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CARLOS ALBERTO ROSA
PROPOSTA DE MÁQUINAS DE ENSINO-APRENDIZAGEM PARA TRANSPOSIÇÃO DIDÁTICA EM PROJETOS DE CIRCUITOS
INTEGRADOS CMOS
São Paulo 2008
CARLOS ALBERTO ROSA
PROPOSTA DE MÁQUINAS DE ENSINO-APRENDIZAGEM PARA TRANSPOSIÇÃO DIDÁTICA EM PROJETOS DE CIRCUITOS
INTEGRADOS CMOS Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica. Área de concentração: Microeletrônica Orientador: Prof. Dr. Wilhelmus Adrianus Maria Van Noije
São Paulo 2008
FICHA CATALOGRÁFICA
Rosa, Carlos Alberto Proposta de máquinas de ensino-aprendizagem para transposição didática em projetos de circuitos integrados CMOS / C. A. Rosa. – ed. rev. -- São Paulo, 2008. 116 p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos. 1. Engenharia (Estudo e ensino) 2. Tecnologia educacional 3. Circuitos integrados MOS (Projeto) 4. Máquinas CMOS 5. Máquinas de ensino-aprendizagem 6. Transposição didática I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos II. t.
Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador. São Paulo, 19 de novembro de 2008. ____________________________________ ____________________________________ Carlos Alberto Rosa Prof. Dr. Wilhelmus Adrianus Maria Van Noije Autor Orientador – PSI/EPUSP
DEDICATÓRIA
À memória de meu pai, Carlos Alberto Espedito Rosa.
À minha companheira Adelvina Maria de Sousa pelo incentivo, dedicação e apoio incondicional.
À minha irmã Lilia de Oliveira Rosa pelos incansáveis conselhos e suporte emocional.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador que tornou possível a realização deste trabalho no
PSI – Departamento de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da Universidade
de São Paulo durante os anos de 2006 a 2008.
Ao prof. Vinício de Macedo Santos (FEUSP) pelos esclarecimentos e
orientação sobre os aspectos educacionais envolvidos no processo da transposição
didática e pelas recomendações bibliográficas.
Ao prof. Sebastião Gomes dos Santos Filho (PSI/EPUSP) pelas
observações e considerações relevantes obtidas durante a qualificação e que
influenciaram fortemente os refinamentos desse trabalho.
Ao prof. Jacobus Willibrordus Swart (CCS/UNICAMP) pela viabilização da
bolsa de estudos sobre microfabricação em 2006 e que me permitiu conhecer
através de uma vivência prática em laboratório os reais problemas das tecnologias e
processos envolvidos na fabricação de circuitos integrados.
Ao prof. Renato Perez Ribas pelas longas conversas e discussões para
consolidar um grupo de estudos especializado na Educação em Microeletrônica e
sobre estratégias para fazer avançar no Brasil uma formação de professores nos
CEFETs e nas ETECs – Escola Técnicas Estaduais visando uma Formação de
Projetistas de Circuitos Integrados para uma Educação Profissional e Tecnológica.
Ao CNPq pela bolsa de estudos recebida em 2008 para participar da Fase
I do treinamento com a empresa americana CADENCE no CI Brasil – Programa
Nacional de Formação de Projetistas de Circuitos Integrados.
Aos professores e instrutores da CADENCE com quem pude conviver
durante 4 meses no CI-Brasil, nos laboratórios do CT#1 – NSCAD/UFRGS, onde
pude aprender a usar diversas ferramentas, recursos e técnicas em projetos de
circuitos integrados CMOS.
Aos dirigentes das instituições de ensino MPCE/FATEC-SP,
CEFET/SP, SENAI/SP, ETESP/CEETEPS e Informática/UFRGS que me permitiram
visitas às instalações durante os anos de 2006 e 2008, fazendo observações em
sala de aula, e exercitando algumas atividades didáticas experimentais com seus
alunos.
E a todos que contribuíram direta ou indiretamente com este trabalho.
“Quem perde seus bens, perde muito.
Quem perde um amigo perde muito mais.
Mas quem perde sua coragem perde tudo.”
(Miguel de Cervantes)
RESUMO
Rosa, C. A. Proposta de máquinas de ensino-aprendizagem para transposição didática em projetos de circuitos integrados CMOS. 2008, 116 f. Dissertação (Mestrado) — Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.
Esse trabalho apresenta uma proposta na área de Educação em
Microeletrônica que visa enriquecer práticas de ensino adotadas na área de projetos
de circuitos integrados através do uso de máquinas de ensino-aprendizagem (TLM –
Teaching-Learning Machine) em aulas de laboratórios como instrumentos auxiliares
e complementares ao ensino teórico.
As TLMs propostas permitem a verificação experimental de conceitos
fundamentais em VLSI Design, tais como: polarização de transistores NMOS e
PMOS, inversores CMOS, curvas de transferência do inversor CMOS,
implementação de diversas portas lógicas CMOS estática e dinâmica usando
transistores de passagem ou portas de transmissão (NAND, NOR, AND, OR, XOR,
XNOR, MUX, DECODER, Half ADDERs e Full ADDERs), Latches, Flip-flops e
células de memória (RAM e ROM). A metodologia usada foi baseada em pesquisa
bibliográfica, observações em sala de aula, participação em projetos didáticos,
entrevistas com alunos e professores de microeletrônica.
As TLMs foram construídas na forma de painéis de papelão de 100 cm x
70 cm com eletrônica embarcada ou conjuntos de módulos de circuito impresso com
tamanhos A4 até A10, interligados entre si por meio de conectores, cabos elétricos
padronizados e acondicionados em caixas flexíveis de borracha sintética.
Considerou-se o uso combinado desses materiais com diferentes técnicas
de montagens eletrônicas. No leiaute das TLMs foram considerados aspectos da
interação homem-máquina (HMI) e projetos de interações por PREECE (2002), e da
transposição didática de CHEVALHARD e JOSHUA (1981).
Os resultados efetivos da aprendizagem usando TLMs foram obtidos por
meio de uma dinâmica em sala de aula baseada no microensino em ALLEN (1967).
Palavras-chave: Educação em Microeletrônica, Projeto de Circuitos Integrados, Transposição didática, Práticas de ensino, Máquinas de ensino-aprendizagem.
ABSTRACT
Rosa, C. A. Proposal of teaching-learning machines for didactical transposition to CMOS IC design. 2008, 116 p. Dissertation (MSc) — Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.
This paper presents a proposal in the area of Education in
Microelectronics which aims to enrich the educational practices adopted in the area
of integrated circuits design through the use of teaching-learning machines (TLM) in
classes, laboratories as auxiliary and complementary instruments to the theoretical
ones.
The proposed TLMs allow the experimental verification of fundamental
concepts in VLSI design, such as: NMOS and PMOS transistors biasing, CMOS
inverters, transfer curves of a CMOS inverter, implementation of various static and
dynamic CMOS logic using the pass-transistor or transmission gates (NAND, NOR,
AND, OR, XOR, XNOR, MUX, DECODER, Half ADDERs and Full ADDERs), Latches,
flip-flops and memory cells (RAM and ROM).
The used methodology was based on a literature search, observations in
the classroom, participation in educational projects, interview of students and
professors involved with microelectronics.
The TLMs were assembled in the form of paper panels, 100 cm x 70 cm
embedded with electronic modules, or sets of printed circuit boards with A4 size up to
A10 size, connected with each other through connectors, electrical wires and packed
in synthetic rubber flexible boxes.
The combined use of these materials with different techniques of
electronic assemblies has been very important. The layout of TLMs concerns about
the aspects of human-machine interaction (HMI) and design interactions from
PREECE (2002), and the didactical transposition from CHEVALHARD and JOSHUA
(1981).
The effective learning results using TLMs were obtained through a
dynamic in classroom based on microteaching from ALLEN (1967).
Key-words: Microelectronics Education, IC Design, Didactical transposition, Teaching practices, Teaching-learning machines.
LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS
ASIC Application-Specific Integrated Circuit
BIST Built-in Self Test
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
DSP Digital Signal Processing
DUT Device Under Test
EDA Electronic Design Automation
EEPROM Electrical Erasable PROM
FPGA Field-Programmable Gate Array
HCI Human-computer interaction
HDL Hardware Description Language
HMI Human-Machine Interaction
IP Intellectual Property
LED Light Emitter Diode
LM Learning Machine
LSI Large Scale Integration
MMI Man Machine Interface or Interaction
MOS Metal Oxide Semiconductor
MSI Medium Scale Integration
NMOS Transistor MOS de canal tipo N
PMOS Transistor MOS de canal tipo P
PROM Programmable Read Only Memory
SoC System on a Chip
SoP System on a Package
SSI Small Scale Integration
TLM Teaching-Learning Machine
TM Teaching Machine
UVLSI Ultra Very Large Scale Integration
VHDL VHSIC Hardware Description Language
VHSIC Very-High-Speed Integrated Circuits
VLSI Very Large Scale Integration
8
SUMÁRIO
Capítulo 1 – Introdução.................................................................................... 10 1.1 Justificativas.................................................................................................................... 12 1.2 Objetivos......................................................................................................................... 16 1.3 Estrutura do Trabalho ..................................................................................................... 18
Capítulo 2 – Tecnologia Educacional .............................................................. 20 2.1 Introdução ....................................................................................................................... 20 2.2 Conceitos Básicos ........................................................................................................... 21 2.3 Importância do Planejamento de Atividades nos Laboratórios Didáticos ...................... 22 2.4 As Máquinas de Ensino-Aprendizagem.......................................................................... 24
2.4.1 Classificação das Máquinas de Ensino-Aprendizagem Reais Existentes no Mercado. 26 2.4.2 Características Comuns das Máquinas Modulares no Mercado Nacional.................. 38
Capítulo 3 – Modelagem do Contexto de Aprendizagem.............................. 40 3.1 Contexto de Aprendizagem com Chaves e Relés ........................................................... 41 3.2 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia Bipolar..................................................... 44
3.2.1 Família DL ................................................................................................................... 44 3.2.2 Família TTL ................................................................................................................. 45
3.3 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia MOS ........................................................ 48 3.4 Contexto de Aprendizagem com Lógica Programável ................................................... 55
Capítulo 4 – Proposta de Máquinas de Ensino-Aprendizagem.................... 58 4.1 Introdução ....................................................................................................................... 58 4.2 Plataformas de Papelão nas Montagens Eletrônicas ....................................................... 61 4.3 Taxionomia para as Máquinas de Ensino-Aprendizagem............................................... 63 4.4 Proposta de Módulos de Standard-Cells......................................................................... 64 4.5 Proposta de Módulos Sea-of-Gates................................................................................. 66
Capítulo 5 – Práticas de Ensino ....................................................................... 69 5.1 Introdução ....................................................................................................................... 69 5.2 A Transposição Didática................................................................................................. 70 5.3 Práticas de Ensino em Projetos de Circuitos Integrados no Brasil ................................. 71 5.4 Metodologia Utilizada .................................................................................................... 73 5.5 Práticas de Ensino usando TLM CMOS......................................................................... 74
5.5.1 Prática de Ensino usando Módulos Standard-Cells..................................................... 76 5.5.2 Prática de Ensino usando Módulos Sea-of-Gates ........................................................ 82 5.6 Resultados Experimentais ............................................................................................... 88
9
Capítulo 6 – Conclusão e Trabalhos Futuros ................................................. 91 6.1 Conclusões ...................................................................................................................... 91 6.2 Sugestões e Trabalhos Futuros........................................................................................ 94
Apêndice A – Plataforma do Painel de Força................................................. 96
Apêndice B – Módulos Standard-Cells ............................................................ 98
Apêndice C – Módulos Sea-of-Gates.............................................................. 105
Referências Bibliográficas .............................................................................. 109
Referências URL ............................................................................................. 114
10
Capítulo 1
Introdução
O conhecimento sem dúvida é o instrumento essencial no mundo moderno. O
homem moderno cada vez mais se vê envolvido com máquinas e aparelhos
eletrônicos criados artificialmente para potencializar algumas de suas habilidades
humanas. Nesse sentido, podemos destacar alguns exemplos de máquinas com as
quais o homem moderno se interage frequentemente no seu cotidiano. Os carros de
passeios são máquinas modernas criadas com a mais alta tecnologia, fruto do
conhecimento humano, onde o homem interage com elas para se deslocar a
grandes distâncias com o maior conforto e segurança. Essas máquinas são
especialmente construídas para potencializar a limitada capacidade do sistema
biofísico humano, que fatalmente sucumbiria ao percorrer grandes distâncias.
Usando essas máquinas o homem preserva facilmente todas as suas atividades
vitais dentro de níveis aceitáveis e que, dependendo de cada modelo de máquina,
ainda experimenta diferentes sensações de conforto, segurança, satisfação e prazer,
não tendo que se preocupar com sua circulação e pressão sangüínea, capacidade
respiratória, temperatura de seu corpo, transpiração, cansaço físico e capacidade
muscular de suas pernas, etc.
11
Do exemplo anterior, podemos inferir que o conhecimento como instrumento
essencial no mundo moderno permitiu ao homem criar máquinas dedicadas capazes
de libertá-lo de atividades rotineiras, cansativas, tediosas decorrentes de atividades
prolongadas, ou que exigem alta precisão, ritmos constantes, etc. Com isso, o
homem passou a desfrutar de maior tempo livre para trabalhar em atividades mais
prazerosas ou que exigem maior nível de abstração, tais como: criação,
planejamento e supervisão de atividades. Nesse sentido, podemos enumerar uma
infinidade de máquinas já criadas pelo homem para atender às diversas variedades
de suas necessidades utilitárias do dia-a-dia, a saber: as máquinas de lavar louças,
máquinas de lavar roupas, máquinas de cozinhar alimentos, máquina de datilografar,
máquinas de calcular e muito mais.
Com os avanços alcançados pela eletrônica e a microeletrônica nos últimos 30
anos mais facilidades foram sendo incorporadas às máquinas e novas habilidades
humanas foram também potencializadas. Nas últimas décadas, os serem humanos
passaram a se comunicar com outros seres humanos utilizando-se de diversas
máquinas móveis com a tecnologia da telefonia celular com cobertura global, sendo
suportada por uma complexa rede de outras máquinas satélites interligadas por
complexos sistemas eletrônicos dedicados. Nesse sentido, podemos falar do
advento das máquinas computadorizadas analógicas e digitais, computadores
pessoais e servidores, satélites de comunicação, telefones celulares, rádio e TV,
televisão digital interativa, todos os sistemas portáteis com microprocessadores
embarcados, etc. Nesse exato período estamos presenciando um importante
fenômeno histórico chamado convergência tecnológica graças ao avançado grau de
maturidade da microeletrônica.
A sociedade humana não desfrutaria de tais progressos se o conhecimento não
fosse especializado e não tivesse sistematicamente organizado. Tudo isso só está
sendo possível por que o homem descobriu um jeito de transmitir seus
conhecimentos através das gerações e assim vem sendo preservado os avanços
alcançados pelas gerações passadas.
Para assegurar à sociedade o atual estado da arte alcançado pela
microeletrônica os nossos educadores precisam se unir e aprimorar as técnicas de
ensino, desenvolvendo novas práticas que visem a popularização, de uma vez por
12
todas, dos conhecimentos já dominados na área de microfabricação e
microeletrônica nos cursos superiores [VAN NOIJE, W. A. M. et al, 2001] passando a
ser ensinados regularmente nos níveis mais elementares como na educação básica
(fundamental e médio) em temas transversais de tecnologia [ROSA; VAN NOIJE;
ARELARO, 2007 a] e na educação profissional preparando o jovem para o mercado
de trabalho [ROSA; VAN NOIJE; ARELARO, 2007 b]. Assim, teremos a
oportunidade de atrair mais e melhores alunos para esse fascinante mundo da
microeletrônica.
Segundo PLAISANCE e VERGNAUD (2003), esse mecanismo que promove
o progresso numa sociedade é garantido pela Educação e intensamente estudado
por várias áreas da Educação. O instrumento que permite a interação entre
diferentes gerações (professores e alunos) é conhecido por Ensino e deve ser
entendido como um processo de ensino-aprendizagem constituído por diferentes
técnicas pedagógicas que envolvem atividades e práticas escolares que se voltam
para a formação de hábitos de interesse da sociedade. E assim, todas as máquinas
especializadas dirigidas para a área educacional, que permitem potencializar a
transmissão de conhecimentos aplicáveis aos processos de ensino-aprendizagem
serão denominadas, neste trabalho, máquinas de ensino-aprendizagem ou
simplesmente TLMs (teaching-learning machines).
