LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DIGITAL

UFPA / ITEC / FEE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA DIGITAL Professor: Daniel Cardoso Circuitos Integrados e Famílias Lógicas TTL e CMOS A implementação de circuitos lógicos com dispositivos discretos (diodos, transistores, resistores,...) dominou a eletrônica digital até os anos 1960; naquela época, compravam-se os componentes separadamente e depois montava-se o circuito digital. A partir da década de 1970, a lógica com elementos discretos tornou-se obsoleta e foi inteiramente substituída pela lógica com circuitos integrados (CI's), que são pequenos blocos denominados de chips ou pastilhas, geralmente feitos em silício. Os CI's podem conter um número muito grande de dispositivos interligados por um processo único de fabricação; ou seja, os componentes são fabricados e interconectados em fábrica, em um mesmo processo e de forma integrada. As portas lógicas atualmente são fabricadas nessa tecnologia de CI's semicondutores. Os CI's podem ser subdivididos em dois grandes grupos: circuitos monolíticos e circuitos híbridos. Nos circuitos monolíticos, os componentes eletrônicos são formados sobre a pastilha de silício por técnicas químicas e metalúrgicas, enquanto que nos circuitos híbridos, várias pastilhas são colocadas em um mesmo invólucro e são devidamente conectadas entre si. No comércio, encontram-se facilmente CI's digitais que contenham algumas unidades de um mesmo tipo de porta, e também uma grande variedade de CI s que contêm funções de uso geral chamadas de funções de prateleira ou commodities digitais. Trata-se de funções lógicas bem definidas e já consagradas pelo emprego freqüente em diversas aplicações, sendo por isso vendidas em CI's, prontas para uso. Os CI's que contém esses blocos lógicos de uso geral são denominados CI's de prateleira (off-the-shelf). Eles não estão vinculados a uma aplicação específica, e portanto se prestam para utilização em qualquer sistema digital. As funções de prateleira mais comuns incluem: multiplexadores, codificadores, contadores, somadores, registradores, etc., estando listadas em catálogos (databooks). Os databooks são livros que contêm as folhas de dados (datasheets) de cada CI. Os CI's oferecem vantagens significativas sobre os circuitos discretos, dentre as quais podemos citar: - Menor tamanho; - Modularização da eletrônica; - Menor custo; 1

- Menor consumo de potência; - Maior velocidade e confiabilidade. É por causa dessas vantagens que todos os circuitos digitais atualmente são implementados em forma integrada ou são construídos com CI's de prateleira. Os circuitos eletrônicos fabricados nos chips são encapsulados em invólucros (packages) que podem ser metálicos, cerâmicos ou plásticos, com terminais de acesso às entradas e saídas dos circuitos. Os CI's digitais de prateleira são geralmente encontrados em encapsulamentos DIP ( Dual In-line Package ), também chamados DIL ( Dual In-Line ), que possuem duas fileiras de pinos metálicos para a conexão do CI a outros componentes. Os DIP's podem variar quanto ao número total de pinos (tamanho), que varia geralmente de 8 a 40. A numeração dos pinos em CI's DIP é feita no sentido anti-horário, vendo-se o CI de cima, e possui como referência uma marca ou furo que indica sempre o pino 1. Para a identificação das funções e da pinagem de um CI, é necessário consultar tabelas de CI's ou folhas de dados. Existem algumas alternativas tecnológicas para a fabricação das portas e circuitos digitais. Por isso, os CI's digitais podem ser encontrados em algumas famílias lógicas, diferenciadas pelos tipos de componentes empregados para sua fabricação e pela maneira como eles são interconectados. As famílias lógicas mais conhecidas e utilizadas são as famílias TTL e CMOS, cujos CI's são facilmente encontrados em encapsulamentos DIP de 14 a 24 pinos. A família TTL (Transistor-Transistor Logic) foi a primeira tecnologia de circuitos integrados digitais a alcançar grande sucesso