Características Básicas de CIs Digitais
Cls digitais são uma coleção de resisiores. diodos c transistores fabricados em um único pedaço de material semicondutor (geralmente silício), denominado substrato comumcnte conhecido como chip. O chip é confinado em um encapsulamento protetor plástico ou cerâmico, a partir do qual saem pinos para conexào do Cl com outros dispositivos.
Um dos tipos de encapsulamento mais comuns é o dual-in-line package (DIP). mostrado na Figura abaixo, assim denominado porque contém duas linhas de pinos em paralelo. Os pinos são numerados no sentido anti-horário, quando o encapsulamento é visto de cima. a partir da marca de identificação (entalhe ou ponto) situada em uma das extremidades do encapsulamento.
Nesse caso, o DIP mostrado é de 14 pinos e mede 19,05 mm por 6,35 mm. Encapsulamentos de 16, 20, 24, 28, 40 e 64 pinos também são usados. A figura abaixo mostra que o chip de silício é, na verdade, muilo menor que seu DIP; O chip de silicio é conectado aos pinos do DIP por meio de fios muito finos (0.025 mm de diâmetro). O DIP é, provavelmente, o encapsulamento para CIs digitais mais fácil de ser encontrado em equipamentos digitais antigos, pois outros tipos se tornaram mais populares.
CIs digitais são classificados de acordo com a complexidade de seus circuitos, medida pelo número de portas lógicas equivalentes em seu substrato. Existem atualmente seis níveis de complexidade, normalmente definidos conforme a tabela abaixo.
CIs digitais bipolares e unipolares
CIs digitais também podem ser classificados de acordo com o principal tipo de componente eletrônico usado nos circuitos. CIs bipolares são aqueles fabricados utilizando transistores bipolares de junção (NPN e PNP) como principal elemento de circuito. CIs unipolares são aqueles que usam transistores unipolares de efeito-de-campo (MOSFETs canal P e canal N) como elemento principal. A família TTL (lógica transistor-transistor) tem sido a principal família de CIs digitais bipolares nos últimos 40 anos. A série 74 padrão foi a primeira de CIs TTL. Ela não é mais usada em novos projetos, tendo sido substituída por várias series de alto desempenho, mas a configuração básica de seu circuito é a base de todas as séries de CIs TTL.
A família TTL foi a principal íamilia de CIs nas categorias SSI e MSI até a década de 1990. Desde então, a família CMOS tem gradualmente substituído a TTL. A família CMOS (complementar metal-óxido-semicondutor) faz parte de uma classe de Cls digitais unipolares, porque usa MOSFETs canal P e canal N como elemento principal do circuito. A Figura abaixo mostra o circuito de um INVERSOR padrão TTL e CMOS.
Se compararmos os dois circuitos, fica evidente que a versão CMOS usa poucos componentes. Essa é uma das principais vantagens da família CMOS sobre a TTL. Graças à simplicidade e forma compacta, além de outras qualidades superiores dos CMOS, os CIs modernos de grande escala são fabricados predominantemente com tecnologia CMOS.
Faixas de tensão para os níveis lógicos
Para dispositivos TTL, a tensão de alimentação VCC é +5 V (nominal). Para dispositivos CMOS, a alimentação VDD pode variar de +3 a +18 V, embora a tensão mais usada seja de +5V, para manter a compatibilidade com dispositivos TTL, que podem compartilhar a mesma alimentação em alguns circuitos.
Os níveis lógicos BAIXO e ALTO (0 e 1, respectivamente), entretanto, são diferentes para os dois padrões. Para o padrão TTL, o nível lógico 0 é definido com sendo entre 0 e 0,8 V, enquanto que no padrão CMOS fica entre 0 e 1,5 V. O nível lógico 1 é de valores de tensão entre 2 e 5 V para o TTL, e entre 3,5 e 5 V para o CMOS (quando esse é alimentado com +5 V).
Em ambos os padrões, há uma faixa de valores onde o nível lógico é indeterminado, e o fabricante não garante qual será a interpretação do circuito quando esses valores forem colocados em suas entradas. No padrão TTL, essa faixa de 0,8 a 2,0 V, e no CMOS, vai de 1,5 a 3,5 V.
