baixa. Atua como amplificador de corrente com ganho unitário. Modelo T. Desconsiderar ro. Amplificador dreno –comum O terra para sinal é estabelecido no dreno. Conhecido popularmente como seguidor de

fonte. Conhecido popularmente como seguidor de fonte. O amplificador seguidor de fonte apresenta uma resistência de entrada muito alta,

resistência de saída baixa e ganho de tensão menor, mas muito próximo da unidade. Utilizado normalmente como um amplificador casador de tensão com ganho unitário.

Rout=RO||1/gm≈1/gm

Tabela resumo:

28

4.6 Resposta em freqüência do amplificador FC O ganho do amplificado FC é dependente da freqüência do sinal de entrada. Um esboço

da resposta em freqüência para o amplificador é mostrado na Fig. 15. Para o amplificador FC, o ganho é praticamente constante na faixa de freqüências médias.

A queda do ganho na faixa de baixas freqüências é decorrente do fato que, embora Cc1, Cc2 e Cs sejam capacitores elevador, à medida que a freqüência do sinal é reduzida, as impedâncias dos capacitores aumentam e eles deixam de funcionar como curtos-circuitos.

Por outro lado, a queda no ganho na faixa de altas freqüências deve-se ao fato de que, embora Cgs e Cgd (capacitâncias internas do MOSFET) sejam pequenas, suas impedâncias diminuem substancialmente em altas freqüências e não podem mais ser considerados circuitos abertos.

Obviamente, a faixa de freqüências médias é a faixa útil de operação do amplificador. fL e fH são as freqüências em que o ganho cai 3dB abaixo de seu valor na faixa de freqüências médias. A faixa de passagem é definida por:

BW=fH-fL

29

30

5 Tipos de comutação. Conversores CC/CC. Conversores CC/CA. Conversores CA/CC. Comutação não dissipativa. Considerações de projetos: proteção de dispositivos e circuitos de comando. Proteção e comutação de tiristores.

A Eletrônica de potencia é a ciência que se ocupa do processamento da energia elétrica

visando obter maior eficiência e qualidade. Os métodos empregados na eletrônica de potencia baseiam-se na utilização de

dispositivos semicondutores operados em regime de chaveamento para realizar o controle de fluxo de energia e a conversão de formas de onda de tensões e correntes entre fontes e cargas.

O condicionamento de energia elétrica é feito por meio de circuitos eletrônicos chamados de conversores estáticos que permitem converter a energia elétrica em corrente alternada para corrente continua e vice-versa.

O presente texto tem como objetivo fazer um breve relato à respeito dos conversores estáticos de potencia, bem como algumas considerações de projeto como a proteção e circuitos de comando de dispositivos semicondutores.

A Fig. 1 mostra um esquema onde são identificados os principais tipos de conversores estáticos.

Fig. 1

5.1 Conversores CC/CC Este tipo de conversor é aplicado em situações onde a fonte de alimentação disponível é

em corrente continua e a carga necessita de uma tensão CC variável. A tensão fixa é convertida em uma tensão CC variável através de técnicas de modulação

por freqüência ou por largura de pulso (mais utilizada). Os conversores CC-CC podem ser comparados a um transformador CA com relação de

espiras continuamente variável, permitindo assim, elevar ou abaixar a tensão que é aplicada na carga.

Os conversores CC-CC podem ser classificados em abaixadores e/ou elevadores de tensão. Entre as várias topologias de conversores CC-CC (Buck, Boost, Buck-boost, Forward, Flyback,

etc.) apresenta-se como exemplo o conversor Buck ilustrado na Fig. 2

Fig. 2

O conversor Buck é um abaixador de tensão muito utilizado devido as boas características

obtidas. Seu funcionamento baseia-se, no armazenamento de energia em um indutor sob forma

31

de corrente (a mesma corrente que circula pela carga) e com tensão de saída dependente da largura dos pulsos da chave S.

5.2 Conversores CC/CA – Inversores

O conversor CC/CA tem como objetivo converter a tensão continua (CC) em uma tensão alternada (CA) com freqüência e amplitude desejada.

Os inversores tem ampla aplicação no controle de motores de corrente alternada, aquecimento indutivo, sistemas no-break e sistemas de potencia.

Podem aparecer em duas topologias, meia ponte e ponte completa. A Fig. 3 mostra o circuito simplificado de um conversor CC/CA monofásico de ponte completa.

Fig.2

O funcionamento do conversor CC/CA baseia-se no chaveamento dos IGBTs várias vezes

por ciclo gerando um trem de pulsos. Imagine que o circuito de lógica de controle que aciona os IGBTs, ligue-os de 2 a 2 na

seguinte ordem: - Primeiro tempo: T1 e T4 ligados, T3 e T2 desligados . Nessa situação, T1 e T4 conduzem, e a

tensão VCC é aplicada à carga. A corrente circula do ponto B para o ponto A. O resultado dos chaveamentos é uma onda quadrada de

magnitude VCC na carga. VAB=VAO-VBO

Caso aumente-se a freqüência de chaveamento dos IGBTs, também aumenta a freqüência da tensão alternada na carga.

Como os transistores operam como chaves (corte ou saturação) a forma de saída do inversor é senoidal e contem certas harmônicas. Na prática, o uso da modulação por largura de pulso (PWM) torna a tensão de saída mais próxima da senoidal.

A estrutura para um conversor CC/CA trifásico pode ser obtida pelo acréscimo de mais uma perna no inversor da Fig. 3.

5.3 Conversores CA/CC – Retificadores O fornecimento de energia elétrica é feito essencialmente a partir de uma rede de

distribuição em corrente alternada, no entanto, em algumas aplicações, a carga exige uma tensão continua. A conversão CA/CC é realizada por conversores chamados retificadores.

Os retificadores são classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão

32

de saída (controlado X não controlado); de acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada; e em função do tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte X ponte completa).

Os retificadores não controlados são aqueles que utilizam diodos como elemento de retificação, enquanto os controlados usam tiristores ou transistores.

A titulo de exemplo, apresenta-se na Fig. 5, uma ponte retificadora tiristorizada monofásica alimentando uma carga resistiva.

No primeiro semi-ciclo da tensão Vin, os tiristores T1 e T4 estarão diretamente polarizados aguardando que o sinal de disparo seja aplicado no gate. Após o ângulo de disparo α, os tiristores entram em corte e a corrente para de fluir pelos dispositivos. Nesse instante, T2 e T3 são polarizados diretamente possibilitando a entrada em condução.

Na Fig. 5(b) são apresentadas as formas de onda Vin e Vo.

5.4 Comutação não dissipativa Os conversores apresentados as seções anteriores tem o principio de funcionamento

baseado na utilização de dispositivos semicondutores operando em regime de chaveamento. Nas topologias em que as chaves semicondutoras comutam a corrente total da carga a

cada ciclo, elas ficam sujeitas a picos de potencia que colaboram para o stress do componente, reduzindo a vida útil do mesmo.

Quando se aumenta a freqüência de chaveamento buscando reduzir o tamanho dos elementos de filtragem e dos transformadores, as perdas de comutação se tornam mais significativas, sendo em ultima análise , as responsáveis pela freqüência máxima de operação dos conversores.

Por outro lado, caso a mudança de estado das chaves ocorra quando tensão e/ou corrente por elas for nula, o chaveamento se faz sem dissipação de potencia. Algumas topologias básicas possibilitam a comutação não dissipativa.

Nos conversores ressonantes a carga vista pelo conversor é formada por um circuito ressonante e uma fonte de tensão e corrente. O dimensionamento adequado do par L/C faz com que a corrente e/ou a tensão se invertam, permitindo o chaveamento dos interruptores em situação de corrente e/ou tensão nulas, eliminando as perdas de comutação.

Um exemplo de conversor ressonante com carga em série (SRL) é apresentado na Fig.6.

Fig. 6

Nos conversores quase ressonantes procura-se associar as técnicas de comutação suave

presentes nos conversores ressonantes às topologias usualmente empregadas em fontes (Buck, boost, cuk, etc).

Os conversores quase ressonantes associam as chaves semicondutoras a um circuito ressonante (composto por um indutor e um capacitor) de modo que as mudanças de estado das chaves ocorram sempre sem dissipação de potência, seja pela anulação da corrente (ZCS: zero current switch), seja pela anulação da tensão (ZVS: zero voltage switch).

A Fig. 6 mostra estruturas das chaves ressonantes, as quais, substituindo os interruptores nas topologias básicas, permitem operá-los sempre em comutação suave.

33

Fig. 7

Se os interruptores são implementos de forma que seja possível a passagem da corrente

apenas num sentido, ele é dito de meia onda. Se a corrente poder circular com ambas as polaridades, tem-se o interruptor de onda completa.

Na Fig. 7 apresenta-se os circuitos do conversor Buck convertido para operar com ZCS e ZVS. Note que a única alteração é a substituição do interruptor simples pelos interruptores descritos anteriormente.

Fig.8

5.5 Proteção de dispositivos e circuitos de comando

Os circuitos de comando devem proporcionar aos semicondutores o sinal adequados e no instante desejado para que esses componentes entrem em condução corretamente.

Para os tiristores entrem, por exemplo, existem requisitos fundamentais para o projeto do circuito de comando e disparo.

- O sinal do gatilho deve ter amplitude adequada e tempo de subida curto. - A largura do pulso de gatilho deve ser maior que o tempo necessário para a corrente

anodo-catodo passar o valor da corrente de retenção. - O sinal de gatilho deve ser removido após o disparo (evitar perdas). - Quando reversamente polarizado é desaconselhável haver sinal de gatilho. - Em circuitos 3φ garantir a defasagem de 120º nos sinais. Basicamente, existem 3 tipos de sinais de disparo: sinais AC, sinais CC e sinais pulsados. A

partir de uma avaliação do tipo de circuito decide por um dos 3 métodos. Proteção Em circuitos tiristorizados existem diferentes tensões em diversos pontos. O circuito de

potencia que o tiristor controla é submetido a tensões elevadas, já o circuito do controle do disparo é alimentado com baixas tensões.

Portanto, é necessário um circuito que isole eletricamente o tiristor e seu circuito de controle e os mantenha acoplados.

A isolação e o acoplamento podem ser feitos por: Acopladores magnéticos: transformadores de pulso Acopladores ópticos: opto acopladores

34

Os circuitos de disparo e os acopladores devem ser conectados aos gatilhos dos tiristores

através de um ou mais componentes de proteção. A fig. 8 apresenta um circuito com os componentes de proteção do gatilho do SCR.

Fig. 8

Rgk: reduz tempo de desligamento e aumenta correntes de retenção e manutenção. Dgk: proteger o gatilho contra tensões negativas. Cgk: remove componentes de ruídos de alta freqüência R1: limita a corrente de gatilho D1: garante a unidirecionalidade da corrente de disparo.

35

6 Retificadores, chaveadores e inversores. Operação em onda quadrada e PWM

A Eletrônica de potencia é a ciência que se ocupa do processamento da energia elétrica

visando obter maior eficiência e qualidade. Os métodos empregados na eletrônica de potencia baseiam-se na utilização de

dispositivos semicondutores operados em regime de chaveamento para realizar o controle de fluxo de energia e a conversão de formas de onda de tensões e correntes entre fontes e cargas.

O condicionamento de energia elétrica é feito por meio de circuitos eletrônicos chamados de conversores estáticos que permitem converter a energia elétrica em corrente alternada para corrente continua e vice-versa.

Este texto tem como objetivo fazer um breve relato a respeito dos conversores estáticos de potencia e sua operação em onda quadrada e pwm.

A Fig. 1 mostra um esquema onde são identificados os principais tipos de conversores estáticos.

Fig. 1

6.1 Conversores CA/CC - Retificadores

O fornecimento de energia elétrica é feito essencialmente a partir de uma rede de distribuição em corrente alternada, no entanto, em algumas aplicações, a carga exige uma tensão continua. A conversão CA/CC é realizada por conversores chamados retificadores.

Os retificadores são classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de saída (controlado X não controlado); de acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada (monofásico, trifásico, hexafásico, etc); e em função do tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte X ponte completa).

Os retificadores não controlados são aqueles que utilizam diodos como elemento de retificação, enquanto os controlados usam tiristores ou transistores.

