Tecnologia TTL Rodrigo Wobeto de Araujo 993045-0 Samuel Cristiano de Ávila, 993831-1 Resumo: este artigo comenta um pouco sobre o funcionamento de um dispositivo TLL, as classes de dispositivos com sua velocidade de chaveamento e potência dissipada. Também é mensionado os parametros de sua configuração. Palavra-chave: Tecnologia TTL, Lógica transistor-transistor, Portas lógicas. 1. HISTÓRIA tecnologia CMOS ( Complementary MOS ). Hoje em dia, a grande maioria dos circuitos com níveis de integração em larga escala, tais como memórias e microprocessadores, utilizam a tecnologia CMOS. No entanto, devido à grande popularidade dos CI s TTL, a maioria das famílias CMOS são projetadas de modo a serem parcial ou mesmo totalmente compatíveis com a família TTL. Existem varias maneiras de projetar dispositivos eletrónicos lógicos. No anos 30, os laboratórios da Bell conceberam o primeiro dispositivo lógico recorrendo a relês. O primeiro computador digital, Eniac, desenvolvido nos anos 40, utilizava circuitos lógicos baseados em tubos de vácuo. A invenção do díodo semicondutor e do transistor bipolar permitiu o desenvolvimento de sistemas computacionais de menor dimensão, maior rapidez e maior capacidade de processamento. Nos anos 60, o desenvolvimento tecnológico permitiu a integração de díodos, transistores e outros componentes eletrónicos num único dispositivo, o circuito integrado (CI). Surge, assim, a primeira família de CI s, baseados no mesmo tipo de circuitos internos e com características de entrada e saída semelhantes, com capacidade de implementar diferentes tipos de funções lógicas. De entre os vários tipos de circuitos internos dos CI s, consequentemente de famílias lógicas, destaca-se a família TTL ( Transistor Transistor Logic ), introduzida nos anos 60 e utilizada em larga escala. No entanto, 10 anos antes da invenção do transistor bipolar, foi patenteado o transistor MOSFET ( metal-oxide semicondutor field effect transistor (MOSFET) ou apenas transistor MOS. Na altura, era reduzida a sua aplicabilidade devido à dificuldade de fabrico e a velocidades reduzidas de operação. Com os desenvolvimentos tecnológicos nesta área assiste-se, atualmente, à substituição da tecnologia TTL pela tecnologia MOS e, particularmente, pela 2. CIRCUITOS INTEGRADOS Componentes electrónicos, integrados num único dispositivo, que implementam funções lógicas elementares ou outras funções mais complexas. Exemplo: 74LS08 O circuito 74LS08 da série 74, sub-família TTL- LS, disponibiliza um conjunto de 4 portas AND de duas. 1. TTL Padrão 3. DISPOSITIVOS A figura a seguir mostra uma porta NAND TTL. O transistor de entrada com múltiplos emissores é típico das portas e outros dispositivos na série 7400. Cada emissor atua como um díodo; portanto Q 1 e o resistor de 4kΩ atuam como uma porta AND de duas. O resto do circuito
inverte o sinal de forma que o circuito total atua como uma porta NAND de duas. Os transistores de saída (Q 3 e Q 4 ) formam uma conexão poste totem (um npn em série com um outro); este tipo de estágio de saída é típico na maioria dos dispositivos TTL. Com um estágio de saída poste de totem, ou o transistor superior ou o inferior está conduzindo. Quando Q 3 está conduzindo, a saída é alta; quando Q 4 está conduzindo, a saída é baixa. As tensões de entrada A e B são ou baixa (idealmente aterradas) ou altas (idealmente +5V). se A ou B é baixa, a base Q 1 é abaixada para aproximadamente 0,7V. isto reduz a tensão de base de Q 2 para quase zero. Em conseqüência, Q 2 entra em corte. Com Q 2 aberto, Q 4 entra em corte, e a base e Q 3 é elevada. Como Q 3 atua como um seguidor de emissor, a saída Y é elevada para uma tensão alta. Por outro lado, quando A e B são ambas tensões altas, os díodos de emissor de Q 1 param de conduzir e o díodo coletor passa a conduzir diretamente. Isto força a base de Q 2 a ficar alta. Por sua vez, Q 4 entra em saturação, produzindo uma saída baixa. São usados transistores em poste de totem porque eles produzem uma impedância de saída baixa. Ou Q 3 funciona como um seguidor de emissor (saída alta) ou Q 4 é saturado (saída baixa ). Quando Q 3 está conduzindo, a impedância de saída é aproximadamente 70Ω; quando Q 4 está saturado, a impedância de saída é