Eletrônica. Circuitos Integrados. Página 1 de 33

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1 Eletrônica Circuitos Integrados Página 1 de 33

2 1. Introdução Após completar o estudo desta apostila o aluno deverá estar apto a Reconhecer o que é um circuito integrado Conhecer como se produz um circuito impresso Reconhecer as famílias tecnológicas Conhecer a marcação dos circuitos integrados Conhecer os diversos circuitos integrados Conhecer basicamente 555 Conhecer a anatomia de um 555 Fazer uma experiência no CircuitLogix com o 555 Fazer diversas experiências com circuitos integrados em matriz de contatos Página 2 de 33

3 2. Que é um circuito integrado? Um circuito integrado ou IC é um componente que contém em uma única pastilha um grande número de diferentes componentes. Nosso mundo está cheio de CIs. Por exemplo, em um computador você acha uma porção deles, em um carro moderno existem dezenas de CIs dedicados aa mais diversas funções, em uma máquina de lavar roupas um microcontrolador controla as diversas fases do trabalho de lavar as roupas, em um forno de microondas existem CIs para fazerem as mais diversas tarefas até de cozinhar arroz, por exemplo, enfim eles são encontrados nos mais diversos equipamentos como telefones celulares, tocadores de CD, TVs, etc. Um circuito elétrico é formado de muitos componentes tais como transistores, resistores, capacitores, diodos, fios, etc, e esses componentes têm as mais diversas funções no circuito. Um transistor pode agir como um interruptor elétrico, como um amplificador do sinal ou como memória. Um resistor limita o fluxo de corrente dando uma forma de controlar o som de uma televisão ou controlar a corrente de um sinal. Um capacitor armazena corrente e a libera rapidamente como para controlar um flash em uma câmera fotográfica. Um diodo pode cortar o fluxo da corrente elétrica ou deixála passar sob certas condições e pode, por exemplo, controlar um sistema de segurança com fotocélulas quando uma faixa de luz é interrompida. A vantagem desta integração é tripla: ganho de espaço, ganho de tempo na montagem e mais importante de tudo, um ganho de desempenho. Na verdade um CI se destina a preencher da melhor maneira possível e ao melhor custo uma função genérica tal como amplificação de sinais ou específicas como contagens, codificação e decodificação. Muitas vezes se distingue os CIs lógicos e os lineares. Os circuitos lógicos são dedicados aos circuitos da lógica booleana tais como AND, OR, OR, etc., e os lineares aos circuitos contadores, comparadores, etc. Esta divisão tem somente a finalidade de organização, pois sua construção é semelhante. Os CIs lineares se apresentam na maioria dos casos como uma cápsula pequena, normalmente preta e retangular com pequenos terminais ou pinos (pins no inglês) em um encapsulamentro chamado de DIL do inglês Dual In Line (Duplo em linha). No corpo da cápsula aparece uma pequena marca (geralmente um meio círculo) que determina a posição do pino 1 e os outros pinos são numerados em seguida no sentido inverso das agulhas do relógio. Veja a Figura e 7.1 no capítulo 7 abaixo. 3. História resumida do circuito integrado O componente mais importante de todos os citados é o transistor e antes deles eram usadas as válvulas eletrônicas à vácuo. Mas elas tinham as desvantagens de serem muito volumosas, de gastarem muita energia, de serem muito delicadas, aquecerem demais e, por conseqüência, terem uma vida curta. Quando foi construído o primeiro computador digital chamado de UNIAC foram instaladas mais de válvulas, ele pesava acima de 30 toneladas, ocupava um espaço enorme (o prédio tinha mais que um quarteirão) e gastava 200 kw de energia elétrica! Página 3 de 33

4 Nos anos 50 os engenheiros já tinham o pequeno transistor para construir circuitos mais avançados, mas os circuitos foram se tornando cada vez mais complicados e mais volumosos. Um circuito tem muitos componentes e fios que os interligam e suas ligações podem falhar e os montadores dos circuitos montavam e soldavam os componentes e os fios manualmente. Existiam então muitos problemas e assim os engenheiros acharam que seria impossível a construção dessa maneira de um computador sem defeitos. Este problema ficou conhecido como a tirania dos números. No verão de 1958 Jack Kilber na Texas Instruments achou uma solução para este problema e começou a trabalhar em um projeto novo para desenvolver circuitos elétricos mais pequenos. Durante as férias dos demais companheiros (ele não podia tirar férias, pois era um empregado novo) ele divisou a possibilidade de miniaturar os componentes cortando-os de um bloco de material semicondutor. Quando seus companheiros voltaram das férias ele apresentou sua nova idéia e seus chefes permitiram que ele prosseguisse em seus trabalhos e em setembro de 1958 ele tinha o primeiro CI pronto e testado e ele funcionou perfeitamente! Ele recebeu o prêmio Nobel de física no ano Mas Robert Noyce desenvolveu independentemente uns seis meses depois também uma idéia do CI que resolveram alguns problemas práticos que o circuito de Kilby apresentava, principalmente o da interligação dos componentes, o que tornou possível a fabricação em alta escala dos CIs. Robert Noyce foi cofundador da Intel. 4. A produção do circuito integrado A produção dos CIs é feita em salas com ar completamente limpo. Esta sala tem um projeto especial onde os móveis são de material especial que não produzem qualquer espécie de partículas e onde existe um sistema de filtragem e circulação de ar que troca o ar até 10 vezes por minuto. Os trabalhadores vestem um macacão de tecido especial e que algumas vezes têm também seu próprio sistema de tratamento de ar. Os circuitos integrados são produzidos por um sistema de produção que é baseado na fotolitografia. Este sistema luz ultravioleta (UV) de alta energia que é lançada sobre uma de fatia de silício coberta com uma máscara feita com uma película foto sensível. Nesta máscara estão desenhados os componentes do CI e a luz UV tocará somente as partes não cobertas pela máscara. Depois o filme é revelado e as áreas atingidas pela luz são removidas. Neste momento o chip tem áreas cobertas e áreas descobertas que formam o desenho dos componentes finais do CI. No próximo passo as áreas não protegidas são processadas para modificar suas propriedades elétricas. O CI tem diversas camadas cada vez uma camada de material é colocada sendo repetido todo o processo camada por camada. Quando todas as camadas estiverem feitas o circuito está completo e uma camada final de metal é acrescentada. Então uma nova camada de material foto sensível é aplicada e exposta à luz UV com uma máscara. Neste momento a máscara usada tem a disposição dos fios que ligam os componentes do CI e finalmente esta camada é removida e as partes não expostas são removidas. Por fim o metal não protegido pela película é removido para formar os fios e então o CI é testado e empacotado. Página 4 de 33

