Prof. Dr. Hamilton Klimach

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1 DELET - EE - UFRGS Circuitos Eletrônicos I ENG Prof. Dr. Hamilton Klimach A disciplina

2 Informações Gerais ENG04077 Circuitos Eletrônicos I Créditos semanais: 6 (4T+2L) Caráter: obrigatório Professores: Hamilton Klimach (hamilton.klimach@ufrgs.br, sala 302) Raphael Brum (brum@ufrgs.br) Página da disciplina: 3 Informações Gerais Objetivos Conhecer os dispositivos eletrônicos básicos, suas características e aplicações. Estudar topologias de circuitos eletrônicos lineares e nãolineares. Treinar a análise e a síntese de circuitos eletrônicos. Desenvolver habilidades experimentais voltadas à eletrônica. Aprender os princípios básicos do fluxo de projeto de circuitos analógicos. 4

3 Informações Gerais Pré-requisitos Conhecimentos de teoria de circuitos elétricos (linearidade, superposição, equivalentes Thèvenin e Norton, equacionamento de nós e malhas, fontes controladas, quadripolos). Conhecimentos básicos de: matemática (álgebra, sistemas de equações lineares, polinômios de segundo grau, e cálculo) eletromagnetismo física do estado sólido 5 Informações Gerais Metodologia de Ensino e Aprendizagem aulas expositivas: Slides com apresentações Detalhes no quadro Exemplos e exercícios discutidos em aula aulas de laboratório: Desenvolver habilidades experimentais: montar, medir e caracterizar o comportamento elétrico dos circuitos Um circuito só funciona se foi testado experimentalmente Equipamentos (ler manuais do osciloscópio e do gerador de sinais) Trazer seu multímetro e material de consumo (lista no site por grupo) 6

4 Informações Gerais Metodologia de Ensino e Aprendizagem atividades extra-classe: Estudo do conteúdo Realização de exercícios de listas, livros e provas antigas Desenvolvimento de projetos de circuitos para laboratório avaliações de aproveitamento: Verificação da evolução do aluno nos temas da disciplina Identificação das deficiências de aprendizado do aluno Demonstração e confirmação do grau de apropriação de conhecimentos da disciplina, de forma a justificar sua aprovação. 7 Informações Gerais Metodologia de Ensino e Aprendizagem É FUNDAMENTAL QUE O ALUNO EXERCITE FORA DE AULA O CONTEÚDO VISTO AO LONGO DO SEMESTRE! Tudo parece simples quando o professor faz em aula: a complexidade da análise ou do projeto somente é percebida quando o aluno tenta fazer sozinho. Engenharia exige autonomia: aprendam a estudar por si, buscar informação complementar, planejar atividades, etc. É igualmente importante que o aluno complemente seu aprendizado através de outras fontes de informação (livros, manuais, periódicos, internet, etc). 8

5 Informações Gerais Regras para o bom andamento da disciplina Falsidade, desonestidade e falta de ética não serão toleradas! Respeito é fundamental: não faça ao outro aquilo que não gostaria que fosse feito consigo. Hierarquia ajuda a ordenar: respeite a hierarquia da universidade. O mundo não é justo: mas sua atitude pode ajudar a melhorá-lo. Você faz parte de uma pequena fração dos brasileiros que podem mudar este país: não desperdice esta oportunidade! 9 Conteúdo Descrição do curso parte 1: 1. Apresentação da disciplina. Breve histórico da eletrônica e a Indústria de Semicondutores. 2. Introdução: análise x síntese, sinais analógicos e digitais, amplificadores e modelos, distorção. 3. Diodo: diodo ideal e comportamento não-linear; a junção p- n; diodos de sinal, retificador e zener; características elétricas, curvas, modelos e aplicações. 4. Transistor de junção bipolar (TJB): estrutura física e comportamento do TJB n-p-n e p-n-p; características elétricas, curvas e modelos; polarização; análises cc e ca; excursão de sinal; configurações amplificadoras; classes de amplificadores. 10

6 Conteúdo Descrição do curso parte 2: 5. Transistor de efeito de campo (FET): estrutura física e comportamento do MOSFET canal N e P; características elétricas, curvas e modelos; polarização; análises cc e ca; configurações amplificadoras. 6. Amplificadores multi-transistores: amplificadores de mais de um estágio; darlington, par diferencial, espelho de corrente, par complementar, cascode. Amplificador operacional. 7. Realimentação: princípios básicos e seu efeito nos amplificadores. 11 Cronograma No Plano de Ensino que está no site da disciplina. Semana e Dias de Aula Tópico Teoria Tópico Laboratório ago (*) set Sinais Diodo Diodo out 3 Zener (*) Salão IC Polariz. TJB (*) nov Projeto P Excursão Config. Ampl dez 6 Mosfet Projeto 2a Projeto 2b Recesso jan 7 Avaliação 20 9 (*) 11 P Rec Ajustes - Duração do Semestre Letivo: Início: 28 de agosto de 2017 Final: 27 de janeiro de 2018 Dias não-letivos do semestre (*): 07/09 Independência do Brasil (quinta-feira) 20/09 Revolução Farroupilha (quarta-feira) 12/10 Nossa Senhora Aparecida (quinta-feira) 16 a 20/10 Salão UFRGS/ Semana Acadêmica 02/11 Finados (quinta-feira) 15/11 República (quarta-feira) 23/12 a 01/01/2018 Dias não letivos - Recesso 06/01 a 10/01/ 2018 Dias não letivos - Vestibular Datas das Provas: Prova 1: 16 de novembro (qui) Prova 2: 11 de janeiro (qui) Recuperação: 18 de janeiro (qui) 12

