Eletrônica Digital. Circuitos Combinacionais FACULDADE FUCAPI

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1 FACULDADE FUCAPI Eletrônica Digital Circuitos Combinacionais, M.Sc. Doutorando em Informática (UFAM) Mestre em Engenharia Elétrica (UFAM) Engenheiro de Telecomunicações (FUCAPI)

2 Famílias Lógicas 2

3 Famílias Lógicas Função Lógica: Representa um operação lógica. Y = A AND B Y = A. B Y = AB Circuito Digital: Circuito eletrônico que executa funções lógicas utilizando circuitos integrados (C.I.) 3

4 Famílias Lógicas São conjunto de circuitos integrados que possuem mesmas características elétricas. RTL (Lógica Resistor-Transistor) OBSOLETA DTL (Lógica Diodo-Transistor) OBSOLETA TTL (Lógica Transistor-Transistor) MAIS POPULAR ECL (Lógica Emissor-Acoplado) MOS (Semicondutor Oxido de Metal): PMOS (Lógica MOSFET de canal-p) OBSOLETA NMOS (Lógica MOSFET de canal-n) CMOS (Lógica MOSFET canais p e n) C.I. 4

5 Famílias Lógicas Porta AND utilizando a tecnologia TTL Porta AND utilizando a tecnologia MOSFET 5

6 Níveis Lógicos: O valor lógico 0, ou nível lógico BAIXO (LOW), é representado pela faixa de tensão de 0 à 0,8 V. O valor lógico 1, ou nível lógico ALTO (HIGH), é representado pela faixa de tensão de 2 à 5 V. V CC = 5 V 5% ENTRADA Eletrônica Digital Famílias Lógicas SAÍDA V CC = 5 V V IH = tensão mínima para entrada com nível lógico ALTO V IH = 2 V ALTA ALTA V OH = 2,4 V V IL = tensão máxima para entrada com nível lógico BAIXO V OH = tensão mínima para saída com nível lógico ALTO V IL = 0,8 V BAIXA BAIXA V OL = 0,4 V V OL = tensão máxima para saída com nível lógico BAIXO 6

7 Famílias Lógicas Tempo de Propagação: O sinal lógico sofre retardo em suas passagens de nível lógico. T PLH : Tempo de propagação de nível 0 para 1 T PHL : Tempo de propagação de nível 1 para 0 7

8 Famílias Lógicas Imunidade a Ruído: Capacidade de tolerância a ruídos (sinais espúrios nos níveis de tensão) sem alteração dos níveis lógicos na saída. V NH = Margem de ruído (tensão) em nível ALTO V NH = V OH (mín) V IH (mín) V NL = Margem de ruído (tensão) em nível BAIXO V NL = V IL (máx) V OL (máx) 8

9 Famílias Lógicas FAN-IN: Quantidade máxima de portas lógicas que podem ser ligadas a entrada. Corrente máxima de entrada de um dispositivo lógico. FAN-OUT: Quantidade máxima de portas lógicas que podem ser ligadas a saída. 9

10 Famílias Lógicas FAN-OUT (continuação): Por exemplo, uma porta lógica com fan-out de 20 pode alimentar até 20 entradas lógicas padrão. 10

11 Famílias Lógicas Família TTL: derivada da família DTL, possui transistores bipolares de vários emissores (multi-emissores). Subfamílias TTL: 74L, 74F, 74H, 74S, 74LS, 74AS, etc. 11

12 Famílias Lógicas Séries TTL: Os circuitos integrados TTL possuem 2 séries: 74XX (Série comercial) Temperatura: 0 a 70 C Alimentação: 4,75 à 5,25 V 54XX (Série militar) Temperatura: -55 a 125 C Alimentação: 4,5 à 5,5 V 12

13 Famílias Lógicas Tensões TTL: Níveis de tensão para versão padrão TTL. Imunidade a ruído: alto comparado com outras famílias. 13

