Fundamentos de Microeletrônica, 2ª edição

Autor(es): RAZAVI, Behzad
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Fundamentos de Microeletrônica adota uma perspectiva moderna e intuitiva sobre o tema, abordado profunda e extensamente, visando fornecer uma exposição ampla dos princípios de análise e síntese, muito úteis aos estudantes de graduação e de pós-graduação e, ainda, aos profissionais que ingressam no mercado de trabalho.

Com esse objetivo, o autor formula enunciados que retratam necessidades reais da criação e utilização de circuitos, para que os leitores sejam estimulados a pensar nas soluções propostas e que serão amplamente utilizadas na prática. São discutidos falhas e acertos desse processo, mediante a avaliação de cada componente e da lógica envolvida para a montagem do circuito. Realiza-se, assim, uma análise por inspeção que permite descrever e mapear os blocos elementares de forma rápida e dinâmica. Entre as novidades desta edição, está um capítulo inédito sobre osciladores, elementos indispensáveis para a maioria dos dispositivos.

Este livro conta com diversos materiais suplementares, disponíveis mediante cadastro, no GEN-IO, ambiente virtual de aprendizagem do GEN | Grupo Editorial Nacional.

18 capítulos

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1 - Introdução à Microeletrônica

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1

Introdução à Microeletrônica

Ao longo das últimas cinco décadas, a microeletrônica revolucionou nossas vidas. Há alguns anos, telefones celulares, câmeras digitais, computadores portáteis e muitos outros produtos eletrônicos estavam além do reino das possibilidades; hoje, fazem parte de nossa vida cotidiana.

Aprender microeletrônica pode ser divertido. À medida que aprendemos como cada dispositivo funciona, como os dispositivos contêm circuitos que executam funções interessantes e úteis, e como os circuitos formam sistemas sofisticados, começamos a ver a beleza da microeletrônica e a entender as razões de seu crescimento exponencial.

Este capítulo apresenta uma visão geral da microeletrônica e prepara um contexto para o material exposto no livro.

Damos exemplos de sistemas microeletrônicos e identificamos as importantes “funções” de circuitos empregadas. E também fazemos uma revisão da teoria básica de circuitos para refrescar a memória do leitor.

Exemplo

 

2 - Física Básica de Semicondutores

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2

Física Básica de Semicondutores

Circuitos microeletrônicos são baseados em complexas estruturas de semicondutores, que têm sido alvo de pesquisa há seis décadas. Embora este livro trate de análise e síntese de circuitos, devemos enfatizar, logo no início, que um bom entendimento de dispositivos é essencial ao nosso trabalho. A situação é similar

à de vários outros problemas de engenharia; por exemplo, não

é possível projetar um automóvel de alto desempenho sem um conhecimento detalhado do motor e de suas limitações.

Contudo, nos deparamos com um dilema. Nosso estudo da física de dispositivos deve ser profundo, de modo a permitir um entendimento adequado do assunto, mas também deve ser breve, para que passemos logo ao estudo de circuitos. O presente capítulo faz isso.

O objetivo final do capítulo é o estudo de um dispositivo versátil e muito importante chamado “diodo”. No entanto, assim

como devemos comer verduras e legumes antes da sobremesa, devemos desenvolver um entendimento básico de materiais

 

3 - Modelos de Diodos e Circuitos com Diodos

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3

Modelos de Diodos e

Circuitos com Diodos

Depois de estudar a física de diodos no Capítulo 2, passaremos, agora, ao próximo nível de abstração e trataremos de diodos como elementos de circuito para, ao final, discutirmos interes-

Diodos como

Elementos de Circuitos

• Retificadores

• Circuitos Limitadores e de Corte (Clamping)

DIODO IDEAL

Para que entendamos a utilidade de diodos, estudemos, brevemente, o projeto de um carregador de telefone celular. O carregador converte a tensão AC da linha – 110 V1 a 60 Hz2

– em uma tensão DC de 3,5 V. Como mostrado na Figura

3.1(a), isso é feito da seguinte maneira: primeiro, por meio de um transformador, a tensão AC é reduzida a cerca de 4 V e, a seguir, a tensão AC é convertida em uma grandeza DC.3 O mesmo princípio se aplica a adaptadores que alimentam outros dispositivos eletrônicos.

