Análise e Síntese de Sistemas Eletrônicos

Transcrição

1 DEET - EE - UFG Circuitos Eletrônicos I ENG INTODUÇÃO Prof. Dr. Hamilton Klimach Análise e íntese de istemas Eletrônicos

2 Da Idéia ao Produto Análise vs íntese (=Projeto) ANÁIE MUNDO DA IDÉIA ÍNTEE MUNDO EA Análise: por derivar de um objeto concreto, resulta em descrição única (características funcionais, elétricas, mecânicas, etc) íntese: uma mesma especificação técnica pode resultar em diversas implementações diferentes 3 Da Idéia ao Produto Um novo Produto Eletrônico surge de uma idéia ou de uma necessidade, relacionada a uma aplicação específica 4

3 Da Idéia ao Produto: Componentes A implementação (construção) do produto é feita através da associação de componentes eletrônicos, que podem ser discretos ou integrados 5 Da Idéia ao Produto: PCI A associação dos componentes é feita através de placas de circuito impresso (PCI), que servem para: ustentar os componentes Interligar eletricamente seus terminais Fornecer pontos de entrada e saída para os circuitos (conexão externa) 6

4 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) ádio frequência (F) Outros (ópticos, sensores, micromecanismos, etc) 7 Desenvolvimento de um CI A implementação e o desempenho de um circuito integrado dependem da correta associação entre: Dispositivos eletrônicos Circuitos (topologia) Processo de fabricação 8

5 É o elemento funcional mínimo que estabelece uma determinada relação entre tensões e correntes (xi) Tem dois ou mais terminais elétricos Pode ser ou não linear Pode depender ou não do tempo (ou frequência) Exemplos: Transistores esistores Capacitores Indutores Diodos Dispositivo 9 Dispositivo Transistor de NPN ATIO Junção Bipolar BJT PNP DIPOITIO EETÔNICO (amplificação) Transistor de Efeito de Campo FET de Junção JFET de Porta Isolada MOFET Canal N Canal P PAIO ineares Não-reativo: eativos:, C (relação Ix) Não-ineares Diodos Termistores aristores... 10

6 Circuito É a forma como os dispositivos são eletricamente interligados A associação do comportamento elétrico de cada dispositivo com outros resulta em comportamentos mais complexos (funções) Geralmente, um circuito muito complexo resulta da associação de circuitos-padrão menos complexos (blocos), que são por sua vez formados pela associação de dispositivos (estrutura hierárquica) 11 Processo É a estratégia industrial que é usada para se fabricar um circuito integrado Os processos são geralmente classificados por: Tipo de transistor (MO, 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, F, etc) Também determinam o custo de fabricação final 12

7 Processo A aplicação, o mercado, o custo, e outras restrições definem também o processo (tecnologia) que será utilizado na produção 13 Projeto Com base nas necessidades da aplicação, especificações técnicas são criadas, definindo as condições de operação de cada circuito (restrições, funções, comportamentos, etc) Engenheiros capacitados transformam as especificações técnicas em produtos eletrônicos, definindo os circuitos necessários, os dispositivos que os implementarão e o processo que será utilizado na sua fabricação 14

8 Conceitos Básicos Informação, inal, Domínios Tempo e Frequência, Codificação Analógica e Digital, Amplificadores e Modelos Informação e inal Elétrico ó existe informação quando há variação (no espaço ou no tempo) ó existe informação quando a variação é coerente (respeita alguma regra) ariações 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

9 Informação e inal Elétrico Informação pode ser representada no domínio da eletricidade (tensão ou corrente), e isso é chamado inal 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 EPAÇO. 17 Informação e inal Elétrico inal Elétrico representando a fala da palavra ZEO. 18

10 Informação e inal Elétrico inal Elétrico representando a fala da palavra EE-TÔNI-CA. 19 istemas Eletrônicos Os sistemas eletrônicos processam sinais elétricos epresentação 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 alimentação Input ignal ignal Processing Output ignal 20

11 istemas Eletrônicos o Décadas 80 e 90: Processamento Digital de inais (DP) mais eficiente; substitui diversas funcionalidades da eletrônica analógica Analog Input ignal Analog ignal Processing Analog Output ignal Analog Input ignal A/D Converter Digital ignal Processing D/A Converter Analog Output ignal 21 Eletrônica Analógica e Digital epresentação 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

12 Eletrônica Analógica e Digital o Observe as duas imagens aparentemente iguais. Eletrônica Analógica e Digital o Observando mais perto se nota que: uma é formada por tons contínuos de cinza outra por aglomerados de pontos brancos e pretos.

13 Eletrônica Analógica e Digital As duas imagens contém aproximadamente a mesma informação. o Domínio Analógico: INAI são formados por uma grandeza que varia continuamente, desde os valores baixos até os altos. o Domínio Digital: INAI 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 o istema Analógico: o Processa sinais contínuos no tempo e em magnitude. o o o o o Transistores operaram em ampla faixa de condições (tensões e correntes). Grande variedade de Blocos Básicos complexos. 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 É pouco configurável. Implementando certa função: o Utiliza poucos transistores o Consome menos energia o É mais rápido

14 o istema 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 istemas Eletrônicos HOJE: sistemas eletrônicos com A + D no mesmo chip MO 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, F ou ópticas) o Alimentação e eferências: Analógico Programmable 360 Inclinometer Color CMO Analog NTC Image ensor 28

15 Fonte de sinal elétrico istema inear Invariante no Tempo s + o - Modelo de Thévenin Modelo de Norton + o - + o - Elementos reativos não representados por simplicidade. 29 Características de um sinal Frequência/período Amplitude Fase Onda enoidal de tensão com amplitude a e freqüência f = 1/T Hz. A freqüência angular é ω = 2πf rad/s. 30

