Introdução aos circuitos elétricos

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Sistemas Digitais
Introdução aos Circuitos Elétricos
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http://www.sandroalex.info
Laboratório de Técnicas Digitais
Introdução aos circuitos elétricos
Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações
Tocci, Ronald J.
8ª edição; São Paulo: Prentice Hall, 2003
ISBN: 85-87918-20-6
Elementos de Eletrônica Digital
Capuano, Francisco G.
40ª edição; São Paulo: Editora Érica, 2008
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Livros adotados
Introdução aos circuitos elétricos
Portas Lógicas e Álgebra Booleana
Circuitos Integrados – Família
Simplificação de Circuitos
Circuitos Combinacionais
Circuitos Sequenciais
Circuitos Programáveis
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Guia do curso
Introdução aos Circuitos Elétricos
Sistemas Digitais
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http://www.sandroalex.info
Laboratório de Técnicas Digitais
Introdução aos circuitos elétricos
Mostrar os componentes de um circuito elétrico e a conexão entre eles
Dar uma visão concreta dos componentes discretos que compõem qualquer circuito digital, explorando os princípios básicos (conceitual) de seu funcionamento
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Metas da unidade
Elementos básicos
Tensão, corrente, resistência, resistor, potência e circuito elétrico
Tipos de materiais
Condutores, isolantes, semicondutores, dopagem, elétrons, lacunas, junção, depleção e polarização
Transistor
Bipolar (BJT), unipolar (FET), tipos de canais, atuações, aplicações e 3D
Agenda
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Elementos básicos
Introdução aos Circuitos Elétricos
Sempre que há uma diferença de potencial (d.d.p.) existe uma tensão tendendo a reestabelecer o equilíbrio
Demonstração com sistema hidráulico
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Tensão Elétrica (U)
(1) Em desequilíbrio
(2) Equilibrado
válvula
válvula
Em dois corpos com cargas elétricas diferentes haverá uma d.d.p. elétrico entre eles
Um corpo fica eletrizado sempre que há modificação na estrutura dos seus átomos
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Tensão Elétrica (U) – Cont.
A unidade de medida para o valor da tensão da d.d.p. é o Volt (V)
Definição
Movimento ordenado de elétrons livres impulsionado por uma d.d.p. (cargas elétricas por unidade de tempo)
Sentido da corrente elétrica
Eletrônico  Parte da carga negativa para a positiva
Convencional  Parte da carga positiva para a negativa
Corrente elétrica (I)
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Sentido convencional
i
Tipos de corrente elétrica em função do tempo
Contínua  Não inverte o seu sentido de circulação
Alternada  Inversão periódica do sentido de circulação
Corrente elétrica (I) – Cont.
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A intensidade da corrente elétrica é medida em Ampere (A)
Alternada
Contínua
Definição
Oposição que os materiais oferecem à passagem da corrente elétrica (elétrons) quando submetidos a d.d.p.
Efeito Joule
A passagem de corrente elétrica implica na colisão dos elétrons com os átomos fazendo-os vibrar e aumentar a sua agitação, provocando um aquecimento térmico
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Resistência elétrica (R)
A unidade de resistência elétrica é o Ohm (Ω)
Elementos que consomem energia elétrica e a convertem integralmente em energia térmica (efeito Joule)
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Resistência elét. (R) – Cont.
Lâmpada incandescente
Ferro de passar
Chapinha de cabelo
Chuveiro elétrico
Formado por corpo cilíndrico de cerâmica no qual é depositada uma camada de material resistivo
Utilizado para limitar corrente elétrica e, consequentemente, reduzir ou dividir tensões
Tipos de resistores
Fixos: filme de carbono, filme metálico, de fio e resistor para montagem em superfície (SMR)
Ajustáveis: Potenciômetro, reostato (potências elevadas)
 
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Resistor
Resistência ajustável
Resistência fixa
Especificado em função da resistência(Ω) e potência(W)
Ω  grau de oposição à circulação de corrente
W  máxima dissipação de calor (efeito Joule), suportada
Simbologia adotada
 
