( PDF ) Proposta de máquinas de ensino-aprendizagem para transposição didática em projetos de circuitos integrados CMOS

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CARLOS ALBERTO ROSA

PROPOSTA DE MÁQUINAS DE ENSINO-APRENDIZAGEM PARA

TRANSPOSIÇÃO DIDÁTICA EM PROJETOS DE CIRCUITOS

INTEGRADOS CMOS

São Paulo

2008

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CARLOS ALBERTO ROSA

PROPOSTA DE MÁQUINAS DE ENSINO-APRENDIZAGEM PARA

TRANSPOSIÇÃO DIDÁTICA EM PROJETOS DE CIRCUITOS

INTEGRADOS CMOS

Dissertação apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de São Paulo

para a obtenção do título de Mestre em

Engenharia Elétrica.

Área de concentração: Microeletrônica

Orientador: Prof. Dr. Wilhelmus Adrianus

Maria Van Noije

São Paulo

2008

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FICHA CATALOGRÁFICA

Rosa, Carlos Alberto

Proposta de máquinas de ensino-aprendizagem para

transposição didática em projetos de circuitos integrados CMOS / C.

A. Rosa. – ed. rev. -- São Paulo, 2008.

116 p.

Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de

São Paulo. Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos.

1. Engenharia (Estudo e ensino) 2. Tecnologia educacional

3. Circuitos integrados MOS (Projeto) 4. Máquinas CMOS 5.

Máquinas de ensino-aprendizagem 6. Transposição didática

I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de

Engenharia de Sistemas Eletrônicos II. t.

Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob responsabilidade única do

autor e com a anuência de seu orientador.

São Paulo, 19 de novembro de 2008.

____________________________________ ____________________________________

Carlos Alberto Rosa Prof. Dr. Wilhelmus Adrianus Maria Van Noije

Autor Orientador – PSI/EPUSP

DEDICATÓRIA

À memória de meu pai, Carlos Alberto

Espedito Rosa.

À minha companheira Adelvina Maria

de Sousa pelo incentivo, dedicação e

apoio incondicional.

À minha irmã Lilia de Oliveira Rosa

pelos incansáveis conselhos e suporte

emocional.

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador que tornou possível a realização deste trabalho no

PSI – Departamento de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da Universidade

de São Paulo durante os anos de 2006 a 2008.

Ao prof. Vinício de Macedo Santos (FEUSP) pelos esclarecimentos e

orientação sobre os aspectos educacionais envolvidos no processo da transposição

didática e pelas recomendações bibliográficas.

Ao prof. Sebastião Gomes dos Santos Filho (PSI/EPUSP) pelas

observações e considerações relevantes obtidas durante a qualificação e que

influenciaram fortemente os refinamentos desse trabalho.

Ao prof. Jacobus Willibrordus Swart (CCS/UNICAMP) pela viabilização da

bolsa de estudos sobre microfabricação em 2006 e que me permitiu conhecer

através de uma vivência prática em laboratório os reais problemas das tecnologias e

processos envolvidos na fabricação de circuitos integrados.

Ao prof. Renato Perez Ribas pelas longas conversas e discussões para

consolidar um grupo de estudos especializado na Educação em Microeletrônica e

sobre estratégias para fazer avançar no Brasil uma formação de professores nos

CEFETs e nas ETECs – Escola Técnicas Estaduais visando uma Formação de

Projetistas de Circuitos Integrados para uma Educação Profissional e Tecnológica.

Ao CNPq pela bolsa de estudos recebida em 2008 para participar da Fase

I do treinamento com a empresa americana CADENCE no CI Brasil – Programa

Nacional de Formação de Projetistas de Circuitos Integrados.

Aos professores e instrutores da CADENCE com quem pude conviver

durante 4 meses no CI-Brasil, nos laboratórios do CT#1 – NSCAD/UFRGS, onde

pude aprender a usar diversas ferramentas, recursos e técnicas em projetos de

circuitos integrados CMOS.

Aos dirigentes das instituições de ensino MPCE/FATEC-SP,

CEFET/SP, SENAI/SP, ETESP/CEETEPS e Informática/UFRGS que me permitiram

visitas às instalações durante os anos de 2006 e 2008, fazendo observações em

sala de aula, e exercitando algumas atividades didáticas experimentais com seus

alunos.

E a todos que contribuíram direta ou indiretamente com este trabalho.

“Quem perde seus bens, perde muito.

Quem perde um amigo perde muito mais.

Mas quem perde sua coragem perde tudo.”

(Miguel de Cervantes)

RESUMO

Rosa, C. A. Proposta de máquinas de ensino-aprendizagem para transposição

didática em projetos de circuitos integrados CMOS. 2008, 116 f. Dissertação

(Mestrado) — Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.

Esse trabalho apresenta uma proposta na área de Educação em

Microeletrônica que visa enriquecer práticas de ensino adotadas na área de projetos

de circuitos integrados através do uso de máquinas de ensino-aprendizagem (TLM –

Teaching-Learning Machine) em aulas de laboratórios como instrumentos auxiliares

e complementares ao ensino teórico.

As TLMs propostas permitem a verificação experimental de conceitos

fundamentais em VLSI Design, tais como: polarização de transistores NMOS e

PMOS, inversores CMOS, curvas de transferência do inversor CMOS,

implementação de diversas portas lógicas CMOS estática e dinâmica usando

transistores de passagem ou portas de transmissão (NAND, NOR, AND, OR, XOR,

XNOR, MUX, DECODER, Half ADDERs e Full ADDERs), Latches, Flip-flops e

células de memória (RAM e ROM). A metodologia usada foi baseada em pesquisa

bibliográfica, observações em sala de aula, participação em projetos didáticos,

entrevistas com alunos e professores de microeletrônica.

As TLMs foram construídas na forma de painéis de papelão de 100 cm x

70 cm com eletrônica embarcada ou conjuntos de módulos de circuito impresso com

tamanhos A4 até A10, interligados entre si por meio de conectores, cabos elétricos

padronizados e acondicionados em caixas flexíveis de borracha sintética.

Considerou-se o uso combinado desses materiais com diferentes técnicas

de montagens eletrônicas. No leiaute das TLMs foram considerados aspectos da

interação homem-máquina (HMI) e projetos de interações por PREECE (2002), e da

transposição didática de CHEVALHARD e JOSHUA (1981).

Os resultados efetivos da aprendizagem usando TLMs foram obtidos por

meio de uma dinâmica em sala de aula baseada no microensino em ALLEN (1967).

Palavras-chave: Educação em Microeletrônica, Projeto de Circuitos Integrados,

Transposição didática, Práticas de ensino, Máquinas de ensino-aprendizagem.

ABSTRACT

Rosa, C. A. Proposal of teaching-learning machines for didactical transposition

to CMOS IC design. 2008, 116 p. Dissertation (MSc) — Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.

This paper presents a proposal in the area of Education in

Microelectronics which aims to enrich the educational practices adopted in the area

of integrated circuits design through the use of teaching-learning machines (TLM) in

classes, laboratories as auxiliary and complementary instruments to the theoretical

ones.

The proposed TLMs allow the experimental verification of fundamental

concepts in VLSI design, such as: NMOS and PMOS transistors biasing, CMOS

inverters, transfer curves of a CMOS inverter, implementation of various static and

dynamic CMOS logic using the pass-transistor or transmission gates (NAND, NOR,

AND, OR, XOR, XNOR, MUX, DECODER, Half ADDERs and Full ADDERs), Latches,

flip-flops and memory cells (RAM and ROM).

The used methodology was based on a literature search, observations in

the classroom, participation in educational projects, interview of students and

professors involved with microelectronics.

The TLMs were assembled in the form of paper panels, 100 cm x 70 cm

embedded with electronic modules, or sets of printed circuit boards with A4 size up to

A10 size, connected with each other through connectors, electrical wires and packed

in synthetic rubber flexible boxes.

The combined use of these materials with different techniques of

electronic assemblies has been very important. The layout of TLMs concerns about

the aspects of human-machine interaction (HMI) and design interactions from

PREECE (2002), and the didactical transposition from CHEVALHARD and JOSHUA

(1981).

The effective learning results using TLMs were obtained through a

dynamic in classroom based on microteaching from ALLEN (1967).

Key-words: Microelectronics Education, IC Design, Didactical transposition,

Teaching practices, Teaching-learning machines.

LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS

ASIC Application-Specific Integrated Circuit

BIST Built-in Self Test

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

DSP Digital Signal Processing

DUT Device Under Test

EDA Electronic Design Automation

EEPROM Electrical Erasable PROM

FPGA Field-Programmable Gate Array

HCI Human-computer interaction

HDL Hardware Description Language

HMI Human-Machine Interaction

IP Intellectual Property

LED Light Emitter Diode

LM Learning Machine

LSI Large Scale Integration

MMI Man Machine Interface or Interaction

MOS Metal Oxide Semiconductor

MSI Medium Scale Integration

NMOS Transistor MOS de canal tipo N

PMOS Transistor MOS de canal tipo P

PROM Programmable Read Only Memory

SoC System on a Chip

SoP System on a Package

SSI Small Scale Integration

TLM Teaching-Learning Machine

TM Teaching Machine

UVLSI Ultra Very Large Scale Integration

VHDL VHSIC Hardware Description Language

VHSIC Very-High-Speed Integrated Circuits

VLSI Very Large Scale Integration

SUMÁRIO

Capítulo 1 – Introdução....................................................................................10

1.1 Justificativas.................................................................................................................... 12

1.2 Objetivos......................................................................................................................... 16

1.3 Estrutura do Trabalho ..................................................................................................... 18

Capítulo 2 – Tecnologia Educacional..............................................................20

2.1 Introdução....................................................................................................................... 20

2.2 Conceitos Básicos...........................................................................................................21

2.3 Importância do Planejamento de Atividades nos Laboratórios Didáticos...................... 22

2.4 As Máquinas de Ensino-Aprendizagem.......................................................................... 24

2.4.1 Classificação das Máquinas de Ensino-Aprendizagem Reais Existentes no Mercado.26

2.4.2 Características Comuns das Máquinas Modulares no Mercado Nacional..................38

Capítulo 3 – Modelagem do Contexto de Aprendizagem..............................40

3.1 Contexto de Aprendizagem com Chaves e Relés ........................................................... 41

3.2 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia Bipolar..................................................... 44

3.2.1 Família DL...................................................................................................................44

3.2.2 Família TTL .................................................................................................................45

3.3 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia MOS........................................................ 48

3.4 Contexto de Aprendizagem com Lógica Programável ................................................... 55

Capítulo 4 – Proposta de Máquinas de Ensino-Aprendizagem....................58

4.1 Introdução....................................................................................................................... 58

4.2 Plataformas de Papelão nas Montagens Eletrônicas....................................................... 61

4.3 Taxionomia para as Máquinas de Ensino-Aprendizagem............................................... 63

4.4 Proposta de Módulos de Standard-Cells......................................................................... 64

4.5 Proposta de Módulos Sea-of-Gates................................................................................. 66

Capítulo 5 – Práticas de Ensino.......................................................................69

5.1 Introdução....................................................................................................................... 69

5.2 A Transposição Didática................................................................................................. 70

5.3 Práticas de Ensino em Projetos de Circuitos Integrados no Brasil ................................. 71

5.4 Metodologia Utilizada .................................................................................................... 73

5.5 Práticas de Ensino usando TLM CMOS......................................................................... 74

5.5.1 Prática de Ensino usando Módulos Standard-Cells.....................................................76

5.5.2 Prática de Ensino usando Módulos Sea-of-Gates ........................................................ 82

5.6 Resultados Experimentais............................................................................................... 88

Capítulo 6 – Conclusão e Trabalhos Futuros.................................................91

6.1 Conclusões...................................................................................................................... 91

6.2 Sugestões e Trabalhos Futuros........................................................................................ 94

Apêndice A – Plataforma do Painel de Força.................................................96

Apêndice B – Módulos Standard-Cells ............................................................98

Apêndice C – Módulos Sea-of-Gates..............................................................105

Referências Bibliográficas..............................................................................109

Referências URL .............................................................................................114

Capítulo 1

Introdução

O conhecimento sem dúvida é o instrumento essencial no mundo moderno. O

homem moderno cada vez mais se vê envolvido com máquinas e aparelhos

eletrônicos criados artificialmente para potencializar algumas de suas habilidades

humanas. Nesse sentido, podemos destacar alguns exemplos de máquinas com as

quais o homem moderno se interage frequentemente no seu cotidiano. Os carros de

passeios são máquinas modernas criadas com a mais alta tecnologia, fruto do

conhecimento humano, onde o homem interage com elas para se deslocar a

grandes distâncias com o maior conforto e segurança. Essas máquinas são

especialmente construídas para potencializar a limitada capacidade do sistema

biofísico humano, que fatalmente sucumbiria ao percorrer grandes distâncias.

Usando essas máquinas o homem preserva facilmente todas as suas atividades

vitais dentro de níveis aceitáveis e que, dependendo de cada modelo de máquina,

ainda experimenta diferentes sensações de conforto, segurança, satisfação e prazer,

não tendo que se preocupar com sua circulação e pressão sangüínea, capacidade

respiratória, temperatura de seu corpo, transpiração, cansaço físico e capacidade

muscular de suas pernas, etc.

Do exemplo anterior, podemos inferir que o conhecimento como instrumento

essencial no mundo moderno permitiu ao homem criar máquinas dedicadas capazes

de libertá-lo de atividades rotineiras, cansativas, tediosas decorrentes de atividades

prolongadas, ou que exigem alta precisão, ritmos constantes, etc. Com isso, o

homem passou a desfrutar de maior tempo livre para trabalhar em atividades mais

prazerosas ou que exigem maior nível de abstração, tais como: criação,

planejamento e supervisão de atividades. Nesse sentido, podemos enumerar uma

infinidade de máquinas já criadas pelo homem para atender às diversas variedades

de suas necessidades utilitárias do dia-a-dia, a saber: as máquinas de lavar louças,

máquinas de lavar roupas, máquinas de cozinhar alimentos, máquina de datilografar,

máquinas de calcular e muito mais.

Com os avanços alcançados pela eletrônica e a microeletrônica nos últimos 30

anos mais facilidades foram sendo incorporadas às máquinas e novas habilidades

humanas foram também potencializadas. Nas últimas décadas, os serem humanos

passaram a se comunicar com outros seres humanos utilizando-se de diversas

máquinas móveis com a tecnologia da telefonia celular com cobertura global, sendo

suportada por uma complexa rede de outras máquinas satélites interligadas por

complexos sistemas eletrônicos dedicados. Nesse sentido, podemos falar do

advento das máquinas computadorizadas analógicas e digitais, computadores

pessoais e servidores, satélites de comunicação, telefones celulares, rádio e TV,

televisão digital interativa, todos os sistemas portáteis com microprocessadores

embarcados, etc. Nesse exato período estamos presenciando um importante

fenômeno histórico chamado convergência tecnológica graças ao avançado grau de

maturidade da microeletrônica.

A sociedade humana não desfrutaria de tais progressos se o conhecimento não

fosse especializado e não tivesse sistematicamente organizado. Tudo isso só está

sendo possível por que o homem descobriu um jeito de transmitir seus

conhecimentos através das gerações e assim vem sendo preservado os avanços

alcançados pelas gerações passadas.

Para assegurar à sociedade o atual estado da arte alcançado pela

microeletrônica os nossos educadores precisam se unir e aprimorar as técnicas de

ensino, desenvolvendo novas práticas que visem a popularização, de uma vez por

todas, dos conhecimentos já dominados na área de microfabricação e

microeletrônica nos cursos superiores [VAN NOIJE, W. A. M. et al, 2001] passando a

ser ensinados regularmente nos níveis mais elementares como na educação básica

(fundamental e médio) em temas transversais de tecnologia [ROSA; VAN NOIJE;

ARELARO, 2007 a] e na educação profissional preparando o jovem para o mercado

de trabalho [ROSA; VAN NOIJE; ARELARO, 2007 b]. Assim, teremos a

oportunidade de atrair mais e melhores alunos para esse fascinante mundo da

microeletrônica.

