Pedroni Capítulo 10. Prof. Odilson Tadeu Valle

Transcrição

1 Famílias Lógicas Pedroni Capítulo 10 Prof. Odilson Tadeu Valle Instituto Federal de Santa Catarina IFSC Campus São José 1/45

2 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 2/45

3 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 3/45

4 Famílias Lógicas O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, possibilitando a colocação num único invólucro de diversos componentes já interligados, veio permitir um desenvolvimento muito rápido da Eletrônica Digital e consequentemente do projeto de sistemas digitais. Foi criada então uma série de circuitos integrados que continham numa única pastilha as funções lógicas digitais mais usadas e de tal maneira projetadas que todas eram compatíveis entre si. Estas séries de circuitos integrados formaram então as Famílias Lógicas, a partir das quais os projetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montar seus sistemas digitais. 4/45

5 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 5/45

6 Lógica Diodo-Transistor (DTL) A família DTL (diode-transistor logic) de 1950, foi derivada da família DL (diode logic). São lentos. Exigem resistores de valores altos, portanto, muito espaço de siĺıcio. Dissipam considerável potência estática. 6/45

7 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 7/45

8 Lógica Transistor-Transistor (TTL) A família TTL (transistor-transistor logic) de Foi a primeira construída com circuitos integrados e obteve enorme sucesso comercial. Tem um 0 relativamente bom: 0,2V Tem um 1 pobre: < 3,6 (V CC V R2 2V j. V j = V juncao = 0,7 V) 8/45

9 Lógica Transistor-Transistor (TTL) A família TTL deu origem à popular série 74 de CIs digitais. Dois exemplos, com 14 pinos e encapsulamento DIP (dual in-line package): 9/45

10 Faixas de temperatura e versões TTL Faixas de temperatura teste Comercial: 0 a 70, série 74 Industrial: -40 a 85, série 74 Militar: -55 a 125, série 54 Versões 74: TTL Comum 74S: TTL Schottky 74AS: TTL Schottky avançado 74ALS: TTL Schottky de baixa potência avançado 74F: TTL rápido 10/45

11 Comp. entre versões TTL, tensões e margens de ruído 11/45

12 Fan-In e Fan-Out Fan-Out ou Fator de Carga de Saída: é o número máximo de entradas de portas similares que uma saída de porta pode acionar, permanecendo dentro das especificações. Fan Out L = I OL(max) I IL (max) Fan Out H = I OH(max) I IH (max) Fan-In ou Fator de Carga de Entrada: indica o número de entradas de uma porta. Nesse exemplo (TTL convencional) o Fan-Out é /45

13 Recordando: valores lógicos e físicos key/communityserver-discussions-components-files/138/6320.voltages.jpg 13/45

14 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 14/45

15 MOSFETs Circuitos lógicos baseados em MOSFET ocupam muito menos espaço do que circuitos baseados em transistores bipolares. Podem funcionar com praticamente nenhum consumo de potência estática (CMOS). A agressiva redução de seu tamanho vem melhorando continuamente o seu desempenho. A tecnologia MOS é descrita com base na menor dimensão do transistor (comprimento do canal) que pode ser fabricada com ela: 8 µm em ,18 µm em ,13 µm em nm em nm em nm em nm atuais 5-7 nm em desenvolvimento. 15/45

16 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 16/45

17 Circuitos CMOS 17/45

18 Famílias CMOS HC e HCT A família HC é equivalente a família TTL em termos de tensão de alimentação: 5V. Embora trabalhe na faixa de 2 a 6V. Todavia nem todas as tensões de entrada são compatíveis com TTL. Não podem ser misturadas. HCT é completamente compatível com TTL 18/45

19 Famílias CMOS HC e HCT Comparadas com a TTL, essas famílias exibem praticamente a mesma velocidade, Consumo de potência mais baixo, Tensões de saída mais amplas, A corrente de entrada é praticamente zero, o que permite que muitas portas CMOS sejam acionadas por uma única porta. A lógica 5 V está quase obsoleta ==> LVCMOS (low voltage CMOS: 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V, 1,5 V, 1,2 V, 1 V e, atualmente, núcleos em até 0,8 V. Qual a consequência disso? 19/45