5 Exercícios 1.Os circuitos integrados são fabricados em a. Ambientes sem controle b. Ambientes com atmosfera rarefeita c. Ambientes de atmosfera limpa e controlada d. Ambientes secos 2. Os CIs são formados de a. Materiais extremamente bons condutores da eletricidade b. Materiais isolantes c. De fatias de blocos semicondutores d. De fatias de material sólido 3. O processo de fabricação de um CI é a. Fotófobo b. Foltolitográfico c. Fotográfico d. Fotolito 4. Um CI é composto de a. Somente transistores b. Somente diodos c. Somente componentes ativos d. De muitos tipos de componentes e fios que os interligam Página 5 de 33

6 5. Famílias tecnológicas A rápida evolução das tecnologias de fabricação trouxe diversas gerações de circuitos integrados que pertencem a diferentes famílias que nem sempre são compatíveis entre elas. Temos basicamente duas famílias:os TTLs e os CMOSs e vamos ver abaixo no capítulo 7 suas características. A família mais antiga é da série 4000 baseada na tecnologia CMOS com tensão de alimentação de 5 a 15V e existe também a família da série 74XX com tecnologia TTL e CMOS. Os CIs processam sinais digitais analógicos e existem muitos tipos diferentes incluso os de lógica digital, flip-flop, registradores, contadores e acionadores de displays.. 6. Especificação dos circuitos integrados A face superior da pastilha do CI tem uma série de números e letras escritas sendo a mais importante a referência ao nome do CI. Muitas vezes estes caracteres alfanuméricos são difíceis de entender e muitas vezes é útil o uso de uma lente. Temos basicamente os CMOS da série 4000 cujos números estão indicados no CI, e os da série 74XX00. Estes são normalmente encontrados com somente o número como 7400, mas as letras depois do número 74 indicam a família desses CIs: LS indica os Schottky de baixa energia (Low-power Schottky), HC indica o CMOS de alta velocidade, HCT indica os CMOS compatíveis com a técnica TTL. Você pode comparar as características dos CIs analisando a tabela dada no capítulo 7 abaixo. Podemos dizer que essas marcações nas pastilhas são muitas vezes complicadas e difíceis de entender e nestes casos devemos consultar os catálogos ou folhas de dados dos fabricantes para esclarecer melhor os dados dos CIs. 7. Características das famílias Como vimos os circuitos integrados são também conhecidos como chips que no inglês quer dizer lasca, cavaco, fragmento, pois são fabricados em pequenas pastilhas de material semicondutor que depois são fechadas em um invólucro de plástico. Os pinos estão distanciados de 0,1 (um décimo de polegada) ou 2,54 mm. Esta é a distância entre as trilhas da matriz de contatos e assim podemos montar estes CI sobre ela sem problemas. Os pinos são numerados a partir do lado onde aparece uma marca e na direção anti-horária, como vemos na figura 7.1 abaixo. Aí estão mostradas as construções de 8 e 14 pinos chamada DIL do inglês dual on line ou dupla em linha Página 6 de 33 Figura 7.1

7 Devemos sempre usar soquetes para fixar estes CI na matriz de contatos, pois seus terminais são muito sensíveis e podem se quebrar facilmente. Também o uso de soquetes é recomendável quando se soldar em placas de circuito impresso, pois o calor do ferro de solda pode estragar o CI. Por isso os soquetes são também fornecidos no conjunto de peças de nosso kit. Ao retirá-lo do seu soquete devemos cuidar de não entortar ou forçar seus pinos. Usar uma pequena chave de fenda para levantá-lo do soquete inserindo a chave entre o IC e o soquete e alavancar suavemente e levemente nas duas extremidades. Também deve ser tomado cuidado com a eletricidade estática que é criada, por exemplo, pelo atrito de nossos pés nos tapetes e se descarrega ao tocar em alguma coisa com a produção de um pequeno choque ou faísca principalmente com os CMOS. Damos abaixo em forma tabular um sumário das características dos circuitos lógicos integrados mais utilizados. Características principais dos circuitos lógicos das famílias 4000 e 74 Propriedade Série 4000 Série 74 74HC 74HCT 74LS Tecnologia CMOS CMOS alta CMOS alta TTL Schottky velocidade velocidade Baixa potência compatível com CMOS Alimentação 3 a 15 V 2 a 6 V 5V +/- 0,5V 5V +/- 0,25V Entradas Saídas Fan-out Impedância ultra alta sendo que as entradas não utilizadas devem ser ligadas à terra. Pode ter corrente entrando ou saindo de aprox. 5 ma Uma saída pode acionar até 50 entradas de CMOS da família 74HC ou HCT mas somente 1 da 74LS Pode ter corrente de aprox. 20 ma entrando ou saindo Impedância ultra alta sendo que as entradas não utilizadas devem ser ligadas à terra. Pode ter corrente de aprox. 20 ma entrando ou saindo. Uma saída pode acionar até 50 entradas CMOS 74HC ou 74HCT mas somente uma 10 entradas 74LS A lógica alta vai para 1 se desligada, pois 1 ma deve ser drenado para fixar a lógica 0. Pode ter corrente de 16 ma entrando mas somente de 2 ma saindo Uma saída pode acionar até 10 entradas 74LS ou 50 entradas 74HCT Freqüência Aprox. 1 MHz Aprox. 25 MHz Aprox. 25 MHz Aprox. 35 MHz máxima Consumo Poucos W Poucos W Poucos W Poucos W Página 7 de 33

