Algumas características definem a performance de um circuito lógico. Essas características são a velocidade de comutação medida em termos do tempo de atraso de propagação, a dissipação de potência, o fan-out ou capacidade de acionamento, o produto velocidade-potência, a tensão de ali- mentação cc e os níveis lógicos de entrada e saída.
Tempo de Atraso de Propagação Esse parâmetro é o resultado de uma limitação na veloci- dade ou freqüência na qual o circuito lógico pode operar. Os termos baixa velocidade e alta ve- locidade, aplicados aos circuitos lógicos se referem ao tempo de atraso de propagação. Quanto menor o atraso de propagação, maior a velocidade do circuito e maior a freqüência na qual ele pode operar.
O tempo de atraso de propagação, tp, de uma porta lógica é o intervalo de tempo entre a
aplicação de um pulso na entrada e a ocorrência de um pulso resultante na saída. Existem duas for- V CC
V CC
Símbolo lógico no formato retangular com indicadores de polaridade. O símbolo de qualificação do inversor (1) aparece no bloco superior e se aplica a todos os blocos abaixo. (1 ) (2 ) (3 ) (4 ) (5 ) (6 ) (9 ) (8 ) (11) (10) (13) (12) (1 ) (2 ) (3 ) (4 ) (5 ) (6 ) (9 ) (8 ) (11) (10) (13) (12) 1
Diagrama lógico com símbolo característico GND (14) (7 ) (13) (11) (12) (10) (9 ) (5 ) (4 ) (2 ) (1 ) (6 ) (3 ) (8 ) (1 ) (3 ) (2 ) (4 ) (6 ) (5 ) (9 ) (8 ) (10) (12) (11) (13) (14) (7 ) GND
(a) Seis inversores
&
(b) Quatro portas NAND de 2 entradas
F I G U R A 3 – 6 2
Símbolos lógicos para um CI contendo seis inversores (sufixo 04) e um outro com quatro portas NAND de 2 en- tradas (sufixo 00). O símbolo se aplica aos mesmos dispositivos nas séries CMOS e TTL.
Circuitos lógicos de alta ve- locidade têm um tempo de atraso de propagação curto.
EXEMPLO 3–22
Mostre o tempo de atraso de propagação para o inversor da Figura 3–63(a).
Solução Os tempos de atraso de propagação, tPHLe tPLH, são indicados na parte (b) da figura. Nes-
se caso, os atrasos são medidos entre os pontos de 50% das bordas correspondentes dos pulsos de entrada e saída. Os valores de tPHLe tPLHnão são necessariamente iguais mas
em muitos casos eles são iguais.
Problema relacionado Um tipo de porta lógica tem uma especificação máxima para tPHLe tPLHde 10 ns. Para um
outro tipo de porta o valor é de 4 ns. Qual porta pode operar numa freqüência maior? mas diferentes de medir o tempo de atraso de propagação associado a uma porta lógica que se
aplica a todos os tipos de portas básicas:
■ tPHL: O tempo entre um ponto de referência especificado no pulso de entrada e o
correspondente ponto de referência no pulso de saída resultante, com a saída mudando de nível ALTO para nível BAIXO (HL).
■ tPLH: O tempo entre um ponto de referência especificado no pulso de entrada e o
correspondente ponto de referência no pulso de saída resultante, com a saída mudando de nível BAIXO para nível ALTO (LH).
F I G U R A 3 – 6 3 Entrada Saída tPHL tPLH 50% 50% Entrada H L Saída H L (a) (b)
Para portas da série TTL padrão, o atraso típico de propagação é de 11 ns e para portas da sé- rie F é de 3,3 ns. Para a série CMOS HCT, o atraso de propagação é de 7 ns, para a série AC é de 5 ns e para a série ALVC é de 3 ns. Todos os valores especificados dependem de certas condições de operação conforme especificadas nas folhas de dados.
Fonte de Tensão CC (VCC) As tensões de alimentação cc típicas para CMOS são 5 V, 3,3 V, 2,5
V ou 1,8 V, dependendo da categoria. Uma vantagem da CMOS é que a tensão de alimentação po- de variar ao longo de uma faixa maior que para TTL. O CMOS de 5 V pode tolerar uma variação na tensão de alimentação de 2 V a 6 V e ainda operar adequadamente embora o tempo de atraso de propagação e a dissipação de potência sejam afetados significativamente. O CMOS de 3,3 V pode operar com tensões de alimentação de 2 V a 3,6 V. A tensão de alimentação cc típica para TTL é 5,0 V com um mínimo de 4,5 V e um máximo de 5,5 V.
