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Electrónica 1
ELECTRÓNICA I
Jorge Fernandes
Instituto Superior TécnicoLic. em Eng. Electrotécnica e de Computadores
e Lic. em Engenharia Aerospacial
Disciplina obrigatória do tronco comum2º ano, 2º semestre
2004-2005
Electrónica 1
• 1901: G. Marconi - primeira comunição via rádio transatlântica.
• 1939: Russell descobre acidentalmente a junção P-N
• 1945-1948: Bill Shockley et al. (Bell Labs) inventaram o transistor.
• 1948: Claude Shannon (Bell Labs)- teoria da Informação.
• 1958: Jack Kilby (Texas Instruments) 1959 Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) inventam, independentemente, o primeiro circuito integrado.
Electrónica 1
Actualmente:Bolachas (Wafers) com 300mm
Digitais:40 Mtransistores µP, 2GHz–50W
chips, Centenas de pinosAnalógicos:>20GHz – RF -Telecomunicações
Serve de suporte a todas as áreas:Telecomunicações;Computadores;Robótica;Electrónica de Consumo;Controlo….
Electrónica 1
Lei de Moore:
Duplicar o número de transistores a cada 1.5 anos
Test board550µm
800µm
4.9 cm
4.2 cm
•Soft Gold
•Roger Substrate
•Chip on board with bonding
•SMA Connectors
•Coupling Capacitors
•Potentiometer
Electrónica 1
Electrónica 1
Electrónica 1
Electrónica 1
Antes de saber projectar circuitos complexos é preciso aprender os circuitos básicos!
ELECTRÓNICA I
... nesta disciplina são estudados circuitos electrónicos elementares, analógicos e digitais, com transistores MOS e comtransistores bipolares.
Electrónica 1
Programa da Disciplina
• Modelação de Dispositivos Electrónicos • Introdução à Física dos Semicondutores• Díodo de Junção• Transistor como Dispositivo Electrónico
Básico: Transistores Bipolares e MOS • Circuitos Digitais Básicos Combinatórios• Circuitos Básicos de Amplificação Linear
Electrónica 1
Elementos de Estudo
A. S. Sedra and K. C. Smith, "Microelectronic Circuits" (4th edition), Oxford University Press, 1997.
M.M.Silva, "Circuitos com Transistores Bipolarese MOS", Fundação C. Gulbenkian, 1999.
M.M. Silva, "Introdução aos Circuitos Eléctricos e Electrónicos" (2ª edição), Fundação C.Gulbenkian, 2001.
Electrónica I (diversos), disponível na Internet, http://fidelio.inesc.pt/electronica1.html
Electrónica 1
Bibliografia Complementar
• G.W. Roberts, A.S. Sedra, "SPICE" (2nd edition) Oxford University Press, 1997.
• P. R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, R. G. Meyer, "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" (4th edition), Wiley, 2001.
• J. M. Rabaey, "Digital Integrated Circuits: A Design Perspective", Prentice-Hall, 1996.
• K. Martin, "Digital Integrated Circuit Design", Oxford University Press, 2000.
• D. A. Johns, K. Martin, "Analog Integrated Circuit Design", Wiley, 1997.
Electrónica 1
Informações:
Início das AulasAulas Teóricas ______ 28 de Fevereiro de 2005Aulas Laboratório ____ 7 de Março de 2005
Docentes
Prof. Jorge Fernandes tel.213100327 [email protected]
Prof. João Vaz tel. 21 841 8491 [email protected]
Prof. Pedro Vitor tel. 21 8417667 [email protected]
Electrónica 1
Horários
2ª feira 3ª feira 4ª feira 5ª feira 6ª feira 10:00-11:00
11:00-12:00
12:00-13:00
JV Sec. Electrónica
13:00-14:00
14:00-15:00
JRF Sec Elect.
T EA1 14205-08
T EA1 14205-08
15:00-16:00
T EA1 14201-04
T EA2 14201-04
T EA1 14201-04
16:00-17:00
T EA2 14205-08
JRF Sec Elect.
