Os circuitos integrados
Os circuitos integrados, na verdade não consistem em componentes, mas sim em conjuntos de componentes montados num processo único de fabricação capazes de exercer funções muito complexas. Diversos tipos são encontrados nas aplicações eletrônicas e é deles que trataremos nesta lição.
CIRCUITOS INTEGRADOS
Na realidade, não podemos considerar o circuito integrado um componente eletrônico, mas sim um conjunto de componentes fabricados numa pastilha de silício já interligados e montados num invólucro comum. A idéia básica do circuito integrado surgiu ao se tentar responder as seguintes questões:
- Porque temos de fabricar todos os componentes de um circuito separadamente e depois interligá-los para obter o aparelho que desejamos?
- Não seria possível fabricar todos os componentes num único processo já interligados de modo a termos o aparelho ou o circuito que desejamos?
A resposta para estas questões veio na forma do circuito integrado ou CI (nas publicações em inglês IC). O circuito integrado consiste numa pequena pastilha de silício que contém um determinado número de componentes tais coo transistores, resistores, diodos e capacitores, já interligados por trilhas ou regiões condutoras de modo a formar um circuito completo. Os componentes e trilhas são formados por um complexo processo de fabricação que envolve a difusão de impurezas, foto-impressão e corrosão.
Na figura 1 temos uma idéia de que modo podemos integrar componentes numa pastilha de silício.
Num substrato de material N, regiões P podem ser criadas para formar um diodo. Se na região P de um diodo, for dufundida uma outra região N teremos um transistor. Um capacitor pode ser formado polarizando-se no sentido inversor uma regão P e um N que formam uma junção. Um resistor pode ser formado através de uma região P entre duas regiões N formando uma trilha cujo comprimento, largura e espessura determinam a resistência.
Numa única pastilha de silício podemos integrar circuitos completos contendo desde poucos componentes como no caso dos transistores Darlington até milhões de componentes como na pastilha de um microprocessador. A pastilha de Pentium, por exempo, contém mais de 10 000 000 de componentes integrados!
A principal vantagem no uso do circuito integrado está no fato de que ele pode conter o circuito que desejamos quase que completo, precisando apenas de alguns componentes adicionais externos. Assim, no caso de um amplificador, precisamos apenas de poucos capacitores externos, os jaques de entrada e saída e o controle de volume e tom.
Símbolo e tipos
Na figura 2 temos o símbolo genérico para representar o circuito integrado. Nos diagramas estes símbolos são acompanhados da identificação para podermos saber o que são e o que fazem.
O número de terminais varia de acordo com a complexidade do circuito integro podendo ir de 3 a mais de 200 como por exemplo no caso dos microprocessadores usados nos computadores.
Especificações e tipos
Existem hoje milhões de tipos diferentes de cirucitos integrados. Cada um deles é identificado por um código de seu fabricante e somente com os manuais destes fabricantes podemos saber o que cada um faz.
Para maior facilidade de entendimento dividimos estas funções comuns em dois grandes grupos: analógicas e digitais.
Analógicas
Circuitos integrados analógicos trabalham com correntes contínuas e também com sinais analógicos, ou seja, sinais de áudio, video, RF, etc. Um sinal analógico pode assumir qualquer valor entre dois limites. Eles são diferentes dos sinais digitais que assumem apenas dois valores fixos que representam 0 e 1.
No grupo dos circuitos integrados analógicos encontramos os reguladores de tensão, amplificadores, operacionais, amplificadores de áudio, etc. Vamos analisar cada um separadamente:
Reguladores de Tensão
A finalidade de um reguador de tensão é manter constante a tensão que alimenta um circuito independentemente de seu consumo (quando a corrente varia) ou quando a tensão de entrada varia. Uma das série mais populares é a de reguladores de 3 terminais 78XX, em que o XX do tipo indica a tensão de saída. Assim, o 7806 é um regulador de 6 V que pode fornecer correntes de até 1A . O 7812 fornece 12 V sob corrente de até 1 A, e assim por diante.
Fontes chaveadas e fontes variáveis também usam outros circuitos integrados bastante conhecidos. O LM350 por exemplo, pode ter ajustada a tensão de saída para valores entre 1,2 e 30 V sob corrente de até 3 A .