Segundo PLAISANCE e VERGNAUD (2003), esse mecanismo que promove

o progresso numa sociedade é garantido pela Educação e intensamente estudado

por várias áreas da Educação. O instrumento que permite a interação entre

diferentes gerações (professores e alunos) é conhecido por Ensino e deve ser

entendido como um processo de ensino-aprendizagem constituído por diferentes

técnicas pedagógicas que envolvem atividades e práticas escolares que se voltam

para a formação de hábitos de interesse da sociedade. E assim, todas as máquinas

especializadas dirigidas para a área educacional, que permitem potencializar a

transmissão de conhecimentos aplicáveis aos processos de ensino-aprendizagem

serão denominadas, neste trabalho, máquinas de ensino-aprendizagem ou

simplesmente TLMs (teaching-learning machines).

Podemos considerar o ensino sob vários aspectos num contexto escolar. O

autor do presente trabalho considera as TLMs como recursos didáticos

complementares no contexto da Tecnologia Educacional, que segundo AURICCHIO

(1978), estuda e analisa os diversos aspectos metodológicos além de identificar os

possíveis problemas críticos de qualidade de ensino, propondo ainda ações efetivas

que garantam o alcance dos objetivos instrucionais planejados com excelentes

níveis de aprendizagem.

1.1 Justificativas

As constantes mudanças sociais e culturais, os movimentos políticos e as

inovações tecnológicas condicionam freqüentemente a criação ou o

desaparecimento de algumas profissões e exigem uma adequação contínua dos

agentes da educação nas instituições de ensino profissional e tecnológico.

Na última década a ciência e a tecnologia alcançaram avanços excepcionais

em novos materiais e técnicas de fabricação promovendo uma acentuada redução

na área ocupada pelos transistores baseados em tecnologia MOS. Esse aspecto

tornou possível a integração de sofisticados sistemas eletrônicos em apenas um

único encapsulamento (SoP) ou num único chip (SoC). O surgimento de linguagens

descritoras de hardware (HDL), tais como, o VHDL e o Verilog HDL, tornaram

possível a reutilização de códigos de propriedade intelectual (IP Core) em novos

projetos.

A implementação de sistemas SoC, com complexidades sempre crescentes,

vem sendo possível graças ao surgimento de sofisticadas ferramentas automáticas

destinadas para sínteses automáticas (EDA) e ambientes de simulação para

protótipos em FPGA e CPLDs. Por exemplo, os simuladores ISE da Xilinx [URL 1,

2008], Libero da Actel [URL 2, 2008], Quartus da Altera [URL 3, 2008], Active-HDL

da Aldec [URL 4, 2008] e o ModelSim da Menthor Graphics [URL 5, 2008]. Hoje, é

praticamente impossível projetar um circuito integrado VLSI sem fazer uso dessas

ferramentas para protótipos em FPGA ou de ferramentas profissionais para sistemas

ASICs como as oferecidas pelas empresas Cadence [URL 6, 2008], Mentor

Graphics [URL 5, 2008], Synopsys [URL 7, 2008], Magma [URL 8, 2008] e outras.

Atualmente, no mundo todo, existe pelo menos uma centena de fábricas de

circuitos integrados, porém, podemos destacar que apenas duas destas processam

um volume superior a 65% das lâminas de silício processadas mundialmente. Essas

fábricas encontram-se localizadas na Ásia, mais particularmente em Taiwan, a

TSMC [URL 9, 2008] e a UMC [URL 10, 2008].

O governo brasileiro está implantando a sua primeira fábrica de circuitos

integrados no Rio Grande do Sul, chamada CEITEC [URL 11, 2008], com previsão

de entrar em operação no final de 2009. O CEITEC licenciou a tecnologia XCO6 -

SP331 da X-FAB [URL 12, 2008], uma empresa alemã com cinco fábricas, sendo

duas instaladas na Alemanha, Erfurt e Dresden, e as outras três instaladas na

Malásia, na Inglaterra e nos Estados Unidos (Texas).

Segundo informações divulgadas no próprio sítio do CEITEC, a fábrica irá

operar em rede estruturada com centros de pesquisa, universidades e empresas

conveniadas, visando o desenvolvimento de projetos de sistemas eletrônicos

integrados, em processamento físico-químicos, desenvolvimento de sensores e

dispositivos especializados, caracterização e teste de dispositivos eletrônicos e

novos materiais.

A tecnologia a ser utilizada pela fábrica brasileira será baseada no processo

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) e CMOS mixed signal com

comprimento de canal de 0,6 µm com até três níveis de metalização. Com essa

tecnologia será possível a fabricação de memória volátil (EEPROM) embarcada em

SoC. Também será possível fabricar resistores de poli-silício de alta resistividade e

diodos do tipo Schottky. Essa tecnologia será aplicada em lâminas de silício de 150

mm de diâmetro cujos dispositivos produzidos poderão ser utilizados em

equipamentos de telecomunicações, processamento de dados, entretenimentos, e

dos setores automotivo, automação industrial e médico-hospitalar. O CEITEC prevê

uma evolução destes procedimentos através da implantação de equipamentos de

processo para a prototipagem de CIs com comprimento de canal de 0,35 µm até

2011.

A tecnologia X-FAB, licenciada pelo CEITEC, possui um núcleo CMOS que

permite uma densidade de até 4,5 Kgates/mm² e diversos capacitores, resistores e

diferentes transistores bipolares para aplicação analógicas.

Em OLIVEIRA e ADRIÃO (2007), no capítulo III da LDB (Lei 9.394, de 20 de

Dezembro de 1996), observamos toda a Educação Profissional em apenas quatro

artigos (art. 39 a 42). Regulado por leis complementares, a Educação Profissional é

permitida aos egressos do ensino fundamental, médio e superior, bem como, o

trabalhador em geral, jovem ou adulto; podendo ser ministrada por diferentes

estratégias de educação continuada, seja em instituições especializadas ou no

ambiente de trabalho. Segundo a LDB, a Educação Profissional é considerada uma

instrução técnica com formação de ênfase prática voltada para o desenvolvimento

de aptidões para o exercício de uma atividade produtiva, visando favorecer a sua

inclusão no mercado de trabalho.

Assim como ocorreu há poucos anos atrás, quando a internet chegou à

população brasileira de uma maneira geral, criar páginas WEB e fazer programação

em HTML eram conhecimentos por demais sofisticados, tendo proporcionado o

surgimento de novas profissões antes mesmos da existência de qualquer

regulamentação governamental para os programas regulares de ensino profissional

e tecnológico. A formação profissional de Web Designer acabou sendo

regulamentada pela Secretaria de Ensino Profissional e Tecnológica do MEC

(SETEC) [URL 13, 2008] no final da década de 90, porém só recentemente, foi

consolidado o Catálogo Nacional de Cursos Técnicos com os parâmetros

curriculares [URL 14, 2008] para os Cursos Técnicos de Informática para Internet.

Dessa mesma forma o autor acredita que surgirá no Brasil um novo profissional

com conhecimentos especializados na área de projetos de CIs e que serão

conhecidos por IC Designers. Assim, o MCT [URL 15, 2008] [URL 16, 2008] lançou

nesse ano 2008 um Programa Nacional de Formação de Projetistas de Circuitos

Integrados chamado Programa CI-Brasil [URL 17, 2008] que consolidou em Porto

Alegre/RS, o primeiro Centro de Treinamento (CT#1) para formação de IC Designers,

coordenado pelo Núcleo de Suporte em VLSI/CAD, conhecido por NSCAD/UFRGS

[URL 18, 2008]. As aulas são ministradas por profissionais da empresa americana

Cadence, para a formação inicial de 100 profissionais IC Designers nos primeiros 5

meses iniciais (de abril à agosto), e destes 100, os 36 melhores alunos participarão

do curso de formação de líderes em projeto de CIs, com uma duração de mais 8

meses de treinamento. Seguindo esse mesmo formato e modelo do CT#1, um

segundo centro de treinamento (CT#2) entrou em operação no início de agosto de

2008 em Campinas/SP, no CTI/MCT [URL 19, 2008], para formar mais 100

profissionais IC Designers nos próximos 4 meses e, a partir de janeiro de 2009,

outros 36 líderes de projeto durante os 8 meses seguintes. Em ambos os centros de

treinamento estão sendo treinados IC Designers nas áreas de Digital, Analógico &

Sinais Mistos e RF. Mais dois centros de treinamento (CT#3 e CT#4) serão

viabilizados pelo MCT até o final de 2009. A meta do MCT é formar dentro dos

próximos 4 anos, através desses quatros centros de treinamento, um total de 1500

IC Designers.

Como sugestão, o autor recomenda os seguintes nomes para os futuros cursos

de formação: Curso Técnico em IC Design; Curso de Tecnologia em IC Design;

Engenharia Elétrica com Habilitação em IC Design e Curso de Especialização em IC

Design. Ou ainda, poderia ser utilizada a tradução da expressão inglesa IC Design

pela a expressão portuguesa "Projeto de CIs".

1.2 Objetivos

O presente trabalho está inserido dentro de um contexto educacional mais

abragente que visa criar estratégias para divulgar conhecimentos na área de

circuitos integrados para professores, alunos e profissionais da área de eletrônica,

atraindo-os futuramente para participarem do Programa Nacional de Formação de

Projetistas de CIs. Este trabalho considerou o fato que, dentro de três anos, o Brasil

terá uma fábrica de circuitos integrados funcionando plenamente em Porto

Alegre/RS [URL 11, 2008] e precisará de muitos projetistas e profissionais

especializados nessa área, conforme visto no item 1.1 anterior.

Assim, esse trabalho apresenta uma proposta de uso máquinas de ensino-

aprendizagem para serem utilizadas em cursos de eletrônica de escolas técnicas,

visando auxiliar o ensino de projetos de circuitos integrados CMOS através de aulas

práticas com atividades interativas.

O conhecimento do processo da transposição didática nos permite decompor

objetos complexos de ensino transformando-os através de conjunto de recursos,

meios e atividades didáticas para domínios de ensino mais elementares, tais como:

ensinos de nível fundamental, médio ou técnico profissional.

Nesse trabalho serão apresentados alguns desenhos de módulos para se

construir máquinas de ensino-aprendizagem que testadas em um processo de

transposição de conhecimentos em projetos de circuitos integrados digitais CMOS

para alunos do ensino em nível médio de escolas técnicas de eletrônica na cidade

de São Paulo.

O presente trabalho objetiva o desenvolvimento de recursos pedagógicos

auxiliares aos professores de projetos de sistemas eletrônicos em circuitos

integrados, fornecendo orientações gerais para se construir módulos de máquinas

de ensino-aprendizagem baseadas em práticas de montagens de circuitos

eletrônicos com recursos rudimentares e materiais de baixo custo. Podemos

considerar como máquinas virtuais os sistemas eletrônicos baseados no uso de

software para computadores tais como EDA (Electronic Design Automation) e

software de simulação de circuitos eletrônicos.

As máquinas de ensino-aprendizagem concebidas e apresentadas neste

trabalho permitem uma atuação direta no hardware através de um conjunto de

módulos que as compõem. Desse modo foi formado um novo ambiente de

aprendizagem real e interativo considerando-se os aspectos da interação entre o

homem e a máquina (Man Machine Interaction) [PREECE, 2002].

Um novo espaço de aprendizagem constituído por máquinas de ensino-

aprendizagem pode melhorar as atuais condições dos laboratórios didáticos

existentes. Desse modo seria possível criar as condições necessárias para motivar e

atrair jovens das escolas técnicas brasileiras para cursos superiores de tecnologia

e/ou de engenharia eletrônica para se especializarem na área de projetos de

circuitos integrados.

Os módulos das máquinas de ensino-aprendizagem abordados nesse trabalho

permitem experimentar diversos conceitos essenciais e comuns da área de projetos

de circuitos integrados digitais CMOS exemplificados no Capítulo 3.

Um conjunto de tutoriais contendo diversas atividades didáticas foi

desenvolvido e disponibilizado na internet [URL 32, 2008] para ser utilizado

livremente por alunos e professores visando assimilar conceitos importantes

ministrados nas disciplinas introdutórias de eletrônica sobre os transistores MOS

(NMOS e PMOS) e sobre projeto de circuitos analógicos e digitais usando a

tecnologia CMOS.

As máquinas apresentadas podem ser utilizadas para testar as diversas

construções de circuitos lógicos usando diferentes técnicas de projetos CMOS como,

por exemplo, lógica CMOS Estática e lógica CMOS Dinâmica.

Essas construções são feitas associando-se módulos com transistores NMOS e

PMOS para se construir portas básicas NAND, NOR e INVERTER, depois as portas

AND e OR, seguindo-se com os diversos blocos lógicos mais sofisticados utilizando-

se transistores de passagem (pass transistors) e portas de transmissão

(transmission gates).

Com o uso das TLMs o autor apresenta como foi possível desenvolver uma

nova estratégia e práticas de ensino para envolver os alunos de escolas técnicas de

eletrônica com a área de projetos de circuitos integrados CMOS, permitindo a

compressão das diferentes técnicas de abstração ou modelagem usadas na área de

IC Design: modelo comportamental, modelo estrutural, modelo de transistores,

modelo esquemático, modelo geométrico etc.

1.3 Estrutura do Trabalho

O trabalho está organizado em seis capítulos, sendo um de introdução, um de

conclusão e os demais de desenvolvimento.

O Capítulo 2 descreve uma introdução de natureza da tecnologia educacional,

a importância das atividades nos laboratórios didáticos, conceitos sobre as

máquinas de ensino-aprendizagem, classificação das máquinas de ensino-

aprendizagem, características comuns das máquinas de ensino-aprendizagem

modulares no mercado nacional, a transposição didática e as práticas de ensino em

projetos de circuitos integrados no Brasil.

O Capítulo 3 apresenta a modelagem do contexto de aprendizagem para as

máquinas de ensino-aprendizagem, através do qual são identificados os objetos

desejados da aprendizagem através da máquina modelada. Nesse capítulo são

apresentados quatro diferentes contextos de aprendizagem de projeto de circuitos

lógicos: máquina à relé, máquina bipolar, máquina MOS e máquina de lógica

programável.

O Capítulo 4 apresenta as considerações e a seqüências da montagem do

hardware da máquina de ensino-aprendizagem MOS com todos os seus elementos

constitutivos: módulos e painéis.

O Capítulo 5 apresenta algumas práticas de ensino experimentadas pelo autor

com as máquinas de ensino-aprendizagem MOS, usando a técnica de microensino

com módulos de Standard-Cells e módulos de Sea-of-Gates [VAN NOIJE, 1985] em

diferentes painéis de força.

O Capítulo 6 apresenta as conclusões e sugestões de trabalhos futuros que

poderão ser implementados, principalmente com a definição de contextos de

aprendizagem mais complexos com integração com software em plataforma de

microcomputador PC.

Nos Apêndices A, B e C desse trabalho de dissertação disponibilizamos

algumas informações complementares com a finalidade de auxiliar a compreensão

da funcionalidade das máquinas.

Capítulo 2

Tecnologia Educacional

2.1 Introdução

O avanço da tecnologia trouxe inúmeros benefícios para o homem, dos quais o

principal foi tornar o trabalho mais fácil e mais produtivo. Interpretadas como motores

do progresso, as inovações tecnológicas foram implantadas sem cuidado com seus

possíveis efeitos prejudiciais. Nos últimos anos do século XX, o lado negativo do

progresso tecnológico tornou-se objeto de reflexão nas sociedades industrializadas,

que se voltaram para a busca de tecnologias alternativas menos agressivas ao meio

ambiente.

Tecnologia é o conjunto de princípios, métodos, instrumentos e processos

cientificamente determinados que se aplica especialmente à atividade industrial, com

vistas à produção de bens mais eficientes e mais baratos [BARSA, 1999].

