Eletrônica Digital Prof. Arthur Braga Tópicos Transistor Bipolar Características Básicas de CIs Digitais Terminologia de CIs Digitais A Família Lógica TTL Circuito Lógico Básico NAND TTL Ações de absorção e fornecimento de corrente Porta NOR TTL Fan-Out e acionamento de carga para TTL Saídas de Coletor Aberto Saída 3-State 1
Transistor Transistor Transistor Bipolar Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas junções PN (junção base-emissor e junção base-coletor) de material semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Coletor (C). Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base N Material semicondutor com excesso de elétrons livres P Material semicondutor com excesso de lacunas 2
Transistor Transistor Bipolar Junção PN base - emissor Junção PN base - colector Junção PN base - emissor Junção PN base - colector Transistor Transistor Bipolar Para que o transístor bipolar conduza é necessário que V BE 0,7 V, caso contrário não haverá passagem de corrente entre o Emissor e o Colector. I B = 0 O transístor não conduz (está em corte) Se aplicarmos uma pequena corrente na base, o transístor conduz e pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector. Uma pequena corrente entre a base e o emissor origina uma grande corrente entre o emissor e o colector 3
Transistor Transistor Bipolar Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC. Para o transístor estar corretamente polarizado, a junção PN base emissor deve ser polarizada diretamente e a junção base colector deve ser polarizada inversamente. Regra prática: O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui. A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui. O Coletor é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui. Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N + - - - + + Transistor Transistor Bipolar V CE Tensão coletor - emissor V BE Tensão base emissor V CB Tensão coletor - base I C Corrente de coletor I B Corrente de base I E Corrente de emissor V RE Tensão na resistência de emissor V RC Tensão na resistência de coletor 4
Transistor Transistor Bipolar + I B Rb Rc I C Considerando o sentido convencional da corrente e aplicando a lei dos nós, obtemos a seguinte relação das correntes num transístor bipolar I E = I C + I B I E Transistor Transistor Bipolar corte saturação VBE reversa direta VCE 3.5V 0.3V IB 10 ua 1 ma Nível lógico 1 0 Estado OFF ON 5
Características Básicas de CIs Digitais Introdução Os CIs têm se tornado os sistemas digitais mais confiáveis pela redução do número de conexões externas de um dispositivo para o outro. Antes da existência dos CIs, todas as conexões de circuito eram feitas a partir de um componente discreto (transistor, diodo, resistor, etc.) para outro. Com as conexões ocorrendo internamente nos CIs, evita-se soldas ruins, interrupções ou curtos nas trilhas da placa e outros problemas físicos. Os CIs também reduziram drasticamente a potência elétrica necessária para realizar uma determinada função, já que seus circuitos miniaturizados requerem, tipicamente, menos potência que os equivalentes discretos. Entretanto, os CIs possuem limitações: eles não suportam correntes ou tensões elevadas pois o calor gerado em uma área tão pequena elevaria a temperatura a níveis que poderiam comprometer o dispositivo. Além disso, não se pode implementar facilmente em CIs certos dispositivos como indutores, transformadores e grandes capacitores. Operações que necessitam de maiores potências ainda são realizadas com componentes discretos. A partir do estudo das características elétricas das famílias lógicas dos CIs mais comuns pode-se compreender as limitações destes dispositivos, e utilizá-los adequadamente na montagem de Sistemas Digitais. 6