Podemos considerar o ensino sob vários aspectos num contexto escolar. O
autor do presente trabalho considera as TLMs como recursos didáticos
complementares no contexto da Tecnologia Educacional, que segundo AURICCHIO
(1978), estuda e analisa os diversos aspectos metodológicos além de identificar os
possíveis problemas críticos de qualidade de ensino, propondo ainda ações efetivas
que garantam o alcance dos objetivos instrucionais planejados com excelentes
níveis de aprendizagem.
1.1 Justificativas
As constantes mudanças sociais e culturais, os movimentos políticos e as
inovações tecnológicas condicionam freqüentemente a criação ou o
13
desaparecimento de algumas profissões e exigem uma adequação contínua dos
agentes da educação nas instituições de ensino profissional e tecnológico.
Na última década a ciência e a tecnologia alcançaram avanços excepcionais
em novos materiais e técnicas de fabricação promovendo uma acentuada redução
na área ocupada pelos transistores baseados em tecnologia MOS. Esse aspecto
tornou possível a integração de sofisticados sistemas eletrônicos em apenas um
único encapsulamento (SoP) ou num único chip (SoC). O surgimento de linguagens
descritoras de hardware (HDL), tais como, o VHDL e o Verilog HDL, tornaram
possível a reutilização de códigos de propriedade intelectual (IP Core) em novos
projetos.
A implementação de sistemas SoC, com complexidades sempre crescentes,
vem sendo possível graças ao surgimento de sofisticadas ferramentas automáticas
destinadas para sínteses automáticas (EDA) e ambientes de simulação para
protótipos em FPGA e CPLDs. Por exemplo, os simuladores ISE da Xilinx [URL 1,
2008], Libero da Actel [URL 2, 2008], Quartus da Altera [URL 3, 2008], Active-HDL
da Aldec [URL 4, 2008] e o ModelSim da Menthor Graphics [URL 5, 2008]. Hoje, é
praticamente impossível projetar um circuito integrado VLSI sem fazer uso dessas
ferramentas para protótipos em FPGA ou de ferramentas profissionais para sistemas
ASICs como as oferecidas pelas empresas Cadence [URL 6, 2008], Mentor
Graphics [URL 5, 2008], Synopsys [URL 7, 2008], Magma [URL 8, 2008] e outras.
Atualmente, no mundo todo, existe pelo menos uma centena de fábricas de
circuitos integrados, porém, podemos destacar que apenas duas destas processam
um volume superior a 65% das lâminas de silício processadas mundialmente. Essas
fábricas encontram-se localizadas na Ásia, mais particularmente em Taiwan, a
TSMC [URL 9, 2008] e a UMC [URL 10, 2008].
O governo brasileiro está implantando a sua primeira fábrica de circuitos
integrados no Rio Grande do Sul, chamada CEITEC [URL 11, 2008], com previsão
de entrar em operação no final de 2009. O CEITEC licenciou a tecnologia XCO6 -
SP331 da X-FAB [URL 12, 2008], uma empresa alemã com cinco fábricas, sendo
duas instaladas na Alemanha, Erfurt e Dresden, e as outras três instaladas na
Malásia, na Inglaterra e nos Estados Unidos (Texas).
14
Segundo informações divulgadas no próprio sítio do CEITEC, a fábrica irá
operar em rede estruturada com centros de pesquisa, universidades e empresas
conveniadas, visando o desenvolvimento de projetos de sistemas eletrônicos
integrados, em processamento físico-químicos, desenvolvimento de sensores e
dispositivos especializados, caracterização e teste de dispositivos eletrônicos e
novos materiais.
A tecnologia a ser utilizada pela fábrica brasileira será baseada no processo
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) e CMOS mixed signal com
comprimento de canal de 0,6 µm com até três níveis de metalização. Com essa
tecnologia será possível a fabricação de memória volátil (EEPROM) embarcada em
SoC. Também será possível fabricar resistores de poli-silício de alta resistividade e
diodos do tipo Schottky. Essa tecnologia será aplicada em lâminas de silício de 150
mm de diâmetro cujos dispositivos produzidos poderão ser utilizados em
equipamentos de telecomunicações, processamento de dados, entretenimentos, e
dos setores automotivo, automação industrial e médico-hospitalar. O CEITEC prevê
uma evolução destes procedimentos através da implantação de equipamentos de
processo para a prototipagem de CIs com comprimento de canal de 0,35 µm até
2011.
A tecnologia X-FAB, licenciada pelo CEITEC, possui um núcleo CMOS que
permite uma densidade de até 4,5 Kgates/mm² e diversos capacitores, resistores e
diferentes transistores bipolares para aplicação analógicas.
Em OLIVEIRA e ADRIÃO (2007), no capítulo III da LDB (Lei 9.394, de 20 de
Dezembro de 1996), observamos toda a Educação Profissional em apenas quatro
artigos (art. 39 a 42). Regulado por leis complementares, a Educação Profissional é
permitida aos egressos do ensino fundamental, médio e superior, bem como, o
trabalhador em geral, jovem ou adulto; podendo ser ministrada por diferentes
estratégias de educação continuada, seja em instituições especializadas ou no
ambiente de trabalho. Segundo a LDB, a Educação Profissional é considerada uma
instrução técnica com formação de ênfase prática voltada para o desenvolvimento
de aptidões para o exercício de uma atividade produtiva, visando favorecer a sua
inclusão no mercado de trabalho.
15
Assim como ocorreu há poucos anos atrás, quando a internet chegou à
população brasileira de uma maneira geral, criar páginas WEB e fazer programação
em HTML eram conhecimentos por demais sofisticados, tendo proporcionado o
surgimento de novas profissões antes mesmos da existência de qualquer
regulamentação governamental para os programas regulares de ensino profissional
e tecnológico. A formação profissional de Web Designer acabou sendo
regulamentada pela Secretaria de Ensino Profissional e Tecnológica do MEC
(SETEC) [URL 13, 2008] no final da década de 90, porém só recentemente, foi
consolidado o Catálogo Nacional de Cursos Técnicos com os parâmetros
curriculares [URL 14, 2008] para os Cursos Técnicos de Informática para Internet.
Dessa mesma forma o autor acredita que surgirá no Brasil um novo profissional
com conhecimentos especializados na área de projetos de CIs e que serão
conhecidos por IC Designers. Assim, o MCT [URL 15, 2008] [URL 16, 2008] lançou
nesse ano 2008 um Programa Nacional de Formação de Projetistas de Circuitos
Integrados chamado Programa CI-Brasil [URL 17, 2008] que consolidou em Porto
Alegre/RS, o primeiro Centro de Treinamento (CT#1) para formação de IC Designers,
coordenado pelo Núcleo de Suporte em VLSI/CAD, conhecido por NSCAD/UFRGS
[URL 18, 2008]. As aulas são ministradas por profissionais da empresa americana
Cadence, para a formação inicial de 100 profissionais IC Designers nos primeiros 5
meses iniciais (de abril à agosto), e destes 100, os 36 melhores alunos participarão
do curso de formação de líderes em projeto de CIs, com uma duração de mais 8
meses de treinamento. Seguindo esse mesmo formato e modelo do CT#1, um
segundo centro de treinamento (CT#2) entrou em operação no início de agosto de
2008 em Campinas/SP, no CTI/MCT [URL 19, 2008], para formar mais 100
profissionais IC Designers nos próximos 4 meses e, a partir de janeiro de 2009,
outros 36 líderes de projeto durante os 8 meses seguintes. Em ambos os centros de
treinamento estão sendo treinados IC Designers nas áreas de Digital, Analógico &
Sinais Mistos e RF. Mais dois centros de treinamento (CT#3 e CT#4) serão
viabilizados pelo MCT até o final de 2009. A meta do MCT é formar dentro dos
próximos 4 anos, através desses quatros centros de treinamento, um total de 1500
IC Designers.
16
Como sugestão, o autor recomenda os seguintes nomes para os futuros cursos
de formação: Curso Técnico em IC Design; Curso de Tecnologia em IC Design;
Engenharia Elétrica com Habilitação em IC Design e Curso de Especialização em IC
Design. Ou ainda, poderia ser utilizada a tradução da expressão inglesa IC Design
pela a expressão portuguesa "Projeto de CIs".
1.2 Objetivos
O presente trabalho está inserido dentro de um contexto educacional mais
abragente que visa criar estratégias para divulgar conhecimentos na área de
circuitos integrados para professores, alunos e profissionais da área de eletrônica,
atraindo-os futuramente para participarem do Programa Nacional de Formação de
Projetistas de CIs. Este trabalho considerou o fato que, dentro de três anos, o Brasil
terá uma fábrica de circuitos integrados funcionando plenamente em Porto
Alegre/RS [URL 11, 2008] e precisará de muitos projetistas e profissionais
especializados nessa área, conforme visto no item 1.1 anterior.
Assim, esse trabalho apresenta uma proposta de uso máquinas de ensino-
aprendizagem para serem utilizadas em cursos de eletrônica de escolas técnicas,
visando auxiliar o ensino de projetos de circuitos integrados CMOS através de aulas
práticas com atividades interativas.
O conhecimento do processo da transposição didática nos permite decompor
objetos complexos de ensino transformando-os através de conjunto de recursos,
meios e atividades didáticas para domínios de ensino mais elementares, tais como:
ensinos de nível fundamental, médio ou técnico profissional.
Nesse trabalho serão apresentados alguns desenhos de módulos para se
construir máquinas de ensino-aprendizagem que testadas em um processo de
transposição de conhecimentos em projetos de circuitos integrados digitais CMOS
para alunos do ensino em nível médio de escolas técnicas de eletrônica na cidade
de São Paulo.
O presente trabalho objetiva o desenvolvimento de recursos pedagógicos
auxiliares aos professores de projetos de sistemas eletrônicos em circuitos
17
integrados, fornecendo orientações gerais para se construir módulos de máquinas
de ensino-aprendizagem baseadas em práticas de montagens de circuitos
eletrônicos com recursos rudimentares e materiais de baixo custo. Podemos
considerar como máquinas virtuais os sistemas eletrônicos baseados no uso de
software para computadores tais como EDA (Electronic Design Automation) e
software de simulação de circuitos eletrônicos.
As máquinas de ensino-aprendizagem concebidas e apresentadas neste
trabalho permitem uma atuação direta no hardware através de um conjunto de
módulos que as compõem. Desse modo foi formado um novo ambiente de
aprendizagem real e interativo considerando-se os aspectos da interação entre o
homem e a máquina (Man Machine Interaction) [PREECE, 2002].
Um novo espaço de aprendizagem constituído por máquinas de ensino-
aprendizagem pode melhorar as atuais condições dos laboratórios didáticos
existentes. Desse modo seria possível criar as condições necessárias para motivar e
atrair jovens das escolas técnicas brasileiras para cursos superiores de tecnologia
e/ou de engenharia eletrônica para se especializarem na área de projetos de
circuitos integrados.
Os módulos das máquinas de ensino-aprendizagem abordados nesse trabalho
permitem experimentar diversos conceitos essenciais e comuns da área de projetos
de circuitos integrados digitais CMOS exemplificados no Capítulo 3.
Um conjunto de tutoriais contendo diversas atividades didáticas foi
desenvolvido e disponibilizado na internet [URL 32, 2008] para ser utilizado
livremente por alunos e professores visando assimilar conceitos importantes
ministrados nas disciplinas introdutórias de eletrônica sobre os transistores MOS
(NMOS e PMOS) e sobre projeto de circuitos analógicos e digitais usando a
tecnologia CMOS.
As máquinas apresentadas podem ser utilizadas para testar as diversas
construções de circuitos lógicos usando diferentes técnicas de projetos CMOS como,
por exemplo, lógica CMOS Estática e lógica CMOS Dinâmica.
18
Essas construções são feitas associando-se módulos com transistores NMOS e
PMOS para se construir portas básicas NAND, NOR e INVERTER, depois as portas
AND e OR, seguindo-se com os diversos blocos lógicos mais sofisticados utilizando-
se transistores de passagem (pass transistors) e portas de transmissão
(transmission gates).
Com o uso das TLMs o autor apresenta como foi possível desenvolver uma
nova estratégia e práticas de ensino para envolver os alunos de escolas técnicas de
eletrônica com a área de projetos de circuitos integrados CMOS, permitindo a
compressão das diferentes técnicas de abstração ou modelagem usadas na área de
IC Design: modelo comportamental, modelo estrutural, modelo de transistores,
modelo esquemático, modelo geométrico etc.
1.3 Estrutura do Trabalho
O trabalho está organizado em seis capítulos, sendo um de introdução, um de
conclusão e os demais de desenvolvimento.
O Capítulo 2 descreve uma introdução de natureza da tecnologia educacional,
a importância das atividades nos laboratórios didáticos, conceitos sobre as
máquinas de ensino-aprendizagem, classificação das máquinas de ensino-
aprendizagem, características comuns das máquinas de ensino-aprendizagem
modulares no mercado nacional, a transposição didática e as práticas de ensino em
projetos de circuitos integrados no Brasil.
O Capítulo 3 apresenta a modelagem do contexto de aprendizagem para as
máquinas de ensino-aprendizagem, através do qual são identificados os objetos
desejados da aprendizagem através da máquina modelada. Nesse capítulo são
apresentados quatro diferentes contextos de aprendizagem de projeto de circuitos
lógicos: máquina à relé, máquina bipolar, máquina MOS e máquina de lógica
programável.
O Capítulo 4 apresenta as considerações e a seqüências da montagem do
hardware da máquina de ensino-aprendizagem MOS com todos os seus elementos
constitutivos: módulos e painéis.
19
O Capítulo 5 apresenta algumas práticas de ensino experimentadas pelo autor
com as máquinas de ensino-aprendizagem MOS, usando a técnica de microensino
com módulos de Standard-Cells e módulos de Sea-of-Gates [VAN NOIJE, 1985] em
diferentes painéis de força.
O Capítulo 6 apresenta as conclusões e sugestões de trabalhos futuros que
poderão ser implementados, principalmente com a definição de contextos de
aprendizagem mais complexos com integração com software em plataforma de
microcomputador PC.
Nos Apêndices A, B e C desse trabalho de dissertação disponibilizamos
algumas informações complementares com a finalidade de auxiliar a compreensão
da funcionalidade das máquinas.
20
Capítulo 2
Tecnologia Educacional
2.1 Introdução
O avanço da tecnologia trouxe inúmeros benefícios para o homem, dos quais o
principal foi tornar o trabalho mais fácil e mais produtivo. Interpretadas como motores
do progresso, as inovações tecnológicas foram implantadas sem cuidado com seus
possíveis efeitos prejudiciais. Nos últimos anos do século XX, o lado negativo do
progresso tecnológico tornou-se objeto de reflexão nas sociedades industrializadas,
que se voltaram para a busca de tecnologias alternativas menos agressivas ao meio
ambiente.
Tecnologia é o conjunto de princípios, métodos, instrumentos e processos
cientificamente determinados que se aplica especialmente à atividade industrial, com
vistas à produção de bens mais eficientes e mais baratos [BARSA, 1999].
O conceito de tecnologia engloba, portanto, todas as técnicas e seu estudo.
Assim, entende-se por inovação tecnológica a aplicação de qualquer método ou
instrumento, descoberto por meio da pesquisa sistemática, à coleta, fabricação,
armazenamento, transporte etc. de bens, cujos resultados sejam melhores do que
os obtidos anteriormente.
21
2.2 Conceitos Básicos
Para perpetuar o conhecimento, a sociedade moderna precisará transmitir os
conhecimentos conquistados para as gerações vindouras. Esse é o domínio da
educação na sociedade e ensinar constitui uma atividade prática de transferência de
conhecimentos. Vários são os métodos e os recursos utilizados para tal. Esse
conjunto de recursos, métodos e sistemas educacionais que auxiliam como
ferramentas do processo de ensino estabelece a abrangência e o domínio da
tecnologia educacional [BLOOM, 1973].
A tecnologia educacional não é uma ciência em si, mas seus estudos são
fundamentados basicamente em três teorias: teoria da comunicação, teoria da
aprendizagem e na teoria de sistemas. Com essas três teorias é possível definir um
sistema de ensino com os seus subsistemas de auxílio didático-pedagógicos
[AURICCHIO, 1978].