O conceito de tecnologia engloba, portanto, todas as técnicas e seu estudo.

Assim, entende-se por inovação tecnológica a aplicação de qualquer método ou

instrumento, descoberto por meio da pesquisa sistemática, à coleta, fabricação,

armazenamento, transporte etc. de bens, cujos resultados sejam melhores do que

os obtidos anteriormente.

2.2 Conceitos Básicos

Para perpetuar o conhecimento, a sociedade moderna precisará transmitir os

conhecimentos conquistados para as gerações vindouras. Esse é o domínio da

educação na sociedade e ensinar constitui uma atividade prática de transferência de

conhecimentos. Vários são os métodos e os recursos utilizados para tal. Esse

conjunto de recursos, métodos e sistemas educacionais que auxiliam como

ferramentas do processo de ensino estabelece a abrangência e o domínio da

tecnologia educacional [BLOOM, 1973].

A tecnologia educacional não é uma ciência em si, mas seus estudos são

fundamentados basicamente em três teorias: teoria da comunicação, teoria da

aprendizagem e na teoria de sistemas. Com essas três teorias é possível definir um

sistema de ensino com os seus subsistemas de auxílio didático-pedagógicos

[AURICCHIO, 1978].

Os centros educacionais tais como as ETECs [URL 20] do CEETPS [URL 21],

os CEFETs [URL 22] do MEC [URL 23] e o SENAI [URL 24] da CNI [URL 25],

constituem as principais redes escolares que executam diretamente as políticas de

Educação Profissional e Tecnológica no Brasil. Para auxiliar seus alunos na prática

da eletrônica, por exemplo, é comum utilizarem-se de diversos kits didáticos em

seus laboratórios de eletrônica. Esses kits didáticos são, em termos de tecnologia

educacional, as máquinas de ensino-aprendizagem (TLMs) que auxiliam professores

nas suas atividades didático-pedagógicas com seus alunos.

Uma máquina de ensino-aprendizagem é recurso de tecnologia educacional

que visa atender sempre os objetivos educacionais de um plano de ensino de uma

instituição educacional. Assim, para construir uma máquina de ensino-aprendizagem

é necessário avaliar o conteúdo de um programa de ensino e elaborar experiências

que visam atingir esses objetivos curriculares levando em conta as questões

relativas às teorias de comunicação, de aprendizagem e de sistemas [AURICCHIO,

1978].

2.3 Importância do Planejamento de Atividades nos

Laboratórios Didáticos

O conteúdo didático-pedagógico aplicado nos laboratórios de eletrônica parece

orientar com sucesso os atuais sistemas de ensino técnico e tecnológico existentes.

Esses laboratórios possuem instrumentação e sistemas didáticos variados e

fazem uso de procedimentos organizados e bem estruturados. Pode-se assim dizer

que a qualidade do ensino experimental está apoiada por um planejamento

orientado presencialmente por professores ou por conteúdos de ensinos

programados que se voltam para a auto-instrução.

Objetivamente, pode ser feita uma completa racionalização das finalidades de

um laboratório para compatibilizar a realização dos experimentos com o conteúdo

didático impostos pelos planos de ensino.

Essa atividade, por ser de natureza administrativa, obriga os professores a

realizarem novos experimentos para atender às tecnologias emergentes ou só as

mais atuais.

Um planejamento corporativo normalmente exige a participação completa de

todo o corpo docente de um departamento para atender objetivos educacionais

inovadores. Para essa atividade de planejamento existem vários modelos e

processos que facilmente poderiam ser emprestados da área de administração de

empresas.

Por exemplo, a situação atual de um laboratório didático pode ser facilmente

identificada mediando um roteiro de perguntas que faria parte de um documento

chamado diagnóstico situacional. Com esse documento nas mãos os projetistas

das máquinas de ensino-aprendizagem poderiam utilizar para reestruturar

completamente as experiências dos laboratórios existentes, adequando-os às

condições e características da instituição de ensino sob novos aspectos

educacionais.

Um diagnóstico situacional comum poderá conter informações quase como

que um inventário geral das condições dos laboratórios devendo ser capaz de

responder perguntas como as mostradas abaixo, elaboradas pelo autor.

1. Quais professores e disciplinas fazem uso atualmente do laboratório de

eletrônica?

2. O laboratório atual atende todas as necessidades das disciplinas? Quais

máquinas de ensino-aprendizagem o laboratório atualmente não dispõe,

mas seriam desejáveis?

3. Os equipamentos não disponíveis poderiam ser montados com os

recursos da própria instituição?

4. Quais professores poderiam orientar nos processos de projeto e/ou

construção?

5. Quantas e quais são as experiências realizadas no laboratório por

disciplinas de eletrônica?

6. Por falta de alguns recursos (tempo, financeiro, espaço físico,

equipamentos, insumos, etc) a instituição não pode trabalhar

determinados tipos de experimentos com seus alunos, mas a sua prática

seria desejável, quais são eles?

7. Quantos e quais são os projetos realizados por professores alunos nas

disciplinas de eletrônica, durante todo o curso?

8. Os experimentos realizados no laboratório atual são realizados

individualmente ou em grupo de alunos?

9. Quantos alunos compõem normalmente cada grupo e em quais

disciplinas? Qual o leiaute atual do laboratório de eletrônica e como são

disponibilizadas no espaço as bancadas de trabalho?

10. Quantos e quais são os equipamentos, componentes e ferramentas

existentes no laboratório atual (lista de inventário)?

Bem, podemos dizer que essas questões são relevantes para um estudo mais

amplo onde se pretende utilizar a tecnologia educacional de forma bem planejada

para a implantação de importantes melhorias nos laboratórios de eletrônica atuais.

A organização sistemática desses desejos só pode ser realizada quando a

instituição de ensino sentir-se capaz de promover a atividade de planejamento, de

forma racional e muito bem coordenada, promovendo a implementação de novos

conceitos em termos de tecnologia educacional.

Somente através de uma atividade de planejamento bem sucedida é que a

instituição de ensino poderá visualizar, formalmente, todas as situações decorrentes

de seus laboratórios didáticos existentes. E, tendo um planejamento como ponto de

partida, poderá pensar melhor em termos educacionais futuros, isto é, como

deveriam ser seus laboratórios didáticos e o que será possível implementar com os

atuais recursos institucionais disponíveis.

Nesse ponto, uma mudança de paradigma promoveria forte impacto no sistema

educacional vigente, implementando condições excepcionais de qualidade e eficácia

do rendimento escolar dos alunos das escolas técnicas brasileiras.

A vontade dos coordenadores de ensino e professores das escolas técnicas

brasileiras é a de se adquirir vários sistemas de máquinas de ensino-aprendizagem

de forma que possam realizar experiências completas e bem variadas com seus

alunos. Devido à falta de recursos, as aquisições dessas máquinas de ensino-

aprendizagem estejam ficando distantes de um ensino público de qualidade.

2.4 As Máquinas de Ensino-Aprendizagem

A construção de máquinas de ensino-aprendizagem voltadas para o ensino

técnico-profissional de eletrônica, não precisa utilizar, necessariamente,

equipamentos robustos (sofisticados, volumosos e pesados) como os produzidos em

épocas passadas, no início da era da eletrônica. Nem tão pouco, será preciso

montá-las no interior de grandes gabinetes ou dentro de painéis especiais para

atingir os objetivos educacionais de um plano de ensino.

As máquinas de ensino-aprendizagem (TLMs) são designações gerais para

referir aos equipamentos e recursos de tecnologia educacional que são orientados

para apoiar atividades pedagógicas numa instituição educacional para atender às

finalidades de um ensino ou instrução programada.

Os sistemas usados nas máquinas de ensino-aprendizagem para eletrônica

podem fazer uso de tecnologias educacionais diversas e, segundo TURNER (1982),

podem ser amplamente classificados sob três categorias distintas:

1. sistemas completos;

2. sistemas modulares;

3. sistemas construtivos.

Mas é comum encontrar máquinas de ensino-aprendizagem que combinam

alguns atributos e/ou características comuns entre essas três categorias.

Conceitos e aspectos gerais relacionados ao funcionamento de uma máquina

de ensino-aprendizagem podem caracterizar ou definir os diversos sistemas

existentes no mercado.

a) Objetividade: associada à finalidade ou propósito de uso num contexto

educacional;

b) Estética: estabelece o apelo visual adotado;

c) Padronização: define o conjunto dos elementos constitutivos utilizados;

d) Funcionalidade: define o conteúdo instrucional das partes que integram a

máquina como um todo;

e) Flexibilidade: define a capacidade de adaptação ao programa instrucional;

f) Portabilidade: define a facilidade de transporte manual da máquina;

g) Expansibilidade: define a capacidade de ampliação das características

funcionais da máquina;

h) Praticidade: que é definido pelo tempo médio gasto entre montagens e

desmontagens dos experimentos.

2.4.1 Classificação das Máquinas de Ensino-Aprendizagem Reais

Existentes no Mercado

A maior parte das máquinas de ensino-aprendizagem disponíveis no mercador

pode ser amplamente classificada sob quatro categorias principais: máquina

completa, máquina modular, máquina construtiva completa e construtiva modular.

a) Máquinas Completas são projetadas e construídas num único aparato,

exibindo de uma só vez todos os elementos constitutivos destinados a atender um

programa educacional, de treinamento prático ou para uma demonstração técnica.

Essas máquinas apresentam, comumente, grandes dimensões, alto nível de

objetividade e praticidade para atender aos propósitos para as quais foram

projetadas. As Figuras 2.1 e 2.2 mostram duas máquinas de ensino-aprendizagem

para o treinamento sobre sensores.

Figura 2.1 – Máquina de ensino-aprendizagem completa modelo SEN210 para treinamento em

sensores desenvolvida pela BIT9 [URL 26, 2006].

Figura 2.2 – Máquina de ensino-aprendizagem completa modelo 3341 da LABVOLT para treinamento

em sensores [URL 27, 2006].

Devido à natureza especializada das máquinas completas, o alcance desse tipo

de equipamento não é extenso, apresentando certa inflexibilidade construtiva em

seus painéis que, embora podendo permitir algumas modificações, normalmente não

facilitam acoplamentos ou adaptações de elementos novos para atender a

finalidades futuras.

Uma provisão completa (textos, indicações gráficas coloridas, sinalizações ou

esquemas de circuitos) é feita no próprio painel frontal da máquina para servir de

base a inúmeros exercícios que serão experimentados, testados e medidos em

laboratório, Figuras 2.3 e 2.4.

Sistemas funcionais em bloco ou subsistemas são facilmente visualizados,

podendo ser ou não conectados entre si. Alguns modelos consideram um nível mais

detalhado de conexões, isto é, as interligações podem acessar os componentes

eletrônicos constitutivos, individualmente, para permitir uma maior facilidade de

experimentação.

Figura 2.3 – Máquina de ensino-aprendizagem completa modelo 3401 da LABVOLT para treinamento

em refrigeração [URL 27, 2006].

Figura 2.4 – Máquinas de ensino-aprendizagem completa da LABVOLT para treinamento em

sistemas eletromecânicos [URL 27, 2006].

b) Máquinas Modulares diferentemente das máquinas completas são flexíveis,

portáteis, práticas e incluem uma variedade muito extensa de elementos

constitutivos interconectáveis que aumentam a possibilidade de seu alcance de

experimentações e extensões futuras sem perder a sua objetividade, Figura 2.5.

Figura 2.5 – Máquina de Ensino-Aprendizagem Modular da BIT9 para ensino geral de eletrônica

modelo EG (Eletrônica Geral) com módulos intercambiáveis [URL 26, 2006].

Figura 2.6 – Máquina de Ensino-Aprendizagem Modular da BIT9 para ensino geral de eletrônica,

modelo EA1500 para eletrônica analógica [URL 26, 2006].

Figura 2.7 – Máquina de Ensino-Aprendizagem Modular da BIT9 para ensino geral de eletrônica,

modelo TD9015 para eletrônica digital [URL 26, 2004].

Os módulos poderão ser construídos para conter um único componente

eletrônico para estudo (módulos mono-componentes) ou vários componentes ao

mesmo tempo (módulos multicomponentes), Figuras 2.5, 2.6 e 2.7.

Os módulos são padronizados, com tamanhos diferenciados ou não, poderão,

ainda, representar sistemas ou subsistemas que, através de plugues e soquetes,

permitem interconexões via cabos flexíveis originando cadeias ou elos. Estes, por

sua vez, poderão ser encaixáveis ou plugáveis em painéis (Figura 2.3) ou gabinetes

(Figura 2.4), em estantes (Figura 2.5) ou consoles (Figuras 2.6, 2.7 e 2.8) que

servem de base universal para as montagens modulares (Figuras 2.9, 2.10 e 2.11).

Os sistemas modulares são recursos de treinamento, extremamente úteis, tanto

para o projeto de sistemas complexos quanto para projetos de circuitos simples, ou

para estudos de localização de defeitos programados.

Figura 2.8 – Plataforma da máquina de ensino-aprendizagem modular da máquina de ensino-

aprendizagem modular Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica, modelo EB

[URL 28, 2006].

Figura 2.9 – Módulo EB–131 Eletrônica Digital I da máquina de ensino-aprendizagem modular

Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica [URL 28, 2006].

Figura 2.10 – Módulo EB–132 Eletrônica Digital II da máquina de ensino-aprendizagem modular

Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica [URL 28, 2006].

Particularmente o Módulo EB-220 da Figura 2.11, ilustra uma forma como o

circuito integrado CD4007 [URL 39, 2008] permite fazer experiências com chaves

analógicas CMOS, portas lógicas usando o conceito de transistores de passagem

(pass transistors) e portas de transmissão (transmission gates), sendo ambos

utilizados em projetos de circuitos integrados que usam lógica dinâmica. Esses

conceitos por serem essenciais na área de projetos de circuitos integrados CMOS

serão detalhados no Capítulo 3, pois definem os contextos de aprendizagem

máquinas apresentadas nesse trabalho.

De todos os módulos pesquisados, apenas o EB-220 da DEGEM [URL 26,

2006] apresentava esse importante componente que foi utilizado nas máquinas de

ensino-aprendizagem MOS apresentadas no Capítulo 4.

Figura 2.11 – Módulo EB–220 Amplificador Operacional da máquina de ensino-aprendizagem

modular Electronic Bench da DEGEM para ensino de eletrônica básica [URL 28, 2006].

O raciocínio fundamental que serve de base ao método modular consiste no

fato que, dada uma faixa de unidades modulares básicas de função única ou mínima,

qualquer sistema pode ser formado (Figura 2.12), proporcionando uma ampla gama

de facilidades instrutivas com apenas uma faixa limitada de módulos básicos. Novas

funções podem ser incorporadas aos sistemas modulares com muita facilidade e

rapidez, sem haver necessidade de fazer revisões na faixa inteira que, nesta classe

de sistema, é muito vasta.

Figura 2.12 – Máquina de ensino-aprendizagem modular da MINIPA, modelo SD-8100B para ensino

de eletrônica digital avançada [URL 29, 2006].

Um conjunto completo de livros didáticos pode ser produzido para conter

instruções do tipo estudo dirigido através de tutoriais e instrução programada. Estes

devem apresentar uma conceituação teórica importante, juntamente com todos os

procedimentos e orientações para o exercício prático do conjunto de experiências

que deverão ser realizadas na máquina (Figura 2.13).

Alguns instrumentos básicos podem ser modularmente construídos para apoiar

as medições de um grande número de experimentos. As fontes de alimentação são

especialmente projetadas, assim como o conjunto de componentes para encaixes, o

conjunto de cabos elétricos e os plugues que são fornecidos conjuntamente,

permitem a integração efetiva da teoria com a prática.

Figura 2.13 – Máquina de ensino-aprendizagem modular da DEGEM, modelo MODCOM: usada para o ensino de telecomunicações [URL 28, 2006].

