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ENG-04077 Circuitos Eletrônicos I DELET - EE - UFRGS Circuitos Eletrônicos I ENG 04077 Prof. Dr. Hamilton Klimach ENG-04077 Circuitos Eletrônicos I A disciplina

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

DELET - EE - UFRGS

Circuitos Eletrônicos I

ENG 04077

Prof. Dr. Hamilton Klimach

ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

A disciplina

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Informações Gerais

• ENG04077 – Circuitos Eletrônicos I

• Créditos semanais: 6 (4T+2L)

• Caráter: obrigatório

• Professores:

– Hamilton Klimach ([email protected], sala 302)

– Adalberto Schuck ([email protected])

– Fábio Vidor ([email protected])

• Página da disciplina:

http://chasqueweb.ufrgs.br/~hklimach/

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Informações Gerais

Objetivos

• Conhecer os dispositivos eletrônicos básicos, suas

características e aplicações.

• Estudar topologias de circuitos eletrônicos lineares e não-

lineares.

• Treinar a análise e a síntese de circuitos eletrônicos.

• Desenvolver habilidades experimentais voltadas à

eletrônica.

• Aprender os princípios básicos do fluxo de projeto de

circuitos analógicos. 4

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Informações Gerais

Pré-requisitos

• Conhecimentos de teoria de circuitos elétricos

(linearidade, superposição, equivalentes Thèvenin e

Norton, equacionamento de nós e malhas, fontes

controladas, quadripolos).

• Conhecimentos básicos de:

– matemática (álgebra, sistemas de equações lineares, polinômios

de segundo grau, e cálculo)

– eletromagnetismo

– física do estado sólido

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Informações Gerais

Metodologia de Ensino e Aprendizagem

– aulas expositivas:

• Slides com apresentações

• Detalhes no quadro

• Exemplos e exercícios discutidos em aula

– aulas de laboratório:

• Desenvolver habilidades experimentais: montar, medir e caracterizar o comportamento elétrico dos circuitos

• Um circuito só “funciona” se foi testado experimentalmente

• Equipamentos (ler manuais do osciloscópio e do gerador de sinais)

• Trazer seu multímetro e ‘material de consumo’ (lista no site – por grupo)

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Informações Gerais

Metodologia de Ensino e Aprendizagem

– atividades extra-classe:

• Estudo do conteúdo

• Realização de exercícios de listas, livros e provas antigas

• Desenvolvimento de projetos de circuitos para laboratório

– avaliações de aproveitamento:

• Verificação da evolução do aluno nos temas da disciplina

• Identificação das deficiências de aprendizado do aluno

• Demonstração e confirmação do grau de apropriação de conhecimentos da disciplina, de forma a justificar sua aprovação.

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Informações Gerais

Metodologia de Ensino e Aprendizagem

– É FUNDAMENTAL QUE O ALUNO EXERCITE FORA DE AULA O CONTEÚDO VISTO AO LONGO DO SEMESTRE!

– Tudo parece simples quando o professor faz em aula: a complexidade da análise ou do projeto somente é percebida quando o aluno tenta fazer sozinho.

– Engenharia exige autonomia: aprendam a estudar por si, buscar informação complementar, planejar atividades, etc.

– É igualmente importante que o aluno complemente seu aprendizado através de outras fontes de informação (livros, manuais, periódicos, internet, etc).

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Informações Gerais

Regras para o bom andamento da disciplina

– Falsidade, desonestidade e falta de ética não serão toleradas!

– Respeito é fundamental: não faça ao outro aquilo que não gostaria que fosse feito consigo.

– Hierarquia ajuda a ordenar: respeite a hierarquia da universidade.

– O mundo não é justo: mas sua atitude pode ajudar a melhorá-lo.

– Você faz parte de uma pequena fração dos brasileiros que podem mudar este país: não desperdice esta oportunidade!

