Prof. Dr. Hamilton Klimach - chasqueweb.ufrgs.brhklimach/Slides/E077_2_Intro.pdf · Elementos reativos não representados por simplicidade. ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I

DELET - EE - UFRGS

Circuitos Eletrônicos I

ENG 04077

INTRODUÇÃO

Prof. Dr. Hamilton Klimach


Análise e Síntese de Sistemas

Eletrônicos


Da Idéia ao Produto

• Análise vs Síntese (=Projeto)

• Análise: por derivar de um objeto concreto, resulta em

descrição única (características funcionais, elétricas,

mecânicas, etc)

• Síntese: uma mesma especificação técnica pode resultar em

diversas implementações diferentes

3

MUNDO DAS

IDÉIAS MUNDO REAL

SÍNTESE

ANÁLISE


Da Idéia ao Produto

• Um novo Produto Eletrônico surge de uma idéia ou de uma

necessidade, relacionada a uma aplicação específica

4


Da Idéia ao Produto: Componentes

• A implementação (construção) do produto é feita através da

associação de componentes eletrônicos, que podem ser

discretos ou integrados

5


Da Idéia ao Produto: PCI

• A associação dos componentes é

feita através de placas de circuito

impresso (PCI), que servem para:

– Sustentar os componentes

– Interligar eletricamente seus

terminais

– Fornecer pontos de entrada e saída

para os circuitos (conexão externa)

6


Da Idéia ao Produto: CIs

• Os principais responsáveis pelo desempenho e funcionalidades de um produto são os circuitos eletrônicos integrados (CI), que podem ser do tipo:

– Digitais

– Analógicos

– Mistos (Analog+Dig)

– Rádio frequência (RF)

– Outros (ópticos, sensores, micromecanismos, etc)

7


Desenvolvimento de um CI

• A implementação e o

desempenho de um

circuito integrado

dependem da correta

associação entre:

– Dispositivos eletrônicos

– Circuitos (topologia)

– Processo de fabricação

8


Dispositivo

• É o elemento funcional mínimo que estabelece uma determinada relação entre tensões e correntes (VxI)

• Tem dois ou mais terminais elétricos

• Pode ser ou não linear

• Pode depender ou não do tempo (ou frequência)

• Exemplos:

– Transistores

– Resistores

– Capacitores

– Indutores

– Diodos

9


Dispositivo

10

ATIVOS

(amplificação)

PASSIVOS

(relação IxV)

Transistor de

Junção Bipolar

BJT

Transistor de

Efeito de Campo

FET

NPN

PNP

de Junção

JFET

de Porta Isolada

MOSFET

Canal N

Canal P

Lineares

Não-Lineares

Não-reativo: R

Reativos: L, C

Diodos

Termistores

Varistores

...

DISPOSITIVOS

ELETRÔNICOS


Circuito

• É a forma como os dispositivos são eletricamente

interligados

• A associação do comportamento elétrico de cada

dispositivo com outros resulta em comportamentos

mais complexos (funções)

• Geralmente, um circuito muito complexo resulta da

associação de circuitos-padrão menos complexos

(blocos), que são por sua vez formados pela

associação de dispositivos (estrutura hierárquica)

11


Processo

• É a estratégia industrial que é usada para se fabricar um

circuito integrado

• Os processos são geralmente classificados por:

– Tipo de transistor (MOS, Bipolar)

– Tipo de elementos passivos (capacitores, indutores, etc)

– Tamanho mínimo de dispositivos fabricáveis (escala de integração)

• Estas características determinam o tipo de CI que poderá ser

fabricado (digital, analógico, misto, RF, etc)

• Também determinam o custo de fabricação final

12


Processo

• A aplicação, o mercado, o custo, e outras restrições definem também o

processo (tecnologia) que será utilizado na produção

13


Projeto

• Com base nas necessidades da aplicação, especificações técnicas são criadas, definindo

as condições de operação de cada circuito (restrições, funções, comportamentos, etc)

• Engenheiros capacitados transformam as especificações técnicas em produtos

eletrônicos, definindo os circuitos necessários, os dispositivos que os implementarão e

o processo que será utilizado na sua fabricação

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Conceitos Básicos

Informação, Sinal, Domínios Tempo e

Frequência, Codificação Analógica e

Digital, Amplificadores e Modelos


Informação e Sinal Elétrico

• Só existe informação quando há variação (no espaço ou no tempo)