comercial, após a introdução das séries TTL 54 e 74 pela Texas Instruments, na década de 1960. Ela ainda é usada atualmente para implementar sistemas digitais de baixa complexidade. A família TTL é inteiramente baseada no transistor bipolar (BJT). Os CI's TTL mais comuns possuem poucas portas lógicas por unidade, tipicamente entre 2 e 100. Os CI's da família TTL são encontrados nas séries (prefixos) 74 e 54. A série 74 é a comercial, de uso geral em produtos de consumo, operando na faixa de temperatura de 0 C a 70 C, com tensão de alimentação de 5V ± 5% (5V ± 0,25V). A série 54 é de uso militar, com as mesmas funções lógicas da série 74, porém operando na faixa de temperatura de 55 C a +125 C, com tensão de alimentação de 5V ± 10% (5V ± 0,5V). A função lógica propriamente dita é especificada pelo código numérico após o prefixo do CI, na forma 54 / 74XXXX. A série 74 tornou-se um padrão industrial, sendo fornecida por diversos outros fabricantes além da Texas. De um fabricante para outro, CI's que implementam uma mesma função lógica podem ter diferentes denominações e diferentes nomes para os pinos de entrada e saída, mas a observância ao padrão TTL garantirá a compatibilidade lógica e elétrica. Os CI's da família 74 TTL são encontrados ainda em algumas sub-séries ou sub-famílias, que são variantes tecnológicas indicadas pela letra ou letras situadas entre o prefixo e o código da função: 74 Normal 2

74L Low power (baixo consumo de potência, muito lenta) 74H High speed (alta velocidade de operação) 74S Schottky (refere-se ao tipo de transistor utilizado, já obsoleta) 74LS Low power Schottky (uma tecnologia Schottky de baixa potência) 74AS Advanced Schottky (tecnologia Schottky mais avançada) 74ALS Advanced Low power Schottky (tecnologia Schottky mais avançada) 74F Fast (similar à variante AS) Todas essas sub-famílias são compatíveis entre si, mas deve-se considerar as características elétricas particulares de cada uma para determinar-se o número máximo de entradas de CI's de uma sub-família, que podem ser ligadas à saída de um CI pertencente a outra sub-família (isto é chamado de fan-out). Outras letras presentes na denominação do CI indicam o fabricante e o lote de fabricação. As pinagens dos CI's podem mudar da série 74 para a 54. É preciso consultar as folhas de dados de CI s com muita atenção, caso a caso. A pinagem também pode variar entre diferentes sub-famílias e diferentes encapsulamentos. Nem todas as funções lógicas estão disponíveis em todas as sub-séries. A primeira família lógica CMOS foi lançada pela RCA em 1968 na forma da série 4000, encontrada em duas versões: 4000A (padrão) e 4000B (buffered, com maior capacidade de corrente). Atualmente, a série 4000 já foi superada por diversas outras séries bem mais modernas, como por exemplo a 74HC (High-speed CMOS) e a 74AHC (Advanced HC). Circuitos de tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) diferem dos circuitos TTL porque são totalmente construídos com transistores do tipo MOSFET (MOS Field-Effect Transistor, ou Transistor de Efeito de Campo de Metal, Óxido e Semicondutor). Da tradicional série 74 TTL para a antiga série 4000 CMOS, os códigos numéricos para funções idênticas são completamente diferentes, não existindo nenhuma relação entre a numeração de CI's de mesma função nas duas famílias. As funções lógicas da família TTL seguem uma numeração 74XXX, enquanto as mesmas funções na série CMOS 4000 seguem uma numeração 40YYY. Por exemplo, o CI de portas NOT em TTL é o 7404, mas na série 4000, o CI de inversores é o 4069. Os CI s TTL já foram em grande parte substituídos por versões equivalentes em CMOS, que possuem diversas vantagens tecnológicas sobre os primeiros. Nessa migração tecnológica, a função associada a cada número de CI 74XXX foi adotada pelas novas famílias lógicas CMOS, pois a numeração da série 74 já tinha se tornado um padrão industrial. Vários fabricantes fornecem atualmente famílias lógicas em CMOS, mantendo a mesma numeração e a mesma pinagem para uma dada função lógica TTL 74XXX. As principais sub-séries 74 em CMOS são as seguintes: 74C - CMOS com operação de 4 a 15V similar à série 4000B; 74HC - High speed CMOS, desempenho similar ao da 74LS; 74HCT - High speed CMOS, com níveis de entrada e saída compatíveis com os de CI s TTL, permitindo combinar as duas tecnologias; 3