somente 12Ω (isto pode ser calculado a partir de informação na folha de dados). De qualquer forma, a impedância de saída é muito baixa. Isto significa que a tensão de saída pode mudar rapidamente de um estado para outro porque qualquer capacitância parasita de saída é rapidamente carregada ou descarregada por meio da baixa impedância de saída. Uma porta TTL padrão tem uma dissipação de potência de cerca de 10mW e o tempo de atraso de propagação é o tempo que a saída de uma porta leva par mudar após as terem mudado. O tempo de atraso de propagação de uma porta TTL padrão é aproximadamente 10ns. Esta série é numerada de acordo com a seguinte tabela: Número do Descrição dispositivo 7400 Quatro portas NAND de duas 7402 Quatro portas NOR de duas 7404 Seis inversores 7408 Quatros portas AND de duas 7410 Três portas NAND de duas 7411 Três portas AND de três 7420 Duas portas NAND de quatro 7421 Duas portas AND de quatro 7425 Duas portas NOR de quatro 7427 Três portas NOR de três 7430 Porta NAND de oito 7486 Quatro portas OR-exclusivo de duas Qualquer dispositivo da série 7400 funciona em uma faixa de temperatura de 0 a 70 C e em uma faixa de alimentação de 4,75 a 5,5V. Isto é adequado para aplicações comerciais. A série 5400, desenvolvida para aplicações militares, tem as mesmas funções lógicas que a série 7400, com exceção que ela trabalha em uma faixa de temperatura de 55 a 125 C e em uma faixa de alimentação de 4,5 a 5,5V. Embora os dispositivo da série 5400 possam substituir os dispositivos da série 7400, eles raramente são usados comercialmente em virtude de seu custo mais elevado. 2. TTL de Baixa Potência Aumentando as resistência internas, um fabricante pode reduzir a dissipação de potência das portas TTL. Dispositivos desse tipo são chamados TTL de baixa potência e numerados 74L00, 74L01, etc. Esses dispositivos são mais lentos que os TTL padrão em virtude das constantes de tempo internas maiores. Uma porta TTL de baixa potência tem uma dissipação de potência de 1mW e um tempo de atraso de propagação de cerca de 35ns.
3. TTL de Alta Velocidade Diminuindo as resistências, um fabricante pode abaixar as constantes de tempo internas, o que diminui o tempo de atraso de propagação. As resistências menores, entretanto, aumentam a dissipação de potência. Essa variação de projeto é conhecida como TTL de alta velocidade. Dispositivos desse tipo são numerados 74H00, 74H01, etc. Uma porta TTL de alta velocidade tem uma dissipação de potência de cerca de 22mW e um tempo de atraso de propagação de aproximadamente 6ns. 4. TTL Schottky Com TTL padrão, TTL de alta velocidade e TTL de baixa potência, os transistores entram em saturação forte, fazendo com que um excesso de portadores seja armazenado na base. Ao fazer o chaveamento de um transistor da saturação para o corte, você tem de esperar que os portadores adicionais fluam para fora da base. O atraso é conhecido como tempo de atraso de saturação. Uma maneira de reduzir o tempo de saturação é usar o TTL Schottky. A idéia é fabricar um díodo Schottky em companhia de cada transistor bipolar de um circuito TTL. Como o díodo Schottky tem uma tensão direta de somente 0,25 a 0,4V, ele evita que o transistor sature completamente. Isto virtualmente elimina o tempo de atraso de saturação, o que significa uma velocidade de chaveamento melhor. Esses dispositivos são numerados 74S00, 74S01, 74S02 e assim por diante. Os dispositivos TTL Schottky são muito rápidos, capazes de operar com confiabilidade em 100MHz. O 74S00 tem uma dissipação de potência de cerca de 20mW por porta e um tempo de atraso de propagação de aproximadamente 3ns. 1. Entradas flutuantes 4. PARÂMETROS TTL Quando uma entrada TTL é alta (idealmente +5V), a corrente de emissor é aproximadamente zero. Quando uma entrada TTL é flutuante (não conectada), não é possível nenhuma corrente de emissor por causa do circuito aberto. Portanto, uma entrada TTL flutuante é equivalente a uma entrada alta. Por causa disso, às vezes você vê não-usadas deixadas desconcertadas; uma entrada aberta permite que o restante da porta funcione corretamente. Existe uma desvantagem de flutuantes. Quando você deixa uma entrada aberta, ela atua como uma pequena antena; portanto capta tensões parasitas de ruído eletromagnético. Em alguns ambientes, a captação de ruído é grande o suficiente para causar o funcionamento irregular dos circuitos lógicos. Por essa razão a maioria dos projetistas prefere conectar as TTL nãousadas à tensão de alimentação. 