Símbolos e aspectos
Na figura 3 temos o símbolo adotado para representar estes componente e os aspectos dos tipos mais comuns.
Especificações
Como qualquer outro tipo de circuito integrado eles são especificados pelos códigos de fábrica. No entanto, quando trabalhamos com estes CIs precisamos estar atentos a três de suas princpais especificações:
a) Tensão máxima de entrada - é a máxima tensão que podemos aplicar na entrada do CI.
b) Tensão de saída - que é a tensão que o circuito integrado vai entregar ao circuito de saída e que tanto pode ser fixa como estar numa faixa de valores.
c) Corrente máxima de saída - que é a corrente máxima que o circuito alimentado pode consumir.
Onde são encontrados
Os reguladores de tensão são encontrados em praticamente todos os equipamentos eletrônicos modernos. Eles garantem que os circuitos eletrônicos sensíveis recebam uma tensão constante independente de variações que ocorrem no próprio circuito ou na tensão de entrada.
Teste
O teste mais simples de um CI regulador consiste em se aplicar na sua entrada uma tensão pelo menos 2 V maior do que a se espera na saída, e verificar se na saída temos a tensão espetara. O multímetro pode ser usado para se medir esta tensão de saída. Normalmente, basta verificar se no circuito em que ele se encontra, a tensão no terminal de saída confere com a esperada.
Amplificadores Operacionais
Amplificadores operacionais (AO ou OA) são circuitos de uso geral que originalmente foram criados para fazer operações matemáticas com sinais elétricos em antigos computadores analógicos. Um amplificador operacional tem uma entrada inversora (-), uma entrada não inversora (+) e um terminal de saída. Os sinais aplicados na entrada inversora têm sua fase invertida ao serem amplificados, conforme mostra a figura 4.
O ganho (número de vezes que ele amplifica um sinal) depende do circuito de realimentação normalmente um resistor ou rede ligada entre a sáida e a entrada inversora.
Os amplificadores operacionais podem ser encontrados numa infinidade de tiopos e configurações. Existem casos em que num único circuito integrado podemos encontrar dois e até quatro amplificadores operacionais independentes mas de mesmas características.
Símbolo
Na figura 5 mostramos o símbolo adotado para representar um amplificador operacional.
Alguns amplificadores operacionais têm entradas adicionais para controles especiais, compensações de frequência e outras.
Especificações
Os amplificadores operacionais são identificados por um código de fábrica. Existem tipos comuns em que antes do número (que se mantém) temos um grupo de letras que identifica o fabricante. Do código de fábrica, consultando as filhas de dados ou manuais podemos ter acesso as características elétricas de cada componente. As principais características são:
a) Ganho sem realimentação (open loop) - é o ganho máximo do amplificador, sem realimentação. Este ganho varia entre 1 000 a 1 000 000 para os tipos comuns.
b) Faixa de tensões de alimentação - é a faixa de tensões que o amplificador pode operar odendo variar entre 0,9 e 40 V para os tipos comuns
Neste ponto devemos observar que em muitas aplicações os amplificadores operacionais precisam de um tipo especial de fonte de alimentação existem tensões negativas e positivas além do terra. Esta fonte chamada "dual" ou "simétrica" ou “dupla” pode ser obtida por duas baterias conforme mostra a figura 6 ou configurações equivalentes.
Amplificadores para aplicações modernas, como as que usam microcontroladores e baterias de muito baixa tensão, a alimentação pode ser feita por tensões tão baixas como 0,9 V apenas.
Outras características importantes dos amplificadores operacionais são:
a) Ganho x Faixa Passante - o ganho de um amplificador operacional cai à medida que a freqüência do sinal que deve ser amplificado aumenta. A freqüência em que o ganho cai a 1 (não há mais amplificação) é indicada como faixa passante do operacional e dada em MHz. Os tipos comuns tem faixas que estão em torno de 1 ou 2 MHz.
b) CMRR - é a abreviação de Common Mode Rejection Ratio. Quando dois sinais da mesma amplitude, freqüência e fase são aplicados às entradas (inversora e não inversora) de um operacional eles devem se cancelar e nenhuma saída deve ocorrer. A capacidade do operacional e rejeitar estes sinais iguais é a rejeição em modo comum e é medida em dB. Os tipos comuns podem ter CMRR de até 90 dB.