Os centros educacionais tais como as ETECs [URL 20] do CEETPS [URL 21],
os CEFETs [URL 22] do MEC [URL 23] e o SENAI [URL 24] da CNI [URL 25],
constituem as principais redes escolares que executam diretamente as políticas de
Educação Profissional e Tecnológica no Brasil. Para auxiliar seus alunos na prática
da eletrônica, por exemplo, é comum utilizarem-se de diversos kits didáticos em
seus laboratórios de eletrônica. Esses kits didáticos são, em termos de tecnologia
educacional, as máquinas de ensino-aprendizagem (TLMs) que auxiliam professores
nas suas atividades didático-pedagógicas com seus alunos.
Uma máquina de ensino-aprendizagem é recurso de tecnologia educacional
que visa atender sempre os objetivos educacionais de um plano de ensino de uma
instituição educacional. Assim, para construir uma máquina de ensino-aprendizagem
é necessário avaliar o conteúdo de um programa de ensino e elaborar experiências
que visam atingir esses objetivos curriculares levando em conta as questões
relativas às teorias de comunicação, de aprendizagem e de sistemas [AURICCHIO,
1978].
22
2.3 Importância do Planejamento de Atividades nos
Laboratórios Didáticos
O conteúdo didático-pedagógico aplicado nos laboratórios de eletrônica parece
orientar com sucesso os atuais sistemas de ensino técnico e tecnológico existentes.
Esses laboratórios possuem instrumentação e sistemas didáticos variados e
fazem uso de procedimentos organizados e bem estruturados. Pode-se assim dizer
que a qualidade do ensino experimental está apoiada por um planejamento
orientado presencialmente por professores ou por conteúdos de ensinos
programados que se voltam para a auto-instrução.
Objetivamente, pode ser feita uma completa racionalização das finalidades de
um laboratório para compatibilizar a realização dos experimentos com o conteúdo
didático impostos pelos planos de ensino.
Essa atividade, por ser de natureza administrativa, obriga os professores a
realizarem novos experimentos para atender às tecnologias emergentes ou só as
mais atuais.
Um planejamento corporativo normalmente exige a participação completa de
todo o corpo docente de um departamento para atender objetivos educacionais
inovadores. Para essa atividade de planejamento existem vários modelos e
processos que facilmente poderiam ser emprestados da área de administração de
empresas.
Por exemplo, a situação atual de um laboratório didático pode ser facilmente
identificada mediando um roteiro de perguntas que faria parte de um documento
chamado diagnóstico situacional. Com esse documento nas mãos os projetistas
das máquinas de ensino-aprendizagem poderiam utilizar para reestruturar
completamente as experiências dos laboratórios existentes, adequando-os às
condições e características da instituição de ensino sob novos aspectos
educacionais.
23
Um diagnóstico situacional comum poderá conter informações quase como
que um inventário geral das condições dos laboratórios devendo ser capaz de
responder perguntas como as mostradas abaixo, elaboradas pelo autor.
1. Quais professores e disciplinas fazem uso atualmente do laboratório de
eletrônica?
2. O laboratório atual atende todas as necessidades das disciplinas? Quais
máquinas de ensino-aprendizagem o laboratório atualmente não dispõe,
mas seriam desejáveis?
3. Os equipamentos não disponíveis poderiam ser montados com os
recursos da própria instituição?
4. Quais professores poderiam orientar nos processos de projeto e/ou
construção?
5. Quantas e quais são as experiências realizadas no laboratório por
disciplinas de eletrônica?
6. Por falta de alguns recursos (tempo, financeiro, espaço físico,
equipamentos, insumos, etc) a instituição não pode trabalhar
determinados tipos de experimentos com seus alunos, mas a sua prática
seria desejável, quais são eles?
7. Quantos e quais são os projetos realizados por professores alunos nas
disciplinas de eletrônica, durante todo o curso?
8. Os experimentos realizados no laboratório atual são realizados
individualmente ou em grupo de alunos?
9. Quantos alunos compõem normalmente cada grupo e em quais
disciplinas? Qual o leiaute atual do laboratório de eletrônica e como são
disponibilizadas no espaço as bancadas de trabalho?
10. Quantos e quais são os equipamentos, componentes e ferramentas
existentes no laboratório atual (lista de inventário)?
24
Bem, podemos dizer que essas questões são relevantes para um estudo mais
amplo onde se pretende utilizar a tecnologia educacional de forma bem planejada
para a implantação de importantes melhorias nos laboratórios de eletrônica atuais.
A organização sistemática desses desejos só pode ser realizada quando a
instituição de ensino sentir-se capaz de promover a atividade de planejamento, de
forma racional e muito bem coordenada, promovendo a implementação de novos
conceitos em termos de tecnologia educacional.
Somente através de uma atividade de planejamento bem sucedida é que a
instituição de ensino poderá visualizar, formalmente, todas as situações decorrentes
de seus laboratórios didáticos existentes. E, tendo um planejamento como ponto de
partida, poderá pensar melhor em termos educacionais futuros, isto é, como
deveriam ser seus laboratórios didáticos e o que será possível implementar com os
atuais recursos institucionais disponíveis.
Nesse ponto, uma mudança de paradigma promoveria forte impacto no sistema
educacional vigente, implementando condições excepcionais de qualidade e eficácia
do rendimento escolar dos alunos das escolas técnicas brasileiras.
A vontade dos coordenadores de ensino e professores das escolas técnicas
brasileiras é a de se adquirir vários sistemas de máquinas de ensino-aprendizagem
de forma que possam realizar experiências completas e bem variadas com seus
alunos. Devido à falta de recursos, as aquisições dessas máquinas de ensino-
aprendizagem estejam ficando distantes de um ensino público de qualidade.
2.4 As Máquinas de Ensino-Aprendizagem
A construção de máquinas de ensino-aprendizagem voltadas para o ensino
técnico-profissional de eletrônica, não precisa utilizar, necessariamente,
equipamentos robustos (sofisticados, volumosos e pesados) como os produzidos em
épocas passadas, no início da era da eletrônica. Nem tão pouco, será preciso
montá-las no interior de grandes gabinetes ou dentro de painéis especiais para
atingir os objetivos educacionais de um plano de ensino.
25
As máquinas de ensino-aprendizagem (TLMs) são designações gerais para
referir aos equipamentos e recursos de tecnologia educacional que são orientados
para apoiar atividades pedagógicas numa instituição educacional para atender às
finalidades de um ensino ou instrução programada.
Os sistemas usados nas máquinas de ensino-aprendizagem para eletrônica
podem fazer uso de tecnologias educacionais diversas e, segundo TURNER (1982),
podem ser amplamente classificados sob três categorias distintas:
1. sistemas completos;
2. sistemas modulares;
3. sistemas construtivos.
Mas é comum encontrar máquinas de ensino-aprendizagem que combinam
alguns atributos e/ou características comuns entre essas três categorias.
Conceitos e aspectos gerais relacionados ao funcionamento de uma máquina
de ensino-aprendizagem podem caracterizar ou definir os diversos sistemas
existentes no mercado.
a) Objetividade: associada à finalidade ou propósito de uso num contexto
educacional;
b) Estética: estabelece o apelo visual adotado;
c) Padronização: define o conjunto dos elementos constitutivos utilizados;
d) Funcionalidade: define o conteúdo instrucional das partes que integram a
máquina como um todo;
e) Flexibilidade: define a capacidade de adaptação ao programa instrucional;
f) Portabilidade: define a facilidade de transporte manual da máquina;
g) Expansibilidade: define a capacidade de ampliação das características
funcionais da máquina;
26
h) Praticidade: que é definido pelo tempo médio gasto entre montagens e
desmontagens dos experimentos.
2.4.1 Classificação das Máquinas de Ensino-Aprendizagem Reais Existentes no Mercado
A maior parte das máquinas de ensino-aprendizagem disponíveis no mercador
pode ser amplamente classificada sob quatro categorias principais: máquina
completa, máquina modular, máquina construtiva completa e construtiva modular.
a) Máquinas Completas são projetadas e construídas num único aparato,
exibindo de uma só vez todos os elementos constitutivos destinados a atender um
programa educacional, de treinamento prático ou para uma demonstração técnica.
Essas máquinas apresentam, comumente, grandes dimensões, alto nível de
objetividade e praticidade para atender aos propósitos para as quais foram
projetadas. As Figuras 2.1 e 2.2 mostram duas máquinas de ensino-aprendizagem
para o treinamento sobre sensores.
Figura 2.1 – Máquina de ensino-aprendizagem completa modelo SEN210 para treinamento em
sensores desenvolvida pela BIT9 [URL 26, 2006].
27
Figura 2.2 – Máquina de ensino-aprendizagem completa modelo 3341 da LABVOLT para treinamento
em sensores [URL 27, 2006].
Devido à natureza especializada das máquinas completas, o alcance desse tipo
de equipamento não é extenso, apresentando certa inflexibilidade construtiva em
seus painéis que, embora podendo permitir algumas modificações, normalmente não
facilitam acoplamentos ou adaptações de elementos novos para atender a
finalidades futuras.
Uma provisão completa (textos, indicações gráficas coloridas, sinalizações ou
esquemas de circuitos) é feita no próprio painel frontal da máquina para servir de
base a inúmeros exercícios que serão experimentados, testados e medidos em
laboratório, Figuras 2.3 e 2.4.
Sistemas funcionais em bloco ou subsistemas são facilmente visualizados,
podendo ser ou não conectados entre si. Alguns modelos consideram um nível mais
detalhado de conexões, isto é, as interligações podem acessar os componentes
eletrônicos constitutivos, individualmente, para permitir uma maior facilidade de
experimentação.
28
Figura 2.3 – Máquina de ensino-aprendizagem completa modelo 3401 da LABVOLT para treinamento
em refrigeração [URL 27, 2006].
Figura 2.4 – Máquinas de ensino-aprendizagem completa da LABVOLT para treinamento em
sistemas eletromecânicos [URL 27, 2006].
29
b) Máquinas Modulares diferentemente das máquinas completas são flexíveis,
portáteis, práticas e incluem uma variedade muito extensa de elementos
constitutivos interconectáveis que aumentam a possibilidade de seu alcance de
experimentações e extensões futuras sem perder a sua objetividade, Figura 2.5.
Figura 2.5 – Máquina de Ensino-Aprendizagem Modular da BIT9 para ensino geral de eletrônica
modelo EG (Eletrônica Geral) com módulos intercambiáveis [URL 26, 2006].
30
Figura 2.6 – Máquina de Ensino-Aprendizagem Modular da BIT9 para ensino geral de eletrônica,
modelo EA1500 para eletrônica analógica [URL 26, 2006].
Figura 2.7 – Máquina de Ensino-Aprendizagem Modular da BIT9 para ensino geral de eletrônica,
modelo TD9015 para eletrônica digital [URL 26, 2004].
31
Os módulos poderão ser construídos para conter um único componente
eletrônico para estudo (módulos mono-componentes) ou vários componentes ao
mesmo tempo (módulos multicomponentes), Figuras 2.5, 2.6 e 2.7.
Os módulos são padronizados, com tamanhos diferenciados ou não, poderão,
ainda, representar sistemas ou subsistemas que, através de plugues e soquetes,
permitem interconexões via cabos flexíveis originando cadeias ou elos. Estes, por
sua vez, poderão ser encaixáveis ou plugáveis em painéis (Figura 2.3) ou gabinetes
(Figura 2.4), em estantes (Figura 2.5) ou consoles (Figuras 2.6, 2.7 e 2.8) que
servem de base universal para as montagens modulares (Figuras 2.9, 2.10 e 2.11).
Os sistemas modulares são recursos de treinamento, extremamente úteis, tanto
para o projeto de sistemas complexos quanto para projetos de circuitos simples, ou
para estudos de localização de defeitos programados.
Figura 2.8 – Plataforma da máquina de ensino-aprendizagem modular da máquina de ensino-
aprendizagem modular Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica, modelo EB [URL 28, 2006].
32
Figura 2.9 – Módulo EB–131 Eletrônica Digital I da máquina de ensino-aprendizagem modular
Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica [URL 28, 2006].
Figura 2.10 – Módulo EB–132 Eletrônica Digital II da máquina de ensino-aprendizagem modular
Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica [URL 28, 2006].
33
Particularmente o Módulo EB-220 da Figura 2.11, ilustra uma forma como o
circuito integrado CD4007 [URL 39, 2008] permite fazer experiências com chaves
analógicas CMOS, portas lógicas usando o conceito de transistores de passagem
(pass transistors) e portas de transmissão (transmission gates), sendo ambos
utilizados em projetos de circuitos integrados que usam lógica dinâmica. Esses
conceitos por serem essenciais na área de projetos de circuitos integrados CMOS
serão detalhados no Capítulo 3, pois definem os contextos de aprendizagem
máquinas apresentadas nesse trabalho.
De todos os módulos pesquisados, apenas o EB-220 da DEGEM [URL 26,
2006] apresentava esse importante componente que foi utilizado nas máquinas de
ensino-aprendizagem MOS apresentadas no Capítulo 4.
Figura 2.11 – Módulo EB–220 Amplificador Operacional da máquina de ensino-aprendizagem
modular Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica [URL 28, 2006].
34
O raciocínio fundamental que serve de base ao método modular consiste no
fato que, dada uma faixa de unidades modulares básicas de função única ou mínima,
qualquer sistema pode ser formado (Figura 2.12), proporcionando uma ampla gama
de facilidades instrutivas com apenas uma faixa limitada de módulos básicos. Novas
funções podem ser incorporadas aos sistemas modulares com muita facilidade e
rapidez, sem haver necessidade de fazer revisões na faixa inteira que, nesta classe
de sistema, é muito vasta.
Figura 2.12 – Máquina de ensino-aprendizagem modular da MINIPA, modelo SD-8100B para ensino
de eletrônica digital avançada [URL 29, 2006].
Um conjunto completo de livros didáticos pode ser produzido para conter
instruções do tipo estudo dirigido através de tutoriais e instrução programada. Estes
devem apresentar uma conceituação teórica importante, juntamente com todos os
procedimentos e orientações para o exercício prático do conjunto de experiências
que deverão ser realizadas na máquina (Figura 2.13).
Alguns instrumentos básicos podem ser modularmente construídos para apoiar
as medições de um grande número de experimentos. As fontes de alimentação são
especialmente projetadas, assim como o conjunto de componentes para encaixes, o
conjunto de cabos elétricos e os plugues que são fornecidos conjuntamente,
permitem a integração efetiva da teoria com a prática.
35
Figu
ra 2
.13
– M
áqui
na d
e en
sino
-apr
endi
zage
m m
odul
ar d
a D
EG
EM, m
odel
o M
OD
CO
M: u
sada
par
a o
ensi
no d
e te
leco
mun
icaç
ões
[UR
L 28
, 200
6].
36
A Figura 2.14 apresenta um exemplo especial de máquina de ensino-
aprendizagem da Labvolt [URL 27] para o treinamento em eletromecânica de 2-kW.
Figura 2.14 – Máquina de ensino-aprendizagem modular da LABVOLT, modelo 8013 para
treinamento em eletromecânica de 2-kW [URL 27, 2006].
c) Máquinas Construtivas são conjuntos de equipamentos que podem originar
máquinas completas ou modulares, onde a construção, a montagem e os testes
funcionais são executados pelos próprios usuários. As partes componentes são
fornecidas, normalmente, soltas, desconectadas, separadas, e com todos os seus
elementos prontos para serem conectados para funcionar.
Uma ampla gama de modelos de máquinas construtivas é oferecida no
mercado, e acessível via internet, variando desde simples máquinas (brinquedos,
jogos, unidades de código Morse, detectores de metais, amplificadores de áudio,
simples órgão eletrônico, robôs, etc), até sistemas extremamente complexos e com
finalidades muito variadas, tais como: com sistemas de rádio, sistemas de TV P&B e
em Cores, osciloscópios, câmeras de TV Digital, aparelhos de som,
microcomputadores, impressoras, etc (Figura 2.15).
37
Figura 2.15 – Máquina de ensino-aprendizagem construtivo modular da LABVOLT, Commander
modelo 50023 para treinamento em reparos e solução e problemas em microcomputadores [URL 27, 2006].
Usando esse tipo de máquina construtiva, o aluno deixa de ser um participante
passivo, na utilização das montagens adquiridas, tornando-se participante ativo da
montagem ou construção de seu próprio equipamento de uso real. Nesse sistema, o
usuário participa diretamente do processo construtivo, aprende como o equipamento
construído deve ser testado e como ele realmente funciona. As técnicas de
montagens e soldagem, sistemas de encaixes e travamentos, conexões, ligações e
os testes de funcionamento são ensinados cuidadosamente ao usuário montador.
