Diapositivos da unidade curricular de Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC

(1)

Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC

Diapositivos das aulas de

Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC

Nuno Garrido ISCTE-IUL, Abril 2012

(2)

Circuitos e Sistemas Electrónicos para TIC

 Programa

1. Circuitos analógicos básicos

2. Circuitos osciladores e malhas de captura de fase

3. Circuitos de conversão A/D e D/A

4. Filtros analógicos

5. Circuitos digitais

(3)

Circuitos analógicos básicos 2

 Circuitos analógicos básicos

• Amplificador operacional (AMPOP) e circuitos básicos

‐ Modelo ideal do AMPOP: definições e características

‐ Montagens: inversor, não inversor, seguidor, diferenciador, integrador

‐ Circuito somador, subtractor, e amplificador de instrumentação

‐ Comparador de Schmitt-trigger

‐ Limitações dos AMPOPs reais

• Implementação de AMPOPs

‐ Estudo do par diferencial: tecnologias bipolar e MOS

‐ AMPOPs de um andar: cargas passivas e activas

‐ AMPOPs de dois ou mais andares

• Estabilidade de um amplificador operacional

(4)

AMPOP ideal

Definições e equações Zona linear e zonas de saturação

Equações do AMPOP ideal

0

i

i_  _  _{zona linear ou saturação}

) v v ( A v_O   _  _ _{zona linear} dd O V v   v_  v_  saturação ss O V v   v_  v_ Aproximações    v

v (válida na zona linear)

Definições

A  Ganho estático do AMPOP

dd

V  Alimentação positiva do AMPOP

ss

V  Alimentação negativa do AMPOP

Zona Linear Zona Saturação positiva Zona Saturação negativa Vdd Vss 0 v+ – v -vO i- i+

(5)

AMPOP ideal

Característica de transferência

(6)

AMPOP real

Característica de transferência Polarização e funcionamento dinâmico

(7)

Montagem de ganho inversor

(a) Análise usando ganho estático A (b) Análise aproximada: ganho elevado

Circuitos analógicos básicos 6 i O v R R v    1 2

(8)

Montagem seguidora Montagem não-inversora

Circuitos analógicos básicos 7 i O

v

R

v

_

















1 2

1

i O

v



(9)

Montagem integradora Montagem diferenciadora

(10)

Montagem somadora Montagem subtractora

Circuitos analógicos básicos 9 f O

R

v

R

v

_



















2 2 1 1 2 1 2 1 4 3 4 1 1 2

_v

R

v

R

v

_O















(11)

Montagem subtractora

Aplicação do teorema da sobreposição

Circuitos analógicos básicos 10 2 1 2 1 4 3 4 1 1 2

_v

R

v

R

v

_O















1 1 2 1 v R R v_O    _           1 2 2 4 3 4 2 1 R R v R R R v_O

(12)

Amplificador de instrumentação

Impedância de entrada elevada e boa rejeição de modo comum



₂ ₁



1 2

2

1 v

v

A

R

v

_O















 





(13)

Amplificador de instrumentação

Cálculo da expressão de saída



₂ ₁



1 2

2

1 v

v

A

R

v

_O















 







_{ }

_

2 1 2 1 2 v v AR AR R v v_O  _O     2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 O O O v R R R R R R v R R v        



₂ ₁



1 2 O O O v v R R v  



₂ ₁



1 2 2 1 v v A v v_O _O          





i R A v v    ₂ 1 i i

(14)

Comparador Schmitt-trigger

(circuito bi-estável) Na figura é visível a zona de histerese

Circuitos analógicos básicos 13 2 1 1 R R R L V_TL    _ 2 1 1 R R R L V_TH    _

(15)

Comparador Schmitt-trigger

Evita picos na saída por comutações

indevidas devido a ruído na entrada

(16)

Limitações do AMPOP real

Limitação de ganho e de largura de banda

(17)

Limitação da derivada de v_o(Slew-rate)

declive = SR (Slew-rate) declive = SR (Slew-rate)

(18)

Efeito da SR quando a entrada é uma sinusóide de alta frequência

declive = SR (Slew-rate) sinusóide de entrada

(19)

Implementação de um par diferencial em tecnologia bipolar

Característica de transferência

Circuitos analógicos básicos 18              T V i F v I i 1               T V i F v I i 1  

















