Apontamentos das aulas teóricas (parte 2)

Electrónica III
Ano lectivo 2006/2007
Emanuel G.B.C. Martins
(Parte 2)
UNIVERSIDADE DE COIMBRA
FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Versão 7 - 2006/12/19
1
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
2
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Teoria de base de um condensador comutado
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Integrador inversor feito com condensador comutado
4
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Integrador feito com condensador comutado
5
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Amplificador inversor feito com condensador comutado
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Filtro passa-baixo de 1ª ordem, Filtro passa-baixo RC com ganho
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- O problema das capacidades parasitas. Como é ultrapassado.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
-O problema das capacidades parasitas. Como é ultrapassado (2).
- Integrador não-inversor.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Filtro activo normal com ampops, resistências e condensadores.
- Mesmo filtro implementado com condensadores comutados.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Filtros disponíveis comercialmente: MF 10 da MAXIM
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Condensadores comutados programáveis, o princípio básico.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Filtro activos universais (biquadráticos) programáveis: o MAX 260
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Filtro activos universais (biquadráticos) programáveis: MAX 260 (2)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros de condensadores comutados
- Filtro activos universais (biquadráticos) programáveis: MAX 260 (3)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
(capítulo 12 do livro “Microelectronic circuits”, 4th edition)
- Condição de oscilação
- Controlo da amplitude
- Osciladores lineares com ampop e RC:
Oscilador em ponte Wien.
Oscilador por desvio de fase.
- Osciladores LC: Colpits, Hartley
- Osciladores a cristal
- Osciladores comandados por tensão (VCO)
- PLL e osciladores com PLLs
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Condição de oscilação
Critério de Barkhausen:
A(s) ×β(s) = 1
A fase do produto Aβ
tem que ser 0
O ganho de Aβ
tem que ser 1
Para o circuito oscilar apenas numa frequência, então
o critério só se poderá verificar numa frequência.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Controlo da amplitude
Sendo difícil manter as condições de oscilações é necessário garantir que
haja uma forma “automática” de manter o circuito a oscilar.
- Exemplo 1: Controlo de amplitude do “oscilador em ponte de Wien” usado
no trabalho prático nº 5.
- Exemplo 2 (fig. 12.3):
ganho reduz-se com a amplitude.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Osciladores lineares com ampop e RC: oscilador em ponte Wien.
Oscilador em ponte de Wien (trabalho prático nº 5):
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Oscilador em ponte Wien com estabilização da amplitude.
Oscilador em ponte de Wien (trabalho prático nº 5):
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Osciladores lineares com ampop e RC: oscilador de desvio de fase
Só oscila na frequência onde o desvio de fase é 0º (-180º do desvio de fase
e -180º do ganho negativo do amplificador)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Osciladores LC: Colpits , Hartley
- Não é praticável implementar osciladores com AmpOps acima dos
100kHz-1MHz, os ampops têm limitações de largura de banda e de
“slew-rate”.
- Para frequências acima de 100kHz costuma-se usar oscilador baseados
em transístor (MOSFET, BJTs)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Osciladores LC: Colpits , Hartley , frequências de oscilação
Frequência de oscilação do oscilador de Colpits:
ωO =
1
 CC 
L 1 2 
 C1 + C 2 
Frequência de oscilação do oscilador de Hartley:
ωO =
1
(L1 + L2 )C
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Análise breve do oscilador Colpits
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Esquema completo de um oscilador Colpits feito com BJT
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Cristal de Quartzo: esquema eléctrico equivalente
- os cristais tipo paralelo (99%)
têm uma frequência de oscilação
paralela muito estável com a
temperatura e com choque
Mecânico, ao contrário
dos “tanques LC”
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Osciladores e geradores de sinais
- Oscilador a cristal: oscilador Colpits com cristal paralelo.
- Os oscilador tipo o desenhado abaixo são os utilizados para implementar
a frequência de relógio dos microprocessadores (pelo menos é o mais
usado até 50MHz)
- Sem Rf não se estabelece um amplificador inversor e por isso o circuito
não oscila.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
(secções 12.4-12.7 12 do livro “Microelectronic circuits”, 4th edition)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Circuito biestável inversor.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Circuito biestável não-inversor.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Como fazer um gerador de onda rectangular com um circuito biestável
inversor, o multivibrador astável.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Multivibrador astável (2).
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Como gerar formas de onda triangulares com biestável não-inversor.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- “Formatar” as tensões de saída dos ampops
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Um multivibrador monoestável feito com ampop.
- Possui um estado estável,
- Tem um estado quase-estável, que pode ser “disparado” (“triggered”),
- Mantém “algum tempo” no estado temporário e depois volta ao estado estável.
Aplicações do circuitos monoestáveis: Temporizações simples.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- O circuito integrado 555,
- Multivibrador astável feito com circuito 555.
Circuito 555:
- Detectores de nível a 1/3Vcc e 2/3 Vcc,
- Flip-flop que indica o estado do circuito,
- Transístor de descarga para facilitar
a implementação de um astável.