5. Tensões de Entrada Quando a entrada é 0V (aterrada), ela esta no estado baixo e é designada por V IL. Com dispositivos TTL podemos aumentar V IL até 0,8V e ainda ter uma entrada em nível baixo. Em outras palavras, a tensão de entrada em estado baixo, V IL, pode Ter qualquer valor entre 0 e 0,8V. Entretanto, se a entrada é 5V, é uma entrada alta e pode ser designada por V IH. Essa tensão pode diminuir até 2V sem ocorrer alteração no estado de saída. Em outras palavras, a entrada em estado alto, V IH, é de 2 a 5V. 5. TTL Schottky de Baixa Potência Aumentando as resistências internas bem como usando díodos Schottky, os fabricantes chegaram a uma conciliação entre baixa potência e alta velocidade: Schottky de baixa potência. Dispositivos desse tipo são numerados 74LS00, 74LS01, etc. Uma porta Schottky de baixa potência tem uma dissipação de potência de cerca de 2mW e um tempo de atraso de propagação de aproximadamente 10ns. Qualquer entrada entre 0,8 e 2V é indeterminada, porque não há nenhuma garantia de que ela produzirá a tensão correta na saída. 3. Tensões de Saída Idealmente, o estado de saída baixo é 0V e o estado de saída alto é 5V. Não podemos
conseguir esses valores ideais por causa das quedas de tensão internas dos dispositivos TTL. Com os dispositivos TTL, qualquer tensão de saída de 0 a 0,5V é considerada uma saída baixa e designada por V OL. Isto significa que a saída em estado baixo, V OL, de um dispositivo TTL, pode Ter qualquer valor entre 0 e 0,4V. Em virtude das quedas de tensões nos dispositivos TTL, a tensão de saída em estado alto tem valores entre 2,7 e 5,0V e é designada por V OH. Qualquer valor entre 0,5 e 2,7V é considerado indeterminado. Da mesma forma os piores valores altos são: V OH.mín =2,7V saída do acionador V IH.mím =2V entrada da carga Em qualquer caso, a diferença é 0,4V. Essa diferença é chamada imunidade ao ruído. Ela representa proteção incluída contra ruído. Nós precisamos de proteção contra ruído porque o fio de conexão entre o acionador TTL e a carga é equivalente a uma pequena antena que capta sinais de ruídos parasitas. Na maioria dos ambientes a tensão de ruído induzido é menor que 0,4V, e não obtemos nenhum disparo falso da carga TTL. No pior caso, a entrada baixa para a carga TTL é: V IL =V OL +V ruído =0,5V+V ruído <0,8V No pior caso da entrada de estágio alto é: V IL =V OH -V ruído =2,7-V ruído >2V 7. Carga-Padrão 4. Compatibilidade Os dispositivos TTL são compatíveis porque as janelas de saída baixa e alta se encaixam dentro das janelas de entrada baixa e alta. Portanto a saída de qualquer dispositivo TTL é apropriada para acionar a entrada de um outro dispositivo TTL. 5. Alimentação e Drenagem Quando uma saída TTL padrão é baixa, existe uma corrente de emissor de aproximadamente -1,6mA(pior caso). O sinal negativo indica que a corrente convencional é para fora do dispositivo. Entretanto, quando a saída TTL padrão é alta, existe uma corrente reversa de emissor de +0,04mA(pior caso). O sinal positivo indica que a corrente fluí para dentro do dispositivo. 6. Imunidade ao Ruído No pior caso existe uma diferença de 0,4V entre as tensões de saída do acionador e as tensões de entrada necessária para a carga. Por exemplo, os piores casos de valores baixos são: V OL.max =0,5V saída do acionador V IL.max =0,8V entrada da carga Um dispositivo TTL pode fornecer corrente (saída alta) ou drenar corrente (saída baixa). As folhas de dados dos dispositivos TTL padrão indicam que qualquer dispositivo da série 7400 pode drenar até 16mA (I OL.máx =16mA), e pode fornecer até 0,4mA (I OH.máx =-0,4mA). Como discutido anteriormente, os piores caso de corrente de entrada TTL são I IL.máx =-1,6mA e I IH,máx =0,04mA. Como as corrente de saída máximas são dez vezes maiores que as correntes de entrada, podemos conectar até dez emissores TTL a qualquer saída TTL. No estado baixo, a tensão é garantidamente 0,4V ou menor. Se você tentar conectar mais de dez emissores, a tensão de saída pode subir acima de 0,4V sob condições de pior caso. Se isso acontecer, a operação em estado baixo não será mais confiável. Portanto, dez cargas TTL são o máximo que o fabricante permite para operação em estado baixo garantido. No estado alto, uma tensão de saída alta