Em alguns modelos propostos visam-se apenas obter um resultado sem envolver a
experimentação. Em geral, são evitados ajustes que requeiram avaliações ou
estimativas técnicas mais sofisticadas, onde o emprego de subconjuntos pré-
alinhados é considerado.
O usuário dessa modalidade de máquina, usualmente, termina o seu
treinamento com uma aparelhagem de trabalho semelhante à de um profissional,
embora isto proporcione a ele um sentimento de conquista ou realização, o mesmo
não apreende profundamente, de fato, a eletrônica.
38
2.4.2 Características Comuns das Máquinas Modulares no Mercado Nacional
As máquinas de ensino-aprendizagem existentes no mercado brasileiro são
produzidas por empresas, tais como Labvolt [URL 27, 2006], Degem [URL 28, 2006],
Bit9 [URL 26, 2006], DataPool [URL 30, 2006] e Minipa [URL 29, 2006]. As
máquinas são produzidas com diferentes recursos tecnológicos eletrônicos e
computacionais que integram os equipamentos para diversas finalidades
instrucionais.
Analisando vários desses sistemas e o conjunto de módulos constitutivos pode-
se rapidamente perceber que praticamente um é uma cópia ligeiramente modificada
de uns e de outros. A principal característica visível nas máquinas modulares é a
variação dimensional dos módulos das placas de circuito impresso. Em seguida, se
observa o sistema de conectores e cabos elétricos utilizados, seguida pelas
diferentes estampas de simbologia sobre as placas dos módulos.
Tudo está muito certinho e prontinho para ser utilizado pelos alunos Esse é o
propósito muito bem atingido por todas essas máquinas modulares. A parte mais
interessante que constitui no domínio prático das diversas técnicas de montagem
eletrônica, não é acessada pelos alunos, mas por técnicos das empresas fabricantes
das máquinas. Consultados, os fabricantes alegaram que da forma como suas
máquinas foram concebidas e desenvolvidas, as placas de circuito impresso não
suportariam vários ciclos de soldagem dos componentes. E com isso, as questões
de degradação de funcionalidade dos componentes implicariam em uma ausência
de garantia e elevação de custos com peças de reposição por parte das instituições
clientes.
Na visão dos empresários desse setor de máquinas, produzir máquinas
construtivas e modulares no mercado brasileiro não seria um bom negócio, pois as
instituições de ensino precisariam assumir custos maiores para atingir finalidade
inerente às práticas de montagens. Tendo em vista essa característica negativa do
processo construtivo, as máquinas comercializadas no Brasil são apenas modulares.
As máquinas modulares são as mais vendidas em todo o mundo, no Brasil, não é
39
diferente. Basta paginar os catálogos dos fabricantes para se verificar que a
máquinas apresentam características modulares.
As máquinas propostas neste trabalho foram desenhadas levando-se em
consideração esses aspectos comerciais e práticos das máquinas modulares e das
máquinas construtivo-modulares ambas utilizando as especificações Flexlab [URL
31, 2007] da Flextronica [URL 32, 2008]. O sistema Flexlab foi inicialmente
desenvolvido pelo autor [URL 33, 2008] nos anos de 2003 e 2004 quando ainda era
estudante de graduação no Curso de Tecnologia de Materiais, Processos e
Componentes Eletrônicos da Faculdade de Tecnologia de São Paulo, FATEC/SP
[URL 34, 2008].
40
Capítulo 3
Modelagem do Contexto de Aprendizagem
O avanço contínuo das técnicas de fabricação de componentes eletrônicos
contribuiu, ao longo das últimas quatro décadas, para o aparecimento de várias
famílias de circuitos eletrônicos para o processamento digital das informações.
De uma forma geral, pode-se desenvolver facilmente máquinas de ensino-
aprendizagem para compreender os diversos contextos históricos do funcionamento
das tecnologias utilizadas para compor os sistemas digitais, desde a tecnologias
baseadas em chaves e relés da década de 20, os transistores bipolares da década
de 50, aos transistores de tecnologia MOS desse terceiro milênio.
Apenas para ilustrar as possibilidades de construção de máquinas de ensino-
aprendizagem para auxiliar na compreensão de semelhantes funcionalidades com
diferentes tecnologias, serão apresentados nas páginas a seguir os diversos
contextos de aprendizagem através de circuitos eletrônicos das diferentes portas
lógicas possíveis de análise comportamental, estudo das funcionalidades e
caracterização elétrica.
41
Assim, por questões de ordem prática, designaremos para cada contexto de
aprendizagem, um nome representativo para a máquina de ensino-aprendizagem
(TLMs) em consideração:
a) Máquina de Ensino-Aprendizagem a Relé;
b) Máquina de Ensino-Aprendizagem Bipolar;
c) Máquina de Ensino-Aprendizagem MOS;
d) Máquina de Ensino-Aprendizagem de Lógica Programável.
Os exemplos de funcionalidades que essas máquinas devem contemplar serão
descritas a seguir através de um conjunto de circuitos elétricos representativos para
cada tecnologia. As máquinas do tipo (a) e (b) terão sua apresentação reduzida por
serem atualmente pouco aplicadas na prática.
3.1 Contexto de Aprendizagem com Chaves e Relés
Na década de 1920 as chaves e os relés começaram a ser utilizados em
circuitos elétricos para operar funções lógicas.
Utilizando-se chaves manuais podemos gerar algumas funções lógicas tais
como os exemplos ilustrados na Figura 3.1 [HIBBERD, 1969] [MORRIS, 71].
Nessa figura podemos observar as diferentes combinações das chaves para se
obter uma funcionalidade equivalente à das obtidas com as atuais portas eletrônicas:
NOT (b), AND (c), OR (d), NAND (e) e NOR (f).
Nas Figuras 3.2 e 3.3 são mostradas algumas ligações para configurar portas
lógicas com a velha tecnologia de relés ligados ao Pólo Positivo (P-Relés) e outros
ligados ao Pólo Negativo (N-Relés).
42
(a)
B15 V
AChave
R1330
Led Y
+
Y
Led YA
B15 V
R1330
+Y
(b)
(c)
B15 V
BA
Led Y
R1330
+
Y
A
B
B15 V
R1330
Led Y
+
Y
(d)
(e)
B
A B15 V
Led Y
R1330
+
Y
BA Led Y
R1330
B15 V
+
Y
(f) Figura 3.1 – Configuração de portas lógicas com tecnologia de chaves: (a) Não-Inversor, (b) Inversor,
(c) porta AND, (d) porta OR, (e) porta NAND e (f) porta NOR.
(a)
NF
V
NF
V
NF
NF
V
NF
V
NF
V
NF
V
NF
B
A
A
B
Y
Y
B
A
Y
A
B
Y (b) Figura 3.2 – Configuração de portas lógicas NOR e NAND com tecnologia de relés: (a) Redes P-
Relés e (b) Redes N-Relés.
Red
es P
-Rel
és R
edes N-R
elés
43
(a)
NA
V
V
NA
V
NA
NA
V
NA
V
NA
V
NF
V
NA
V
NA
NF
V
NA
NA
V
A
B
B
A
Y
Y
A
Y
A
Y
A
Y
A
Y
B
A
Y
B
A
Y
(b) Figura 3.3 – Configuração de portas lógicas com tecnologia de relés: (a) Redes P-Relés e (b) Redes
N-Relés.
A Figura 3.4 ilustra a configuração de relés para a obtenção das funções
lógicas, respectivamente, XOR (a) e XNOR (b).
(a)
V
NF
NF
NA
VNA
VNA
B
A
B
A
Y
Y
(b) Figura 3.4 – Configuração de portas lógicas com tecnologia de relés: (a) XOR e (b) XNOR com N-
Relés.
Embora saibamos que os transistores construídos com a tecnologia MOS
sejam acionados por tensão e não por corrente, podemos, para fins didáticos e
experimentais, ilustrar o funcionamento dos transistores PMOS e NMOS com
Red
es P
-Rel
és R
edes N-R
elés
44
circuitos baseados nas redes de P-Relés e N-Relés mostrados nas Figuras 3.2, 3.3
e 3.4 anteriores.
O uso didático desses circuitos elétricos para composição e explicação do
mecanismo de operação das funções lógicas, das operações verificadas pela
álgebra booleana são excelentes exemplos de como funciona a transposição
didática que utilizamos foram exploradas no projeto das máquinas de ensino-
aprendizagem propostas.
Em outras palavras, a compreensão de uma tecnologia mais complexa, como é
o caso da tecnologia MOS, pode ser feita didaticamente e de forma grosseira com
uso de uma tecnologia mais simples e até mesmo obsoleta, como é considerada a
tecnologia baseada em relés de comutação.
3.2 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia Bipolar
Os circuitos lógicos digitais com tecnologia bipolar podem ser agrupados
segundo suas características construtivas internas e elétricas comuns, cuja
configuração de seus componentes originam as diversas famílias lógicas [MORRIS,
1971] [REIS, 1985] [TAUB, 1982].
Assim, as principais famílias são: família DL (diode logic), família RTL (resistor-
transistor logic), família RCTL (resistor-capacitor transistor logic), família DTL (diode-
transistor logic), família DCTL (direct-coupled transistor logic), família LLL (low level
logic), família CML (current mode logic) e família TTL (transistor-transistor logic).
Como o objetivo é não cansar o leitor, apresentaremos sucintamente as
famílias DL e TTL, uma vez que atualmente a tecnologia dominante é a CMOS, e
por isso detalharemos bastante o contexto de aprendizagem para embasar as TLMs
CMOS.
3.2.1 Família DL
A lógica da família DL (diode logic) utiliza apenas diodos interconectados por
um terminal em comum, anodo ou catodo [TAUB, 1982]. Uma polarização adequada
45
produzirá um comportamento característico das portas lógicas AND e OR, na Figura
3.5 [CLEARY, 62]. Se os diodos forem ligados em anodo comum se comportará com
uma porta AND, Figura 3.5a. Quando ligados na configuração em catodo comum o
circuito se comportará como porta OR, Figura 3.5b.
(a) C
Output Y
+Vcc
R11 KA
D1
D2
D3
B
V
CYB
A
(b)
Y = A+B+C R1680
D3C
BD2
Output Y
AD1 Y
ABC
Figura 3.5 – Tecnologia DL: (a) porta AND e (b) porta OR.
Podemos observar que na lógica DL não dá para construir portas inversoras e,
em conseqüência desse fato, não será possível construir as portas lógicas NAND,
NOR, XOR, XNOR e nem qualquer circuito seqüencial: latches, flip-flops,
registradores e contadores em geral.
3.2.2 Família TTL
Os circuitos lógicos da família TTL foram projetados pela Texas Instruments,
em 1962. Tornaram-se bastante populares nas décadas de 70 e 80. E, com certa
dificuldade, podemos ainda hoje encontrar alguns circuitos integrados TTL sendo
comercializados no mercado.
A família lógica TTL (transistor-transistor logic) é uma evolução das famílias
lógicas com tecnologia bipolares (DL, RTL, DTL, DCTL, LLL e CML).
A Figura 3.6 apresenta alguns circuitos usados para produzir as lógicas NOT
(a), NAND (c), AND (d), NOR (e), OR (f). Em (b) é apresentado um circuito TTL de
uma porta do tipo buffer de corrente não-inversora.
46
(a)
D1
R4130
OutputY = A
+Vcc
R31 K
Q1BC548
R14 K
A
Q3BC548
R21,6 K
Q2BC548
Q4BC548
V
YA
+Vcc
R6130
R41,6 K
V
R14 K
R22 K
D1A Y
Q1BC548
A
R3800
Q3BC548
Q2BC548
Q5BC548
D2OutputY = A
Q4BC548
Q6BC548
R51 K
(b)
(c)
A Q1,Q2BC548
R14 K
B R31 K
Q5BC548
OutputY = A.B
Q4BC548
R21,6 K
Q3BC548
R4130
D1
V
+Vcc
B
AY
V
R22 K
D1
R41,6 K
R6130
R14 K
A
B R3800
R51 K
Q7BC548
Q4BC548
Q3BC548
Q5BC548Q1,Q2
BC548
Q6BC548
OutputY = A.B
D2
B
+Vcc
AY
(d)
(e)
D1
R31,6 K
R5130
Q3BC548
Q5BC548
R41 K
Q4BC548
Q6BC548
OutputY = A+B
Q1BC548
A
B
R14 K
R24 K
Q2BC548
V
+Vcc
A
BY
Q6BC548
OutputY = A+B
D2
Q8BC548
Q5BC548
R61 K
R41 K
Q7BC548
Q3BC548 Q1
BC548
B Q4BC548 Q2
BC548
BA
R24 K
R14 K
V
R32,5 K
D1
R7130
R51,6 K
+Vcc
AY
(f) Figura 3.6 – Tecnologia TTL: (a) Inversor, (b) Buffer, (c) porta NAND, (d) porta AND, (e) porta NOR e
(f) porta OR com saída Totem-pole.
O princípio de funcionamento dos circuitos lógicos TTL é basicamente similar
aos circuitos DTL [HIBBER, 1969]. Os transistores de entrada, configurados em
base-comum, são fabricados monoliticamente de forma a permitir a colocação de
múltiplas regiões de emissores para formar os transistores multi-emissores,
ocupando menores áreas.
Os níveis lógicos de saída dos circuitos TTL são definidos por um estágio de
saída formado por dois transistores em série com um diodo, numa configuração
chamada Totem-pole. Esta configuração do estágio de saída com um transistor pull-
up oferece aos circuitos TTL ganho de corrente para garantir um chaveamento
rápido nos dois sentidos e elevada capacidade de fan-out [MORRIS, 1971].
47
(a)
OutputY = AA
R14 K
R21,6 K
Q2BC548 Q1
BC548
R31 K
+Vcc
V
Q3BC548
A Y
V
D1
R22 K
R14 K
+Vcc
R41,6 K
A Y
A Q1BC548
Q2BC548
OutputY = A
Q4BC548
R51 K
Q6BC548
Q3BC548
R3800
(b)
(c)
R31 K
B
R21,6 K
R14 K
Q3BC548Q1,Q2
BC548
A
V
+Vcc
OutputY = A.B
Q4BC548
A
BY
B
Q1,Q2BC548
A Q3BC548
Q5BC548
OutputY = A.B
R51 K
Q4BC548
Q6BC548
R3800
B
R14 K
+Vcc
R22 K
D1
R41,6 K
V
AY
(d)
(e)
A
B
R14 K
R24 K
Q1BC548
Q3BC548
R41 K
Q4BC548 Q2
BC548
V
Q5BC548
OutputY = A+B
+Vcc
R31,6 K
YA
B
Q6BC548
Q4BC548 Q2
BC548
B
OutputY = A+B
R61 K
Q5BC548
R41 K
Q7BC548
Q1BC548
Q3BC548
R32,5 K
D1
R14 K
R24 K
V
A
+Vcc
R51,6 K
B
AY
(f) Figura 3.7 – Tecnologia TTL: (a) Inversor, (b) Buffer, (c) porta NAND, (d) porta AND, (e) porta NOR e
(f) porta OR com saída Open-Collector.
A Figura 3.7 uma variação dos circuitos lógicos apresentados na Figura 3.6 no
que diz respeito ao estágio de saída com apenas um transistor com o coletor aberto.
Esta configuração de circuitos TTL é conhecida por Open-Collector e foram
fabricados para pemitir a interface de circuitos TTL em barramentos de dados com
diferentes níveis de tensão.
Uma variação importante dos circuitos TTL são as portas lógicas com saída tri-
State. Na condição tri-state a porta lógica TTL da Figura 3.8 promove o corte dos
dois transistores da saída Totem-pole, levando a saída à uma condição de alta
impedância.
48
Control
A
D1
Q5BC548
R3500
R44 K
Q4BC548
V
R2750
R14 K
R540
D2 Q1BC548
Q2BC548
Q3BC548
+Vcc
OutputY = A
A
Control
Y
Figura 3.8 – Tecnologia TTL: Inversor com saída Tri-State.
As portas com saídas tri-state são comuns para conectar vários subsistemas
num barramento comum. Assim, se dois circuitos tri-state forem ativados simultânea
com níveis lógicos complementares, esta condição de curto circuito poderá danificar
os circuitos integrados.