7 Bibliografia Sedra, Smith. Microeletrônica. 5ª edição, Prentice-Hall, ISBN: (livro texto da disciplina). Behzad Razavi. Fundamentos de Microeletrônica. Editora LTC, ISBN: Schiling, Belove. Circuitos Eletrônicos Discretos e Integrados. Guanabara Dois. Millmann, Halkias. Eletrônica. McGraw-Hill. Manuais de fabricantes e Application Notes (Philips, Fairchild, National, Texas, etc). Publicações periódicas relacionadas (IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers Avaliação Duas provas teóricas (P1 e P2) + atividades de laboratório (L) Nota média (NM) atribuída da seguinte forma: NM= (3.P1 + 4.P2 + 3.L)/10 Recuperação: prova final (Rec) envolvendo toda a matéria MF= (4.NM + 6.Rec)/10 Algumas atividades extra-classe podem ser solicitadas ou sugeridas como complementação de nota. 14

8 Ferramentas de CAD Simulação elétrica Spice Opus (shareware) LTSpice (Linear Technology shareware) MicroCap Orcad Um simulador é uma excelente ferramenta, desde que o usuário domine os circuitos que está simulando. Nenhum simulador substitui o conhecimento e a compreensão teórica dos fenômenos envolvidos nos circuitos elétricos e eletrônicos. 15 Evolução da Eletrônica: um breve histórico...

9 A ELETRÔNICA permeia todas as áreas de atuação humana! 17 Um pouco de História 1880 IBM é fundada como Tabulating Machine Corporation 1898 Joseph Thomson descobre o elétron 1899 a telefonia sem fio é inventada 1900 Max Planck descreve o princípio quântico 1901 Marconi faz transmissão de rádio através do Atlântico 1905 Einstein publica a teoria da relatividade especial 1906 Lee De Forest inventa a válvula termo-iônica Primeira transmissão de música e voz (USA) TMC Thomson Planck 18

10 Um pouco de História 1909 AT&T anuncia plano de telefonia costa a costa 1912 De Forest inventa o amplificador telefônico O Titanic afunda 1915 Sistema telefônico costa a costa operacional (USA) 1923 De Forest mostra o primeiro áudio em filmes (válvula foto-sensível) Julius Edgar Lilienfeld propôs o princípio do Mosfet 19 Um pouco de História 1925~1928 Wolfgang Pauli (princípio da exclusão); Werner Heisenberg, Max Born & Pascual Jordan (mecânica quântica); Erwin Schrödinger (mecânica ondulatória); Heisenberg (princípio da incerteza); Paul Dirac (teoria de campo quântico); Bohr (estrutura dos átomos) 1928 Receptores de rádio com cristal de galena (Sulfeto de Chumbo) 1939 The Nature of the Chemical Bond, and the Structure of Molecules and Crystals - Linus Pauling 20

11 Um pouco de História 1939 As válvulas termoiônicas são o estado da arte em equipamentos de rádio Televisão é apresentada em feira em NY Começa a Segunda Guerra Mundial 1940 Russell Ohl descobre a junção P-N (Diodo) Detectores de microondas para radar empregando Ge e Se 1941 Começam as transmissões regulares de TV 21 Um pouco de História 1934 Computador Z1: unidade aritmética mecânica alemã (Konrad Zuse); digital (0 e 1); programação: cartão perfurado; somador/subtrator de 22 bits (ponto-flutuante) e unidade lógica de controle. 22

12 Um pouco de História 1943 Computador Colossus: computador eletromecânico inglês; equipe liderada por Alan Turing para criptoanálise de códigos ultra-secretos utilizados pelos nazistas, criados com a máquina Lorenz SZ 40/42. Usava símbolos perfurados em fitas de papel; processava a uma velocidade de 25 mil caracteres por segundo. 23 Um pouco de História 1945 Suspeitas que um tipo novo de amplificador deverá substituir as válvulas (Mervin Kelly Bell Labs AT&T) Willian Shockley e StanleyMorgan montam um time de pesquisa em estado sólido (Bell Labs): John Bardeen, Walter Brattain, Bob Gibney, Bert Moore e Gerald Pearsons (investimento militar de US$1M) A bomba atômica é lançada, a Segunda Guerra Mundial acaba e é o início da Guerra Fria Bardeen Brattain Shockley 24