• Só existe informação quando a variação é coerente (respeita alguma

regra)

• Variações aleatórias não contém informação

• Exemplo:

– uma folha de papel em branco não contém informação

– uma folha de papel cheia de rabiscos não contém informação

– uma folha com rabiscos ordenados na forma de letras que formam palavras

contém informação

16



• Informação pode ser representada no domínio da eletricidade (tensão ou

corrente), e isso é chamado Sinal Elétrico

• O sinal elétrico que sai de um microfone, corresponde a variações

organizadas distribuídas no TEMPO.

• O sinal elétrico armazenado em uma memória, corresponde a variações

organizadas distribuídas no ESPAÇO.

17



• Sinal Elétrico representando a fala da palavra ZERO.

18



• Sinal Elétrico representando a fala da palavra ELE-TRÔNI-CA.

19


Sistemas Eletrônicos

• Os sistemas eletrônicos processam sinais elétricos

• Representação de informação no domínio elétrico pode ser:

– Proporcional à magnitude de uma grandeza elétrica (tensão ou

corrente, ou ainda frequência ou fase): sistema analógico

– Através de codificação numérica, onde os códigos são representados

através de valores estanques e espaçados de tensão: sistema digital

Signal

Processing

Input

Signal

Output

Signal

alimentação

20



o Décadas ’80 e ’90: Processamento Digital de Sinais (DSP) mais eficiente;

substitui diversas funcionalidades da eletrônica analógica

Digital Signal

Processing

A/D

Converter

D/A

Converter

Analog

Input

Signal

Analog

Output

Signal

Analog Signal

Processing

Analog

Input

Signal

Analog

Output

Signal

21


Eletrônica Analógica e Digital

• Representação da informação pode ser:

– Através da magnitude de uma grandeza elétrica (tensão ou corrente):

sistema analógico

– Através de codificação numérica, onde os códigos são representados

através de valores estanques e espaçados de tensão: sistema digital


o Observe as duas imagens aparentemente iguais.



o Observando mais perto se nota que:

– uma é formada por tons contínuos de cinza

– outra por aglomerados de pontos brancos e pretos.



As duas imagens contém aproximadamente a mesma informação.

o Domínio Analógico: SINAIS são formados por uma grandeza que varia

continuamente, desde os valores baixos até os altos.

o Domínio Digital: SINAIS são formados por uma grandeza que varia em

apenas duas magnitudes, somente apresentando os valores baixo e alto (‘0’ e

‘1’ binários).

o Um sinal digital representa uma aproximação de um sinal analógico, com

certo grau de perda de detalhe (perda de informação).



o Sistema Analógico: o Processa sinais contínuos no tempo e em magnitude.

o Transistores operaram em ampla faixa de condições (tensões e correntes).

o Grande variedade de Blocos Básicos complexos.

o Complexidade do processamento resulta da associação da:

o Arquitetura do sistema

o Complexidade dos circuitos (que formam os blocos básicos)

o Comportamento não-linear do transistor

o É pouco configurável.

o Implementando certa função:

o Utiliza poucos transistores

o Consome menos energia

o É mais rápido



o Sistema Digital: o Processa sinais discretos no tempo e em magnitude.

o Transistores operaram em apenas duas condições (chave on e off).

o Pouca variedade de Blocos Básicos simples.

o Complexidade do processamento resulta da Arquitetura do sistema.

o É muito configurável (função modificada por software).

o Implementando certa função:

o Utiliza muitos transistores

o Consome mais energia

o É mais lento




HOJE: sistemas eletrônicos com A + D no mesmo chip MOS

o Interfaces de entrada e saída: Analógico-digitais (mixed-signal)

o Processamento de sinais: Digital

o Armazenamento de sinais: Digital

o Comunicação de curta distância: Digital (barramentos locais)

o Comunicação de longa distância: Analógica (wired, RF ou ópticas)

o Alimentação e Referências: Analógico

Programmable

360°

Inclinometer

Color CMOS

Analog NTSC

Image Sensor

28


Fonte de sinal elétrico

29

Modelo de Thévenin Modelo de Norton

Sistema Linear

Invariante no

Tempo

+

Vo

-

+

Vo

-

+

Vo

-

Rs

Elementos reativos não representados por simplicidade.