Usualmente topologias em meia ponte não são aplicadas. A principal razão é que, nesta conexão, a corrente média da entrada apresenta um nível média diferente de zero. Topologias de ponte completa absorvem uma corrente média nula da rede, não afetando assim elementos eletromagnéticos.

A Fig. 2 mostra um retificador monofásico não controlado de ponte completa.

Fig. 2

36

Durante os semi-ciclos positivos da tensão de entrada, Vsin é positivo e a corrente é

conduzida por D1, o resistor R e diodo D4. Enquanto isso D2 e D3 estão em estarão reversamente polarizados. No semi-ciclo negativo, ocorrerá a situação inversa, D2 e D3 conduzirão enquanto D1 e D4 estarão em corte.

No retificador não controlado a amplitude da tensão de saída CC é determinada pela amplitude da tensão de alimentação CA. Como pode observar-se na Fig. 2, a saída CC não é pura e contém componentes CA significativas, as quais recebem o nome de ondulação. Para eliminá-la costuma-se inserir um filtro depois do retificador.

Quando é necessária a obtenção de uma tensão de saída CC variável é preciso substituir os diodos por SCRs. Com essa substituição obtém-se o retificador controlado ou retificador controlado por fase.

Este circuito produz uma tensão CC variável cuja amplitude é obtida por meio de controle de fase, isto é, com o domínio do período de condução, variando o ponto no qual um sinal na porta é aplicado ao SCR.

Ao contrário do diodo, o SCR não conduz automaticamente quando diretamente polarizado, para tanto, um pulso deverá ser aplicado à porta. Se o tempo de retardo do pulso na porta for ajustado, e esse processo for executado repetidamente, então, a saída do retificador poderá ser controlada.

Um retificador de onda completa em ponte é apresentado na Fig. 3.

Fig. 3

Os SCRs disparam aos pares, com um ângulo de retardo igual a α. A estrutura para um

retificador trifásico pode ser obtido pelo acréscimo de mais uma perna no retificador. Os retificadores controlados fornecem potencia CC para várias aplicações, como controle

de velocidade para motores CC, carregadores de bateria e transmissão CC em alta tensão.

6.2 Conversores CC/CA - Inversores Os inversores são circuitos estáticos (isto é, não tem partes móveis) que convertem potencia

CC em potencia CA com freqüência e tensão ou corrente de saída desejada. A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que, embora não senoidal, pode, com uma boa aproximação chegar a tal.

Há vários tipos de inversores, classificados de acordo com o numero de fases, com a utilização de semicondutores de potencia, com os princípios de comutação e com as formas de onda da saída.

Esses dispositivos são usados em muitas aplicações industriais, incluindo controles de velocidade para motores síncronos e de indução, aquecimento por indução, fontes de alimentação de funcionamento continuo (UPS) e transmissão em alta tensão.

O funcionamento de um inversor básico pode ser entendido através do circuito em meia ponte mostrado na Fig. 4.

37

Fig. 4

As chaves S1 e S2 ligam e desligam a fonte CC à carga de modo alternado, o que produz

uma forma de onda retangular CA.

Estado S1 S2 Tensão de saída

1 + - +E 2 - - 0 3 - + -E 4 + + 0

Os inversores de fonte de tensão VSI são os mais usados. Neles, a tensão da fonte de

entrada CC é essencialmente constante e independente da corrente puxada pela carga. A tensão de entrada CC pode vir de uma fonte independente, como uma bateria, ou pode ser a saída de um retificador controlado. Um capacitor de valor grande é colado em paralelo com a entrada da linha CC para o inversor. O capacitor garante que os eventos de chaveamento não alterem de modo significativo a tensão CC. Ele carrega e descarrega, de acordo com a necessidade de fornecimento de uma saída estável. O inversor converte a tensão de entrada CC em uma onda quadrada CA na saída da fonte.

Um VSI em ponte completa é apresentado na Fig. 5. As chaves são passadas para os estados ligado e desligado por pares em diagonal. Assim, ou as chaves S1 e S4 ou S2 e S3 vão para o estado ligado em um semi-ciclo (T/2). Portanto, a fonte CC fica ligada de maneira alternada à carga, em direções opostas. A freqüência de saída é controlada pelo abrir e fechar das chaves.

38

Estado S1 S2 S3 S4 Tensão de saída 1 On Off Off On +E 2 Off On On Off -E 3 On Off Off On +E 4 Off On On Off -E

6.3 Modulação em onda quadrada

As leis de modulação são numerosas, a mais simples talvez seja a que produz uma onda retangular, numa freqüência constante (eventualmente até zero – sinal CC), porém ajustável.

Uma tensão positiva é aplicada à carga quando S1 e S4 conduzirem. A tensão negativa é obtida complementarmente. O papel dos diodos associados às chaves é garantir um caminho para a corrente caso a carga apresente característica indutiva.

Este tipo de modulação não permite o controle da amplitude nem o valor eficaz da tensão de saída, a qual poderia ser variada apenas se a tensão de entrada E fosse ajustável.

Uma alternativa para ajustar o valor eficaz da tensão de saída e eliminar algumas harmônicas é a chamada onda quase quadrada, na qual se mantém um nível de tensão nulo sobre a carga durante certo período (Fig. 5b).

6.4 Modulação por largura de pulso – PWM Outra forma de obter sinal alternado em baixa freqüência é através de uma modulação em

alta freqüência. De maneira análoga, é possível obter esse tipo de modulação ao se comparar uma tensão

de referencia (que seja imagem da tensão de saída buscada), com um sinal triangular simétrico, cuja freqüência determine a freqüência de chaveamento.

A freqüência da onda triangular (chamada portadora) deve ser, no mínimo 10 vezes superior à máxima freqüência da onda de referencia, para que se obtenha uma reprodução aceitável do sinal de referencia, agora modulado, na forma de onda sobre a carga, após efetuada a adequada filtragem.

A largura do pulso de saída do modulador varia de acordo com a amplitude relativa da referencia em relação com a portadora (triangular). Tem-se, assim, uma modulação por largura de pulso , denominada, em inglês como Pulse Width Modulation (PWM).

A tensão de saída que é aplicada a carga é formada por uma sucessão de ondas retangulares de amplitude igual a tensão de alimentação CC e duração variável (Fig. 6).

Fig. 6

É possível ainda, obter uma modulação a 3 níveis (positivo, negativo e zero). Este tipo de modulação apresenta menor conteúdo harmônico.

A geração de um sinal de 3 níveis é feita de acordo com a seguinte seqüência. - Durante o semi-ciclo positivo, S1 permanece sempre ligado; - O sinal PWM é enviado a S4 e o mesmo sinal barrado é enviado a S2. - No semi-ciclo negativo, que permanece conduzindo é S3. - O sinal PWM é enviado a S2 e o sinal barrado vai para S4.

39

Fig. 7

6.5 Conversores CC/CC Este tipo de conversor é aplicado em situações onde a fonte de alimentação disponível é

em corrente continua e a carga necessita de uma tensão CC variável. A tensão fixa é convertida em uma tensão CC variável através de técnicas de modulação

por freqüência ou por largura de pulso (mais utilizada). Os conversores CC-CC podem ser comparados a um transformador CA com relação de

espiras continuamente variável, permitindo assim, elevar ou abaixar a tensão que é aplicada na carga.

O valor médio da tensão de saída varia quando se altera a proporção do tempo no qual a saída fica ligada à entrada. Essa conversão pode ser obtida pela combinação de um indutor e/ou capacitor e um dispositivo de estado sólido que opere no modo de chaveamento em alta freqüência.

Há duas espécies fundamentais de conversores CC/CC: step-down ou Buck e step-up ou boost. O Buck fornece uma tensão de saída menos ou igual a tensão de entrada; o boost fornece tensão de saída maior ou igual a entrada.

As aplicações típicas para os conversores CC/CC incluem controle de motores CC para tração elétrica., chaveamento de alimentadores de potencia elétrica e equipamentos operados por bateria.

Conversor Buck

Fig. 8

Com a chave conduzindo (diodo cortado), transfere-se energia da fonte para o indutor e para o capacitor. Quando S desliga, o diodo conduz, dando continuidade à corrente no indutor. A energia armazenada em L é entregue ao capacitor e a carga.

Enquanto o valor instantâneo da corrente pelo indutor for maior que a corrente na carga, a diferença carrega o capacitor. Quando a corrente for menor, o capacitor se descarrega suprindo a diferença a fim de manter constante a corrente na carga.

Se a corrente pelo indutor não vai a zero durante a condução do diodo diz-se que o circuito opera no modo de condução contínuo. Caso contrário tem-se o modo descontínuo.

O conversor Buck é um abaixador de tensão muito utilizado devido as boas características obtidas.

Conversor Boost Quando S é ligada, a tensão E é aplicada ao indutor. O diodo fica reversamente polarizado

(pois Vo>E). Acumula-se energia em L, a qual será enviada ao capacitor e à carga quando S desligar. Também neste caso, tem-se a operação no modo continuo e descontinuo.

40

Fig. 9

Tanto o conversor Buck quanto o boost, tem a tensão de saída dependente da largura dos

pulsos na chave S. A técnica de chaveamento mais utilizada é a PWM e é feita de forma similar à apresentada para o conversor CC/CA.

A diferença é que para os conversores CC/CC a onda de referencia é uma onda CC. Um circuito simplificado para o controle da tensão de saída de um conversor Buck através da modulação por largura de pulso é apresentado na Fig. 10

Fig. 10

41

7 Harmônicos e filtros. Filtros ativos e aspectos frequenciais, filtros butterworth, filtros chebyshev. Implementação de filtros e resposta em freqüência.

Os filtros separam sinais desejados de sinais indesejados, bloqueiam sinais de interferência, fortalecem sinais de voz e vídeo e alteram sinais para outras evoluções. Um filtro deixa passar uma banda de freqüências e rejeita outra.

7.1 Características dos filtros ativos e seus aspectos relevantes. A tecnologia mais antiga para a execução de filtros, faz uso de indutores e capacitores e os

circuitos resultantes são chamados de filtros passivos LC. Esses filtros funcionam bem em altas freqüências, porém, em aplicações de baixas freqüências (até 100 kHz), os indutores necessários são volumosos e suas características não são ideais.

Além disso, esses indutores não podem ser produzidos na forma monolítica (em CIs) e são incompatíveis com quaisquer técnicas modernas de montagem de sistemas eletrônicos. Portanto, o interesse em obter filtros que não necessitam de indutores é considerável. Dos vários tipos possíveis de filtros sem indutores, iremos ver com detalhes os filtros ativos RC e os filtros com capacitores chaveados.

Os filtros ativos RC utilizam amp ops junto com resistores e capacitores e são fabricados usando a tecnologia discreta, a tecnologia híbrida de filmes espessos ou a tecnologia híbrida de filmes finos. Contudo, para a produção em alta escala, essas tecnologias não são tão econômicas quanto as obtidas pela fabricação monolítica.

Em contrapartida, uma excelente alternativa para as aplicações que necessitam de um baixo custo, é o método de capacitores chaveados. Essa topologia utiliza apenas capacitores, de forma a reproduzir o comportamento de resistores, tornando a partilha de circuito integrado menor.

Os filtros, de uma forma geral, são utilizados com o intuito de selecionar certas freqüências, que são as freqüências de interesse para uma determinada aplicação, e estão dentro da faixa especificada do espectro de freqüências.

7.1.1 Transmissão e função de transferência de filtros

A função de transferência do filtro é dada por:

A transmissão do filtro é representada em termos de seu módulo e fase por:

O módulo da amplitude é sempre expresso em dB em termos da função de ganho:

Ou alternativamente pela função de atenuação:

7.1.2 Tipos de filtros e características ideais

Cada filtro tem idealmente uma faixa de freqüência (ou faixas) na qual o módulo da amplitude é unitário (faixa de passagem) e a faixa de freqüências (ou faixas) na qual o módulo da transmissão é zero (faixa de bloqueio).

Na Fig. 1, temos uma representação dos quatro tipos principais de filtros: passa-baixas (PB), passa-altas (PA), passa-faixa (PF) e rejeita-faixas (RF).

42

Essas características idealizadas, em virtude de suas bordas verticais, são conhecidas como

respostas tipo barreira.

