Electrónica III. Ano lectivo 2006/2007. Emanuel G.B.C. Martins. (Parte 2) UNIVERSIDADE DE COIMBRA FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

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1 Electrónica III Ano lectivo 2006/2007 Emanuel G.B.C. Martins (Parte 2) UNIVERSIDADE DE COIMBRA FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores Versão /12/19 1

2 Filtros de condensadores comutados 2

3 Filtros de condensadores comutados - Teoria de base de um condensador comutado 3

4 Filtros de condensadores comutados - Integrador inversor feito com condensador comutado 4

5 Filtros de condensadores comutados - Integrador feito com condensador comutado 5

6 Filtros de condensadores comutados - Amplificador inversor feito com condensador comutado 6

7 Filtros de condensadores comutados - Filtro passa-baixo de 1ª ordem, Filtro passa-baixo RC com ganho 7

8 Filtros de condensadores comutados - O problema das capacidades parasitas. Como é ultrapassado. 8

9 Filtros de condensadores comutados -O problema das capacidades parasitas. Como é ultrapassado (2). - Integrador não-inversor. 9

10 Filtros de condensadores comutados - Filtro activo normal com ampops, resistências e condensadores. - Mesmo filtro implementado com condensadores comutados. 10

11 Filtros de condensadores comutados - Filtros disponíveis comercialmente: MF 10 da MAXIM 11

12 Filtros de condensadores comutados - Condensadores comutados programáveis, o princípio básico. 12

13 Filtros de condensadores comutados - Filtro activos universais (biquadráticos) programáveis: o MAX

14 Filtros de condensadores comutados - Filtro activos universais (biquadráticos) programáveis: MAX 260 (2) 14

15 Filtros de condensadores comutados - Filtro activos universais (biquadráticos) programáveis: MAX 260 (3) 15

16 Osciladores e geradores de sinais (capítulo 12 do livro Microelectronic circuits, 4th edition) - Condição de oscilação - Controlo da amplitude - Osciladores lineares com ampop e RC: Oscilador em ponte Wien. Oscilador por desvio de fase. - Osciladores LC: Colpits, Hartley - Osciladores a cristal - Osciladores comandados por tensão (VCO) - PLL e osciladores com PLLs 16

17 Osciladores e geradores de sinais - Condição de oscilação Critério de Barkhausen: A(s) β(s) = 1 A fase do produto Aβ tem que ser 0 O ganho de Aβ tem que ser 1 Para o circuito oscilar apenas numa frequência, então o critério só se poderá verificar numa frequência. 17

18 Osciladores e geradores de sinais - Controlo da amplitude Sendo difícil manter as condições de oscilações é necessário garantir que haja uma forma automática de manter o circuito a oscilar. - Exemplo 1: Controlo de amplitude do oscilador em ponte de Wien usado no trabalho prático nº 5. - Exemplo 2 (fig. 12.3): ganho reduz-se com a amplitude. 18

19 Osciladores e geradores de sinais - Osciladores lineares com ampop e RC: oscilador em ponte Wien. Oscilador em ponte de Wien (trabalho prático nº 5): 19

20 Osciladores e geradores de sinais - Oscilador em ponte Wien com estabilização da amplitude. Oscilador em ponte de Wien (trabalho prático nº 5): 20

21 Osciladores e geradores de sinais - Osciladores lineares com ampop e RC: oscilador de desvio de fase Só oscila na frequência onde o desvio de fase é 0º (-180º do desvio de fase e -180º do ganho negativo do amplificador) 21

22 Osciladores e geradores de sinais - Osciladores LC: Colpits, Hartley - Não é praticável implementar osciladores com AmpOps acima dos 100kHz-1MHz, os ampops têm limitações de largura de banda e de slew-rate. - Para frequências acima de 100kHz costuma-se usar oscilador baseados em transístor (MOSFET, BJTs) 22

23 Osciladores e geradores de sinais - Osciladores LC: Colpits, Hartley, frequências de oscilação Frequência de oscilação do oscilador de Colpits: ω O = 1 C1C2 L C1 + C 2 Frequência de oscilação do oscilador de Hartley: ω O = 1 ( L + L )C

24 Osciladores e geradores de sinais - Análise breve do oscilador Colpits 24

25 Osciladores e geradores de sinais - Esquema completo de um oscilador Colpits feito com BJT 25

26 Osciladores e geradores de sinais - Cristal de Quartzo: esquema eléctrico equivalente - os cristais tipo paralelo (99%) têm uma frequência de oscilação paralela muito estável com a temperatura e com choque Mecânico, ao contrário dos tanques LC 26

27 Osciladores e geradores de sinais - Oscilador a cristal: oscilador Colpits com cristal paralelo. - Os oscilador tipo o desenhado abaixo são os utilizados para implementar a frequência de relógio dos microprocessadores (pelo menos é o mais usado até 50MHz) - Sem Rf não se estabelece um amplificador inversor e por isso o circuito não oscila. 27

28 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos (secções do livro Microelectronic circuits, 4th edition) 28

29 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Circuito biestável inversor. 29

30 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Circuito biestável não-inversor. 30

31 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Como fazer um gerador de onda rectangular com um circuito biestável inversor, o multivibrador astável. 31

32 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Multivibrador astável (2). 32

33 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Como gerar formas de onda triangulares com biestável não-inversor. 33

34 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Formatar as tensões de saída dos ampops 34

35 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Um multivibrador monoestável feito com ampop. - Possui um estado estável, - Tem um estado quase-estável, que pode ser disparado ( triggered ), - Mantém algum tempo no estado temporário e depois volta ao estado estável. Aplicações do circuitos monoestáveis: Temporizações simples. 35