De que forma a caixa-preta na Figura 3.1(a) efetua essa conversão? Como ilustrado na Figura 3.1(b), a saída do transformador exibe um conteúdo DC nulo, pois os semiciclos positivo e negativo correspondem a áreas iguais, o que resulta em uma média nula. Agora, suponhamos que essa forma de onda seja aplicada ao misterioso dispositivo que deixa passar os semiciclos positivos e bloqueia os negativos. O resultado tem uma média

 

4 - Física de Transistores Bipolares

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4

Física de Transistores Bipolares

O transistor bipolar foi inventado por Shockely, Brattain e

Bardeen em 1945, no Bell Laboratories, e logo substituiu as válvulas a vácuo em sistemas eletrônicos, abrindo o caminho para circuitos integrados.

Neste capítulo, analisaremos a estrutura e o funcionamento de transistores bipolares, preparando-nos para o estudo de circuitos que empregam tais dispositivos. Seguindo o mesmo

Dispositivo

Controlado por

Tensão como

Elemento Amplificador

4.1

Estrutura de

Transistor

Bipolar

Funcionamento de Transistor

Bipolar

CONSIDERAÇÕES GERAIS

Na forma mais simples, um transistor bipolar pode ser visto como uma fonte de corrente controlada por tensão. Mostraremos, primeiro, como uma fonte de corrente desse tipo pode constituir um amplificador e, a seguir, por que dispositivos bipolares são

úteis e interessantes.

Consideremos a fonte de corrente controlada por tensão ilustrada na Figura 4.1(a), na qual I1 é proporcional a V1:

 

5 - Amplificadores Bipolares

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5

Amplificadores Bipolares

Depois de descrevermos a física e o funcionamento de transistores bipolares no Capítulo 4, trataremos, agora, de circuitos amplificadores que empregam estes dispositivos. Embora a área de microeletrônica envolva muito mais que amplificadores,

Conceitos Básicos

Análise do Ponto de Operação

• Impedâncias de

Entrada e de Saída

• Polarização Simples

• Polarização

• Autopolarização

• Análise DC e de

Pequenos Sinais

• Degeneração do Emissor

• Polarização de Dispositivos PNP

Este capítulo estabelece as bases para o restante do livro e é bem longo. A maior parte dos conceitos introduzidos aqui

é invocada de novo no Capítulo 7 (Amplificadores MOS). O leitor é, portanto, encorajado a fazer pausas frequentes para absorver o material em pequenas doses.

5.1

CONSIDERAÇÕES GERAIS

Recordemos, do Capítulo 4, que uma fonte de corrente controlada por tensão e um resistor de carga podem, juntos, formar um amplificador. Em geral, um amplificador produz uma (tensão ou corrente de) saída que é uma versão amplificada da (tensão ou corrente de) entrada. Como a maioria dos circuitos eletrônicos mostra e produz tensões,1 nossa discussão focará “amplificadores de tensão” e o conceito de “ganho de tensão”, vsaída /ventrada .

 

6 - Física de Transistores MOS

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6

Física de Transistores MOS

Hoje, a área de microeletrônica é dominada por um tipo de dispositivo chamado transistor de efeito de campo de metalóxido-semicondutor (MOSFET – Metal-Oxide-semiconductor

Field-Effect Transistor). Concebido em 1930, mas somente realizado, pela primeira vez, na década de 1960, MOSFETs (também chamados de dispositivos MOS) têm propriedades únicas, que levaram a uma revolução da indústria de semicondutores. Essa revolução culminou na invenção de microprocessadores que consistem em 100 milhões de transistores, chips de memória

Funcionamento do MOSFET

com bilhões de transistores e sofisticados circuitos de comunicação com enorme capacidade de processamento de sinais.

Nosso estudo de dispositivos e circuitos MOS seguirá o mesmo procedimento dos Capítulos 2 e 3 para as junções pn.

Aqui, analisaremos a estrutura e o funcionamento de MOSFETs e desenvolveremos modelos que sejam úteis na síntese de circuitos. No Capítulo 7, utilizaremos os modelos para estudar topologias de amplificadores MOS. O roteiro a seguir ilustra a sequência de conceitos que serão apresentados no capítulo.

