Noções elementares de electrónica digital. Electrónica digital e electrónica analógica. Principais famílias lógicas. Marcos tecnológicos.

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1 Noções elementares de electrónica digital Organização: Electrónica digital e electrónica analógica Principais famílias lógicas ndares de saída e andares de entrada olhas de características dos componentes Questões básicas de aplicação unções lógicas elementares O projecto com electrónica digital Noções elementares de electrónica digital - Electrónica digital e electrónica analógica Nos sistemas digitais as variáveis estão limitadas a um número finito de valores (variação discreta) Nos sistemas analógicos as variáveis podem assumir um número indefinido de valores (variação contínua) Em termos simplificados, os transístores dos circuitos analógicos funcionam em modo linear dos circuitos digitais funcionam em modo de comutação Noções elementares de electrónica digital - Marcos tecnológicos Principais famílias lógicas Houve dois marcos tecnológicos principais no progresso para a miniaturização: invenção do transístor em 947, que iniciou a electrónica do estado sólido invenção do circuito integrado em 958, que iniciou a microelectrónica SSI, MSI, LSI, VLSI,... amílias lógicas é uma expressão usada para referir o conjunto de alternativas tecnológicas que existem para o fabrico de circuitos integrados digitais s primeiras famílias lógicas diferiam entre si essencialmente pelo facto de os respectivos circuitos integrados serem construídos com base em transístores bipolares (TTL - Transistor-Transistor Logic)oudotipoMOS (Metal-Óxido-Semicondutor) Noções elementares de electrónica digital - Noções elementares de electrónica digital - 4

2 amílias lógicas tipo TTL Os transístores bipolares permitem maior rapidez (maior frequência), mas à custa de maior consumo rapidez está relacionada com o tempo necessário para retirar os transístores de condução, o que nos bipolares requer a remoção das cargas armazenadas nas junções base-emissor (o tempo de propagação é imposto pelo somatório dos tempos de comutação dos transístores no percurso do sinal) Noções elementares de electrónica digital - 5 Configuração típica de uma porta lógica TTL (NND) unção dos transístores: T impõe que T passe ao corte, desde que ou estejam em 0 T T T determina qual dos transístores de saída estará em condução (T ou ) T permite a aplicação de um na saída, se T estiver no corte permite a aplicação de um 0, se T estiver em condução (qual a necessidade do díodo D?) Noções elementares de electrónica digital - 6 T Configuração típica de uma porta lógica TTL (cont.) Repare-se ainda que: TeTsaemdocortemuitomais rapidamente do que (porquê?) 0,75 V T entra em condução mais depressa do que sai de condução (quais as consequências?) impedância de saída é assimétrica (porquê?), o que faz com que os valores máximos de corrente na saída sejam diferentes conforme a saída esteja em 0 ou em Noções elementares de electrónica digital - 7 T T 0, V 0, V Configuração típica de uma porta lógica TTL (cont.) Em consequência da configuração apresentada: Se a tensão num terminal de entrada não estiver claramente perto de 0 ou de V cc, T pode ficar num estado indefinido, que eventualmente se propagará até à saída Correntes na saída demasiado elevadas tenderão a retirar o transístor em condução da saturação e a aproximá-lo da sua zona activa (afastando a tensão de um 0 ou de um ) Existe um limite para o número de entradas que podem ser alimentadas pela mesma saída (maior em 0 ou em?) Noções elementares de electrónica digital - 8 T T T