36 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - O circuito integrado 555, - Multivibrador astável feito com circuito 555. Circuito 555: - Detectores de nível a 1/3Vcc e 2/3 Vcc, - Flip-flop que indica o estado do circuito, - Transístor de descarga para facilitar a implementação de um astável. Multivibrador astável feito com o C.I. 555: - Condensador C carrega desde 1/3Vcc até 2/3 Vcc pela resistências RA e RB. - Quando VC atinge 2/3 Vcc é dada uma ordem de reset ao Flip-Flop RS - O transístor Q1 descarrega C através de RB até que VC = 1/3Vcc. - O comparador 2 faz um set ao Flip-Flop RS. O transístor Q1 é desligado. - Volta a repetir-se a carga do condensador. 36

37 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Monoestável feito com circuito integrado 555. Monoestável feito com o C.I. 555: - Entrada (-) do comparador 2 é é mantida a +Vcc. Estado estável. Q1 está sempre ligado. VC=0. - Quando entrada (-) vai abaixo de 1/3Vcc, então o flip-flop passa a set, desliga Q1 e C começa a carregar. - Quando VC=2/3Vcc o flip-flop é desligado. Espera novo trigger. 37

38 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Oscilador controlado por tensão, VCO Voltage Controlled Oscillator - O C.I. 74HC4046, CMOS Phase Lock Loop VCO feito com multivibrador astável: - Um entrada em tensão controla uma fonte de corrente - Se a corrente é elevada, o condensador carrega/descarrega depressa - Se a corrente é pequena, o condensador carrega/descarrega devagar. - A frequência de VCO out é tanto maior quanto maior for VCO in 38

39 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - O C.I. 74HC4046, CMOS Phase Lock Loop 39

40 Geradores de ondas rectangulares e de pulsos - Oscilador programável feito com PLL e VCO 40

41 Reguladores de tensão lineares - Esquema genérico 41

42 Reguladores de tensão lineares - Esquema genérico com protecção de curto-circuito na saída 42

43 Reguladores de tensão lineares - Esquema interno do 78xx (Motorola) 43

44 Reguladores de tensão lineares - Esquema interno do 78xx (National) 44

45 Reguladores de tensão lineares - Esquema tipo de um regulador linear de tensão com Darlington NPN 45

46 Reguladores de tensão lineares - Esquema tipo de um regulador linear de tensão low-dropout 46

47 Reguladores de tensão lineares - Comparação entre os reguladores standard e low-dropout 47

48 Reguladores de tensão lineares - Aplicações menos usuais com reguladores de tensão. (Datasheet do regulador 78xx da ST) - Regulador de corrente constante - Circuito para aumentar a tensão de saída - Regulador de tensão de elevada corrente - Protecção de curto-circuito - Regulador com entrada de alta-tensão. 48

49 Reguladores de tensão comutados - Topologias básicas DC-DC com indutores (consulta na net) (cópia local) (consulta na net) (cópia local) - Buck converter step-down - Boost converter step-up - Buck-boost converter - Flyback converter 49

50 Reguladores de tensão comutados - Buck converter, step-down 50

51 Reguladores de tensão comutados - Buck converter, step-down (2) 51

52 Reguladores de tensão comutados - Boost converter, step-up 52

53 Reguladores de tensão comutados - Boost converter, step-up (2) 53

54 Reguladores de tensão comutados - Buck-Boost converter, Flyback converter 54

55 Reguladores de tensão comutados - Buck-Boost converter, Flyback converter (2) 55

56 Reguladores de tensão comutados - Flyback com transformador 56

57 Reguladores de tensão comutados - Flyback converter isolado (2) 57

58 Reguladores de tensão comutados - Como se faz o controlo do comutador em função da tensão à saída? - O erro entre uma fracção da tensão de saída da fonte e uma tensão de referência é ligeiramente amplificado (10 a 20 vezes) e a tensão resultante é entregue a um comparador. - A tensão de erro é comparada com uma tensão variável em rampa -Se a tensão de saída estiver fraca então o transístor de comutação vai estar mais tempo ligado (tipicamente com duty cycles até 75%) - Se a tensão de saída estiver forte, então o duty cycle é muito pequeno (10% ou menos) ou mesmo nulo. 58

59 Reguladores de tensão comutados - Limitação da corrente máxima no controlo PWM. - Outra forma de controlar o PWM é por análise da corrente que está a atravessar o o transístor (só para topologias step-up e flyback ). - Se a tensão de saída é baixa, então é permitido que a corrente na bobina atinja valores mais elevados. - Se a tensão de saída é alta então o comutador desliga para correntes de pico mais baixas. 59

60 Reguladores de tensão comutados - Controlo da tensão por erro de tensão e limitação da corrente. - Nos reguladores actuais das SMPS é normal fazer o controlo do duty-cycle baseado no erro da tensão de saída comparado com um sinal em rampa, mas, limitado por forma a não se ultrapassar uma corrente limite que implicaria a destruição do transístor MOSFET. (Exemplo: reguladores TOP Switch da power integrations 60

61 Reguladores de tensão comutados -Controlo da tensão de saída por número de pulsos ligados. (Reguladores TNY da power integrations - Uma outra forma de controlar a tensão de saída é enviar pulsos de corrente máxima controlada. Sempre que a tensão se saída estiver boa, então não é enviado nenhum pulso. - Em vez de se controlar a duração do pulso pelo erro de tensão ou pela corrente máxima, controla-se se é para enviar um pulso completo (tensão de saída é fraca) ou não (tensão de saída está aceitável). 61