Diapositivos das aulas de Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC

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1 Diapositios das aulas de Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC Nuno Garrido ISCTE-IUL, Abril 0 Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC

2 Programa. Circuitos analógicos básicos. Circuitos osciladores e malhas de captura de fase 3. Circuitos de conersão A/D e D/A 4. Filtros analógicos 5. Circuitos digitais Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC

3 Circuitos analógicos básicos Amplificador operacional (AMPP) e circuitos básicos Modelo ideal do AMPP: definições e características Montagens: inersor, não inersor, seguidor, diferenciador, integrador Circuito somador, subtractor, e amplificador de instrumentação Comparador de Schmitt-trigger Limitações dos AMPPs reais Implementação de AMPPs Estudo do par diferencial: tecnologias bipolar e MS AMPPs de um andar: cargas passias e actias AMPPs de dois ou mais andares Estabilidade de um amplificador operacional Multiplicador de Gilbert Circuitos analógicos básicos

4 Equações do AMPP ideal V dd i i 0 zona linear ou saturação A( ) zona linear V dd V ss Aproximações saturação Zona Saturação negatia V ss Zona Linear Zona Saturação positia (álida na zona linear) Definições A Ganho estático do AMPP V Alimentação positia do AMPP dd V Alimentação negatia do AMPP ss i - i + 3 Circuitos analógicos básicos AMPP ideal Definições e equações Zona linear e zonas de saturação

5 4 Circuitos analógicos básicos AMPP ideal Característica de transferência

6 5 Circuitos analógicos básicos AMPP real Característica de transferência Polarização e funcionamento dinâmico

7 i 6 Circuitos analógicos básicos Montagem de ganho inersor (a) Análise usando ganho estático A (b) Análise aproximada: ganho eleado

8 i i 7 Circuitos analógicos básicos Montagem seguidora Montagem não-inersora

9 8 Circuitos analógicos básicos Montagem integradora Montagem diferenciadora

10 Montagem somadora Montagem subtractora Circuitos analógicos básicos 9 f 4 3 4

11 Circuitos analógicos básicos Montagem subtractora Aplicação do teorema da sobreposição

12 A Circuitos analógicos básicos Amplificador de instrumentação Impedância de entrada eleada e boa rejeição de modo comum

13 Amplificador de instrumentação Cálculo da expressão de saída Circuitos analógicos básicos A A A A i A i i

14 V TH V TL L L 3 Circuitos analógicos básicos Comparador Schmitt-trigger (circuito bi-estáel) Na figura é isíel a zona de histerese

15 4 Circuitos analógicos básicos Comparador Schmitt-trigger Eita picos na saída por comutações indeidas deido a ruído na entrada

16 5 Circuitos analógicos básicos Limitações do AMPP real Limitação de ganho e de largura de banda

17 declie = S (Slew-rate) declie = S (Slew-rate) 6 Circuitos analógicos básicos Limitações do AMPP real Limitação da deriada de o (Slew-rate)

18 sinusóide de entrada declie = S (Slew-rate) 7 Circuitos analógicos básicos Limitações do AMPP real Efeito da S quando a entrada é uma sinusóide de alta frequência

19 Implementação de um par diferencial em tecnologia bipolar Característica de transferência Circuitos analógicos básicos 8 T V i F I i T V i F I i T i C F I tanh

20 Implementação de um par diferencial em tecnologia NMS Característica de transferência Circuitos analógicos básicos 9 4 i i D k I k I i 4 i i D k I k I i i D i k I k

21 0 Circuitos analógicos básicos Cargas actias em tecnologia bipolar e CMS

22 Circuitos analógicos básicos Par diferencial PMS com carga actia

23 Malha de compensação de Miller Circuitos analógicos básicos AMPP de dois andares em tecnologia CMS

24 Margem de ganho [db] 0 A f 80º 80º Margem de fase[ º] 0 f A db 3 Circuitos analógicos básicos esposta em frequência do AMPP Estabilidade, margem de fase e de margem de ganho

25 4 Circuitos analógicos básicos Efeito da compensação de Miller na resposta em frequência do AMPP

26 5 Circuitos analógicos básicos Analise de estabilidade usando o diagrama de Bode do AMPP

27 6 Circuitos analógicos básicos Circuito de polarização DC de um AMPP CMS

28 7 Circuitos analógicos básicos AMPP de três andares (74)

29 Multiplicador de Gilbert de dois quadrantes ( não pode tomar alores negatios) Circuitos analógicos básicos 8 T p C F tanh I p i p T i C F x x tanh x

30 Multiplicador de Gilbert de quatro quadrantes Usado em sistemas de modulação Circuitos analógicos básicos 9 T T C F tanh tanh I x x tanh x T T C F I

31 sciladores e malhas de captura de fase sciladores scilador em anel scilador de Pierce (cristal) scilador de onda triangular scilador de relaxação (aestáel) scilador aestáel digital Malhas de captura de fase (PLLs) Definições e funcionamento Multiplicador e sintetizador de frequência 3 sciladores e PLLs