3 amílias lógicas tipo CMOS tecnologia MOS é normalmente a preferida para a implementação de circuitos mais complexos, quer por apresentar menores requisitos de área por transístor, quer por apresentar menor consumo O uso de transístores complementares (canal N e canal P), em cada percurso possível entre V DD ea massa, explica o C do acrónimo CMOS e tem por objectivo reduzir ainda mais o consumo Noções elementares de electrónica digital - 9 Configuração típica de uma porta lógica CMOS (NND) unção dos transístores: controla o estado de funcionamento dos transístores T e T, sendo que controla os transístores T e saída só poderá estar a 0 quando T e estiverem ambos em condução plena, o que obriga e a estarem ambos a Uma entrada a 0 coloca o respectivo transístor superior emconduçãoeasaídaem (e T ou no corte) Noções elementares de electrónica digital - 0 T VDD T T Configuração típica de uma porta lógica CMOS (cont.) Repare-se ainda que: T Qualquer percurso entre VDD e VSS envolve apenas transístores complementares, pelo que o consumo em regime estacionário é muito baixo O consumo aumenta em proporção directa com a frequência de funcionamento (porquê?) tensão de alimentação dos CMOS não tem limites tão exigentes como a dos TTL (porquê?) Noções elementares de electrónica digital - VDD T T Configuração típica de uma porta lógica CMOS (cont.) inda dois aspectos a concluir: Também para a configuração apresentada a impedância de saída não é constante (quantos valores poderia ter, neste caso?) Para permitir uma impedância de saída fixa, cedo os fabricantes introduziram a família CMOS da série (buffered), na qual o andar de saída tem apenas um transístor para cada terminal de alimentação Noções elementares de electrónica digital - T VDD T T

4 Variantes tecnológicas Outras famílias lógicas TTL e CMOS constituíram as alternativas principais durante muitos anos, mas a evolução tecnológica permitiu o aparecimento regular de outras soluções de compromisso entre a velocidade e o consumo: Em TTL temos as variantes L (low power), S (Schottky), LS (low-power Schottky), etc. Em CMOS, temos as variantes HC (high-speed CMOS) e HCT (compatível pino a pino com os TTL) Sendo as frequências máximas de funcionamento (em TTL ou CMOS) impostas pelo tempo necessário para tirar os transístores de condução plena, desde cedo surgiu a ideia de estabelecer o funcionamento com base na comutação entre o corte e a zona activa É este o princípio de funcionamento da família ECL (Emitter-Coupled Logic), que consegue maior frequência à custa de maior consumo Noções elementares de electrónica digital - Noções elementares de electrónica digital - 4 Outras famílias lógicas (cont.) De entre as restantes alternativas, bastará acrescentar o seguinte: Existem outras tecnologias comuns em circuitos digitais, mas que não se enquadram bem na designação famílias lógicas (e.g. certos tipos de dispositivos programáveis) Existiram ao longo dos anos outras alternativas, mas que com a evolução tecnológica acabaram por ficar obsoletas (e.g. RTL - Resistor-Transistor Logic), DTL (Diode- Transistor Logic), etc. Noções elementares de electrónica digital - 5 amílias lógicas: Gerações mais recentes Considerando por exemplo a gama fabricada pela Philips, temos duas variantes principais nos circuitos SSI / MSI actualmente disponíveis: Componentes que retêm as características principais dos TTL e CMOS, mas com características mais avançadas Componentes para tensões de alimentação reduzidas (, V, V ou mesmo inferior) Noções elementares de electrónica digital - 6

5 amílias lógicas: Gerações mais recentes (cont.) Componentes que mantêm as características principais: LS - mais rápidos, consumos / vezes inferiores ST, com velocidade semelhante a ECL 0K T, andares de saída bipolares e internos CMOS HC / HCT, que continuará ainda por muitos anos HC / HCT, que resulta da evolução dos HC / HCT Por fim, continuam os antigos CMOS Noções elementares de electrónica digital - 7 amílias lógicas: Gerações mais recentes (cont.) Componentes para tensões de alimentação < 5 V: LV:paratensõesdealimentaçãoentree5,5V,mas mantendo as características da família HC a 5 V LVC: CMOS a, V, com elevada rapidez e corrente LVT, que a, V atingem a mesma velocidade que icmos a 5 V, mas com menor consumo LVC:, V, muito reduzido consumo, -40 a +85 º LVT: para, ou,5 V, compatíveis com T e LVT Noções elementares de electrónica digital - 8 ndares de saída Existem fundamentalmente quatro tipos de pinos aptos a funcionar como saídas em circuitos digitais: Colector / dreno aberto ndar activo para V CC lta impedância idireccionais ndares de saída: Colector / dreno aberto Não possuem um componente activo entre o pino de saída e V CC /V DD, o que nos permite interligar vários pinos directamente entre si (formando uma ligação a que se dá a designação de wired-nd): VDD Noções elementares de electrónica digital - 9 Noções elementares de electrónica digital - 0