8 8. Circuitos Integrados da Família 4000 CMOS Damos a seguir uma pequena lista de alguns CI que comportam somente portas lógicas e suas funções para esta série: CI Funções portas NÃO OU (NOR) portas NÃO E (NAND) portas NÃÕ E (NAND portas OU Exclusivas (XOR) portas OU (OR) portas E (AND) com 3 entradas cada portas Não OU Exclusivo (XNOR) portas E (AND) portas E (AND) com 4 entradas cada O circuito CMOS (pronuncia-se çmoss) usa pouca energia elétrica e é muito aplicável para circuitos alimentados à pilha e podem usar grande variação de tensão desde 3 até 15V. Esta família leva os números de 4000 e de 4500 para cima e tem um B após o número como 4001B o que significa que são de um projeto mais novo. As iniciais CMOS significam Complementary Metal Oxide Semiconductor (Semicondutor de óxido de metal complementar). Entretanto devemos tomar cuidado no manuseio, pois são sensíveis à eletricidade estática (aquela produzida por atrito com um pano de lã ou tapete, por exemplo), por isso devemos sempre que possível tocar em uma peça metálica como uma torneira ou janela metálica antes de pegar em um CMOS para descarregar e eletricidade estática. Existem muitos CIs nesta família e podemos distinguir os dedicados a portas digitais, contadores, decodificadores, acionadores de displays, etc. São produzidos em pastilhas de 14 ou 16 pinos e a numeração dos pinos é conforme foi dada na figura 7.1 acima. Como vemos ali a numeração é dada contra a direção dos ponteiros do relógio a partir da marca na parte superior da pastilha. 8.1 Sinking e Sourcing Existem dois casos que se referem às direções da corrente ao entrar e sair de um CI. No inglês recebem os nomes de sinking e sourcing. Página 8 de 33

9 Sinking significa literalmente afundar. Neste caso significa que a corrente desce, baixa ou entra no CI como vemos na parte esquerda da Figura 8.1. Vemos que a corrente está fluindo para dentro do CI ou baixando para ele. Isto significa que se um componente estiver instalado entre uma fonte de tensão positiva +Vcc e a saída do CI ele será ligado (estará em 1 lógico) quando a saída do CI estiver com sinal baixo (0). No lado direito da figura vemos uma ligação em sourcing, de fonte ou nascente. Neste caso a corrente está indo para fora do CI. Neste caso o IC está fornecendo tensão ou a tensão está fluindo para fora do CI. Isto quer dizer que se um componente estiver instalado entre a saída de um CI e uma fonte de tensão negativa V ele será ligado quando a saída do CI estiver com sinal positivo ou em estado 1 lógico. Figura 8.1 É possível ligar dois componentes a uma só saída do CI de forma que um esteja ligado com sinal baixo e o outro esteja ligado com sinal alto. Esta forma de ligação é chamada de nível cruzado e é usada para fazer um LED lampejar alternadamente conforme o sinal da saída mudar de nível lógico. Outro ponto importante é de que nunca devemos ligar diretamente duas saídas de um mesmo CI diretamente. Nestes casos devemos instalar diodos como vemos na Figura 8.2 para ligar duas ou mais saídas digitais baixas ou altas como pode acontecer quando trabalhamos com contadores. Figura 8.2 Outro ponto a ser estudado é a questão da instalação de CIs de famílias diferentes. É claro que é melhor utilizar sempre uma mesma família em um circuito. Mas suponhamos que devemos utilizar um CI da família 74xx e um da família 4000 ou com um 74xx de outra família. Para isto devemos prover a fonte de tensão na faixa de 3 a 6 V devemos incluir um resistor de pull-up (levantamento) como mostra a Figura 8.3. Página 9 de 33