Família TTL
A família lógica TTL consiste, na verdade, de várias sub-famílias ou séries. A tabela abaixo relaciona o nome de cada uma com o prefixo usado para identificar os diferentes CIs que fazem parte dessas séries. Por exemplo, CIs que fazem parte da TTL padrão tem um número de identificação iniciado por 74, como o 7402, 7438 e o 7423. Da mesma maneira, CIs que pertencem
à série TTL Schottky de baixa potência (low-power Schottky) têm seu número de identificação começando por 74LS, como o 74LS02, 74LS38, etc.
As principais diferenças entre as séries TTL têm a ver 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. Por exemplo, o 7404, 74S04, 74LS04, 74AS04 e o 74ALS04 são todos CIs com seis INVERSORES. A tabela abaixo apresenta uma comparação de desempenho dos diversos tipos de CIs TTL.
Além das siglas colocadas depois do prefixo 74, podem haver siglas também antes do prefixo. Tais siglas representam o fabricante do CI, sem alterar a padronização de sua função a partir do seu sufixo. Por exemplo a Texas Instruments usa o prefixo SN, a National Semiconductor usa DM, e a Signetics usa S. Assim, dependendo do fabricante, você pode ver um chip quádruplo de portas NOR denominado DM7402, SN7402, S7402 ou similar. A parte importante é o número 7402, que é o mesmo para todos os fabricantes.
Entradas não conectadas
Qualquer entrada para um circuito TTL que é deixada desconectada (aberta) atua exatamente como o nível lógico 1 aplicado a ela, pois em ambos os casos a junção base-emissor, ou o diodo na entrada, não estará diretamente polarizada. Isso significa que, em qualquer CI TTL, todas as entradas são 1s se não estão conectadas a algum sinal lógico ou a GND. Quando uma entrada está desconectada, diz-se que está flutuando.
Frequentemente, nem todas as entradas de um CI TTL são usadas em determinada aplicação. Um exemplo comum é quando nem todas as entradas de uma porta lógica são necessárias para a função lógica requisitada. Por exemplo, suponha que precisamos da operação lógica AB e que estamos usando um CI com uma porta NAND de três entradas. Os modos possíveis de tratar isso são mostrados na figura abaixo.
Na figura (a), a entrada não utilizada está desconectada, o que significa que atua como nível lógico 1. A saída da porta NAND é, portanto, x = A⋅B⋅1 = A⋅B , que é o resultado desejado. Embora a lógica esteja correta, não é desejável deixar uma entrada desconectada, pois ela atua como antena e pode captar sinais irradiados capazes de causar o funcionamento inadequado da porta.
A melhor técnica é mostrada na figura (b). Nesse caso, a entrada não utilizada é conectada a +5 V por um resistor de 1 kΩ, de modo que o nível lógico é 1. O resistor de 1 kΩ serve simplesmente para proteção de corrente das junções base-emissor das entradas da porta, no caso de spikes na fonte de alimentação. Essa mesma técnica pode ser usada para porta AND, já que 1 em uma entrada não utilizada não afetará a saída. Até trinta entradas não utilizadas podem compartilhar o mesmo resistor de 1 kΩ ligado a VCC.
Uma terceira possibilidade é mostrada na figura (c), em que a entrada não utilizada é ligada a uma utilizada. Isso é satisfatório, contanto que o circuito acionador da entrada B não tenha o fan-out excedido. Essa técnica pode ser usada para qualquer tipo de porta. Para portas OR e NOR, as entradas não utilizadas não podem ficar desconectadas nem ligadas a +5 V, visto que isso produzirá um nível lógico constante na saída (1 para OR, 0 para NOR), independentemente das outras entradas. Em vez disso, para essas portas, as entradas não utilizadas devem ser conectadas a GND (0 V) para nível 0 ou devem ser ligadas a entradas usadas, como na figura (c).
Família CMOS
O termo tecnologia MOS (metal-óxido-semicondutor — metal-oxide-semiconductor) é derivado da estrutura básica MOS, que consiste de um eletrodo de metal sobre um óxido isolante, que por sua vez está sobre um substrato de semicondutor. Os transistores implementados com essa tecnologia são transistores de efeito de campo denominados MOSFETs. Isso significa que o campo elétrico do eletrodo de metal, do lado do óxido isolante, tem efeito sobre a resistência do substrato.