A Figura 2.14 apresenta um exemplo especial de máquina de ensino-

aprendizagem da Labvolt [URL 27] para o treinamento em eletromecânica de 2-kW.

Figura 2.14 – Máquina de ensino-aprendizagem modular da LABVOLT, modelo 8013 para

treinamento em eletromecânica de 2-kW [URL 27, 2006].

c) Máquinas Construtivas são conjuntos de equipamentos que podem originar

máquinas completas ou modulares, onde a construção, a montagem e os testes

funcionais são executados pelos próprios usuários. As partes componentes são

fornecidas, normalmente, soltas, desconectadas, separadas, e com todos os seus

elementos prontos para serem conectados para funcionar.

Uma ampla gama de modelos de máquinas construtivas é oferecida no

mercado, e acessível via internet, variando desde simples máquinas (brinquedos,

jogos, unidades de código Morse, detectores de metais, amplificadores de áudio,

simples órgão eletrônico, robôs, etc), até sistemas extremamente complexos e com

finalidades muito variadas, tais como: com sistemas de rádio, sistemas de TV P&B e

em Cores, osciloscópios, câmeras de TV Digital, aparelhos de som,

microcomputadores, impressoras, etc (Figura 2.15).

Figura 2.15 – Máquina de ensino-aprendizagem construtivo modular da LABVOLT, Commander

modelo 50023 para treinamento em reparos e solução e problemas em microcomputadores [URL 27,

2006].

Usando esse tipo de máquina construtiva, o aluno deixa de ser um participante

passivo, na utilização das montagens adquiridas, tornando-se participante ativo da

montagem ou construção de seu próprio equipamento de uso real. Nesse sistema, o

usuário participa diretamente do processo construtivo, aprende como o equipamento

construído deve ser testado e como ele realmente funciona. As técnicas de

montagens e soldagem, sistemas de encaixes e travamentos, conexões, ligações e

os testes de funcionamento são ensinados cuidadosamente ao usuário montador.

Em alguns modelos propostos visam-se apenas obter um resultado sem envolver a

experimentação. Em geral, são evitados ajustes que requeiram avaliações ou

estimativas técnicas mais sofisticadas, onde o emprego de subconjuntos pré-

alinhados é considerado.

O usuário dessa modalidade de máquina, usualmente, termina o seu

treinamento com uma aparelhagem de trabalho semelhante à de um profissional,

embora isto proporcione a ele um sentimento de conquista ou realização, o mesmo

não apreende profundamente, de fato, a eletrônica.

2.4.2 Características Comuns das Máquinas Modulares no

Mercado Nacional

As máquinas de ensino-aprendizagem existentes no mercado brasileiro são

produzidas por empresas, tais como Labvolt [URL 27, 2006], Degem [URL 28, 2006],

Bit9 [URL 26, 2006], DataPool [URL 30, 2006] e Minipa [URL 29, 2006]. As

máquinas são produzidas com diferentes recursos tecnológicos eletrônicos e

computacionais que integram os equipamentos para diversas finalidades

instrucionais.

Analisando vários desses sistemas e o conjunto de módulos constitutivos pode-

se rapidamente perceber que praticamente um é uma cópia ligeiramente modificada

de uns e de outros. A principal característica visível nas máquinas modulares é a

variação dimensional dos módulos das placas de circuito impresso. Em seguida, se

observa o sistema de conectores e cabos elétricos utilizados, seguida pelas

diferentes estampas de simbologia sobre as placas dos módulos.

Tudo está muito certinho e prontinho para ser utilizado pelos alunos Esse é o

propósito muito bem atingido por todas essas máquinas modulares. A parte mais

interessante que constitui no domínio prático das diversas técnicas de montagem

eletrônica, não é acessada pelos alunos, mas por técnicos das empresas fabricantes

das máquinas. Consultados, os fabricantes alegaram que da forma como suas

máquinas foram concebidas e desenvolvidas, as placas de circuito impresso não

suportariam vários ciclos de soldagem dos componentes. E com isso, as questões

de degradação de funcionalidade dos componentes implicariam em uma ausência

de garantia e elevação de custos com peças de reposição por parte das instituições

clientes.

Na visão dos empresários desse setor de máquinas, produzir máquinas

construtivas e modulares no mercado brasileiro não seria um bom negócio, pois as

instituições de ensino precisariam assumir custos maiores para atingir finalidade

inerente às práticas de montagens. Tendo em vista essa característica negativa do

processo construtivo, as máquinas comercializadas no Brasil são apenas modulares.

As máquinas modulares são as mais vendidas em todo o mundo, no Brasil, não é

diferente. Basta paginar os catálogos dos fabricantes para se verificar que a

máquinas apresentam características modulares.

As máquinas propostas neste trabalho foram desenhadas levando-se em

consideração esses aspectos comerciais e práticos das máquinas modulares e das

máquinas construtivo-modulares ambas utilizando as especificações Flexlab [URL

31, 2007] da Flextronica [URL 32, 2008]. O sistema Flexlab foi inicialmente

desenvolvido pelo autor [URL 33, 2008] nos anos de 2003 e 2004 quando ainda era

estudante de graduação no Curso de Tecnologia de Materiais, Processos e

Componentes Eletrônicos da Faculdade de Tecnologia de São Paulo, FATEC/SP

[URL 34, 2008].

Capítulo 3

Modelagem do Contexto de Aprendizagem

O avanço contínuo das técnicas de fabricação de componentes eletrônicos

contribuiu, ao longo das últimas quatro décadas, para o aparecimento de várias

famílias de circuitos eletrônicos para o processamento digital das informações.

De uma forma geral, pode-se desenvolver facilmente máquinas de ensino-

aprendizagem para compreender os diversos contextos históricos do funcionamento

das tecnologias utilizadas para compor os sistemas digitais, desde a tecnologias

baseadas em chaves e relés da década de 20, os transistores bipolares da década

de 50, aos transistores de tecnologia MOS desse terceiro milênio.

Apenas para ilustrar as possibilidades de construção de máquinas de ensino-

aprendizagem para auxiliar na compreensão de semelhantes funcionalidades com

diferentes tecnologias, serão apresentados nas páginas a seguir os diversos

contextos de aprendizagem através de circuitos eletrônicos das diferentes portas

lógicas possíveis de análise comportamental, estudo das funcionalidades e

caracterização elétrica.

Assim, por questões de ordem prática, designaremos para cada contexto de

aprendizagem, um nome representativo para a máquina de ensino-aprendizagem

(TLMs) em consideração:

a) Máquina de Ensino-Aprendizagem a Relé;

b) Máquina de Ensino-Aprendizagem Bipolar;

c) Máquina de Ensino-Aprendizagem MOS;

d) Máquina de Ensino-Aprendizagem de Lógica Programável.

Os exemplos de funcionalidades que essas máquinas devem contemplar serão

descritas a seguir através de um conjunto de circuitos elétricos representativos para

cada tecnologia. As máquinas do tipo (a) e (b) terão sua apresentação reduzida por

serem atualmente pouco aplicadas na prática.

3.1 Contexto de Aprendizagem com Chaves e Relés

Na década de 1920 as chaves e os relés começaram a ser utilizados em

circuitos elétricos para operar funções lógicas.

Utilizando-se chaves manuais podemos gerar algumas funções lógicas tais

como os exemplos ilustrados na Figura 3.1 [HIBBERD, 1969] [MORRIS, 71].

Nessa figura podemos observar as diferentes combinações das chaves para se

obter uma funcionalidade equivalente à das obtidas com as atuais portas eletrônicas:

NOT (b), AND (c), OR (d), NAND (e) e NOR (f).

Nas Figuras 3.2 e 3.3 são mostradas algumas ligações para configurar portas

lógicas com a velha tecnologia de relés ligados ao Pólo Positivo (P-Relés) e outros

ligados ao Pólo Negativo (N-Relés).

(a)

5 V

Chave

330

Led

5 V

330

(b)

(c)

5 V

Led

330

5 V

330

Led

(d)

(e)

5 V

Led

330

Led

330

5 V

(f)

Figura 3.1 – Configuração de portas lógicas com tecnologia de chaves: (a) Não-Inversor, (b) Inversor,

(a)

(b)

Figura 3.2 – Configuração de portas lógicas NOR e NAND com tecnologia de relés: (a) Redes P-

Relés e (b) Redes N-Relés.

Redes P-Relés

Redes N-Relés

(a)

(b)

Figura 3.3 – Configuração de portas lógicas com tecnologia de relés: (a) Redes P-Relés e (b) Redes

N-Relés.

A Figura 3.4 ilustra a configuração de relés para a obtenção das funções

lógicas, respectivamente, XOR (a) e XNOR (b).

(a)

(b)

Figura 3.4 – Configuração de portas lógicas com tecnologia de relés: (a) XOR e (b) XNOR com N-

Relés.

Embora saibamos que os transistores construídos com a tecnologia MOS

sejam acionados por tensão e não por corrente, podemos, para fins didáticos e

experimentais, ilustrar o funcionamento dos transistores PMOS e NMOS com

Redes P-Relés

Redes N-Relés

circuitos baseados nas redes de P-Relés e N-Relés mostrados nas Figuras 3.2, 3.3

e 3.4 anteriores.

O uso didático desses circuitos elétricos para composição e explicação do

mecanismo de operação das funções lógicas, das operações verificadas pela

álgebra booleana são excelentes exemplos de como funciona a transposição

didática que utilizamos foram exploradas no projeto das máquinas de ensino-

aprendizagem propostas.

Em outras palavras, a compreensão de uma tecnologia mais complexa, como é

o caso da tecnologia MOS, pode ser feita didaticamente e de forma grosseira com

uso de uma tecnologia mais simples e até mesmo obsoleta, como é considerada a

tecnologia baseada em relés de comutação.

3.2 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia Bipolar

Os circuitos lógicos digitais com tecnologia bipolar podem ser agrupados

segundo suas características construtivas internas e elétricas comuns, cuja

configuração de seus componentes originam as diversas famílias lógicas [MORRIS,

1971] [REIS, 1985] [TAUB, 1982].

Assim, as principais famílias são: família DL (diode logic), família RTL (resistor-

transistor logic), família RCTL (resistor-capacitor transistor logic), família DTL (diode-

transistor logic), família DCTL (direct-coupled transistor logic), família LLL (low level

logic), família CML (current mode logic) e família TTL (transistor-transistor logic).

Como o objetivo é não cansar o leitor, apresentaremos sucintamente as

famílias DL e TTL, uma vez que atualmente a tecnologia dominante é a CMOS, e

por isso detalharemos bastante o contexto de aprendizagem para embasar as TLMs

CMOS.

3.2.1 Família DL

A lógica da família DL (diode logic) utiliza apenas diodos interconectados por

um terminal em comum, anodo ou catodo [TAUB, 1982]. Uma polarização adequada

produzirá um comportamento característico das portas lógicas AND e OR, na Figura

3.5 [CLEARY, 62]. Se os diodos forem ligados em anodo comum se comportará com

uma porta AND, Figura 3.5a. Quando ligados na configuração em catodo comum o

circuito se comportará como porta OR, Figura 3.5b.

(a)

Output

+Vcc

1 K

(b)

Y = A+B+C

680

Output

Figura 3.5 – Tecnologia DL: (a) porta AND e (b) porta OR.

Podemos observar que na lógica DL não dá para construir portas inversoras e,

em conseqüência desse fato, não será possível construir as portas lógicas NAND,

NOR, XOR, XNOR e nem qualquer circuito seqüencial: latches, flip-flops,

registradores e contadores em geral.

3.2.2 Família TTL

Os circuitos lógicos da família TTL foram projetados pela Texas Instruments,

em 1962. Tornaram-se bastante populares nas décadas de 70 e 80. E, com certa

dificuldade, podemos ainda hoje encontrar alguns circuitos integrados TTL sendo

comercializados no mercado.

A família lógica TTL (transistor-transistor logic) é uma evolução das famílias

lógicas com tecnologia bipolares (DL, RTL, DTL, DCTL, LLL e CML).

A Figura 3.6 apresenta alguns circuitos usados para produzir as lógicas NOT

(a), NAND (c), AND (d), NOR (e), OR (f). Em (b) é apresentado um circuito TTL de

uma porta do tipo buffer de corrente não-inversora.

(a)

130

Output

Y = A

+Vcc

1 K

BC548

4 K

BC548

1,6 K

BC548

+Vcc

130

1,6 K

4 K

2 K

BC548

800

BC548

Output

Y = A

BC548

1 K

(b)

(c)

Q1,Q2

BC548

4 K

1 K

BC548

Output

Y = A.B

BC548

1,6 K

BC548

130

+Vcc

2 K

1,6 K

130

4 K

800

1 K

BC548

BC548Q1,Q2

BC548

Output

Y = A.B

+Vcc

(d)

(e)

1,6 K

130

BC548

1 K

BC548

Output

Y = A+B

BC548

4 K

BC548

+Vcc

BC548

Output

Y = A+B

BC548

1 K

BC548

BC548 Q1

BC548

BC548 Q2

BC548

4 K

2,5 K

130

1,6 K

+Vcc

(f)

Figura 3.6 – Tecnologia TTL: (a) Inversor, (b) Buffer, (c) porta NAND, (d) porta AND, (e) porta NOR e

(f) porta OR com saída Totem-pole.

O princípio de funcionamento dos circuitos lógicos TTL é basicamente similar

aos circuitos DTL [HIBBER, 1969]. Os transistores de entrada, configurados em

base-comum, são fabricados monoliticamente de forma a permitir a colocação de

múltiplas regiões de emissores para formar os transistores multi-emissores,

ocupando menores áreas.

Os níveis lógicos de saída dos circuitos TTL são definidos por um estágio de

saída formado por dois transistores em série com um diodo, numa configuração

chamada Totem-pole. Esta configuração do estágio de saída com um transistor pull-

up oferece aos circuitos TTL ganho de corrente para garantir um chaveamento

rápido nos dois sentidos e elevada capacidade de fan-out [MORRIS, 1971].

(a)

Output

Y = A

4 K

1,6 K

BC548 Q1

BC548

1 K

+Vcc

BC548

2 K

4 K

+Vcc

1,6 K

BC548

Output

Y = A

BC548

1 K

BC548

800

(b)

(c)

1 K

1,6 K

4 K

BC548Q1,Q2

BC548

+Vcc

Output

Y = A.B

BC548

Q1,Q2

BC548

Output

Y = A.B

1 K

BC548

800

4 K

+Vcc

2 K

1,6 K

(d)

(e)

4 K

BC548

1 K

BC548 Q2

BC548

Output

Y = A+B

+Vcc

1,6 K

BC548

BC548 Q2

BC548

Output

Y = A+B

1 K

BC548

1 K

BC548

2,5 K

4 K

+Vcc

1,6 K

(f)

Figura 3.7 – Tecnologia TTL: (a) Inversor, (b) Buffer, (c) porta NAND, (d) porta AND, (e) porta NOR e

(f) porta OR com saída Open-Collector.

A Figura 3.7 uma variação dos circuitos lógicos apresentados na Figura 3.6 no

que diz respeito ao estágio de saída com apenas um transistor com o coletor aberto.

Esta configuração de circuitos TTL é conhecida por Open-Collector e foram

fabricados para pemitir a interface de circuitos TTL em barramentos de dados com

diferentes níveis de tensão.

Uma variação importante dos circuitos TTL são as portas lógicas com saída tri-

State. Na condição tri-state a porta lógica TTL da Figura 3.8 promove o corte dos

dois transistores da saída Totem-pole, levando a saída à uma condição de alta

impedância.

Control

BC548

500

4 K

BC548

750

4 K

BC548

+Vcc

Output

Y = A

Control

Figura 3.8 – Tecnologia TTL: Inversor com saída Tri-State.

As portas com saídas tri-state são comuns para conectar vários subsistemas

num barramento comum. Assim, se dois circuitos tri-state forem ativados simultânea

com níveis lógicos complementares, esta condição de curto circuito poderá danificar

os circuitos integrados.