10 Figura 8.3 Usualmente instala-se um resistor de 2,2kΩ nessa posição. 9. Série 74 Esta série era numerada a partir de 7400 sem letras intermediarias. Mais tarde foram introduzidas letras como 74xx00, por exemplo, onde xx significa o tipo de circuito do CI, por exemplo, 74LS00 que significa um Schottky de baixa potência (Low power Schottky). Em especial esta família usa o circuito TTL (Lógica transistor-transistor) que é muito rápido, mas necessita maior potência que as famílias mais recentes. A família HC tem um circuito CMOS de alta velocidade combinado com a velocidade do circuito TTL e com pequeno consumo de energia como a série A família HCT é uma versão especial da HC com a LS de entradas compatíveis com TTL. Dessa forma o Ci da família HCT pode ser colocado em um mesmo circuito com um CI da família LS. A principal desvantagem do HCT é sua menor imunidade ao ruído o que pode não ser um problema para grande parte dos circuitos. Sempre que for utilizar um CI tenha à mão a folha de dados do fabricante e estude-a para aplicá-lo da forma correta. 10. Os circuitos de temporização com o 555 O temporizador 555 é provavelmente o mais útil dos ICs que já foram produzidos. Ele pode produzir muitos diferentes projetos com uns poucos componentes externos e nem todos envolvem o tempo. Uma versão popular é o NE555 que é a mais utilizada nos casos em que o timer 555 é especificado. Existe também a versão 556 que tem dois temporizadores e com 14 pinos na pastilha. Existem também versões de baixo consumo de potência como a ICM7555, mas que somente deve ser usada quando especificamente indicada, pois sua saída é de somente 20mA com 9V que é muito baixa para o padrão 555. Damos na Figura 10.1 o arranjo dos pinos do 555 de 8 pinos mostrando a numeração e as funções de seus pinos. Figura 10.1 Página 10 de 33

11 18V. Este CI pode ser alimentado com tensões de 4,5 até 15V e tensão máxima de As funções de seus pinos são descritas a seguir e você deve acompanhar com a Figura 10.2 abaixo. 8 5K 5K 5K C 1/3 Vcc Rb 2/3 Vcc Ra Vc c Lim ia r Controle Ga tilho Desca rg a C o m p a ra d o r infe rio r C o m p a ra d o r sup e rio r 4 Reset R Q C ontrole flip flop S Saída de potência Q 3 Saída Figura Terra (0V) Vamos detalhar um pouco as funções de seus pinos: 1. Pino 1- Terra (Ground)-É o pino comum ou o mais negativo da alimentação de tensão. 2. Pino 2- Disparo ou gatilho (Trigger)- Quando a tensão for menor do que 1/3 Vs a tensão da saída fica em valor alto ou +Vs. Ele monitora a descarga do capacitor de temporização em um circuito astável. Sua impedância é muito alta: >2MΩ. 3. Pino 3- Saída de sinal (Output)- A saída do 555 pode estar em estado de sink ou source e vamos ver com mais detalhes o que isto significa no fim desta descrição. A corrente de saída é de 200 ma o que é mais que suficiente para muitos transdutores incluindo LEDs, pequenas lâmpadas, altofalantes com um capacitor em série, bobinas de relês, e até pequenos motores com diodos de proteção. Para cargas maiores devem ser empregados transistores. 4. Pino 4- Reset (Recompor ou reajustar)- Quando menos do que 0,7V, chamado de ativo baixo, este pino é usado para mudar a saída para 0 sobrepujando as outras entradas. Quando não for usado ele deveria estar ligado a +Ve ou voltagem de entrada. Ele tem uma impedância de 10 kω Pino 5- Controle (Control)- Este pino pode ser usado para ajustar a voltagem de soleira ou limiar (threshold) internamente em 2/3 da entrada (Ve). Esta função não é normalmente necessária e a entrada do controle é ligada a 0V ou terra com um capacitor de 0,01μF a fim de eliminar o ruído elétrico. Caso o ruído elétrico não seja um problema ele pode ser deixado aberto. 6. Pino 6- Soleira ou limiar (Threshold)- esta entrada é ligada a uma entrada do comparador superior como você pode ver na Figura 10.2 acima. Ele é usado para resetar o latch quando a voltagem for >2/3Ve e tornar a saída em 0. A ação deste Página 11 de 33

12 pino é sensível ao nível e permite uma lenta mudança das formas das ondas. Ele monitora a carga do capacitor de temporização nos circuitos astáveis e monoestáveis e tem uma alta impedância da ordem de 10MΩ. 7. Pino 7- Descarga (Discharge)- Este pino é ligado ao coletor aberto de um transistor NPN, o emissor vai para terra e o transistor é ligado e o pino é curtocircuitado para terra. Usualmente um capacitor de temporização é ligado entre este pino e a terra e é descarregado quando o transistor fica em estado ligado ou 1. O estado de condução deste transistor é idêntico na temporização ao do estágio de saída. 8. Pino 8- Pino de entrada de tensão- Este pino recebe a tensão de alimentação +Ve que tem normalmente a sigla Vcc. Deve estar entre +4,5 como mínimo e +16V como máximo. Este CI pode ser aplicado em diversos tipos de circuitos osciladores. Pode ser um circuito astável, monoestável e biestável gerando ondas quadradas. Vamos ver isto com um pouco mais de detalhe nas aplicações como você verá na experiência com o CircuitLogix. O cálculo da freqüência de oscilação em circuito astável é dado pela fórmula: f 1 0,693C ( Ra 2Rb). Sua seu tempo de oscilação é dado por: t A duração do tempo em que o sinal está alto chamamos de t 1 e o tempo em que o sinal está baixo ou em 0 é t 2. Esses tempos são calculados pelas fórmulas: t,693( Ra Rb) C; t 0, 693RbC Por meio dessas equações podemos calcular os tempos em que so sinal permanece alto e baixo nos diversos tipos de circuitos. Os valores das resistências são dados em ohms e a capacitância do capacitor é dada em farads. 1. f Página 12 de 33

13 Exercícios 5. Fan out significa o número de componentes que podem ser alimentados por um CI a. Afirmação errada b. Afirmação incerta c. Afirmação correta d. Não sei o que é fan out 6. Os CIs da família 74 podem ser somente a. CMOS b. TTL c. Ambos d. Nenhum dos dois 7. Um CI 74LS é: a. Um CI Low Pass Schottky b. Um CI especial c. Um CI de baixa resistência d. Um CI de alto ganho 8. Um CI 555 é: a. Somente um astável b Somente um monoestável c. Somente um biestável d. Um oscilador que pode ter diversos estados Página 13 de 33