T i C F O

v

I

R

v

2 tanh



(20)

Implementação de um par diferencial em tecnologia NMOS

Característica de transferência

Circuitos analógicos básicos 19 4 2 2 2 i i D v k I k v I i _       4 2 2 2 i i D v k I k v I i _       2 2 2 _i D i O v R k I k v v      

(21)

Cargas activas em tecnologia bipolar e CMOS

(22)

Par diferencial PMOS com carga activa

(23)

AMPOP de dois andares em tecnologia CMOS

Malha de compensação de Miller

(24)

Resposta em frequência do AMPOP

Estabilidade, margem de fase e de margem de ganho





180 º

]

º

[

fase

de

Margem





f

_A_₀_dB





180º



0 [dB]

ganho

de

Margem





A

f

___

(25)

Efeito da compensação de Miller na resposta em frequência do AMPOP

(26)

Analise de estabilidade usando o diagrama de Bode do AMPOP

(27)

Circuito de polarização DC de um AMPOP CMOS

(28)

AMPOP de três andares (741)

(29)

Multiplicador de Gilbert de dois quadrantes

(v₂ não pode tomar valores negativos)

















T p C F O

v

tanh

I

R

v

2 

p i O

v





p T i C F O

v

R

v





2 

 

x x tanh x   

(30)

Multiplicador de Gilbert de quatro quadrantes Usado em sistemas de modulação































T T C F O

v

tanh

v

tanh

I

R

v

2

2 1 2



 

x x tanh x    T T C F O

v

I

R

v

2

2 1 2

_





2 1

v

_O





(31)

Osciladores e PLLs 31

 Osciladores e malhas de captura de fase

• Osciladores

‐ Oscilador em anel

‐ Oscilador de Pierce (cristal)

‐ Oscilador de onda triangular

‐ Oscilador de relaxação (aestável)

‐ Oscilador aestável digital

• Malhas de captura de fase (PLLs)

‐ Definições e funcionamento

(32)

Oscilador em anel

(N impar e superior ou igual a três) O período do sinal é T=2·N·t_p Osciladores e PLLs 32 p osc t f  1 p osc t N f    2 1

(33)

Oscilador de Pierce Modelo equivalente da impedância do cristal Osciladores e PLLs 33 cristal osc f f 

(34)

Oscilador de onda triangular Montagem integradora e um comparador Schmitt-trigger Osciladores e PLLs 34 1 TH TL T V V RC L declive    2 TL TH T V V RC L declive    L L  V V  RC L L T T f TL TH 2 1 osc 1 1 1             RC f_osc  1

(35)

Oscilador de relaxação (aestável)

Comparador Schmitt-trigger e filtro passa-baixo de 1ª ordem

RC f_osc  1

(36)

Oscilador aestável digital

Evolução temporal das tensões

RC f_osc  1

(37)

Malha de captura de fase

Phase Locked Loop (PLL) Osciladores e PLLs

(38)

Multiplicador de frequência

Realizado usando uma malha de captura de fase e um contador mód. M

Osciladores e PLLs 38 M f f_i  O i O M f f   i f i v O f

(39)

Sintetizador de frequência Equações Osciladores e PLLs 39 M f f N f _O X i   N f M f i O   M f f N f f X i X O   N f M f i O   i f O f X f X f fO i f i v i v

(40)

 Conversores A/D e D/A

• Sistema de processamento de sinal

‐ Amostragem: circuito de sample&hold

• Conversores D/A

‐ Conversor D/A com base num agregado binário de resistências

‐ Conversor D/A com base numa malha R-2R

‐ Conversor D/A paralelo (flash)

• Conversores A/D

‐ Conversor A/D paralelo (flash)

‐ Conversor A/D por aproximações sucessivas

‐ Conversor A/D de dupla-rampa

(41)

Sistema de processamento de sinal

Sinal de entrada v_i

Sinal amostrado v_s

Conversores D/A e A/D 41

(42)

Circuito de Sample-and-hold (S/H)

Amostragem de um sinal a f_s=1/T Conversores D/A e A/D

(43)

Conversor D/A (N-bits) usando um agregado binário de resistências

(44)