Características Básicas de CIs Digitais CIs digitais são uma coleção de resistores, diodos e transistores fabricados em um único pedaço de material semicondutor (geralmente silício), denominado substrato, comumente conhecido como chip. O chip é confinado em um encapsulamento cerâmico, a partir do qual saem os pinos. protetor plástico ou Um dos tipos de encapsulamento mais comuns é o Dual-In In-Line (DIP), assim denominado por conter duas linhas de pinos em paralelo. Os pinos são numerados no sentido anti-horário a partir de uma marca em uma de suas extremidades. Características Básicas de CIs Digitais O DIP é provavelmente o encapsulamento mais comumente encontrado para CIs. Mas há outros encapsulamentos. O PLD EPM 7128SLC84 da Altera é um exemplo de dispositivo que possui outro encapsulamento: o PLCC (encapsulamento plástico com contatos). 7
Características Básicas de CIs Digitais CIs digitais são muitas vezes classificados de acordo com a complexidade de seus circuitos medida pelo número n de portas lógicas l equivalentes no seu substrato. Complexidade Integração em pequena escala (SSI) Integração em média escala (MSI) Integração em larga escala (LSI) Integração em escala muito larga (VLSI) Integração em escala ultra-larga (ULSI) Integração em escala giga (GSI) Portas por Chip Menos do que 12 12 a 99 100 a 9999 10.000 a 99.999 100.000 a 999.999 1.000.000 ou mais Características Básicas de CIs Digitais CIs digitais também podem ser classificados de acordo com o principal tipo de componente eletrônico usado nos seus circuitos. CIs bipolares são fabricados com transistores bipolares de junção (NPN e PNP). CIs unipolares usam transistores unipolares por efeito-de-campo (MOSFETs canal P e canal N) como seu elemento principal. Família TTL família de CIs bipolares. Família CMOS família de CIs unipolares. 8
Características Básicas de CIs Digitais CIs digitais também podem ser classificados de acordo com o principal tipo de componente eletrônico usado nos seus circuitos. CIs bipolares são fabricados com transistores bipolares de junção (NPN e PNP). CIs unipolares usam transistores unipolares por efeito-de-campo (MOSFETs canal P e canal N) como seu elemento principal. Família TTL família de CIs bipolares. Família CMOS família de CIs unipolares. Características Básicas de CIs Digitais Família TTL: A família TTL (lógica transistor-transistor) consiste atualmente de várias subfamílias ou séries. A série 74 padrão foi a primeira série de CIs TTL. Ela não é mais usada em novos projetos, tendo sido substituída por várias séries TTL de alta performance. CIs que pertencem à série Schottky de baixa potência têm sua identificação começada por 74LS. As diferenças entre as séries TTL estão relacionadas com suas características elétricas, como: dissipação de potência e velocidade de chaveamento (comutação). Elas não diferem na disposição dos pinos ou na operação lógica realizada pelos circuitos internos. 9
Características Básicas de CIs Digitais Família CMOS: A família CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar) tem a série 4000 como sendo a sua mais antiga. Ela possui muitas das funções lógicas da família TTL, mas não foi projetada para ser compatível pino a pino com os dispositivos TTL. As séries 74C, 74HC, 74HCT, 74AC e 74ACT são as mais recentes das famílias CMOS. As três primeiras são compatíveis pino a pino com os dispositivos TTL de mesma numeração. As séries 74HC e 74 HCT operam a uma velocidade maior que os dispositivos da 74C. A série 74HCT foi projetada para ser eletricamente compatível com com dispositivos TTL. As séries 74AC e 74ACT são CIs de altíssimo desempenho nenhum deles compatível pino a pino com TTL. Os dispositivos 74ACT são eletricamente compatíveis com TTL. Características Básicas de CIs Digitais Alimentação e terra As conexões mais importantes dos CIs digitais são as de alimentação cc (corrente contínua) e terra. Caso a conexão de alimentação ou GND não seja feita, as portas lógicas no CI não vão funcionar! Faixas de tensão para níveis n lógicosl Para dispositivos TTL, V cc é +5 V. Para dispositivos CMOS, V dd pode estar situado na faixa de +3 a +18 V, embora +5 V seja a tensão mais usada, principalmente quando dispositivos CMOS são usados em um mesmo circuito em conjunto com dispositivos TTL. 10