7.1.3 Especificação de um filtro As respostas ideais apresentadas anteriormente são impossíveis de realizar em circuits

práticos. A especificação de um filtro deve ser feita com base em parâmetros que determinam uma transmissão aceitável para o filtro, que pode aproximar-se mais ou menos do caso ideal. No entanto, quanto mais se pretender um filtro próximo do ideal, mais complexo será o circuito eletrônico respectivo.

A transmissão de um filtro passa-baixo por exemplo é especificada com 4 parametros: 1 – borda da faixa de passagem, wp 2 – variação máxima permitida na transmissão da faixa de passagem, Amax 3 – borda da faixa de bloqueio, ws 4 – atenuação mínima necessária para a faixa de bloqueio.

As especificações para os outros tipos de filtros são feitas com base em parâmetros

43

análogos. Como na prática, um circuito físico não pode mudar abruptamente na faixa de

passagem, as especificações da Fig. anterior apresentam uma faixa de freqüências na qual a atenuação aumenta de cerca de 0dB a Amin. Essa faixa de transição se estende de wp a ws.

A razão de ws/wp é usada como medida da nitidez do filtro passa-baixas e é chamada de fator de seletividade.

Quanto mais rigorosa for a especificação de um filtro, mais próxima será a resposta desse filtro da ideal. Porém, o circuito do filtro resultante, deverá ser de ordem mais alta e, portanto, mais complexo e de maior custo.

7.2 Filtros Butterworth e Chebyshev Duas funções são normalmente usadas na aproximação das características de transmissão

dos filtros, são elas a aproximação de Butterworth e a aproximação de Chebyshev. A seguir serão apresentadas as aproximações Butterworth e Chebyshev para um filtro passa-baixas mas as funções de aproximação podem ser utilizadas para o projeto de outros filtros pelo uso das transformações de freqüência.

7.2.1 Filtro Butterworth A Fig. 3 mostra um esboço da resposta em freqüência de um filtro butterworth . Esse filtro,

que é um passa-baixas, exibe uma diminuição monotônica na transmissão com todos os zeros de transmissão em w=∞, tornando-o um filtro somente de pólos.

A função de módulo para um filtro Butterworth de n-ésima ordem, com a borda da faixa de passagem (wp), é dada por:

O parâmetro ɛ determina a variação máxima

da transmissão na faixa de passagem (AMAX), de acordo com:

Observe que, na resposta do filtro Butterworth,

o desvio máximo da transmissão na faixa de passagem ocorre apenas na borda dessa faixa de passagem. Quanto maior for a ordem N do filtro, mais plana será a sua resposta e mais próximo do ideal a resposta se aproximará.

7.2.2 Filtro Chebyshev A Fig. 11.12 mostra funções de transmissão representativas para os filtros Chebyshev

de ordens par e ímpar.

44

O filtro Chebyshev exibe uma resposta de equiondulação na faixa de passagem e

uma diminuição monotônica da transmissão na faixa de bloqueio. Enquanto o filtro de ordem ímpar possuir |T(0)|=1, o filtro de ordem par exibirá seu desvio máximo de módulo em w=0. Em ambos os casos, o número total de valores máximos e mínimos da faixa de passagem é igual à ordem N do filtro. Todos os zeros de transmissão dos filtros Chebyshev são em w=∞, fazendo com que ele se torne um filtro somente de pólos.

O módulo da amplitude da função de transferência de um filtro Chebyshev de n-ésima ordem com uma borda da faixa de passagem wp é dado por:

O parâmetro ɛ determina a variação máxima da transmissão na faixa de passagem (AMAX),

de acordo com:

O filtro Chebyshev proporciona uma aproximação mais eficiente do que o filtro Butterworth.

Logo, para a mesma ordem e para o mesmo Amáx, o filtro Chebyshev proporciona uma maior atenuação para a faixa de bloqueio do que o filtro Butterworth.

7.3 Implementação de Filtros

Os filtros de primeira e segunda ordem podem ser ligados em cascata para obter filtros de ordens mais altas. O projeto em cascata é realmente, um dos métodos mais populares para o projeto de filtros ativos que utilizam circuitos RC e amp-ops

Abaixo apresenta-se alguns tipos de filtros e sua implementação através de circuitos RC – amp op

45

Tipo de filtro Curva de bode Implementação Passa-baixas

Passa-altas

Genérico

O filtro passa-todas é mostrado abaixo. Embora sua transmissão seja idealmente constante

em todas as freqüências, sua fase mostra uma seletividade em freqüência. Este tipo de filtro é usado como deslocadores de fases.

46

Passa todas

Um dos problemas existentes para a produção na forma de CIs dos filtros ativos RC, é a

necessidade de capacitores de altos valores (o que é difícil de obter nos circuitos integrados) e de constantes de tempo RC precisas (já que devido ao processo de fabricação dos CIs, nem sempre consegue-se controlar totalmente os processos.

A saída natural a esses problemas foi procurar uma alternativa que não dependesse desses fatores, foi então que surgiu a técnica de filtro ativos com capacitores chaveados.

A técnica de filtros com capacitores chaveados está baseada na hipótese de que um capacitor chaveado entre dois nós de um circuito, operando a uma taxa suficientemente alta, é equivalente à conexão de um resistor entre esses dois nós. Ou seja, o chaveamento do capacitor no circuito “simula” o comportamento de um resistor.

Para permitir uma melhor compreensão do seu funcionamento, considere o integrador RC ativo mostrado na Fig. 5, que é o integrador Miller. Na mesma figura temos esse integrador implementado apenas com capacitores e dois transistores MOS funcionando como chaves.

As duas chaves MOS são acionadas por um clock de duas fases não-superpostas. Na

primeira fase o capacitor C1 está conectado à entrada, fazendo com que ele se carregue. Já na segunda etapa, o segundo transistor irá conectar o capacitor ao amp op, fazendo com que a carga armazenada apareça na saída.

A constante que relaciona o capacitor com uma resistência equivalente (Req) é dada pela seguinte relação.

Onde Tc é o período de chaveamento.

47

A precisão das razões dos capacitores na tecnologia MOS pode ser controlada até em uma faixa de 0,1%. Como os capacitores ocupam tipicamente áreas relativamente grandes de pastilha do CI, é importante observar que essas precisões são obtidas com capacitores de valores tão baixos quanto 0,2pF.

48

8 Características de amplificadores: ganho, eficiência, distorção, ruído, resposta em freqüência, impedância de entrada e saída, configurações e estabilidade.

Os amplificadores operacionais são circuitos que realizam operações matemáticas como

soma, subtração, integração e derivação do ponto de vista do sinal. O amplificador operacional é um dispositivo de 3 terminais sendo duas entradas (inversora e não inversora) e uma saída.

Além destes 3 terminais, existem ainda dois terminais que são conectados à fonte de alimentação (geralmente simétrica).

O símbolo do componente e a forma como se conecta à fonte é vista na Fig. 1.

Fig. 1

O ponto de referencia aterrado nos circuitos dos amp-ops é justamente o terminal comum

da fonte simétrica, isto é, não há nenhum terminal do encapsulamento do amp-op fisicamente acoplado ao terra.

O amp-op é projetado para operar com um sensor da diferença entre os sinais de tensão aplicados em seus terminais de entrada, multiplicando-se ente vetor por um número A (que é o ganho diferencial do amplificador), que resulta na tensão de saída: vo=A(v2-v1).

Em um amp-op ideal é suposto que nenhuma corrente de entrada é drenada, isto é, a corrente do sinal no terminal 1 e 2 são ambas iguais a zero. Ou seja, a impedância de entrada do amp-op é supostamente infinita.

O terminal 3 é suposto como se fosse o terminal de uma fonte de tensão ideal. Isto é, a tensão entre o terminal 3 e o terra é sempre igual a A(v2-v1) e será independente da corrente que possa ser drenada do terminal 3 por uma impedância da carga. Ou seja, a impedância de saída do amp-op ideal é supostamente igual a zero.

8.1 Resposta em freqüência, estabilidade, distorção (boylestad 440)

Um amp-op ideal é projetado para ser um amplificador de alto ganho, com ampla banda-passante. Esta operação tende a ser instável (oscilar) devido aos efeitos de realimentação positiva. Para que seja assegurada uma operação estável, os amp-ops são construídos com circuitos de compensação interna que podem reduzir o ganho em malha aberta com o aumento da freqüência. Essa redução no ganho é chamada de roll-off. Em muitos amp-ops o roll-off ocorre numa taxa de -20dB por década.

Embora as especificações do amp-op listem o ganho de tensão em malha aberta, o usuário conecta, normalmente utiliza resistores de realimentação para reduzir o ganho do circuito a um valor muito menor.

Vários benefícios são obtidos com a redução do ganho: O ganho de tensão do amplificador é mais estável e preciso quando estabelecido por

resistores externos. A impedância de entrada do circuito assume um valor maior que do amp-op isolado. A impedância de saída do circuito assume um valor menor do que do amp-op isolado. A resposta em freqüência do circuito ocupa uma faixa maior que do amp-op isolado.

8.1.1 Ganho – Banda passante Devido aos circuitos de compensação interna existentes em um amp-op, o ganho de

tensão cai com o aumento da freqüência. A Fig. 2 mostra uma curva do ganho versus freqüência para um amp-op típico.

49

Em baixas freqüências, próximo a operação dc, o ganho é dado por AVD (ganho de tensão diferencial) e é tipicamente um valor muito grande.

Quando a freqüência do sinal de entrada aumenta, o ganho de malha aberta cai, até finalmente atingir o valor unitário. A freqüência neste valor de ganho é especificada pelo fabricante como banda passante de ganho unitário, B1.

Embora esse valor seja associado a uma freqüência na qual o ganho torna-se 1, pode ser considerada também uma largura de faixa, pois representa a banda de freqüências de 0Hz até a freqüência que proporciona o ganho unitário (f1).

Fig. 2

Outra freqüência de interesse esta representada na Fig. 3 é a freqüência em que o ganho

cai 3 dB (ou para 0,707 do ganho AVD), sendo esta a freqüência de corte do amp-op, fc. A freqüência de ganho unitário e a freqüência de corte estão relacionadas por:

8.1.2 Taxa de subida Parâmetro que reflete a capacidade do amp-op de operar com sinais variantes.

Se ao amp-op for aplicado um sinal com taxa de variação de tensão maior que a taxa de

subida, a saída não será capaz de variar suficientemente rápido, e não cobrirá a faixa completa esperada, resultando em um sinal ceifado ou distorcido. A saída não será uma versão amplificada do sinal de entrada se a taxa de subida não for respeitada.

8.1.3 Máxima freqüência do sinal A máxima freqüência de sinal em que um amp-op pode operar depende da banda

passante(B) e da taxa de subida (TS). Para um sinal senoidal da forma:

Para evitar distorção na saída, a taxa de variação deve ser menor que a taxa de subida, isto é: 2πfK≤TS wK≤TS Tal que:

50

8.2 Saturação Dizemos que o amp-op está saturado quando o sinal de saída não pode mais variar

sua amplitude. Na prática o nível de saturação é da ordem de 90¢ do valor de ±Vcc. Assim, por exemplo, se o amp-op é alimentado com ±15V, a saída alcançará uma saturação positiva de aproximadamente 13,5 V, e uma saturação negativa de aproximadamente -13,5 V. As Figs. abaixo representam graficamente este efeito.

8.3 Eficiência (boylestad – 445) Os fabricantes fornecem um grande número de gráficos para descrever o desempenho do

amp-op. A Fig. 2 inclui algumas curvas de desempenho típicas comparando várias características em função da fonte de tensão. O ganho de tensão em malha aberta aumenta a medida que aumenta o valor da fonte de tensão.

Fig. 4

Uma outra curva de desempenho mostra como o consumo de potencia varia em função

da fonte de tensão. O consumo de potencia aumenta com valores maiores de fontes de tensão. Por exemplo, enquanto a dissipação de potencia é cerca de 50mW com Vcc=±15V, ela cai para 5mV com Vcc=±5V. As duas outras curvas mostram como as resistências de entrada e saída são afetadas pela freqüência.

8.4 Ruídos

Chama-se de ruído os sinais elétricos indesejáveis que podem aparecer nos terminais de qualquer dispositivo eletro-

51

eletrônico. Motores elétricos, linhas de transmissão, descargas atmosféricas, radiações eletromagnéticas, etc, são as principais fontes de ruídos.