14 LED 11. Experiências Damos a seguir a listagem das experiências que vamos fazer. Para cada uma delas de antemão é dada a listagem das peças que fazem parte do trabalho e que são enviadas junto com o kit desta apostila. Note que usamos somente circuitos integrados da série 4000 por poderem ser usados com tensões de alimentação mais variada. Usamos em nossas experiências uma pilha com tensão de 9V. Estas experiências são idênticas a algumas que foram realizadas na apostila sobre o simulador CircuitLogix e assim você pode, e nós sugerimos que você o faça, voltar ali para comparar algumas destas experiências. Isto auxiliará na compreensão total destes CIs. Segue abaixo a lista de experiências que vamos executar: 1. Circuito lógico AND ou E Circuito lógico NAND ou NÃOE Circuito lógico AND ou E de 3 entradas Circuito lógico AND ou E de 4 entradas Circuito lógico OR Circuito lógico NOR ou NÃOE Possibilidades do CIL CD Circuito lógico NOT ou NÃO 9. Outras possibilidades dos CIL- CD Outras experiências- CD Primeiro Circuito Lógico- AND ou E Vamos estudar os circuitos lógicos usando primeiramente interruptores e lâmpadas eletrônicas chamadas de LED antes de montar os circuitos eletrônicos. O circuito lógico AND pode ser ilustrado como uma ligação em série de dois interruptores, como vemos na Figura 11.1 abaixo (Observe que é a mesma da Figura 7.2). Quando somente um deles está fechado, a lâmpada não acenderá. Ela somente acenderá quando ambas as chaves estiverem ligadas. Ch1 Ch2 Porta E R Porta E (AND) Figura 11.1 Página 14 de 33

15 Para esta experiência usaremos a placa de matriz de contatos e os seguintes componentes: 1 resistor de 560 (R3) 2 resistores de 10k (R1 e R2) 2 chaves (interruptores Ch1 e Ch2) 1 capacitor de 47 F (C1) 1 LED vermelho (LED1) 1 circuito integrado CD4081BE com soquete de 12 pinos 1 pilha de 9 volts (não fornecida) ou fonte de alimentação com 9 volts Vemos essa montagem na Foto 1a abaixo. Vemos na parte esquerda da Figura 11.1, o circuito com chaves pulsantes ou interruptores elétricos e um LED instalado e à direita o símbolo dessa porta. Você deve montar o circuito como mostramos na Foto 1 abaixo. Na parte esquerda temos a montagem do circuito elétrico e à direita a montagem do circuito integrado seguindo os esquemas dados acima. Depois de montar você deve colocar a pilha, apertar os botões em ambos os circuitos e ver como eles preenchem exatamente a tabela verdade dada abaixo. Para fazer a montagem do CD4081 leia antes as instruções e observações dadas abaixo. Após a montagem fazemos um teste e vemos que o LED está apagado na posição inicial. Para vermos como funciona este circuito aperte um botão, o LED não acenderá. Solte essa chave e aperte a outra, o LED também não acenderá. Agora aperte os dois botões ao mesmo tempo: o LED se acenderá. Podemos então comparas com a Tabela Verdade: Botão A Botão B Saída (LED apagado) (LED apagado) (LED apagado) (LED acesso) Vamos então agora ver algo sobre esse circuito integrado. Este é um CI CMOS constituído por quatro portas Ele pode trabalhar com 5-15V, sua construção é um DIL (duplo em linha), com 14 pinos sendo o pino 14 a entrada da alimentação de força e o pino 7 o pino para ligação à terra ou tensão 0. Vê-se esse CI na Figura 11.2 abaixo. Figura 11.2 Página 15 de 33

16 À esquerda vemos sua construção interna com a distribuição das 4 portas AND e à direita vemos a distribuição dos pinos no circuito integrado. Note que o pino 1 está do lado da marca na caixa. Isto é muito importante, pois se você errar na ligação dos pinos o circuito não funcionará e poderá até sofrer danos. Este é a forma usual de serem instalados os pinos em todos os circuitos integrados. Também você vai notar que foi fornecido com o kit do módulo um soquete vazio, com o mesmo número de pinos. Você deve montar cuidadosamente o CI neste soquete, e deve montar o soquete na placa. Isto permitirá que você faça diversas montagens e desmontagens sem danificar as pernas do CI, que são muito sensíveis. Atenção: note o lado da marca do CI que deve coincidir com a marca do soquete e cuide de observar a numeração dos pinos na montagem na matriz de contatos. Vamos fazer a montagem com o CI conforme vemos no esquemático da Figura 11.3 abaixo: +9V C1 - Figura 11.3 Ch1 Ch2 CD R3 R1 R2 LED1 Faremos a montagem conforme vemos na Foto 1. Preste atenção que você deverá ligar o terminal da chave pulsante 1 com o pino 1 (entrada 1) do CI, o terminal da chave pulsante 2 (entrada 2) com o pino 2 e o terminal 3 (saída) com o LED. São as entradas e a saída do primeiro AND do CI. Você poderá agora experimentar com os botões como fizemos acima e verificar que a tabela verdade é a mesma. Nota: o LED tem uma parte chata na sua base inferior e o pino desse lado deve ser ligado com o lado de voltagem 0 ou terra, de outra forma ele não funcionará e até poderá se queimar. Uma palavra sobre o circuito: Os dois resistores R1 e R2 de 10 kω têm a função de elevar a tensão (nível lógico 1) e o resistor R3 tem a função de baixar a tensão do LED. Este componente, o LED vermelho padrão, pode suportar a tensão máxima de 2,1 V e a corrente máxima de 30 ma, por essa razão deve-se instalar o resistor para proteger o LED. O LED vermelho vivo, verde e o amarelo pode suportar 2,5 V e o azul de alta intensidade 5,5 V. Releia a apostila sobre Diodos se necessário. O capacitor C1 com uma capacidade de 47 μf tem a função de limitar os picos de tensão provocados pelo fechamento dos interruptores para ligar e desligar o circuito. Isto é importante, pois os CMOS são sensíveis aos picos de tensão. Página 16 de 33

