Caracterização de Portas Lógicas Versão 2015 RESUMO Esta experiência tem como objetivo um estudo dos elementos básicos do nosso universo de trabalho, ou seja, as portas lógicas. Para isto serão efetuados estudos para determinar algumas características elétricas destes componentes, como a curva de transferência de tensão, e características temporais, como os atrasos de propagação. Serão estudados dispositivos TTL e CMOS. OBJETIVOS Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Circuito digital como um componente real que usa eletrônica digital; Características da curva de transferência de tensão de circuitos integrados de famílias diferentes; Medida de parâmetros de tensão (V IL, V IH, V OL, V OH) e de tempos de propagação (t PLH, t PHL); Comparação entre circuitos integrados CMOS e TTL. 1. PARTE EXPERIMENTAL 1.1. Atividades Pré-Laboratório Faça uma pesquisa bibliográfica sobre os componentes TTL e CMOS. Por exemplo, use os manuais dos componentes 7400 (TTL), 74HC00 (CMOS) e 4011 (CMOS) ou consulte um livro-texto sobre Eletrônica Digital. a) Com relação aos parâmetros elétricos (considere V CC=V DD=5V): Quais os valores dos parâmetros elétricos estáticos (V IL, V IH, V OL e V OH)? Preencha a tabela abaixo para comparar os componentes. PARÂMETRO DESCRIÇÃO 7400 74HC00 4011 VIL Máxima tensão na entrada reconhecida como nível ZERO VIH Mínima tensão na entrada reconhecida como nível UM VOL Máxima tensão fornecida na saída em nível ZERO VOH Mínima tensão fornecida na saída em nível UM Compare as curvas de transferência de tensão de inversores TTL e CMOS. Qual são as principais diferenças entre estas curvas? b) Com relação aos parâmetros relativos ao atraso de propagação: Quais os valores para os parâmetros de tempo t PHL e t PLH? Preencha a tabela abaixo. PARÂMETRO DESCRIÇÃO 7400 74HC00 4011 tphl Atraso para transição de alto para baixo tplh Atraso para transição de baixo para alto Considere um circuito com uma sequência de 10 inversores. Qual é o atraso total de propagação considerando-se os componentes TTL e CMOS estudados. Prepare o planejamento de forma a verificar experimentalmente estes valores, pois eles serão usados na parte experimental a ser executada no Laboratório Digital. Caracterização de Portas Lógicas (2015) 1
1.2. Estudo da Característica de Transferência de Tensão Estudo de Componente TTL c) No dispositivo de montagens experimentais, monte o circuito da Figura 1.1, usando um componente TTL (por exemplo, 7400). Não se esqueça de conectar a alimentação dos componentes (pinos VCC e GND). Veja que a porta em análise tem sua saída ligada a uma carga para analisarmos seu funcionamento em um circuito. Figura 1.1 Ensaio de níveis de tensão da porta NAND 7400. d) Com Vcc próximo a 5,0V, varie a tensão da fonte ajustável conectada às entradas A e B, desde 0V até 5,0V e levante a curva característica de transferência de tensão. DICAS: elabore um gráfico com os dados medidos e anote o valor de Vcc (medido no pino do componente) usado no procedimento experimental. Use uma fonte de alimentação variável nas entradas da porta em análise e uma das entradas auxiliares F1 ou F2 do painel de montagens. e) A partir do gráfico obtido, localize na curva experimental os pontos referentes aos parâmetros de tensão V IL, V IH, V OL e V OH. Comente os valores obtidos. f) Desconecte as entradas A e B, deixando-as sem ligação alguma. Realize a medida dos níveis de tensão nas entradas A e B do componente com um multímetro digital. Medir também o valor da tensão na saída Y. Qual é o nível lógico das entradas A e B correspondente ao nível lógico da saída Y medida? Justifique no relatório os níveis obtidos. Estudo de Componente CMOS g) Substitua agora a porta lógica TTL por um componente CMOS (por exemplo, 74HC00 1 ou 4011) na montagem da figura 1.1. h) Repita os itens (d) a (f) com este componente CMOS. SUGESTÃO: coloque os dados das curvas características de transferência de tensão para os componentes TTL e CMOS estudados em um mesmo gráfico para uma comparação mais efetiva. Comparação e Análise de Resultados i) Compare os resultados experimentais obtidos com o componente TTL e o componente CMOS. Seus resultados são semelhantes aos dados pesquisados da seção 1.1? j) Qual é o valor lógico correspondente a uma entrada em aberto no componente TTL e no componente CMOS? Compare. 1 Não usar o componente 74HCT00, pois ele pertence a uma família de componentes CMOS com níveis de tensão compatíveis com as famílias TTL. Caracterização de Portas Lógicas (2015) 2