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Conteúdo

Descrição do curso – parte 1:

1. Apresentação da disciplina. Breve histórico da eletrônica e a Indústria de Semicondutores.

2. Introdução: análise x síntese, sinais analógicos e digitais, amplificadores e modelos, distorção.

3. Diodo: diodo ideal e comportamento não-linear; a junção p-n; diodos de sinal, retificador e zener; características elétricas, curvas, modelos e aplicações.

4. Transistor de junção bipolar (TJB): estrutura física e comportamento do TJB n-p-n e p-n-p; características elétricas, curvas e modelos; polarização; análises cc e ca; excursão de sinal; configurações amplificadoras; classes de amplificadores.

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Conteúdo

Descrição do curso – parte 2:

5. Transistor de efeito de campo (FET): estrutura física e comportamento do MOSFET canal N e P; características elétricas, curvas e modelos; polarização; análises cc e ca; configurações amplificadoras.

6. Amplificadores multi-transistores: amplificadores de mais de um estágio; darlington, par diferencial, espelho de corrente, par complementar, cascode. Amplificador operacional.

7. Realimentação: princípios básicos e seu efeito nos amplificadores.

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Cronograma

No Plano de Ensino que estará no site.

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Bibliografia

• Sedra, Smith. Microeletrônica. 5ª edição, Prentice-Hall, ISBN:

9788576050223 (livro texto da disciplina).

• Behzad Razavi. Fundamentos de Microeletrônica. Editora LTC, ISBN:

9788521617327.

• Schiling, Belove. Circuitos Eletrônicos Discretos e Integrados.

Guanabara Dois.

• Millmann, Halkias. Eletrônica. McGraw-Hill.

• Manuais de fabricantes e Application Notes (Philips, Fairchild, National,

Texas, etc).

• Publicações periódicas relacionadas (IEEE: Institute of Electrical and

Electronics Engineers - http://ieeexplore.ieee.org/)

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Avaliação

• Duas provas teóricas (P1 e P2) + atividades de laboratório (L)

• Nota média (NM) atribuída da seguinte forma:

– NM= (3.P1 + 4.P2 + 3.L)/10

• Recuperação: prova final (Rec) envolvendo toda a matéria

– MF= (4.NM + 6.Rec)/10

• Algumas atividades extra-classe podem ser solicitadas ou sugeridas como complementação de nota.

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Ferramentas de CAD

• Simulação elétrica

– Spice Opus (shareware)

– LTSpice (Linear Technology – shareware)

– MicroCap

– Orcad

• Um simulador é uma excelente ferramenta, desde que o

usuário domine os circuitos que está simulando.

• Nenhum simulador substitui o conhecimento e a compreensão

teórica dos fenômenos envolvidos nos circuitos elétricos e

eletrônicos.

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Evolução da Eletrônica: um breve

histórico...

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A ELETRÔNICA permeia todas as áreas de atuação humana!

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Um pouco de História

• 1880 – IBM é fundada como Tabulating Machine Corporation

• 1898 – Joseph Thomson descobre o elétron

• 1899 – a telefonia sem fio é inventada

• 1900 – Max Planck descreve o princípio quântico

• 1901 – Marconi faz transmissão de rádio através do Atlântico

• 1905 – Einstein publica a teoria da relatividade especial

• 1906 – Lee De Forest inventa a válvula termo-iônica

– Primeira transmissão de música e voz (USA)

18 Thomson

Planck

TMC - 1886

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Um pouco de História

• 1909 – AT&T anuncia plano de telefonia costa a costa

• 1912 – De Forest inventa o amplificador telefônico

– O Titanic afunda

• 1915 – Sistema telefônico costa a costa operacional (USA)

• 1923 – De Forest mostra o primeiro áudio em filmes (válvula foto-sensível)

• 1925 - Julius Edgar Lilienfeld propôs o princípio do Mosfet

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Um pouco de História

• 1925~1928 – Wolfgang Pauli (princípio da exclusão); Werner

Heisenberg, Max Born & Pascual Jordan (mecânica quântica); Erwin

Schrödinger (mecânica ondulatória); Heisenberg (princípio da incerteza);