14 Famílias Lógicas Fan-out TTL: de modo geral igual a 10. Atraso de Propagação: Em torno de 10ns. tplh (Low to High) e tphl (High to Low) Potência dissipada: 10mW VANTAGENS Eliminação de resistores de entrada Eliminação de rede de diodos Maior velocidade de comutação Maior imunidade a ruídos Fácil manuseio DESVANTAGENS Tamanho Alto custo de fabricação Baixa impedância de entrada Alto consumo de corrente 14

15 Famílias Lógicas Família CMOS: estrutura básica formada por um eletrodo de metal conectado a uma camada de óxido isolante que é depositada sobre um substrato de silício. Os transistores construídos a partir da tecnologia MOS. 15

16 Famílias Lógicas Séries CMOS: 4000 e 74C Tensão de Alimentação CMOS: na faixa de 3V a 15V (4000 e 74C), para a versão HC de 2V a 6V e para HCT de 4,5V a 5,5V. Para as séries de baixa voltagem, a faixa é de 1V a 3,6V para LV e 1,2V a 3,3V, tensão típica de vários sistemas atuais. 16

17 Famílias Lógicas Margem de Ruído: Mais alto que a família TTL (45% de Vcc). Dissipação de Potência: Extremamente baixo. Para 5V é de 1nW (série 4000) e de 2,5nW (série 74HC). Fan-out CMOS: 20 para altas frequências e 50 em baixas frequências. Velocidade de comutação: extremamente alta comparada com a família TTL. 17

18 Vantagens e Desvantagens CMOS VANTAGENS Fabricação simples e barata Não utiliza resistores Alta impedância de entrada Menor espaço ocupado Comparando TTL e CMOS Eletrônica Digital Famílias Lógicas DESVANTAGENS Atraso de propagação alto Dados provocados por eletricidade estática Menor velocidade de operação em relação a outras famílias 18

19 Diagramas e Simbologia 19

20 Diagramas e Simbologia Uma boa documentação é essencial para um projeto correto e manutenção eficiente de sistemas digitais. Diagrama em Blocos: faz parte da documentação e é uma descrição informal em formas de figuras dos módulos funcionais do sistema principal. Diagrama Esquemático: é uma especificação formal dos componentes do sistema, suas conexões, e todos os detalhes necessários para a construção do sistema, incluindo tipos de CI s e pinagem. Diagrama de Tempo: mostra os valores de vários sinais lógicos como uma função do tempo, incluindo os atrasos (delays). 20

21 Diagramas e Simbologia Diagrama em Blocos: mostra as entradas, saídas, módulos funcionais, caminhos de dados internos, e sinais de controle importantes do sistema. Multiplicador SHIFT-AND-ADD 21

22 Diagramas e Simbologia Alguns blocos do diagrama podem especificar o CI utilizado quando necessário. O fluxo de controle e dados em um diagrama em bloco deve ser claramente indicado. Normalmente segue o padrão topbottom (de cima para baixo). Sistemas grandes podem ser decompostos em subsistemas, assim o diagrama em blocos pode ser dividido em módulos. 22

23 Diagramas e Simbologia Símbolos de Portas: símbolos de portas básicas podem ser expandidas para mais entradas 23

24 Diagramas e Simbologia Diagrama Esquemático: mostra as portas lógicas com orientação normal com entradas a esquerda e saídas a direita. 24

25 Diagramas e Simbologia Barramento (Bus): é uma coleção de dois ou mais linhas de sinais relacionados. Barramento LA[15:0] Barramento DATA[7:0] Barramento CONTROL 25

26 Diagramas e Simbologia Diagrama esquemático completo indica os tipos de CI s e número dos pinos (pinagem). 26

27 Diagramas e Simbologia Pinagem de alguns CI s da Família 74XXYY. 27

28 Diagramas e Simbologia Pinagem de alguns CI s da Família 74XXYY. (continuação) 28

29 Diagramas e Simbologia Pinagem de alguns CI s da Família 74XXYY. (continuação) 29

30 Diagramas e Simbologia Diagrama de Tempo: mostra o comportamento lógico dos sinais em um circuito digital como uma função do tempo. 30

