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Electrónica 1

ELECTRÓNICA I

Jorge Fernandes

Instituto Superior TécnicoLicenciatura em Engenharia Electrotécnica e de

ComputadoresDisciplina obrigatória do tronco comum

2º ano, 1º semestre2004-2005

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.

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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….

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Lei de Moore:

Duplicar o número de transistores a cada 1.5 anos

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Test board550µm

800µm

4.9 cm

4.2 cm

•Soft Gold

•Roger Substrate

•Chip on board with bonding

•SMA Connectors

•Coupling Capacitors

•Potentiometer

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Electrónica 1

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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.

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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

Informações:

Início das AulasAulas Teóricas ______ 13 de Setembro de 2004Aulas Laboratório ____ 20 de Setembro de 2004

Inscrições no LaboratórioInscrição é obrigatória para os alunos que ainda não obtiveram aprovação nos Laboratórios. As inscrições efectuam-se no dia 16 de Setembro (5ªfeira) das 17h às 18h no laboratório LE2.

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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.

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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: 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 não for aos 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. Os alunos têm de inscrever-se na sua turma.

• 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 6 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.

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Docentes

Prof. Jorge Fernandes(responsável pela disciplina)tel. 21 3100327E-mail: jorge.fernandes@inesc-id.pt

Prof. João Vaz(responsável pelo laboratório)tel. 21 841 8491Email: joaovaz@ist.utl.pt

Prof. Ferreira Fernandestel. 21 841 7971Email: ffernandes@ist.utl.pt

Prof. António Baptistatel. 21 841 7970Email: baptista@ist.utl.pt

Prof. Júlio Paisanatel. 21 841 7976Email: pcjulio@ist.utl.pt

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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

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Dispositivos e Modelos• Dispositivos

• Circuitos

• Sistemas

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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

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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.

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...em Electrónica I

• Vamos estudar dispositivos semicondutores:• Díodo • Transistor Bipolar • Transistor MOS

• ... que associados, ou associados a dispositivos passivos, originam circuitos electrónicos básicos.

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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

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+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

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+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

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/2 3

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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 nn BT e

Tk kE

−

−

= =

=

=

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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

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+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

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+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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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.

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Díodo ideal

Aproximação linear por troços: Díodo ideal

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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

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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

= − →≈

∆ −∆

;

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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

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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

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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