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Resistor – Cont.
Resistência ajustável
Resistência fixa
Definição
Energia elétrica consumida ou produzida na unidade de tempo
Caracterização
Um aparelho elétrico é caracterizado pela sua potência, que é função da tensão (nos bornes) e da intensidade da corrente elétrica (que por ele passa)
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Potência elétrica (W)
Produção
Consumo
Selo Procel
Potência ativa
Tem como unidade o Watt (W)
Potência reativa 
Tem como unidade o volt-ampere reativo (VAr)
Ex.: transformador, reator
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Potência elétrica (W) – Cont.
Mecânica
Térmica
Luminosa
Transformador
Reator
Caminho percorrido pela corrente elétrica
A corrente elétrica circula no sistema: parte da fonte geradora, atravessa o receptor e chega na fonte geradora
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Circuito elétrico
A lâmpada emite luz quando a corrente elétrica atravessa o seu filamento
Função de cada componente
Fonte geradora: componente que gera a energia elétrica
Receptor: utiliza corrente elétrica p/ produzir luz, força, etc
Condutor: conduz corrente elétrica da fonte ao receptor
Chave/interruptor: componente que abre e fecha o circuito
 
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Circuito elétrico – Cont.
Esquema e representação de um circuito elétrico
i
Tensão elétrica (V)
Força que impulsiona os elétrons livres
Corrente elétrica (i)
Fluxo de elétrons livres em movimento ordenado
Resistência elétrica (R)
Oposição a passagem de corrente elétrica
Potência elétrica (W)
Energia elétrica consumida ou produzida no tempo
Circuito elétrico
Caminho percorrido pela corrente elétrica
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Lembrar que...
Tipos de materiais
Introdução aos circuitos elétricos
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Descrição
Os materiais oferecem maior ou menor oposição a passagem da corrente elétrica dependendo da substância que foi feito
Elétrons livre, rodízio desordenado
Elétrons em órbitas mais afastadas sofrem pouca atração do núcleo e tem facilidade de deslocamento entre átomos
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Condutores e isolantes
Condutores
Materiais que oferecem pouca oposição a passagem de corrente elétrica
ex.: prata, cobre, ferro, ouro, etc
Isolantes
Materiais que praticamente não permitem a passagem de corrente elétrica
ex.: vidro, borracha, cerâmica, plástico, etc
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Condutores e isolantes – Cont.
Elétrons livre são numerosos nos materiais condutores e praticamente inexistente nos materiais isolantes
Definição
Um material é semicondutor se sua resistência se encontra entre a dos condutores e a dos isolantes
Possuem 4 elétrons na última camada (valência)
Permite a formação de ligações covalentes entre si
Cristais semicondutores
Uma substância é cristalina se possui uma estrutura cúbica, tendo seus átomos ocupando os vértices desse cubo
 
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Semicondutores
Silício (Si) e Germânio (Ge) são os principais semicondutores cristalinos tetravalentes
Ligações covalentes
Cada átomo de silício se une a outros quatro átomos vizinhos por meio de ligações covalentes
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Semicondutores – Cont.
Átomos de silício adjacentes compartilham dois elétrons
O silício é um mineral abundante, só perdendo para o oxigênio!
Processo utilizado para construir elementos N e P, através da mistura de quantidades reduzidas de impurezas de elementos trivalentes ou penta-valentes
N: material semicondutor com excesso de elétrons livres
P: material semicondutor com excesso de lacunas
 
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Dopagem do semicondutor
O aceitador Boro (B), trivalente, deixa lacuna
O doador Fósforo (P), penta-valente, deixa elétron livre
Semicondutor Tipo P
Semicondutor Tipo N
Trivalente: gálio, índio
Penta-valente: antimônio, arsênio
Os portadores de carga (majoritários) nos semicondutores tipo N são os elétrons e no tipo P são as lacunas
O elétron tende a deixar sua posição para ocupar a lacuna
 
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Movimento dos elétrons e lacunas
Submetido a uma d.d.p. os elétrons e as lacunas se movem em sentido contrário
Por convenção, o movimento da lacuna foi estabelecido como sentido da corrente
Junção PN ou diodo
União do material P ao material N, formando único cristal 
Depleção é diminuição/ausência de portadores majoritários (elétrons ou lacunas)
Campo elétrico entre P e N, uma d.d.p., barreira de potencial
 
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Camada de depleção
Junção PN não polarizada
Material P
(excesso de lacuna)
Material N
(excesso de elétron)
Depleção
Ligação do terminal positivo da fonte geradora no elemento N e do terminal negativo no elemento P
Portadores majoritários do lado N (elétrons) são atraídos pelo polo negativo e o lado P (lacunas) recebem elétrons
Os portadores majoritários se afastam da junção, aumentando a barreira de potencial
Não permite a passagem de corrente através da junção
 
