Circuitos Integrados (CIs) Sistemas Digitais

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Nina Fragoso Andrade
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1 Circuitos Integrados (CIs) Sistemas Digitais

2 C.I.: Introdução Conhecido comumente por chip Coleção de resistores, diodos e transistores fabricados em um pedaço de material semicondutor (geralmente silício) denominado substrato Circuito integrado (CI) visto por dentro e por cima. Chip Fios finíssimos de ligação do chip aos terminais do CI Terminais do CI CIs digitais frequentemente são classificados de acordo com a complexidade de seus circuitos, de acordo com o número de portas lógicas no substrato Surgiram na década de 1970 com interesse de miniat5rização dos circuitos 2

Chip Fios finíssimos de ligação do chip aos terminais do CI Terminais do CI CIs digitais frequentemente são classificados de acordo

3 C.I.: Vantagens Vantagens dos C.I.s em relação aos circuitos com componentes discretos A maior par;e do tamanho Redução de custos, peso e tamanho ex;er>o do CI deve- se à caixa e às ligações do chip aos Aumento da fiabilidade terfinais ex;er>os Maior velocidade de trabalho Menor consumo de energia Redução dos erros de montagem Simplifica a produção industrial Operações em circuitos de baixa potência denominados processamento de inforfação 3

fiabilidade terfinais ex;er>os Maior velocidade de trabalho Menor consumo de energia Redução dos erros de

4 C.I.: Terminologia / Tensão V IH (mín) Tensão de entrada (input) de nível alto (high-level) Nível de tensão mínimo requerido para valor lógico 1 na entrada V IL (máx) Tensão de entrada (input) de nível baixo (low-level) Nível de tensão máximo requerido para um valor lógico 0 na entrada V OH (mín) Tensão de saída (output) de nível alto (high-level) Nível mínimo de tensão na saída no estado lógico 1 V OL (máx) - Tensão de Saída (output) de Nível Baixo (low-level) Nível máximo de tensão na saída no estado lógico 0 4

um valor lógico 0 na entrada V OH (mín) Tensão de saída (output) de nível alto (high-level) Nível mínimo de tensão na saída no

5 C.I.: Terminologia / Corrente I IH Corrente de Entrada (input) de Nível Alto (high-level) Corrente que flui para uma entrada ao aplicar uma tensão de nível alto I IL Corrente de Entrada (input) de Nível Baixo (low-level) Corrente que flui para uma entrada ao aplicar uma tensão de nível baixo I OH Corrente de Saída (output) de Nível Alto (high-level) Corrente que flui da saída no estado lógico 1 I OL Corrente de Saída (output) de Nível Baixo (low-level) Corrente que flui da saída no estado lógico 0 5

entrada ao aplicar uma tensão de nível baixo I OH Corrente de Saída (output) de Nível Alto (high-level) Corrente que flui da

6 C.I.: Fan-out (Fator de carga) Geralmente, a saída de um circuito lógico precisa acionar várias entradas lógicas Às vezes todos os CIs em um sistema digital pertencem a uma mesma família lógica, porém muitos sistemas fazem uso de diversas famílias Fan-out (fator de acionamento de carga) Definido como o número máximo de entradas lógicas que uma saída pode acionar com segurança Uma porta lógica especificada com fan-out de 10 pode acionar 10 entradas lógicas Se esse número for excedido, a tensão de nível lógico de saída não pode mais ser garantida Depende da natureza das entradas dos dispositivos conectados a uma saída A menos que uma família lógica diferente seja especificada como dispositivo de carga, o fan-out é relativo a dispositivos de carga da mesma família do dispositivo acionador 6

lógica especificada com fan-out de 10 pode acionar 10 entradas lógicas Se esse número for excedido, a tensão de nível lógico de saída não pode mais ser garantida Depende da natureza das entradas dos

7 C.I.: Atraso de propagação O sinal lógico sempre sofre atraso quando atravessa o circuito Os dois tempos de atraso de propagação são definidos como: t PLH : tempo de atraso de ida do estado lógico 0 para 1 (baixo para alto) t PHL : tempo de atraso de ida do estado lógico 1 para 0 (alto para baixo) Exemplo de atlaso de propagação para um inversor 7

atraso de ida do estado lógico 0 para 1 (baixo para alto) t PHL : tempo de atraso de

8 C.I.: Data sheets (especificações técnicas) Folha de dados para o CI TTL porta NAND 74ALS00 8

9 C.I.: Tipos de cápsulas Utilizados para envolver e proteger os chips Cápsulas com fila de pinos Cápsulas planas (Flat-pack) Cápsulas metálicas TO-5 (cilíndricas) Cápsulas especiais TO- 5 Flat- pack Cápsulas especiais SIL Single In Line 1 DIL Dual In Line (DIP) QIL Quad In Line Enquanto TO- 5 são de material metálico, as demais podem ser plásticos ou cerâmico 1 9

TO- 5 Flat- pack Cápsulas especiais SIL Single In Line 1 DIL Dual In Line (DIP) QIL Quad

10 C.I.: Tipos de cápsulas em SMT Existem três tipos básicos de cápsulas de circuitos integrados em SMT (Surface Mount Technology) SOIC Small-Outline Integrated Circuit Semelhante ao DIP em miniatura e com os pinos dobrados PLCC Plastic-Leaded Chip Carrier Tem os terminais dobrados para debaixo do corpo LCCC Leadless Ceramic Chip Carrier Não tem pinos, no lugar existem contatos metálicos moldados na cápsula cerâmica 1 10

pinos dobrados PLCC Plastic-Leaded Chip Carrier Tem os terminais dobrados para debaixo do corpo LCCC

