Eletrônica I Introdução e Filtros Passivos - Anotações de Aula

1 ELETRÔNICA I Cap 1 Introdução à Eletrônica e Filtros Passivos Cap 2 Física Básica de Semicondutores Cap 3 Modelos e Circuitos com Diodos Cap 4 Física de Transistores Bipolares 2 Bibliografias PRINCIPAL FUNDAMENTOS DE MICROELETRÔNICA Autor BEHZAD RAZAVI EDITORA LTCGEN Livros Técnicos e Científicos Editora SA SECUNDÁRIA DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E TEORIA DE CIRCUITOS8Ed Autor ROBERT L BOYLESTAD E LOUIS NASHELSKY EDITORA PearsonPrentice Hall 3 11 Eletrônica x Microeletrônica 12 Exemplos de Sistemas Eletrônicos 13 Circuitos Analógicos x Digitais 14 Conceitos Básicos 15 Filtros Passivos Cap 1 Introdução à Eletrônica e Filtros Passivos 4 11 Eletrônica x Microeletrônica 12 Exemplos de Sistemas Eletrônicos 13 Circuitos Analógicos x Digitais 14 Conceitos Básicos 15 Filtros Passivos Cap 1 Introdução à Eletrônica CH1 Why Microelectronics 5 Histórico A Eletrônica teve início com o advento das válvulas no século passado com aplicação nas Comunicações via Rádio Radar etc principalmente nas duas Grandes Guerras O Transistor inventado na década de 1940 embora não apresentasse uma resposta tão linear quanto às válvulas tornouse seu substituto pois não necessitava ser pré aquecido consumia menor potência além de ocupar um volume menor e ter maior vida útil A Microeletrônica é a ciência de integrar muitos componentes eletrônicos Diodos Transistores Portas Lógicas etc em um Circuito Integrado CI Pastilha Chip ou Microchip e surgiu na década de 1960 CH1 Why Microelectronics 6 Dimensões Transistor CI e Válvula CH1 Why Microelectronics 7 Evolução 8 11 Eletrônica x Microeletrônica 12 Exemplos de Sistemas Eletrônicos 13 Circuitos Analógicos x Digitais 14 Conceitos Básicos 15 Filtros Passivos Cap 1 Introdução à Eletrônica CH1 Why Microelectronics 9 Sistema de Telefonia Celular O Sistema de Telefonia Celular é um importante exemplo de um Sistema Eletrônico Os componentes microeletrônicos existentes nas Caixas Pretas processam o sinal de voz na transmissão e na recepção CH1 Why Microelectronics 10 Conversão de Frequência Modulação em Amplitude O sinal de voz xt chamado sinal modulante é deslocado em frequência ao ser multiplicando pela portadora senoidal xct implicando um sinal na saída representado por yt xt xct em que xct A cos 2 π fc t O PRODUTO no domínio do tempo é equivalente à CONVOLUÇÃO no domínio da frequência isto é Yf Xf Xcf CH1 Why Microelectronics 11 Transmissor Os dois sinais portadora e sinal modulante são multiplicados e enviados à antena Um Amplificador de Potência é acrescido em b para que o sinal modulado possa chegar ao receptor com energia suficiente para ser detectado ou demodulado CH1 Why Microelectronics 12 Receptor O sinal de Alta Frequência é transladado para o nível DC multiplicandose o referido sinal pela portadora Um amplificador de baixo ruído é necessário para que sinais indesejáveis não sejam amplificados com o sinal modulado 13 11 Eletrônica x Microeletrônica 12 Exemplos de Sistemas Eletrônicos 13 Circuitos Analógicos x Digitais 14 Conceitos Básicos 15 Filtros Passivos Cap 1 Introdução à Eletrônica CH1 Why Microelectronics 14 Sinal Analógico x Digital CH1 Why Microelectronics 15 Circuitos Analógicos x Digitais Amplificadores são exemplos de circuitos com funções analógicas que precisam processar cada ponto contínuo da forma de onda No entanto Circuitos Digitais que lidam com Níveis Lógicos 1 0 são mais robustos a ruídos e distorções e evidentemente não contém funções analógicas Ao longo do tempo diversos sistemas tais como Comunicações Processamento de Sinais e tantos outros tornaramse Digitais mas não Exclusivamente Digitais CH1 Why Microelectronics 16 Circuitos Analógicos x Digitais Nem