6 ndares de saída: ndar activo para V CC /V DD ndares de saída: lta impedância Estes pinos são os mais comuns e tanto são capazes de absorver (sink)comode fornecer (drive) corrente (são também designados por pinos de saída do tipo totem-pole): VDD Usam-se quando é necessário ligar saídas entre si, sendo ao mesmo tempo requerida a capacidade de absorver e ceder corrente (designam-se também por tristate, terceiro estado ou controlo de estado): Controlo de estado Controlo de estado T Controlo de estado T T Noções elementares de electrónica digital - Noções elementares de electrónica digital - ndares de saída: idireccionais Sobretudo no caso dos circuitos baseados em microprocessadores, é comum que os pinos interligados entre si funcionem umas vezes como entradas e outras vezes como saídas, o que corresponde basicamente a associar uma entrada e Controlo de direccao uma saída com controlo de estado: Noções elementares de electrónica digital - Saída Entrada Pino bidireccional ndares de entrada s entradas digitais requerem normalmente que os sinais que lhes são aplicados apresentem tempos de transição curtos (subida ou descida) aplicação de um sinal lento às entradas 8 (e.g. o sinal proveniente da carga / descarga de um condensador) pode provocar oscilação ou indefinição na saída, quando o valor aplicado se encontra fora da gama que corresponde claramente a um 0 ou a um Noções elementares de electrónica digital - 4

7 ndares de entrada: Entradas de Schmitt Estas entradas apresentam uma característica de transferência com histerese, sendo as indicadas para os casos em que os sinais a aplicar não garantem tempos de transição suficientemente rápidos Saída 0 Entrada ndares de entrada: Entradas de Schmitt (cont.) melhor resposta de uma entrada de Schmitt, face a uma entrada sem histerese, pode ser observada pela resposta a um sinal proveniente da carga (em cima) e da descarga (em baixo) de um condensador: Noções elementares de electrónica digital - 5 Noções elementares de electrónica digital - 6 olhas de características dos componentes Mesmo para os projectistas experimentados, a consulta à folha de características de um componente é necessária, nomeadamente para: Obter a configuração de pinos Consultar a descrição funcional do circuito Verificar o valor de parâmetros de consulta menos frequente Noções elementares de electrónica digital - 7 olhas de características dos componentes (cont.) Em termos gerais, a folha de características de um componente compreende duas partes principais: Uma descrição sumária dos aspectos de consulta mais frequente (configuração de pinos, descrição funcional sumária e características técnicas principais) Uma descrição detalhada das características eléctricas, incluindo os valores máximos absolutos, as condições recomendadas de operação e as características de funcionamento estacionárias e dinâmicas Noções elementares de electrónica digital - 8