32 f osc t p f osc N t p 3 sciladores e PLLs scilador em anel (N impar e superior ou igual a três) período do sinal é T= N t p

33 fosc f cristal 33 sciladores e PLLs scilador de Pierce Modelo equialente da impedância do cristal

34 f osc T T L L L V V C L TH TL f osc C L declie C V TL V T TH L declie C V TH V T TL 34 sciladores e PLLs scilador de onda triangular Montagem integradora e um comparador Schmitt-trigger

35 f osc C 35 sciladores e PLLs scilador de relaxação (aestáel) Comparador Schmitt-trigger e filtro passa-baixo de ª ordem

36 f osc C 36 sciladores e PLLs scilador aestáel digital Eolução temporal das tensões

37 37 sciladores e PLLs Malha de captura de fase Phase Locked Loop (PLL)

38 f i f M f i i f f M f i 38 sciladores e PLLs Multiplicador de frequência ealizado usando uma malha de captura de fase e um contador mód. M

39 Sintetizador de frequência Equações sciladores e PLLs 39 M f f N f X i N f M f i M f f N f f X i X N f M f i f i f f X X f f f i i i

40 Conersores A/D e D/A Sistema de processamento de sinal Amostragem: circuito de sample&hold Conersores D/A Conersor D/A com base num agregado binário de resistências Conersor D/A com base numa malha - Conersor D/A paralelo (flash) Conersores A/D Conersor A/D paralelo (flash) Conersor A/D por aproximações sucessias Conersor A/D de dupla-rampa Conersor multi-passo (pipeline) 40 sciladores e PLLs

41 4 Conersores D/A e A/D Sistema de processamento de sinal Sinal de entrada i Sinal amostrado s

42 4 Conersores D/A e A/D Circuito de Sample-and-hold (S/H) Amostragem de um sinal a f s =/T

43 43 Conersores D/A e A/D Conersor D/A (N-bits) usando um agregado binário de resistências

44 44 Conersores D/A e A/D Conersor D/A (N-bits) com base numa malha resistia -

45 45 Conersores D/A e A/D Conersor D/A (N-bits) flash (ou paralelo)

46 46 Conersores D/A e A/D Conersor D/A flash Descodificador 3-8 bits

47 47 Conersores D/A e A/D Conersor A/D (N-bits) flash (ou paralelo)

48 48 Conersores D/A e A/D Conersor A/D flash Codificador 8-3 bits (código termómetro para binário)

49 49 Conersores D/A e A/D Conersor A/D (N-bits) por aproximações sucessias (SA)

50 V peak T A C V peak N T V T peak Vef C N T T V A N ef T V ef A N 50 Conersores D/A e A/D Conersor A/D (N-bits) de dupla rampa (a tensão de entrada A é negatia)

51 5 Conersores D/A e A/D Conersor A/D multi-passo (pipeline) Este conersor usa uma arquitectura de bits por andar

52 Conersor A/D de 5 bits ( bit/andar) Conersor A/D de 6 bits ( bit/andar) 5 Conersores D/A e A/D Conersor A/D multi-passo (pipeline) Arquitecturas de bit e de bits por andar

53 Filtros Classificação de filtros Passa-baixo; passa-alto; passa-banda; rejeita-banda Estudo e dimensionamento de filtros Análise no domínio da frequência Diagrama de Argand Diagrama de Bode Análise no domínio do tempo Filtros de ª e ª ordem Filtros passios Filtros Actios (AMPP-C) Filtros de Butterworth 53 Filtros

54 54 Filtros Filtro genérico Função de transferência no domínio da Transformada de Laplace

55 55 Filtros Filtro passa-baixo Bandas de passagem, banda de corte e banda de transição. ndulação

56 56 Filtros Filtro passa-alto Especificação de filtros

57 57 Filtros Filtro passa-banda Especificação de filtros

58 58 Filtros Filtro rejeita-banda Especificação de filtros

59 59 Filtros Filtro passa-baixo Diagrama de amplitude e diagrama de fase (um pólo em s=w o )

60 60 Filtros Filtro passa-alto (um zero em s=0 e um pólo em s=w o )

61 6 Filtros Filtros passios Passa-baixo de ª ordem Análise do domínio da frequência

62 6 Filtros Filtros passios Passa-alto de ª ordem Análise do domínio da frequência

63 63 Filtros Filtros passios Filtro genérico de ª ordem (um pólo e um zero)

64 Filtros passios Passa-baixo e passa-alto de ª ordem Análise do domínio do tempo Filtros 64 ) ( ) ( ) ( t t t C t i ) ( t t ) ( t t ) ( ) ( ) ( SC SC SC S S S H i ) ( ) ( ) ( SC SC SC S S S H i ) ( ) ( ) ( t t t C t i C C ) ( ) ( ) ( t t t C i ) ( ) ( t t C