3.3 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia MOS
Com os avanços alcançados com a tecnologia MOS e a conseqüente
miniaturização e aumento da densidade dos circuitos eletrônicos, os transistores
MOS tornaram-se os preferidos em projetos de circuitos integrados fabricados na
atualidade.
Os telefones celulares, tocadores de MP3, Pen-Drive, Vídeo Games, relógios
de pulso, eletrônica embarcada em brinquedos etc, todos utilizam alguma
funcionalidade implementada na forma de circuitos integrados MOS.
Os transistores MOS para circuitos digitais são construídos para funcionarem
como chaves simples comandada por uma tensão de porta (Vg) [OKLOBDZIJA,
2001].
A Figura 3.9 ilustra o funcionamento simplificado dos transistores NMOS (a) e
PMOS (b). Uma diferença de tensão (Vdd – Vtn) aparecer entre os terminais da porta
(S) e da fonte (A), canais N e P serão formados, respectivamente, nos transistores
NMOS e PMOS. Nessa condição, os transistores estão conduzindo, e nos terminais
de dreno (Y) obteremos as tensões (Vdd – Vtn) e (Vss - Vtp), para NMOS e PMOS,
respectivamente.
49
(a)
A
A
A
P-MOSN-MOS
SS
YY PN
CLOSE
Y
S=0
AY
S=0
OPEN
OPEN
S=1S=1
YAY
CLOSE
(b) Figura 3.9 – Transistores MOS como chave: (a) NMOS e (b) PMOS.
Seguindo os mesmos princípios rudimentares da teoria da lógica de
chaveamento, ligando-se os transistores MOS em série ou em paralelo podemos
implementar redes de transistores MOS para formar as portas lógicas AND, NAND,
OR e NOR [REIS, 2000]. Esses arranjos podem ser verificados a seguir nas figuras
3.10 a Figura 3.25.
a
N-MOS
Y
A
S2S1 N2N1
N-MOS
N2N1
S2S1
YA
P-MOS
Y
A
S2S1 N2N1
P-MOS
S2S1
P2P1 YA
Paralelo
Série
b Figura 3.10 – Redes de transistores MOS série e paralelo funcionando como chave: (a) redes NMOS
e (b) redes PMOS.
50
Y
A N
RLPull-up
+V
A B
Y
NN
RLPull-up
+V
B
A
Y
N
N
RLPull-up
+V
Figura 3.11 – Projeto de portas lógicas NMOS com resistor Pull-up.
A
RLPull-down
Y
+V
P
Y
RLPull-down
BA
+V
PP
Y
B
A
RLPull-down
+V
P
P
Figura 3.12 – Projeto de portas lógicas PMOS com resistores Pull-down.
+V +V+V
+V
P
P
NMOSPull-down Network
Inputs
Output
N
N
Y
P
NA
Y
N NA B
P
Y
A
B
Figura 3.13 – Projeto de portas lógica Pseudo-NMOS (com relação).
51
PMOSPull-down Network
Inputs
+V
N
+V
Output
P
Y
N
+V
P
+V
A
+V+V
N
BPPP AA
N
Y
+V+V
Y
B
Figura 3.14 – Projeto de portas lógicas Pseudo-PMOS (com relação).
a
A
+V
Y
N
P
A Y=A
Y=A
+V
N
+V
N
PP
b Figura 3.15 – Projeto de portas lógicas CMOS (sem relação): (a) inversor e (b) não-inversor.
(a)
A
+V
BN
N
Y=A.B
P P
N
+V
A
+V
BN
N
Y=A.B
P P P
(b) Figura 3.16 – Projeto de portas lógicas CMOS (sem relação): (a) NAND e (b) AND.
(a)
A
+V
BNN
Y=A+B
P
P
+V
A NN
+V
N
Y=A+B
P
PP
B
(b) Figura 3.17 – Projeto de portas lógicas CMOS Estática (sem relação): (a) NOR e (b) OR.
52
(a)
Y
B
A
B
A
NN
NN
B
A
B
A
NN
NN
BA PP
B
+V
A PP
Y
+V
BB
AA
PP
PP
(b) Figura 3.18 – Projeto de portas lógicas XOR CMOS Estática (sem relação): (a) e (b) são
funcionamento equivalentes, porém, geometricamente distintos.
(a)
DataInput YData
Input
N
+V
P
Y
(b) Figura 3.19 – Projeto de um circuito Bus-Hold CMOS formado por dois inversores invertidos: (a) representação com blocos de inversores e (b) representação mista, bloco inversor e transistores.
A tecnologia de lógica dinâmica permite a implementação de circuitos lógicos
de altíssimo desempenho formando estruturas bastante complexas onde a
funcionalidade de uma lógica dependente das características elétricas das ligações
e do tipo rede de transistores utilizados. Alguns exemplos podem ser observados
nos artigos sobre Extended True Single Phase Clock (E-TSPC) de Navarro e Van
Noije (1998, 1999, 2000 e 2002) e em (MIRANDA et al., 2004).
53
NMOSPull-down Network
Inputs
CLK N
NMOSPull-down Network
Inputs
CLK
Output
N
PMOSPull-down Network
StaticCMOS OutputInputs
Dynamic N-Type CMOS
Clock
OutputInputs InputsDynamic P-Type CMOS
Clock
Output
+V
Inputs Output
PMOSPull-down Network
Output
P
+V
P
+V
(CMOS Design) (N-Type Dynamic Logic) (P-Type Dynamic Logic)
Figura 3.20 – Técnica de Projetos de portas lógicas CMOS (sem relação): CMOS Estático, CMOS
Dinâmico tipo-N e CMOS Dinâmico tipo-P.
B
B N
N
NCLK
P
+V
A
Y
A
Y
A
Y
NCLK
N N
+V
P
CLK
N
N
P
+V
Figura 3.21 – Projeto de portas lógicas CMOS Dinâmica tipo-N: NOT, NOR e NAND.
P
+V
CLK N
P
+V
CLK N
P
Y
A A
B
Y
P
P
CLK N
P
+V
P P BA
Y
Figura 3.22 – Projeto de portas lógicas CMOS Dinâmica tipo-P: NOT, NOR e NAND.
54
A
A
S
Y N
Y
P
A
YTG
S
S
N
Y
P+V
N
P
A
S
Y
0Z
ZS
1
011 1
0100
A
Figura 3.23 – Projeto de uma porta TG (transmission gate).
A
B
S
A
N
+V
N
S
N
+V
N
Y
B
P
PP
P
Y
Figura 3.24 – Projeto de um multiplexador CMOS com TG (transmission gate).
B
P
N
+V
P
A
N
Y
PN
Figura 3.25 – Projeto de portas lógicas XOR CMOS com TG (transmission gate).
55
3.4 Contexto de Aprendizagem com Lógica Programável
Levando em conta o atual estado da arte em fabricação da tecnologia CMOS
em alta escala de integração os projetistas de circuitos integrados idealizaram uma
configuração de chip de tal forma que mediante o valor de uma série de bits na
memória, portas lógicas genéricas podem ser programadas [REIS, 2000].
Com uma arquitetura adequada, podemos parametrizar um chip com uma
seqüência de bits, que por sua vez corresponderá à definição de uma determinada
função lógica (simples ou complexa). Este conceito é atualmente utilizado por
fabricantes na arquitetura de alguns chips do tipo FPGA [OKLOBDZJA, 2001].
Nas Figuras 3.26 a 3.31 ilustramos algumas idéias relacionadas com projetos
de portas e funções utilizando-se da tecnologia PTL (transistores de passagem) e o
de blocos seletores para programar as funções lógicas básicas.
(a)
B
N
N
D
C
A
Y
VDD-VthVDD
VDD
NN
Curto circuito quando A=1, B=1 e C=0, D=1.
Vth
(b) Figura 3.26 – Problemas em projeto de portas lógicas CMOS com PTL (pass transistor logic): (a)
curto-circuito e (b) queda de tensão.
(a)C
Word Line
BitLineN
CLK
ND Q
N
D-Type Latch DRAM Cell
(b) Figura 3.27 – Projeto de célula de memória com CMOS/PTL: (a) RAM Estática e (b) RAM Dinâmica.
56
(a)
A
+V
N
P
Y
Cout
N Y
Cout
A
B
YA01
10
Y
0
BA0 0
1011
10
Vc
1Vc
Vc Vc
(b) Figura 3.28 – Consideração de efeitos da capacitância parasitária: (a) CMOS Estático e (b) PTL.
(a)
In1
In0
Output Y
1
0
S
Output Y
S
In0
In1
N
N
(b)
Output Y
1
0
S
In0
In1 In1
N
N
In0
S
Output Y
Figura 3.29 – Projeto de seletor CMOS/PTL: (a) saída não-inversora e (b) saída inversora.
+V
A
B
Output Y
1
0 A
B
Output Y
1
0
B
AOutput Y
1
0
A
B
Output Y
A
B
Output Y
A
B
Output Y
PTL-AND Gate PTL-OR Gate PTL-XOR Gate
Figura 3.30 – Projeto de portas lógicas com seletor CMOS/PTL: AND, OR, XOR.
57
Output Y
B
A
Output Y
Output Y
Output Y B
A
B
A
B
A
0
1
0
1Output Y
B
A0
1Output Y
B
A
+V
PTL-NAND Gate PTL-NOR Gate PTL-XNOR Gate
Figura 3.31 – Projeto de portas lógicas com seletor CMOS/PTL: NAND, NOR, XNOR.
58
Capítulo 4
Proposta de Máquinas de Ensino-Aprendizagem
Nesse capítulo serão apresentados alguns módulos básicos desenvolvidos e
experimentados para atender a modelagem do contexto de aprendizagem definida
no Capítulo 3 para a máquina de ensino-aprendizagem MOS.
4.1 Introdução
A máquina CMOS é uma máquina modular composta por um conjunto de
elementos funcionais painel de força sobre o qual se fixa por meio manta magnética,
alfinetes sobre borracha ou fitas de VELCRO [URL 41, 2008]. As placas dos
módulos de circuito impressos foram produzidos em tamanhos padronizados no
formato A4, A5, A6, até o tamanho A12 e outros de tamanho de variados.
Atualmente, nas escolas técnicas brasileiras e em muitos cursos de engenharia,
os conhecimentos sobre projetos de circuitos integrados não são abordados
regularmente pois não fazem parte da grade curricular. Notamos um fato curioso,
pois a curto prazo não existe qualquer plano para implementá-los. Em algumas
59
escolas técnicas, parece que as disciplinas de eletrônica básica e eletrônica digital
permitem que os próprios docentes façam adaptações em seus conteúdos.
A seguir descrevemos a funcionalidade didática das máquinas de ensino-
aprendizagem. As máquinas a relé (a) e bipolar (b) não estão sendo consideradas
no presente trabalho, apenas as máquinas MOS (c) e lógica programável (d).
a) Máquina a Relé: com essa máquina seria possível fazer uma revisão geral
dos princípios da lógica de chaveamento, apresentar os postulados da Álgebra
Booleana, seus principais teoremas e realizar demonstrações através de
comparação de tabelas verdades. Essa máquina auxilia na compreensão dos
métodos de simplificação de circuitos elétricos de chaveamento (algébricos, gráficos
e numéricos), o impacto desses métodos nos custos de implementação de uma
lógica definida por circuitos elétricos baseados em relés. A máquina a relé permite
também estudar a complexidade dos circuitos de chaveamento, fazer uma análise
temporal desses circuitos de chaveamento e compreender porque o limite de
velocidade dos circuitos de chaveamento com relés não conseguem processar
informações com velocidades superiores a 100 Hz.
b) Máquina Bipolar: com essa máquina seria possível fazer uma revisão geral
e histórica dos conceitos sobre junções bipolares utilizadas antigamente nos projetos
de circuitos integrados e de diversas portas lógicas. Conforme, apresentado no
Capítulo 3, essa máquina permitiria desenvolver atividades para explicar como se
deu o aparecimento das diversas tecnologias de circuitos lógicos digitais: DL (diode
logic), RTL (resistor-transistor logic), DTL (diode-transistor logic), TTL (transistor-
transistor logic) e a ECL (emitter-coupled logic). O desenho dos módulos dessa
máquina deve permitir o acesso interno aos componentes do circuito eletrônicos
para se obter informações nos pontos de interesse e para observação dos sinais
(tensões e correntes), funcionamento interno das portas lógicas básicas (NOT,
NAND, AND, NOR, OR, XOR).
c) Máquina MOS: o desenho dos módulos e demais componentes para uma
máquina MOS são os objetivos principais apresentados nesse trabalho de pesquisa.
Os circuitos integrados produzidos no mundo utilizam extensamente essa tecnologia
devido as suas características econômicas e simplicidade relativa de implementação
60
de sistemas complexos. Particularmente, a tecnologia CMOS é a mais bem
empregada na síntese lógica de sistemas digitais complexos, tais como, em projeto
de microprocessadores, microcontroladores, RFID, FPGA, etc.. A máquina MOS foi
dividida em duas categorias de módulos: lógica CMOS estática e lógica CMOS
dinâmicas. Respectivamente elas permitem o estudo dos conceitos básicos dos
circuitos lógicos utilizando-se transistores MOS (NMOS e PMOS) semelhantemente
ao que foi feito na modelagem de contexto de aprendizagem a relé. Nesse particular
os transistores NMOS e PMOS são interconectados como se fossem chaves
analógicas ou simples relés mecânicos de altíssima velocidade de comutação. Os
módulos da lógica CMOS dinâmica foram construídos para permitir o estudo e
análise de circuitos de portas lógicas baseadas em um sinal de clock. Esses
módulos permitem verificar como as mesmas funções lógicas podem ser obtidas
utilizando-se diferentes configurações de circuitos utilizando-se apenas transistores
NMOS, PMOS, Inversores ou mesmo portas básicas baseadas nos conceitos de
Standard-Cells e Sea-of-Gates. Com o uso de capacitores de diferentes valores
pode-se simular a funcionalidade das portas CMOS dinâmica a baixíssimas
velocidades, para que os alunos compreendam a importância e utilidade das
capacitâncias parasitárias de porta e de linha.
d) Máquina de Lógica Programável: O aumento repentino da complexidade
dos circuitos digitais na década de 70 acabou exigindo dos projetistas de circuitos
integrados a criação de uma linguagem para auxiliá-los durante as fases de projeto
do CI. Nasceu nessa época o VHDL para resolver esses problemas através de uma
síntese de alto nível. O VHDL não será apresentado nesse trabalho de pesquisa,
mas tão somente alguns conceitos básicos sobre a lógica envolvida no projeto de
sistemas configuráveis comuns nos chips do tipo CPLD e FPGAs. Com a finalidade
de conceituar alguns elementos chaves presentes nesses chips, estão sendo
elaboradas máquinas de ensinar que ilustram o funcionamento, por exemplo, das
Look-up Tables e algumas experiências para se implementar alguns circuitos
eletrônicos combinacionais e seqüenciais através dos conceitos de máquinas de
Moore e Mealy. Para permitir o estudo desses tipos de máquinas de ensinar está
sendo testada uma interface de software em C++ utilizando-se a porta de
comunicação paralela para programar uma lógica Look-up Tables com 2 e/ou 3
entradas.
61
A linguagem VHDL embora seja de fácil aprendizagem, no nível técnico, por
não dispor de horas suficientes na grade escolar para esse tipo de ensino usando
computadores, tivemos que limitar o seu uso por um breve conteúdo informativo e
comparativo de como é possível projetar circuitos integrados complexos utilizando
técnicas avançadas de projetos. Embora, reconhecemos que o uso da linguagem
VHDL seja corriqueiro em projeto de circuitos VLSI, altamente eficiente, de altíssima
produtividade para se produzir ASICs, permite que os engenheiros testem
previamente seus projetos através de um processo de modelagem de protótipos
utilizando-se chips do tipo FPGAs. O autor considerou essa importância do VHDL
para um posterior desenvolvimento de máquinas de ensinar especiais contendo
circuitos integrados programáveis dos três principais fabricantes de FPGA: Altera,
Xilinx ou Actel.
Assim, Para as quatro máquinas descritas estão sendo desenvolvidos módulos
eletrônicos que permitam um estudo direto e detalhado do funcionamento de
circuitos lógicos em diferentes tecnologias de fabricação de circuitos integrados:
portas básicas (NOT, NAND, AND, NOR, OR, XOR, XNOR, Tri-State), chaves
analógicas, decodificadores BCD, decodificadores de linha, encoders, comparadores,
somadores, latches, flip-flops, contadores, registradores e memórias.