17 Foto 1a Nos próximos circuitos serão somente acrescentados resistores de 10 kω e as chaves pulsantes necessárias Circuito lógico NÃOE 4011 (NAND) Para a experiência desta porta lógica usaremos o CI CD4011. Este CI tem 4 portas NAND de 2 entradas cada. Este CI tem a mesma configuração do anterior com 14 pinos. Os valores dos resistores são os mesmos dos exercícios anteriores. O esquema eletrônico da instalação é dado na Figura 11.4 abaixo. +9V C1 - Ch1 Ch2 CD R3 Figura 11.4 R1 R2 LED1 Página 17 de 33

18 Você vai notar que o esquema é exatamente igual ao do exercício 1, porém você vai notar uma bolinha no pino 3. Esta bolinha significa a negação NOT (NÃO), ou seja o sinal que era positivo com o CD4081 agora fica negativo, isto é, os valores das portas ficam invertidos. Vemos o diagrama funcional abaixo na Figura 11.5 Figura 11.5 Para a montagem na matriz de contatos você simplesmente tira o CD4081 e coloca o CD4011 no mesmo lugar. Você deve observar o funcionamento conforme você apertar ou soltar os botões. Anote o estado do LED conforme você fizer isso e desenhe a tabela verdade. Depois disso compare com a tabela que repetimos abaixo. Compare com a tabela acima e verá que ela é invertida daquela. Simples, não? Botão A Botão B Saída (LED aceso) (LED aceso) (LED aceso) (LED apagado) Repetimos: você deve observar que a tabela verdade é exatamente oposta à anterior do CD AND Note que a montagem é a mesma do exercício 11.1, por essa razão simplesmente trocamos o CIL sobre o soquete e fazemos nossa experiência para comprovar a tabela verdade. Assim a foto 1 é a mesma para esta experiência. Faça a prova! Página 18 de 33

19 Saída Entradas 11.3 Circuito Lógico OR ou OU CD4071 Para este circuito lógico podemos usar o circuito elétrico dado na Figura 11.6 abaixo, que simula o funcionamento do circuito eletrônico. 3 Or (OU) 1 2 Botão A Botão B Figura V Resistor LED A montagem deste circuito é idêntica à do circuito do item 11.1 acima e a foto 1 mostra a montagem dele. Na parte inferior vemos a montagem eletrônica referente a Figura 11.7 seguinte. +9V C1 - Figura 11.7 Ch1 Ch2 Cd R3 R1 R2 LED1 O circuito OU é representado pela figura acima. Se você se lembrou de nosso conselho e conservou a montagem inferior sem modificação, é somente agora trocar o CIL colocando o CD Vamos usar os mesmos componentes da experiência anterior para montar esta experiência. Vemos essa montagem na Foto 1 acima. Vemos inicialmente que o LED está apagado. Apertando o botão A o LED acende. Solte o botão A e aperte o botão B, o LED também se acende, Agora aperte os dois botões ao mesmo tempo, o LED acende. Assim temos três estados em que o LED se acende: A ou B apertados e A e B apertados Podemos desenhar a seguinte tabela verdade: Página 19 de 33

20 Botão Botão B Saída A (LED apagado) (LED acesso) (LED acesso) (LED acesso) Esta é a lógica OR (OU) que estudamos acima. Agora podemos testar o CI 4071 que é um CI com 4 portas OR (OU) separadas. Vemos esse CI na Figura 11.8 abaixo. Figura 11.8 Vemos que a pinagem e a construção deste CI é idêntica ao CI Portanto somente vamos retirar o CI 4081 do soquete e vamos colocar o CI 4071 no seu lugar, deixando todo o circuito como está. Faremos agora os testes e comparamos com a tabela verdade acima que obtivemos quando estudamos a porta OR com os botões. Simples, não? 11.4 Circuito Lógico NOR ou NÃOE 4001 Vamos usar o CI CD4001, cuja construção vimos abaixo na Figura 11.9 Figura 11.9 Como vemos a construção é idêntica a dos demais usados até agora. Como no exercício anterior deixamos a seu cargo desenhar a tabela verdade. Compare-a com a tabela verdade que repetimos abaixo: Tabela Lógica NÃO OU (NOR) A B C Página 20 de 33