13 Um pouco de História 1946 John Bardeen publica trabalho sobre contatos Metal- Semicondutor computador ENIAC (1800 válvulas e 6000 chaves): 1º eletrônico! 25 Um pouco de História 16 Dez, 1947 Descoberta do efeito transistor em um dispositivo de contato metálico (ganho de potência de 18 vezes - foto) 1948 John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley propõem o transistor de contato metálico 1950 Shockley, Sparks e Teal propõem o transistor de junção bipolar (TJB - Ge) 26

14 Um pouco de História 1952 Shockley desenvolve o transistor de efeito de campo de junção (JFET) 1952 IBM lança o modelo UNIVAC, com válvulas termoiônicas 1953 Primeiro produto a utilizar transistores Aparelho para surdez Sonotone 1954 Primeiros rádios transistorizados Regency e Sony Texas Instruments faz transistores de silício 27 Um pouco de História 1955 Shockley Semiconductor Laboratory é fundado 1956 Bardeen, Brattain e Shockley: Nobel de física pelo transistor 1957 Fairchild Semic. é fundada pelos oito traidores (Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce and Sheldon Roberts) 28

15 Um pouco de História 1958 Jack Kilby (Texas) cria o conceito de circuito integrado (foto esq) 1959 Robert Noyce (Fairchild) cria o processo de fabricação do circuito integrado planar (foto dir) 1959 Labate, Kahng, and Atalla (Bell Labs) fabricam o primeiro MOSFET 1959 IBM lança o modelo 7090, primeiro computador transistorizado 1960 Fairchild lança os primeiros CIs comerciais com portas lógicas 1961 Bell Punch, Ingl, lança ANITA primeira calculadora eletrônica 1962 É lançada a família lógica TTL (Texas) 29 Um pouco de História IBM

16 Um pouco de História 1963 Fairchild lança o amplificador operacional monolítico μa IBM lança modelo 360, primeiro grande sucesso 1965 Gordon Moore introduz a Lei de Moore (a cada 18 meses dobrará a densidade de integração) 31 Um pouco de História 1965 Robert Bower propôs o MOSFET de porta auto-alinhada 1967 Primeiras calculadoras transistorizadas (Inglaterra e Japão) 1968 Fairchild lança o Amp. Op. com compensação interna μa741 Sharp - Jap Friden - Ing 32

17 Um pouco de História 1968 Moore e Noyce deixam Fairchild para fundar a Intel 1970 DARPA desenvolve a primeira rede de computadores 1970 Intel lança a primeira DRAM (1103 de 1kbit) 1971 Ted Hoff (Intel) desenvolve o primeiro microprocessador ( bits transistores - encomendado para uma calculadora portátil pela Nippon Calculating Machine Corporation - Busicom) 1972 John Bardeen recebe o 2 Nobel (supercondutores) 33 Um pouco de História 34

18 Um pouco de História 1974 Intel lança primeiro microprocessador de 8 bits ( Pentium I P II P III P IV...) 1975 Apple I Steve Jobs e Steve Wozniak (6502 de 8 bits) 1975 Bill Gates e Paul Allen fundam a Microsoft 1977 Apple II gráficos e disquete 1981 IBM PC (8088 de 16 bits) 1989 WWW começa nos EUA (Xerox) 1995 Netscape lança o primeiro browser comercial 35 Um pouco de História Jobs e Wozniak

19 Um pouco de História Bill Gates Paul Allen 37 Um pouco de História 1997 Intel Pentium 1 (7,5 Milhões de transistores) 2002 Intel Pentium 4 (50 Milhões de transistores - foto) 2005 Xenon (IBM; Xbox 360): 3 cores 165 milhões de transistores 3.2GHz 2005 Cell Engine (Sony/IBM/Toshiba; PS3): 9 cores 234 milhões de trans. 4GHz 2004 Intel Itanium: 600 milhões trans. Xenon 2005 Intel Dual Core 2006 Intel Quad Core 2008 Intel Xeon 6 core: 1.8 bi trans Itanium 4 core: 2 bi trans Xeon 10 core 2.6 bi trans 2011 Tahiti GPU AMD 4.3 bi trans 2011 Xilinx FPGA 6.8 bi trans. P4 Cell engine 38

20 Um pouco de História Intel Xeon 7 CPU AMD Tahiti GPU Xilinx Virtex-7 FPGA 39 Um pouco de História Hoje: limite da tecnologia MOS 22 nm, 14 nm : 2011/15 intel trigate bulk finfet 14 nm : 2014 TSMC SOI finfet 10 nm : 2016 Samsung SOI finfet Futuro: novos dispositivos??? Nanotubos, grafeno, etc Gate Source Drain trigate trigate sram 40

21 A Indústria de Semicondutores Semicondutores: Densidade 42

22 Semicondutores: Alimentação 43 Semicondutores: Faturamento Mundial 44

23 Semicondutores: Faturamento Mundial 45 Semicondutores: Mercado Mundial 46

24 Semicondutores: Mercado Mundial 47 Semicondutores: Principais Participantes 48

25 Semicondutores: Principais Participantes 49 Semicondutores: Principais Participantes 50