31 Decodificadores e Codificadores 31

32 Decodificador (decoder): é um circuito lógico com múltiplas entradas e múltiplas saídas, que converte um código de entrada em um código de saída, onde os códigos de entrada e saída são diferentes. O código de entrada é um código binário de n-bits que representam um de 2 n 1 valores de códigos diferentes (truncado para 2 n ). Ex.: O código BCD de 4 bits representa códigos de 0000 à 1001 (Os códigos 1010 à 1111 não são usados). palavra código de entrada entradas de habilitação (enable) Eletrônica Digital Decodificadores e Codificadores Decoder palavra código de saída 32

33 Decodificadores e Codificadores Decodificador Binário: é um circuito decodificador de n-to-2 n. Onde n é um número de entradas. A entrada ENABLE (EN) não é contabilizada em n. É usado para ativar apenas uma das saídas. Entradas Saídas EN I1 I0 Y3 Y2 Y1 Y0 0 X X Don t Care: indica que os valores (0 ou 1) não afetam a saída. Simplifica a Tabela Verdade. 33

34 Decodificadores e Codificadores Um decodificador binário de n-bit não necessita representar inteiros de 0 até 2 n 1. Exemplo: Decodificador de código Gray usando decodificador binário 3-to-8. Posição do Disco I2 I1 I0 Saída Binária do Decoder Y Y Y Y Y Y Y Y4 34

35 74x139: Decodificador dual 2-to-4 Eletrônica Digital Decodificadores e Codificadores Entradas Saídas G_L B A Y3_L Y2_L Y1_L Y0_L 1 X X

36 74x138: Decodificador 3-to-8 Eletrônica Digital Decodificadores e Codificadores Y5 = G1 G2A G2B C B A ENABLE SELEÇÃO 36

37 74x138: Decodificador 3-to-8 (continuação) Entradas Eletrônica Digital Decodificadores e Codificadores Saídas G1 G2A_L G2B_L C B A Y7_L Y6_L Y5_L Y4_L Y3_L Y2_L Y1_L Y0_L 0 X X X X X X 1 X X X X X X 1 X X X

38 Decodificadores Binários em Cascata: Múltiplos decodificadores binários podem ser usados para decodificar palavras-código grandes. Exemplo de um decodificador 4-to-16 utilizando 2 CI s 74x138 (3-to-8). Uma das portas ENABLE foi combinada para fornecer uma das entradas de código. Eletrônica Digital Decodificadores e Codificadores 38

39 Decodificadores e Codificadores Decodificador 7-Segmentos: utilizado para acionar um display de 7 segmentos (7 LED s) ou um display de cristal líquido (LCD). O decodificador BCD possui um código de entrada de 4-bits. Um C.I. do codificador TTL encontrado é o 74x49. 39

40 Tabela Verdade do Decodificador 7-Segmentos Eletrônica Digital Decodificadores e Codificadores ENTRADAS SAÍDAS BI_L D C B A a b c d e f g 0 X X X X

41 Decodificadores e Codificadores Circuito Lógico do Decodificador 7-Segmentos 41

42 Decodificadores e Codificadores Diagrama em blocos do decodificador BCD com display de 7- segmentos. 42

43 Decodificadores e Codificadores Diagrama esquemático do decodificador BCD com display de 7-segmentos. 43

44 Decodificadores e Codificadores Exercício: Projete um decodificador hexadecimal para um display de 7 segmentos. 44

45 Decodificadores e Codificadores Codificador (encoder): é um circuito lógico cujo código de saída tem menos bits que o código da entrada. O codificador binário é dado por 2 n -to-n. Em geral é construído com portas OR com N entradas igual a 2 n 1. 45

46 Decodificadores e Codificadores Exemplo: Codificador 8-to-3 com entradas de I0-I7 e saídas Y0- Y2. Y0 = I1 + I3 + I5 + I7 Y1 = I2 + I3 + I6 + I7 Y2 = I4 + I5 + I6 + I7 46

