FB Öğretmen ve Öğretmen Adaylarının Işığın Kırılması Konusundaki Öğretim

O circuito atuador tem como objetivo produzir um estímulo elétrico suficientemente conforme para ser utilizado na entrada do bloco oscilador. Este estímulo é gerado a partir de uma determinada entrada, possivelmente não adaptada ao que o oscilador pressupõe. Como dito anteriormente, para facilitar o desenvolvimento do bloco Controlador, pressu- põe-se aqui que o Atuador deverá receber na sua entrada um dado binário e convertê-lo em estímulo elétrico para manipular a corrente do oscilador em anel com controle de cor- rente. Assim, busca-se um conversor digital analógico (em inglês digital to analog conver-

ter ou DAC) que atue no controle de corrente do DCO.

6.2.1. Conversores digitais analógicos

Como o próprio nome já deixa claro, os conversores digitais analógicos convertem sinais binários discretos em sinais elétricos contínuos. Estes sinais elétricos podem ser tanto configurar-se como valores de tensão, designando-se neste caso conversores “mo- do tensão”, quanto em valores de corrente, quando são designados conversores “modo corrente”. Como o controle do oscilador em anel escolhido já é baseado em corrente con- centram-se aqui os estudos em conversores digitais analógicos em modo corrente [JOH97].

6.2.1.1. Codificação

O princípio básico de conversores digitais analógicos em modo corrente é a soma de diversas correntes oriundas de fontes de correntes conectadas em paralelo, como é possível observar na Figura 36.

Figura 36. Conversor digital analógico com saída em modo corrente com codificação de termômetro [BAK10].

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Ao ligar-se uma das chaves D, a fonte de corrente correspondente é conectada à saída. Como as fontes de corrente utilizadas neste conversor possuem peso semelhante (I), cada bit acionado na entrada corresponde diretamente ao incremento de uma fonte de corrente I. Esta relação direta entre entrada/saída com correspondência um para um (1:1) é característica da codificação de termômetro (em inglês thermometer code) [BAK10], também denominada unária por corresponder a um código unário. Assim, para represen- tar 255I em corrente, seriam necessárias 255 chaves e, por consequência, 255 bits de entrada.

Já na codificação binária, cada fonte de corrente possui peso diferenciado em rela- ção à outra, como é visível na Figura 37. A fonte de um determinado bit terá sempre o dobro de corrente da sua anterior e a metade de sua posterior gerando contribuições me- nos significativas para os primeiros bits (D0) e mais significativas para os últimos bits(D_N-1).

Utilizando-se deste arranjo de incrementos, pode-se afirmar que a codificação utilizada é binária. Levando em conta o mesmo caso anterior de representar-se 255I em corrente de saída, seriam necessárias apenas 8 chaves (I+2I+4I+8I+16I+32I+64I+128I=255I) e, logi- camente, 8 bits de entrada.

Figura 37. Conversor digital analógico binário em modo corrente [BAK10].

6.2.1.2. Topologias

Antes de analisarem-se as topologias de fontes de corrente, necessita-se esclare- cer alguns princípios básicos de operações de transistores. Assim, os próximos três pará- grafos visam esclarecer alguns conceitos fundamentais de microeletrônica na utilização de transistores CMOS para manipulação de corrente elétrica.

Basicamente, um transistor MOSFET, representado de maneira simplificada na Fi- gura 38, pode ser configurado como uma fonte de corrente alimentada por tensão e fonte de tensão alimentada por corrente, dependendo de como seus terminais estão conecta- dos.

fonte (source ou s) dreno (drain ou d) porta (gate ou g)

Figura 38. Representação simplificada do transistor NMOS.

por tensão. Neste caso, ao garantir-se que a tensão de dreno-fonte ( ) seja igual ou superior a tensão de porta-fonte ( ) diminuída da tensão de limiar do transistor ( ), tem-se o transistor na região de saturação. Nesta região, é mantida a relação que consta na equação de segunda ordem do transistor na região de saturação correspondendo aqui à Equação (9) [RAZ02].

Nesta Equação, a corrente de dreno ( ) é diretamente proporcional à mobilidade dos elétrons ( ), à capacitância do óxido da tecnologia ( ), ambas dependentes da tec- nologia. Além disso, é proporcional à largura do transistor ( ), ao quadrado da diferen- ça entre a tensão de porta-fonte ( ) e à tensão de limiar do transistor ( ). A corrente também é inversamente proporcional ao comprimento do canal ( ).

Caso os terminais de porta e de dreno estejam interligados, formando a configura- ção chamada de diodo (conforme se pode observar na Figura 39 para o transistor M1), garante-se o pressuposto de manutenção do transistor na região de saturação. Neste ca- so, à medida que se altera a corrente de referência IREF, altera-se a tensão no nodo N. Quando esta porta é interligada a um transistor de dimensões idênticas, ou seja, M1=M2, copia-se a corrente que incide no transistor M1 para M2 (desde que esteja saturado) for- mando um espelho de corrente.

Vdd Gnd M1 M2 IREF IREF N

Figura 39. Associação de transistores formando um espelho de corrente.

Neste trabalho foram analisadas duas topologias para gerar as fontes de corrente do conversor digital analógico (DA). Ambas utilizam espelhos de corrente e dimensiona- mento de transistores para manipular uma fonte de corrente de referência e disponibilizar uma saída proporcional a esta.

A primeira topologia analisada utiliza a mesma ideia existente nas redes de resisto- res R-2R dos DACs em modo tensão. Esta estrutura recebe o nome de rede W-2W jus- tamente porque manipula a largura do canal do transistor (W) gerando as relações biná- rias entre as correntes de saída baseando-se na corrente de referência IREF, como é pos- sível observar na Figura 40.

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Figura 40. Topologia W-2W para conversores DA modo corrente [BAK10].

Por meio de associações série/paralelo e manipulando o dimensionamento dos transistores, permite-se a geração das fontes necessárias com área consideravelmente pequena. Entretanto, esta topologia pode não ser viável, caso se necessite de muitos bits de resolução, devido às associações em série de seus transistores. Como esta relação é um para um (1:1) serão necessários 8 transistores em série para representar 8 bits. Em tecnologias mais atuais, a tensão de alimentação é muito baixa, sendo impraticável deixar os oito transistores em série saturados.

Figura 41. Topologia de multiplicação direta de corrente.

A segunda topologia analisada também manipula a corrente pela soma binária ponderada de fontes de corrente. Esta técnica utiliza como base a codificação de termô- metro apresentada na Seção 6.2.1.1, modificando-se apenas o peso que cada chave pos- sui. Para tanto, uma determinada chave possui o dobro de peso de sua antecessora e a metade de sua sucessora. Esta manipulação de corrente pode ser obtida ou alterando-se a largura do canal do transistor (W) conforme indica a Equação (9), ou simplesmente co- nectando mais transistores em paralelo. Entretanto, esta técnica apresenta incremento exponencial em área onde a cada novo bit associado ao conversor dobra-se a área ocu- pada. Por outro lado, pode-se empregá-la em tecnologias mais atuais, pois não possui associações de transistores em série. Entretanto, deve-se atentar o uso de baixas corren- tes nestes circuitos para reduzir a dissipação de potência causada pela multiplicação da corrente de referência.