Um método prático para diminuir (paliar) os efeitos dos ruídos consiste em melhorar o terra do circuito e dos equipamentos envolvidos.

Utilizando circuitos integrados se obtem uma boa proteção contra os ruídos conectando um capacitor de ordem de 0,1µF entre o + Vcc e o - Vcc do Amp-op e a terra. O capacitor deriva as correntes parasitas, normalmente de alta freqüência, que se produzem nos condutores que alimentam o circuito.

Quando os amp-ops utilizam a realimentação negativa, a possibilidade de penetração de ruído pelas entradas de sinal, assim como os que podem aparecer na saída é bastante reduzida.

8.5 Modos de configuração do amp-op 8.5.1 Sem alimentação

Ou configuração em malha aberta. O ganho do amp-op vem determinado pelo fabricante, por tanto não se tem controle sobre ele. Este tipo de configuração é muito útil em circuitos comparadores.

8.5.2 Com realimentação positiva (configuração não-inversora)

Configuração em malha fechada. Tem o incoveniente de desestabilizar o circuito. Uma aplicação prática se dá nos circuitos osciladores.

8.5.3 Com realimentação negativa (configuração inversora) Modo de configuração mais importante em circuitos com amplificadores

operacionais. Suas aplicações são numerosas: somador, diferenciador, integrador, etc.

8.6 Impedância de entrada e saída

8.6.1 Impedância de entrada A impedância de entrada aumenta consideravelmente com a configuração

inversora conforme indica a equação:

Onde: Zif é a impedância de entrada do circuito; B é o ganho de realimentação

52

A é o ganho em malha aberta (definido pelo fabricante)

8.6.2 Impedância de entrada A impedância de saída diminui consideravelmente conforme indica a equação:

8.7 Ganho

8.7.1 Configuração Inversora Os sinais a serem aplicados às entradas do amplificador operacional podem ser conectados

de duas formas: na entrada inversora e não-inversora. Um circuito onde o sinal de entrada é conectado a entrada inversora é mostrado na Fig. 2.

Fig. 2

Para analisar este circuito é preciso lembrar que devido ao ganho A ser muito alto, a tensão

que aparece no terminal positivo será praticamente igual ao que aparece no terminal negativo (v2≈v1). Dizemos então que existe um curto-circuito virtual entre os terminais de entrada. Isso nos permite que para o circuito analisado a tensão zero presente no terminal positivo aparecerá no terminal negativo.

A partir dessa consideração e lembrando que a impedância de entrada do amp-op é infinita, garantindo que nenhuma corrente entre no dispositivo, poderemos calcular o valor do ganho em malha fechada.

0=+v 21 ii = 1

11 R

vi = 21

1220 ..0 R

RvRiv −=−=

Sendo assim, podemos calcular o ganho vo/vi que será:

1

20

1

20 .

RR

vv

RRvv

ii −=⇒−=

O ganho em malha fechada é simplesmente a razão das duas resistências R2 e R1.

O sinal menos significa que o ganho em malha fechada provoca uma inversão no sinal de saída com relação ao sinal de entrada.

A dependência dos componentes passivos externos R1 e R2 significa que podemos fazer o ganho em malha fechada tão preciso quanto a precisão dos componentes passivos selecionados. Isso significa também que o ganho em malha fechada é idealmente independente do ganho do amp-op.

O amplificador tem um ganho A muito elevado, e pela aplicação de uma realimentação negativa obtivemos um ganho em malha fechada R2/R1 que é menor que A, porém estável e preciso. Isto é, negociamos o ganho pela precisão.

Na prática porém para que a dependência entre o ganho em malha fechada G, e o ganho em malha aberta seja reduzido é necessário fazer:

53

8.7.2 Configuração não -inversora Se o sinal de entrada for aplicado no terminal da entrada não inversora como mostra a Fig.

3, pode-se utilizar as mesmas condições da análise anterior. O sinal vi irá aparecer no terminal de entrada inversora, onde iniciaremos nossa análise.

11 R

vi i= 220 .Rivv i += 21 ii =

Sendo assim: 21

10 .R

Rvvv i +=

1

2

1

20 11

RR

vv

RRvv

i

oi +=⇒⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

Ou seja, o valor do ganho em malha fechada é igual a 1 mas a razão R2/R1 que é o ganho

positivo.

Fig. 3

8.8 Circuitos amp-ops práticos O amp-op pode ser conectado a uma grande variedade de circuitos estabelecendo várias

possibilidades operacionais. Circuito seguidor de tensão O circuito seguidor de tensão mostrado na Fig. 4 fornece um ganho unitário sem inversão de

polaridade ou fase.

Fig. 4

A propriedade de alta impedância de entrada na configuração não inversora é uma

característica muito desejável. Ela permite a utilização do circuito como um amplificador isolador (Buffer) para conectar um estágio com uma alta impedância de saída a uma baixa impedância.

Circuito somador

54

No circuito somador, a tensão de saída é a soma ponderada dos sinais de entrada v1, v2, v3, ..., vn.

Fig. 5

Circuito integrador inversor O circuito de um integrador inversor é apresentado na Fig. 6. Nesse circuito coloca-se um

capacitor no caminho de realimentação.

Fig. 6 O circuito da Fig. 6 realiza a operação matemática de integração. Este circuito é inversor e

também conhecido como integrado Miller. Os integradores podem ser empregados para gerar ondas triangulares em resposta a ondas quadradas aplicadas na entrada.

O circuito diferenciador inversor Intercambiar a posição do capacitor com a do resistor no circuito integrador, resulta no

circuito da Fig. 7, que realiza a função matemática de diferenciação.

Fig. 7

A resposta em freqüência do circuito diferenciador pode ser entendida como um filtro

passa-altas com constante de tempo simples e freqüência de corte infinita. O circuito diferenciador, por sua própria característica de funcionamento, faz com que ele

seja um diferenciador de ruídos, o que o torna pouco utilizado.

55

9 Amplificadores operacionais. Configurações básicas. Circuitos com amplificadores operacionais. Amplificadores realimentados e circuitos osciladores. Amplificações não lineares.

Os amplificadores operacionais são circuitos que realizam operações matemáticas como

soma, subtração, integração e derivação do ponto de vista do sinal. O amplificador operacional é um dispositivo de 3 terminais sendo duas entradas (inversora e não inversora) e uma saída.

Além destes 3 terminais, existem ainda dois terminais que são conectados à fonte de alimentação (geralmente simétrica).

O símbolo do componente e a forma como se conecta à fonte é vista na Fig. 1.

Fig. 1

O ponto de referencia aterrado nos circuitos dos amp-ops é justamente o terminal comum

da fonte simétrica, isto é, não há nenhum terminal do encapsulamento do amp-op fisicamente acoplado ao terra.

O amp-op é projetado para operar com um sensor da diferença entre os sinais de tensão aplicados em seus terminais de entrada, multiplicando-se ente vetor por um número A (que é o ganho diferencial do amplificador), que resulta na tensão de saída: vo=A(v2-v1).

Em um amp-op ideal é suposto que nenhuma corrente de entrada é drenada, isto é, a corrente do sinal no terminal 1 e 2 são ambas iguais a zero. Ou seja, a impedância de entrada do amp-op é supostamente infinita.

O terminal 3 é suposto como se fosse o terminal de uma fonte de tensão ideal. Isto é, a tensão entre o terminal 3 e o terra é sempre igual a A(v2-v1) e será independente da corrente que possa ser drenada do terminal 3 por uma impedância da carga. Ou seja, a impedância de saída do amp-op é idealmente igual a zero.

9.1 Configurações básicas

Os sinais a serem aplicados às entradas do amplificador operacional podem ser conectados de duas formas: na entrada inversora e não-inversora.

Um circuito onde o sinal de entrada é conectado a entrada inversora é mostrado na Fig. 2.

Fig. 2

Para analisar este circuito é preciso lembrar que devido ao ganho A ser muito alto, a tensão

que aparece no terminal positivo será praticamente igual ao que aparece no terminal negativo (v2≈v1). Dizemos então que existe um curto-circuito virtual entre os terminais de entrada. Isso nos permite que para o circuito analisado a tensão zero presente no terminal positivo aparecerá no terminal negativo.

A partir dessa consideração e lembrando que a impedância de entrada do amp-op é

56

infinita, garantindo que nenhuma corrente entre no dispositivo, poderemos calcular o valor do ganho em malha fechada.

0=+v 21 ii = 1

11 R

vi = 21

1220 ..0 R

RvRiv −=−=

Sendo assim, podemos calcular o ganho vo/vi que será:

1

20

1

20 .

RR

vv

RRvv

ii −=⇒−=

Ou seja, o ganho em malha fechada para uma configuração inversora é a razão entre as resistências R1 e R2.

Se o sinal de entrada for aplicado no terminal da entrada não inversora como mostra a Fig.

3, pode-se utilizar as mesmas condições da análise anterior.

Fig. 3

O sinal vi irá aparecer no terminal de entrada inversora, onde iniciaremos nossa análise.

11 R

vi i= 220 .Rivv i += 21 ii =

Sendo assim: 21

10 .R

Rvvv i +=

1

2

1

20 11

RR

vv

RRvv

i

oi +=⇒⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

Ou seja, o valor do ganho em malha fechada é igual a 1 mas a razão R2/R1 que é o ganho positivo.

9.2 Circuitos amp-ops práticos O amp-op pode ser conectado a uma grande variedade de circuitos estabelecendo várias

possibilidades operacionais. Circuito seguidor de tensão O circuito seguidor de tensão mostrado na Fig. 4 fornece um ganho unitário sem inversão de

polaridade ou fase.

Fig. 4

57

A propriedade de alta impedância de entrada na configuração não inversora é uma característica muito desejável. Ela permite a utilização do circuito como um amplificador isolador (Buffer) para conectar um estágio com uma alta impedância de saída a uma baixa impedância.

Circuito somador No circuito somador, a tensão de saída é a soma ponderada dos sinais de entrada v1, v2,

v3, ..., vn.

Fig. 5

Circuito integrador inversor O circuito de um integrador inversor é apresentado na Fig. 6. Nesse circuito coloca-se um

capacitor no caminho de realimentação.

Fig. 6 O circuito da Fig. 6 realiza a operação matemática de integração. Este circuito é inversor e

também conhecido como integrado Miller. Os integradores podem ser empregados para gerar ondas triangulares em resposta a ondas quadradas aplicadas na entrada.

O circuito diferenciador inversor Intercambiar a posição do capacitor com a do resistor no circuito integrador, resulta no

circuito da Fig. 7, que realiza a função matemática de diferenciação.

Fig. 7

A resposta em freqüência do circuito diferenciador pode ser entendida como um filtro

passa-altas com constante de tempo simples e freqüência de corte infinita. O circuito diferenciador, por sua própria característica de funcionamento, faz com que ele

seja um diferenciador de ruídos, o que o torna pouco utilizado.

58

9.3 Amplificadores realimentados e circuitos osciladores

A técnica de realimentação é bastante utilizada em circuitos com amplificadores operacionais. Dependendo da polaridade relativa do sinal que é realimentado no circuito, podemos ter realimentação positiva ou negativa.

A realimentação negativa produz uma redução no ganho de tensão, trazendo várias vantagens à alguns circuitos. Realimentação positiva leva o circuito a oscilar, produzindo vários tipos de circuitos osciladores.

Uma conexão típica de realimentação está exposta na Fig. 8.

Fig. 8

Se o sinal de realimentação tiver polaridade oposta ao sinal de entrada, conforme a Fig. 8, a

realimentação é negativa. Há redução do ganho de tensão total, mas várias melhorias são obtidas, entre as quais pode-se citar.

1 – Impedância de entrada mais alta; 2 – Ganho de tensão mais estável; 3 – Resposta em freqüência melhorada; 4 – Impedância de saída mais baixa; 5 – Ruído reduzido; 6 – Operação mais linear.

Tipos de conexão de realimentação Há quatro maneiras básicas de se realizar a realimentação. Tanto a tensão como a corrente

podem ser realimentadas para a entrada em série ou em paralelo. O ganho sem realimentação, A, corresponde ao estágio amplificador. Com realimentação,

β, o ganho total do circuito é reduzido por um fator de (1+βA). - Realimentação de tensão em série

Uma parte da tensão de saída é realimentada em

série com o sinal de entrada, resultando em redução do ganho total.