Paul Dirac (teoria de campo quântico); Bohr (estrutura dos átomos)

• 1928 – Receptores de rádio com cristal de galena (Sulfeto de Chumbo)

• 1939 – The Nature of the Chemical

Bond, and the Structure of Molecules

and Crystals - Linus Pauling

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Um pouco de História

• 1939 – As válvulas termoiônicas são o estado da arte em equipamentos de rádio – Televisão é apresentada em feira em NY

– Começa a Segunda Guerra Mundial

• 1940 – Russell Ohl descobre a junção P-N (Diodo) – Detectores de microondas para radar empregando Ge e Se

• 1941 – Começam as transmissões regulares de TV

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Um pouco de História

• 1934 – Computador Z1: unidade aritmética mecânica alemã (Konrad Zuse); digital (0 e 1); programação: cartão perfurado; somador/subtrator de 22 bits (ponto-flutuante) e unidade lógica de controle.

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Um pouco de História

• 1943 – Computador Colossus: computador eletromecânico inglês; equipe liderada por Alan Turing para criptoanálise de códigos ultra-secretos utilizados pelos nazistas, criados com a máquina Lorenz SZ 40/42. Usava símbolos perfurados em fitas de papel; processava a uma velocidade de 25 mil caracteres por segundo.

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Um pouco de História

• 1945 – Suspeitas que um tipo novo de amplificador deverá substituir as válvulas (Mervin Kelly – Bell Labs AT&T)

– Willian Shockley e StanleyMorgan montam um time de pesquisa em estado sólido (Bell Labs): John Bardeen, Walter Brattain, Bob Gibney, Bert Moore e Gerald Pearsons (investimento militar de US$1M)

– A bomba atômica é lançada, a Segunda Guerra Mundial acaba e é o início da Guerra Fria

24 Shockley

Bardeen

Brattain

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Um pouco de História

• 1946 – John Bardeen publica trabalho sobre contatos Metal-

Semicondutor

– computador ENIAC (1800 válvulas e 6000 chaves): 1º eletrônico!

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Um pouco de História

• 16 Dez, 1947 – Descoberta do efeito transistor em um dispositivo de contato metálico (ganho de potência de 18 vezes - foto)

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• 1948 – John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley propõem o transistor de contato metálico

• 1950 – Shockley, Sparks e Teal propõem o transistor de junção bipolar (TJB - Ge)

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Um pouco de História

• 1952 – Shockley desenvolve o transistor de efeito de campo de junção (JFET)

• 1952 – IBM lança o modelo 701 - UNIVAC, com válvulas termoiônicas

• 1953 – Primeiro produto a utilizar transistores – Aparelho para surdez Sonotone

• 1954 – Primeiros rádios transistorizados – Regency e Sony

– Texas Instruments faz transistores de silício

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Um pouco de História

• 1955 – Shockley Semiconductor Laboratory é fundado

• 1956 – Bardeen, Brattain e Shockley: Nobel de física pelo transistor

• 1957 – Fairchild Semic. é fundada pelos “oito traidores” (Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce and Sheldon Roberts)

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Um pouco de História

• 1958 – Jack Kilby (Texas) cria o conceito de circuito integrado (foto esq)

• 1959 – Robert Noyce (Fairchild) cria o processo de fabricação do circuito integrado planar (foto dir)

• 1959 – Labate, Kahng, and Atalla (Bell Labs) fabricam o primeiro MOSFET

• 1959 – IBM lança o modelo 7090, primeiro computador transistorizado

• 1960 – Fairchild lança os primeiros CIs comerciais com portas lógicas

• 1961 – Bell Punch, Ingl, lança ANITA – primeira calculadora eletrônica

• 1962 – É lançada a família lógica TTL (Texas)