Conversor D/A (N-bits) com base numa malha resistiva R-2R

(45)

Conversor D/A (N-bits) flash (ou paralelo)

(46)

Conversor D/A flash

Descodificador 3-8 bits

(47)

Conversor A/D (N-bits) flash (ou paralelo)

(48)

Conversor A/D flash

Codificador 8-3 bits (código termómetro para binário)

(49)

Conversor A/D (N-bits) por aproximações sucessivas (SAR)

(50)

Conversor A/D (N-bits) de dupla rampa

(a tensão de entrada v_A é negativa)

Conversores D/A e A/D 50 T V RC v T V N peak A peak 2 1   T V v T N Ref A ₂ 2    T N 2 RC V T V_peak _Ref   2 N Ref A V v 2   

(51)

Conversor A/D multi-passo (pipeline) Este conversor usa uma arquitectura

de 2 bits por andar

(52)

Conversor A/D multi-passo (pipeline) Arquitecturas de 1 bit

e de 2 bits por andar

Conversor A/D de 5 bits (1 bit/andar)

Conversor A/D de 6 bits (2 bit/andar)

(53)

Filtros 53

 Filtros

• Classificação de filtros

‐ Passa-baixo; passa-alto; passa-banda; rejeita-banda

• Estudo e dimensionamento de filtros

‐ Análise no domínio da frequência

‐ Diagrama de Argand

‐ Diagrama de Bode

‐ Análise no domínio do tempo

• Filtros de 1ª e 2ª ordem

‐ Filtros passivos

‐ Filtros Activos (AMPOP-RC)

(54)

Filtro genérico

Função de transferência no domínio da Transformada de Laplace

Filtros 54

(55)

Filtro passa-baixo

Bandas de passagem, banda de corte e banda de transição. Ondulação

Filtros 55

(56)

Filtro passa-alto

Especificação de filtros

Filtros 56

(57)

Filtro passa-banda

Filtros 57

(58)

Filtro rejeita-banda

Filtros 58

(59)

Filtro passa-baixo

Diagrama de amplitude e diagrama de fase (um pólo em s=

w

_o)

Filtros 59

(60)

Filtro passa-alto

(um zero em s=

0

e um pólo em s=

w

_o)

Filtros 60

(61)

Filtros passivos

Passa-baixo de 1ª ordem Análise do domínio da frequência

Filtros 61

(62)

Passa-alto de 1ª ordem Análise do domínio da frequência

Filtros 62

(63)

Filtro genérico de 1ª ordem (um pólo e um zero)

Filtros 63

(64)

Passa-baixo e passa-alto de 1ª ordem Análise do domínio do tempo

Filtros 64 ) ( ) ( ) ( v t t t v RC t v_O O  _i    1 ) (  t O t v   ₍ ₎  t O t v  1 1 1 1 ) ( ) ( ) (      SCR R SC SC S v S v S H i O 1 1 ) ( ) ( ) (      SCR SCR R SC R S v S v S H i O ) ( ) ( ) ( v t t t v RC t v_C C  _i    ) ( ) ( ) (t v t v t v_O  _i  _C ) ( ) (t v t v_O  _C

(65)

Filtros activos AMPOP-RC

Passa-baixo e passa-alto de 1ª ordem Análise do domínio da frequência

Filtros 65

(66)

Passa-baixo de 2ª ordem Análise do domínio da frequência

Filtros 66

(67)

Passa-alto de 2ª ordem Análise do domínio da frequência

Filtros 67

(68)

Passa-banda de 2ª ordem Análise do domínio da frequência

Filtros 68

(69)

Filtros activos AMPOP-RC Filtro Sallen-Key (passa-baixo e passa-alto) Filtros 69 V_hp– saída passa-alto V_lp – saída passa-baixo





C C R R C R R S R R S C C R R ) S ( T_lp 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 1 1     Q S S ) S ( T O O O lp 2 2 2 w ww _  





C C R R C C R S C C S S ) S ( T_hp 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 2 1     C C R R O 2 1 2 1 1  w 2 1 2 1 2 1 1 C C R R R R Q   C C R R O 2 1 2 1 1  w 1 2 1 2 2 1 1 R C C R C C Q  

(70)