20 Tensão de alimentação, Tensões de sinal e Margem de ruído 20/45

21 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 21/45

22 Circuitos de I/O Modernos Um conjunto de regras que especificam como os acessos de entrada/saída podem ser feitos é denominado um padrão de I/O (Input/output) Para velocidades relativamente baixas: TTL, LVTTL, CMOS, LVCMOS. Para velocidades mais altas e aplicações mais específicas, existem padrões mais complexos: SSTL, HSTL, LVPECL e LVDS É importante não confundir padrões de I/O com famílias lógicas: Família lógica refere-se aos circuitos físicos internos Padrão de I/O refere-se ao modo de acessar tais circuitos Um chip pode conter qualquer uma das arquiteturas lógicas, independente do padrão de I/O escolhido para acessá-las. Num FPGA pode-se setar o padrão de I/O por porta ou blocos de portas de entrada e saída. Exemplo: USB 1.1 de 1,5 Mbps até 12 Mbps; USB 2.0 até 480 Mbps; USB 3.0 até 4.8 Gbps. 22/45

23 Padrões de I/O modernos 23/45

24 Padrões de I/O modernos Padrões com um terminal único: uma entrada ou saída, sem tensão de referência ou resistores de terminação. Padrões com um único terminal, com tensão de referência e resistores de terminação: uma entrada ou saída, com resistores de terminação para reduzir reflexões quando operando em alta velocidade decorrentes do descasamento de impedância entre o CI e as trilhas da placa de circuito impresso (= linhas de transmissão). Padrões diferenciais: um par de entradas ou saídas, com resistores de terminação. A saída desse circuito não é determinada pelo valor absoluto, mas sim pela diferença entre duas entradas. Se a entrada positiva for mais alta, então a saída será alta, caso contrário será baixa ==> Maior imunidade a ruídos externos. 24/45

25 Padrões de I/O modernos 25/45

26 Principais Parâmetros dos Padrões TTL/CMOS e LVTTL TTL < 100 MHz, LVTTL < 200 MHz 26/45

27 Padrão LVCMOS 3,3 V 27/45

28 Padrão LVCMOS 2,5 V 28/45

29 Padrão LVCMOS 1,8 V 29/45

30 Padrão LVCMOS 1,5 V 30/45

31 Padrão LVCMOS 1,2 V 31/45

32 Padrão LVCMOS 1 V 32/45

33 Padrões SSTL SSTL (stub series terminated logic) é um I/O independente da tecnologia indicado para padrões de alta velocidade (400 Mbps a 1,6 Gbps) Usado principalmente em CIs de memória (DDR, DDR2, DDR3) Inclui resistores de terminação para reduzir reflexões nas trilhas da PCB, o que melhora o funcionamento em altas velocidades. Há a possibilidade de saída diferencial. 33/45

34 Padrões SSTL 34/45

35 Padrão SSTL 3 35/45

36 Padrão SSTL 2 Chips de memória SDRAM DDR, 200 MHz, 400 MTps, (Tps = Transfer per second), transfere dados nas duas bordas do clock. 36/45

37 Padrão SSTL 18 Chips de memória SDRAM DDR2, 400 MHz, 800 MTps. 37/45

38 Padrão SSTL 15 Chips de memória SDRAM DDR3, 800 MHz, 1,6 GTps 38/45

39 Padrões HSTL HSTL - high-speed transceiver logic. Originalmente somente o HSTL-15 (V DDO = 1,5 V), mas já estão em uso o HSTL-18 (V DDO = 1,8 V) e HSTL-12 (V DDO = 1,2 V). É focado para aplicações de alta frequência, acima de 200 MHz. Como o SSTL, emprega resistores de terminação para reduzir reflexões nas trilhas da PCB. 39/45

40 Padrão LVDS LVDS - low-voltage differential signaling. Aplicações de alta velocidade em até 10 m. Figura mostra um par driver-receptor em modo diferencial. Como a excursão da tensão é pequena (0,35 V), o driver é rápido e produz um campo eletromagnético desprezível (baixa EMI). Por ser diferencial é mais imune a ruído. É um dos I/O com menor consumo de potência de sua categoria. Utilizado em barramento PCI Express, 2,5 Gbps (2007) full-duplex, 5 Gbps atuais. Cada link PCIe é composto por 1, 4, 8, 16 ou 32 vias ==> taxa ĺıquida de até 128 Gbps. 40/45

41 Conteúdo programático 1 Introdução 2 Lógica Diodo-Transistor (DTL) 3 Lógica Transistor-Transistor (TTL) 4 Famílias lógicas baseadas em MOSFET 5 Lógica CMOS 6 Circuitos de I/O Modernos 7 Curiosidades/Atualidades 41/45

42 Lei de Moore Gordom Moore, Previsões: A dimensão dos dispositivos MOSFET cairia pela metade a cada 3 anos. Número de transistores por chip dobraria a cada 1-2 anos. 42/45

43 Tensão versus velocidade em CMOS 43/45

44 Ciclo de Vida 44/45

45 Compatibilidade entre I/O 45/45