PV Sec. Electrónica
JRF Sec Elect.
Electrónica 1
Horários Laboratórios 2ª feira 3ª feira 4ª feira 5ª feira 6ª feira 16:00-17:00 17:00-18:00
LAB LAB
18:00-19:00 LAB
LAB
19:00-20:00 Práticas 2ª feira 3ª feira 4ª feira 5ª feira 6ª feira 16:00-17:00 17:00-18:00 18:00-19:00
P C10
P C9
P F1
19:00-20:00 P E3
Electrónica 1
Avaliação de Conhecimentos1º teste a meio do semestre.2º teste coincidente com 1ª data de Exame.-Nota mínima nos testes ou exame: 8 valores.-Nota mínima no laboratório (média): 10 valores.• média ponderada dos testes ou exame (70%) e do laboratório
(30%). (1ª inscrição)• média ponderada dos testes ou exame (80%) e do laboratório
(20%). (repetentes)• Quem obtiver aprovação com os testes, pode fazer melhoria
de nota na 2ª data de exame.• Quem desistir da via de testes pode ir às duas datas de exame.
Electrónica 1
Regras de funcionamento do Laboratório
• Para frequentar o laboratório é necessário fazer a inscrição no início do semestre.
• As aulas laboratoriais compreendem a resolução de exercícios e execução de trabalhos em bancada.
• Os alunos com aproveitamento no laboratório em anos lectivos anteriores são dispensados de frequentar o laboratório.
• Em cada sessão com execução de trabalhos em bancada de laboratório háum máximo de 12 grupos com 3 alunos.
• Os guias dos trabalhos podem ser obtidos na internet na secção de “download”
• Os relatórios são entregues no final da sessão de laboratório e devem ser escritos de forma concisa.
• A nota mínima no laboratório é 10 valores.
Electrónica 1
Inscrições no Lab:
Inscrições no LaboratórioInscrição é obrigatória para os alunos que ainda não obtiveram aprovação nos Laboratórios. As inscrições efectuam-se no dia 28 de Fevereiro (2ª feira) às 18h na web
http://falcao.ist.utl.pt/e1/lab.php• menos de três alunos após as 18:30 horas
Electrónica 1
Inscrições no Lab:
Inscrições no Laboratório• Em primeiro lugar deve ser escolhido um dos
quatro turnos disponíveis• De seguida devem ser preenchidos os números e
nomes dos alunos do grupo que se pretende inscrever
• Finalmente deverá ser premida a tecla aceitarAlterações:• e-mail para ([email protected])indicando situação, número/nome, nº do grupo
Electrónica 1
Dispositivos e Modelos
• Dispositivo: Componente real, discreto ou integrado.• Dispositivos interligados formam um Circuito.• Circuitos interligados formam um Sistema.
Definição depende do nível de hierarquia.Definição depende do nível de hierarquia.
• Modelos: leis características de dispositivos (ou de circuitos, ou de sistemas)– Leis topológicas – regem as interligações
Kirchoff KCL, KVL – Análise de circuitos
Electrónica 1
Dispositivos e Modelos• Dispositivos
• Circuitos
• Sistemas
Electrónica 1
Dispositivos e Modelos
• 1 Dispositivo pode ter vários modelos– Depende de:
• regime de operação • domínio de validade• precisão
• Tipos de modelos– Formais (descritos por equações)
• Simples – análise manual (normalmente com base física)• Complexos – análise por computador
– Circuito• Domínio de validade: Estático ou Dinâmico (no
domínio do tempo ou da frequência)
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Dispositivos e Modelos
• Exemplo:– Resistência
• Modelo simples (linear): v = R i (elemento ideal)• Modelo mais complexo: (pode ser decomposto em vários
elementos ideais e linearizado num domínio de validade)
Possível modelo de resistência em circuito integrado para aplicações de rádio frequência. Os diferentes elementos são ideais ou podem ainda ser parametrizados em função de outras variáveis como temperatura, etc.