todas as funções podem ser realizadas por Circuitos Digitais Independente do Receptor do Sistema de Comunicações diagramado abaixo ser Analógico ou Digital os blocos funcionais descritos como Amplificadores de Potência Amplificadores de Baixo Ruído Osciladores Filtros e MultiplicadoresMisturadores empregam Circuitos Analógicos 17 11 Eletrônica x Microeletrônica 12 Exemplos de Sistemas Eletrônicos 13 Circuitos Analógicos x Digitais 14 Conceitos Básicos 15 Filtros Passivos Cap 1 Introdução à Eletrônica CH1 Why Microelectronics 18 Conceitos Básicos Ganho de Tensão Ganho em dB KVL Lei de Kirchoff das Tensões KCL Lei de Kirchoff das Correntes v1vn0 i1in0 Av vout vin AvdB20log vout vin CH1 Why Microelectronics 19 Divisor de Tensão v L Z L ZLZs v s v s Z s Z L v L CH1 Why Microelectronics 20 Divisor de Corrente iL Zs Z LZ s is is Z s Z L iL CH1 Why Microelectronics 21 Teorema de Thevenin Um circuito linear pode ser representado por uma impedância ZTH em série com uma fonte de tensão VTH equivalente à tensão de ckt aberto Circuito original Cálculo de ZTH Circuito aberto para o cálculo de VTH VTH ZTH CH1 Why Microelectronics 22 Teorema de Norton Um circuito linear pode ser representado por uma impedância ZNO em paralelo com uma fonte de corrente INO equivalente à corrente de curto ckt Note que ZNO ZTH Circuito original Cálculo de ZNO Curtocircuito para o cálculo de INO INO ZNO 2kΩ 23 11 Eletrônica x Microeletrônica 12 Exemplos de Sistemas Eletrônicos 13 Circuitos Analógicos x Digitais 14 Conceitos Básicos 15 Filtros Passivos Cap 1 Introdução à Eletrônica CH1 Why Microelectronics 24 FILTROS PASSIVOS DEFINIÇÃO Filtro é um circuito elétrico eou eletrônico que apresenta um comportamento típico em função da frequência do sinal a ele aplicado implicando ganho elevado em determinadas componentes de frequência e atenuando em outras componentes de frequência Classificação quanto à tecnologia a Filtros Passivos São os filtros construídos apenas com os componentes passivos tais como resistores capacitores e indutores b Filtros Ativos São aqueles que empregam elementos passivos resistores capacitores e indutores e ativos como por exemplo transistores e amplificadores operacionais e c Filtros Digitais São os que empregam tecnologia digital implementados através de algoritmos de programação em um sistema microprocessado CH1 Why Microelectronics 25 FILTROS PASSIVOS Classificação quanto à função executada a Filtros PassaBaixa FPB ou FPL b Filtros PassaAlta FPA ou FPH c Filtros PassaFaixa ou PassaBanda FPF d Filtros RejeitaFaixa ou RejeitaBanda FRF Abordaremos neste material os Filtros Passivos que são aqueles capazes de selecionar determinadas faixas de frequências usando apenas componentes passivos tais como resistores capacitores e indutores O ganho dos filtros passivos é geralmente menor ou igual a 1 com algumas exceções CH1 Why Microelectronics 26 FILTRO PASSABAIXA Um Filtro PassaBaixa é aquele que permite a passagem de sinais de tensão eou corrente nas componentes de frequência abaixo de um certo limite chamada Frequência de Corte ωC atenuando portanto os sinais cujas componentes de frequência ultrapassam esse valor Curvas de Resposta em Frequência de Filtros PassaBaixa Filtro Passa Baixa Ideal Filtro Passa Baixa Real Fsjw Fsjw CH1 Why Microelectronics 27 FILTRO PASSABAIXA RC Para sinais de baixa frequência Xc 1wC R pois o capacitor tende a um circuito aberto em baixas frequências Para sinais de alta frequência Xc 1wC R pois o capacitor tende a um curto circuito nas altas frequências Assim o ckt acima permite a passagem de sinais de baixa frequência e impede a passagem de sinais de alta frequência da entrada para a saída F sjw 1 jCw R1 jCw 1 jwRC1 F sjw 1 wRC 21 Fsjwjwc 1 wc RC 21 1 2 wc1 RC X cs1Cs Fsjw F