Características Básicas de CIs Digitais Faixas de tensão para níveis n lógicosl O que acontece quando uma entrada de um CI digital é desconectada? Características Básicas de CIs Digitais Entradas não-conectadas (flutuantes) Uma entrada flutuante em um circuito TTL funciona exatamente como se estivesse em nível lógico 1. Essa característica é freqüentemente usada quando se testa um circuito TTL. Entretanto, do ponto de vista de níveis lógicos, não é uma prática recomendada, visto que uma entrada flutuante em um circuito TTL é extremamente suscetível a sinais de ruídos. Uma entrada flutuante em um circuito CMOS pode ter resultados desastrosos. O CI pode superaquecer e possivelmente se danificar. Por essa razão, todas as entradas de um circuito CMOS devem ser conectadas a um nível lógico (BAIXO ou ALTO), ou à saída de um CI. 11
Características Básicas de CIs Digitais Diagramas de conexão de circuitos lógicosl Um diagrama de conexão mostra todas as conexões elétricas, numeração de pinos, valores de componentes, nomes de sinais e tensões de alimentação. EXEMPLO Terminologia de CIs Digitais 12
Terminologia de CIs Digitais Parâmetros de Tensão: Terminologia de CIs Digitais Parâmetros de Corrente: 13
Terminologia de CIs Digitais Parâmetros de Corrente: Terminologia de CIs Digitais As famílias lógicas de CIs têm como características marcantes a sua velocidade de operação e a potência consumida. Um meio de comparar a performance global de uma família de CIs é através do produto velocidade-potência (speed-power), obtida através da multiplicação do retardo de propagação pela potência dissipada. 14
Terminologia de CIs Digitais Margens de Ruído AC: Um CI pode tolerar grande amplitude de ruído se o pulso do mesmo for de curta duração comparado ao tempo de resposta do CI (retardo de propagação). Terminologia de CIs Digitais Há um limite para o número de portas lógicas que podem ser ligadas a uma saída? 15
A Família Lógica TTL A Família Lógica TTL Embora a família bipolar TTL como um todo esteja em declínio, podemos aprender muito sobre os dispositivos atuais da família estudando o funcionamento destes CIs. Para tal, considera-se a porta NAND como o circuito lógico básico TTL. Como funciona? As características de entrada da família TTL são provenientes do transistor Q 1, que tem configuração de múltiplos emissores (junção de diodo). 16
A Família Lógica TTL Embora a família bipolar TTL como um todo esteja em declínio, podemos aprender muito sobre os dispositivos atuais da família estudando o funcionamento destes CIs. Para tal, considera-se a porta NAND como o circuito lógico básico TTL. As características de saída da família TTL são provenientes dos transistores Q 3 e Q 4 que estão na configuração totempole. Q 3 ou Q 4 estará conduzindo! Exemplo de Funcionamento? As características de entrada da família TTL são provenientes do transistor Q 1, que tem configuração de múltiplos emissores (junção de diodo). A Família Lógica TTL Saída em nível BAIXO 17
A Família Lógica TTL Saída em nível ALTO O que ocorre quando conectamos portas? A Família Lógica TTL 18
A Família Lógica TTL A Família Lógica TTL Porta NOR TTL A figura abaixo mostra o circuito interno para a porta NOR TTL. Percebe-se que cada entrada é aplicada ao emissor de um transistor em separado. Na saída, temos a mesma configuração totem-pole usada com a NAND. Todos os circuitos TTL têm uma estrutura similar: portas NAND e AND utilizam transistores de múltiplos emissores nas entradas; portas NOR e OR usam transistores de entrada separados. 19
A Família Lógica TTL Fan-Out e acionamento de carga para TTL Para determinar quantas entradas diferentes a saída de um CI pode alimentar, precisamos conhecer o I OL (máx) e I OH (máx) de tal CI, e os requisitos de corrente de entrada de I IL e I IH. A Família Lógica TTL Fan-Out e acionamento de carga para TTL Para determinar quantas entradas diferentes a saída de um CI pode alimentar, precisamos conhecer o I OL (máx) e I OH (máx) de tal CI, e os requisitos de corrente de entrada de I IL e I IH. Determinando o fan-out I fan _ out( BAIXO) = I OL IL ( máx) ( máx) I fan _ out( ALTO) = I OH IH ( máx) ( máx) Caso fan_out(baixo) seja diferente de fan_out(alto), como algumas vezes acontece, o fan-out é escolhido como o menor entre os dois valores. 20