 

7 - Amplificadores CMOS

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7

Amplificadores CMOS

A maioria dos amplificadores CMOS tem equivalente bipolar e, portanto, pode ser analisada da mesma forma. Este capítulo é desenvolvido de modo similar ao Capítulo 5: examinaremos as semelhanças e diferenças entre topologias de circuitos bipolares e CMOS. É recomendável que o leitor reveja o Capítulo 5, em

particular a Seção 5.1. Assumimos que o leitor seja familiarizado com conceitos como impedâncias I/O, polarização, análises DC e de pequenos sinais. O roteiro que seguiremos no capítulo é mostrado a seguir.

Amplificadores MOS

Conceitos Gerais

7.1

• Polarização de Estágios MOS

• Estágio Fonte Comum

• Realização de Fontes de

Corrente

• Estágio Porta Comum

CONSIDERAÇÕES GERAIS

7.1.1 Topologias de Amplificadores MOS

Recordemos, da Seção 5.3, que as nove possíveis topologias de circuitos com transistor bipolar, na verdade, se reduzem a três configurações úteis. O mesmo deve se aplicar a amplificadores

 

8 - Amplificador Operacional como Caixa-Preta

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8

Amplificador Operacional como Caixa-Preta

O termo “amplificador operacional” (amp op) foi cunhado na década de 1940, muito antes da invenção do transistor e de circuitos integrados. Amp ops realizados com válvulas a vácuo1 eram o núcleo de “integradores” e “diferenciadores” eletrônicos e de outros circuitos que formavam sistemas cujos comportamentos seguiam certas equações diferenciais. Esses circuitos, chamados de “computadores analógicos”, eram usados para estudar a estabilidade de equações diferenciais que surgem em áreas como sistemas de controle ou de potência. Como cada amp op implementava uma operação matemática (por exemplo, integração), o termo “amplificador operacional” foi criado.

Conceitos Gerais

• Propriedades de

Amp Ops

Circuitos Lineares

Baseados em Amp Ops

• Amplificador Não

Inversor

• Amplificador

Inversor

• Integrador e

Diferenciador

• Somador de Tensão

8.1

CONSIDERAÇÕES GERAIS

 

9 - Estágios Cascodes e Espelhos de Corrente

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9

Estágios Cascodes e

Espelhos de Corrente

Após o estudo de configurações básicas de amplificadores bipolar e MOS, neste capítulo consideramos dois outros blocos fundamentais. O estágio “cascode”1 é uma versão modificada das topologias emissor comum e fonte comum, e útil na síntese de circuitos de alto desempenho; o “espelho de corrente” é

Estágios Cascodes

• Cascode como Fonte de Corrente

• Cascode como Amplificador

9.1

Espelhos de Corrente

• Espelhos Bipolares

• Espelhos MOS

ESTÁGIO CASCODE

R saída1

9.1.1 Cascode como Fonte de Corrente

Vb

Recordemos, dos Capítulos 5 e 7, que o uso de fontes de corrente como carga pode aumentar, de forma significativa, o ganho de tensão de amplificadores. Também sabemos que um

único transistor pode operar como uma fonte de corrente, mas sua impedância de saída é limitada pelo efeito Early (no caso de dispositivos bipolares) ou pela modulação do comprimento do canal (no caso de MOSFETs).

 

10 - Amplificadores Diferenciais

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10

Amplificadores Diferenciais

O elegante conceito de sinais e amplificadores “diferenciais” foi inventado na década de 1940 e utilizado pela primeira vez em circuitos a válvulas. Desde então, circuitos diferenciais tiveram crescente uso em microeletrônica e se tornaram um paradigma

Considerações

Gerais

Par Diferencial

Bipolar

robusto e de alto desempenho em muitos dos sistemas atuais.

Este capítulo descreve amplificadores diferenciais bipolares e

MOS, e formula suas propriedades de grandes e de pequenos sinais. Os conceitos a serem estudados são delineados a seguir.