s V OUT s V INs 1Cs R1Cs frequência de corte VIN VOUT CH1 Why Microelectronics 28 FILTRO PASSABAIXA RL Para sinais de baixa frequência XL wL R pois o indutor tende a um curto circuito em baixas frequências Para sinais de alta frequência XL wL R pois o indutor tende a um circuito aberto nas altas frequências Assim o ckt acima permite a passagem de sinais de baixa frequência e impede a passagem de sinais de alta frequência da entrada para a saída F s V OUT s V INs R RLs F sjw R RjwL 1 j wL R 1 F sjw 1 wLR 21 F sjwjwc 1 wc L R 21 1 2 wcR L Fsjw X L sLs VOUT VIN frequência de corte CH1 Why Microelectronics 29 FILTRO PASSAALTA Fsjw Um Filtro PassaAlta é aquele que permite a passagem de sinais de tensão eou corrente nas componentes de frequência acima de um certo limite chamada Freqüência de Corte ωC atenuando portanto os sinais cujas componentes de frequência encontramse abaixo desse valor Curvas de Resposta em Frequência de Filtros PassaBaixas Fsjw Filtro Passa Alta Ideal Filtro Passa Alta Real CH1 Why Microelectronics 30 FILTROS PASSIVOS FILTRO PASSAALTA RC Para sinais de baixa frequência Xc 1wC R pois o capacitor tende a um circuito aberto em baixas frequências Para sinais de alta frequência Xc 1wC R pois o capacitor tende a um curto circuito nas altas frequências Assim o ckt acima permite a passagem de sinais de alta frequência e impede a passagem de sinais de baixa frequência da entrada para a saída F sV OUT s V INs R R1Cs F sjw R R1 jwC 1 11 jwRC F sjw 1 1wRC21 Fsjwjwc 1 1wc RC 21 1 2 wc1 RC frequência de corte VIN VOUT VOUT Fsjw CH1 Why Microelectronics 31 FILTRO PASSAALTA RL Para sinais de baixa frequência XL wL R pois o indutor tende a um curto circuito em baixas frequências Para sinais de alta frequência XL wL R pois o indutor tende a um circuito aberto nas altas frequências Assim o ckt acima permite a passagem de sinais de alta frequência e impede a passagem de sinais de baixa frequência da entrada para a saída F s V OUT s V INs sL RLs F sjw jwL RjwL 1 1 j R wL F sjw 1 RwL21 F sjwjwc 1 Rwc L 21 1 2 wcR L frequência de corte VIN VOUT R X L sLs Fsjw CH1 Why Microelectronics 32 FILTRO PASSAFAIXA ou PASSABANDA Um Filtro Passivo PassaFaixa ou PassaBanda é um circuito que permite a passagem de sinais de tensão eou corrente com componentes de frequência situadas em uma faixa intermediária atenuando os sinais com componentes de frequência abaixo ou acima dessa faixa Essa faixa intermediária é delimitada por uma frequência de corte superior ω CS e uma frequência de corte inferior ω CI Curvas de Resposta em Frequência de Filtros PassaFaixa Filtro PassaFaixa Ideal Filtro PassaFaixa Real Fsjw Fsjw S CH1 Why Microelectronics 33 FILTRO PASSAFAIXA RC versão 1 O ideia central do circuito acima é cascateamento ou associação em série de duas configurações FPB e FPA para obtenção de um FPF Assim enquanto R1 e C1 implementam um FPB R2 e C2 implementam um FPA Gs V OUTs V THs R2 R2ZTH 1C2 s ZTH R1 1C1 s R11C1s R11C1s V THs 1C1s 1C1sR1 V INs VIN R2 VOUT R1 C1 C2 F s V OUT s V INs R2C2s R1 R2C1C2 s2R1C2R 1C1R2C2 s1 VIN VOUT FPB FPA F sjwjwc w c 2 R2 2C 2 2 1R1R2C 1C 2w c 22 w c R1C 1R 2C 2R1C 22 CH1 Why Microelectronics 34 FILTRO PASSAFAIXA RC versão 2 O ideia central do circuito acima é o cascateamento ou associação em série de duas configurações FPB e FPA para obtenção de um FPF Assim enquanto R1 e C1 implementam um FPA R2 e C2 implementam um FPB Gs V OUTs V THs 1C2s R2ZTH 1C2 s ZTH R1 1C1 s R11C1s R11C1s V THs R1 1C1sR1 V INs F sjwjwc w c 2 R1 2C1 2 1R1R2C 1C 2w c 22 w c R1C 1R 2C 2R1C 22 F s V OUT s V INs R1C1 s R1 R2C1C2 s2R1C2R 1C1R2C2 s1 VIN VOUT FPA FPB VIN C2 C1 R1 R2 VOUT CH1 Why Microelectronics 35 FILTRO PASSAFAIXA RLCSÉRIE Um Filtro PassaFaixa RLC série é baseado na Ressonância que ocorre entre