Características de um sinal

• Onda Senoidal de tensão com amplitude Va e freqüência f = 1/T Hz.

• A freqüência angular é ω = 2πf rad/s.

30

•Frequência/período

•Amplitude

•Fase


Sinais Analógicos

31

Obs: 300 MHz => 1m @ vácuo


Sinais Analógicos

32

Faixa de frequências de sinais aplicados aos

sistemas eletrônicos de processamento


Domínios Tempo x Frequência

33



• Sinal periódico no tempo tem espectro discreto

34

Sinal periódico contínuo no tempo e em amplitude



• Sinal qualquer no tempo tem espectro contínuo

35

Sinal qualquer contínuo no tempo e em amplitude


Tempo: contínuo X discreto

• A passagem do tempo contínuo para o discreto se dá através

de um processo de amostragem temporal.

• Um sinal discreto no tempo pode ser contínuo em amplitude.

Ex: Filtros a capacitores chaveados.

36

Tempo contínuo Tempo discreto Amostrador


Efeito da taxa de amostragem

• Quanto maior o

número de amostras,

mais fiel é a

representação do sinal

original (aumento da

taxa de amostragem).

• Respeitando-se o

critério de Nyquist não

há perda de

informação:

𝑓𝑠 > 2𝑓𝑚𝑎𝑥

37


Amplitude: contínuo X discreto

• Um sinal discreto no tempo e contínuo em amplitude é quantizado através de um circuito (ADC) que aproxima cada valor da amplitude por um valor digital correspondente.

• Há perda de informação, pois o quantizador produz uma aproximação do sinal original, com um erro intrínseco.

• O chamado sinal digital é ao mesmo tempo discreto no tempo e em amplitude. 38

Amplitude contínua Amplitude discreta ADC ou

Quantizador


Sinais Contínuos e Discretos

• Contínuo no tempo e na amplitude (analógico)

• Discreto no tempo e contínuo na amplitude (a)

• Contínuo no tempo e discreto na amplitude (b)

• Discreto no tempo e na amplitude (digital)

39


Conversão Analógico - Digital

40

Sinal Analógico Pode assumir qualquer valor

dentro da faixa dinâmica

(contínuo no tempo e em

amplitude)

Sinal Digital Pode assumir um número

finito de valores dentro da

faixa dinâmica

(discreto no tempo e em

amplitude)

Interface de sinais mistos

ADC / DAC

Sinal Analógico Sinal Digital

ADC

Analog-Digital

Converter

Digital-Analog

Converter


Conversor Analógico para Digital

• Realiza duas operações:

– Discretização no tempo (etapa de amostragem)

– Discretização em amplitude (etapa de quantização)

41


O Amplificador


Amplificador Linear Ideal

• Amplificador de tensão excitado com um sinal vI(t) e conectado a uma

carga resistiva RL

• Característica de transferência de um amplificador linear de tensão com

ganho de tensão Av. 43

iVo vAv


Amplificador Linear Real

• Excursão de saída é limitada pela alimentação do amplificador.

• Sinal de saída é distorcido SE tentar ultrapassar a alimentação. 44

iVo vAv


Amplificador Real

• Amplificador REAL distorce o sinal quando o amplifica.

• Quando um sinal é DISTORCIDO, surgem harmônicos (frequências) que

não existiam no sinal original.

• Os harmônicos gerados SEMPRE são múltiplos inteiros do fundamental. 45


Amplificador Real

• Distorções ASSIMÉTRICAS

produzem harmônicos de ordem

PAR (múltiplos pares da

fundamental: 2, 4, 6, 8...)

• Distorções SIMÉTRICAS

produzem harmônicos de ordem

ÍMPAR (múltiplos ímpares da

fundamental: 3, 5, 7, 9...)

• Geralmente as distorções são

parcialmente simétricas e

parcialmente assimétricas,

produzindo então harmônicos de

todas as ordens.

46


Amplificador Real

• Imagine que um sinal senoidal x(t) = sin ωt é aplicado a uma função não-

linear qualquer f(x), que pode ser expandida em série de Taylor:

• Lembrando das relações trigonométricas:

• Vemos que como resultado teremos novas frequências sendo geradas, que

são múltiplos inteiros da frequência original ω e chamados de harmônicos.