Onde são encontrados
Os amplificadores operacionais são encontrados principalmente em instrumentaçã e equipamentos industriais. Tipos comuns como o 741, CA3140, LM324 podem ser encontrados em muitos equipamentos. A função de um amplificador operacional nestes equipamentos normalmente é amplificar sinais de sensores.
Testando
A melhor maneira de se testar um amplificador operacional é no circuito, medindo-se as tensões nos seus terminais e comparando-as com o diagrama original. Para testar amplificadores operacionais fora do circuito é preciso montar um circuito de teste experimental, o que em geral não é muito complicado.
Amplificadores de Áudio
Amplificadores de áudio completos com potências que vão de alguns miliwatts (como os usados em aparelhos portáteis) até mais de 100 W (usados em som doméstico) podem ser encontrados na forma de circuitos integrados.
Estes amplificadores também podem ter pinos onde são ligados componentes que programam o ganho e outras características conforme a aplicação. Muitos fabricantes colocam no mesmo invólucro de certos tipos dois amplificadores para facilitar a montagem de uma versão estéreo.
Símbolos
Na figura 7 temos o símbolo adotado para representar um amplificador de áudio com alguns pinos adicionais num circuito já pronto.
Especificações
Os circuitos integrados deste grupo também são identificador por um número de fábrica. Através deles, pode-se consultar as filhas de dados e manuais para se obter as características elétricas principais que são:
a) Potência de saída - é a potência máxima dada em watts rms ou de outro tipo pmpo, por exemplo.
b) Tensões de alimentação - é a faixa de tensões de alimentação em que o circuito pode funcionar.
c) Impedância de saída - que determina que tipos de alto-falantes e de que modo eles podem ser ligados ou se o amplificador se destina ao uso com fones de ouvido (alta impedância)
d) Impedância de entrada, dada em ohms, determina como o sinal deve ser entregue ao amplificador para amplificação
e) Ganho - que diz quantas vezes ou de que modo temos a amplificação do sinal em função de eventuais componentes de programação externa.
f) Curvas de operação que indicam a fidelidade do amplificador na amplificação de sinais conforme sua frequência.
Onde são encontrados
A maioria dos amplificadores de áudio modernos, equipamentos de som, aparelhos que usam fones de ouvido ou alto-falantes possuem um circuito integrado amplificador de áudio. Alarmes, intercomunicadores, porteiros eletrônicos, babá eletrônica, campainhas eletrônicas e muitos outros equipamentos de uso doméstico ligados a uma instalação possuem estes componentes.
Testando
O teste de amplificadores de áudio também deve ser feito com base na medida de tensões nos seus terminais. Se for encontrada alguma tensão anormal deve-se antes testar o componente externo que está ligado a este pino, pois a causa da anormalidade pode ser ele. Se o componente estiver bom e a tensão se mativer alterada a causa pode estar no próprio circuito integrado.
Timers ou Temporizadores
Um outro grupo importante de circuitos integrados da família dos lineares é o fomado pelos timers. Estes circuitos tem por função produzir um sinal ou ainda, depois de um intervalo de tempo determinado disparar algum tipo de dispositivo.
O modo comum de temporização é o monoestável que depois de um certo tempo liga alguma coisa. No modo astável, o circuito produz sinais retangulares que podem ser usados com as mais diversas finalidades.
Símbolo
Na figura 8 temos o símbolo usual para representar um circuito integrado deste tipo. O nome do componente geralmente é colocado no interior do símbolo.
O 555
Talvez o mais popular de todos os circuitos integrados é o timer 555, do qual se fabricam mais de 1 bilhão de uniddes por ano de diversos fabricantes. O 555 pode aparecer com denominações como LM555, TLC7555. NE555, e muitas outras. Conforme mostra a figura 9 este circuito integrado pode operar de duas formas: astável e monoestável.
Na versão monoestável , levando o pino 2 ao nível baixo (aterrando) ele dispara e fica acionado por um tempo que depende de R e de C. Na versão astável ele produz um sinal cuja freqüência depen de de Ra, Rb e C.
