ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
DELET - EE - UFRGS
Circuitos Eletrônicos I
ENG 04077
INTRODUÇÃO
Prof. Dr. Hamilton Klimach
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Análise e Síntese de Sistemas
Eletrônicos
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Da Idéia ao Produto
• Análise vs Síntese (=Projeto)
• Análise: por derivar de um objeto concreto, resulta em
descrição única (características funcionais, elétricas,
mecânicas, etc)
• Síntese: uma mesma especificação técnica pode resultar em
diversas implementações diferentes
3
MUNDO DAS
IDÉIAS MUNDO REAL
SÍNTESE
ANÁLISE
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Da Idéia ao Produto
• Um novo Produto Eletrônico surge de uma idéia ou de uma
necessidade, relacionada a uma aplicação específica
4
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Da Idéia ao Produto: Componentes
• A implementação (construção) do produto é feita através da
associação de componentes eletrônicos, que podem ser
discretos ou integrados
5
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Da Idéia ao Produto: PCI
• A associação dos componentes é
feita através de placas de circuito
impresso (PCI), que servem para:
– Sustentar os componentes
– Interligar eletricamente seus
terminais
– Fornecer pontos de entrada e saída
para os circuitos (conexão externa)
6
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Da Idéia ao Produto: CIs
• Os principais responsáveis pelo desempenho e funcionalidades de um produto são os circuitos eletrônicos integrados (CI), que podem ser do tipo:
– Digitais
– Analógicos
– Mistos (Analog+Dig)
– Rádio frequência (RF)
– Outros (ópticos, sensores, micromecanismos, etc)
7
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Desenvolvimento de um CI
• A implementação e o
desempenho de um
circuito integrado
dependem da correta
associação entre:
– Dispositivos eletrônicos
– Circuitos (topologia)
– Processo de fabricação
8
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Dispositivo
• É o elemento funcional mínimo que estabelece uma determinada relação entre tensões e correntes (VxI)
• Tem dois ou mais terminais elétricos
• Pode ser ou não linear
• Pode depender ou não do tempo (ou frequência)
• Exemplos:
– Transistores
– Resistores
– Capacitores
– Indutores
– Diodos
9
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Dispositivo
10
ATIVOS
(amplificação)
PASSIVOS
(relação IxV)
Transistor de
Junção Bipolar
BJT
Transistor de
Efeito de Campo
FET
NPN
PNP
de Junção
JFET
de Porta Isolada
MOSFET
Canal N
Canal P
Lineares
Não-Lineares
Não-reativo: R
Reativos: L, C
Diodos
Termistores
Varistores
...
DISPOSITIVOS
ELETRÔNICOS
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Circuito
• É a forma como os dispositivos são eletricamente
interligados
• A associação do comportamento elétrico de cada
dispositivo com outros resulta em comportamentos
mais complexos (funções)
• Geralmente, um circuito muito complexo resulta da
associação de circuitos-padrão menos complexos
(blocos), que são por sua vez formados pela
associação de dispositivos (estrutura hierárquica)
11
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Processo
• É a estratégia industrial que é usada para se fabricar um
circuito integrado
• Os processos são geralmente classificados por:
– Tipo de transistor (MOS, Bipolar)
– Tipo de elementos passivos (capacitores, indutores, etc)
– Tamanho mínimo de dispositivos fabricáveis (escala de integração)
• Estas características determinam o tipo de CI que poderá ser
fabricado (digital, analógico, misto, RF, etc)
• Também determinam o custo de fabricação final
12
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Processo
• A aplicação, o mercado, o custo, e outras restrições definem também o
processo (tecnologia) que será utilizado na produção
13
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Projeto
• Com base nas necessidades da aplicação, especificações técnicas são criadas, definindo
as condições de operação de cada circuito (restrições, funções, comportamentos, etc)
• Engenheiros capacitados transformam as especificações técnicas em produtos
eletrônicos, definindo os circuitos necessários, os dispositivos que os implementarão e
o processo que será utilizado na sua fabricação
14
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Conceitos Básicos
Informação, Sinal, Domínios Tempo e
Frequência, Codificação Analógica e
Digital, Amplificadores e Modelos
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Informação e Sinal Elétrico
• Só existe informação quando há variação (no espaço ou no tempo)
• Só existe informação quando a variação é coerente (respeita alguma
regra)
• Variações aleatórias não contém informação
• Exemplo:
– uma folha de papel em branco não contém informação
– uma folha de papel cheia de rabiscos não contém informação
– uma folha com rabiscos ordenados na forma de letras que formam palavras
contém informação
16
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Informação e Sinal Elétrico
• Informação pode ser representada no domínio da eletricidade (tensão ou
corrente), e isso é chamado Sinal Elétrico
• O sinal elétrico que sai de um microfone, corresponde a variações
organizadas distribuídas no TEMPO.