Ligação de Portas Lógicas TTL SITUAÇÃO: Deseja-se compartilhar uma mesma linha (fio) com diversas saídas de portas lógicas. PROBLEMA: Uma saída em nível lógico ALTO e outra saída em nível lógico BAIXO conectadas juntas CONFLITO! B A 1 2 7400 ON 3??? ON... +5V +5V Q 1A Q 1B Off... C D 1 2 7400 3 Off Off... Q 2A X Q 2B ON... Porta A Porta B Ligação de Portas Lógicas TTL Se a saída de A = 1 (alto) Q 1A conduz e Q 2A aberto Se a saída de B = 0 (baixo) Q 1B aberto e Q 2B conduz Q 2B drenará uma corrente muito alta (representará uma resistência muito baixa comparada a Q 1A ) ON... +5V +5V Q 1A Q 1B Off... DANOS X SOLUÇÃO: remover o transistor ativo dos circuitos de saída (Q 1 ) saída em coletor aberto Off... Q 2A Porta A Q 2B Porta B ON... 21
Saída em Coletor Aberto (TTL) Como funcionará agora? Considere inicialmente apenas uma porta com saída em coletor aberto... Saída em Coletor Aberto (TTL) Com saída em 0 (baixo) Q conduzindo Com saída em 1 (alto) Q cortado CIRCUITO ABERTO 22
Saída em Coletor Aberto (TTL) Com saída em 0 (baixo) Q conduzindo Com saída em 1 (alto) Q cortado CIRCUITO ABERTO necessidade de R p (Pull-up) CIRCUITO Resistor de pull up +5V Q SAÍDA R P Se Q conduz ( ligado ) S = 0 Se Q cortado ( aberto ) S = 1* * sem Rp Vo seria indeterminada (flutuante) Considere a ligação das saídas em coletor aberto de duas portas lógicas... Saída em Coletor Aberto (TTL) Se uma ou mais saídas 0 S = 0 (o zero vence ) S = 1 apenas se todas as saídas = 1 Mais lento e maior dissipação de potência do que o TTL normal, mas é mais seguro. 23
Saída em Coletor Aberto (TTL) Se uma ou mais saídas 0 S = 0 (o zero vence ) S = 1 apenas se todas as saídas = 1 Mais lento e maior dissipação de potência do que o TTL normal, mas é mais seguro. A +5V 10 K Conexão wired AND B S = A B C C Saída em Coletor Aberto (TTL) EXEMPLO DE APLICAÇÕES: Drivers 7406 30V/40mA Caso ainda se queira conectar saídas de portas lógicas, mas sem gerar uma conexão wired-and? 24
Saídas 3-State Necessidade de compartilhamento de duto (fio) Característica Saída em: Alto Baixo Alta impedância A saída no estado de alta impedência é essencialmente um circuito aberto! Saídas 3-State Saídas de CIs com 3-state podem ser conectadas juntas sem causar problemas à velocidade de chaveamento (mesma velocidade dos TTL comuns) Há circuitos com saídas 3-state que são usados para controlar a passagem de um sinal lógico da entrada para a saída são chamados buffers tristate. Exemplos de buffers 3-state nãoinversores: Quando várias portas 3-state são ligadas juntas, apenas uma deve ser habilitada por vez! 25
Saídas 3-State Exemplo do uso de buffers tristate na ligação de diversos sinais a uma linha comum (barramento). Caso mais de uma saída esteja ligada ao barramento, ocorrerá a situação denominada de contenção de barramento! Contenção de Barramento estado lógico inválido 26
Símbolos IEEE/ANSI Simbologia para Saída Coletor Aberto: losango sublinhado. Simbologia para Saída Tristate: triângulo apontado para baixo. Barramento de Dados Uma situação típica em que há a necessidade de ligar as saídas de diversos circuitos digitais a um conjunto de linhas comuns é na transferência de dados. Computadores, por exemplo, possuem um conjunto de linhas para transferência de dados denominado barramento de dados. Os dispositivos que estiverem conectados ao barramento de dados terão frequentemente saídas tristate, ou serão conectados por meio de buffers tristate. Uma situação típica, é a de utilizar um barramento de dados (com um número de linhas igual ao número de bits dos dados) para conectar um processador com outros dispositivos (ex.: memórias, conversores A/D ou D/A). 27
Barramento de Dados Bibliografia Básica Tocci, R. j., Widmer, N. S.; Sistemas Digitais - Princípios e Aplicações - 10ª Ed, Editora Pearson, 2007. Milos Ercegovac; Tomas Lang; Jaime H. Moreno; Introdução aos Sistemas Digitais, Editora Bookman, 2000. 28