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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
DELET - EE - UFRGS
Circuitos Eletrônicos I
ENG 04077
Prof. Dr. Hamilton Klimach
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
A disciplina
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Informações Gerais
• ENG04077 – Circuitos Eletrônicos I
• Créditos semanais: 6 (4T+2L)
• Caráter: obrigatório
• Professores:
– Hamilton Klimach (hamilton.klimach@ufrgs.br, sala 302)
– Adalberto Schuck (schuck@ufrgs.br)
– Fábio Vidor (ffvidor@gmail.com)
• Página da disciplina:
http://chasqueweb.ufrgs.br/~hklimach/
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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Informações Gerais
Objetivos
• Conhecer os dispositivos eletrônicos básicos, suas
características e aplicações.
• Estudar topologias de circuitos eletrônicos lineares e não-
lineares.
• 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
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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
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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)
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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.
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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).
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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!
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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.
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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.
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Cronograma
No Plano de Ensino que estará no site.
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Bibliografia
• Sedra, Smith. Microeletrônica. 5ª edição, Prentice-Hall, ISBN:
9788576050223 (livro texto da disciplina).
• Behzad Razavi. Fundamentos de Microeletrônica. Editora LTC, ISBN:
9788521617327.
• 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 - http://ieeexplore.ieee.org/)
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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.
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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.
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Evolução da Eletrônica: um breve
histórico...
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
A ELETRÔNICA permeia todas as áreas de atuação humana!
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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)
18 Thomson
Planck
TMC - 1886
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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)
• 1925 - Julius Edgar Lilienfeld propôs o princípio do Mosfet
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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
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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
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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.
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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.
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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
24 Shockley
Bardeen
Brattain
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Um pouco de História
• 1946 – John Bardeen publica trabalho sobre contatos Metal-
Semicondutor
– computador ENIAC (1800 válvulas e 6000 chaves): 1º eletrônico!
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Um pouco de História
• 16 Dez, 1947 – Descoberta do efeito transistor em um dispositivo de contato metálico (ganho de potência de 18 vezes - foto)
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• 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)
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Um pouco de História
• 1952 – Shockley desenvolve o transistor de efeito de campo de junção (JFET)
• 1952 – IBM lança o modelo 701 - 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
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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)
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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)
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Um pouco de História
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IBM 7094 - 1959
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Um pouco de História
• 1963 – Fairchild lança o amplificador operacional monolítico μA702
• 1964 – IBM lança modelo 360, primeiro grande “sucesso”
• 1965 – Gordon Moore introduz a “Lei de Moore” (a cada 18 meses dobrará a densidade de integração)
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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
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Friden - Ing
Sharp - Jap
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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 (4004 - 4 bits - 2700 transistores - encomendado para uma calculadora portátil pela Nippon Calculating Machine Corporation - Busicom)
• 1972 – John Bardeen recebe o 2° Nobel (supercondutores)
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Um pouco de História
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Um pouco de História
• 1974 – Intel lança primeiro microprocessador de 8 bits (8008 8080 8085 8086 8088 80286 80386 80486 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
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Um pouco de História
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Jobs e Wozniak - 1977
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I
Um pouco de História
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Bill
Gates
Paul
Allen
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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 – 96GFlops @ 3.2GHz
• 2005 – Cell Engine (Sony/IBM/Toshiba; PS3): 9 cores –
234 milhões de trans. – 1TFlop @ 4GHz
• 2004 – Intel Itanium: 600 milhões trans.
• 2005 – Intel Dual Core
• 2006 – Intel Quad Core
• 2008 – Intel Xeon 6 core: 1.8 bi trans.
• 2010 – Itanium 4 core: 2 bi trans.
• 2011 – Xeon 10 core 2.6 bi trans
• 2011 – Tahiti GPU AMD 4.3 bi trans
• 2011 – Xilinx FPGA 6.8 bi trans.
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Cell engine
Xenon
P4
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Um pouco de História
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AMD Tahiti GPU Xilinx Virtex-7 FPGA Intel Xeon 7 CPU
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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
40
trigate
trigate sram
Source Drain
Gate
Source Drain
Gate
Source Drain
Gate
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A Indústria de Semicondutores
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Semicondutores: Densidade
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Semicondutores: Alimentação
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ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 44
Semicondutores: Faturamento Mundial
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Semicondutores: Faturamento Mundial
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Semicondutores: Mercado Mundial
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 47
Semicondutores: Mercado Mundial
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 48
Semicondutores: Principais Participantes
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 49
Semicondutores: Principais Participantes
ENG-04077 – Circuitos Eletrônicos I 50
Semicondutores: Principais Participantes