Multivibrador astável feito com o C.I. 555:
- Condensador C carrega desde 1/3Vcc até
2/3 Vcc pela resistências RA e RB.
- Quando VC atinge 2/3 Vcc é dada uma
ordem de “reset” ao Flip-Flop RS
- O transístor Q1 descarrega C através de
RB até que VC = 1/3Vcc.
- O comparador 2 faz um “set” ao Flip-Flop
RS. O transístor Q1 é desligado.
- Volta a repetir-se a carga do
condensador.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Monoestável feito com circuito integrado 555.
Monoestável feito com o C.I. 555:
- Entrada (-) do comparador 2 é
é mantida a +Vcc. Estado estável.
Q1 está sempre ligado. VC=0.
- Quando entrada (-) vai abaixo de
1/3Vcc, então o flip-flop passa a “set”,
desliga Q1 e C começa a carregar.
- Quando VC=2/3Vcc o flip-flop é
desligado. Espera novo
“trigger”.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Oscilador controlado por tensão, VCO – “Voltage Controlled Oscillator”
- O C.I. 74HC4046 , “CMOS Phase Lock Loop”
VCO feito com multivibrador astável:
- Um entrada em tensão
controla uma
fonte de corrente
- Se a corrente é elevada, o
condensador
carrega/descarrega
depressa
- Se a corrente é pequena, o
condensador
carrega/descarrega
devagar.
- A frequência de VCO out é
tanto maior quanto maior for VCO in
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- O C.I. 74HC4046 , “CMOS Phase Lock Loop”
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Geradores de ondas rectangulares e de pulsos
- Oscilador programável feito com PLL e VCO
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Esquema genérico
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Esquema genérico com protecção de curto-circuito na saída
42
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Esquema interno do 78xx (Motorola)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Esquema interno do 78xx (National)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Esquema tipo de um regulador linear de tensão com Darlington NPN
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Esquema tipo de um regulador linear de tensão “low-dropout”
46
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Comparação entre os reguladores “standard” e “low-dropout”
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão lineares
- Aplicações menos usuais com reguladores de tensão.
(Datasheet do regulador 78xx da ST)
- Regulador de corrente constante
- Circuito para aumentar a tensão de saída
- Regulador de tensão de elevada corrente
- Protecção de curto-circuito
- Regulador com entrada de alta-tensão.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Topologias básicas DC-DC com indutores
(consulta na net) (cópia local)
(consulta na net) (cópia local)
- Buck converter step-down
- Boost converter step-up
- Buck-boost converter
- Flyback converter
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Buck converter, step-down
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Buck converter, step-down (2)
51
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Boost converter, step-up
52
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Boost converter, step-up (2)
53
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Buck-Boost converter, Flyback converter
54
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Buck-Boost converter, Flyback converter (2)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Flyback com transformador
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Flyback converter isolado (2)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Como se faz o controlo do comutador em função da tensão à saída?
- O erro entre uma fracção da
tensão de saída da fonte e uma
tensão de referência é
ligeiramente amplificado (10 a
20 vezes) e a tensão resultante
é entregue a um comparador.
- A tensão de erro é comparada
com uma tensão variável em
rampa
-Se a tensão de saída estiver
“fraca” então o transístor de
comutação vai estar mais tempo
ligado (tipicamente com duty
cycles até 75%)
- Se a tensão de saída estiver
“forte”, então o “duty cycle” é
muito pequeno (10% ou menos)
ou mesmo nulo.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Limitação da corrente máxima no controlo PWM.
- Outra forma de controlar o
PWM é por análise da corrente
que está a atravessar o o
transístor (só para topologias
“step-up” e “flyback”).
- Se a tensão de saída é
“baixa”, então é permitido que a
corrente na bobina atinja
valores mais elevados.
- Se a tensão de saída é “alta”
então o comutador desliga para
correntes de pico mais baixas.
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
- Controlo da tensão por erro de tensão e limitação da corrente.
- Nos reguladores actuais das SMPS é normal fazer o controlo do “duty-cycle”
baseado no erro da tensão de saída comparado com um sinal em rampa, mas,
limitado por forma a não se ultrapassar uma corrente limite que implicaria a
destruição do transístor MOSFET.
(Exemplo: reguladores TOP Switch da power integrations www.powerint.com)
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Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Reguladores de tensão comutados
-Controlo da tensão de saída por número de pulsos ligados.
(Reguladores TNY da power integrations www.powerint.com)
- Uma outra forma de controlar a tensão de saída é enviar pulsos de corrente
máxima controlada. Sempre que a tensão se saída estiver “boa”, então não é
enviado nenhum pulso.
- Em vez de se controlar a duração do pulso pelo erro de tensão ou pela corrente
máxima, controla-se se é para enviar um pulso completo (tensão de saída é fraca)
ou não (tensão de saída está aceitável).
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