8 olhas de características dos componentes (cont.) No que respeita à segunda parte (descrição detalhada das características eléctricas), iremos analisar com maior pormenor os seguintes aspectos: Valores máximos absolutos Condições recomendadas de funcionamento Características de funcionamento em regime estacionário Características de funcionamento em regime dinâmico olhas de características: Valores máximos absolutos (absolute maximum ratings) Descrevem as condições limite que não provocam dano (não é garantido que o componente funcione nessas circunstâncias). VLORES MÁXIMOS SOLUTOS Símbolo Parâmetro Gama de valores Unid. Supply voltage -0,5 a +7,0 V VIN Input voltage -0,5 a +7,0 V Tamb Operating free air temperature range 0a+70 ºC Noções elementares de electrónica digital - 9 Noções elementares de electrónica digital - 0 olhas de características: Condições recomendadas (recommended operating conditions) Informam-nos sobre os valores nominais necessários para garantir as características funcionais e eléctricas CONDIÇÕES RECOMENDDS DE UNCIONMENTO Símbolo Parâmetro Mín. Típ. Máx. Unid. Supply voltage 4,5 5,0 5,5 V VIH High-level input voltage,0 V VIL Low-level input voltage 0,8 V olhas de características: Regime estacionário (DC electrical characteristics) Indicam-nos os valores máximos, mínimos e típicos para tensões e correntes CRCTERÍSTICS ELÉCTRICS EM REGIME ESTCIONÁRIO Símbolo Parâmetro Mín. Típ. Máx. Unid. VOH High-level output voltage - V VOL Low-level output voltage 0,5 0,50 V IIH High-level input current 0 µ IIL Low-level input current -0, m IOH High-level output current -0,4 m IOL Low-level output current 8 m ICC Supply current (VI=GND) Supply current (VI=4,5 V) 0,5,5 0,85,0 m Noções elementares de electrónica digital - Noções elementares de electrónica digital -

9 olhas de características: Regime dinâmico (C electrical characteristics) informam-nos sobre os parâmetros de carácter temporal CRCTERÍSTICS ELÉCTRICS EM REGIME DINÂMICO Símbolo Parâmetro Mín. Máx. Unid. tplh Propagation delay (output L to H),0,0 ns tphl Propagation delay (output H to L),0 8,0 ns Questões básicas: Imunidade ao ruído São várias as fontes possíveis de interferência: Por acoplamento capacitivo entre pistas vizinhas de uma carta de circuito impresso, ou barras de ligações numa base de montagem Por acoplamento através da tensão de alimentação, ou por efeito de uma tensão de alimentação mal filtrada Um dos principais problemas daqui decorrentes é a eventual ocorrência de defeitos intermitentes Noções elementares de electrónica digital - Noções elementares de electrónica digital - 4 Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont.) facilidade com que estes factores se manifestam pode ser observada pela análise das formas de onda em barras vizinhas de uma base de montagem (uma das quais contém a saída de um oscilador): Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont.) lumas regras para maximizar a imunidade ao ruído: Evitar longos percursos paralelos muito próximos Distribuir pela carta condensadores de desacoplamento (pequenas dimensões, reduzido valor de capacidade) Usar condensadores de desacoplamento entre os terminais de alimentação da carta (maior dimensão, alto valor de capacidade, normalmente do tipo electrolítico) Ligar a valores lógicos fixos todas as entradas não usadas Noções elementares de electrónica digital - 5 Noções elementares de electrónica digital - 6

10 Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont.) margem de ruído dá-nos também uma indicação sobre a robustez de um circuito em condições anormais de funcionamento: margem de ruído no estado 0 é dada por 0 =V IL -V OL, sendo a margem de ruído no estado dada por =V OH - V IH título de exemplo, e considerando os parâmetros apresentados anteriormente para o 74LS00, quanto valem 0 e? Noções elementares de electrónica digital - 7 Questões básicas: Interligação de componentes Existem duas situações principais para as quais é preciso atenção, quando se interligam saídas e entradas digitais: Não excedemos a máxima capacidade de fornecimento de corrente pela saída? No caso de os componentes serem de diferentes famílias lógicas, existe completa compatibilidade entre os parâmetros de tensão e corrente? Noções elementares de electrónica digital - 8 Questões básicas: Interligação (cont.) No que respeita à capacidade de corrente, temos que: O máximo valor de corrente nas entradas, multiplicado pelo número de entradas, não pode exceder a capacidade de corrente (fornecer ou absorver) das saídas Isto significa que teremos que tomar o minorante de (I OH /I IH,I OL /I IL ), que no caso dos valores apresentados para o 74LS00 corresponde a... Noções elementares de electrónica digital - 9 Questões básicas: Interligação (cont.) No que respeita a componentes de diferentes famílias lógicas, temos que: É necessário verificar que são verificadas as seguintes quatro desigualdades: V OH >V IH,V OL <V IL,I OH >I IH ei OL >I IL Considerando uma vez mais os parâmetros apresentados para o 74LS00, e recorrendo à folha de características de um componente semelhante da família CMOS, será possível a ligação directa entre ambos? Noções elementares de electrónica digital - 40