21 Entradas Saída Entradas Saída Vemos que a pinagem é semelhante aos CIL anteriores e a montagem pode ser aproveitada mudando somente o circuito integrado lógico Possibilidades do CIL CD4081 O CI CD4081 que estudamos no primeiro circuito acima tem muitas aplicações. Podemos indicar, por exemplo, que ele pode ser aplicado para obter circuitos AND com mais de duas entradas, como vemos nos dois circuitos abaixo, o da esquerda com três entradas e o da direita com quatro entradas. Esses circuitos podem ser aplicados em construções que exijam que três ou quatro condições sejam satisfeitas para se conseguir fazer um determinado trabalho AND 3 5 AND AND AND AND 10 Figura Você pode tentar fazer montagens para comprovar isto, usando o material de nosso kit, verificando as tabelas verdade de cada caso. Você deve notar que usamos na primeira experiência somente a porta 1, e nestes casos vamos usar duas e três portas, sendo que no esquema acima os terminais das portas estão indicados. Na figura 11.2 acima você vê as posições destes terminais da primeira porta. Basta então adicionar os botões, resistores e fios como para a porta 1. Na foto 2 abaixo você vê a montagem com as 3 portas do esquema da direita mostrado acima. Quando você ligar a pilha o LED não acenderá, mas quando as 4 chaves forem apertadas o LED acenderá. Estude a tabela verdade e para ajudá-lo damos abaixo a tabela verdade deste caso. O caso da esquerda fica como exercício para você. BOTÃO 1 BOTÃO 2 BOTÃO 3 BOTÃO 4 Verdade Na tela acima vemos a tabela verdade para a porta 1 e 2. Como ambas estão com saída 1 a porta 3 receberá o sinal 1 em ambas entradas e como é uma porta AND ela se acenderá. Página 21 de 33

22 Foto 2 Faça estas duas experiências e sentirá uma enorme alegria ao ver seu resultado! Circuito lógico AND ou E de 3 entradas 4073 Vamos agora para nossa segunda experiência usando um CIL CD4073. Antes vamos dar uma olhada nesse CIL. Vemos na Figura 11.5 abaixo a configuração do HEF4073 da Philips. Figura 11.5 À esquerda vemos seu diagrama funcional onde vemos 3 portas E, os pinos de entrada e de saída. À direita vemos o diagrama da pinagem com a indicação de seus 14 pinos. Note que este CIL tem o mesmo número de pinos do anterior e assim podemos usar o mesmo soquete de 14 pinos que usamos em nossa primeira experiência. Vamos agora ver o esquema eletrônico que vamos usar nesta experiência, que está mostrado abaixo, Figura Página 22 de 33

23 Ch1 Ch2 Ch3 +9V - C1 Figura R4 R1 R2 R3 LED1 Estão indicados nesse esquema os pinos do CIL que serão utilizados. A fonte de força é a mesma pilha de 9V da experiência anterior e os seguintes componentes: componentes que são: R1, R2 e R3 de 10 kω e R4 de 560Ω os demais sendo os que já usamos anteriormente. Neste esquema também estão indicados os pinos que vamos usar: 3, 4, e 5 de entrada e 6 de saída. Faremos a montagem na mesma matriz de contatos e por isso vamos retirar os fios que ligam com o CI deixando os fios de alimentação dos interruptores que vão do pólo + para o pólo-. Acrescentamos agora um terceiro interruptor como os anteriores e colocamos a fiação como indicado para os novos terminais do soquete. Agora trocamos colocamos o CD 4073 no soquete e fazemos nossa experiência. A tabela verdade dada abaixo indica que o LED acenderá quando os três interruptores forem pressionados. Como na montagem anterior R1, R2 e R3 têm a função de elevar a tensão para 1 e a R4 tem a função de proteger o LED baixando sua tensão de uso. Vamos agora ver a tabela verdade deste circuito que aparece na tabela seguinte: Chave 1 Chave 2 Chave 3 Saída Na foto 3 abaixo vemos esta montagem. Página 23 de 33

24 Foto 3 Confira a tabela verdade acima apertando os botões e vendo o estado do LED cada vez. Ele deve acender com todos os três interruptores pressionados Circuito lógico AND ou E de 4 entradas 4082 Este circuito é idêntico aos anteriores somente que temos 2 portas de 4 entradas como vemos na Figura 11.7 abaixo. +9V C1 - Figura 11.7 Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 CD R5 R1 R2 R3 R4 LED1 Por essa razão os comentários são os mesmos com o acréscimo de uma entrada e de seus componentes. O esquema para este CIL é dado na Figura 11.8 abaixo. Página 24 de 33

25 Ch1 Figura 11.8 Para esta montagem a tabela verdade é a seguinte: Chave 1 Chave 2 Chave 3 Chave 4 Saída Faça a montagem e confira esta tabela apertando os botões de sua montagem e observando o estado dos LED. Ele deve acender com todos os quaro interruptores apertados Circuito Lógico- NOT ou NÂO O circuito lógico NOT (NÃO) é muito simples. Ele simplesmente inverte o sinal de entrada: se for 1 inverte para ), se for 0 inverte para 1. Este circuito é empregado para transformar o AND em NAND e o OR em NOR e outros circuitos nos quais queremos fazer uma inversão de sinal como vimos nas experiências 11.2 (NAND) e 11.6 (NOR). O esquema elétrico que simula este CIL é dado na Figura e Foto 4. R LED Figura inversor Página 25 de 33

26 Foto Outras Possibilidades com os CIL Antes de estudar outras aplicações para os CI lógicos, vamos aprender o que são os multivibradores. Um multivibrador é um circuito eletrônico usado para implementar diversos sistemas que possuem dois estados. Os osciladores, flip-flops e temporizadores são exemplos de multivibradores. Desses circuitos, o astável ou oscilador é o mais comum. Ele gera uma onda quadrada. Existem três tipos de circuitos multivibradores: Astável: neste circuito não é estável em qualquer estado, pois ele oscila continuamente de um estado para outro e toma o nome de oscilador. Monoestável, que é um circuito estável em um estado, mas não em outro. O circuito passará para um estado instável por um determinado tempo, mas retornará para um estado estável depois. Este circuito é útil para a criação de um tempo determinado como resposta a um evento exterior. È um circuito de temporização. Biestável: este circuito permanecerá em qualquer estado indefinidamente, podendo passar (flip) de um estado para outro por meio de um sinal externo. É um circuito destinado à contagem e memorização. Página 26 de 33