Filtros activos AMPOP-RC Filtro Tow-Thomas (passa-baixo e passa-banda) Filtros 70 V_lp – saída passa-baixo V_bp– saída passa-banda Q S S K ) S ( T O O O lp 2 2 2 w ww _    RC O 1  w C R RC Q S S C R K ) S ( T_lp 2 2 2 2 2 1 1      Q Q 

(71)

Filtros activos AMPOP-RC Filtro Kerwin-Huelsman-Newcomb (genérico) Filtros 71 V_lp – saída passa-baixo V_bp– saída passa-banda V_hp– saída passa-alto Q S S K ) S ( T O O O lp 2 2 2 w ww _    C R RC Q S S C R K ) S ( T_lp 2 2 2 2 2 1 1      RC O 1  w 2 R R Q 2 3         1 1 f R R Q K 2 1  

(72)

Filtros passivos ou activos

Filtros mais comuns:

Butterworth, Chebyshev e elíptico Filtros

(73)

Filtro de Butterworth de 2ª ordem Análise do domínio da frequência

Filtros 73 ) ( 2 2 2 O O O Q S S S T w ww _   707 . 0 2 1 _  Q Q Q j j S T O O O O O O       ) ( 2 2 2 w w w w w w 3dB ) ( log 20 T jw_O 

(74)

Filtro de Butterworth de ordem N Pólos dividem o semi-plano em N fatias

Filtros 74



 10Amax/101



1

(75)

Filtro de Butterworth de 2ª ordem Análise do domínio do tempo

Filtros 75

Os filtro de Butterworth minimizam o tempo de estabilização

(76)

Circuitos digitais 76

 Circuito digitais

• Tecnologias de fabrico de circuitos digitais

• Características eléctricas

‐ Definição dos níveis lógicos

‐ Tempos de comutação e de propagação

• Implementação e análise de circuitos lógicos

‐ Portas lógicas RTL

‐ Portas lógicas DTL

‐ Portas lógicas TTL e STTL

‐ Portas lógicas NMOS e CMOS

‐ Latchs e Flip-flops

(77)

Tecnologias de fabrico de circuitos integrados digitais

(78)

Característica de transferência v_o(v_i) de um inversor genérico

(79)

Tempos de propagação e de transição de nível lógico de um inversor genérico

(80)

Inversor lógico em tecnologia RTL

Característica de transferência Zonas de funcionamento do transístor

(81)

Inversor lógico em tecnologia RTL

Tempos de comutação

(82)

NAND em tecnologia RTL

Implementação de uma porta lógica universal

(83)

NAND em tecnologia DTL

(84)

NOT em tecnologia TTL

Implementação e característica

(85)

Funcionamento e equações (saída a Low)

(86)

Funcionamento e equações (saída a High)

(87)

NAND em tecnologia TTL

Implementação de uma porta lógica universal

(88)

NAND em tecnologia STTL

Implementação de uma porta lógica universal (com diodos de Schottky)

(89)

Inversor lógico em tecnologia NMOS

Característica de transferência zonas de funcionamento

(90)

Inversor lógico em tecnologia NMOS

(usa um transístor NMOS de depleção) Característica de transferência

(91)

Inversor lógico em tecnologia CMOS

Característica de transferência: zonas de funcionamento dos transístores

(92)

Modelos equivalentes

(93)

Modelos equivalentes (saída a Low e saída a High)

(94)

Tempos de comutação

(95)

NOR e NAND em tecnologia CMOS

Implementação de portas lógicas universais

(96)

NOR e NAND em tecnologia CMOS

Implementação de portas lógicas com fan-in elevado

(97)

Interruptor em tecnologia CMOS

Implementação e funcionamento

(98)

Latch SR em tecnologia CMOS

Característica de transferência v_o(v_i)

(99)

Latch SR em tecnologia CMOS

Implementação

(100)

Célula de memória estática SRAM

(Static Random Access Memory) Implementada por um flip-flop SR

Circuitos digitais 100

(101)

Célula de memória dinâmica DRAM

(Dynamic Random Access Memory)

(102)

Implementação de memória RAM

de 2M+N _bits Matriz de 2M_{linhas por 2}N_colunas Circuitos digitais

(103)

Implementação de memória ROM

(Read Only Memory) Matriz de 8 palavras x 4 bits