Par Diferencial

MOS

• Sinais

Diferenciais

• Análise

Qualitativa

• Análise

Qualitativa

• Par Diferencial

• Análise de

Grandes Sinais

• Análise de

Grandes Sinais

• Análise de

Pequenos Sinais

• Análise de

Pequenos Sinais

10.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS

10.1.1 Discussão Inicial

 

11 - Resposta em Frequência

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11

Resposta em Frequência*

A necessidade de operar circuitos em velocidades cada vez maiores sempre desafiou os projetistas. Dos sistemas de radar e televisão da década de 1940 aos microprocessadores da faixa de gigahertz da atualidade, a demanda por circuitos que funcionem em frequências mais elevadas exigiu um profundo entendimento de suas limitações de velocidade.

Neste capítulo, estudaremos os efeitos que limitam a velocidade de transistores e circuitos, e identificaremos as

Conceitos Fundamentais

• Regras de Bode

topologias mais adequadas à operação em altas frequências.

Desenvolveremos, também, habilidade para deduzir as funções de transferência de circuitos, uma tarefa importante na análise de estabilidade e na compensação em frequência (Capítulo 12).

Assumiremos que transistores bipolares permaneçam no modo ativo e MOSFETs, na região de saturação. O roteiro do capítulo

é mostrado a seguir.

Modelos de Transistores em Altas Frequências

 

12 - Realimentação

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12

Realimentação

Realimentação é uma parte integrante de nossas vidas. Com os olhos fechados, tente tocar a ponta de seus dedos; você pode não conseguir na primeira tentativa, pois a malha de realimentação que “regula” seus movimentos foi aberta. O papel regulador da realimentação se manifesta em sistemas biológicos, mecânicos e eletrônicos, permitindo a precisa execução de “funções”. Por

Considerações

Gerais

• Elementos de

Sistemas de

Realimentação

• Ganho da Malha

• Propriedades da

Realimentação

Negativa

Amplificadores e

Métodos de

Amostragem/Retorno

• Tipos de

Amplificadores

• Modelos de

Amplificadores

• Métodos de

Amostragem/Retorno

exemplo, um amplificador que deva alcançar um ganho exato de

2,00 é projetado de forma muito mais fácil com realimentação que sem realimentação.

Este capítulo apresenta os fundamentos de realimentação

(negativa) e sua aplicação em circuitos eletrônicos. O roteiro que seguiremos é mostrado abaixo.

 

13 - Osciladores

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13

Osciladores

A maior parte de nosso estudo nos capítulos anteriores focou na análise e no projeto de amplificadores. Neste capítulo, nossa atenção é dedicada a outra importante classe de circuitos analógicos, os osciladores. De notebooks a telefones celulares, os dispositivos eletrônicos da atualidade usam osciladores para diversas finalidades e apresentam interessantes desafios. Por

Osciladores em Anel

Considerações Gerais

• Critérios de Barkhausen

• Sistema de Realimentação

Oscilatório

• Condição de Oscilação

• Topologias de

Osciladores

exemplo, o relógio que ativa um microprocessador de 3 GHz

é gerado por um oscilador de 3 GHz integrado no chip. Um transceptor de WiFi emprega um oscilador de 2,4 GHz ou 5

GHz integrado no chip para gerar uma “portadora”. A Figura a seguir mostra o roteiro deste capítulo. O leitor é encorajado a rever o Capítulo 12 antes de mergulhar nos osciladores.

Osciladores LC

 

14 - Estágios de Saída e Amplificadores de Potência

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14

Estágios de Saída e

Amplificadores de Potência

Os circuitos amplificadores estudados nos capítulos anteriores têm como objetivo alcançar ganho elevado com adequados níveis de impedâncias de entrada e de saída. No entanto, muitas aplicações requerem circuitos que possam prover alta potência

à carga. Por exemplo, o telefone celular descrito no Capítulo

1 deve alimentar a antena com 1 W de potência. Como outro exemplo, sistemas de som estéreos fornecem dezenas ou centenas de watts de potência de áudio aos alto-falantes. Estes circuitos são chamados “amplificadores de potência” (APs).

Estágios Básicos

Considerações de

Grandes Sinais

• Seguidor de Emissor

• Estágio Push-Pull e Versões

Melhoradas

• Dissipação de

Potência

• Projeto de AltaFidelidade

• Avalanche

Térmica

O leitor pode se perguntar por que os estágios amplificadores estudados em capítulos anteriores não são adequados a aplicações de alta potência. Suponhamos que desejemos entregar 1 W a um alto-falante de 8 Ω. Aproximando o sinal por uma senoide com amplitude de pico VP, expressemos a potência absorvida pelo alto-falante como

 

15 - Filtros Analógicos

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15

Filtros Analógicos

Até aqui, nosso estudo da microeletrônica focou, principalmente, no problema de amplificação. Outra função importante e muito utilizada em sistemas eletrônicos é a de “filtragem”.