1.3. Medida de Parâmetros de Tempo Medida do Atraso de Propagação com o componente TTL k) Para medir os parâmetros de tempo, execute a montagem com o componente TTL conforme a figura 1.2. A porta em análise tem a entrada X ligada em um gerador de pulsos (use a saída TTL) e a saída Y em outra porta lógica que serve como carga de saída. Ligue também os sinais de entrada X e de saída Y no osciloscópio para efetuar as medidas de atraso de propagação. Figura 1.2 Ensaio para medir os parâmetros de tempo. l) Efetuar a medida dos parâmetros t PLH e t PHL. Anote os valores obtidos. Apresente no relatório as formas de onda observadas. m) Calcule o tempo de propagação t P da porta lógica estudada. n) Compare os valores pesquisados e experimentais. Comente. o) Baseado nos parâmetros de tempo pesquisado e medido, qual é o intervalo de valores de frequências que pode ser usado na porta em análise? Justifique sua resposta. Medida do Atraso de Propagação com o componente CMOS p) Substitua agora a porta lógica TTL por um componente CMOS (por exemplo, 74HC00 ou 4011) na montagem da figura 1.2. q) Repita os itens (l) a (o) com este componente CMOS. 1.4. Desafios r) Interligação em Anel. Realize a montagem do ensaio apresentado na figura 1.3 para componentes TTL e CMOS. Figura 1.3 Circuito para verificar características dinâmicas. s) Anote as características elétricas e de tempo da forma de onda apresentada no ponto X do circuito. Inclua o sinal observado no relatório. t) Varie o número de portas em anel para 5, 7 ou mais componentes. Que formas de onda foram obtidas? Compare. u) Relacione os valores obtidos para as características de tempo das formas de onda no ponto X com as medidas de atraso de propagação dos componentes individuais. Caracterização de Portas Lógicas (2015) 3
1.5. Atividades Pós-Laboratório v) Com base nos resultados obtidos, responda as perguntas abaixo. 1. De acordo com o estudo dos intervalos de tensão para cada nível lógico, qual seria o resultado de se misturar componentes de tecnologias diferentes em uma montagem experimental? 2. O resultado do estudo com entradas em aberto mostram o nível lógico considerado pelo componente de acordo com a tecnologia adotada. A troca de um componente por outro em circuito digital pode influenciar o seu funcionamento de acordo com o componente usado? 3. Qual foi o componente estudado mais rápido? 4. Com base nos valores experimentais obtidos, qual é o maior valor de frequência que pode ser usado na entrada das portas lógicas estudadas? Justifique sua resposta. 5. Caso fosse necessário criar um bloco de retardo usando portas lógicas semelhantes aos estudados, qual é o número de portas necessário para se atrasar uma onda quadrada por pelo menos 45 ns? Justifique sua resposta. 6. Explique o funcionamento do circuito em anel da figura 2.3. 2. BIBLIOGRAFIA FREGNI, Edson e SARAIVA, Antonio M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher Ltda, 1995. MORRIS, Robert L. e MILLER, JOHN, R. (eds.) Projeto de Circuitos Integrados TTL. Editora Guanabara Dois, 1978. SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4ª edição, Makron Books, 2000. SIGNETICS. TTL Logic Data Manual, 1982. TEXAS INSTRUMENTS. The TTL Logic Data Book, 1994. TOCCI, R. J.; WIDMER, N.S.; MOSS, G.L. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. Prentice-Hall, 11 a ed., 2011. WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 4 th edition, Prentice Hall, 2006. 3. MATERIAL DISPONÍVEL Circuitos Integrados TTL: 7400 (TTL), 74HC00 e 4011 (CMOS). 4. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa, +5V 5%, 4A. 1 fonte de alimentação variável de 0 a 5V 5%, 4A. 1 osciloscópio digital. 1 multímetro digital. 1 gerador de pulsos. Caracterização de Portas Lógicas (2015) 4
Histórico de Revisões E.T.M. / 2001 (revisão) R.C.S. / 2002 (revisão) E.T.M. / 2003 (revisão da parte experimental) E.T.M. / 2004 (revisão) E.T.M. / 2005 (revisão) E.T.M. / 2011 (revisão) E.T.M. / 2012 (revisão da parte experimental) E.T.M. / 2013 (revisão) E.T.M. / 2014 (revisão da parte experimental) E.T.M. / 2015 (revisão) Caracterização de Portas Lógicas (2015) 5