47 Decodificadores e Codificadores Codificador de Prioridade (Priority Encoder): Informa código na saída correspondente a apenas uma entrada ativa (nível lógico 1 ou 0). Muito utilizado para identificar uma requisição ativa (Ex.: requisição de interrupção em um microprocessador, sensores) 47

48 Decodificadores e Codificadores Exemplo: Codificador de prioridade com 8 entradas. H7 = I7 H6 = I6 I7 H5 = I5 I6 I7 H0 = I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 A2 = H4 + H5 + H6 + H7 A1 = H2 + H3 + H6 + H7 A0 = H1 + H3 + H5 + H7 IDLE = I0 + I1 + I2 + I3 + I4 + I5 + I6 + I7 IDLE = I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Indica que nenhuma entrada foi ativada 48

49 Decodificadores e Codificadores 74x148: Codificador comercial de prioridade com 8 entradas. ENTRADAS SAÍDAS /E1 /I0 /I1 /I2 /I3 /I4 /I5 /I6 /I7 /A2 /A1 /A0 /GS /EO 1 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

50 Decodificadores e Codificadores CI s 74x148 em cascada para lidar com 32 requisições. 50

51 Decodificadores e Codificadores Aplicações de decodificadores / codificadores: Seleção de diferentes bancos de memória Seleção de diferentes dispositivos de entrada e saída (periféricos, sensores, atuadores, etc.) Compressão de áudio e vídeo Sistemas de Telecomunicações Sistemas automotivos (sensor de velocidade) Sistemas robóticos (sensor de posição) 51

52 Dispositivos Three-State 52

53 Dispositivos Three-State Driver Three-State: utilizado normalmente para separar a saída lógica de circuitos combinacionais do barramento. Um driver pode ser chamado de buffer ou inversor. Buffer Saída Hi-Z Inversor Saída Lo-Z 53

54 Dispositivos Three-State Exemplo: decodificador 3-to-8 (74x138) com saídas threestate. 54

55 Dispositivos Three-State CI s three-state com habilitação em nível lógico 0 (74x125) e nível lógico 1 (74x126). 55

56 74x541: buffer three-state octal. Eletrônica Digital Dispositivos Three-State 56

57 Dispositivos Three-State Exemplo do uso 74x541 em um barramento. 57

58 Multiplexadores e Demultiplexadores 58

59 Multiplexadores e Demultiplexadores Multiplexador: é uma chave digital que conecta o dado de um de n fontes para sua saída. Possui n entradas e 1 saída. Mintermo (SELECT) Y = n 1 j=0 EN M j D j 59

60 Multiplexadores e Demultiplexadores Exercício: Realize um multiplexador de 4 entradas e 1 saída. EN S1 S0 Y 0 X X D D D2 Y = j=0 EN M j D j D3 Y = EN S1 S0 D0 + EN S1 S0 D1 + EN S1 S0 D2 + EN S1 S0 D3 60

61 Multiplexadores e Demultiplexadores 74x151: Multiplexador de 8 entradas e 1 saída. Entradas Saídas EN_L C B A Y Y_L 1 X X X D0 D D1 D D2 D D3 D D4 D D5 D D6 D D7 D7 61

62 Multiplexadores e Demultiplexadores 74x151: Multiplexador de 8 entradas e 1 saída. 62

63 Multiplexadores e Demultiplexadores 74x157: Multiplexador de 4 bits (8 entradas e 4 saídas). Entradas Saídas G_L S 1Y 2Y 3Y 4Y 1 X A 2A 3A 4A 0 1 1B 2B 3B 4B 63

64 Multiplexadores e Demultiplexadores 74x153: Multiplexador de 4 entradas e 2 saídas. Entradas Saídas G_L 2G_L B A 1Y 2Y C0 2C C1 2C C2 2C C3 2C C C C C C C C C3 1 1 X X

65 Multiplexadores e Demultiplexadores Demultiplexador: funciona como uma chave digital que conecta o dado de um de 1 fonte para uma de n saídas. Possui 1 entrada e n saídas. É o inverso do multiplexador. Juntamente com um multiplexador e um barramento (bus) pode realizar o roteamento de n origens para m destinos. 65