Se Vf=0 (não houver realimentação)

Se um sinal de realimentação Vf for conectado em

série com uma tensão de saída, então: Vi=Vs-Vf Assim:

59

- Realimentação de tensão em paralelo De forma análoga ao anterior chega-se a:

60

- Realimentação de corrente em série - Realimentação de corrente em paralelo

Osciladores A realimentação positiva resulta em um amplificador com realimentação apresentando um

ganho de malha fechada |Af| maior que 1, e satisfaz as condições de fase para que o circuito atue como um oscilador. O circuito fornece então um sinal de saída variante no tempo. Se o sinal variar de forma senoidal, o circuito é chamado de oscilador senoidal. Se o sinal se alterna abruptamente entre dois níveis de tensão o circuito é chamado de oscilador de onda quadrada ou de pulso.

Na Fig. 11 apresenta-se um circuito de realimentação empregado como oscilador.

Fig.11

Se existe uma tensão fictícia Vi na entrada do amplificador, a tensão de saída do

amplificador será Vo=A.Vi e depois da realimentação Vf=β.A.Vi. Se o circuito fornece β.A com amplitude ee fase corretas Vf=Vi. Então, quando a chave é

fechada e a tensão fictícia Vi é removida, o circuito continuará operando uma vez que a tensão de realimentação é suficiente para ativar o amplificador e os circuitos de realimentação.

A forma de onda na saída continuará após o fechamento da chave se a condição β.A=1 critério de Barkhausen for atendida. Não é necessário um sinal de entrada para oscilação. Uma vez satisfeita a condição β.A=1,

a oscilação se auto-sustenta. Na prática β.A é feito pouco maior que 1, e o sistema começa a oscilar pela amplificação da tensão de ruído sempre presente.

Esse fato pode ser comprovado através da análise da equação de realimentação:

Quando β.A=-1 (1 de amplitude e fase de 180), o denominador se anula e o ganho torna-se infinito.

61

Fig. 12

Oscilador de deslocamento de fase Condições: β.A maior que a unidade e desvio de fase no circuito de realimentação de 180º. Devemos dispor de apenas um amp-op para obermos um circuito amplificador com ganho

estabilizado, e além disso promover algum meio de realimentar o sinal para produzir um circuito oscilador.

Um oscilador com deslocamento de fase é mostrado abaixo:

Fig. 13

A saída do amp-op alimenta um circuito RC de 3 estágios, que realiza o deslocamento de

180º necessário na fase do sinal (com alto fator de atenuação 1/29). Se o amp-op produz um ganho (dado por Ri e Rf) maior que 29, o ganho de malha resultante é maior que 1 e o circuito atua como um oscilador de freqüência:

eqCLvf

.21

0 π=

Os osciladores com amp-ops podem ser configurados de diferentes maneiras. Como exemplo pode-se citar os osciladores com entrada e saída sintonizada: o Colpitts e o oscilador a cristal.

Colpitts

Fig.14

62

Oscilador a cristal Ooscilador a cristal é basicamente um oscilador sintonizado utilizando um cristal

piezoelétrico como circuito tanque ressonante. Esses osciladores são usados sempre que é necessária uma grande estabilidade de freqüência.

Abaixo, um oscilador a cristal com amplificador. O circuito proporciona um alto ganho, tal que o sinal resultante é uma onda quadrada. Conecta-se um par zener na saída de forma que a amplitude do sinal seja exatamente a tensão zener.

Fig. 15

9.4 Aplicações não lineares Em malha aberta, a saída do amplificador varia linearmente com a entrada (para valores

entre -0,1mV e 0,1 mV). Fora deste intervalo o amplificador satura. Comparador de zero não-inversor O circuito da Fig. 16 muitas vezes é chamado de comparador de zero ou detector de zero

não inversor porque quando a tensão de entrada passar por zero a saída muda de +VSat para -VSat ou vice–versa.

Fig. 16 Comparador de zero inversor Ë semelhante ao não inversor, porém o sinal é aplicado na entrada inversora.

63

Fig. 17

Comparador de zero inversor com histerese Por causa do alto ganho, os circuitos comparadores anteriores são sensíveis à ruídos.

Quando a entrada está passando por zero, se aparecer um ruído na entrada a saída oscilará entre +VSat e –Vsat até que o sinal supere o ruído. O circuito ligado na saída entenderá que o sinal na entrada do comparador passou varias vezes por zero, quando na realidade foi o ruído que provocou as mudanças na saída. Para evitar isso deve ser colocada uma imunidade contra ruído chamada de histerese.

Fig. 18 A realimentação positiva faz com que a mudança de +VSat para -VSat ou vice versa seja

mais rápida (só é limitada pelo slew rate do AO). Os valores das tensões que provocam a mudança da saída são calculados por:

Para mudar de +VSat para -VSat a amplitude do sinal deve ser maior do que V1 e para

mudar de – Vsat para + VSat a amplitude do sinal deve ser menor do que - VSat. Comparador de nível inversor

64

Num comparador de nível a tensão de entrada é comparada com uma tensão de referencia VR, ao invés do terra.

Fig. 19 Monoestável Um monoestável é um circuito que tem um estado estável e um estado instável . Na Fig. 20

se a chave estiver aberta a tensão na entrada não inversora será uma parcela da tensão de saída, que vamos admitir que é + VCC, como o capacitor C se carregou através de R o diodo estará conduzindo limitando a tensão em C em aproximadamente 0,7V. Se a tensão realimentada para a entrada não inversora for maior do que 0,7V esta será uma condição estável, isto é, a saída permanece em + VCC indefinidamente.

Fig. 20

Se a chave CH for pressionada momentaneamente, na entrada + é aplicada uma tensão

negativa forçando a saída para - VCC, o que faz com que seja realimentado agora para a entrada + uma tensão negativa o que mantém a saída em - VCC. O capacitor C começa a se carregar com polaridade contrária, o que corta o diodo D. Quando a tensão em C for mais negativa que a tensão na entrada + a saída voltará para + VCC. O capacitor C voltará a se carregar com valor positivo fazendo o diodo conduzir grampeando a tensão em C em 0,7V, e o circuito voltará para a condição estável novamente.

Astável A saída VS oscilará entre +VCC e - VCC em função da comparação entre V+ e V- . Se V+ >

V- a saída será igual a + VCC caso contrario será - VCC. Se a saída for +VCC, o capacitor se carregará através de R, tendendo para + VCC, quando:

Nesse instante a saída mudará para - VCC e o capacitor começará a se carregar através

de R tendendo a tensão agora para - VCC. Quando a tensão no capacitor for mais negativa que a tensão na entrada V+ a saída voltará para +VCC e assim sucessivamente.

65

Fig. 21

66

10 Conceitos básicos de circuitos digitais. Blocos lógicos. Álgebra booleana, realização e minimização de funções booleanas. Portas lógicas. Circuitos combinacionais. Circuitos seqüenciais. Flip-flops e Memória.

No início da era eletrônica, todos os problemas eram resolvidos por sistemas analógicos,

também conhecidos por sistemas lineares, onde uma quantidade é representada por um sinal elétrico proporcional ao valor da grandeza medida.

Com o avanço da tecnologia, esses mesmos problemas começaram a ser solucionados através da eletrônica digital, onde uma quantidade é representada por um arranjo de símbolos chamados dígitos.

Um circuito digital emprega um conjunto de funções lógicas, onde função é a relação existente entre as variáveis independentes e as variáveis dependentes.

Nos sistemas lógicos as variáveis independentes são conhecidas como variáveis lógicas e as funções, como funções lógicas. Uma variável lógica A pode assumir um valor verdadeiro (A=V) ou o valor falso (A=F). Em geral, usa-se uma faixa de tensão em volts compatível com os circuitos digitais utilizados para representar o valor falso ou verdadeiro de uma variável lógica.

Lógica Positiva: A tensão mais positiva representa o valor V (1) e a mais negativa o valor F(0). Lógica Negativa: O valor V é representado pela tensão mais negativa (1) e F pela tensão

mais positiva (0). Lógica Mista: No mesmo sistema, usam-se as lógicas positiva e negativa.

10.1 Álgebra Booleana Álgebra Booleana pode ser definida com um conjunto de operadores e um conjunto de

axiomas, que são assumidos verdadeiros sem necessidade de prova. Diferentemente da álgebra ordinária dos reais, onde as variáveis podem assumir valores no

intervalo (-∞;+∞), as variáveis Booleanas só podem assumir um número finito de valores. Em particular, na álgebra Booleana cada variável pode assumir um dentre dois valores possíveis, os quais podem ser denotados por [F,V] (falso ou verdadeiro), [H,L] (high and low) ou ainda [0,1].

10.1.1 Operações básicas Na álgebra Booleana, existem três operações ou funções básicas. São elas, operação OU,

operação E e complementação. Todas as funções Booleanas podem ser representadas em termos destas operações básicas.

Operação OU – adição lógica A operação OU resulta 1 se pelo menos uma das variáveis de entrada vale 1. O símbolo usado para representar a operação OU é “+”. Porém, como estamos trabalhando

com variáveis Booleanas, sabemos que não se trata da adição algébrica, mas sim da adição lógica.

Operação E – multiplicação lógica A operação E resulta 0 se pelo menos uma das variáveis de entrada vale 0. O símbolo usualmente utilizado na operação E é “×”. Operação complementação (ou negação, ou inversão) A operação complementação dispensa uma definição. É a operação cujo resultado é

simplesmente o valor complementar ao que a variável apresenta. Os símbolos utilizados para representar a operação complementação sobre uma variável

Booleana A são A , ~A e A' (lê-se A negado).

10.2 Portas lógicas Uma função Booleana pode ser representada por uma equação ou de forma gráfica, onde

cada operador está associado a um símbolo específico, permitindo o imediato reconhecimento visual. Tais símbolos são conhecidos por portas lógicas. Na realidade, mais do que símbolos de

67

operadores lógicos, as portas lógicas representam recursos físicos, isto é, circuitos eletrônicos, capazes de realizar as operações lógicas. Ao conjunto de portas lógicas e respectivas conexões que simbolizam uma equação Booleana, denominaremos circuito lógico.

Porta OU O símbolo da porta OU pode ser visto na figura 3. As entradas são colocadas à esquerda e a

saída, à direita. Deve haver no mínimo duas entradas, mas há somente uma saída. O funcionamento da porta E segue a definição da operação E, dada anteriormente.

Fig. 3

Porta E O símbolo da porta E é mostrado na figura 4. À esquerda estão dispostas as entradas (no

mínimo duas, obviamente) e à direita, a saída (única). As linhas que conduzem as variáveis de entrada e saída podem ser interpretadas como fios que transportam os sinais elétricos associados às variáveis. O comportamento da porta E segue extritamente a definição apresentada anteriormente.

Fig. 4

Inversor A porta que simboliza a operação complementação é conhecida como inversor. Como a

operação complementação só pode ser realizada sobre uma variável por vez (ou sobre o resultado de uma subexpressão), o inversor só possui uma entrada e, obviamente, uma saída. O símbolo do inversor é mostrado na figura 5.

10.3 Tabela da verdade Uma forma de representar o comportamento das funções booleanas ou portas lógicas é a

construção de tabelas da verdade. Nela são listadas todas as combinações de valores que as variáveis de entrada podem assumir e os correspondentes valores da função (saídas). Abaixo, são listados exemplos de tabelas verdade para as portas E e OU de duas variáveis e para a função de negação.

OU E NÃO

10.4 Circuitos lógicos Dada uma equação Booleana qualquer, é possível desenhar-se o circuito lógico que a

implementa. O circuito lógico é composto das portas lógicas relacionadas às operações que

68

são realizadas sobre as variáveis de entrada. Os resultados das operações são conduzidos por fios, os quais, no desenho, são representados por linhas simples.

A construção dos circuitos lógicos a partir das equações booleanas é feita seguindo a

seqüência: 1- parêntesis (dos mais internos para os mais externos); 2- operações E; 3- operações OU.

( z .Y) + X

Para obter a expressão booleana para um dado circuito lógico, comece pelas entradas

mais à esquerda, e percorrendo o circuito até o final, escreva a expressão para cada porta lógica.