4.2 Plataformas de Papelão nas Montagens Eletrônicas
Muitos professores das escolas técnicas visitadas e com os quais pudemos
conversar mais abertamente nos informaram que não adotam em suas aulas os kits
didáticos que têm à sua disposição por serem insuficientes e restringirem bastante a
aplicação dos conceitos que normalmente eles desenvolvem no laboratório. Assim, a
maioria se sente mais a vontade utilizando-se as tradicionais plataformas de
montagens de circuitos através das matrizes de contato, conhecidas por protoboards.
Nos últimos dois anos pude observar na FATEC/SP e no CEFET/SP a
utilização ineficaz de diversas montagens eletrônicas mal sucedidas realizadas em
matrizes de contatos, principalmente, devido ao mau contato inerente a esse tipo de
plataforma.
62
Outros professores para se livrarem desses problemas de mau funcionamento
inerentes às montagens nas plataformas de protoboards têm apelado para
construções rápidas e bastantes simples usando plataformas de papelão ao invés de
circuitos impressos.
Pessoalmente, presenciei esse fato no CEFET/SP por seis semanas seguidas,
onde o professor queria comprovar na prática uma experiência simples de
construção de oscilador com realimentação negativa num filtro RC de três estágios
onde utilizava um amplificador operacional uA741 com ganho ajustado por um
trimpot. O professor estava tentando mostrar aos alunos que as perdas de 6 dB no
filtro RC, a importância do ganho no circuito, e os efeitos da saturação do sinal no
limiar de oscilação. Os alunos só conseguiram completar essa experiência com êxito
quando o professor interferiu no processo e pediu para que seus alunos fizessem
uma montagem definitiva do circuito numa base de papelão com os terminais dos
componentes totalmente soldados.
Perguntei ao professor sobre o que ele achava dos incidentes experimentais
em sua disciplina com os seus alunos. E fui informado que esses eventos faziam
parte do processo de ensino-aprendizagem e é importante que aconteça para os
alunos vivenciarem essas situações problemáticas na prática e desenvolvam
iniciativas para resolvê-las.
Perguntei a ele de outra forma, para saber o que achava se tivesse a sua
disposição um conjunto de pequenas máquinas de ensino previamente elaborada
para atender ao conteúdo de sua disciplina. Essa máquina poderia ter todas as
experiências desenvolvidas nas aulas teóricas disponíveis em pequenos módulo de
circuitos impressos ou num painel de circuito impresso que ele poderia mostrar a
todos os alunos de uma só vez. Assim, os alunos rapidamente poderiam trocar os
componentes, observar os sinais no osciloscópio e alterar o circuito para a análise
de várias configurações. Qual não foi a minha surpresa, o professor respondeu que
seria muito bom se isso fosse possível. Mas não gostaria de utilizar os velhos kits
padronizados da escola por achar inadequados.
A maioria dos professores de eletrônica contatados, mesmo sabendo que as
plataformas em circuitos impressos são ideais para as montagens eletrônicas e
63
evitando os ruídos indesejáveis dos protoboards, se justificam dizendo que as
experiências realizadas são meramente provisórias. Quase todos consideram
desnecessário confeccionar circuitos impressos para elas. A maioria acha uma
perda de tempo e de dinheiro na confecção desse tipo de montagem. Praticamente,
todos os professores consultados acreditam que os circuitos impressos devam ser
usados apenas para os circuitos finais, para uso de forma definitiva, mas não para
as suas experiências do cotidiano nos laboratórios de eletrônica.
4.3 Taxionomia para as Máquinas de Ensino-
Aprendizagem
Para facilitar o nosso entendimento sobre a utilização das máquinas propostas,
a seguinte taxionomia é indicada pelas siglas TM, LM, TLM com os seguintes
significados:
a) TM (teaching machine), para indicar que a máquina possui desenho e
funcionalidade, visando atender às necessidades didáticas do professor;
b) LM (learning machine), para indicar que a máquina foi desenhada para
permitir o desenvolvimento de atividades práticas de aprendizagem, focando hábitos
especiais nos alunos alvo da aprendizagem;
c) TLM (teaching-learning machine), para designar a classe de máquinas que
contempla, de uma maneira geral e irrestrita, todos os tipos possíveis de máquinas
utilizadas nos processos de ensino-aprendizagem; e
d) MMI (man machine interaction), para qualificar que o projeto da máquina
proposta contemplou aspectos relevantes das interações decorrentes entre o
homem e a máquina, nos termos conceituados em PREECE (1994, 2002) sobre HCI
(human-computer interaction).
Essa abordagem metodológica baseada em máquinas de ensino-aprendizagem
CMOS pode incrementar dramaticamente as atividades experimentais quando
64
organizadas convenientemente para serem utilizadas ao longo dos semestres em
disciplinas com ensino serializado.
Embora a principal vantagem dos programas de computador seja a velocidade
de verificação de erros em projetos sem a necessidade de realizar as montagens
práticas, uma vez que são bastante lentas e limitadas, a abordagem virtual acaba
gerando uma desvantagem como conseqüência, que é o distanciamento cada vez
maior dos alunos do fascinante mundo dos projetos baseados nas montagens
práticas dos circuitos eletrônicos.
As TLMs devem ser utilizadas nas aulas de laboratórios para cristalizar o
entendimento dos alunos sobre diversos aspectos importantes sobre a tecnologia
CMOS em modernos projetos de CIs VLSI.
Os conceitos utilizados nas TLMs CMOS podem ser obtidos facilmente em
livros textos tais como: MEAD e CONWAY (1980), MUKHERJEE (1986),
FABRICIUS (1990, 1992), UYEMURA (1992), HILL e PETERSON (1993),
PUCKNELL (1994), GAJSKI (1997), REIS (2000), OKLOBDZIJA (2002), RABAEY
(2003) e ROZO (2003).
4.4 Proposta de Módulos de Standard-Cells
O projeto de um CI compreende dezenas de etapas que podem ser arranjadas
em diferentes fases para formar um fluxo de projeto. De uma forma simplificada, este
fluxo de projeto pode ser decomposto por 3 fases: especificação, projeto e validação.
Segundo REIS (2000), a fase de especificação é o ponto de partida de qualquer
projeto. A especificação é responsável por definir a aplicação do produto, requisitos
de comportamento, a sua arquitetura, tecnologia de implementação, condições de
operação, pinagem, entre outros. Esta fase pode ainda incluir etapas de análise de
custo e viabilidade do projeto, especificação de IPs e definição dos fornecedores e
prestadores de serviço.
Segundo GAJSKI (1997), a fase de projeto é a fase responsável pela
concepção do projeto, e é formada por diferentes etapas dependendo do tipo de
65
projeto, podendo ser digital, analógico ou projeto de sinais mistos. Todos os
desenhos das TLMs foram concebidos considerando-se os diversos aspectos de
abstração em projetos de CI abordados em GAJSKI (1997): abstração
comportamental, abstração estrutural e abstração física-geométrica.
O hardware utilizado pelos autores em algumas TLMs [ROSA; VAN NOIJE,
2008] foi baseado na funcionalidade do CI CMOS CD4007 [URL 45, 2008], lançado
pela Fairchild no final da década de 70, e vem sendo utilizado como interface entre
sinais analógicos e digitais. Este CI contém apenas seis transistores, sendo três
NMOS e três PMOS. Um par desses transistores está ligado como um inversor
CMOS. Um segundo par de inversor CMOS apresenta os drenos dos transistores
desconectados. E, o último par, apresenta os terminais de dreno e fonte
desconectados.
Uma boa prática de ensino para desenvolver habilidades de estilo de projetos e
verificação de erros em projetos full custom, onde o desenho do CI é livremente
produzido e verificado pelos próprios alunos, baseia-se completamente na
observação de regras de projetos sobre papel milimetrado ou quadriculado. Em
ambas as situações, o professor poderá utilizar os recursos de exibição de grades
do programa MS-WORD para orientar a documentação dos desenhos coloridos das
células padronizadas cujos tamanhos poderão ser modularizados de forma
adequada.
Como um jogo de quebra-cabeças, as Standard-Cells utilizadas no MS-WORD
poderão ser usadas na montagem de TLMs embarcando circuitos integrados com
funcionalidade compatível. Na internet podemos encontrar vários sites contendo o
leiaute de biblioteca de Standard-Cells que poderão ser utilizados para os módulos.
As células apresentadas nesse trabalho foram obtidas do site VLSI Technology [URL
42, 2008] e foram desenhadas com um software livre francês conhecido por Alliance
[URL 43, 2008].
A Figura 4.1 mostra o desenho de uma TLM com módulos de Standard-Cell de
uma porta AND2 apresenta um tamanho de 3 cm por 15 cm. Sobre um laminado de
papelão grosso (1 ou 2 mm), ou uma placa de circuito impresso (1,6 mm), é colado
esse desenho colorido feito no MS-WORD. E, na parte posterior se fixa o CI
66
equivalente (que pode ser soquetado ou soldado em SMD). Na versão em papelão
utiliza-se pequenos fios (AWG 28) para ligar os terminais de alimentação (Vdd e Vss),
sinais de entrada (A e B) e saída (C). Assim, facilmente implementa-se uma
funcionalidade real com eletrônica embarcada à geometria utilizada por uma
Standard-Cell. Várias células foram desenhadas e implementadas rapidamente por
essa técnica, proporcionando várias atividades práticas em laboratório.
(a) (b) Figura 4.1 – (a) TLM de um módulo de porta AND2 Standard-Cell (15 cm de altura) e (b) o símbolo
lógico da porta AND2 com o equivalente esquemático de transistores MOS.
4.5 Proposta de Módulos Sea-of-Gates
A tecnologia Sea-of-Gates foi uma importante tecnologia que precedeu e motivou
a utilização do conceito de Look-up Table para a programação interna do
roteamento para se obter um circuito lógico desejado, nos modernos dispositivos
FPGAs. Pesquisada no IMEC, na Bélgica, foi apresentada à comunidade de
microeletrônica por VAN NOIJE e DECLERCK (1985), tendo sido registrada na tese
de doutorado de VAN NOIJE em 1985. Para homenageá-lo, o autor batizou essas
B
C
CA
B
A
67
máquinas de ensino-aprendizagem CMOS construídas com a tecnologia de Sea-of-
Gates, pelo nome Máquinas de Van Noije. A Figura 4.2 ilustra o conceito de Sea-of-
Gates como uma estrutura formada por duas redes de 7 transistores NMOS e PMOS
ligados em série. Para definir uma porta lógica NOR será necessário fazer uma
metalização conveniente entre os terminais dos transistores bem como surge a
necessidade de fazer um isolamento entre as portas, conforme exemplo ilustrado na
Figura 4.3.
Figura 4.2 – Estrutura Sea-of-Gates para uma Máquina de Van Noije de duas redes de 7 transistores:
NMOS e PMOS.
Figura 4.3 – Estrutura Sea-of-Gates para uma Máquina de Van Noije de duas redes de 7 transistores
configurada para uma Porta NOR de 2 entradas.
68
Todos os conceitos e circuitos contemplados no Capítulo 3, modelagem do
contexto de aprendizagem para a máquina MOS, podem ser realizados na prática
numa Máquina de Van Noije.
Nesse trabalho a protótipo do módulo Sea-of-Gates foi implementado usando-
se transistores do circuito integrado CMOS CD4007UB, da Texas Instruments [URL
44, 2008].
O datasheet da Texas apresenta diferentes configurações do CD4007UB
simplesmente alterando-se as conexões entre os seus terminais para formar
diferentes portas lógicas, ou seja, metalizando-se os terminais dos transistores
convenientemente.
A Figura 4.4 mostra a pinagem do CD4007 e a disposição interna dos
transistores NMOS e PMOS.
(a)
N
N
P
NP
P
11
CD4007UB
SN2
SP3
1 32
G2SP2DP2
VDD DP1 DN/P3
14 1213
4 5
DN2
6
G1 VSS
7
10
G3 DN1
9
SN3
8
P
N
G1
+V
DP1
DN1
G2
P
N
SP2
DN2
DP2
SN2
G3
SN3
SP3
P
N
DN
/P3
VDD
VSS
13
7
14
6
8
3
2
5
1
4
10
9
11
12
(b) Figura 4.4 – Circuito integrado CD4007UB: (a) pinagem e (b) disposição dos transistores NMOS e
PMOS.
Outro circuito integrado muito útil em projetos MOS é o CD4066 [URL 46, 2008],
uma chave analógica que facilmente pode ser usado para compor lógica com
transmission gates.
69
Capítulo 5
Práticas de Ensino
5.1 Introdução
Em AEBLI (1975) pode-se observar diversos aspectos e abordagens da prática
de ensino do professor num espaço de aprendizagem. O professor, o aluno, o
conteúdo a ser ensinado e o ambiente de aprendizagem compõem os diferentes
espaços de aprendizagem.
A didática do professor, que representa a sua arte de ensinar ou transmitir
conteúdos, se manifesta na prática por sua capacidade de manipular os recursos
disponíveis nos espaços de aprendizagem. Assim, pode-se facilmente observar
diferentes resultados de aprendizagem quando se escolhe uma dentre as três
formas de abordagem do ensino: ensino individual, ensino individualizado e ensino
para grupos homogêneos.
70
5.2 A Transposição Didática
Analisando mais profundamente o importante processo de transposição
didática, PERRELLI (1996) explica que o termo “transposição didática” foi
introduzido em 1975 pelo sociólogo Michel Verret e, alguns anos depois, passou a
ser rediscutido pelo francês Yves Chevallard, pesquisador em didática das
matemáticas.
Para CHEVALLARD e JOSHUA (1991), a transposição didática é um processo
complexo que, através de métodos e técnicas didáticas, permite realizar
transformações em objetos de saberes conhecidos (du savoir savant) em objetos
que compõem os saberes de ensino (au savoir enseigné). Sabendo-se que de todos
os conhecimentos pesquisados, assimilados, desenvolvidos e publicados pelos
cientistas raramente estes saberes conhecidos farão parte de qualquer grade
curricular de um programa de ensino nos sistemas escolares atuais. Isso justifica o
fato de as escolas, de uma maneira geral, optarem por uma formação mais
generalista que dá mais atenção ao ensino de conteúdos gerais em oposição aos
conhecimentos pesquisados e recentemente desenvolvidos nas universidades que
se movimentam em direção contrária, isto é, aprofundando-se cada vez mais em
conhecimentos especializados.
Para ilustrar a complexidade do processo de transposição didática podemos
citar um fato histórico interessante que ocorreu com a Geometria desenvolvida por
Euclides de Alexandria (300 a.C.) [URL 40, 2008] que compilou num livro chamado
Elementos de Euclides, todo o conhecimento que existia sobre geometria em sua
época. Somente no final do século XIX é que conteúdos parciais do livro de
Eucludes chegaram ao ensino fundamental nas escolas européias, porém com 2000
anos de atraso.
Observa-se assim, que a maior parte dos conhecimentos dominados no
contexto acadêmico nos dias atuais, com muita dificuldade chegará a participar de
uma grade curricular nas escolas de ensino médio ou mesmo de ensino fundamental.
Diante do exposto podemos destacar duas importantes conseqüências no
ensino: uma baseada na formação generalista e a outra na formação especialista.
71
Uma formação generalista permite que saberes conhecidos (savoir savant) seja
ensinado ao público (savoir enseigné) apenas de forma enciclopédica, isto é, de
forma geral e resumida, visando principalmente desenvolver nos alunos habilidades
mais abstratas baseadas na articulação conceitual que cercam tais conhecimentos.
A abordagem generalista é o princípio que vem norteando as diretrizes
curriculares estabelecidas pelos órgãos oficiais reguladores dos sistemas de ensino
fundamental e médio em quase todos os países, há pelo menos um século. Para
PERRELLI (1996) essa formação generalista visa proporcionar aos alunos as
condições necessárias para um ingresso em qualquer área de uma formação
acadêmica futura.
No entanto, CHEVALLARD (1991) afirma que a formação especialista permite
que os conhecimentos sejam ensinados de uma forma mais particularizada e
aprofundada sobre certos aspectos práticos da vida, dentro de contextos particulares
do cotidiano. Com isso, uma formação especialista para ser eficaz precisa dirigir-se
para o desenvolvimento de habilidades profissionais, visando transformar alunos em
profissionais com conhecimentos técnicos, capacitados para atender às
necessidades do mercado de trabalho e não para o mundo acadêmico.