• O sinal elétrico armazenado em uma memória, corresponde a variações
organizadas distribuídas no ESPAÇO.
17
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Informação e Sinal Elétrico
• Sinal Elétrico representando a fala da palavra ZERO.
18
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Informação e Sinal Elétrico
• Sinal Elétrico representando a fala da palavra ELE-TRÔNI-CA.
19
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Sistemas Eletrônicos
• Os sistemas eletrônicos processam sinais elétricos
• Representação de informação no domínio elétrico pode ser:
– Proporcional à magnitude de uma grandeza elétrica (tensão ou
corrente, ou ainda frequência ou fase): sistema analógico
– Através de codificação numérica, onde os códigos são representados
através de valores estanques e espaçados de tensão: sistema digital
Signal
Processing
Input
Signal
Output
Signal
alimentação
20
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Sistemas Eletrônicos
o Décadas ’80 e ’90: Processamento Digital de Sinais (DSP) mais eficiente;
substitui diversas funcionalidades da eletrônica analógica
Digital Signal
Processing
A/D
Converter
D/A
Converter
Analog
Input
Signal
Analog
Output
Signal
Analog Signal
Processing
Analog
Input
Signal
Analog
Output
Signal
21
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Eletrônica Analógica e Digital
• Representação da informação pode ser:
– Através da magnitude de uma grandeza elétrica (tensão ou corrente):
sistema analógico
– Através de codificação numérica, onde os códigos são representados
através de valores estanques e espaçados de tensão: sistema digital
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
o Observe as duas imagens aparentemente iguais.
Eletrônica Analógica e Digital
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
o Observando mais perto se nota que:
– uma é formada por tons contínuos de cinza
– outra por aglomerados de pontos brancos e pretos.
Eletrônica Analógica e Digital
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
As duas imagens contém aproximadamente a mesma informação.
o Domínio Analógico: SINAIS são formados por uma grandeza que varia
continuamente, desde os valores baixos até os altos.
o Domínio Digital: SINAIS são formados por uma grandeza que varia em
apenas duas magnitudes, somente apresentando os valores baixo e alto (‘0’ e
‘1’ binários).
o Um sinal digital representa uma aproximação de um sinal analógico, com
certo grau de perda de detalhe (perda de informação).
Eletrônica Analógica e Digital
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
o Sistema Analógico: o Processa sinais contínuos no tempo e em magnitude.
o Transistores operaram em ampla faixa de condições (tensões e correntes).
o Grande variedade de Blocos Básicos complexos.
o Complexidade do processamento resulta da associação da:
o Arquitetura do sistema
o Complexidade dos circuitos (que formam os blocos básicos)
o Comportamento não-linear do transistor
o É pouco configurável.
o Implementando certa função:
o Utiliza poucos transistores
o Consome menos energia
o É mais rápido
Eletrônica Analógica e Digital
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
o Sistema Digital: o Processa sinais discretos no tempo e em magnitude.
o Transistores operaram em apenas duas condições (chave on e off).
o Pouca variedade de Blocos Básicos simples.
o Complexidade do processamento resulta da Arquitetura do sistema.
o É muito configurável (função modificada por software).
o Implementando certa função:
o Utiliza muitos transistores
o Consome mais energia
o É mais lento
Eletrônica Analógica e Digital
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Sistemas Eletrônicos
HOJE: sistemas eletrônicos com A + D no mesmo chip MOS
o Interfaces de entrada e saída: Analógico-digitais (mixed-signal)
o Processamento de sinais: Digital
o Armazenamento de sinais: Digital
o Comunicação de curta distância: Digital (barramentos locais)
o Comunicação de longa distância: Analógica (wired, RF ou ópticas)
o Alimentação e Referências: Analógico
Programmable
360°
Inclinometer
Color CMOS
Analog NTSC
Image Sensor
28
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Fonte de sinal elétrico
29
Modelo de Thévenin Modelo de Norton
Sistema Linear
Invariante no
Tempo
+
Vo
-
+
Vo
-
+
Vo
-
Rs
Elementos reativos não representados por simplicidade.