66 Multiplexadores e Demultiplexadores Exercício: Realize um demultiplexador de 1 entrada e 4 saídas. EN S1 S0 Y0 Y1 Y2 Y3 0 X X D D 0 0 Y0 = EN S1 S0 D Y1 = EN S1 S0 D Y2 = EN S1 S0 D D D Y3 = EN S1 S0 D 66

67 Multiplexadores e Demultiplexadores Aplicações de multiplexadores e demultiplexadores: Sistemas de Comunicações: por exemplo, na transmissão de dados, como áudio e vídeo, em diferentes canais via cabo) Memória do Computador: permitindo a conexão da memória ao barramento Rede de Telefonia: permite a transmissão de múltiplas informações de sinais de áudio em uma única linha. Transmissão de Dados via Satélite: utilizando a comunicação GSM Unidade Lógica Aritmética (ULA): permite a seleção de múltiplos registradores, dependendo da operação realizada. Conversor Serial para Paralelo: com o uso de contadores, a palavra em uma única entrada, pode estar disponível em n saídas. 67

68 Portas X-OR e X-NOR 68

69 Porta exclusive-or (X-OR) Porta Lógica X-OR: é um circuito que produz o bit 1, ou valor lógico V (HIGH) em sua saída, somente quando suas entradas tiverem níveis lógicos diferentes. ENTRADAS SAÍDA A B Y Y = A XOR B Y = A B Y = A B = A B + A B

70 Porta exclusive-or (X-OR) Porta X-OR com portas AND-OR e portas NAND F = X Y = X Y + X Y 70

71 Porta exclusive-nor (X-NOR) Porta Lógica X-NOR: também chamado de NONEXCLUSIVE- OR é um circuito que produz o valor 1 em sua saída, somente quando suas entradas forem iguais. ENTRADAS SAÍDA A B Y Y = A XNOR B Y = A B Y = A B = A B = A B + A B

72 Portas X-OR / X-NOR Exclusivas Símbolos equivalentes para as portas X-OR e X-NOR. 74x86: CI com 4 portas X-OR Exclusivo de 2 entradas. 72

73 Circuitos de Paridade 73

74 Gerador de Paridade Quando bits de dados são transferidos de um circuito para outro, um bit adicional algumas vezes é adicionado para assegurar que os dados sejam transferidos de forma correta. Esse bit adicional é chamado bit de paridade, podendo ser 0 ou 1, dependendo do número de 1 s contido no conjunto de bits do código (par ou ímpar). Exemplo: Dados a transferir: Sistema de paridade par: Um circuito gerador de paridade pode ser construído usando portas X-OR, para gerador de paridade par, e X-NOR, para gerador de paridade ímpar. 74

75 Paridade Par: o bit anexado serve para tornar o número total de 1 s par. Exemplo: Paridade Ímpar: o bit anexado serve para tornar o número total de 1 s ímpar. Exemplo: Eletrônica Digital Paridade Par ou Ímpar 75

76 Circuito de Paridade Produz um bit 1 a mais na palavra binária quando o número de bits 1 for par ou ímpar. Aplicações que utilizam códigos detectores de erro. 76

77 Circuito de Paridade Exemplo de Gerador de Paridade Par 77

78 Circuito de Paridade 74x80: gerador de paridade ímpar/par (odd/even) 78

79 Circuito de Paridade Exemplo: Gerador e verificador de paridade para memória de 8 bits. 79

80 Comparadores 80

81 Comparadores São circuitos combinacionais que comparam 2 palavras binárias indicando se são iguais (ou diferentes). 81

82 Comparadores 74x85: comparador de magnitude, de 4 bits. AGTB ( > ) Comparação maior que (greater-than) ALTB ( < ) Comparação menor que (less-than) AEQB ( = ) Comparação de igualdade (equal) 82