P1 P2
Electrónica 1
Dispositivos e Modelos
• Um Circuito ou um Sistema também podem ter váriosmodelos e com diferentes níveis da abstracção. Modelos de sistemas, ou de circuitos mais complexos, de alto-nível são por vezes referidos como Macro-modelos.
• Modelo → representação abstracta de uma realidade, em que se definem as características valorizadas dessa realidade, e o domínio em que são representadas.
Electrónica 1
...em Electrónica I
• Vamos estudar dispositivos semicondutores:• Díodo • Transistor Bipolar • Transistor MOS
• ... que associados, ou associados a dispositivos passivos, originam circuitos electrónicos básicos.
Electrónica 1
Semicondutores
• Elementos da coluna IV da Tabela Periódica.
• Condutividade: maior que a dos isolantes, menor que a dos condutores
• Germânio Ge : inicialmente
• Silício Si : actualmente: mais abundante e mais fácil
Electrónica 1
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
SiElectrões da camada de valência
Ligação covalente
• Intrínseco: sem impurezas.
• cristal: 4 electrões periféricos partilhados por átomos vizinhos.
Semicondutores
Electrónica 1
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4 +4 +4
Si
Electrão livreLacuna
Ligação covalente destruída• Electrões livres - libertos
das ligações – originam par electrão-lacuna
• Carga do electrão:
• lacuna: ausência de electrão. Comporta-se como carga +q
191.60 10q C−− = −
Semicondutores
Electrónica 1
/2 3
23
electrões por unidade de volume lacunas por unidade de volume
no semicondutor intrínseco
em que: - temperatura absoluta em kelvin (K) - Constante de Boltzman, 1.38 10 J/K
G
iE kT
i
G
npn p n
n BT e
Tk kE
−
−
= =
=
=
31
10 3 22
1.12eV (para o Si) "bandgap energy" representa a energia miníma para formar par electrão-lacuna
5.4 10 (para o Si) depende do materialTípico: 300K =1.5 10 portadores/cm em 5 10 átomosi
BT n
= →
= →
= → 3/cm
Semicondutores
Electrónica 1
+4 +4 +4
+4 +5 +4
+4 +4 +4
Si
Electrão livre
Dadores (tipo n): antimónio fósforo arsénico
• Elementos dadores: coluna V5 electrões periféricos
• ND átomos dadores por unidade de volume
• Tipo n: com dadores
electrões livres predominam n ≈ND
• Em equilíbrio térmico
np = ni2
Semicondutores
Electrónica 1
+4 +4 +4
+4 +3 +4
+4 +4 +4
Si
Lacuna
Aceitadores (tipo p): boro gálio indio• Elementos aceitadores:
coluna III3 electrões periféricos
• NA átomos aceitadores por unidade de volume
• Tipo p: com aceitadores
lacunas predominam p ≈NA
• Em equilíbrio térmico
np = ni2
Semicondutores
Electrónica 1
2
movimento dos portadores de carga (electrões ou lacunas) 2 mecanismos: difusão e deriva
gradiente de densidade de portadores ( , ) densidade de corrente (A/m )
;
Condução:
Difusão:
n n p p
n p
dn dpJ D q J D qdx dx
D
= = −
2 2
, são constantes de difusão
Si intrínseco: 34cm /s; 12cm /sn p
n p
D
D D= =
Semicondutores
Electrónica 1
,
2 2
e campo eléctrico
mobilidades
relação de Einstein
tensão térmica 25mV a 3
acção do campo eléctricovelocidade
Si intrínseco: 1350cm /Vs; 480cm /Vs
Deriva:
n n p p
n p
n p
pnT
n p
T
E E E
DD V
kTq
v v
V
µ µ
µ µµ
µ µ
→
→
= =
= ≈
= − =
= =
1 condutividade
00K (temp. ambiente)
= 2.5 a 3
densidade de corrente: ( )
n p
drift n pJ q n p Eσ ρ
µ µ
µ µ
−= →
= +1442443
Semicondutores
Electrónica 1
2
iões dadoresiões aceitadores