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Características de um sinal
• Onda Senoidal de tensão com amplitude Va e freqüência f = 1/T Hz.
• A freqüência angular é ω = 2πf rad/s.
30
•Frequência/período
•Amplitude
•Fase
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Sinais Analógicos
31
Obs: 300 MHz => 1m @ vácuo
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Sinais Analógicos
32
Faixa de frequências de sinais aplicados aos
sistemas eletrônicos de processamento
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Domínios Tempo x Frequência
33
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Domínios Tempo x Frequência
• Sinal periódico no tempo tem espectro discreto
34
Sinal periódico contínuo no tempo e em amplitude
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Domínios Tempo x Frequência
• Sinal qualquer no tempo tem espectro contínuo
35
Sinal qualquer contínuo no tempo e em amplitude
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Tempo: contínuo X discreto
• A passagem do tempo contínuo para o discreto se dá através
de um processo de amostragem temporal.
• Um sinal discreto no tempo pode ser contínuo em amplitude.
Ex: Filtros a capacitores chaveados.
36
Tempo contínuo Tempo discreto Amostrador
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Efeito da taxa de amostragem
• Quanto maior o
número de amostras,
mais fiel é a
representação do sinal
original (aumento da
taxa de amostragem).
• Respeitando-se o
critério de Nyquist não
há perda de
informação:
𝑓𝑠 > 2𝑓𝑚𝑎𝑥
37
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplitude: contínuo X discreto
• Um sinal discreto no tempo e contínuo em amplitude é quantizado através de um circuito (ADC) que aproxima cada valor da amplitude por um valor digital correspondente.
• Há perda de informação, pois o quantizador produz uma aproximação do sinal original, com um erro intrínseco.
• O chamado sinal digital é ao mesmo tempo discreto no tempo e em amplitude. 38
Amplitude contínua Amplitude discreta ADC ou
Quantizador
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Sinais Contínuos e Discretos
• Contínuo no tempo e na amplitude (analógico)
• Discreto no tempo e contínuo na amplitude (a)
• Contínuo no tempo e discreto na amplitude (b)
• Discreto no tempo e na amplitude (digital)
39
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Conversão Analógico - Digital
40
Sinal Analógico Pode assumir qualquer valor
dentro da faixa dinâmica
(contínuo no tempo e em
amplitude)
Sinal Digital Pode assumir um número
finito de valores dentro da
faixa dinâmica
(discreto no tempo e em
amplitude)
Interface de sinais mistos
ADC / DAC
Sinal Analógico Sinal Digital
ADC
Analog-Digital
Converter
Digital-Analog
Converter
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Conversor Analógico para Digital
• Realiza duas operações:
– Discretização no tempo (etapa de amostragem)
– Discretização em amplitude (etapa de quantização)
41
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
O Amplificador
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Linear Ideal
• Amplificador de tensão excitado com um sinal vI(t) e conectado a uma
carga resistiva RL
• Característica de transferência de um amplificador linear de tensão com
ganho de tensão Av. 43
iVo vAv
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Linear Real
• Excursão de saída é limitada pela alimentação do amplificador.
• Sinal de saída é distorcido SE tentar ultrapassar a alimentação. 44
iVo vAv
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Real
• Amplificador REAL distorce o sinal quando o amplifica.
• Quando um sinal é DISTORCIDO, surgem harmônicos (frequências) que
não existiam no sinal original.
• Os harmônicos gerados SEMPRE são múltiplos inteiros do fundamental. 45
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Real
• Distorções ASSIMÉTRICAS
produzem harmônicos de ordem
PAR (múltiplos pares da
fundamental: 2, 4, 6, 8...)
• Distorções SIMÉTRICAS
produzem harmônicos de ordem
ÍMPAR (múltiplos ímpares da
fundamental: 3, 5, 7, 9...)
• Geralmente as distorções são
parcialmente simétricas e
parcialmente assimétricas,
produzindo então harmônicos de
todas as ordens.
46
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Real
• Imagine que um sinal senoidal x(t) = sin ωt é aplicado a uma função não-
linear qualquer f(x), que pode ser expandida em série de Taylor:
• Lembrando das relações trigonométricas:
• Vemos que como resultado teremos novas frequências sendo geradas, que
são múltiplos inteiros da frequência original ω e chamados de harmônicos.