A transposição didática consiste num processo que se preocupa com as
questões de como transformar objetos de saberes sábios, em saberes a ensinar e,
finalmente, em objetos de saberes ensinados.
5.3 Práticas de Ensino em Projetos de Circuitos Integrados
no Brasil
Uma prática bastante comum e extensamente coberta pelos cursos de
engenharia elétrica no Brasil é desenvolver atividades didáticas embasadas nas
obras de WESTE e HERRIS (2004) ou em SEDRA e SMITH (2008). Essas
atividades didáticas são baseadas em projetos simulados de circuitos eletrônicos
utilizando a descrição do tipo SPICE. Usando programas tais como WinSPICE [URL
35, 2008], 5SPICE [URL 36, 2008], HSPICE [URL 37, 2008] ou SPICE Opus [URL
38, 2008], os alunos aprendem como simular a funcionalidade de circuitos
72
eletrônicos rapidamente e com essa ferramenta realizam diversos tipos de análise:
DC, transientes, modelagem de dispositivos, caracterizações elétricas e subcircuitos.
Observamos em geral, que os projetos pelos professores são desenvolvidos
nos laboratórios para permitir que os seus alunos se envolvam diretamente com
diversas questões inerentes aos projetos de sistemas eletrônicos e participem de
todas as etapas de projetos: especificação, desenvolvimento de propostas de
circuitos eletrônicos, pesquisa de componentes através de consultas na literatura,
internet, em datasheets ou application notes de fabricantes, desenho do leiaute das
placas de circuito impresso, corrosão das placas, soldagem de componentes,
verificação, testes e documentação final do projeto.
Essa abordagem baseada em projetos experimentais proporciona aos alunos
um ambiente controlado que permite desenvolver habilidades práticas e
investigativas visando uma familiarização em solucionar diversos problemas
inerentes das montagens eletrônicas no mundo real, tais como: erros de projeto,
erros funcionais, falhas de montagem e maus contatos ou problemas de soldagens.
Assim, por questões de tempo, é comum que professores busquem usar nesse tipo
de abordagem, projetos de circuitos simples, cuja funcionalidade e comportamento
elétrico poderiam ser facilmente simulados com SPICE para, em seguida, serem
confrontados com resultados experimentais realizados através de montagens de
diversos tipos: em protoboard, em kits didáticos padronizados, ou em placas de
circuito impresso confeccionadas pelos próprios alunos.
Conforme apresentado por KUETHE (1978): "Os projetos são valiosos porque
promovem o desenvolvimento da capacidade de auto-reforço. O indivíduo se orgulha
de estar trabalhando no seu projeto e é ainda mais motivado por compreender que o
mestre conta com a execução de um bom trabalho por parte dele e expressou
confiança na sua capacidade de levar a termo a tarefa com pouca ou nenhuma
ajuda. Há um reforço adicional quando o produto final de um projeto é exibido ou
apresentado à classe."
Alguns professores alegam que deixaram de utilizar as montagens eletrônicas
ou nunca confrontaram os resultados simulados pelos alunos com os experimentais
obtidos em bancada, por não terem tempo disponível nos programas. Com isso, a
73
vantagem da abordagem baseada em projetos simulados de circuitos eletrônicos -
que está na sua rapidez e na facilidade de ajustes de parâmetros para atender as
restrições de projetos -, pode estimular os alunos a deixarem de lado as montagens
eletrônicas que normalmente são mais lentas e difíceis de serem realizadas ou
custosas quando ligações errôneas provocam danos permanentes nos componentes
elétricos ou eletrônicos.
5.4 Metodologia Utilizada
Este trabalho apresenta resultados de avaliações do uso efetivo das TLMs no
processo de ensino-aprendizagem sob o ponto vista pedagógico das montagens de
circuitos eletrônicos, e não considerou-se aspectos de natureza psicológica
importantes, porém considerado por SKINNER (1999) em sua visão behaviorista em
seus estudos sobre as máquinas de ensinar apresentadas em seu doutorado no MIT
(1956). Atualmente, as máquinas de ensinar de Skinner foram suplantadas pelos
avanços tecnológicos da microeletrônica e das técnicas de microfabricação que
permitiram um acelerado barateamento dos microcomputadores, o que possibilitou o
uso desses recursos tecnológicos cada vez mais freqüente e de forma intensiva na
educação moderna.
O autor concorda com as considerações de CAMPOS (1970), na área da
psicologia da aprendizagem, que sabiamente recomenda que a verdadeira
aprendizagem ou rendimento escolar consiste na soma de um conjunto de
transformações operadas no aluno, com relação a: forma de pensamento, linguagem
técnica, maneira de agir, atitudes, idéias e preferências, face às situações e
problemas da matéria ensinada.
Os resultados foram obtidos pela observação de comportamentos terminais
desejados e potencializados com o uso decorrente das TLMs propostas combinados
com metodologia de microensino conceituada e desenvolvida por ALLEN (1967)
considerando uma abordagem para um grupo homogêneo de estudantes.
CARVALHO (1985) define o microensino como uma técnica simples aplicada
normalmente na formação de professores que objetiva o desenvolvimento de
74
habilidades em candidatos à docência antes mesmo que estes venham a entrar em
sala de aula definitivamente. O autor utilizou essa técnica por sua simplicidade e
agilidade no desenvolvimento de uma prática de ensino controlada, necessitando de
apenas cinco etapas conforme apresentadas e descritas na Tabela 5.1 [ROSA; VAN
NOIJE, 2008].
Tabela 5.1 – Etapas da metodologia de microensino adotada.
Etapa Descrição
1 Planejamento de Habilidades de Ensino-aprendizagem
Cada habilidade de ensino-aprendizagem foi especificamente focalizada num pequeno período de aula que variou entre 15 e 50 minutos. Considerou-se, primeiramente, a mesma aula com e sem o uso de uma TLMs com turmas distintas.
2 Planejamento de Microaulas
Cada microaula foi aplicada à um pequeno grupo de alunos, entre 5 e 10 alunos. Em algumas situações professores das instituições visitadas participaram de microaulas como alunos. Os alunos foram avaliados por provinhas práticas e pesquisados por questionários de avaliação simplificados.
3 Registro das Microaulas Algumas microaulas foram gravadas com uma câmera digital e outras com gravadores visando fornecer detalhes para a análise posterior.
4 Análise das Microaulas
As aulas gravadas foram analisadas e discutidas com alguns colegas professores de eletrônica e microeletrônica, visando melhorias nas práticas de ensino.
5 Ajuste Algumas aulas precisaram ser replanejadas e foram executadas com outros grupos de alunos.
5.5 Práticas de Ensino usando TLM CMOS
Para esse trabalho, o conhecimento do processo de transposição didática
permitiu o desenvolvimento de diversas atividades práticas de ensino elaboradas por
uma metodologia de instrução programada, acompanhadas por conjuntos didáticos
construídos por alunos e professores com diversos recursos, características, e
funcionalidades desejada com o apoio de um projeto de eletrônica embarcada.
Vários circuitos eletrônicos foram projetados para compor as máquinas de
ensino-aprendizagem durante algumas práticas de ensino foram realizadas com
alunos de escola técnica.
75
Para avaliar a eficiência da aprendizagem por máquinas de ensino-
aprendizagem em projeto de circuitos integrados CMOS, o autor desenvolveu três
abordagens para atender a três perfis distintos de público: alunos construtores,
alunos montadores e alunos usuários.
a) Alunos construtores: O professor instrui os alunos esperando que sejam
capazes de: especificar os materiais a serem utilizados na construção dos
módulos; especificar a funcionalidade dos módulos; desenhar o leiaute dos
módulos e, posteriormente, criar os procedimentos e roteiros para orientar
as montagens (Perfil do Engenheiro).
b) Alunos montadores: O professor instrui os alunos visando o domínio das
técnicas de montagem dos módulos seguindo roteiros e modelos
padronizados. Tendo realizado as montagens, participam das atividades
didáticas que visam estudar as funcionalidades dos módulos produzidos
(Perfil do Técnico).
c) Alunos usuários: O professor instrui os alunos para o cumprimento de
atividades didáticas onde são observadas as funcionalidades dentro dos
contextos de aprendizagem definidas para as máquinas (Perfil do Usuário).
Para os três públicos, o autor deveria planejar e orientar as atividades didáticas
dentro dos limites impostos pela metodologia de microensino, e não poderia
estender as aulas por tempos prolongados, isto é, superiores a uma hora.
Assim, somente algumas atividades puderam ser aplicadas com alunos das
instituições visitadas. Não foi possível desenvolver atividades com alunos
construtores pois as atividades demandavam muitas horas de envolvimento no
projeto das máquinas. Não podemos esquecer que para criarmos as máquinas de
ensino-aprendizagem é imprescindível que seja feita uma modelagem dos contextos
de aprendizagem para se chegar à especificação dos recursos materiais e
funcionais relevantes.
Do exposto, concluímos que essas atividades didáticas para o público de
alunos construtores se encaixariam muito bem num curso de formação de
professores voltado para projetos de circuitos de circuitos integrados.
76
5.5.1 Prática de Ensino usando Módulos Standard-Cells
A seguir descrevemos uma prática testada com um pequeno público de alunos
de uma escola técnica de eletrônica em São Paulo para observar de que forma os
alunos recebem a idéia de usar máquinas de ensino-aprendizagem para se projetar
circuitos integrados CMOS.
Um pequeno grupo de alunos foi convidado para participar de uma
apresentação sobre um projeto educacional e as seguintes informações foram
passadas verbalmente para os alunos:
• Precisamos montar algumas máquinas didáticas que ajudam os professores a
ensinar como os circuitos integrados da tecnologia CMOS funcionam e como
eles são projetados.
• Os modelos, medidas, lista de materiais e os procedimentos podem ser
baixados via internet.
• Os materiais de acabamento são basicamente papel e papelão.
• O circuito impresso poder ser cortados com tesouras, pois são muito finos, e
permite que os furos possam ser feitos com uma martelada rápida com
pequenos pregos.
• O desenho do leiaute das placas de circuito impresso também estão
disponíveis na internet no site da Flextronica [URL 32, 2008].
• Quem puder usar tesoura, estilete, furadeira, punção e vazadores
conseguirão melhores acabamentos estéticos.
• Todas as ligações entre os módulos serão feitas utilizando-se molas de aço
inoxidável comum.
• Depois que conseguirmos terminar a montagem de todos os módulos e posso
explicar para vocês como funcionam, como se projetam os circuitos
integrados, como são fabricados e finalmente testados.
77
• Quem tiver interesse de participar dessas montagens me enviem e-mail para
agendar os horários no laboratório.
• Há, estava me esquecendo, quem quiser montar os módulos em casa e
depois me entregar em sala de aula ou na sala dos professores, também
podem participar.
Terminada a exposição vários alunos questionaram sobre como eram as
máquinas, como funcionavam e como eles poderiam construí-las em suas próprias
casas.
Os resultados dessa abordagem podem ser visualizados nas seqüências de
fotos apresentadas nas Figuras 5.1 a 5.10.
A Figura 5.1 mostra os materiais usados para a confecção e montagem dos
módulos de Standard-Cells relacionados no Apêndice B.
Figura 5.1 – (a) Módulos NAND2, INVERTER e AND2 de Standard-Cells de 15 cm de altura,
impresso em jato de tinta colorido sobre papel couché fosco, tamanho A4. (b) Módulos cortados e separados com estiletes.
78
Figura 5.2 – Módulos NAND2, INVERTER e AND2 de Standard-Cells de 15 cm de altura, impresso
em jato de tinta colorido sobre papel couché fosco, já cortados e separados com estiletes.
Figura 5.3 – Os Módulos INVERTER, NAND2 e AND2 de Standard-Cells de 15 cm de altura, servindo
de molde para cortar o papel couro com estiletes.
79
Figura 5.4 – O papel couro cortado servindo de molde para cortar com estilete o papel pardo de 2 mm
de espessura.
Figura 5.5 – Os Módulos NAND2, INVERTER e AND2 Standard-Cells, apresentado em conjuntos
completos já cortados: o papel couché com o desenho colorido, o papel couro e papel pardo.
80
Figura 5.6 – Vista explodida com todos os elementos usados na montagem do Módulo INVERTER.
Figura 5.7 – Módulo INVERTER de Standard-Cells completamente montado e testado.
81
Figura 5.8 – Vista do detalhe dos LEDs inseridos dentro das molas: Vdd=LED Verde, Input=LED
Vermelho e Output=LED Amarelo. O Vss não tem LED, só a mola vazia.
Figura 5.9 – Módulo INVERTER Standard-Cells conjuntos completos de máscaras de impressão jato
de tinta sobre papel couché e com plastificação em dupla face a quente.
82
Figura 5.10 – Os módulos embalados nas suas respectivas caixas de proteção: INVERTER (caixa nº
1 amarela), NAND2 (caixa nº 2 azul) e AND2 (caixa nº 3 vermelha).
5.5.2 Prática de Ensino usando Módulos Sea-of-Gates
O módulo da máquina CMOS usando Sea-of-Gates [VAN NOIJE, 1985] [VAN
NOIJE; DECLERCK, 1985] foi montado por um grupo de alunos seguindo orientação
do autor para servir de protótipo e testar a praticidade da idéia. No projeto do
protótipo do módulo Sea-of-Gates foi utilizando somente o integrado CD4007. O
Anexo A apresenta informações do datasheet do CI CMOS 4007 de três fabricantes:
Philips, Texas Instruments e ST Microelectronics. O datasheet da Texas apresenta
as diferentes configurações que o CD4007 pode assumir apenas quando se
intercambia as conexões entre os seus terminais.
O Apêndice C mostra o desenho detalhado do painel frontal de uma Máquina
de Van Noije para orientar práticas de projetos de CI, utilizando-se os conceitos de
Sea-of-gates comumente empregados em algumas arquiteturas de CIs
reconfiguráveis do tipo FPGAs.
Na Figura 5.11 podemos observar um conjunto de três LEDs para monitorar as
entradas digitais A, B e C. Os dois LEDs (verde e amarelo) indicando Y e Z servem
83
para analisar sinais de saída. Dois conectores USB-A nas laterais superiores são
utilizados para alimentação de 5 V feita com fonte chaveada do tipo MP3.
Figura 5.11 – Máquina de Van Noije: vista geral do painel frontal da máquina MOS Sea-of-Gates com
uma moldura de papelão colado sobre uma superfície de borracha preta (EVA).
Figura 5.12– Máquina de Van Noije: vista geral do painel traseiro da máquina MOS Sea-of-Gates com
os circuitos integrados espetados sobre uma superfície de borracha preta (EVA) e soldados.
84
Figura 5.13 – Máquina de Van Noije: vista do CI CD4007UBE soldados no painel traseiro do protótipo
espetado sobre uma superfície de borracha preta (EVA): transistor P-MOS.
Figura 5.14 – Máquina de Van Noije: vista do CI CD4007UBE soldados no painel traseiro do protótipo
espetado sobre uma superfície de borracha preta (EVA): transistor NMOS.
85
Figura 5.15 – Máquina de Van Noije: vista da caixa semi aberta contendo todos os cabos de ligação e
garras jacaré para a manipulação de circuitos CMOS.
Figura 5.16 – Máquina de Van Noije: vista da máquina MOS Sea-of-Gates fechada.
86
Figura 5.17 – Máquina de Van Noije: detalhe das chaves de comutação dos sinais de entrada e os LED monitores do sinal de saída (Y=Verde e Z=Amarelo).
Figura 5.18 – Máquina de Van Noije: detalhe da ligação da fonte chaveada de MP3 (5V) no conector
USB/A.
87
Figura 5.19 – Máquina de Van Noije: detalhe da ligação das garras jacaré no LED (Y) para monitorar
um sinal.
Figura 5.20 – Máquina de Van Noije: detalhe da ligação das garras jacaré no painel compondo as ligações de metalização para a formação de uma porta lógica.
88
5.6 Resultados Experimentais
As TLMs CMOS são máquinas de ensino-aprendizagem criadas para auxiliar a
formação técnico-profissional e podem produzir excelentes resultados de
aprendizagem efetiva.
Durante a concepção dos módulos das TLMs houve uma preocupação com a
parte estética, já que o sistema deveria zelar por uma aparência que pudesse
apresentar graça e beleza às máquinas para facilitar professores e alunos na rápida
identificação de módulos coloridos representando as diversas funções dos circuitos
eletrônicos projetados.