- electrões livres+ lacunas
iões representados só na região de deplecção
Barreira de potencial: ln
difusão+recombinaçãoequilíbri
campo eléctrico deriva
A p D n
A DO T
i
N x N xN NV V
n
⊕Θ
=
=
→
o, 0, (circuito aberto)I =
Junção pn
Electrónica 1
Junção pn –polarização inversaBarreira de potencial aumenta
→região de deplecção alarga
→VO+VR
Sem disrupção:
corrente inversa desprezável VR<Vz
Disrupção: “breakdown”
Corrente IR elevada e independente da tensão VR<Vz
Disrupção= efeito Zener (Vz <5V) + avalanche (Vz >7V)
• Ef. Zener: Campo eléctrico forte →gera pares electrão-lacuna
• Avalanche: colisão portadores-átomos →gera pares electrão-lacuna
Electrónica 1
Junção pn –polarização directa
Barreira de potencial diminui
→diminui campo eléctrico
→VO-V
→corrente directa significativa
Portadores maioritários de um lado são injectados para o outro lado, passam a minoritários e há difusão+recombinação, excesso de portadores minoritários, máx nas fronteiras da zona de deplecção.
Electrónica 1
Junção pn –polarização directa
Barreira de potencial diminui
→diminui campo eléctrico
→VO-V
→corrente directa significativa/ /
2,
( 1)se não for: V» a corrente é desprezável
= ; comprimento de difusão
proporcional à área, depende muito de
T TV V V VS S
T
p nS i p n
D p A n
S
I I e I eV
D DI Aqn LN L N L
I T
= − ≈
+ →
Electrónica 1
Característica i-v do díodo
Electrónica 1
Característica i-v do díodo
Os circuitos que utilizam os díodos na zona de disrupção são diferentes dos circuitos que utilizam os díodos na polarização directa ou inversa. Isto permite utilizar modelos diferentes para o díodo de acordo com a aplicação.
Electrónica 1
Díodo ideal
Aproximação linear por troços: Díodo ideal
Electrónica 1
Rectificador com díodo ideal
Electrónica 1
Aproximação linear por troços:
Díodo com tensão constante
D0
díodos de Silício0.6 0.8V 0.7V
V 0.5Vpara =constante
2mV/ºC
Dv
ivT
= − →≈
∆−
∆ corrente directa máxima
tensão
E
i
specific
nversa m
ações:
áxima
Electrónica 1
Aproximação linear por troços:
Díodo com resistência
vri
∆=
∆
D0
díodos de Silício0.6 0.8V 0.7V
V 0.5V-0.65Vpara =constante
2mV/ºC
Dv
ivT
= − →≈
∆−
∆
Electrónica 1
Ponto de funcionamento em repouso
( )D D
DD D D
i f v
V Ri v
= = +
Método gráfico Método iterativo
0
0
1
1 11 0 1 0
0 0
11
0.70.7
ln ln
D
D
DDD
D DD D T D D T
D D
DD DD
iv V
ViR
i iv v nV v v nVi i
V viR
=
−=
= + − =
−
←
= K
Electrónica 1
O PFR estabelece a zona da característica em que o dispositivo está a funcionar.
Devido à linearização do modelo pode calcular-se de forma simplificada o ganho (amplificação) de um sinal de baixa amplitude.
Modelo incremental
Electrónica 1
Resumo
• Díodo ideal: útil para avaliação de quais os díodos em condução e rápida análise do funcionamento do circuito. Pode ser utilizado se as tensões no circuito forem muito superiores à tensão de condução do díodo.
• Díodo com tensão constante: Fácil de utilizar e muito prático para cálculos manuais.
• Díodo com resistência: Escolha da tensão e resistência depende dos valores em que o circuito vai operar. Menos usado.
• Modelo exponencial: Com base física e preciso.• Modelo incremental: Prático quando se pretende analisar a
resposta a sinais de baixa amplitude. Serve de introdução aos modelos incrementais de transistores