11 unções lógicas elementares Esta designação abrange o conjunto de funções lógicas mais comuns, que por essa razão estão normalmente disponíveis como componentes SSI nos catálogos dos vários fabricantes (quantas funções lógicas existem, com uma saída e duas entradas?) pesar da progressiva preferência pelos dispositivos programáveis, em substituição de componentes do tipo SSI, o seu uso continua ainda a ser frequente unções lógicas elementares (cont.) Designação Descrição Símbolo CI disponíveis Comentários NÃO (NOT) Z=/ E (ND) Z=* OU (OR) Z=+ Z 0 0 Z Z x04 (normal) Z 74x4 (Schmitt) Z Z Complementa a entrada 74x08 Saída em apenas quando ambas as entradas estiverem em 74x Saída em desde que pelo menos uma das entradas esteja em Noções elementares de electrónica digital - 4 Noções elementares de electrónica digital - 4 unções lógicas elementares (cont.) unções lógicas elementares (cont.) Designação Descrição Símbolo CI disponíveis Comentários Designação Descrição Símbolo CI disponíveis Comentários NÃO-E (NND) Z=/(*) Z Z 74x00 (normal) 74x4 (Schmitt) Saída em desde que pelo menos uma das entradas esteja em 0 OU- EXCLUSIVO (X-OR) Z= Z Z 74x86 Saída em apenas quando as entradas tiverem valores lógicos diferentes NÃO-OU (NOR) Z=/(+) Z Z 74x0 Saída em apenas quando ambas as entradas estiverem em 0 NÃO-OU- EXCLUSIVO (X-NOR) Z=/( ) Z Z 74x66 Saída em apenas quando as entradas tiverem o mesmo valor lógico Noções elementares de electrónica digital - 4 Noções elementares de electrónica digital - 44

12 O projecto com electrónica digital Em termos gerais, podemos descrever a actividade de projecto com electrónica digital através da seguinte sequência de etapas: Construção de uma representação formal Obtenção de um circuito mínimo (síntese) Verificação de projecto (satisfaz a especificação?) Validação do projecto (satisfaz os utilizadores?) O projecto com electrónica digital (cont.) O processo descrito é iterativo e pode ilustrar-se como se apresenta nesta transparência (que diferenças ocorreriam se estivéssemos antes a considerar a electrónica analógica?) Especificação inicial Representação formal Especificação formal Síntese Circuito mínimo Verificação de projecto Protótipo Validação de projecto Produto Etapa Etapa Etapa Etapa 4 Noções elementares de electrónica digital - 45 Noções elementares de electrónica digital - 46 O projecto com electrónica digital (cont.) concluir, é importante chamar a atenção para a diferença entre duas actividades muito frequentes no projecto com electrónica digital (e analógica): síntese e a análise Especificação formal Síntese Etapa Circuito mínimo Especificação formal nálise Etapa Circuito Conclusão Objectivo principal do capítulo: Recordar os aspectos tecnológicos subjacentes ao projecto de sistemas digitais Pistas para a continuação do estudo: Projecto VLSI (microelectrónica e projecto de SICs) Tecnologias específicas (e.g. memórias e dispositivos lógicos programáveis) Noções elementares de electrónica digital - 47 Noções elementares de electrónica digital - 48