3.3 Contexto de Aprendizagem com Tecnologia MOS

Com os avanços alcançados com a tecnologia MOS e a conseqüente

miniaturização e aumento da densidade dos circuitos eletrônicos, os transistores

MOS tornaram-se os preferidos em projetos de circuitos integrados fabricados na

atualidade.

Os telefones celulares, tocadores de MP3, Pen-Drive, Vídeo Games, relógios

de pulso, eletrônica embarcada em brinquedos etc, todos utilizam alguma

funcionalidade implementada na forma de circuitos integrados MOS.

Os transistores MOS para circuitos digitais são construídos para funcionarem

como chaves simples comandada por uma tensão de porta (V

) [OKLOBDZIJA,

2001].

A Figura 3.9 ilustra o funcionamento simplificado dos transistores NMOS (a) e

PMOS (b). Uma diferença de tensão (V

– V

) aparecer entre os terminais da porta

(S) e da fonte (A), canais N e P serão formados, respectivamente, nos transistores

NMOS e PMOS. Nessa condição, os transistores estão conduzindo, e nos terminais

de dreno (Y) obteremos as tensões (V

– V

) e (V

- V

), para NMOS e PMOS,

respectivamente.

(a)

P-MOSN-MOS

YYPN

S=0

OPEN

S=1S=1

YAY

(b)

Figura 3.9 – Transistores MOS como chave: (a) NMOS e (b) PMOS.

Seguindo os mesmos princípios rudimentares da teoria da lógica de

chaveamento, ligando-se os transistores MOS em série ou em paralelo podemos

implementar redes de transistores MOS para formar as portas lógicas AND, NAND,

OR e NOR [REIS, 2000]. Esses arranjos podem ser verificados a seguir nas figuras

3.10 a Figura 3.25.

N-MOS

S2S1 N2N1

N-MOS

N2N1

S2S1

P-MOS

S2S1 N2N1

P-MOS

S2S1

P2P1 YA

Paralelo

Série

Figura 3.10 – Redes de transistores MOS série e paralelo funcionando como chave: (a) redes NMOS

e (b) redes PMOS.

Pull-up

Figura 3.11 – Projeto de portas lógicas NMOS com resistor Pull-up.

Pull-down

Figura 3.12 – Projeto de portas lógicas PMOS com resistores Pull-down.

+V +V+V

NMOS

Pull-down

Network

Inputs

Output

NNAB

Figura 3.13 – Projeto de portas lógica Pseudo-NMOS (com relação).

PMOS

Pull-down

Network

Inputs

Output

+V+V

BPPPAA

+V+V

Figura 3.14 – Projeto de portas lógicas Pseudo-PMOS (com relação).

AY=A

Y=A

Figura 3.15 – Projeto de portas lógicas CMOS (sem relação): (a) inversor e (b) não-inversor.

(a)

Y=A.B

PP P

(b)

Figura 3.16 – Projeto de portas lógicas CMOS (sem relação): (a) NAND e (b) AND.

(a)

BNN

Y=A+B

ANN

Y=A+B

(b)

Figura 3.17 – Projeto de portas lógicas CMOS Estática (sem relação): (a) NOR e (b) OR.

(a)

A PP

APP

(b)

Figura 3.18 – Projeto de portas lógicas XOR CMOS Estática (sem relação): (a) e (b) são

funcionamento equivalentes, porém, geometricamente distintos.

(a)

Data

Input

Data

Input

(b)

Figura 3.19 – Projeto de um circuito Bus-Hold CMOS formado por dois inversores invertidos: (a)

representação com blocos de inversores e (b) representação mista, bloco inversor e transistores.

A tecnologia de lógica dinâmica permite a implementação de circuitos lógicos

de altíssimo desempenho formando estruturas bastante complexas onde a

funcionalidade de uma lógica dependente das características elétricas das ligações

e do tipo rede de transistores utilizados. Alguns exemplos podem ser observados

nos artigos sobre Extended True Single Phase Clock (E-TSPC) de Navarro e Van

Noije (1998, 1999, 2000 e 2002) e em (MIRANDA et al., 2004).

NMOS

Pull-down

Network

Inputs

CLK N

NMOS

Pull-down

Network

Inputs

CLK

Output

PMOS

Pull-down

Network

Static

CMOS

OutputInputs

Dynamic

N-Type

CMOS

Clock

OutputInputs Inputs

Dynamic

P-Type

CMOS

Clock

Output

Inputs Output

PMOS

Pull-down

Network

Output

(CMOS Design) (N-Type Dynamic Logic) (P-Type Dynamic Logic)

Figura 3.20 – Técnica de Projetos de portas lógicas CMOS (sem relação): CMOS Estático, CMOS

Dinâmico tipo-N e CMOS Dinâmico tipo-P.

NCLK

CLK

Figura 3.21 – Projeto de portas lógicas CMOS Dinâmica tipo-N: NOT, NOR e NAND.

CLK N

A A

CLK N

PP BA

Figura 3.22 – Projeto de portas lógicas CMOS Dinâmica tipo-P: NOT, NOR e NAND.

YTG

Figura 3.23 – Projeto de uma porta TG (transmission gate).

Figura 3.24 – Projeto de um multiplexador CMOS com TG (transmission gate).

Figura 3.25 – Projeto de portas lógicas XOR CMOS com TG (transmission gate).

3.4 Contexto de Aprendizagem com Lógica Programável

Levando em conta o atual estado da arte em fabricação da tecnologia CMOS

em alta escala de integração os projetistas de circuitos integrados idealizaram uma

configuração de chip de tal forma que mediante o valor de uma série de bits na

memória, portas lógicas genéricas podem ser programadas [REIS, 2000].

Com uma arquitetura adequada, podemos parametrizar um chip com uma

seqüência de bits, que por sua vez corresponderá à definição de uma determinada

função lógica (simples ou complexa). Este conceito é atualmente utilizado por

fabricantes na arquitetura de alguns chips do tipo FPGA [OKLOBDZJA, 2001].

Nas Figuras 3.26 a 3.31 ilustramos algumas idéias relacionadas com projetos

de portas e funções utilizando-se da tecnologia PTL (transistores de passagem) e o

de blocos seletores para programar as funções lógicas básicas.

(a)

VDD-VthVDD

VDD

Curto circuito quando A=1, B=1 e C=0, D=1.

Vth

(b)

Figura 3.26 – Problemas em projeto de portas lógicas CMOS com PTL (pass transistor logic): (a)

curto-circuito e (b) queda de tensão.

(a)

Word

Line

Bit

Line

CLK

NDQ

D-Type Latch DRAM Cell

(b)

Figura 3.27 – Projeto de célula de memória com CMOS/PTL: (a) RAM Estática e (b) RAM Dinâmica.

(a)

Cout

Vc Vc

(b)

Figura 3.28 – Consideração de efeitos da capacitância parasitária: (a) CMOS Estático e (b) PTL.

(a)

In1

In0

Output

In0

In1

(b)

Output

In0

In1 In1

In0

Output

Figura 3.29 – Projeto de seletor CMOS/PTL: (a) saída não-inversora e (b) saída inversora.

Output

PTL-AND Gate PTL-OR Gate PTL-XOR Gate

Figura 3.30 – Projeto de portas lógicas com seletor CMOS/PTL: AND, OR, XOR.

Output

PTL-NAND Gate PTL-NOR Gate PTL-XNOR Gate

Figura 3.31 – Projeto de portas lógicas com seletor CMOS/PTL: NAND, NOR, XNOR.

Capítulo 4

Proposta de Máquinas de Ensino-

Aprendizagem

Nesse capítulo serão apresentados alguns módulos básicos desenvolvidos e

experimentados para atender a modelagem do contexto de aprendizagem definida

no Capítulo 3 para a máquina de ensino-aprendizagem MOS.

4.1 Introdução

A máquina CMOS é uma máquina modular composta por um conjunto de

elementos funcionais painel de força sobre o qual se fixa por meio manta magnética,

alfinetes sobre borracha ou fitas de VELCRO [URL 41, 2008]. As placas dos

módulos de circuito impressos foram produzidos em tamanhos padronizados no

formato A4, A5, A6, até o tamanho A12 e outros de tamanho de variados.

Atualmente, nas escolas técnicas brasileiras e em muitos cursos de engenharia,

os conhecimentos sobre projetos de circuitos integrados não são abordados

regularmente pois não fazem parte da grade curricular. Notamos um fato curioso,

pois a curto prazo não existe qualquer plano para implementá-los. Em algumas

escolas técnicas, parece que as disciplinas de eletrônica básica e eletrônica digital

permitem que os próprios docentes façam adaptações em seus conteúdos.

A seguir descrevemos a funcionalidade didática das máquinas de ensino-

aprendizagem. As máquinas a relé (a) e bipolar (b) não estão sendo consideradas

no presente trabalho, apenas as máquinas MOS (c) e lógica programável (d).

a) Máquina a Relé: com essa máquina seria possível fazer uma revisão geral

dos princípios da lógica de chaveamento, apresentar os postulados da Álgebra

Booleana, seus principais teoremas e realizar demonstrações através de

comparação de tabelas verdades. Essa máquina auxilia na compreensão dos

métodos de simplificação de circuitos elétricos de chaveamento (algébricos, gráficos

e numéricos), o impacto desses métodos nos custos de implementação de uma

lógica definida por circuitos elétricos baseados em relés. A máquina a relé permite

também estudar a complexidade dos circuitos de chaveamento, fazer uma análise

temporal desses circuitos de chaveamento e compreender porque o limite de

velocidade dos circuitos de chaveamento com relés não conseguem processar

informações com velocidades superiores a 100 Hz.

b) Máquina Bipolar: com essa máquina seria possível fazer uma revisão geral

e histórica dos conceitos sobre junções bipolares utilizadas antigamente nos projetos

de circuitos integrados e de diversas portas lógicas. Conforme, apresentado no

Capítulo 3, essa máquina permitiria desenvolver atividades para explicar como se

deu o aparecimento das diversas tecnologias de circuitos lógicos digitais: DL (diode

logic), RTL (resistor-transistor logic), DTL (diode-transistor logic), TTL (transistor-

transistor logic) e a ECL (emitter-coupled logic). O desenho dos módulos dessa

máquina deve permitir o acesso interno aos componentes do circuito eletrônicos

para se obter informações nos pontos de interesse e para observação dos sinais

(tensões e correntes), funcionamento interno das portas lógicas básicas (NOT,

NAND, AND, NOR, OR, XOR).

c) Máquina MOS: o desenho dos módulos e demais componentes para uma

máquina MOS são os objetivos principais apresentados nesse trabalho de pesquisa.

Os circuitos integrados produzidos no mundo utilizam extensamente essa tecnologia

devido as suas características econômicas e simplicidade relativa de implementação

de sistemas complexos. Particularmente, a tecnologia CMOS é a mais bem

empregada na síntese lógica de sistemas digitais complexos, tais como, em projeto

de microprocessadores, microcontroladores, RFID, FPGA, etc.. A máquina MOS foi

dividida em duas categorias de módulos: lógica CMOS estática e lógica CMOS

dinâmicas. Respectivamente elas permitem o estudo dos conceitos básicos dos

circuitos lógicos utilizando-se transistores MOS (NMOS e PMOS) semelhantemente

ao que foi feito na modelagem de contexto de aprendizagem a relé. Nesse particular

os transistores NMOS e PMOS são interconectados como se fossem chaves

analógicas ou simples relés mecânicos de altíssima velocidade de comutação. Os

módulos da lógica CMOS dinâmica foram construídos para permitir o estudo e

análise de circuitos de portas lógicas baseadas em um sinal de clock. Esses

módulos permitem verificar como as mesmas funções lógicas podem ser obtidas

utilizando-se diferentes configurações de circuitos utilizando-se apenas transistores

NMOS, PMOS, Inversores ou mesmo portas básicas baseadas nos conceitos de

Standard-Cells e Sea-of-Gates. Com o uso de capacitores de diferentes valores

pode-se simular a funcionalidade das portas CMOS dinâmica a baixíssimas

velocidades, para que os alunos compreendam a importância e utilidade das

capacitâncias parasitárias de porta e de linha.

d) Máquina de Lógica Programável: O aumento repentino da complexidade

dos circuitos digitais na década de 70 acabou exigindo dos projetistas de circuitos

integrados a criação de uma linguagem para auxiliá-los durante as fases de projeto

do CI. Nasceu nessa época o VHDL para resolver esses problemas através de uma

síntese de alto nível. O VHDL não será apresentado nesse trabalho de pesquisa,

mas tão somente alguns conceitos básicos sobre a lógica envolvida no projeto de

sistemas configuráveis comuns nos chips do tipo CPLD e FPGAs. Com a finalidade

de conceituar alguns elementos chaves presentes nesses chips, estão sendo

elaboradas máquinas de ensinar que ilustram o funcionamento, por exemplo, das

Look-up Tables e algumas experiências para se implementar alguns circuitos

eletrônicos combinacionais e seqüenciais através dos conceitos de máquinas de

Moore e Mealy. Para permitir o estudo desses tipos de máquinas de ensinar está

sendo testada uma interface de software em C++ utilizando-se a porta de

comunicação paralela para programar uma lógica Look-up Tables com 2 e/ou 3

entradas.

A linguagem VHDL embora seja de fácil aprendizagem, no nível técnico, por

não dispor de horas suficientes na grade escolar para esse tipo de ensino usando

computadores, tivemos que limitar o seu uso por um breve conteúdo informativo e

comparativo de como é possível projetar circuitos integrados complexos utilizando

técnicas avançadas de projetos. Embora, reconhecemos que o uso da linguagem

VHDL seja corriqueiro em projeto de circuitos VLSI, altamente eficiente, de altíssima

produtividade para se produzir ASICs, permite que os engenheiros testem

previamente seus projetos através de um processo de modelagem de protótipos

utilizando-se chips do tipo FPGAs. O autor considerou essa importância do VHDL

para um posterior desenvolvimento de máquinas de ensinar especiais contendo

circuitos integrados programáveis dos três principais fabricantes de FPGA: Altera,

Xilinx ou Actel.

Assim, Para as quatro máquinas descritas estão sendo desenvolvidos módulos

eletrônicos que permitam um estudo direto e detalhado do funcionamento de

circuitos lógicos em diferentes tecnologias de fabricação de circuitos integrados:

portas básicas (NOT, NAND, AND, NOR, OR, XOR, XNOR, Tri-State), chaves

analógicas, decodificadores BCD, decodificadores de linha, encoders, comparadores,

somadores, latches, flip-flops, contadores, registradores e memórias.

4.2 Plataformas de Papelão nas Montagens Eletrônicas

Muitos professores das escolas técnicas visitadas e com os quais pudemos

conversar mais abertamente nos informaram que não adotam em suas aulas os kits

didáticos que têm à sua disposição por serem insuficientes e restringirem bastante a

aplicação dos conceitos que normalmente eles desenvolvem no laboratório. Assim, a

maioria se sente mais a vontade utilizando-se as tradicionais plataformas de

montagens de circuitos através das matrizes de contato, conhecidas por protoboards.

Nos últimos dois anos pude observar na FATEC/SP e no CEFET/SP a

utilização ineficaz de diversas montagens eletrônicas mal sucedidas realizadas em

matrizes de contatos, principalmente, devido ao mau contato inerente a esse tipo de

plataforma.

Outros professores para se livrarem desses problemas de mau funcionamento

inerentes às montagens nas plataformas de protoboards têm apelado para

construções rápidas e bastantes simples usando plataformas de papelão ao invés de

circuitos impressos.

Pessoalmente, presenciei esse fato no CEFET/SP por seis semanas seguidas,

onde o professor queria comprovar na prática uma experiência simples de

construção de oscilador com realimentação negativa num filtro RC de três estágios

onde utilizava um amplificador operacional uA741 com ganho ajustado por um

trimpot. O professor estava tentando mostrar aos alunos que as perdas de 6 dB no

filtro RC, a importância do ganho no circuito, e os efeitos da saturação do sinal no

limiar de oscilação. Os alunos só conseguiram completar essa experiência com êxito

quando o professor interferiu no processo e pediu para que seus alunos fizessem

uma montagem definitiva do circuito numa base de papelão com os terminais dos

componentes totalmente soldados.