( z .Y) + X

10.5 Leis Fundamentais e Propriedades da Álgebra Booleana As leis da álgebra Booleana dizem respeito ao espaço Booleano (isto é., valores que uma

variável pode assumir) e operações elementares deste espaço. Já as propriedades podem ser deduzidas a partir das definições das operações.

Sejam A e B duas variáveis Booleanas. Então, o espaço Booleano é definido: se x≠0, então x=1; se x≠1, então x=0.

10.5.1 Teoremas da álgebra booleana Os teoremas booleanos podem ser utilizados para simplificar expressões e circuitos lógicos. O

primeiro grupo de teoremas é mostrado abaixo: Multiplicação lógica x.0=0 x.1=x x.x=x x. x =0 Adição lógica x+0=x x+x=x x+1=1 x+ x =1 Negação

x =x Teoremas com mais de uma variável

69

Comutatividade: a ordem das operações OR e AND não é importante x+y=y+x (9) x.y=y.x (10) Associatividade: pode-se agrupar as variáveis de expressões AND e OR do modo que

desejarmos x+(y+z)=(x+y)+z=x+y+z (11) x.(y.z)=(x.y).z=x.y.z (12) Distributividade: uma expressão pode ser expandida multiplicando-se a termo Pode-se

também fatorar as variáveis. x(y+z)=xy+xz (13) (w+x).(y+z)=w.y+x.y+w.z+x.z (14) x.y.z + w.y = y.(x.z + w) Abaixo, os teoremas que não possuem correspondentes na algebra comum. Podem ser

demonstrados substituindo x e y na expressão por todos os diferentes casos possíveis. x+x.y=x (15) x y =x+y (16) Teoremas de Morgan

Quando uma soma OR está invertida, esta é igual ao produto AND das variáveis invertidas. Quando o produto AND de duas variáveis está invertido, este é igual ao uma soma OR das

variáveis invertidas.

10.5.2 Simplificação usando a álgebra booleana. Uma expressão booleana simplificada usa a menor quantidade de portas possível para

implementar uma dada expressão. Ex: simplifique a expressão: AB+A(B+C)+B(B+C) 1 – lei distributiva: AB+AB+AC+BB+BC 2 – (3, x.x=x): AB+AB+AC+B+BC 3 – (7, x+x=x): AB+AC+B+BC 4 – (15, x+xy=x): AB+AC+B 5 – (15, x+xy=x): B+AC Os circuitos abaixo representam a simplificação e são equivalentes.

1234

12

3

AB+A(B+C)+B(B+C)1

2

3

A

B 1

23

12

3

C=>

B

C1

2

3

B+AC

A

1

23

Circuitos equivalentes

10.6 Derivação de expressões booleanas Há basicamente duas maneiras de se definir (ou descrever) uma função Booleana:

descrevendo-se todas as situações das variáveis de entrada para as quais a função

70

vale 1 ou, alternativamente, todas as situações em que a função vale 0. O primeiro método é conhecido por soma de produtos (SdP), enquanto que o segundo é chamado produto de somas (PdS).

10.6.1 Derivação de Expressões usando Soma de Produtos (SdP) Dada uma função Booleana de n variáveis (ou seja, n entradas),

haverá 2n combinações possíveis de valores. A cada combinação de entradas podemos associar um termo produto, no qual todas as variáveis da função estão presentes, e que é construído da seguinte forma: se a variável correspondente vale 0, ela deve aparecer negada; se a variável vale 1, ela deve aparecer não negada. A tabela a seguir lista os termos produto associados a cada combinação de entradas para uma função Booleana de três variáveis (A, B e C, por exemplo).

Cada termo produto construído conforme a regra anteriormente

descrita é denominado mintermo (ou minitermo). Para um dado mintermo, se substituirmos os valores das variáveis associadas, obteremos 1. Porém, se substituirmos nesse mesmo mintermo quaisquer outras combinações de valores, obteremos 0. Dessa forma, se quisermos encontrar a equação para uma função a partir de sua tabela verdade, basta montarmos um OU entre os mintermos associados aos uns (1) da função (também chamados mintermos 1 ).

10.6.2 Derivação de Expressões usando Produto de Somas O método de derivação usando produto de somas é o dual

(isto é, o oposto) do método de derivação em soma de produtos. A cada combinação das variáveis de entrada de uma função podemos associar um termo soma, no qual todas as variáveis da função estão presentes, e que é construído da seguinte forma: se a variável correspondente vale 1, ela deve aparecer negada; se a variável vale 0, ela deve aparecer não negada. A tabela a seguir lista os termos soma associados a cada combinação de entradas para uma função Booleana de três variáveis (A, B e C, por exemplo).

Cada termo soma construído conforme a regra anteriormente descrita é denominado maxtermo (ou maxitermo). Para um dado maxtermo, se substituirmos os valores das variáveis associadas, obteremos 0. Porém, se substituirmos nesse mesmo maxtermo quaisquer outras combinações de valores, obteremos 1. Dessa forma, se quisermos encontrar a equação para uma função a partir de sua tabela verdade, basta montarmos um E entre os maxtermos associados aos 0s da função (também chamados maxtermos 0).

10.7 Mapas de Karnaugh O mapa de Karnaugh é similar a uma tabela da verdade porque todos os valores possíveis

das variáveis de entrada e saída resultante para cada valor estão presentes no mapa.

71

O método utiliza a tabela verdade de uma função booleana como base para as

simplificações. Um mapa de Karnaugh é uma ajuda excelente para simplificação de funções de até 6 variáveis. Para funções de mais de 6 variáveis a simplificação é mais complexa pois torna-se uma tarefa árdua identificar as células adjacentes no mapa. Para funções de mais de 6 variáveis devem ser utilizadas soluções algorítmicas computacionais.

Exemplo: Considere a seguinte função: f(A, B, C, D) = E(6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) Esta função tem a tabela verdade:

Os valores dentro de E nos dizem quais linhas possuem saída

igual a 1(mintermos). As variáveis de entrada podem ser combinadas em 16

diferentes formas, então o mapa de Karnaugh terá 16 posições. O arranjo mais conveniente é em uma matriz 4x4.

Os bits no mapa representam a saída da função para uma dada combinação de entradas.

Após o mapa de Karnaugh ter sido construído a próxima tarefa é encontrar os termos mínimos a usar na expressão final. Estes termos são encontrados agrupando conjuntos de 1´s adjacentes no mapa. O agrupamento deve ser retangular e deve ter uma área igual a uma potência de 2 (i.e. 2, 4, 8, …). Os retângulos devem ser os maiores possíveis, sem conter nenhum 0. O agrupamento ótimo na figura está marcado com linhas coloridas (verde, vermelha e azul).

Para cada um dos grupos encontramos as variáveis que não mudam de valor dentro do agrupamento.

Note que neste nosso exemplo as posições (1,4) e (2,4) (o grupo marrom) da matriz faz parte do grupo verde e faz parte do grupo vermelho, lembre-se que temos que montar os maiores blocos possíveis de 1´s com áreas iguais a potências de 2 (1,2,4,8,16,...).

Para o grupo vermelho encontramos que: • A variável A mantém o mesmo valor (1) em todo o agrupamento, então ela deve ser

incluída no termo correspondente ao grupo vermelho.

72

• A variável B não mantém o mesmo estado (alterna entre 1 e 0), então deve ser excluída. • C não muda, mas tem o valor (0), portanto deve ser incluido na forma negada. • D muda.

Então o primeiro termo da expressão booleana é AC′. No grupo verde, A eB mantêm o mesmo estado, mas C e D mudam. B é 0 e deve ser

incluída na forma negada. Então o segundo termo é AB'. Da mesma forma, o retângulo azul dá o termo BCD′ e a expressão completa é: AC′ + AB′+

BCD′. A matriz é conectada como um toróide, o que significa que a borda da direita é

considerada adjacente à borda da esquerda, bem como a borda inferior é considerada adjacente à borda superior. Por exemplo, AD′ é um termo válido, embora não tenha sido incluído no conjunto mínimo. Note que, se movermos a primeira linha para baixo da última linha ou a primeira coluna para a direita da ultima coluna, a propriedade de mudar o estado de apenas uma variável se mantém.

A função inversa pode ser resolvida da mesma forma, agrupando os zeros em vez de 1´s. Quando há uma profusão de 1´s na matriz (isto é, a matriz é densa - a função f é verdadeira pra maior parte dos valores de entrada) pode ser mais rápido desenvolver f′ no mapa e então encontrar f = f′′ analiticamente.

10.8 Circuitos combinacionais Os circuitos lógicos dos sistemas digitais podem ser de dois tipos: circuitos combinacionais ou

circuitos seqüenciais. Um circuito combinacional é constituído por um conjunto de portas lógicas as quais determinam os valores das saídas diretamente a partir dos valores atuais das entradas.

Pode-se dizer que um circuito combinacional realiza uma operação de processamento de informação a qual pode ser especificada por meio de um conjunto de equações Booleanas. No caso, cada combinação de valores de entrada pode ser vista como uma informação diferente e cada conjunto de valores de saída representa o resultado da operação. A figura abaixo mostra o diagrama de blocos genérico de um circuito combinacional.

Como exemplo de circuitos combinacionais pode-se citar os somadores, subtratores,

multiplexadores e demultiplexadores, etc.

10.8.1 Circuito meio somador O meio somador realiza a soma de dois bits. O circuito possui duas entradas e duas saídas,

sendo que uma delas é o carry out (bit do vai um).

10.8.2 Circuito somador O circuito somador completo realiza a soma de três bits. Normalmente são somados dois bits

mais o bit veio um (carry in) de uma soma anterior. Possui três entradas (A e B que são os bits a serem somados) e Ci - veio um (carry in) e duas

saídas S - resultado da soma e Co - bit do vai um (carry out).

73

10.8.3 Associação de somadores Associando-se os blocos do meio somador e do somador completo em série podemos obter

somadores de vários bits. Para obtermos um somador de 3 bits, devemos utilizar um meio-somador para os bits menos significativos e dois somadores completos para os demais bits.

10.8.4 Circuito meio subtrator Do mesmo modo como é feita a soma, podemos fazer a subtração, porém, na subtração,

não é usado um bit de vai-um, e sim um bit de vem-um (borrow out). O bit do vem-um é o "tomar emprestado" que utilizamos na hora de subtrair, do mesmo modo que na subtração decimal.

10.8.5 Circuito subtrator O circuito subtrator completo realiza a subtração de três bits. Normalmente são subtraídos

dois bits e o bit foi um (borrow in) de uma subtração anterior.

10.8.6 Associação de subtratores Associando-se os blocos do meio subtrator e do subtrator completo em série podemos obter

74

subtratores de vários bits.

10.8.7 Multiplexador O multiplexador ou MUX é um circuito combinacional que tem a finalidade de selecionar,

através das variáveis de seleção, uma de suas entradas, conectando-a eletronicamente à sua única saída.

Esta operação é denominada multiplex ou multiplexação que significa seleção e, tanto suas entradas como sua saída, são denominadas também, canais de entrada e saída. Para facilitar a compreensão deste circuito, pode-se fazer, ainda, uma analogia com uma chave de seleção de várias entradas e uma saída.

Como trata-se de um circuito digital, o número de entradas está logicamente relacionado

com o número de variáveis de seleção, ou seja: n = 2m onde: n – número de canais de entrada m – número de variáveis de seleção Por exemplo, um MUX com três variáveis de seleção (m=3) pode ser codificado de oito

modos diferentes (000- 001-010-011-100-101-110-111) e, portanto, ele possui oito canais de entrada (n=23=8).

Assim como para os circuitos somadores e subtratores, os multiplexadores podem ser associados. A associação série de multiplexadores serve para ampliar a capacidade de canais de entrada. Para isto, basta multiplexar os MUX de entrada através de um MUX de saída.

10.8.8 Demultiplexador O demultiplexador ou DEMUX é um circuito combinacional que tem a finalidade de

selecionar, através das variáveis de seleção, qual de suas saídas deve receber a informação presente em sua única entrada.

Ele faz, portanto, a operação inversa da realizada pelo MUX.

75

10.8.9 Circuitos sequenciais Vimos anteriormente o funcionamento de uma lógica combinacional, ou ainda, uma lógica

para a qual a saída é pré-determinada de forma unívoca pelas entradas. Estes circuitos apresentam um grave problema, que é a ausência de memória sobre os estados anteriores.