27 R R R3 R Agora que aprendemos os diversos tipos de circuitos, vamos ver como construir um circuito biestável com o CD4081, conforme vemos no circuito abaixo. R1 9V C1 CI V LED R2 Vemos a montagem na Foto 5 abaixo. Quando clicarmos o Botão 1, a saída vai para o estado 1 acendendo o LED e permanece nesse estado, que é um dos estados do biestável. Quando clicarmos o Botão 2 a saída vai para o estado 0 e o LED se apaga. Foto 5 Página 27 de 33

28 OUTRAS EXPERIÊNCIAS Fornecemos ainda o CIL CD4012 que é um circuito lógico com 2 portas NAND de 4 entradas que vemos na figura abaixo. CD4012 Sua tabela verdade é: Chave 1 Chave 2 Chave 3 Chave 4 Saída Você deve comparar esta tabela com a do CIL CD4082 e ver que é exatamente oposta. Neste caso é somente trocar o CIL da experiência do artigo 11.7 acima e fazer o teste para confirmar a tabela verdade. 12. Experiências com o 555 Como dissemos acima vamos ver agora uma experiência com o 555 usando o CircuitLogix. Para abrir este circuito você deve abrir o CircuitLogix e clicar em File>Open. Abre-se a janela que vemos na Figura Página 28 de 33

29 Você vê a seta do mouse indicando a pasta 555 que deve ser aberta. Clicando aí se abre a janela do circuito que vemos na Figura Nessa figura vemos um circuito 555 em modo astável ou oscilador. Clicando com a ponta de prova no terminal 3 você pode ver no CircuitLogix a curva na saída ou terminal 3 e verá que ela é uma curva de onda quadrada na tela do osciloscópio digital. Também você pode habilitar o multímetro que vemos acima à direita. Para isso você deve abrir Options>Analog Analysis ir para Operating Point e clicar em Enabled para habilitar o medidor digital que indica as tensões. Como exercício sugerimos que você calcule a freqüência de oscilação. Para isto você deve usar as equações que forma dadas acima no capítulo 10. Calcule a frequência e os valores do tempo em sinal baixo e em sinal alto. Ver resposta 9 no fim desta apostila. 13. Aplicações Práticas Esta apostila apresentou diversos circuitos integrados lógicos que podem ter aplicações práticas tais como na segurança de portas, quando desejamos acionar um alarme quando uma delas é aberta, por exemplo. Esperamos que você tenha se divertido e ao mesmo tempo tenha ganhado conhecimentos úteis no campo de eletrônica. Página 29 de 33

30 14. LISTA DE MATERIAIS DO KIT Damos a seguir uma lista dos materiais que compõem este kit, com notas para ajudar na montagem. ITEM DESCRIÇÃO QUANT. OBSERVAÇÕES 1 Botão pulsador simples 4 2 Botão pulsador duplo 1 Notar que a saída é do lado contrário da entrada. Observar nas figuras a ligação correta. 3 Resistores de 10kΩ 9 Cor das faixas: marrom, preta, vermelha 4 Resistor de 580Ω 1 Cor das faixas: azul, cinza, marrom 5 Resistor 1kΩ 2 6 Resistor 2kΩ 7 Capacitor eletrolítico 47 μf 1 Notar que a faixa marcada 0 deve ser montada para o lado de terra ou 0V. Cuidar deste ponto, pois a montagem errada pode causar problemas. 1 8 Capacitor eletrolítico 0,1μF 9 Capacitor cerâmica 10 nf 1 10 Circuito integrado portas AND (E) com 2 entradas 11 Circuito integrado portas OR (OU) com 2 entradas 12 Circuito integrado portas NAND (NÃO E) com 2 entradas 13 Circuito integrado portas NOR (NÃO OU) com 2 entradas 14 Circuito integrado portas AND (E) com 4 entradas 15 Circuito integrado portas AND (E) com 3 entradas 16 Circuito integrado Soquete para CI 8 pinos e 14 pinos 2 Para usar com os circuitos integrados para evitar manuseio direto na placa de matriz de contato, para evitar danos os pinos. 18 LED vermelho 2 Notar que o lado mais longo e que tem uma parte chata é o catodo e deve ser ligado à terra ou 0V. 19 Fio sólido 2 m Para usar nas ligações deve ser cortado nos comprimentos devidos. Você deve usar o alicate de corte, por exemplo. Página 30 de 33

31 Vemos na Foto 6 abaixo estes componentes. Foto 6 Página 31 de 33

32 14. Ferramentas necessárias Para fazer esta montagem são necessárias as seguintes ferramentas: ITEM DESCRIÇÃO QUANT. OBSERVAÇÕES 1 Alicate de corte 1 2 Alicate de bico reto 1 3 Voltímetro 1 4 Matriz de contatos 1 5 Estilete 1 Vemos na Foto 7 abaixo estas ferramentas. Foto PALAVRA FINAL Esperamos que você tenha se divertido e aprendido como utilizar os circuitos integrados com lógica booleana e com o 555. Queremos dar-lhe nossos parabéns por ter completado mais esta etapa de sua formação técnica e desejamos a você uma boa continuação em seu curso. Página 32 de 33

33 Respostas dos exercícios 1. c 2. c 3. b 4. a 5. c 6. c 7. a 8. d 9.. Freqüência: 48,1 Hz Página 33 de 33