(pior caso) com o acionador fornecendo 0,4mA para dez cargas TTL de 0,04mA cada. Para essa corrente de alimentação, a tensão de saída é garantida como sendo 2,7V ou maior sob condições de pior caso. Se tentar conectar mais de dez carga TTL, você excederá I OH.máx, e a operação em estado alto tornar-se-á não confiável. 1. Portas NAND A porta NAND é a espinha dorsal da série 7400. Todos os dispositivos nessa série são derivados da porta NAND de duas. Para produzir portas NAND de mais, o fabricante usa transistores com mais emissores. 2. Portas NOR 8. Tempo de propagação As portas lógicas são dispositivos físicos, reais, e como tal não reagem a variações de entrada com velocidade infinita. É necessário um certo tempo para que uma variação na entrada se propague para a saída. É, afinal, este tempo finito que faz com que os computadores não operem a frequências infinitas. O tempo que uma determinada porta demora a reagir não é definido com completo rigor, até porque depende, entre outros factores, das condições de temperatura. Os fabricantes dos CI s definem, por isso, um limite máximo para esse tempo. Especificações dos fabricantes: TpLH tempo máximo de propagação quando a saída transita do nível baixo(l) para o nível alto(h). TpHL tempo máximo de propagação quando a saída transita do nível alto(h) para o nível baixo(l). Tp tempo de propagação igual ao valor máximo de TpLH e TpHL. Para obter outras funções lógicas, o fabricante modifica o projeto básico da porta NAND. Aqui foram adicionados Q 5 e Q 6 ao projeto básico da porta NAND. Como Q 2 e Q 6 estão em paralelo, obtemos a função OR, a qual é seguida pela inversão par obter a função NOR. Quando A e B são ambas baixas, as bases Q 1 e Q 5 são levadas ao nível baixo; isto leva Q 2 e Q 6 ao corte. Em seguida, Q 3 atua como um seguidor de emissor, e obtemos uma saída alta. Se A ou B é alta, Q 1 e Q 5 estão em corte, forçando Q 2 e ou Q 6 a conduzir. Quando isto acontece, Q 4 satura e leva a saída a uma tensão baixa. Com mais transistores, um fabricante pode produzir portas NOR de três e quatro (nota: uma porta NOR de oito TTL não é disponível). 3. Portas AND e OR Para produzir a função AND, um outro estágio emissor comum (EC) é inserido no projeto básico da porta NAND. A inversão adicional converte a porta NAND em uma porta AND. As portas AND TTL disponíveis são a 7408 (quatro de duas ), 7411 (três de três ) e 7421 (duas de quatro ). Da mesma forma, um outro estágio EC pode ser inserido na porta NOR.; isto converte a porta NOR em uma porta OR. A única porta OR TTL disponível é a 7432 (quatro de duas ). 6. IDENTIFICAÇÃO DOS CI S 5. VISÃO PANORÂMICA DA TTL A identificação base do CI s segue o formato XX FAM NNN, onde: XX representa a série 54 ou 74; FAM representa a sub-família; NNN representa o número da função lógica implementada no CI. Exemplo: O circuito integrado 74LS08, pertence à série 74, sub-família TTL-LS e implementa a função lógica 08 ( 4 portas AND de 2 ).
Outras referências são normalmente adicionadas para definir, entre outras características, o tipo de invólucro. 7. FUNÇÕES LÓGICAS ELEMENTARES 1. Função Igualdade: F(A)=A A F 0 0 1 1 6. Função Negação (ou Complementação ou Inversão ou NOT): = A A F 0 1 1 0 7. Função Intersecção (ou Função Produto Lógico, ou Função E, ou Função AND): = A. B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 8. Função Reunião (ou Função Soma Lógica, ou Função OU, ou Função OR): = A + B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 10. Função NÃO OU (ou Função NOR): = A + B 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 11. Função OU EXCLUSIVO (ou Função EXCLUSIVE OR): F ( A, B) = A. B + A. B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 8.BIBLIOGRAFIA ELETRÔNICA DIGITAL, Princípios e Aplicações Lógica Combinacional Malvina Leach, ed. McGRAW-HILL Vol. 1 http://www.dmi.ubi.pt/~mario/sl-capitulo- 3.pdf http://www.estv.ipv.pt/paginaspessoais/ffranc isco/sd/07ci.pdf 9. Função NÃO E (ou Função NAND): = A. B