Existem distintos tipos de memória, porém, a lógica de todas elas está associada a circuitos oscilantes, chamados de flip-flop, que podem alternar sua saída em função dos parâmetros de entrada e do tempo decorrido.

O conceito de tempo está associado a pulsos de um relógio (clock), que vai alternar estados entre 0 e 1, com uma freqüência pré-determinada, e será utilizado na propagação temporal da informação.

Uma memória de um bit é o elemento fundamental para desenvolver qualquer outra memória. Estas memórias de um bit podem "guardar" estados "1" (Q=1) ou estados "0" (Q=0).

Flip-flop RS básico No arranjo da Figura abaixo, duas portas NÃO E são interligadas por uma realimentação.

Essa realimentação faz a saída depender dos valores das entradas e do valor ela que tinha antes da aplicação desses valores nas entradas.

A tabela da verdade de um flip-flop RS básico é apresentada abaixo: S R Q

0 0 Qa 0 1 0 1 0 1 1 1 *

A entrada S é denominada Set, pois quando acionada (nível 1), passa a saída para 1, e a

entrada R é denominada Reset, pois quando acionada passa a saída para zero. Este circuito irá mudar de estado apenas no instante em que mudam as variáveis de entrada.

Flip-flop RS com entrada Clock Circuitos seqüenciais recebem em geral informações que mudam com o tempo. Portanto, é

conveniente uma forma de controlar o recebimento desses dados. Na Figura 01, duas portas E foram inseridas nas entradas do flip-flop do circuito anterior,

formando uma entrada de clock.

Se a entrada de clock for 0, ocorre sempre g=0 e h=0, independente dos valores de S e R. Se

a entrada de clock for 1, ocorre g=S e h=R e o circuito se comporta como o do tópico anterior, com a mesma tabela de verdade e o mesmo estado impossível. Assim, a entrada de clock comanda a operação do bloco.

Na Figura 02 foram adicionadas as entradas preset (PR) e clear (CL). Se ambas forem iguais a 1, o flip-flop opera sem qualquer alteração. Estando a entrada clock em zero, a saída Q

76

assume valor 1 se preset for 0 e 0 se clear for 0. Ou seja, essas entradas permitem definir um valor da saída de forma independente das demais, o que pode ser útil em muitos circuitos. Os valores de PR e CL não podem ser simultaneamente nulos, pois seria uma condição inválida (Q só pode ter um valor).

77

11 Comparadores, conversores AD/DA, temporizadores, circuitos PLL. Embora haja uma grande quantidade de CIs que contem somente circuitos digitais, e

muitos outros que contem apenas circuitos lineares, há uma variedade de unidades que contem ambos (circuitos lineares e digitais). Dentre os CIs lineares/digitais, podemos destacar os circuitos comparadores, osconversores digital /analógicos, circuitos de interface, circuitos temporizadores, osciladores e malhas armadas por fase (Phase locked loops - PLL).

11.1 Comparadores

Um circuito comparador é aquele no qual a tensão linear de entrada é comparada a uma outra tensão de referencia, e a saida é um estado digital representando se a tensão de entrada excedeu ou não a referencia de tensão.

Um circuito comparador básico pode ser representado na Fig. 1.

Fig.1 Enquanto Vi é menor que zero,

a saída permanece em nível baixo de tensão (perto de -10V). Quando a entrada vai acima de zero, a saida rapidamente chaveia para um nível alto de tensão (perto de +10V).

A Fig. 2 mostra um circuito comparador com amp-op. Nesse circuito, uma tensão de referencia positiva é conectada a entrada menos, e a saída é conectada a um LED indicador.

Se o sinal Vi for conectado na entrada inversora, o LED ligará quando o sinal de entrada for menor que +6V.

78

11.1.1 Unidades de CI comparadoras Embora os amp-ops possam ser utilizados como circuitos comparadores, algumas unidades

especialmente projetadas para esse fim se mostram mais adequadas para algumas aplicações. Dentre as possíveis melhorias que podem ser incluídas em um CI comparador, destacam-se: chaveamento mais rápido entre os níveis de saída, imunidade ao ruído e saídas capazes de acionar diretamente uma variedade de cargas. Alguns CIs comparadores são apresentados a seguir.

Comparador 311: pode operar com duas

fontes de referencia ±15V ou com uma única fonte de +5V. A saída pode fornecer uma tensão em qualquer um de dois níveis distintos ou pode ser usada para acionar uma lâmpada ou relé. A saída é tomada de um transistor bipolar para permitir acionar uma variedade de cargas.

Comparador 339: é um comparador quádruplo

contendo quatro circuitos comparadores de tensão independentes, conectados a pinos externos. A fonte de tensão aplicada a um par de pinos alimenta todos os quatro comparadores.

11.2 Conversores Analógicos/Digitais Muitas tensões e correntes em eletrônica variam continuamente ao longo de uma faixa de

valores. Em circuitos digitais, os sinais estão em 1 de dois níveis, representando os valores binários de 1 ou zero. Um conversor analógico-digital (CAD) produz uma tensão digital a partir de uma tensão analógica de entrada, enquanto um conversor digital-analógico (CDA) converte uma tensão digital em analógica.

11.2.1 Conversão Digital-analógica A conversão digital-analógica pode ser conseguida usando vários métodos diferentes. Um

esquema popular usa um circuito de resistores chamado de circuito em escada. Um circuito em escada aceita como entrada de valores binários em, tipicamente, 0 V ou Vref, e fornece uma tensão de saída proporcional ao valor binário de entrada. A Fig. 5 apresenta um circuito em escada, onde a tensão de saída é proporcional ao valor de entrada digital dada pela relação:

79

Fig. 5 Exemplo:

A função do circuito é converter os 16 valores binários possíveis de 0000 a 1111 para um nível

de tensão correspondente, múltiplos de Vref/16. Utilizando-se mais seções no circuito, torna-se possível aceitar mais entradas binárias e diminuir a diferença entre os níveis de tensão.

Quanto maior o numero de estágios, maior a resolução de tensão. Em geral, a resolução de tensão para n estágios em escada é:

A Fig. 6 mostra o diagrama de blocos de um CDA típico usando um circuito em escada. O

circuito em escada, referenciado no diagrama como um escada R-2R, é intercalado entre a fonte de corrente de referencia e as chaves de corrente, conectadas a cada entrada binária. A corrente de saída resultante é proporcional ao valor binário de entrada. A entrada binária seleciona alguns ramos do circuito em escada, produzindo uma corrente de saída que é resultado de uma soma ponderada da corrente de referencia. Conectando a corrente através de um resistor, será produzida uma tensão analógica, se desejado.

Fig. 6

11.2.2 Conversão Analógica- Digital Existem várias configurações de circuitos para realizar a conversão analógica-digital

(conversor A/D comparador paralelo,circuito em escada, rampa tipo contador, aproximação sucessiva, etc.) Conversão de circuito em escada

Um método popular de conversão analógica-digital usa um circuito em escada junto com circuitos contadores e comparadores.

80

Um contador digital avança zero enquanto um circuito de escada fornece, através das saídas do contador, uma tensão em escada, a qual aumenta por um incremento de tensão em cada passo de contagem. Um comparador, recebendo tensões em escada e a tensão de entrada analógica, fornece um sinal para parar a contagem quando a tensão da escada se eleva acima da tensão de entrada. O valor do contador nesse instante é a saída digital desejada.

O incremento de tensão no sinal de escada depende do numero de bits de contagem

utilizado. Um contador de 12 estágios operando um circuito em escada de 12 estágios usando uma referencia de 10 V, apresenta um incremento de tensão igual a:

O que resulta em uma resolução de conversão de 2,4 mV.

Conversor A/D rampa tipo contador Na figura abaixo é apresentado o diagrama de blocos de um conversor rampa tipo

contador. A linha "clear" é utilizada para inicializar o contador com 0 (zero). O contador grava na forma binária o número de pulsos provenientes do "clock".

81

Visto que o número destes pulsos contados aumentam linearmente com o tempo, a palavra

binária representando a contagem, é utilizada como entrada do conversor D/A cuja saída analógica é mostrada no gráfico abaixo.

Enquanto a relação Ve > Vd for verdadeira, a saída do comparador é alta, habilitando a entrada dos pulsos de relógio (clock) até o contador. Quando Vd > Ve a saída do comparador se torna baixa, e a porta E é desabilitada. Assim a contagem é interrompida no exato instante que Ve = Vd. Neste instante pode ser lida saída do contador, uma palavra digital representando a voltagem recebida na entrada do conversor.

Para um sistema de N bits o tempo de conversão é, no pior caso, de 2N pulsos.

11.3 Temporizadores O circuito integrado analógico-digital 555 é um temporizador muito popular. O CI é feito

basicamente de uma combinação de comparadores lineares e flip-flops digitais. A Fig. 11 apresenta detalhes da estrutura interna do CI que possui 8 pinos. Existe no CI uma conexão série de 3 resistores que determina os níveis da tensão de referencia para os dois comparadores em 2Vcc/3 e Vcc/3. A saída do flip-flop é aplicada a um estágio amplificador de saída e também opera um transistor cujo coletor tem a função de descarregar o capacitor de temporização.

Fig. 11

11.3.1 Operação Astável Uma utilização popular do 555 é como um multivibrador astável ou circuito de clock. A Fig.

12 apresenta um circuito astável com um resistor externo e um capacitor para fixar o intervalo de temporização do sinal de saída.

O capacitor C carrega-se até Vcc através dos resistores externos RA e RB. A tensão do capacitor aumenta até ultrapassar 2Vcc/3. Esta é a tensão de limiar no pino 6, na qual o comparador 1 altera o estado do flip-flop, produzindo uma saída de nível baixo (pino 3). Por sua vez, o transistor de descarga é forçado a ligar, provocando o descarregamento do capacitor no pino 7 através de RB. A tensão do capacitor diminui, até cair abaixo do nível de disparo (Vcc/3). O flip-flop é disparado, colocando novamente a saída em nível alto, o transistor de descarga é cortado e o capacitor é novamente carregado.

82

Fig. 12

11.3.2 Operação Monoestável O temporizador 555 também pode ser utilizado com um circuito multivibrador monoestável

ou de um único disparo como mostrado na Fig. 13. Quando o sinal de entrada de disparo torna-se negativo, a saída no pino 3 vai para o nível

alto e aí permanece durante o período de tempo:

A borda negativa de entrada faz o comparador 2 disparar o flip-flop, produzindo uma tensão de saída em nível alto. O capacitor C carrega-se até Vcc através de RA. Durante o intervalo de carga, a saída permanece alta. Quando a tensão através de C atinge o nível de limiar de 2Vcc/3, o comparador 1 dispara o flip-flop produzindo uma tensão em nível baixo. O transistor de descarga também vai para baixo, fazendo o capacitor permanece próximo de 0 até ser novamente disparado.

83

11.4 Malha amarrada por fase – PLL A malha amarrada por fase (phase locked loop, PLL) é um circuito eletrônico que contem

um detector de fase, um filtro passa-baixa, e um oscilador controlado por tensão conectados da forma mostrada na Fig. 14.

Fig. 14

84

Um sinal de entrada Vi e o de um VCO (oscilador controlado por tensão) são comparados

por um comparador de fase fornecendo uma tensão de saída Ve, que representa a diferença de fase entre os dois sinais. Esta tensão é então aplicada a um filtro passa-baixa que fornece uma tensão de saída amplificada (se necessário), que pode ser tomada como a tensão de saída de um PLL. Essa tensão é realimentada para modular a freqüência do VCO. A operação de malha fechada do circuito mantém a freqüência do VCO amarrada à freqüência do sinal de entrada.

As aplicações do PLL incluem: Sintetizadores de freqüência que fornecem múltiplos da freqüência de um sinal de

referencia [por exemplo, na geração da freqüência de portadora para os múltiplos canais de um transmissor operando na faixa do cidadão, ou transmissores de rádio múltiplos]

Circuitos de demodulação de FM para operação em FM com excelente linearidade entre a freqüência do sinal de entrada e a tensão de saída do PLL.

Demodulação de transmissões de dados digitais modulados em FSK Aplicações incluindo modems, receptores de telemetria e transmissores, decodificadores

de tom, detetores AM e filtros de rastreio.

