INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA Curso superior de Engenharia Elétrica
Jonas Fortunato Honorato
Famílias Lógicas de Circuitos Integrados
Florianópolis 2013
Circuitos Integrados Circuitos integrados são constituídos de varias portas logicas integradas a uma mesma pastilha de silício, de maneira a obter-se vários circuitos em um pequeno espaço, trazendo vantagens como: custo reduzido devido a produção em grande escala, sistemas mais confiáveis, redução de potencia elétrica consumida. Possuem também algumas limitações, pois estes não suportam correntes ou tensões elevadas.
Parametros de tensão e corrente Apesar do grande número de fabricantes de circuitos integrados, grande parte das nomenclaturas e terminologias nesta área é padronizada, estes são os termos mais utilizados: VIH: Tensao de entrada correspondente ao nível lógico alto. Qualquer nível de tensão abaixo deste não será considerado nível lógico alto por um circuito digital. VIL: Tensão de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo. Qualquer tensão acima deste nível não será considerada nível lógico baixo por um circuito digital. VOH: Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Alto. Tal parâmetro normalmente é especificado por seu valor mínimo.2 VOL: Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Baixo. Tal parâmetro normalmente é especificado por seu valor máximo. IIH: Corrente de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Alto. Valor da corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nível lógico alto é aplicado em tal entrada. IIL: Corrente de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo. Valor da corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nível lógico baixo é aplicado em tal entrada. IOH: Corrente de Saída Correspondente ao Nível Lógico Alto. Valor da corrente que circula na saída de um circuito digital, quando um nível lógico alto é gerado em tal circuito, respeitadas as limitações para carregamento da saída. IOL: Corrente de Saída Correspondente ao Nível Lógico Baixo. Valor da corrente que circula na saída de um circuito digital, quando um nível lógico baixo é gerado em tal circuito, respeitadas as limitações para carregamento da saída. Fonte: (LIMA, 2011)
Fan-Out Fan-out, também chamado de fator de carga, é o número de máximo de entradas de circuitos lógicos que uma saída pode alimentar de maneira confiável. Se este número for excedido os níveis de tensão na saída do circuito podem não r espeitar as especificações. Por exemplo, um circuito lógico com fan-out 5 pode alimentar até 5 entradas de circuitos lógicos. O calculo do fan-out de um circuito logico é mostrado abaixo. () ()
Acrescentando que, se o fan-out baixo for diferente do fan-out alto deve-se usar o menor deles. Fonte: (LIMA, 2011)
Atrasos de propagação
Um sinal logico sempre sofre atrasos na sua passagem por um circuito lógico. Existem dois tempos de atraso de propagação, estes são definidos da seguinte forma: TPLH: tempo de retardo correspondente à passagem do nível lógico 0 para o nível lógico 1. TPHL: tempo de retardo correspondente à passagem do nível lógico 1 para o nível lógico 0. Em geral ambos possuem valores diferentes. Estes valores são utilizados para comparar a velocidade de operação de circuitos lógicos. Fonte: (LIMA, 2011)
Imunidade ao ruído (margem de ruído)
Picos de corrente elétrica e campos magnéticos podem gerar tensões nas conexões dos circuitos lógicos, estas tensões são chamadas de ruídos. A Imunidade ao ruído é a capacidade de um circuito logico de tolerar essas tensões sem que se altere seu funcionamento. O valor calculado para a imunidade ao ruído de um circuito logico denomina-se margem de ruído, e é calculado da seguinte forma:
Margem de ruído para o nível alto: V NH = VOH - VIH Margem de ruído para o nível baixo V NL = VIL - VOL Fonte: (LIMA, 2011)
Escalas de integração
São a quantidade de dispositivos ativos dentro de um circuito integrado. As escalas estão representadas na tabela a seguir.