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Junção PN - Polarização inversa
O semicondutor passa a se comportar como isolante e o aumento da tensão aumenta a região de depleção
elétron
lacuna
Ligação do terminal positivo da fonte geradora no elemento P e do terminal negativo no elemento N
Lado N (elétrons) recebem mais elétrons do polo negativo e o lado P (lacunas) recebem mais lacunas
Elétrons do lado N ganham força para expulsar os elétrons na camada de depleção
Forma-se a corrente elétrica que atravessa a depleção
 
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Junção PN - Polarizada direta
No semicondutor silício é necessário ter tensão maior que 0,7 volts para romper a depleção
elétron
lacuna
Transistor
Introdução aos circuitos eletrônicos
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Cronologia
Válvula
(1904)
1º Transistor de contato
(1947)
1º Transistor de junção de germânio
(1950)
Diodo
Transistor modernos
Dispositivo de controle da corrente elétrica
TRANSfer reSISTOR, resistência de transferência
Controle do fluxo de corrente
Principais aplicações: amplificador e chave (eletrônica digital)
Classificação
São classificados de acordo com o tipo de portador de carga utilizado para transportar corrente elétrica
 
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Visão geral
Transistores com diferentes encapsulamentos
Transistor de sinal
Transistor de alta potência
Bipolar (Bipolar Junction Transistor - BJT)
Utiliza elétrons livres e lacunas como portadores de carga
Unipolar (Field Effect Transistor - FET)
Usa um tipo de portador de carga, elétrons livres ou lacunas
 
 
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Tipos de transistor
Tem três terminais, Emissor (E), Base (B) e Coletor (C), com duas junções PN (BE e BC) de material semicondutor, formando dois tipos de polaridades: NPN e PNP
 
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BJT - Constituição
Símbolos
Estrutura
Junção BE
Junção BC
Junção BE
Junção BC
Emissor: altamente dopado; Base: mais fina e menos dopada; Coletor: maior, menos dopado que o emissor e mais que a base
Tipo NPN
Tipo PNP
Exemplo de um transistor de junção bipolar do tipo NPN modelo TO-92L
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BJT - Exemplo
Modelos diferentes de transistores podem ter sequencia de pinos distintos
Zona ativa direta
Usada como amplificadores
Junção BE polarizada diretamente e BC inversamente
Zona de corte (~interruptor aberto)
Interruptores, portas lógicas, circuitos TTL
E polarizada diretamente e junção BC inversamente
Zona de saturação (~interruptor fechado)
Interruptores, portas lógicas, circuitos TTL
Junção BE polarizada diretamente e C inversamente
 
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BJT - Polarização
Quando polarizado diretamente, o canal N deve ser conectado ao polo negativo da fonte e o canal P ao positivo
O controle da corrente que flui entre coletor e emissor é feito injetando corrente na base
Quanto maior a corrente na base, maior o fluxo
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BJT – Polarização / Cont.
Regra prática
Emissor polarizado na polaridade do seu semicondutor
Base polarizada na polaridade do seu semicondutor
Coletor polarizado com polaridade inversa do seu semicondutor
Emissor
Base
Coletor
Emissor
Base
Coletor
N
P
N
P
N
P
-
+
+
+
-
-
+
 
Rc
 
Rb
 
_
Rc
 
Rb
 
+
_
 
Atuação na Zona de Corte (interruptor aberto)
A corrente da base deve ser menor que 0,6~0,7V (para o silício)
Atuação na Zona de Saturação (interruptor fechado)
A corrente da base deve ser maior que 0,6~0,7V (para o silício) até limite definido pelo fabricante
 
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BJT – NPN como chave
Zona de corte
Zona de saturação
ic = 0
ic = Vcc/R
O sinal que deseja ser amplificado é aplicado na base
O coletor passa a ser um múltiplo da corrente da base
 
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BJT – NPN como amplificador
Sinal de saída amplificado
Sinal de entrada natural
Transistor de Efeito de Campo (FET)
O controle da corrente é realizado por meio de um campo elétrico induzido na região condutora
Princípio diferente do BJT, que aplica uma corrente na base
Tipos de transistores FET
FET de Junção (Junction FET - JFET)
FET de porta isolada (Insulated-Gate FET – IGFET), não óxido
MOSFET (Metal Oxide Semicondutor FET)
Os elétrons livres entram na fonte e saem do dreno 
Canal é a camada condutora entre fonte e dreno
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FET – Visão geral
São utilizados tanto na área digital quanto na analógica
Vantagens
Unipolar, depende só do fluxo de portadores majoritários 
Relativamente imunes à radiação
Grande resistência de entrada, tipicamente megaOhms
Menor ruído
Apresentam estabilidade térmica
Desvantagens
Pequeno produto, ganho X faixa de passagem (bandwidth)
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FET – Comparação com BJT
Constituído por uma fina camada de material majoritário com dois contatos ôhmicos, fonte (S) e dreno (D), e dois contatos retificadores interligados chamados portas (G)
 