os componentes armazenadores de energia em forma de corrente indutor e em forma de tensão capacitor As duas frequências de corte inferior e superior são obtidas a partir da solução da equação acima sinalizada F s V OUT s V THs R RsL1sC F sjw R2C 2w 2 1LCw 22R2 C 2w 2 F sV OUT s V IN s RCs LCs2 RC s1 F sjw 1 1 1LCw 2 RCw 2 VIN VOUT F sjwC 1 1 1 LCwC 2 RCwC 2 1 2 1LCwC 2 RCwC 1 CH1 Why Microelectronics 36 FILTRO PASSAFAIXA RLCPARALELO Um Filtro PassaFaixa RLC paralelo é baseado na Ressonância que ocorre entre os componentes armazenadores de energia em forma de corrente indutor e em forma de tensão capacitor As duas frequências de corte inferior e superior são obtidas a partir da solução da equação acima sinalizada GsV OUTs V THs s1RC s2s 1 RC1LC VIN VOUT Gsjw 1 Rw2 RLC wL 2 1 Rwc 2RLC wc L 1 CH1 Why Microelectronics 37 FILTRO REJEITAFAIXA Um Filtro Passivo RejeitaFaixa ou RejeitaBanda é um circuito que rejeitaatenua a passagem de sinais de tensão eou corrente com componentes de frequência situadas numa faixa intermediária permitindo a passagem de sinais com componentes de frequência abaixo ou acima dessa faixa Essa faixa intermediária é delimitada por uma frequência de corte superior ω CS e uma frequência de corte inferior ω CI Curvas de Resposta em Frequência de Filtros RejeitaFaixa Filtro RejeitaFaixa Ideal Filtro RejeitaFaixa Real S CH1 Why Microelectronics 38 IDEIA CENTRAL DO FILTRO REJEITAFAIXA Um Filtro REJEITAFAIXA pode ser implementado pela associação em paralelo de filtros passabaixa e passaalta em contraste à ideia do filtro passafaixa em que os filtros passabaixa FPB e passaalta FPA são cascateados ou associados em série FPB FPH Σ VOUT VIN CH1 Why Microelectronics 39 FILTRO REJEITAFAIXA RC ou FILTRO T NOTCH Um Filtro RejeitaFaixa RC também é chamado de Filtro T Notch devido à sua alta seletividade Além disso a configuração em duplo T pode ser notada em que o T superior formado pelos componentes 2R e 2C implementam o FPB enquanto o T inferior formado pelos componentes R e C implementam o FPA Neste caso as frequências de corte superior e inferior não são tão importantes O mais relevante é a frequência central ou frequência notch fN que será fortemente atenuada HjwdB 0 dB fNfNfN f CH1 Why Microelectronics 40 FILTRO ATIVO REJEITAFAIXA RC O circuito acima diagramado representa um Filtro Ativo RejeitaFaixa RC implementado com componentes passivos resistores e capacitores e ativos Amplificadores Operacionais As frequências de corte inferior e superior são definidas pelos segmentos passa baixa wCI wCL 1RLPCLP e passaalta wCS wCH 1RHPCHP CH1 Why Microelectronics 41 FILTRO REJEITAFAIXA RLC Um Filtro RejeitaFaixa RLC também é baseado na Ressonância que ocorre entre os componentes armazenadores de energia em forma de corrente indutor e em forma de tensão capacitor As frequências de corte superior e inferior são as soluções das equações acima sinalizadas VIN VOUT VOUT VIN FRF RLC PARALELO FRF RLC SÉRIE 1LCwC 2 RCwC 1 Rwc 2RLC wc L 1 CH1 Why Microelectronics 42 CIRCUITO RESSONANTE HjwdB fRES f Um circuito ressonante sintonizado ou tanque visa selecionar uma única componente de frequência dentre as diversas componentes do sinal de entrada Tal função pode ser implementada com componentes armazenadores de energia como indutores e capacitores Neste caso os componentes devem ser selecionados visando aumentar a seletividade ou seja a redução da largura de banda do filtro Em alguns casos a frequência de ressonância é aquela que torna a impedância do circuito Real ou seja a parte Imaginária é igual a zero Neste contexto na ressonância Zjwres ReZjwres e portanto ImZjwres 0 CH1 Why Microelectronics 43 EXEMPLOS DE CKTs RESSONANTES VIN VOUT VIN VOUT C L R w res LC R2 C L2 wres 1 L C wres 1 L C VIN VOUT