Fonte e tabela: (WENDLING, 2010)
Família TTL (Transistor-Transistor Logic)
O TTL é uma designação para circuitos digitais que trabalham com 5V e utilizam transistores bipolares. Esses transistores bipolares possuem vários emissores e são chamados de multiemissores, que diminuem o numero de transistores necessários para a construção de uma porta lógica. Pode-se encontrar os circuitos TTL comercialmente em duas séries, uma delas é a padrão, que se inicia com os números 74, e outra de uso militar, se inicia com os números 54. A diferença desta ultima é que ela suporta uma ampla faixa de temperaturas. Características gerais: Alimentação (Vcc): 5V. Fan-out: 10 Potencia dissipada: 10mW Atraso de propagação tPHL – 11ns (Low to High) tPLH – 7ns (High to Low) Fonte: (WENDLING, 2010)
Família CMOS
È uma família de cujos circuitos são constituídos por transistores do tipo MOSFET complementares do tipo canal N e canal P. Suas configurações básicas permitem um alto fan-out, alta imunidade ao ruído e baixo consumo. A família CMOS é encontrada em duas séries comerciais, sendo elas a 4000 e a 74C, sendo esta ultima semelhante a família TTL com relação à pinagem Características gerais: Alimentação(Vdd) : para a série 4000 de 4V a 15V;para a versão HC de 2V a 6V; para a versão HCT de 4,5V a 5,5V. Atraso de propagação: para a série 4000 de 90ns, para as versões HC/HCT, 8ns. Potencia dissipada: para a série 4000 aproximadamente 1nW, para a versão 74HC, 2,5nW. Fan-out: Geralmente 50 Fonte: (WENDLING, 2010)
Encapsulamento de CIs
Estes são os encapsulamentos mais comuns para CIs:
São eles: (a) DIP (dual-in-line package) de 24 pinos; (b) envoltório de cerâmica flexível de 14 pinos; (c) envoltório montado sobre a superfície (surface-mount). O envoltório é uma embalagem hermeticamente fechada feita de cerâmica flexível não condutora, fazendo do chip totalmente imune aos efeitos da umidade. Fonte e imagem: (LIMA, 2011)
Interfaceamentos com TTL e CMOS
O resistor de 3.3 kohm minimiza a imcompatibilidade gerada por voh = 2.4V na saída de uma porta TTL e o Vih = 3.5V necessário na entrada de uma porta CMOS.(...) Para reduzir ao máximo o tempo de computação da porta CMOS (função do processo de carga-descarga do capracitor em sua entrada) o resistor pode ser reduzido até 330ohm. ” (CASTRO, 2002). “
Devido a baixa capacidade de corrente de CIs CMOS, a maneira mais segura de acionar uma ou mais portas TTL através de uma porta CMOS é utilizar um buffer CMOS, como o 74C902, o CD4049A (porta NOT bufferizada), o CD4050A, etc. Um buffer é um CI que é projetado com uma capacidade de corrente de saída maior que os CIs padrão. ” (CASTRO, 2002). “
Fonte e imagens: (CASTRO, 2002)
Tristate para TTL São conhecidos como tristate os componentes TTL que operam em três estados: nível alto, baixo e alta impedância. Quando a saída de um dispositivo esta em alta impedância, ele não emite nem absorve corrente, pois fica com esta saída desconectada, o que pode permitir a ligação de vários dispositivos em uma única linha de dados Fonte: (WENDLING, 2010)
Exemplos de CIs com suas respectivas configurações internas
A
B
S
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
CI 7400 NAND 2 entradas.
CI 7402 NOR 2 entradas.
A
B
S
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
CI 7408 AND 2 entradas. A
B
S
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
CI 7432 OR 2 entradas.
A
B
S
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
CI 7404 NOT.
A
S
0
1
1
0
Bibliografia LIMA, José Antônio de. Circuitos Integrados e Famílias Lógicas. Universidade Federal da Paraíba, Departamento de Informática. 2011. Disponível em:< http://www.di.ufpb.br/jose/familias.pdf>. Acesso em 11/12/13. WENDLING, Marcelo. Famílias Lógicas I-II. Universidade estadual paulista Júlio de Mesquita Filho, colégio técnico. 2010. Disponível em: . Acesso em 11/12/13. CASTRO, Fernando César Comparsi de. Eletrônica digital capítulo IV – Famílias Logicas. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, departamento de engenharia elétrica. 2002. Disponível em . Acesso em 11/12/13.
