A cada dia que passa, fica mais difícil (senão impossível) imaginar nossas vidas sem a presença da tecnologia eletrônica. Computadores, celulares, Internet ou mesmo aplicativos mais simples revolucionaram não somente a maneira através da qual nos comunicamos, mas também o modus operandi da economia, da política e das próprias relações sociais que mantemos diariamente.
Transistor (Créditos: Wikimedia)
Mas para que essas facilidades tecnológicas chegassem até nós e se tornassem parte de nossas vidas, foi necessária uma peça chave: o transistor. Para entender a importância deste dispositivo e a revolução que ele trouxe ao mundo moderno, vale uma rápida viagem ao tempo, mais especificamente ao início do século XX, quando o mineral Galena, muito instável, foi utilizado para recepção de ondas de rádio AM. “Nessa época, sabia-se que o cristal de Galena retificava ondas de rádio, mas não se sabia como isso era feito”, explica Luciano da Fontoura Costa, docente do Grupo de Computação Interdisciplinar do Instituto de Física de São Carlos (GCI- IFSC/USP).
Algum tempo depois, Thomas Edison e seus colaboradores descobriram que lâmpadas com um eletrodo (dando origem às primeiras válvulas de vácuo, posteriormente desenvolvidas por Lee de Forest) tinham a mesma capacidade de detecção de ondas que a Galena, mas com muito mais estabilidade e eficiência. Nesse momento, a indústria eletrônica iniciou sua primeira revolução. “A partir de então, os mais diversos aparelhos eletrônicos começaram a ser produzidos com válvulas, incluindo rádios, válvulas e os primeiros computadores mais poderosos”, explica o docente.
Embora apresentasse melhor desempenho que a galena no processamento de ondas sonoras, as válvulas tinham um grande problema: sua fragilidade e riqueza de detalhes exigia feitura manual, restringindo sua produção e não permitindo que fosse fabricada em escala massiva. “Esse fato interferia no custo da válvula, que era relativamente alto”, complementa Luciano.
A grande revolução
Em 1947, William Shockley, John Bardeen e Walter Houser Brattain, engenheiros da Bell Labs (EUA), desenvolveram o primeiro transistor da história. Mas a verdadeira revolução foi mais quanto à forma totalmente automatizada de sua produção, permitindo que acontecesse em escala industrial, viabilizando ampla popularização da eletrônica. “O baixo custo, o tamanho reduzido e a produção massificada do transistor são marcos que levaram à revolução da eletrônica moderna, responsável por tornar viável boa parte da tecnologia que usufruímos hoje. A importância dada ao transistor, inclusive nos dias de hoje, não pode ser exagerada”, comenta Luciano.
No entanto, os transistores, desde o início, apresentavam um problema: suas características de funcionamento não tinham um padrão. Ou seja, mesmo quando produzidos da mesma maneira, os transistores podem ainda processar ondas sonoras com variações enormes. Na prática, isto significava que aparelhos de rádio, por exemplo, tocariam músicas em volumes completamente diferentes.
A solução utilizada para resolver este problema foi viabilizada pela abordagem do engenheiro elétrico Harold Stephen Black, que adaptou uma técnica anteriormente utilizada nas máquinas a vapor: o negative feedback ou retroalimentação negativa, na tradução para o português. Através da retroalimentação negativa, a padronização dos circuitos transistorizados se tornou possível, mas à custa de uma grande perda de ganho de amplificação do transistor, que era utilizada justamente para que amplificação mais padronizada fosse atingida. “Dessa forma, o circuito fica mais independente das características do transistor”, explica Luciano.
Problem unsolved
Após o desenvolvimento do primeiro transistor, outros modelos foram surgindo, totalizando, até hoje, cerca de 80 mil tipos diferentes. Diante desses fatos, Luciano, auxiliado por Filipi N. Silva (pós-doutorando) e César H. Comin (hoje docente na UFSCar), decidiram fazer um estudo mais completo sobre o potencial real de estabilização dos sinais eletrônicos através da retroalimentação negativa em transistores de baixa potência. “Não encontramos praticamente nenhum estudo que trouxesse esses dados de forma sistemática e, mesmo passados muitos anos da criação do primeiro transistor, os circuitos eletrônicos funcionam até hoje predominantemente com base nos mesmos princípios de retroalimentação negativa”, diz o docente.
Luciano construiu um sistema microprocessado que mediu as tensões e correntes em quatro amostras de cada um de vários tipos de transistores, resultando em gráficos com suas curvas de comportamento. Tais resultados foram então interpretados utilizando-se métodos de reconhecimento de padrões. Após testes na ausência de retroalimentação negativa, os pesquisadores observaram que existe, de fato, uma grande variação de propriedades nos diferentes modelos de transistores, mas modelos iguais tendem a apresentar variações muito menores, formando respectivos aglomerados ou “clusters” no espaço de medidas. “Faz sentido, então, obter-se e considerar-se as características de transistores segundo tipos específicos”, conclui Luciano.
Os primeiros resultados do estudo, publicados na revista Electrical Engineering (clique aqui para acessar o artigo) também mostraram que a retroalimentação negativa realmente funciona nesses dispositivos, mas que não é suficiente para eliminar completamente o efeito da variação dos parâmetros dos transistores nos respectivos circuitos. Desta forma, este estudo indica que, em casos envolvendo operação mais precisa, torna-se interessante considerar as características dos transistores disponíveis durante os projetos dos circuitos.
Circuitos integrados, transistores mais uniformes
Circuito computacional (Créditos: https://static.pexels.com)
Com o lançamento de circuitos integrados na década de 1950, vários transistores puderam ser inseridos em uma única pastilha. “A literatura tem sugerido que os transistores, quando em circuitos integrados, teriam suas propriedades mais uniformes.” Mas qual seria, de fato, a melhoria de uniformidade que pode ser conseguida? Essa dúvida motivou um novo estudo de Luciano que, por ter encontrado circuitos integrados com transistores separados, conseguiu medir a variação em cada um deles individualmente e em grupo.
Luciano fez medições em 50 circuitos integrados do mesmo modelo, considerando seis transistores em cada um, totalizando, portanto, 300 transistores. “Repeti o mesmo experimento, dessa vez nos circuitos integrados, e sem a retroalimentação negativa. A análise dos resultados novamente envolveu o uso de vários conceitos de reconhecimento de padrões, que foram fundamentais”, explica. “Na ausência de retroalimentação negativa, encontramos uma estabilidade 20 vezes maior nos transistores de um mesmo circuito integrado do que entre transistores de circuitos diferentes. Ou seja, se há um projeto no qual seja preciso otimizar o ganho dos transistores sem o uso de retroalimentação, transistores do mesmo circuito integrado poderão, de fato, levar a uma maior uniformidade de operação”.
Ele também destaca, no entanto, que em circuitos eletrônicos maiores com operação mais crítica, transistores de mais de um circuito integrado poderão ser necessários, justificando-se projeto fundamentado no levantamento e consideração das características individuais dos transistores.
Os vários resultados obtidos nestes estudos sugerem a reconsideração de estabelecidos paradigmas sobre a aplicação de retroalimentação para se uniformizar circuitos transistorizados, abrindo diversas novas perspectivas de pesquisa. Destaca-se, em particular, o uso sistemático de métodos de reconhecimento de padrões e inteligência artificial tanto para a análise como síntese de dispositivos e circuitos eletrônicos. Algumas destas pesquisas já se encontram em desenvolvimento no grupo de Luciano.
Assessoria de Comunicação- IFSC/USP