16 inais Analógicos Obs: 300 MHz => vácuo 31 inais Analógicos Faixa de frequências de sinais aplicados aos sistemas eletrônicos de processamento 32

17 Domínios Tempo x Frequência 33 Domínios Tempo x Frequência inal periódico contínuo no tempo e em amplitude inal periódico no tempo tem espectro discreto 34

18 Domínios Tempo x Frequência inal qualquer contínuo no tempo e em amplitude inal qualquer no tempo tem espectro contínuo 35 Tempo: contínuo X discreto Tempo contínuo Amostrador Tempo 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

19 Quanto maior o número de amostras, mais fiel é a representação do sinal original (aumento da taxa de amostragem). espeitando-se o critério de Nyquist não há perda de informação: f s > 2f max Efeito da taxa de amostragem 37 Amplitude: contínuo X discreto Amplitude contínua ADC ou Quantizador Amplitude discreta 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

20 inais Contínuos e Discretos Contínuo no tempo e na amplitude (analógico) Discreto no tempo e contínuo na amplitude (a) Contínuo no tempo e discreto na amplitude (b) Discreto no tempo e na amplitude (digital) 39 Conversão Analógico - Digital inal Analógico Pode assumir qualquer valor dentro da faixa dinâmica (contínuo no tempo e em amplitude) Analog-Digital Converter Digital-Analog Converter inal Digital Pode assumir um número finito de valores dentro da faixa dinâmica (discreto no tempo e em amplitude) Interface de sinais mistos ADC / DAC ADC inal Analógico inal Digital 40

21 Conversor Analógico para Digital ealiza duas operações: Discretização no tempo (etapa de amostragem) Discretização em amplitude (etapa de quantização) 41 O Amplificador

22 Amplificador inear Ideal v o A v i Amplificador de tensão excitado com um sinal v I (t) e conectado a uma carga resistiva Característica de transferência de um amplificador linear de tensão com ganho de tensão A v. 43 Amplificador inear eal v o A v i Excursão de saída é limitada pela alimentação do amplificador. inal de saída é distorcido E tentar ultrapassar a alimentação. 44

23 Amplificador eal Amplificador EA distorce o sinal quando o amplifica. Quando um sinal é DITOCIDO, surgem harmônicos (frequências) que não existiam no sinal original. Os harmônicos gerados EMPE são múltiplos inteiros do fundamental. 45 Amplificador eal Distorções AIMÉTICA produzem harmônicos de ordem PA (múltiplos pares da fundamental: 2, 4, 6, 8...) Distorções IMÉTICA produzem harmônicos de ordem ÍMPA (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

24 Amplificador eal Imagine que um sinal senoidal x(t) = sin ωt é aplicado a uma função nãolinear qualquer f(x), que pode ser expandida em série de Taylor: 2 f ( x) a a x a x a x embrando das relações trigonométricas: 2 1 sin t 1 cos 2t sin t 3sint sin 3t 4 emos que como resultado teremos novas frequências sendo geradas, que são múltiplos inteiros da frequência original ω e chamados de harmônicos. 47 Amplificador eal Imagine que um sinal senoidal x(t) = sin ωt é aplicado a uma função nãolinear qualquer f(x), que pode ser expandida em série de Taylor: 2 f ( x) a a x a x a x 2 1 sin t sin t cos 2t 1 Off-set Ganho Distorção Distorção 3sint sin 3t

25 Amplificador eal Análise espectral permite a identificação das componentes resultantes da distorção. A distorção harmônica total (THD) pode ser quantificada por: harmônicos THD% x100% fundamental THD = 0% seria o caso do amplificador ideal, sem distorção 49 Amplificador eal CC AMP sinal v i v O v o A A offset v A i v, i offset offset, f, T,, T, CC CC,...,... Há uma parcela na saída que independe da entrada O ganho A v depende do sinal (amplitude e frequência), da alimentação, da temperatura, da carga, etc A dependência de A v. com a frequência do sinal possui partes linear e não-linear 50

26 Elementos de Teoria de Circuitos Elementos Fundamentais de Teoria de Circuitos ineares: - passivos:,, C (não fornecem energia, apenas consomem ou armazenam) - ativos: fontes e I (fornecem ou absorvem energia) 51 Elementos de Teoria de Circuitos: fontes controladas Fonte de Tensão Controlada por Tensão Fonte de Corrente Controlada por Tensão Fonte de Tensão Controlada por Corrente Fonte de Corrente Controlada por Corrente ão a única forma de se prover AMPIFICAÇÃO. 52

27 Amplificador inear: Modelos Amplificador de Tensão Amplificador de Corrente Amplificador de Transcondutância Amplificador de Transresistência 53 Amplificador de Tensão inear: 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

28 Máxima Transferência de inal 55 Máxima transferência de sinal em tensão: 0 _ min _ max Máxima Transferência de inal 56 Máxima transferência de sinal em corrente: I I I 0 1 _ min _ max

29 Máxima Transferência de inal 57 Máxima transferência de sinal em potência: _ max _ min _ min _ min _ min 2 2 P P P P I I P Amplificador inear: Transferência 58 i i s i O i o v v v A v Máxima transferência de sinal (em tensão) se: s << i o <<

30 Amplificador inear: Transferência Máxima transferência de sinal em tensão se: s << i o << Máxima transferência de sinal em corrente se: s >> i o >> Máxima transferência de sinal em potência se: s = i o = 59 Amplificador inear: Transferência 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 F 60

31 Exemplo de abordagem literal Calcule, de forma literal, o valor das tensões v e e v c, em função dos parâmetros do circuito e do sinal de entrada v b. Calcule os ganhos de tensão A e = v e /v b e A c = v c /v b E c E E e b e b E e b E b b r A r A i v i v i i r v