11.4.1 Operação PLL básica Operação em malha amarrada ( a freqüência do sinal de entrada e a freqüência do VCO

são iguais). Quando a freqüência do sinal de entrada é igual à do VCO, a tensão Vd mantém o VCO

amarrado com o sinal de entrada. O VCO gera então, um sinal de onda quadrada com amplitude fixa. Uma diferença de fase fixa entre os dois sinais, para o comparador, resulta numa tensão DC fixa para o VCO. Mudanças na freqüência de entrada do sinal resultam em mudanças na tensão DC do VCO. Dentro da faixa de captura e amarração de freqüência, a tensão DC forçará a freqüência do VCO a casar com a entrada.

Durante a amarração, o comprador de fase produz um sinal de saída que tem componentes de freqüência relativas à soma e diferença dos sinais comparados. O filtro PB deixa passar somente as componentes de freqüência inferiores do sinal, possibilitando a amarração entre o sinal de entrada e do VCO.

Há duas faixas de freqüência importantes para os circuitos PLL. A faixa de captura (faixa sobre a qual a malha pode adquirir a amarração com o sinal de entrada) e a faixa de amarração (faixa em que se mantém amarrado ao sinal).

85

12 FPGA, Dispositivos lógicos programáveis. Arquitetura de dispositivos FPGA. Linguagem descritiva de hardware.

FPGA (Field Programable Gate Array) são circuitos integrados que contem um grande

numero (na ordem de milhares) de unidades lógicas idênticas. Estas unidades lógicas podem ser vistas como componentes padrões que podem ser configurados independentemente e interconectados a partir de uma matriz de trilhas condutoras e chaves programáveis. Um arquivo binário é gerado para a configuração da FPGA a partir de ferramentas de software seguindo um determinado fluxo de projeto. Esse arquivo binário contém as informações necessárias para especificar a função de cada unidade lógica e para seletivamente fechar as chaves da matriz de interconexões, que podem ser programados pelo usuário, formam a estrutura básica da FPGA para a especificação de circuitos integrados complexos.

A tecnologia FPGA tem evoluído em direção aos mais altos índices de desempenho, elevados níveis de densidade e menores custos de fabricação. Este fato, tendem a se acentuar nos próximos anos, tornando cada vez menor a distancia entre os FPGAs e os chips diretamente implementados no silício. Isto tem possibilitado o emprego desta tecnologia na implementação de arquiteturas cada vez mas complexas. Além desses avanços, os fabricantes de FPGA tem introduzido no decorrer dos anos cada vez mais recursos de reconfigurabilidade em tais dispositivos.

Reconfigurabilidade é a capacidade que alguns FPGAs tem de serem configurados e reconfigurados várias vezes. Alguns FPGAs podem ser reconfigurados parcialmente, ou seja, setores do dispositivossão reconfigurados enquanto outros mantem sua configuração.

12.1 Arquitetura de dispositivos FPGAs

O FPGA é um dispositivo lógico programável que suporta a implementação de circuitos lógicos relativamente grandes. A estrutura do FPGA é formada por um grande arranjo de células configuráveis ou blocos lógicos conforme ilustra a Fig. 1.

Fig. 1

Um FPGA possui 3 tipos principais de recursos: blocos lógicos, blocos de entrada e saída

(I/O), e chaves de interconexão. Os blocos lógicos formam um arranjo bi-direcional, e as chaves de interconexão são organizadas como canais de roteamento horizontal e vertical entre linhas e colunas de blocos lógicos. Estes canais de roteamento possuem chaves programáveis que permitem conectar os blocos lógicos de maneira conveniente, em função das necessidades de cada projeto.

86

O bloco lógico mais comumente utilizado é o Lookup table (LUT). Este tipo de bloco lógico contem células de armazenamento que são utilizadas para implementar pequenas funções lógicas.

A Fig. 2 mostra a estrutura de um LUT com duas entradas e uma saída. As variáveis de entrada são usadas como chaves seletoras para 3 multiplexadores 2x1 que em conjunto selecionarão uma das 4 células de armazenamento como saída do LUT.

Fig. 2

As células de armazenamento dos LUTS de um FPGA são voláteis, o que implica na perda do

conteúdo armazenado no caso de falta de alimentação elétrica. Desta forma o FPGA deve ser programado toda vez que for energizado.

Geralmente um pequeno chip de memória PROM é incluído nas placas de circuito impresso que contem FPGAs. As células de armazenamento são automaticamente carregadas a partir dos PROMs toda vez que uma tensão elétrica aplicada a estes chips.

12.2 Tecnologias de programação

Basicamente existem 3 tipos de tecnologias de programação para um FPGA, são elas: - SRAM (Static Randon Acess Memory), onde o comutador é um transistor de passagem

controlado por um bit de SRAM. - Antifuse é originalmente um circuito aberto que quando programado, forma um caminho

de baixa resistência. - Gate flutuante: o comutador é um transistor com gate flutuante. A escolha da tecnologia de programação juntamente com algumas propriedades dos

comutadores dos FPGAs afetam diretamente o desempenho e definem características como a volaticidade e a capacidade de programação.

12.3 Arquitetura de blocos lógicos

Os blocos lógicos dos FPGAs variam muito de tamanho e capacidade de implementação lógica. Os blocos lógicos dos FPGAs comerciais são baseados em um ou mais dos seguintes componentes:

- Pares de transistores - Portas lógicas tipo E ou OU EXCLUSIVO de duas entradas - Look-up tables (LUT) - Estruturas E-OU de múltiplas entradas A fim de classificar os FPGAs quanto ao tipo de blocos lógicos que empregam, foram

criadas duas categorias. Estas categorias foram denominadas de granulosidade fina e granulosidade grossa, sendo a primeira a designante para blocos simples e pequenos e a segunda para os blocos maiores e mais complexos.

Um exemplo de bloco de granulosidade fina, por exemplo é um bloco contendo alguns transistores interconectáveis ou portas lógicas básicas.

Os blocos de granulosidade grossa são geralmente baseados em multiplexadores e look-up tables (LUTS).

12.4 Arquitetura de roteamento

A arquitetura de roteamento é a maneira pela qual os comutadores programáveis e segmentos de trilha são posicionados para permitir a interconexão entre as células lógicas.

87

A arquitetura geral de roteamento de um FPGA é apresentada na Fig. 3.

Fig. 3

Quanto maior o número de comutadores, mais fácil alcançar o roteamento completo e

maior densidade lógica.

12.5 Linguagem descritiva de hardware Uma etapa importante do projeto de circuitos FPGA consiste na especificação ou geração

do Netlist, que é uma descrição compacta, ou mesmo textual, do circuito para as ferramentas de verificação e de implementação de circuitos.

O Netlist é basicamente uma listagem de componentes do circuito e de como eles estão conectados, incluindo ainda os nomes dos pinos I/O do chip FPGA utilizado.

A geração do Netlist pode ser feita através da captura de esquemático ou de síntese de código HDL. O esquemático pode ser visto com uma representação gráfica de um Netlist, deste modo, a geração do Netlist a partir da captura do esquemático é imediata. A desvantagem em se trabalhar com esquemáticos é a portabilidade, uma vez concebido para uma família de dispositivos, para um fabricante, a migração para outro dispositivo pode significar o reinicio de todo o projeto a partir do zero.

Por causa da dificuldade de migração, a especificação do projeto evoluiu para uma representação comportamental e funcional do circuito através de uma linguagem de programação HDL (Hardware description language), como o VHDL e o Verilog.

VHDL Very Hight Speed Integrated Circuit Hardware Description Language Linguagem de descrição de hardwares com enfase em circuitos integrados de altíssima

velocidade. A linguagem VHDL tem uma sintaxe similar as linguagens Pascal e ADA. A estrutura de um programa VHDL, baseia-se em alguns blocos: Package: Usado quando precisa-se usar um comando que não está nas bibliotecas padrão.

Para usa a Package é necessário usar duas declarações: LYBRARY USE. O package mais

88

conhecido é o STD_LOGIC_1164 da IEEE por conter a maioria dos comandos adicionais utilizados na linguagem.

Exemplo: LYBRARY IEEE; USE IEEE _LOGIC_1164.ALL; Entity: É a parte principal do projeto. É a interface do sistema que descreve entradas e

saídas. Architecture: É o corpo do sistema, onde são feitas as atribuições, operações, etc. Podem

existir várias ARCHITECTURE na mesma ENTITY. Process: diretiva usada quando se quer fazer uma lista de operações a serem executadas. É

implementada dentro de ARCHITECTURE. A titulo de exemplo apresenta-se abaixo a estrutura de um programa escrito em VHDL. Porta AND de 3 entradas: Lybrary IEEE; Use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

Package (biblioteca)

Entity portaand_3 is Port (a, b, c: in bit; Y: out bit); End portaand_3

Entity (Pinos de I/O)

Architecture logica of portaand_3 is Begin Y<=a and b and c; End logica;

Architecture (Arquitetura)

A descrição de um sistema em VHDL apresenta inúmeras vantagens, tais como: - Intercambio de projetos entre grupos de pesquisa sem a necessidade de alteração. - Permite ao projetista considerar no seu projeto os delays comuns aos circuitos digitais. - A linguagem independe da tecnologia atual, ou seja, você pode desenvolver um sistema

hoje e implementa-lo depois. - Os projetos são fáceis de serem modificados. - O custo de produção de um circuito dedicado é elevado, enquanto que usando o VHDL e

dispositivos lógicos programáveis, o custo é bem menor. - Reduz consideravelmente o tempo de projeto e implementação. Verilog O Verilog é uma linguagem, como VHDL, largamente usada para descrever sistemas digitais,

utilizada universalmente. A linguagem Verilog descreve um sistema digital como um conjunto dos módulos. Cada um

destes módulos tem uma relação com outros módulos que descreve como estão ligados. Normalmente coloca-se um módulo por ficheiro mas é apenas convenção e não é obrigatório. Os módulos podem funcionar simultaneamente, mas normalmente especifica-se um módulo do nível superior que especifica um sistema fechado contendo dados de teste bom como modelos de hardware. A este módulo chamaremos módulo de topo. O módulo de topo invoca instâncias de outros módulos.

Os módulos podem representar as partes de hardware que podem ir desde portas simples até sistemas complexos como microprocessadores. Os módulos podem ser especificados por comportamento ou estruturalmente (ou uma combinação dos dois). Uma especificação por comportamento define o comportamento de um sistema digital (módulo) que usa as construções tradicionais duma linguagem de programação, e. g., ifs, instruções de atribuição. Uma especificação estrutural expressa o comportamento de um sistema digital (módulo) como uma interconexão hierárquica dos módulos secundários. No fundo da hierarquia os componentes devem ser primitivas ou especificados por comportamento. As primitivas de Verilog incluem portas, e.g., nand, bem como transístores de passagem (switches).

89

A estrutura de um módulo é a seguinte: module <nome_módulo> (<lista_portas>); <declarações> <elementos_módulo> Endmodule nome_módulo: é um identificador que descreve univocamente o módulo. lista_portas: é uma lista das portas de input, de inout e de output que são usados na ligação

a outros módulos. declarações: especifica estruturas de dados como registros ou memórias bem outras

construções executáveis como funções. elementos_módulo: podem ser blocos initial, blocos always ,atribuições contínuas ou

instâncias de módulos. A título de exemplo, apresenta-se abaixo a descrição de uma porta AND de 3 entradas em

Verilog. module AND(in1, in2,in3, out); input in1, in2,in3; output out; assign out = (in1 & in2 & in3); endmodule

12.6 Comparação entre VHDL e Verilog Capacidade de modelação Semelhante para modelos estruturais VHDL oferece melhor suporte para modelos abstratos e modelos de atrasos Verilog te melhores construções para modelar ao nível lógico e primitivas de bibliotecas

ASICS e FPGAs. Tipos de dados VHDL suporta tipos de dados abstratos criados pelo utilizador Em Verilog os tipos são muito simples e mais próximos do hardware Aprendizagem VHDL é fortemente tipada, menos intuitiva, mais verbosa (baseada em ADA) Verilog é mais simples e menos verbosa (baseada em C) Parametrização VHDL tem construções para parametrizar números de bits, replicar estruturas e configurar

modelos. Verilog suporta apenas modelos com parâmetros, instanciação com definição de

parâmetros.