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Um pouco de História

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IBM 7094 - 1959

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Um pouco de História

• 1963 – Fairchild lança o amplificador operacional monolítico μA702

• 1964 – IBM lança modelo 360, primeiro grande “sucesso”

• 1965 – Gordon Moore introduz a “Lei de Moore” (a cada 18 meses dobrará a densidade de integração)

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Um pouco de História

• 1965 – Robert Bower propôs o MOSFET de porta auto-alinhada

• 1967 – Primeiras calculadoras transistorizadas (Inglaterra e Japão)

• 1968 – Fairchild lança o Amp. Op. com compensação interna μA741

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Friden - Ing

Sharp - Jap

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Um pouco de História

• 1968 – Moore e Noyce deixam Fairchild para fundar a Intel

• 1970 – DARPA desenvolve a primeira rede de computadores

• 1970 – Intel lança a primeira DRAM (1103 de 1kbit)

• 1971 – Ted Hoff (Intel) desenvolve o primeiro microprocessador (4004 - 4 bits - 2700 transistores - encomendado para uma calculadora portátil pela Nippon Calculating Machine Corporation - Busicom)

• 1972 – John Bardeen recebe o 2° Nobel (supercondutores)

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Um pouco de História

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Um pouco de História

• 1974 – Intel lança primeiro microprocessador de 8 bits (8008 8080 8085 8086 8088 80286 80386 80486 Pentium I P II P III P IV ...)

• 1975 – Apple I – Steve Jobs e Steve Wozniak (6502 de 8 bits)

• 1975 – Bill Gates e Paul Allen fundam a Microsoft

• 1977 – Apple II – gráficos e disquete

• 1981 – IBM PC (8088 de 16 bits)

• 1989 – WWW começa nos EUA (Xerox)

• 1995 – Netscape lança o primeiro browser comercial

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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Um pouco de História

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Jobs e Wozniak - 1977

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Um pouco de História

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Bill

Gates

Paul

Allen

ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Um pouco de História

• 1997 – Intel Pentium 1 (7,5 Milhões de transistores)

• 2002 – Intel Pentium 4 (50 Milhões de transistores - foto)

• 2005 – Xenon (IBM; Xbox 360): 3 cores –

165 milhões de transistores – 96GFlops @ 3.2GHz

• 2005 – Cell Engine (Sony/IBM/Toshiba; PS3): 9 cores –

234 milhões de trans. – 1TFlop @ 4GHz

• 2004 – Intel Itanium: 600 milhões trans.

• 2005 – Intel Dual Core

• 2006 – Intel Quad Core

• 2008 – Intel Xeon 6 core: 1.8 bi trans.

• 2010 – Itanium 4 core: 2 bi trans.

• 2011 – Xeon 10 core 2.6 bi trans

• 2011 – Tahiti GPU AMD 4.3 bi trans

• 2011 – Xilinx FPGA 6.8 bi trans.

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Cell engine

Xenon

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Um pouco de História

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AMD Tahiti GPU Xilinx Virtex-7 FPGA Intel Xeon 7 CPU

ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

Um pouco de História

• Hoje: limite da tecnologia MOS – 22 nm, 14 nm : 2011/15 intel trigate bulk finfet

– 14 nm : 2014 TSMC SOI finfet

– 10 nm : 2016 Samsung SOI finfet

• Futuro: novos dispositivos??? – Nanotubos, grafeno, etc

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trigate

trigate sram

Source Drain

Gate

Source Drain

Gate

Source Drain

Gate

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A Indústria de Semicondutores

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Semicondutores: Densidade

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Semicondutores: Alimentação

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Semicondutores: Faturamento Mundial

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Semicondutores: Faturamento Mundial

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Semicondutores: Mercado Mundial

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Semicondutores: Mercado Mundial

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Semicondutores: Principais Participantes

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Semicondutores: Principais Participantes

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Semicondutores: Principais Participantes