Perguntei ao professor sobre o que ele achava dos incidentes experimentais

em sua disciplina com os seus alunos. E fui informado que esses eventos faziam

parte do processo de ensino-aprendizagem e é importante que aconteça para os

alunos vivenciarem essas situações problemáticas na prática e desenvolvam

iniciativas para resolvê-las.

Perguntei a ele de outra forma, para saber o que achava se tivesse a sua

disposição um conjunto de pequenas máquinas de ensino previamente elaborada

para atender ao conteúdo de sua disciplina. Essa máquina poderia ter todas as

experiências desenvolvidas nas aulas teóricas disponíveis em pequenos módulo de

circuitos impressos ou num painel de circuito impresso que ele poderia mostrar a

todos os alunos de uma só vez. Assim, os alunos rapidamente poderiam trocar os

componentes, observar os sinais no osciloscópio e alterar o circuito para a análise

de várias configurações. Qual não foi a minha surpresa, o professor respondeu que

seria muito bom se isso fosse possível. Mas não gostaria de utilizar os velhos kits

padronizados da escola por achar inadequados.

A maioria dos professores de eletrônica contatados, mesmo sabendo que as

plataformas em circuitos impressos são ideais para as montagens eletrônicas e

evitando os ruídos indesejáveis dos protoboards, se justificam dizendo que as

experiências realizadas são meramente provisórias. Quase todos consideram

desnecessário confeccionar circuitos impressos para elas. A maioria acha uma

perda de tempo e de dinheiro na confecção desse tipo de montagem. Praticamente,

todos os professores consultados acreditam que os circuitos impressos devam ser

usados apenas para os circuitos finais, para uso de forma definitiva, mas não para

as suas experiências do cotidiano nos laboratórios de eletrônica.

4.3 Taxionomia para as Máquinas de Ensino-

Aprendizagem

Para facilitar o nosso entendimento sobre a utilização das máquinas propostas,

a seguinte taxionomia é indicada pelas siglas TM, LM, TLM com os seguintes

significados:

a) TM (teaching machine), para indicar que a máquina possui desenho e

funcionalidade, visando atender às necessidades didáticas do professor;

b) LM (learning machine), para indicar que a máquina foi desenhada para

permitir o desenvolvimento de atividades práticas de aprendizagem, focando hábitos

especiais nos alunos alvo da aprendizagem;

c) TLM (teaching-learning machine), para designar a classe de máquinas que

contempla, de uma maneira geral e irrestrita, todos os tipos possíveis de máquinas

utilizadas nos processos de ensino-aprendizagem; e

d) MMI (man machine interaction), para qualificar que o projeto da máquina

proposta contemplou aspectos relevantes das interações decorrentes entre o

homem e a máquina, nos termos conceituados em PREECE (1994, 2002) sobre HCI

(human-computer interaction).

Essa abordagem metodológica baseada em máquinas de ensino-aprendizagem

CMOS pode incrementar dramaticamente as atividades experimentais quando

organizadas convenientemente para serem utilizadas ao longo dos semestres em

disciplinas com ensino serializado.

Embora a principal vantagem dos programas de computador seja a velocidade

de verificação de erros em projetos sem a necessidade de realizar as montagens

práticas, uma vez que são bastante lentas e limitadas, a abordagem virtual acaba

gerando uma desvantagem como conseqüência, que é o distanciamento cada vez

maior dos alunos do fascinante mundo dos projetos baseados nas montagens

práticas dos circuitos eletrônicos.

As TLMs devem ser utilizadas nas aulas de laboratórios para cristalizar o

entendimento dos alunos sobre diversos aspectos importantes sobre a tecnologia

CMOS em modernos projetos de CIs VLSI.

Os conceitos utilizados nas TLMs CMOS podem ser obtidos facilmente em

livros textos tais como: MEAD e CONWAY (1980), MUKHERJEE (1986),

FABRICIUS (1990, 1992), UYEMURA (1992), HILL e PETERSON (1993),

PUCKNELL (1994), GAJSKI (1997), REIS (2000), OKLOBDZIJA (2002), RABAEY

(2003) e ROZO (2003).

4.4 Proposta de Módulos de Standard-Cells

O projeto de um CI compreende dezenas de etapas que podem ser arranjadas

em diferentes fases para formar um fluxo de projeto. De uma forma simplificada, este

fluxo de projeto pode ser decomposto por 3 fases: especificação, projeto e validação.

Segundo REIS (2000), a fase de especificação é o ponto de partida de qualquer

projeto. A especificação é responsável por definir a aplicação do produto, requisitos

de comportamento, a sua arquitetura, tecnologia de implementação, condições de

operação, pinagem, entre outros. Esta fase pode ainda incluir etapas de análise de

custo e viabilidade do projeto, especificação de IPs e definição dos fornecedores e

prestadores de serviço.

Segundo GAJSKI (1997), a fase de projeto é a fase responsável pela

concepção do projeto, e é formada por diferentes etapas dependendo do tipo de

projeto, podendo ser digital, analógico ou projeto de sinais mistos. Todos os

desenhos das TLMs foram concebidos considerando-se os diversos aspectos de

abstração em projetos de CI abordados em GAJSKI (1997): abstração

comportamental, abstração estrutural e abstração física-geométrica.

O hardware utilizado pelos autores em algumas TLMs [ROSA; VAN NOIJE,

2008] foi baseado na funcionalidade do CI CMOS CD4007 [URL 45, 2008], lançado

pela Fairchild no final da década de 70, e vem sendo utilizado como interface entre

sinais analógicos e digitais. Este CI contém apenas seis transistores, sendo três

NMOS e três PMOS. Um par desses transistores está ligado como um inversor

CMOS. Um segundo par de inversor CMOS apresenta os drenos dos transistores

desconectados. E, o último par, apresenta os terminais de dreno e fonte

desconectados.

Uma boa prática de ensino para desenvolver habilidades de estilo de projetos e

verificação de erros em projetos full custom, onde o desenho do CI é livremente

produzido e verificado pelos próprios alunos, baseia-se completamente na

observação de regras de projetos sobre papel milimetrado ou quadriculado. Em

ambas as situações, o professor poderá utilizar os recursos de exibição de grades

do programa MS-WORD para orientar a documentação dos desenhos coloridos das

células padronizadas cujos tamanhos poderão ser modularizados de forma

adequada.

Como um jogo de quebra-cabeças, as Standard-Cells utilizadas no MS-WORD

poderão ser usadas na montagem de TLMs embarcando circuitos integrados com

funcionalidade compatível. Na internet podemos encontrar vários sites contendo o

leiaute de biblioteca de Standard-Cells que poderão ser utilizados para os módulos.

As células apresentadas nesse trabalho foram obtidas do site VLSI Technology [URL

42, 2008] e foram desenhadas com um software livre francês conhecido por Alliance

[URL 43, 2008].

A Figura 4.1 mostra o desenho de uma TLM com módulos de Standard-Cell de

uma porta AND2 apresenta um tamanho de 3 cm por 15 cm. Sobre um laminado de

papelão grosso (1 ou 2 mm), ou uma placa de circuito impresso (1,6 mm), é colado

esse desenho colorido feito no MS-WORD. E, na parte posterior se fixa o CI

equivalente (que pode ser soquetado ou soldado em SMD). Na versão em papelão

utiliza-se pequenos fios (AWG 28) para ligar os terminais de alimentação (V

e V

sinais de entrada (A e B) e saída (C). Assim, facilmente implementa-se uma

funcionalidade real com eletrônica embarcada à geometria utilizada por uma

Standard-Cell. Várias células foram desenhadas e implementadas rapidamente por

essa técnica, proporcionando várias atividades práticas em laboratório.

(a)

(b)

Figura 4.1 – (a) TLM de um módulo de porta AND2 Standard-Cell (15 cm de altura) e (b) o símbolo

lógico da porta AND2 com o equivalente esquemático de transistores MOS.

4.5 Proposta de Módulos Sea-of-Gates

A tecnologia Sea-of-Gates foi uma importante tecnologia que precedeu e motivou

a utilização do conceito de Look-up Table para a programação interna do

roteamento para se obter um circuito lógico desejado, nos modernos dispositivos

FPGAs. Pesquisada no IMEC, na Bélgica, foi apresentada à comunidade de

microeletrônica por VAN NOIJE e DECLERCK (1985), tendo sido registrada na tese

de doutorado de VAN NOIJE em 1985. Para homenageá-lo, o autor batizou essas

máquinas de ensino-aprendizagem CMOS construídas com a tecnologia de Sea-of-

Gates, pelo nome Máquinas de Van Noije. A Figura 4.2 ilustra o conceito de Sea-of-

Gates como uma estrutura formada por duas redes de 7 transistores NMOS e PMOS

ligados em série. Para definir uma porta lógica NOR será necessário fazer uma

metalização conveniente entre os terminais dos transistores bem como surge a

necessidade de fazer um isolamento entre as portas, conforme exemplo ilustrado na

Figura 4.3.

Figura 4.2 – Estrutura Sea-of-Gates para uma Máquina de Van Noije de duas redes de 7 transistores:

NMOS e PMOS.

Figura 4.3 – Estrutura Sea-of-Gates para uma Máquina de Van Noije de duas redes de 7 transistores

configurada para uma Porta NOR de 2 entradas.

Todos os conceitos e circuitos contemplados no Capítulo 3, modelagem do

contexto de aprendizagem para a máquina MOS, podem ser realizados na prática

numa Máquina de Van Noije.

Nesse trabalho a protótipo do módulo Sea-of-Gates foi implementado usando-

se transistores do circuito integrado CMOS CD4007UB, da Texas Instruments [URL

44, 2008].

O datasheet da Texas apresenta diferentes configurações do CD4007UB

simplesmente alterando-se as conexões entre os seus terminais para formar

diferentes portas lógicas, ou seja, metalizando-se os terminais dos transistores

convenientemente.

A Figura 4.4 mostra a pinagem do CD4007 e a disposição interna dos

transistores NMOS e PMOS.

(a)

CD4007UB

SN2

SP3

132

G2SP2DP2

VDD DP1 DN/P3

14 1213

DN2

G1 VSS

G3 DN1

SN3

DP1

DN1

SP2

DN2

DP2

SN2

SN3

SP3

DN/P3

VDD

VSS

(b)

Figura 4.4 – Circuito integrado CD4007UB: (a) pinagem e (b) disposição dos transistores NMOS e

PMOS.

Outro circuito integrado muito útil em projetos MOS é o CD4066 [URL 46, 2008],

uma chave analógica que facilmente pode ser usado para compor lógica com

transmission gates.

Capítulo 5

Práticas de Ensino

5.1 Introdução

Em AEBLI (1975) pode-se observar diversos aspectos e abordagens da prática

de ensino do professor num espaço de aprendizagem. O professor, o aluno, o

conteúdo a ser ensinado e o ambiente de aprendizagem compõem os diferentes

espaços de aprendizagem.

A didática do professor, que representa a sua arte de ensinar ou transmitir

conteúdos, se manifesta na prática por sua capacidade de manipular os recursos

disponíveis nos espaços de aprendizagem. Assim, pode-se facilmente observar

diferentes resultados de aprendizagem quando se escolhe uma dentre as três

formas de abordagem do ensino: ensino individual, ensino individualizado e ensino

para grupos homogêneos.

5.2 A Transposição Didática

Analisando mais profundamente o importante processo de transposição

didática, PERRELLI (1996) explica que o termo “transposição didática” foi

introduzido em 1975 pelo sociólogo Michel Verret e, alguns anos depois, passou a

ser rediscutido pelo francês Yves Chevallard, pesquisador em didática das

matemáticas.

Para CHEVALLARD e JOSHUA (1991), a transposição didática é um processo

complexo que, através de métodos e técnicas didáticas, permite realizar

transformações em objetos de saberes conhecidos (du savoir savant) em objetos

que compõem os saberes de ensino (au savoir enseigné). Sabendo-se que de todos

os conhecimentos pesquisados, assimilados, desenvolvidos e publicados pelos

cientistas raramente estes saberes conhecidos farão parte de qualquer grade

curricular de um programa de ensino nos sistemas escolares atuais. Isso justifica o

fato de as escolas, de uma maneira geral, optarem por uma formação mais

generalista que dá mais atenção ao ensino de conteúdos gerais em oposição aos

conhecimentos pesquisados e recentemente desenvolvidos nas universidades que

se movimentam em direção contrária, isto é, aprofundando-se cada vez mais em

conhecimentos especializados.

Para ilustrar a complexidade do processo de transposição didática podemos

citar um fato histórico interessante que ocorreu com a Geometria desenvolvida por

Euclides de Alexandria (300 a.C.) [URL 40, 2008] que compilou num livro chamado

Elementos de Euclides, todo o conhecimento que existia sobre geometria em sua

época. Somente no final do século XIX é que conteúdos parciais do livro de

Eucludes chegaram ao ensino fundamental nas escolas européias, porém com 2000

anos de atraso.

Observa-se assim, que a maior parte dos conhecimentos dominados no

contexto acadêmico nos dias atuais, com muita dificuldade chegará a participar de

uma grade curricular nas escolas de ensino médio ou mesmo de ensino fundamental.

Diante do exposto podemos destacar duas importantes conseqüências no

ensino: uma baseada na formação generalista e a outra na formação especialista.

Uma formação generalista permite que saberes conhecidos (savoir savant) seja

ensinado ao público (savoir enseigné) apenas de forma enciclopédica, isto é, de

forma geral e resumida, visando principalmente desenvolver nos alunos habilidades

mais abstratas baseadas na articulação conceitual que cercam tais conhecimentos.

A abordagem generalista é o princípio que vem norteando as diretrizes

curriculares estabelecidas pelos órgãos oficiais reguladores dos sistemas de ensino

fundamental e médio em quase todos os países, há pelo menos um século. Para

PERRELLI (1996) essa formação generalista visa proporcionar aos alunos as

condições necessárias para um ingresso em qualquer área de uma formação

acadêmica futura.

No entanto, CHEVALLARD (1991) afirma que a formação especialista permite

que os conhecimentos sejam ensinados de uma forma mais particularizada e

aprofundada sobre certos aspectos práticos da vida, dentro de contextos particulares

do cotidiano. Com isso, uma formação especialista para ser eficaz precisa dirigir-se

para o desenvolvimento de habilidades profissionais, visando transformar alunos em

profissionais com conhecimentos técnicos, capacitados para atender às

necessidades do mercado de trabalho e não para o mundo acadêmico.

A transposição didática consiste num processo que se preocupa com as

questões de como transformar objetos de saberes sábios, em saberes a ensinar e,

finalmente, em objetos de saberes ensinados.

5.3 Práticas de Ensino em Projetos de Circuitos Integrados

no Brasil

Uma prática bastante comum e extensamente coberta pelos cursos de

engenharia elétrica no Brasil é desenvolver atividades didáticas embasadas nas

obras de WESTE e HERRIS (2004) ou em SEDRA e SMITH (2008). Essas

atividades didáticas são baseadas em projetos simulados de circuitos eletrônicos

utilizando a descrição do tipo SPICE. Usando programas tais como WinSPICE [URL

35, 2008], 5SPICE [URL 36, 2008], HSPICE [URL 37, 2008] ou SPICE Opus [URL

38, 2008], os alunos aprendem como simular a funcionalidade de circuitos

eletrônicos rapidamente e com essa ferramenta realizam diversos tipos de análise:

DC, transientes, modelagem de dispositivos, caracterizações elétricas e subcircuitos.