O ponto central das TLMs CMOS reside na eficiência do processo pedagógico
que consolida na mente do aluno os conceitos chaves na área de projetos de
circuitos integrados CMOS e permite ajustar uma formação teórica através de uma
interação prática correspondente que podem ser aprendidas num mesmo instante.
Num segundo momento, o uso de ferramentas avançadas de EDA para projetar
circuitos integrados no mundo real — como as oferecidas no mercado profissional
pelas empresas Cadence [URL 6, 2008], Mentor Graphics [URL 5, 2008], Synopsys
[URL 7, 2008], Magma [URL 8, 2008] e outras — poderiam ser utilizadas com os
mesmos alunos, surtindo resultados ainda mais eficazes.
As máquinas de ensino-aprendizagem projetadas nesse trabalho utilizam
características combinadas das máquinas modulares e das máquinas construtivas
para se atingir os objetivos instrucionais com excelentes resultados de
aprendizagem.
A flexibilidade proporcionada pelo sistema modular permitiu ao autor a
elaboração de várias experiências rapidamente conforme analisadas na literatura
sobre a teoria dos circuitos CMOS, conforme exposto no Capítulo 3.
Concluímos também que os resultados positivos de uso das TLMs em
laboratórios de eletrônica são devidos às características gerais obtidas como na
89
concepção do projeto das máquinas que levou em consideração os seguintes
aspectos:
a) planejamento do contexto de aprendizagem;
b) padronização dimensional dos módulos;
c) caixas de acondicionamento e proteção mecânica;
d) padronização das placas de circuitos impressos dos módulos;
e) padronização dos componentes elétricos (conectorização, soquetagem,
cabeamento);
f) uso de sistemas conexão por molas;
g) utilização de monitoramento dos sinais através de LEDs, por inspeção de
sinais ou embutidos em molas;
h) padronização e simplicidade no acabamento (etiquetagem,
acondicionamento, engavetamento e embalagens);
i) adoção de um sistema modular que agregou as características de
flexibilidade e expansibilidade contínua, permitindo um aumento incremental
da funcionalidade didática das TLMs;
j) consideração sobre MMI contribuíram para o desenho do leiaute das
máquinas proporcionando visibilidade estética;
k) a característica construtiva dos módulos pelos próprios alunos proporcionou
uso de componentes reciclados e redução de custos por unidade funcional,
que podem ser facilmente adquiridos pelos alunos.
O uso combinado dos aspectos acima listados proporcionou ao autor uma
grande praticidade durante as microaulas.
As TLMs, para serem bem utilizadas, devem ser acompanhadas de tutoriais,
com instrução programada, para orientar didaticamente os alunos sobre os
conceitos e experimentações utilizando-se seus módulos mínimos até formar
90
conceitos mais amplos usados em sistemas de maior complexidade. Essa
orientação de ensino pode resultar em um maior rendimento no processo de
aprendizagem na forma assistida por instrutores ou na forma autodirigida, onde o
conhecimento é conquistado pelo esforço do próprio aluno. Isto é, o aluno pode
prosseguir durante todo o seu treinamento de profissionalização, com pouca ou
nenhuma supervisão, adequando-se a auto-aprendizagem ao seu próprio ritmo,
sobre todos os conteúdos previamente estabelecidos pela instituição educacional.
Os módulos das TLMs CMOS podem constituir poderosas ferramentas
auxiliares aos sistemas de ensino presenciais e à distância (EAD), podendo ser
facilmente aplicado nas três abordagens das modalidades de ensino verificadas em
AEBLI (1975): ensino individual, ensino para grupos homogêneos e ensino
individualizado.
Na tentativa de minimizar os problemas de aprendizagem, foram pesquisadas
algumas metodologias utilizadas no ensino técnico juntamente com diversos
sistemas educacionais de práticas em eletrônica, autotrônica, mecatrônica e
automação, sistemas parciais com treinamentos modulares (para eletrônica e
telecomunicações) e sistemas de estudos com práticas em montagens
experimentais diversas.
Foi possível consolidar na prática importantes conceitos e fundamentos teóricos
da área de eletrônica em geral através de uma transposição didática por meio de
TLMs para a área de projetos de circuitos integrados CMOS.
Várias alternativas de plataformas para TLMs foram baseadas em painéis
formando uma verdadeira bancada vertical foram construídas tendo em mente
assegurar a portabilidade do conjunto de módulos através de diferentes sistemas de
fixação garantindo a acessibilidade pelos alunos.
Os painéis verticais formando a plataforma das TLMs associados às mais
variadas técnicas de montagens puderam proporcionar aos alunos um acesso real
aos fundamentos de projetos de alta tecnologia através da montagem e utilização de
módulos eletrônicos para praticarem seus estudos de forma lúdica e agradável.
91
Capítulo 6
Conclusões e Trabalhos Futuros
Nesta dissertação vimos a implementação de uma proposta de máquinas de
ensino-aprendizagem no ensino de projeto de circuitos integrados CMOS. As
máquinas de ensino-aprendizagem foram desenvolvidas na forma de kits eletrônicos
didáticos padronizados contendo diversos tipos de circuitos integrados CMOS de
pequena densidade de integração (SSI).
6.1 Conclusões
O autor acredita que as máquinas de ensino-aprendizagem propostas para
auxiliar os professores nas atividades práticas de ensino em projetos de CIs CMOS,
além de facilitar a compreensão dos alunos das diversas propriedades elétricas e
práticas em projetos de circuitos eletrônicos integrados, reforça também a
aprendizagem de conceitos relevantes em IC Design, estimula a criatividade e
desenvolve habilidades em projetos microeletrônicos.
Desenhos de TLMs modulares usando descrição VHDL e Verilog HDL sobre
etiquetas foram ainda elaborados para atender às necessidades da compreensão da
síntese de alto nível de circuitos integrados digitais.
92
Observamos que os LEDs que acendem e apagam nos módulos das máquinas
de ensino-aprendizagem chamam muito a atenção dos alunos e facilitam
drasticamente o monitoramento das informações.
As montagens baseadas em fixação de módulos sobre painéis facilitam em
demasia a acessibilidade aos componentes dos projetos e aumenta a interação com
os alunos.
Além de ser um recurso didático fantástico, as máquinas de ensino-
aprendizagem CMOS apresentadas nesse trabalho, podem assumir um importante
papel na popularização de conhecimentos sobre a tecnologia digital e principalmente
das tecnologias empregadas na área de projetos de circuitos integrados.
Com a utilização de conceitos e recursos das máquinas de ensino-
aprendizagem reais aplicadas em projetos de CIs, professores e alunos poderiam
construir rapidamente seus modelos e facilmente implementá-los em seus
programas de ensino. A principal vantagem das máquinas apresentadas é a
flexibilidade da plataforma e o custo reduzido.
O acabamento simplificado do sistema de interconexões dos módulos com
pinos torneados atende perfeitamente às necessidades da aprendizagem individual
e não devem ser utilizados para utilização institucional de forma coletiva. Para esta
finalidade seria mais adequado utilizar os conectores baseados em barras de pinos
prensados.
Pode-se pensar, ainda, na montagem de uma base de dados para disponibilizar
e compartilhar os desenhos dos módulos das máquinas de ensino-aprendizagem
para uso livre na internet, beneficiando ainda a inclusão e o acesso de professores
das escolas públicas de ensino técnico de todo o Brasil. Pode-se pensar ainda na
produção de vários tutoriais para essas máquinas com sugestões orientadas para os
professores na direção de produzir projetos de circuitos integrados de forma
cooperada ou compartilhada, etc. Esses tutoriais de projetos nas máquinas de
ensino-aprendizagem poderiam estimular em muito as atividades práticas dos
alunos que passariam a realizar muitas experiências durante o período letivo.
93
A plataforma de hardware utilizada para as máquinas reais apresenta grande
flexibilidade e oferece maior rapidez nas montagens de projetos diversificados. Essa
é uma característica positiva que poderia promover um aumento da eficiência no
rendimento escolar e na qualidade da aprendizagem dos alunos do ensino técnico. A
plataforma de hardware utilizada facilita a realização de diversos tipos de testes e a
obtenção de medições elétricas diversas e, finalmente, permite a construção de
módulos alternativos onde se utilizam componentes sucatrônicos (sucata
eletrônica), conforme o interesse de estudo.
Pelos pontos apresentados nesse trabalho, o autor acredita que as aulas
teóricas de eletrônica poderiam agregar facilmente algumas noções relevantes sobre
projetos de circuitos de circuitos integrados e outras mais específicas sobre circuitos
integrados digitais CMOS no atual estado da arte. Essas máquinas poderiam deixar
mais agradáveis e atraentes as aulas de eletrônica do ponto de vista da
aprendizagem pela interação experimental.
Desse modo, uma formação profissional de qualidade buscada pelos alunos
nas instituições brasileiras de ensino técnico, poderia ser equacionada com a
seguinte expressão: Formação Profissional = Formação Teórica + Formação Prática.
Essa equação é óbvia e desejável por qualquer instituição de ensino profissional,
porém uma formação de qualidade só pode ser obtida em ambientes de
aprendizagem onde se procuram desenvolver as habilidades dos alunos no
aprender a estudar e no aprender a fazer.
Por isso, as TLMs podem contribuir de uma maneira geral no equacionamento
da qualidade do ensino proporcionando um verdadeiro do domínio tecnológico
através da seguinte equação:
Instituição com Metodologia de Ensino Programado +
Laboratórios com Máquina de Ensino-Aprendizagem =
Alunos com Habilitação e Capacitação Tecnológica Plena
Para finalizar, concluímos que o presente trabalho com as máquinas de ensino-
aprendizagem podem colaborar para a criação de novos espaços de aprendizagem
[OBLINGER, 2006] para os laboratórios de eletrônica, quando considerados em
94
conjunto os princípios psico-pedagógicos considerados por CAMPOS (1970), os
elementos envolvidos nos processos da transposição didática observados por
CHEVALHARD e JOSHUA (1991), e as questões relacionadas com a interface
homem-máquina tratadas por PREECE (1994, 2004) que podem atrair
significativamente os alunos para os estudos.
Todos esses recursos e conceitos utilizados de forma combinada com a
tecnologia educacional podem contribuir significativamente na eficiência do ensino-
aprendizagem de forma geral.
6.2 Sugestões e Trabalhos Futuros
As máquinas de ensino-aprendizagem por si só podem até atrair a atenção das
pessoas pelo processo natural da curiosidade que estimula e suscita constantes
questionamentos que induzem professores e alunos à reflexão sobre a
microeletrônica, projetos, software, circuitos CMOS, etc.
Podemos dizer que as máquinas de ensino-aprendizagem são máquinas de
provocação, provocação de curiosidades sobre questões relativas a projetos de
circuitos integrados e capazes de promover desafios nos envolvidos com a
aprendizagem.
Módulos mais sofisticados poderão ser elaborados para permitir, por exemplo,
a composição montagem por grupos de alunos de sistemas mais complexos tais
como a arquitetura de um pequeno microprocessador ou microcontrolador didáticos
de 8 ou 16 bits.
Com isso pode-se, por exemplo, observar num projeto didático de um
microprocessador de 8 bits todos os passos envolvidos internamente para se
executar um ciclo completo de instrução. Poderia ainda, trabalhar com uma
freqüência de clock de 1 Hz ou menos, para permitir uma análise visual e
monitoramento passo-a-passo durante um ciclo de busca, decodificação e execução
das instruções.
95
As diferentes arquiteturas de projeto de microprocessadores poderiam ser
implementadas na forma de máquinas de ensino-aprendizagem CMOS, por exemplo:
randômico, microcode e pipeline.
Outros módulos eletrônicos poderiam ser desenvolvidos para ampliar a
biblioteca de módulos das TLMs CMOS de modo a permitir que sejam utilizados
alguns conceitos importantes de testes de dispositivos como o BIST (Built-in Self
Test).
O conceito de máquinas de ensino-aprendizagem vai muito além da aplicação
para se ensinar técnicas e conceitos de projetos de circuitos integrados. Poderiam
ser desenvolvidas máquinas para estimular o aprendizado da fala, percepção
sensorial e motriz em crianças com idade pré-escolar, dos 3 aos 6 anos de idade.
Para o público infanto-juvenil, poderia se desenvolver máquinas de ensino-
aprendizagem com microcontroladores e sintetizadores de som, usando DSPs, para
montar jogos simples, instrumentos musicais, mesas de efeitos sonoros de baixo
custo, que visem o despertar criativo do talento artístico.
96
Apêndice A
Plataforma do Painel de Força
O painel de força consista na plataforma projetada para servir de base para as
montagens das experiências de projetos de circuitos integrados.
Em termos didáticos, tudo funciona para o aluno como se ele estivesse diante
um grande chip e dentro dele e vários locais de sua superfície vão sendo colocados
os módulos e blocos funcionais, simulando, visivelmente a organização interna
fazendo o floorplaning do CI.
Esta abordagem é a transposição didática criado pelo autor para o conceito de
floorplaning, visando materializar na mente do aluno os conceitos chaves de
planejamento do espaço do chip para abrigar as funcionalidades planejadas.
A Figura A.1 mostra o leiaute do painel de força desenhado pelo autor para
servir de plataforma a máquina de ensino-aprendizagem CMOS.
97
Figura A.1 – Leiaute do Painel de Força da máquina de ensino-aprendizagem CMOS.
98
Apêndice B
Módulos Standard-Cells
Nesse Apêndice B relacionamos apenas 3 desenhos dentre os 15 módulos
projetados para integrar a máquina de ensino-aprendizagem CMOS com Standard-
Cells.
A Figura B.1 mostra o desenho da estampa para acabamento e colagem na
parte traseira dos módulos. Impresso em etiqueta adesiva.
A Figura B.2 mostra o desenho do contorno dos módulos para ser impresso
sobre uma etiqueta adesiva e colado sobre os módulos. Os furos tracejados indicam
o posicionamento correta para vazar o buraco onde serão colocadas as molas
contendo os LEDs monitores de sinal.
A Figura B.3 mostra a máscara contendo o desenho das respectivas
geometrias para as células funcionarem como portas lógicas NAND2, INVERTER e
AND2.
A Figura B.4 mostra a máscara contendo o desenho esquemático dos
respectivos módulos contendo as portas lógicas NAND2, INVERTER e AND2.
As Figuras B.5 e B.6 mostram as máscaras contendo os desenhos dos
modelos de transistores para os módulos, bem como, o modelo VERILOG.
99
Figura B.1 – Folha de acabamento colado na parte traseira dos módulos Standard-Cells AND2,
INVERTER e NAND2.
100
Figura B.2 – Folha de acabamento colado na parte frontal dos módulos Standard-Cells AND2,
INVERTER e NAND2.
101
Figura B.3 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os
módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo Geométrico.
102
Figura B.4 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os
módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo Esquemático.
103
Figura B.5 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os
módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo de Transistores.
104
Figura B.6 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os
módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo VERILOG.
105
Apêndice C
Módulos Sea-of-Gates
No projeto do protótipo do módulo Sea-of-Gates [VAN NOIJE, 1985] [VAN
NOIJE; DECLERCK, 1985] utilizou-se o integrado CD4007 [URL 39, 2006] [URL 44,
2008] [URL 45, 2008]. O datasheet da Texas apresenta as diferentes configurações
que o CD4007 pode assumir apenas quando se intercambia as conexões entre os
seus terminais.
A Figura C.1 mostra o desenho do painel frontal do módulo Sea-of-Gates para
orientar práticas de projetos de CIs CMOS, utilizando-se os conceitos de Sea-of-
gates empregados na arquitetura dos chips reconfiguráveis, tais como os CPLDs e
as FPGAs. O painel da Máquina de Van Noije contém os seguintes elementos:
Um conjunto de três LEDs de entrada digital chaveada e dois LEDs para Y e Z
para analisar sinais de saída.
Dois conectores USB-A são utilizados para alimentação de 5 V com fonte de
alimentação chaveada do tipo MP3 ou MP4. As três chaves A, B e C possibilitam a
introdução de sinais digitais comandados manualmente.
As Figuras C.2, C.3 e C.4 ilustram as diferentes formas de ligação entre os
módulos Sea-of-Gates.
106
Figura C.1 – Leiaute da Máquina de Van Noije com Sea-of-Gates.
107
Figura C.2 – Modos de ligação de energia na máquina MOS Sea-of-Gates na entrada USB e
conversor de fonte chaveada para MP3 ou MP4.
Figura C.3 – Configuração em modo cascata entre 5 máquinas MOS Sea-of-Gates.
108
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