11 C.I.: Encapsulamento GA Grid Array (GA) Ball Grid Array (BGA) Esferas de contato em grade Pin Grid Array (PGA) Pinos no local de esferas BGA Land Grid Array (LGA) BGA sem esferas de soldas LGA 11

12 C.I.: Encapsulamento / Exemplos DIP PLCC PGA LGA 12

13 C.I.: Bases para os chips A base ou soquete, em termos práticos, além de facilitar a eventual manutenção do circuito, evita o aquecimento do circuito integrado quando se solda 13

14 C.I.: Classificação / Aplicação Lineares ou analógicos Produzem sinais contínuos em função dos sinais que lhe são aplicados nas suas entradas. A função principal é a amplificação. Podem destacar-se neste grupo de CIs os amplificadores operacionais (AmpOp) Digitais Só funcionam com um determinado número de valores ou estados lógicos, que geralmente são dois (0 e 1) Nível lógico 1 Sinal analógico: sinal que tem uma variação contínua ao longo do tempo. Nível lógico 0 Sinal digital: sinal que tem uma variação por saltos de uma forma descontínua. t 14

Podem destacar-se neste grupo de CIs os amplificadores operacionais (AmpOp) Digitais Só funcionam com um determinado número de valores ou

15 C.I.: Classificação / Integração SSI - Small Scale Integration (Integração em pequena escala) Possui menos componentes, menos de 12 portas lógicas por CI MSI - Medium Scale Integration (Integração em média escala) Podem possuir de 12 a 99 portas por CI (decodificadores, contadores, etc) LSI - Large Scale Integration (Integração em grande escala) Entre 100 e portas lógicas por CI (funções lógicas complexas, parte aritmética da calculadora, relógio digital, etc.) VLSI - Very Large Scale Integration (Integração em muito larga escala) Número de portas lógicas por CI compreendido entre e (microprocessadores) ULSI - Ultra Large Scale Integration (Integração em escala ultra larga) Podem possuir entre e portas lógicas por CI GSI - Giga Scale Integration (Integração em escala giga) CIs com mais de 1 milhão de portas lógicas por CI Os níveis de integlação refere- se ao número de por;as lógicas que o CI contém 15

999 portas lógicas por CI (funções lógicas complexas, parte aritmética da calculadora, relógio digital, etc.

16 C.I.: Classificação / Família Os C.Is. estão agrupados em famílias lógicas Quanto ao tipo de transistores utilizados : bipolar e MOSFET Famílias lógicas bipolares TTL: Transistor Transistor Logic (Lógica transístor-transístor) RTL: Resistor Transistor Logic (Lógica de transístor e resistência) DTL: Díode Transistor Logic (Lógica de transístor e díodo) HTL: High Threshold Logic (Lógica de transístor com alto limiar) ECL: Emitter Coupled Logic (Lógica de emissores ligados) I 2 L: Integrated-Injection Logic (Lógica de injecção integrada) Famílias lógicas MOS CMOS: Complementary MOS (par complementar NMOS/PMOS) NMOS: Utiliza só transístores MOS-FET canal N PMOS: Utiliza só transístores MOS-FET canal P As famílias mais utilizadas são a TTL e CMOS 16

RTL: Resistor Transistor Logic (Lógica de transístor e resistência) DTL: Díode Transistor Logic (Lógica de transístor e díodo) HTL: High Threshold Logic (Lógica de transístor com alto

17 C.I.: Família TTL Subfamílias Limitam-se a características elétricas, tais como a dissipação de energia e a velocidade de comutação Pinagem e operações lógicas são as mesmas Velocidade das por;as TTL padrão é limitada pois os TJB sat5rados tem tempo de desligamento considerável. Inclusão do diodo Schoeky evita a sat5ração, aumentando a velocidade 17

mesmas Velocidade das por;as TTL padrão é limitada pois os TJB sat5rados tem tempo de

18 C.I.: Família CMOS Consiste de várias séries Executam a mesma função, mas não são necessariamente compatíveis pino a pino com dispositivos TTL 18

19 C.I.: Características TTL CMOS Devido a alta resistência e a capacitância de entlada, o fan- out do CMOS é limitado 19

20 C.I.: Alimentação e terra Níveis lógicos para dispositivos TTL e CMOS Tensões na faixa indeterminada fornecem resultados imprevisíveis e devem ser evitadas * Mais utilizado quando junto ao TTL, mas faixa Vdd varia entle 3 e 18V CC (corlente contínua) é Vcc em TTL e Vdd no CMOS. O terla é chamado de GND 20

evitadas * Mais utilizado quando junto ao TTL, mas faixa Vdd varia entle 3 e

21 C.I.: Inversor TTL INVERSOR TTL V CC para dispositivos TTL normalmente é +5 V. Alimentação (VCC) e conexões de aterramento são necessárias para a operação de chip. 21

22 C.I.: Inversor CMOS VDD para dispositivos CMOS podem ser +3 até +18 V. Alimentação (VDD) e conexões de aterramento são necessárias para a operação de chip. INVERSOR CMOS 22

23 C.I.: Entradas flutuantes (não conectadas) As entradas TTL flutuantes funcionam como uma lógica 1 A medição da tensão pode parecer indeterminada, mas o dispositivo se comporta como se houvesse um na entrada flutuante Entradas flutuantes CMOS podem causar superaquecimento e danos ao aparelho Alguns CIs têm circuitos de proteção construídos dentro de si A melhor prática é amarrar todas as entradas não utilizadas em nível alto ou baixo 23

24 C.I.: Diagrama de conexão de circuitos Um diagrama de ligação mostra Todas as conexões elétricas, os números de pinos, os números de Cis, os valores dos componentes, os nomes de sinais e as tensões de alimentação Esse circuito usa por;as lógicas de dois Cis diferentes 24

25 Resumo 25

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