Observamos em geral, que os projetos pelos professores são desenvolvidos

nos laboratórios para permitir que os seus alunos se envolvam diretamente com

diversas questões inerentes aos projetos de sistemas eletrônicos e participem de

todas as etapas de projetos: especificação, desenvolvimento de propostas de

circuitos eletrônicos, pesquisa de componentes através de consultas na literatura,

internet, em datasheets ou application notes de fabricantes, desenho do leiaute das

placas de circuito impresso, corrosão das placas, soldagem de componentes,

verificação, testes e documentação final do projeto.

Essa abordagem baseada em projetos experimentais proporciona aos alunos

um ambiente controlado que permite desenvolver habilidades práticas e

investigativas visando uma familiarização em solucionar diversos problemas

inerentes das montagens eletrônicas no mundo real, tais como: erros de projeto,

erros funcionais, falhas de montagem e maus contatos ou problemas de soldagens.

Assim, por questões de tempo, é comum que professores busquem usar nesse tipo

de abordagem, projetos de circuitos simples, cuja funcionalidade e comportamento

elétrico poderiam ser facilmente simulados com SPICE para, em seguida, serem

confrontados com resultados experimentais realizados através de montagens de

diversos tipos: em protoboard, em kits didáticos padronizados, ou em placas de

circuito impresso confeccionadas pelos próprios alunos.

Conforme apresentado por KUETHE (1978): "Os projetos são valiosos porque

promovem o desenvolvimento da capacidade de auto-reforço. O indivíduo se orgulha

de estar trabalhando no seu projeto e é ainda mais motivado por compreender que o

mestre conta com a execução de um bom trabalho por parte dele e expressou

confiança na sua capacidade de levar a termo a tarefa com pouca ou nenhuma

ajuda. Há um reforço adicional quando o produto final de um projeto é exibido ou

apresentado à classe."

Alguns professores alegam que deixaram de utilizar as montagens eletrônicas

ou nunca confrontaram os resultados simulados pelos alunos com os experimentais

obtidos em bancada, por não terem tempo disponível nos programas. Com isso, a

vantagem da abordagem baseada em projetos simulados de circuitos eletrônicos -

que está na sua rapidez e na facilidade de ajustes de parâmetros para atender as

restrições de projetos -, pode estimular os alunos a deixarem de lado as montagens

eletrônicas que normalmente são mais lentas e difíceis de serem realizadas ou

custosas quando ligações errôneas provocam danos permanentes nos componentes

elétricos ou eletrônicos.

5.4 Metodologia Utilizada

Este trabalho apresenta resultados de avaliações do uso efetivo das TLMs no

processo de ensino-aprendizagem sob o ponto vista pedagógico das montagens de

circuitos eletrônicos, e não considerou-se aspectos de natureza psicológica

importantes, porém considerado por SKINNER (1999) em sua visão behaviorista em

seus estudos sobre as máquinas de ensinar apresentadas em seu doutorado no MIT

(1956). Atualmente, as máquinas de ensinar de Skinner foram suplantadas pelos

avanços tecnológicos da microeletrônica e das técnicas de microfabricação que

permitiram um acelerado barateamento dos microcomputadores, o que possibilitou o

uso desses recursos tecnológicos cada vez mais freqüente e de forma intensiva na

educação moderna.

O autor concorda com as considerações de CAMPOS (1970), na área da

psicologia da aprendizagem, que sabiamente recomenda que a verdadeira

aprendizagem ou rendimento escolar consiste na soma de um conjunto de

transformações operadas no aluno, com relação a: forma de pensamento, linguagem

técnica, maneira de agir, atitudes, idéias e preferências, face às situações e

problemas da matéria ensinada.

Os resultados foram obtidos pela observação de comportamentos terminais

desejados e potencializados com o uso decorrente das TLMs propostas combinados

com metodologia de microensino conceituada e desenvolvida por ALLEN (1967)

considerando uma abordagem para um grupo homogêneo de estudantes.

CARVALHO (1985) define o microensino como uma técnica simples aplicada

normalmente na formação de professores que objetiva o desenvolvimento de

habilidades em candidatos à docência antes mesmo que estes venham a entrar em

sala de aula definitivamente. O autor utilizou essa técnica por sua simplicidade e

agilidade no desenvolvimento de uma prática de ensino controlada, necessitando de

apenas cinco etapas conforme apresentadas e descritas na Tabela 5.1 [ROSA; VAN

NOIJE, 2008].

Tabela 5.1 – Etapas da metodologia de microensino adotada.

Etapa Descrição

Planejamento de

Habilidades de Ensino-

aprendizagem

Cada habilidade de ensino-aprendizagem foi

especificamente focalizada num pequeno período

de aula que variou entre 15 e 50 minutos.

Considerou-se, primeiramente, a mesma aula com e

sem o uso de uma TLMs com turmas distintas.

Planejamento de

Microaulas

Cada microaula foi aplicada à um pequeno grupo de

alunos, entre 5 e 10 alunos. Em algumas situações

professores das instituições visitadas participaram

de microaulas como alunos. Os alunos foram

avaliados por provinhas práticas e pesquisados por

questionários de avaliação simplificados.

Registro das Microaulas

Algumas microaulas foram gravadas com uma

câmera digital e outras com gravadores visando

fornecer detalhes para a análise posterior.

Análise das Microaulas

As aulas gravadas foram analisadas e discutidas

com alguns colegas professores de eletrônica e

microeletrônica, visando melhorias nas práticas de

ensino.

Ajuste

Algumas aulas precisaram ser replanejadas e foram

executadas com outros grupos de alunos.

5.5 Práticas de Ensino usando TLM CMOS

Para esse trabalho, o conhecimento do processo de transposição didática

permitiu o desenvolvimento de diversas atividades práticas de ensino elaboradas por

uma metodologia de instrução programada, acompanhadas por conjuntos didáticos

construídos por alunos e professores com diversos recursos, características, e

funcionalidades desejada com o apoio de um projeto de eletrônica embarcada.

Vários circuitos eletrônicos foram projetados para compor as máquinas de

ensino-aprendizagem durante algumas práticas de ensino foram realizadas com

alunos de escola técnica.

Para avaliar a eficiência da aprendizagem por máquinas de ensino-

aprendizagem em projeto de circuitos integrados CMOS, o autor desenvolveu três

abordagens para atender a três perfis distintos de público: alunos construtores,

alunos montadores e alunos usuários.

a) Alunos construtores: O professor instrui os alunos esperando que sejam

capazes de: especificar os materiais a serem utilizados na construção dos

módulos; especificar a funcionalidade dos módulos; desenhar o leiaute dos

módulos e, posteriormente, criar os procedimentos e roteiros para orientar

as montagens (Perfil do Engenheiro).

b) Alunos montadores: O professor instrui os alunos visando o domínio das

técnicas de montagem dos módulos seguindo roteiros e modelos

padronizados. Tendo realizado as montagens, participam das atividades

didáticas que visam estudar as funcionalidades dos módulos produzidos

(Perfil do Técnico).

c) Alunos usuários: O professor instrui os alunos para o cumprimento de

atividades didáticas onde são observadas as funcionalidades dentro dos

contextos de aprendizagem definidas para as máquinas (Perfil do Usuário).

Para os três públicos, o autor deveria planejar e orientar as atividades didáticas

dentro dos limites impostos pela metodologia de microensino, e não poderia

estender as aulas por tempos prolongados, isto é, superiores a uma hora.

Assim, somente algumas atividades puderam ser aplicadas com alunos das

instituições visitadas. Não foi possível desenvolver atividades com alunos

construtores pois as atividades demandavam muitas horas de envolvimento no

projeto das máquinas. Não podemos esquecer que para criarmos as máquinas de

ensino-aprendizagem é imprescindível que seja feita uma modelagem dos contextos

de aprendizagem para se chegar à especificação dos recursos materiais e

funcionais relevantes.

Do exposto, concluímos que essas atividades didáticas para o público de

alunos construtores se encaixariam muito bem num curso de formação de

professores voltado para projetos de circuitos de circuitos integrados.

5.5.1 Prática de Ensino usando Módulos Standard-Cells

A seguir descrevemos uma prática testada com um pequeno público de alunos

de uma escola técnica de eletrônica em São Paulo para observar de que forma os

alunos recebem a idéia de usar máquinas de ensino-aprendizagem para se projetar

circuitos integrados CMOS.

Um pequeno grupo de alunos foi convidado para participar de uma

apresentação sobre um projeto educacional e as seguintes informações foram

passadas verbalmente para os alunos:

• Precisamos montar algumas máquinas didáticas que ajudam os professores a

ensinar como os circuitos integrados da tecnologia CMOS funcionam e como

eles são projetados.

• Os modelos, medidas, lista de materiais e os procedimentos podem ser

baixados via internet.

• Os materiais de acabamento são basicamente papel e papelão.

• O circuito impresso poder ser cortados com tesouras, pois são muito finos, e

permite que os furos possam ser feitos com uma martelada rápida com

pequenos pregos.

• O desenho do leiaute das placas de circuito impresso também estão

disponíveis na internet no site da Flextronica [URL 32, 2008].

• Quem puder usar tesoura, estilete, furadeira, punção e vazadores

conseguirão melhores acabamentos estéticos.

• Todas as ligações entre os módulos serão feitas utilizando-se molas de aço

inoxidável comum.

• Depois que conseguirmos terminar a montagem de todos os módulos e posso

explicar para vocês como funcionam, como se projetam os circuitos

integrados, como são fabricados e finalmente testados.

• Quem tiver interesse de participar dessas montagens me enviem e-mail para

agendar os horários no laboratório.

• Há, estava me esquecendo, quem quiser montar os módulos em casa e

depois me entregar em sala de aula ou na sala dos professores, também

podem participar.

Terminada a exposição vários alunos questionaram sobre como eram as

máquinas, como funcionavam e como eles poderiam construí-las em suas próprias

casas.

Os resultados dessa abordagem podem ser visualizados nas seqüências de

fotos apresentadas nas Figuras 5.1 a 5.10.

A Figura 5.1 mostra os materiais usados para a confecção e montagem dos

módulos de Standard-Cells relacionados no Apêndice B.

Figura 5.1 – (a) Módulos NAND2, INVERTER e AND2 de Standard-Cells de 15 cm de altura,

impresso em jato de tinta colorido sobre papel couché fosco, tamanho A4. (b) Módulos cortados e

separados com estiletes.

Figura 5.2 – Módulos NAND2, INVERTER e AND2 de Standard-Cells de 15 cm de altura, impresso

em jato de tinta colorido sobre papel couché fosco, já cortados e separados com estiletes.

Figura 5.3 – Os Módulos INVERTER, NAND2 e AND2 de Standard-Cells de 15 cm de altura, servindo

de molde para cortar o papel couro com estiletes.

Figura 5.4 – O papel couro cortado servindo de molde para cortar com estilete o papel pardo de 2 mm

de espessura.

Figura 5.5 – Os Módulos NAND2, INVERTER e AND2 Standard-Cells, apresentado em conjuntos

completos já cortados: o papel couché com o desenho colorido, o papel couro e papel pardo.

Figura 5.6 – Vista explodida com todos os elementos usados na montagem do Módulo INVERTER.

Figura 5.7 – Módulo INVERTER de Standard-Cells completamente montado e testado.

Figura 5.8 – Vista do detalhe dos LEDs inseridos dentro das molas: Vdd=LED Verde, Input=LED

Vermelho e Output=LED Amarelo. O Vss não tem LED, só a mola vazia.

Figura 5.9 – Módulo INVERTER Standard-Cells conjuntos completos de máscaras de impressão jato

de tinta sobre papel couché e com plastificação em dupla face a quente.

Figura 5.10 – Os módulos embalados nas suas respectivas caixas de proteção: INVERTER (caixa nº

1 amarela), NAND2 (caixa nº 2 azul) e AND2 (caixa nº 3 vermelha).

5.5.2 Prática de Ensino usando Módulos Sea-of-Gates

O módulo da máquina CMOS usando Sea-of-Gates [VAN NOIJE, 1985] [VAN

NOIJE; DECLERCK, 1985] foi montado por um grupo de alunos seguindo orientação

do autor para servir de protótipo e testar a praticidade da idéia. No projeto do

protótipo do módulo Sea-of-Gates foi utilizando somente o integrado CD4007. O

Anexo A apresenta informações do datasheet do CI CMOS 4007 de três fabricantes:

Philips, Texas Instruments e ST Microelectronics. O datasheet da Texas apresenta

as diferentes configurações que o CD4007 pode assumir apenas quando se

intercambia as conexões entre os seus terminais.

O Apêndice C mostra o desenho detalhado do painel frontal de uma Máquina

de Van Noije para orientar práticas de projetos de CI, utilizando-se os conceitos de

Sea-of-gates comumente empregados em algumas arquiteturas de CIs

reconfiguráveis do tipo FPGAs.

Na Figura 5.11 podemos observar um conjunto de três LEDs para monitorar as

entradas digitais A, B e C. Os dois LEDs (verde e amarelo) indicando Y e Z servem

para analisar sinais de saída. Dois conectores USB-A nas laterais superiores são

utilizados para alimentação de 5 V feita com fonte chaveada do tipo MP3.

Figura 5.11 – Máquina de Van Noije: vista geral do painel frontal da máquina MOS Sea-of-Gates com

uma moldura de papelão colado sobre uma superfície de borracha preta (EVA).

Figura 5.12– Máquina de Van Noije: vista geral do painel traseiro da máquina MOS Sea-of-Gates com

os circuitos integrados espetados sobre uma superfície de borracha preta (EVA) e soldados.

Figura 5.13 – Máquina de Van Noije: vista do CI CD4007UBE soldados no painel traseiro do protótipo

espetado sobre uma superfície de borracha preta (EVA): transistor P-MOS.

Figura 5.14 – Máquina de Van Noije: vista do CI CD4007UBE soldados no painel traseiro do protótipo

espetado sobre uma superfície de borracha preta (EVA): transistor NMOS.

Figura 5.15 – Máquina de Van Noije: vista da caixa semi aberta contendo todos os cabos de ligação e

garras jacaré para a manipulação de circuitos CMOS.

Figura 5.16 – Máquina de Van Noije: vista da máquina MOS Sea-of-Gates fechada.

Figura 5.17 – Máquina de Van Noije: detalhe das chaves de comutação dos sinais de entrada e os

LED monitores do sinal de saída (Y=Verde e Z=Amarelo).

Figura 5.18 – Máquina de Van Noije: detalhe da ligação da fonte chaveada de MP3 (5V) no conector

USB/A.

Figura 5.19 – Máquina de Van Noije: detalhe da ligação das garras jacaré no LED (Y) para monitorar

um sinal.

Figura 5.20 – Máquina de Van Noije: detalhe da ligação das garras jacaré no painel compondo as

ligações de metalização para a formação de uma porta lógica.

5.6 Resultados Experimentais

As TLMs CMOS são máquinas de ensino-aprendizagem criadas para auxiliar a

formação técnico-profissional e podem produzir excelentes resultados de

aprendizagem efetiva.

Durante a concepção dos módulos das TLMs houve uma preocupação com a

parte estética, já que o sistema deveria zelar por uma aparência que pudesse

apresentar graça e beleza às máquinas para facilitar professores e alunos na rápida

identificação de módulos coloridos representando as diversas funções dos circuitos

eletrônicos projetados.

O ponto central das TLMs CMOS reside na eficiência do processo pedagógico

que consolida na mente do aluno os conceitos chaves na área de projetos de

circuitos integrados CMOS e permite ajustar uma formação teórica através de uma

interação prática correspondente que podem ser aprendidas num mesmo instante.

Num segundo momento, o uso de ferramentas avançadas de EDA para projetar

circuitos integrados no mundo real — como as oferecidas no mercado profissional

pelas empresas Cadence [URL 6, 2008], Mentor Graphics [URL 5, 2008], Synopsys

[URL 7, 2008], Magma [URL 8, 2008] e outras — poderiam ser utilizadas com os

mesmos alunos, surtindo resultados ainda mais eficazes.