47

ttt

tt

3sinsin34

1sin

2cos12

1sin

3

2

3

3

2

210)( xaxaxaaxf


• Imagine que um sinal senoidal x(t) = sin ωt é aplicado a uma função não-

linear qualquer f(x), que pode ser expandida em série de Taylor:

Amplificador Real

48

3

3

2

210)( xaxaxaaxf

ttt

tt

3sinsin34

1sin

2cos12

1sin

3

2

Off-set

Ganho

Distorção

Distorção


Amplificador Real

• Análise espectral permite a

identificação das componentes

resultantes da distorção.

• A distorção harmônica total

(THD) pode ser quantificada

por:

• THD = 0% seria o caso do

amplificador ideal, sem

distorção

49

%100lfundamenta

harmônicos% xTHD


Amplificador Real

• Há uma parcela na saída que independe da entrada • O ganho Av depende do sinal (amplitude e frequência), da

alimentação, da temperatura, da carga, etc • A dependência de Av. com a frequência do sinal possui

partes linear e não-linear

50

,...,,

,...,,,,

CCLoffsetoffset

CCLiVV

offsetiVo

VTRVV

VTfRvAA

VvAv

sinal vO RL vi

AMPL

VCC


Elementos de Teoria de Circuitos

51

Elementos Fundamentais de Teoria de Circuitos Lineares: - passivos: R, L, C (não fornecem energia, apenas

consomem ou armazenam)

- ativos: fontes V e I (fornecem ou absorvem energia)


Elementos de Teoria de Circuitos: fontes

controladas

52

Fonte de Tensão Controlada por

Tensão

Fonte de Corrente Controlada

por Tensão

Fonte de Corrente Controlada

por Corrente

Fonte de Tensão Controlada por

Corrente

São a única forma de se prover AMPLIFICAÇÃO.


Amplificador Linear: Modelos

53

Amplificador de Tensão Amplificador de Corrente

Amplificador de Transcondutância Amplificador de Transresistência


Amplificador de Tensão Linear: Modelo

(a)Modelo de elétrico de um amplificador de tensão.

(b)Um amplificador de tensão com um sinal de entrada em tensão e uma carga

54


Máxima Transferência de Sinal

55

• Máxima transferência de sinal em tensão:

SLL

SLSL

SL

LSL RRV

RRVV

RR

RVV

0min_

max_



56

• Máxima transferência de sinal em corrente:

SLL

SL

S

SL

SL

SL

RRI

RRR

VI

RRVI

0

1

min_

max_



57

• Máxima transferência de sinal em potência:

24 2

2

max_

min_min_

min_min_

2

2

S

S

SLSL

LLSL

LLSL

SL

LSLLL

P

R

VPRR

PVRR

PIRR

RR

RVIVP


Amplificador Linear: Transferência

58

Si

isi

OL

LiVo

RR

Rvv

RR

RvAv

• Máxima transferência de sinal (em tensão) se: – Rs << Ri – Ro << RL



59

• Máxima transferência de sinal em tensão se: – Rs << Ri – Ro << RL

• Máxima transferência de sinal em corrente se:

– Rs >> Ri – Ro >> RL

• Máxima transferência de sinal em potência se:

– Rs = Ri – Ro = RL



60

• Máxima transferência de sinal em tensão: – Utilizada na maioria dos circuitos: representação de

sinal em tensão: dado digital, sinais analógicos

• Máxima transferência de sinal em corrente:

– Utilizada em poucos circuitos, onde a queda de tensão das linhas é crítica: comunicação 4-20mA

• Máxima transferência de sinal em potência:

– Utilizada em circuitos de baixíssima potência, pois oferece altas perdas (50%): receptores de RF


Exemplo de abordagem literal

• Calcule, de forma literal, o valor das tensões ve e vc, em

função dos parâmetros do circuito e do sinal de entrada

vb.

• Calcule os ganhos de tensão Ae= ve/vb e Ac = vc/vb.

61

1

1

1

1

1

E

Lc

E

Ee

bLe

bEe

bEbb

Rr

RA

Rr

RA

iRv

iRv

iRirv

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