65 65 Filtros Filtros actios AMPP-C Passa-baixo e passa-alto de ª ordem Análise do domínio da frequência

66 66 Filtros Filtros passios Passa-baixo de ª ordem Análise do domínio da frequência

67 67 Filtros Filtros passios Passa-alto de ª ordem Análise do domínio da frequência

68 68 Filtros Filtros passios Passa-banda de ª ordem Análise do domínio da frequência

69 Filtros actios AMPP-C Filtro Sallen-Key (passa-baixo e passa-alto) Filtros 69 V hp saída passa-alto V lp saída passa-baixo C C C S S C C ) S T lp ( Q S S ) S ( T lp w w w C C C C S C C S S ) S T hp ( C C w C C Q C C w C C C C Q

70 Filtros actios AMPP-C Filtro Tow-Thomas (passa-baixo e passa-banda) Filtros 70 V lp saída passa-baixo V bp saída passa-banda Q S S K ) S ( T lp w w w C w C C Q S S C K ) S T lp ( Q Q

71 Filtros actios AMPP-C Filtro Kerwin-Huelsman-Newcomb (genérico) Filtros 7 V lp saída passa-baixo V bp saída passa-banda V hp saída passa-alto Q S S K ) S ( T lp w w w C C Q S S C K ) S T lp ( C w Q 3 f Q K

72 7 Filtros Filtros passios ou actios Filtros mais comuns: Butterworth, Chebyshe e elíptico

73 Filtros passios ou actios Filtro de Butterworth de ª ordem Análise do domínio da frequência Filtros 73 ) ( Q S S S T w w w Q Q Q j j S T ) ( w w w w w w 3dB ) ( log 0 j T w

74 0 Amax /0 74 Filtros Filtros passios ou actios Filtro de Butterworth de ordem N Pólos diidem o semi-plano em N fatias

75 s filtro de Butterworth minimizam o tempo de estabilização 75 Filtros Filtros passios ou actios Filtro de Butterworth de ª ordem Análise do domínio do tempo

76 Circuito digitais Tecnologias de fabrico de circuitos digitais Características eléctricas Definição dos níeis lógicos Tempos de comutação e de propagação Implementação e análise de circuitos lógicos Portas lógicas TL Portas lógicas DTL Portas lógicas TTL e STTL Portas lógicas NMS e CMS Latchs e Flip-flops Memórias estáticas e dinâmicas (AM e M) 76 Circuitos digitais

77 77 Circuitos digitais Tecnologias de fabrico de circuitos integrados digitais

78 78 Circuitos digitais Característica de transferência o ( i ) de um inersor genérico

79 79 Circuitos digitais Tempos de propagação e de transição de níel lógico de um inersor genérico

80 80 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia TL Característica de transferência Zonas de funcionamento do transístor

81 8 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia TL Tempos de comutação

82 8 Circuitos digitais NAND em tecnologia TL Implementação de uma porta lógica uniersal

83 83 Circuitos digitais NAND em tecnologia DTL

84 84 Circuitos digitais NT em tecnologia TTL Implementação e característica

85 85 Circuitos digitais NT em tecnologia TTL Funcionamento e equações (saída a Low)

86 86 Circuitos digitais NT em tecnologia TTL Funcionamento e equações (saída a High)

87 87 Circuitos digitais NAND em tecnologia TTL Implementação de uma porta lógica uniersal

88 88 Circuitos digitais NAND em tecnologia STTL Implementação de uma porta lógica uniersal (com diodos de Schottky)

89 89 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia NMS Característica de transferência zonas de funcionamento

90 90 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia NMS (usa um transístor NMS de depleção) Característica de transferência

91 9 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia CMS Característica de transferência: zonas de funcionamento dos transístores

92 9 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia CMS Modelos equialentes

93 93 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia CMS Modelos equialentes (saída a Low e saída a High)

94 94 Circuitos digitais Inersor lógico em tecnologia CMS Tempos de comutação

95 95 Circuitos digitais N e NAND em tecnologia CMS Implementação de portas lógicas uniersais

96 96 Circuitos digitais N e NAND em tecnologia CMS Implementação de portas lógicas com fan-in eleado

97 97 Circuitos digitais Interruptor em tecnologia CMS Implementação e funcionamento

98 98 Circuitos digitais Latch S em tecnologia CMS Característica de transferência o ( i )

99 99 Circuitos digitais Latch S em tecnologia CMS Implementação

100 00 Circuitos digitais Célula de memória estática SAM (Static andom Access Memory) Implementada por um flip-flop S

101 0 Circuitos digitais Célula de memória dinâmica DAM (Dynamic andom Access Memory)

102 0 Circuitos digitais Implementação de memória AM de M+N bits Matriz de M linhas por N colunas

103 03 Circuitos digitais Implementação de memória M (ead nly Memory) Matriz de 8 palaras x 4 bits