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FET – Junction FET (JFET)
JFET pode ser do tipo N, onde o canal é N e as portas são P, ou do tipo P com canal P e portas N
Simbologia
Tipo N
Tipo P
Constituído de substrato do tipo P ou N, no qual são difundidas duas regiões fonte (S) e dreno (D)
S e D são do tipo contrário ao substrato
A porta (G) é formada por uma camada de dióxido de silício (SiO2), que é isolante
Sobre ela é depositada uma placa de metal isolada do canal
 
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FET – MOSFET
A tensão da porta (G) deve estar entre 3V e 10V para excitar os elétrons
Vantagens em relação ao BJT
Tamanho mais reduzidos
Processo de fabricação mais simples
Consumo inferior de energia
A porta “carregada” com tensão positiva permanece conduzindo mesmo depois de ser desconectada
Necessário “descarregar” a porta no terra
Tipos
MOSFET tipo depleção
Canal N ou canal P
MOSFET tipo enriquecimento
Canal N (NMOS) ou canal P (PMOS)
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FET – MOSFET / Cont.
Mais utilizados na fabricação de chips
Estreita camada tipo N que interliga fonte (S) e dreno (D) permitindo o fluxo de corrente mesmo quando nenhuma tensão for aplicada à porta (G)
Sendo a porta (G) negativa em relação à fonte (S), a camada de metal fica negativa e polariza o isolante
 
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MOSFET – Tipo depleção
Haverá um estreitamento do canal N, diminuindo a corrente entre dreno e fonte
MOSFET de canal N tipo depleção
Tornando a porta (G) positiva e aumentando a tensão, estabelece-se um contato entre a fonte (S) e o dreno (D), criando o canal de condução
A corrente que circulará entre S e D será função da tensão na porta (G) que controlará a largura do canal
 
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MOSFET: Tipo enriquecimento
Haverá a criação de um canal N entre o dreno (D) e a fonte (S) , permitindo a passagem dos elétrons
MOSFET de canal N tipo enriquecimento
Região de corte
Não há corrente, sem formação do canal
Região de triodo ou linear
Age como um resistor, utilizado como uma chave
Região de saturação
Canal N é deformado, aplicação em amplificadores
 
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NMOS: Regiões de atuação
Quando a porta (G) é colocada em um potencial positivo em relação ao substrato, haverá acumulação de elétrons, formando o canal
 
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NMOS - Funcionamento
Chave aberta
MOSFET de canal N tipo enriquecimento
Chave fechada
Complementary MOS
Quando um FET de canal P é utilizado complementarmente a outro FET de canal N, apenas uma fonte é necessária
Características
Baixa dissipação de energia, excelente margem de ruído e elevada capacitância
 
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CMOS – Princípio
Porta lógica inversora CMOS
NMOS
PMOS
Simbologia
 (a)
Simbologia
(b)
 
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CMOS – Utilização
Esquema de uma memória de computador RAM utilizando CMOSFET
 
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CMOS – Fotomiografia
Fotomiografia de um circuito integrado CMOS
1972, Intel 8008
Primeiro processador de 8 bits com 0,2MHz
Tecnologia PMOS com 3.500 transistores em 10.000 nm
1982, Intel 80286
Dez anos após, 6, 10 e 12MHz
Tecnologia CMOS (déc. 80) com 134k transistores em 1.500 nm
2002, Intel Pentium 4
Explosão dos microcomputadores 1.300 a 4.000 MHz
Tecnologia CMOS com 55M de transistores em 130 nm
2012, Intel Core 3ª geração (Ivy Bridge)
A era Smartphones, tablet 2.900 a 3.100 MHz
Tecnologia 3D tri-gate com ~3Bilhões de transistores em 22nm
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Aplicações
Planos da Intel: 14nm em 2013 e 10nm em 2015
Intel 1970: 1ª DRAM com transistores MOS (déc. 60)
Gate passa a ter três contatos 
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Transistor 3D (Tri-Gate)
Transistor Tradicional
Transistor Tri-gate
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Transistor 3D (Tri-Gate)
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Lei de Moore (1970)- Aumento do nº de transistores