74AC - Advanced CMOS, com desempenho entre os das séries 74S e 74F; 74AHC - Advanced High-Speed CMOS, três vezes mais rápido que 74HC. Existem ainda várias outras famílias lógicas, menos comuns: - RTL: Resistor-Transistor Logic (já obsoleta); - DTL: Diode-Transistor Logic (já obsoleta); - ECL: Emitter-Coupled Logic (a mais rápida em silício); - BiCMOS: Bipolar CMOS (utiliza os dois tipos de transistor no mesmo CI); - I 2 L: Integrated Injection Logic. Escalas de Integração Para classificar-se os CI's digitais quanto à escala de integração, geralmente é citado o número de portas lógicas, mas pode-se também mencionar o número de transistores, especialmente em escalas muito altas de integração. Uma única porta lógica utiliza geralmente de 2 a 6 transistores, dependendo da tecnologia em que é realizada e do número de entradas. Uma porta NAND de duas entradas requer quatro transistores. A constante evolução da tecnologia de circuitos integrados, sempre visando atingir níveis de integração cada vez maiores, com mais e mais transistores sendo construídos por mm 2 de área de silício, tem conseguido realizar um número cada vez maior de portas lógicas em uma única pastilha ou chip. O estado atual da tecnologia permite que um número elevadíssimo de portas lógicas (em torno de centenas de milhares) seja integrado em um único CI. Há a necessidade de uma classificação dos CI's quanto às escalas de integração que, embora não sendo exata, é amplamente aceita com os seguintes valores: SSI (Small-Scale Integration): Integração em pequena escala, quando o número de portas em um chip não é maior do que 12. MSI (Medium-Scale Integration): Integração em média escala, quando o número de portas em um chip está entre 12 e 100. LSI (Large-Scale Integration): Integração em larga escala, quando o número de portas em um chip está entre 100 e 1000. VLSI (Very Large-Scale Integration): Integração em muito larga escala, quando o número de portas em um chip é maior do que 1000. A tecnologia TTL permite a construção de CI's nas escalas SSI, MSI e LSI, enquanto os CI's CMOS podem ser encontrados até na escala VLSI. A escala de integração é diretamente ligada à função que está implementada no CI. 4

Características Elétricas Principais Os catálogos das famílias lógicas TTL e CMOS fornecem valores e gráficos detalhados dos parâmetros elétricos dos respectivos CI's, e devem ser sempre consultados antes de se utilizá-las em projetos, ou para analisar-se um circuito digital já pronto. Cada família possui características distintas quanto aos valores dos níveis lógicos, consumo de potência, atraso de propagação, frequência de operação, confiabilidade (margem de ruído), etc. Essas diferenças determinam a escolha de uma ou outra família lógica para cada situação, dependendo de qual a característica mais importante naquela aplicação. Nas folhas de dados dos CI's, as tabelas-verdade das portas e circuitos lógicos são escritas em termos de H e L, e não de 0 s e 1 s, onde H e L referem-se às tensões alta (H) e baixa (L) dos sinais digitais. As tabelas são escritas em termos de níveis lógicos alto e baixo para manter uma independência em relação a convenções de lógica positiva ou negativa. Na lógica positiva, H= 1 e L= 0. Em TTL, o nível lógico alto nominal (típico) corresponde a uma tensão de 3,4V, e o nível baixo nominal é de 0,2V. Essas tensões nominais podem variar entre diferentes sub-séries da família TTL. Já em CI's CMOS, os níveis lógicos alto e baixo são praticamente iguais à tensão de alimentação usada e a 0V, respectivamente; ou seja, as tensões do 1 e do 0 são muito mais separadas entre si do que em circuitos TTL. Um CI TTL não pode ser substituído diretamente