83 Comparadores Comparador de 12-bits usando o 74x85. 83

84 Circuitos Aritméticos e ULA 84

85 Somadores e Subtratores Meio-somador (Half Adder): Circuito que realizar a operação de adição binária conforme a tabela abaixo. ENTRADAS SAÍDA A B Carry Soma

86 Somador completo (Full Adder): é um meio somador com uma entrada de bit de transporte. S = X Y CIN COUT = Eletrônica Digital Somadores e Subtratores = X Y CIN + X Y CIN + X Y CIN + X Y CIN X Y + X CIN + Y CIN 86

87 Somadores e Subtratores Somador Ripple: é um somador com N bits, onde C 0 =0. C4 C3 C2 C1 C0 X3 X2 X1 X0 + Y3 Y2 Y1 Y0 S3 S2 S1 S

88 Somadores e Subtratores A subtração binária é análoga a adição binária. Um subtrator completo (full subtractor) é representado abaixo. X : minuendo Y : subtraendo BIN : empréstimo de entrada D : diferença BOUT : empréstimo de saída D = X Y BIN BOUT = X Y + X BIN + Y BIN 88

89 Pela técnica do complemento de 2, pode-se complementar algumas entradas do somador completo. BOUT = X Y + X BIN + Y BIN Eletrônica Digital Somadores e Subtratores BOUT = X + Y X + BIN Y + BIN Teorema de Generalização DeMorgan = X Y + X BIN + Y BIN Simplificado D = X Y BIN = X Y BIN Complementando as entradas XOR 89

90 Somadores e Subtratores Um subtrador ripple é mostrado abaixo. 90

91 Somadores e Subtratores Somador lookahead: é um circuito combinacional que evita o efeito de atraso produzido por um somador ripple. s i =x i y i c i 91

92 Somadores e Subtratores 74x283: é um somador binário de 4 bits. 92

93 Somadores e Subtratores Somador ripple de 16 bits com o CI 74x

94 ULA (Unidade Lógica e Aritmética): é um circuito combinacional que pode realizar operações aritméticas e lógicas para um par de bits. 74x181: é uma ULA de 4 bit. Eletrônica Digital ULA 94

95 ULA Funções realizadas pela ULA 74x181 Entradas Função S3 S2 S1 S0 M=0 (Aritmética) M=1 (Lógica) F = A menos 1 mais CIN F = A F = A B menos 1 mais CIN F = A + B F = A B menos 1 mais CIN F = A + B F = 1111 mais CIN F = F = A mais (A + B ) mais CIN F = A B F = A B mais (A + B ) mais CIN F = B F = A menos B menos 1 mais CIN F = A B F = A + B mais CIN F = A + B F = A mais (A + B) mais CIN F = A B F = A mais B mais CIN F = A B F = A B mais (A + B) mais CIN F = B F = A + B mais CIN F = A + B F = A mais A mais CIN F = F = A B mais A mais CIN F = A B F = A B mais A mais CIN F = A B F = A mais CIN F = A 95

96 ULA 74x381: é uma ULA de 4 bit com lookahead. Entradas S2 S1 S F = 0000 Função F = B menos A menos 1 mais CIN F = A menos B menos 1 mais CIN F = A mais B mais CIN F = A B F = A + B F = A B F =

97 74x182: CI lógico lookahead. Eletrônica Digital ULA C1 = (G0 + P0) (G0 + C0) C2 = (G1 + P1) (G1 + G0 + P0) (G1 + G0 + C0) C3 = (G2 + P2) (G2 + G1 + P1) (G2 + G1 + G0 + P0) (G2 + G1 + G0 + C0) 97

98 ULA de 16 bits com lookahead. Eletrônica Digital ULA 98

99 Multiplicador Combinacional É um circuito que utiliza a técnica shift-and-add (deslocar e adicionar) 99

100 Exercício a) Realize uma ULA de 1 bit com as seguintes funções Entradas (F) F2 F1 F F = 0000 Função (Y) F = B menos A F = A menos B F = A mais B F = A B F = A + B F = A B F = 1111 b) Utilizando diagrama em blocos projete a ULA de (a) para 4 bits. 100