As máquinas de ensino-aprendizagem projetadas nesse trabalho utilizam

características combinadas das máquinas modulares e das máquinas construtivas

para se atingir os objetivos instrucionais com excelentes resultados de

aprendizagem.

A flexibilidade proporcionada pelo sistema modular permitiu ao autor a

elaboração de várias experiências rapidamente conforme analisadas na literatura

sobre a teoria dos circuitos CMOS, conforme exposto no Capítulo 3.

Concluímos também que os resultados positivos de uso das TLMs em

laboratórios de eletrônica são devidos às características gerais obtidas como na

concepção do projeto das máquinas que levou em consideração os seguintes

aspectos:

a) planejamento do contexto de aprendizagem;

b) padronização dimensional dos módulos;

c) caixas de acondicionamento e proteção mecânica;

d) padronização das placas de circuitos impressos dos módulos;

e) padronização dos componentes elétricos (conectorização, soquetagem,

cabeamento);

f) uso de sistemas conexão por molas;

g) utilização de monitoramento dos sinais através de LEDs, por inspeção de

sinais ou embutidos em molas;

h) padronização e simplicidade no acabamento (etiquetagem,

acondicionamento, engavetamento e embalagens);

i) adoção de um sistema modular que agregou as características de

flexibilidade e expansibilidade contínua, permitindo um aumento incremental

da funcionalidade didática das TLMs;

j) consideração sobre MMI contribuíram para o desenho do leiaute das

máquinas proporcionando visibilidade estética;

k) a característica construtiva dos módulos pelos próprios alunos proporcionou

uso de componentes reciclados e redução de custos por unidade funcional,

que podem ser facilmente adquiridos pelos alunos.

O uso combinado dos aspectos acima listados proporcionou ao autor uma

grande praticidade durante as microaulas.

As TLMs, para serem bem utilizadas, devem ser acompanhadas de tutoriais,

com instrução programada, para orientar didaticamente os alunos sobre os

conceitos e experimentações utilizando-se seus módulos mínimos até formar

conceitos mais amplos usados em sistemas de maior complexidade. Essa

orientação de ensino pode resultar em um maior rendimento no processo de

aprendizagem na forma assistida por instrutores ou na forma autodirigida, onde o

conhecimento é conquistado pelo esforço do próprio aluno. Isto é, o aluno pode

prosseguir durante todo o seu treinamento de profissionalização, com pouca ou

nenhuma supervisão, adequando-se a auto-aprendizagem ao seu próprio ritmo,

sobre todos os conteúdos previamente estabelecidos pela instituição educacional.

Os módulos das TLMs CMOS podem constituir poderosas ferramentas

auxiliares aos sistemas de ensino presenciais e à distância (EAD), podendo ser

facilmente aplicado nas três abordagens das modalidades de ensino verificadas em

AEBLI (1975): ensino individual, ensino para grupos homogêneos e ensino

individualizado.

Na tentativa de minimizar os problemas de aprendizagem, foram pesquisadas

algumas metodologias utilizadas no ensino técnico juntamente com diversos

sistemas educacionais de práticas em eletrônica, autotrônica, mecatrônica e

automação, sistemas parciais com treinamentos modulares (para eletrônica e

telecomunicações) e sistemas de estudos com práticas em montagens

experimentais diversas.

Foi possível consolidar na prática importantes conceitos e fundamentos teóricos

da área de eletrônica em geral através de uma transposição didática por meio de

TLMs para a área de projetos de circuitos integrados CMOS.

Várias alternativas de plataformas para TLMs foram baseadas em painéis

formando uma verdadeira bancada vertical foram construídas tendo em mente

assegurar a portabilidade do conjunto de módulos através de diferentes sistemas de

fixação garantindo a acessibilidade pelos alunos.

Os painéis verticais formando a plataforma das TLMs associados às mais

variadas técnicas de montagens puderam proporcionar aos alunos um acesso real

aos fundamentos de projetos de alta tecnologia através da montagem e utilização de

módulos eletrônicos para praticarem seus estudos de forma lúdica e agradável.

Capítulo 6

Conclusões e Trabalhos Futuros

Nesta dissertação vimos a implementação de uma proposta de máquinas de

ensino-aprendizagem no ensino de projeto de circuitos integrados CMOS. As

máquinas de ensino-aprendizagem foram desenvolvidas na forma de kits eletrônicos

didáticos padronizados contendo diversos tipos de circuitos integrados CMOS de

pequena densidade de integração (SSI).

6.1 Conclusões

O autor acredita que as máquinas de ensino-aprendizagem propostas para

auxiliar os professores nas atividades práticas de ensino em projetos de CIs CMOS,

além de facilitar a compreensão dos alunos das diversas propriedades elétricas e

práticas em projetos de circuitos eletrônicos integrados, reforça também a

aprendizagem de conceitos relevantes em IC Design, estimula a criatividade e

desenvolve habilidades em projetos microeletrônicos.

Desenhos de TLMs modulares usando descrição VHDL e Verilog HDL sobre

etiquetas foram ainda elaborados para atender às necessidades da compreensão da

síntese de alto nível de circuitos integrados digitais.

Observamos que os LEDs que acendem e apagam nos módulos das máquinas

de ensino-aprendizagem chamam muito a atenção dos alunos e facilitam

drasticamente o monitoramento das informações.

As montagens baseadas em fixação de módulos sobre painéis facilitam em

demasia a acessibilidade aos componentes dos projetos e aumenta a interação com

os alunos.

Além de ser um recurso didático fantástico, as máquinas de ensino-

aprendizagem CMOS apresentadas nesse trabalho, podem assumir um importante

papel na popularização de conhecimentos sobre a tecnologia digital e principalmente

das tecnologias empregadas na área de projetos de circuitos integrados.

Com a utilização de conceitos e recursos das máquinas de ensino-

aprendizagem reais aplicadas em projetos de CIs, professores e alunos poderiam

construir rapidamente seus modelos e facilmente implementá-los em seus

programas de ensino. A principal vantagem das máquinas apresentadas é a

flexibilidade da plataforma e o custo reduzido.

O acabamento simplificado do sistema de interconexões dos módulos com

pinos torneados atende perfeitamente às necessidades da aprendizagem individual

e não devem ser utilizados para utilização institucional de forma coletiva. Para esta

finalidade seria mais adequado utilizar os conectores baseados em barras de pinos

prensados.

Pode-se pensar, ainda, na montagem de uma base de dados para disponibilizar

e compartilhar os desenhos dos módulos das máquinas de ensino-aprendizagem

para uso livre na internet, beneficiando ainda a inclusão e o acesso de professores

das escolas públicas de ensino técnico de todo o Brasil. Pode-se pensar ainda na

produção de vários tutoriais para essas máquinas com sugestões orientadas para os

professores na direção de produzir projetos de circuitos integrados de forma

cooperada ou compartilhada, etc. Esses tutoriais de projetos nas máquinas de

ensino-aprendizagem poderiam estimular em muito as atividades práticas dos

alunos que passariam a realizar muitas experiências durante o período letivo.

A plataforma de hardware utilizada para as máquinas reais apresenta grande

flexibilidade e oferece maior rapidez nas montagens de projetos diversificados. Essa

é uma característica positiva que poderia promover um aumento da eficiência no

rendimento escolar e na qualidade da aprendizagem dos alunos do ensino técnico. A

plataforma de hardware utilizada facilita a realização de diversos tipos de testes e a

obtenção de medições elétricas diversas e, finalmente, permite a construção de

módulos alternativos onde se utilizam componentes sucatrônicos (sucata

eletrônica), conforme o interesse de estudo.

Pelos pontos apresentados nesse trabalho, o autor acredita que as aulas

teóricas de eletrônica poderiam agregar facilmente algumas noções relevantes sobre

projetos de circuitos de circuitos integrados e outras mais específicas sobre circuitos

integrados digitais CMOS no atual estado da arte. Essas máquinas poderiam deixar

mais agradáveis e atraentes as aulas de eletrônica do ponto de vista da

aprendizagem pela interação experimental.

Desse modo, uma formação profissional de qualidade buscada pelos alunos

nas instituições brasileiras de ensino técnico, poderia ser equacionada com a

seguinte expressão: Formação Profissional = Formação Teórica + Formação Prática.

Essa equação é óbvia e desejável por qualquer instituição de ensino profissional,

porém uma formação de qualidade só pode ser obtida em ambientes de

aprendizagem onde se procuram desenvolver as habilidades dos alunos no

aprender a estudar e no aprender a fazer.

Por isso, as TLMs podem contribuir de uma maneira geral no equacionamento

da qualidade do ensino proporcionando um verdadeiro do domínio tecnológico

através da seguinte equação:

Instituição com Metodologia de Ensino Programado

Laboratórios com Máquina de Ensino-Aprendizagem

Alunos com Habilitação e Capacitação Tecnológica Plena

Para finalizar, concluímos que o presente trabalho com as máquinas de ensino-

aprendizagem podem colaborar para a criação de novos espaços de aprendizagem

[OBLINGER, 2006] para os laboratórios de eletrônica, quando considerados em

conjunto os princípios psico-pedagógicos considerados por CAMPOS (1970), os

elementos envolvidos nos processos da transposição didática observados por

CHEVALHARD e JOSHUA (1991), e as questões relacionadas com a interface

homem-máquina tratadas por PREECE (1994, 2004) que podem atrair

significativamente os alunos para os estudos.

Todos esses recursos e conceitos utilizados de forma combinada com a

tecnologia educacional podem contribuir significativamente na eficiência do ensino-

aprendizagem de forma geral.

6.2 Sugestões e Trabalhos Futuros

As máquinas de ensino-aprendizagem por si só podem até atrair a atenção das

pessoas pelo processo natural da curiosidade que estimula e suscita constantes

questionamentos que induzem professores e alunos à reflexão sobre a

microeletrônica, projetos, software, circuitos CMOS, etc.

Podemos dizer que as máquinas de ensino-aprendizagem são máquinas de

provocação, provocação de curiosidades sobre questões relativas a projetos de

circuitos integrados e capazes de promover desafios nos envolvidos com a

aprendizagem.

Módulos mais sofisticados poderão ser elaborados para permitir, por exemplo,

a composição montagem por grupos de alunos de sistemas mais complexos tais

como a arquitetura de um pequeno microprocessador ou microcontrolador didáticos

de 8 ou 16 bits.

Com isso pode-se, por exemplo, observar num projeto didático de um

microprocessador de 8 bits todos os passos envolvidos internamente para se

executar um ciclo completo de instrução. Poderia ainda, trabalhar com uma

freqüência de clock de 1 Hz ou menos, para permitir uma análise visual e

monitoramento passo-a-passo durante um ciclo de busca, decodificação e execução

das instruções.

As diferentes arquiteturas de projeto de microprocessadores poderiam ser

implementadas na forma de máquinas de ensino-aprendizagem CMOS, por exemplo:

randômico, microcode e pipeline.

Outros módulos eletrônicos poderiam ser desenvolvidos para ampliar a

biblioteca de módulos das TLMs CMOS de modo a permitir que sejam utilizados

alguns conceitos importantes de testes de dispositivos como o BIST (Built-in Self

Test).

O conceito de máquinas de ensino-aprendizagem vai muito além da aplicação

para se ensinar técnicas e conceitos de projetos de circuitos integrados. Poderiam

ser desenvolvidas máquinas para estimular o aprendizado da fala, percepção

sensorial e motriz em crianças com idade pré-escolar, dos 3 aos 6 anos de idade.

Para o público infanto-juvenil, poderia se desenvolver máquinas de ensino-

aprendizagem com microcontroladores e sintetizadores de som, usando DSPs, para

montar jogos simples, instrumentos musicais, mesas de efeitos sonoros de baixo

custo, que visem o despertar criativo do talento artístico.

Apêndice A

Plataforma do Painel de Força

O painel de força consista na plataforma projetada para servir de base para as

montagens das experiências de projetos de circuitos integrados.

Em termos didáticos, tudo funciona para o aluno como se ele estivesse diante

um grande chip e dentro dele e vários locais de sua superfície vão sendo colocados

os módulos e blocos funcionais, simulando, visivelmente a organização interna

fazendo o floorplaning do CI.

Esta abordagem é a transposição didática criado pelo autor para o conceito de

floorplaning, visando materializar na mente do aluno os conceitos chaves de

planejamento do espaço do chip para abrigar as funcionalidades planejadas.

A Figura A.1 mostra o leiaute do painel de força desenhado pelo autor para

servir de plataforma a máquina de ensino-aprendizagem CMOS.

Figura A.1 – Leiaute do Painel de Força da máquina de ensino-aprendizagem CMOS.

Apêndice B

Módulos Standard-Cells

Nesse Apêndice B relacionamos apenas 3 desenhos dentre os 15 módulos

projetados para integrar a máquina de ensino-aprendizagem CMOS com Standard-

Cells.

A Figura B.1 mostra o desenho da estampa para acabamento e colagem na

parte traseira dos módulos. Impresso em etiqueta adesiva.

A Figura B.2 mostra o desenho do contorno dos módulos para ser impresso

sobre uma etiqueta adesiva e colado sobre os módulos. Os furos tracejados indicam

o posicionamento correta para vazar o buraco onde serão colocadas as molas

contendo os LEDs monitores de sinal.

A Figura B.3 mostra a máscara contendo o desenho das respectivas

geometrias para as células funcionarem como portas lógicas NAND2, INVERTER e

AND2.

A Figura B.4 mostra a máscara contendo o desenho esquemático dos

respectivos módulos contendo as portas lógicas NAND2, INVERTER e AND2.

As Figuras B.5 e B.6 mostram as máscaras contendo os desenhos dos

modelos de transistores para os módulos, bem como, o modelo VERILOG.

Figura B.1 – Folha de acabamento colado na parte traseira dos módulos Standard-Cells AND2,

INVERTER e NAND2.

100

Figura B.2 – Folha de acabamento colado na parte frontal dos módulos Standard-Cells AND2,

INVERTER e NAND2.

101

Figura B.3 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os

módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo Geométrico.

102

Figura B.4 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os

módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo Esquemático.

103

Figura B.5 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os

módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo de Transistores.

104

Figura B.6 – Máscaras dianteiras para serem plastificadas e colocadas sobre as molas para os

módulos Standard-Cells AND2, INVERTER e NAND2: Modelo VERILOG.

105

Apêndice C

Módulos Sea-of-Gates

No projeto do protótipo do módulo Sea-of-Gates [VAN NOIJE, 1985] [VAN

NOIJE; DECLERCK, 1985] utilizou-se o integrado CD4007 [URL 39, 2006] [URL 44,

2008] [URL 45, 2008]. O datasheet da Texas apresenta as diferentes configurações

que o CD4007 pode assumir apenas quando se intercambia as conexões entre os

seus terminais.

A Figura C.1 mostra o desenho do painel frontal do módulo Sea-of-Gates para

orientar práticas de projetos de CIs CMOS, utilizando-se os conceitos de Sea-of-

gates empregados na arquitetura dos chips reconfiguráveis, tais como os CPLDs e

as FPGAs. O painel da Máquina de Van Noije contém os seguintes elementos:

Um conjunto de três LEDs de entrada digital chaveada e dois LEDs para Y e Z

para analisar sinais de saída.

Dois conectores USB-A são utilizados para alimentação de 5 V com fonte de

alimentação chaveada do tipo MP3 ou MP4. As três chaves A, B e C possibilitam a

introdução de sinais digitais comandados manualmente.

As Figuras C.2, C.3 e C.4 ilustram as diferentes formas de ligação entre os

módulos Sea-of-Gates.

106

Figura C.1 – Leiaute da Máquina de Van Noije com Sea-of-Gates.

107

Figura C.2 – Modos de ligação de energia na máquina MOS Sea-of-Gates na entrada USB e

conversor de fonte chaveada para MP3 ou MP4.

Figura C.3 – Configuração em modo cascata entre 5 máquinas MOS Sea-of-Gates.

108

Figura C.4– Configuração em modo estrela entre 5 máquinas MOS Sea-of-Gates.

109

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