Especificações
As principais especificações dos circuitos integrados temporizadores são:
a) Faixa de tensões de alimentação - é a faixa de tensões em eele pode funcionar.
b) Como calcular a freqüência de operação - podem ser dadas informações através de fórmulas, tabelas ou gráficos.
c) Corrente de saída - é a máxima corrente que a saída pode drenar ou fornecer quando o circuito está acionado.
d) Modos de operação - como no caso do 555 em que temos o modo astável e monoestável, existem alguns outros timers que podem ter diversas modalidades de operação.
Onde são encontrados:
Existem muitas aplicações domésticas ligadas à rede de energia e que envolvem tenporização onde o 555 pode ser encontrado. Lâmpadas de corredor que apagam depois de um tempo acionado podem ter em seus circuitos de controle este componente.
Como testar
Para este circuito integrado também, o melhor modo de se fazer seu teste é através da medida das tensões em seus pinos. Verifica-se antes se o componente ligado ao pino em que a tensão está anormal está em bom estado, pois ele pode ser causa do problema. Outra possibilidade consiste em se montar um circuito de teste numa matriz de contactos.
PLL
PLL significa Phase Locked Loop e consiste num circuito que pode reconhecer sinais de determinadas frequências ou ainda demodular sinais que sejam modulados em frequência. Trata-se de uma função que pode ser encontrada na forma de circuitos integrados e que encontra utilidade em algumas aplicações domésticas tais como alarmes de passagem, alarmes por ultrassons, intercomunicadores via rede de energia, controles remotos, etc.
Símbolo
Na figura 10 damos o símbolo geral usado para representar um PLL.
Especificações
Como qualquer outro circuito integrado os PLLs são identificados por um número de fábrica. A partir deste número podemos ter acesso as suas especificações ou caracteristicas elétricas. As principais são:
Tensão de alimentação - normalmente a faixa de tensões que pode ser usada para sua alimentação.
Faixa de frequências - é a faixa de frequências que ele pode reconhecer e operar. Para os tipos comuns ela vai tipicamente até 500 kHz.
Sensibilidade - é a intensidade mínima do sinal aplicado a sua entrada que ele pode reconhecer a freqüência.
Corrente de saída - é a corrente máxima que ele fornece em sua saída quando reconhece o sinal para o qual foi ajustado.
Onde são encontrados
Eis uma relação de algumas aplicações onde encontramos PLL. Lembramos que um dos tipos mais comuns é o NE567 muito usado em alguns projetos de baixo custo do tipo que relacionamos a seguir:
a) Controles remotos - o tom que modula um feixe de radiação infravermelha é reconhecido por um PLL acionando o sistema que abre portas, desativa alarmes ou ainda realiza outras funções simples.
b) Intercomunicadores - existe um tipo de intercomunicador que lança na fiação da rede de energia um sinal de alta freqüência entre 40 kHz e 200 kHz o qual é modulado por um microfone. Este sinal é separado dos 60 Hz da rede por um PLL que extrai o sinal de áudio para amplificação. Este sistema de intercomunicação é muito usado em babás eletrônicas e intercomunicadores de escritórios.
c) Alarmes - um feixe de luz infravermelha é modulado por um tom que é reconhecido por um PLL que mantém o sistema em espera. Se o feixe de luz for cortado, o PLL reconhece a ausência do sinal e dispara o alarme.
Como testar
O procedimento é o mesmo dos demais circuitos integrados: medindo as tensões nos seus terminais ou através de um circuito de prova.
Índice:
Introdução
Parte 1 - As diferenças entre eletricidade e eletrônica
Parte 2 - Circuitos e componentes
Parte 3 - Diagramas, Símbolos e Componentes
Parte 4 - Componentes Passivos – Os Resistores
Parte 5 - Componentes Passivos – Capacitores e Indutores
Parte 6 - Componentes Passivos – Outros componentes indutivos
Parte 7 - Semicondutores – Materiais- Diodos e LEDs
Parte 8 - Transistores Bipolares e assemelhados
Parte 9 - Outros tipos de transistores
Parte 10 - Outros componentes semicondutores – IGBTs e Tiristores
Parte 11 - Outros componentes da família dos tiristores – Displays e válvulas
Parte 12 - Os circuitos integrados
Parte 13 - Circuitos Digitais – Microcontroladores - DSPs – Invólucros
Parte 14 - Diagnóstico e reparação
Parte 15 - Circuitos Práticos - Como funcionam
Parte 16 - Outros dispositivos eletrônicos