por um CI CMOS, ainda que este tenha a mesma função e pinagem daquele, pois as entradas de um CI CMOS não aceitam o nível lógico alto de saída gerado pelos CI's TTL. A separação entre as tensões de nível 0 e nível 1 confere aos circuitos digitais uma margem de ruído, isto é, uma tolerância a ruídos elétricos. Ruído elétrico é qualquer sinal indesejável que ocorre nos circuitos, principalmente em suas interconexões. Circuitos digitais geram muito ruído elétrico, portanto os CI's são projetados para conviver com a presença de ruído nos sinais e ainda assim funcionar corretamente. A margem de ruído é a maior tensão de ruído que pode ser tolerada no sistema, isto é, que não impede que o valor lógico de um sinal seja ainda reconhecido corretamente pela próxima porta do circuito. A razão da existência das margens de ruído é evitar que o ruído presente no sistema cause falhas de operação e alteração de valores lógicos. Já que não é possível evitar a presença do ruído nos sistemas digitais, deve-se minimizar seus efeitos. Como as tensões lógicas H e L em circuitos CMOS são muito mais separadas do que em circuitos TTL, as margens de ruído de circuitos CMOS são muito maiores, o que é uma vantagem significativa desta tecnologia sobre a TTL. Os CI's TTL reconhecem entradas de sinal em aberto como se estivessem conectadas ao nível lógico 1, mas não se deve deixar um pino de entrada de um CI em aberto porque ele passa a captar ruídos elétricos do ambiente e aumenta o consumo de potência do CI, podendo acarretar problemas de operação. Outra fortíssima razão para o maior emprego de circuitos CMOS atualmente, é o seu consumo de potência muito mais baixo em comparação com o da família TTL; um 5

baixo consumo de potência por porta lógica é o que permite a realização de CI's complexos em escala VLSI, e também é fundamental para circuitos operados com baterias, como o leitor de MP3 e o telefone celular. A velocidade de operação dos CI's CMOS 4000 é menor do que a de CI's TTL normais, ou seja, os tempos de atraso dos sinais são maiores. Mas os CI's das novas séries HC e AHC vieram superar também essa dificuldade, e possuem velocidade comparável a dos CI's ALS TTL. Os CI's CMOS têm ainda outras vantagens tecnológicas sobre os CI's TTL: maior faixa de temperaturas de operação e maior faixa de tensões de alimentação. Deve-se evitar segurar os terminais dos CI's CMOS com as mãos, pois eles são sensíveis à eletricidade estática do corpo humano e podem ser danificados por descargas geradas no contato das mãos; eles devem ser mantidos sempre em caixa metálica ou na esponja condutora em que normalmente vêm do fabricante. Os CI's TTL são mais robustos a defeitos causados por eletricidade estática. A tabela a seguir faz uma comparação entre as famílias ALS TTL, CMOS da série 4000 e HCMOS 74HC: Parâmetro elétrico ALS TTL CMOS 4000B 74HC Faixa de tensão de alimentação (V) 5 ± 5% +3 a +18 +2 a +6 Faixa de temperaturas de operação ( C) 0 a +70-40 a +85-55 a +125 Nível lógico alto V OH mínimo (V) 2,7 V DD 0,05 V DD 0,1 Nível lógico baixo V OL máximo (V) 0,5 0,05 0,1 Fan-out 20 50 50 Margem de ruído DC baixa/alta (V) 0,3/0,7 1,45 0,9/1,35 Potência DC / porta (mw) 1 0,0006 0,001 Atraso de propagação da porta NAND (ns) 5 25 8 Frequência de relógio máxima do FF D 35 MHz 4 MHz 40 MHz Fonte: Motorola High-Speed CMOS Data, 1996. Obs: o fan-out é o número que expressa a quantidade máxima de pinos de entrada de blocos de circuito, de uma mesma família lógica, que pode ser conectada à saída de um bloco lógico dessa família. Sugestões para consulta: 1. http://www.cs.uiowa.edu/~jones/logicsim/man/node5.html 2. http://en.wikipedia.org/wiki/7400_series 3. http://en.wikipedia.org/wiki/transistor%e2%80%93transistor_logic 4. http://en.wikipedia.org/wiki/hcmos 5. http://en.wikipedia.org/wiki/4000_series 6. http://www.kpsec.freeuk.com/components/74series.htm 7. http://www.datasheetcatalog.com/ 8. http://www.kpsec.freeuk.com/components/ic.htm#logic 9. http://en.wikipedia.org/wiki/logic_family 6