47
ttt
tt
3sinsin34
1sin
2cos12
1sin
3
2
3
3
2
210)( xaxaxaaxf
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
• Imagine que um sinal senoidal x(t) = sin ωt é aplicado a uma função não-
linear qualquer f(x), que pode ser expandida em série de Taylor:
Amplificador Real
48
3
3
2
210)( xaxaxaaxf
ttt
tt
3sinsin34
1sin
2cos12
1sin
3
2
Off-set
Ganho
Distorção
Distorção
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Real
• Análise espectral permite a
identificação das componentes
resultantes da distorção.
• A distorção harmônica total
(THD) pode ser quantificada
por:
• THD = 0% seria o caso do
amplificador ideal, sem
distorção
49
%100lfundamenta
harmônicos% xTHD
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Real
• Há uma parcela na saída que independe da entrada • O ganho Av depende do sinal (amplitude e frequência), da
alimentação, da temperatura, da carga, etc • A dependência de Av. com a frequência do sinal possui
partes linear e não-linear
50
,...,,
,...,,,,
CCLoffsetoffset
CCLiVV
offsetiVo
VTRVV
VTfRvAA
VvAv
sinal vO RL vi
AMPL
VCC
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Elementos de Teoria de Circuitos
51
Elementos Fundamentais de Teoria de Circuitos Lineares: - passivos: R, L, C (não fornecem energia, apenas
consomem ou armazenam)
- ativos: fontes V e I (fornecem ou absorvem energia)
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Elementos de Teoria de Circuitos: fontes
controladas
52
Fonte de Tensão Controlada por
Tensão
Fonte de Corrente Controlada
por Tensão
Fonte de Corrente Controlada
por Corrente
Fonte de Tensão Controlada por
Corrente
São a única forma de se prover AMPLIFICAÇÃO.
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Linear: Modelos
53
Amplificador de Tensão Amplificador de Corrente
Amplificador de Transcondutância Amplificador de Transresistência
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador de Tensão Linear: Modelo
(a)Modelo de elétrico de um amplificador de tensão.
(b)Um amplificador de tensão com um sinal de entrada em tensão e uma carga
54
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Máxima Transferência de Sinal
55
• Máxima transferência de sinal em tensão:
SLL
SLSL
SL
LSL RRV
RRVV
RR
RVV
0min_
max_
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Máxima Transferência de Sinal
56
• Máxima transferência de sinal em corrente:
SLL
SL
S
SL
SL
SL
RRI
RRR
VI
RRVI
0
1
min_
max_
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Máxima Transferência de Sinal
57
• Máxima transferência de sinal em potência:
24 2
2
max_
min_min_
min_min_
2
2
S
S
SLSL
LLSL
LLSL
SL
LSLLL
P
R
VPRR
PVRR
PIRR
RR
RVIVP
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Linear: Transferência
58
Si
isi
OL
LiVo
RR
Rvv
RR
RvAv
• Máxima transferência de sinal (em tensão) se: – Rs << Ri – Ro << RL
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Linear: Transferência
59
• Máxima transferência de sinal em tensão se: – Rs << Ri – Ro << RL
• Máxima transferência de sinal em corrente se:
– Rs >> Ri – Ro >> RL
• Máxima transferência de sinal em potência se:
– Rs = Ri – Ro = RL
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Amplificador Linear: Transferência
60
• Máxima transferência de sinal em tensão: – Utilizada na maioria dos circuitos: representação de
sinal em tensão: dado digital, sinais analógicos
• Máxima transferência de sinal em corrente:
– Utilizada em poucos circuitos, onde a queda de tensão das linhas é crítica: comunicação 4-20mA
• Máxima transferência de sinal em potência:
– Utilizada em circuitos de baixíssima potência, pois oferece altas perdas (50%): receptores de RF
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Exemplo de abordagem literal
• Calcule, de forma literal, o valor das tensões ve e vc, em
função dos parâmetros do circuito e do sinal de entrada
vb.
• Calcule os ganhos de tensão Ae= ve/vb e Ac = vc/vb.
61
1
1
1
1
1
E
Lc
E
Ee
bLe
bEe
bEbb
Rr
RA
Rr
RA
iRv
iRv
iRirv
Top Related