Dissipação de Potência A dissipação de potência, PD, de uma porta lógica é o produto da tensão
de alimentação cc e a corrente de alimentação média. Normalmente, a corrente de alimentação quan- do a saída da porta é nível BAIXO é maior que quando a saída da porta é nível ALTO. As folhas de dados do fabricante geralmente especificam a corrente de alimentação para a saída em nível BAIXO como ICCLe para o nível ALTO como ICCH. A corrente de alimentação média é determinada baseada
num ciclo de trabalho de 50% (a saída em nível BAIXO metade do tempo e em nível ALTO a outra metade do tempo), de forma que a dissipação de potência média de uma porta lógica é
As portas lógicas de séries CMOS têm baixas dissipações de potência comparadas com as sé- ries TTL. Entretanto, a dissipação de potência CMOS depende da freqüência de operação. Na fre- qüência zero a potência quiescente é tipicamente na faixa de microwatts/porta e na freqüência má- xima de operação ela está na faixa de miliwatts; portanto, a potência às vezes é especificada para uma dada freqüência. A série HC, por exemplo, tem uma potência de 2,75 W/porta a 0 Hz (quiescente) e 600 W/porta a 1 MHz.
A dissipação de potência para TTL é independente da freqüência. Por exemplo, a série ALS gasta 1,4 mW/porta independente da freqüência e a série F gasta 6 mW/porta.
Níveis Lógicos de Entrada e Saída VILé a tensão de entrada de nível BAIXO para uma porta
lógica e VIHé a tensão de entrada de nível ALTO. O CMOS de 5 V aceita uma tensão máxima de
1,5 V como VILe uma tensão mínima de 3,5 V como VIH. TTL aceita uma tensão máxima de 0,8 V
como VILe uma tensão mínima de 2 V como VIH.
VOL é a tensão de saída de nível BAIXO e VOH é a tensão de saída de nível ALTO. Para o CMOS de 5 V, o VOLmáximo é 0,33 V e o VOHmínimo é 4,4 V. Para TTL, o VOLmáximo é 0,4 V
e o VOHmínimo é 2,4 V. Todos os valores dependem das condições de operação conforme especi-
ficado nas folhas de dados.
Produto Velocidade-Potência Esse parâmetro (produto velocidade-potência) pode ser usado como uma medida de desempenho de um circuito lógico levando em conta o tempo de atraso de pro- pagação e a dissipação de potência. Ele é especialmente útil na comparação entre diversas séries de portas lógicas dentro das famílias CMOS ou TTL ou para comparação entre portas CMOS e TTL.
O produto velocidade-potência de um circuito lógico é o produto do tempo de atraso de pro- pagação pela dissipação de potência e é expresso em joules (J), que é a unidade de energia. A fór- mula é a seguinte:
SPP= tpPD
PD = VCC¢
ICCH + ICCL
2 ≤
Uma baixa dissipação de potência significa menos corrente drenada da fonte de alimentação cc.
Equação 3–2
Equação 3–3
EXEMPLO 3–23
Uma certa porta tem um atraso de propagação de 5 ns e ICCH= 1 mA e ICCL= 2,5 mA
com uma tensão de alimentação cc de 5 V. Determine o produto velocidade-potência.
Solução
Problema relacionado Se o atraso de propagação de uma porta é 15 ns e o produto velocidade-potência for 150 pJ, qual a dissipação média de potência?
SPP PD = VCC¢ ICCH + ICCL 2 ≤ = 5 V ¢ 2 ≤ 1 mA + 2,5 mA = (5 ns)(8,75 mW) = 43,75 pJ = 5 V(1,75 mA) = 8,75 mW
Fan-out e Acionamento de Cargas O fan-outde uma porta lógica é o número máximo de en- tradas que pode ser conectado na saída da porta mantendo ainda os níveis de tensão dentro dos li- mites especificados. O fan-out é um parâmetro significativo apenas para TTL por causa do tipo de tecnologia de circuito. Devido às altas impedâncias associadas com os circuitos CMOS, o fan-out é muito alto porém depende da freqüência devido os efeitos capacitivos.
O fan-out é especificado em termos de unidades de cargas. Uma unidade de carga para uma porta lógica é igual a entrada de um circuito. Por exemplo, uma unidade de carga para uma porta NAND 74LS00 é igual a uma entrada para uma outra porta lógica da série 74LS (não necessaria- mente uma porta NAND). Devido à corrente de entrada em nível BAIXO (IIL) de um 74LS00 ser
0,4 mA e a capacidade de corrente de saída em nível BAIXO (IOL) se 8,0 mA, o número de unida-
des de cargas que uma porta 74LS00 pode acionar em nível BAIXO é
A Figura 3–64 mostra uma porta lógica LS acionando um número de outras portas da mesma tecnologia de circuito, onde o número de portas depende da tecnologia de circuito em particular. Por exemplo, como já estudamos, o número máximo de entradas de portas (unidades de carga) que uma porta da série TTL 74LS pode acionar é 20.