Por exemplo, um telefone celular incorpora filtros para suprimir sinais “interferentes” recebidos em adição ao sinal desejado.

Considerações

Gerais

• Características de Filtros

• Classificação de

Filtros

Filtros de Segunda

Ordem

• Casos Especiais

• Realizações RLC

• Função de

Transferência de Filtros

• Problema de

Sensibilidade

15.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS

Para definir os parâmetros que medem o desempenho de filtros, primeiro, façamos uma breve análise de algumas aplicações.

Suponhamos que um telefone celular receba um sinal desejado,

X(f), com largura de banda de 200 kHz e frequência central de

900 MHz [Figura 15.1(a)]. Como mencionado no Capítulo 1, o receptor deve transladar esse espectro para a frequência zero e, em seguida, “detectar” o sinal.

 

16 - Circuitos CMOS Digitais

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Circuitos CMOS Digitais

Em nossa vida cotidiana, é praticamente impossível encontrar dispositivos eletrônicos que não contenham circuitos digitais.

De relógios e câmeras fotográficas a computadores e telefones celulares, os circuitos digitais representam mais de 80 % do mercado de semicondutores. Entre os exemplos encontram-se microprocessadores, memórias e circuitos integrados para processamento digital de sinais.

Inversor CMOS

Considerações Gerais

• Característica Estática

• Característica Dinâmica

Este capítulo apresenta uma introdução à análise e síntese de circuitos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, ou semicondutor-metal-óxido complementar) digitais. O objetivo

é prover um entendimento detalhado de portas lógicas, no nível de transistores, para preparar o leitor para cursos sobre projeto digital. O roteiro do capítulo é delineado a seguir.

• Característica de

Transferência de Tensão

• Comportamento Dinâmico

 

17 - Amplificadores CMOS

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17

Amplificadores CMOS1*

Depois de descrevermos a física e o funcionamento de transistores MOS no Capítulo 6, agora trataremos de circuitos amplificadores que empregam estes dispositivos. Embora o campo de microeletrônica envolva muito mais que amplificadores, nosso

• Impedâncias de

Entrada e de Saída

Análise do Ponto de Operação

• Polarização Simples

Topologias de

Amplificadores

• Estágio Fonte Comum

• Polarização

• Degeneração de Fonte

• Estágio Porta Comum

• Análises DC e de

Pequenos Sinais

• Autopolarização

• Seguidor de Fonte

Conceitos Básicos

• Polarização de

Dispositivos PMOS

Este capítulo estabelece a base para o restante do livro e é bem longo. A maioria dos conceitos introduzidos aqui é invocada de novo no Capítulo 5 (amplificadores bipolares). Portanto, o leitor é encorajado a fazer pausas frequentes, para absorver o material em pequenas doses.

17.1

 

APÊNDICE A - Introdução ao SPICE

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A

Introdução ao SPICE

Os circuitos encontrados em microeletrônica podem conter alguns poucos ou alguns milhões de dispositivos.1 Como podemos analisar e projetar estes circuitos? À medida que aumenta o número de dispositivos em um circuito, a análise manual se torna mais difícil e, a partir de certo ponto, o emprego de outros métodos se faz necessário. Por exemplo, podemos construir um protótipo com o uso de componentes discretos e observar seu comportamento. Entretanto, dispositivos discretos proveem apenas uma aproximação pobre para os modernos circuitos integrados. Além disso, mesmo com algumas poucas centenas de dispositivos, protótipos discretos se tornam excessivamente complexos.

A microeletrônica atual faz intenso uso de programas de simulação em computador. Uma ferramenta versátil empregada para prever o comportamento de circuitos é o pacote de software

Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – SPICE

(Programa para Simulação com Ênfase em Circuitos Integrados). Embora tenha sido originalmente desenvolvido como uma ferramenta de domínio público (na Universidade da Califórnia,

 

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