A maioria dos CIs de tecnologia MOS é constituída somente de MOSFETs. As principais vantagens do MOSFET são ser relativamente simples, de baixo custo de fabricação, pequeno e consumir pouquíssima potência. A fabricação de CIs MOS apresenta 1/3 da complexidade de fabricação de CIs bipolares (TTL, ECL etc.). Além disso, os dispositivos MOS ocupam menos espaço no chip se comparados a transistores bipolares.
O mais importante é que os CIs digitais MOS em geral não usam os elementos resistores nos CIs que ocupam uma área relativamente grande nos chips de CIs bipolares. Em resumo, os CIs MOS podem acomodar um número muito maior de elementos de circuito em um único chip. Essa vantagem é evidenciada pelo fato de que os CIs MOS têm dominado os CIs bipolares na área da integração em larga escala (LSI, VLSI).
A alta densidade de encapsulamento dos CIs MOS os torna especialmente adequados para CIs complexos, tais como chips de microprocessadores e memórias. Aperfeiçoamentos na tecnologia MOS conduziram a dispositivos mais rápidos que as séries 74, 74LS e 74ALS, com características de acionamento de corrente comparáveis. Assim, os dispositivos MOS (especialmente CMOS) também têm dominado o mercado de dispositivos SSI e MSI. A família TTL 74AS ainda é mais rápida que o melhor dispositivo CMOS, porém, a um custo de uma dissipação de potência muito maior.
A principal desvantagem dos dispositivos MOS é o risco de ser danificados por eletricidade estática. Embora isso possa ser minimizado por procedimentos adequados de manuseio, os TTL ainda são muito mais duráveis para experimentos de laboratório. Por consequência, você provavelmente verá dispositivos TTL sendo usados no aprendizado enquanto estiverem disponíveis.
Várias séries CMOS disponíveis estão relacionadas na tabela abaixo. A série 4000 é a 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. Por exemplo, o CI quádruplo NOR 4001 contém quatro portas NOR de duas entradas, assim como o CI TTL 7402, mas as entradas e as saídas das portas do chip CMOS não têm a mesma pinagem que os sinais correspondentes no chip 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. Por exemplo, o 74C02, o 74HC02 e o 74HCT02 possuem a mesma pinagem que o 7402, o 74LS02, e assim por diante. As séries 74HC e 74HCT operam a uma velocidade mais alta que os dispositivos da 74C.
A série 74HCT foi projetada para ser eletricamente compatível com dispositivos TTL, ou seja, um circuito integrado 74HCT pode ser diretamente conectado a dispositivos TTL, sem que seja necessário circuito de interface. As séries 74AC e 74ACT são CIs de altíssimo desempenho. Nenhum deles é compatível pino a pino com TTL. Os dispositivos 74ACT são eletricamente compatíveis com TTL.
Entradas CMOS nunca devem ficar desconectadas. Todas devem ser conectadas a um nível de tensão fixo (0 V ou VDD) ou a alguma outra entrada. Essa regra se aplica também à entrada de portas lógicas que não foram usadas em um CI. Uma entrada CMOS não conectada é suscetível a ruído e a eletricidade estática, que poderiam facilmente polarizar os MOSFETs canal P e canal N para um estado de condução, resultando no aumento da dissipação de potência e em possível superaquecimento.
Entradas não conectadas
Entradas CMOS nunca devem ficar desconectadas. Todas devem ser conectadas a um nível de tensão fixo (0 V ou VDD) ou a alguma outra entrada. Essa regra se aplica também à entrada de portas lógicas que não foram usadas em um CI. Uma entrada CMOS não conectada é suscetível a ruído e a eletricidade estática, que poderiam facilmente polarizar os MOSFETs canal P e canal N para um estado de condução, resultando no aumento da dissipação de potência e em possível superaquecimento.
Saídas Lógicas Tri-State
A configuração tristate é um terceiro tipo de circuito usado nas famílias TTL e CMOS. Esse tipo aproveita a alta velocidade da configuração de saída pull-up/pull-down ao mesmo tempo em que possibilita que as saídas sejam conectadas para compartilhar um fio. É denominada tristate porque permite três estados na saída: ALTO, BAIXO e alta impedância (Hi-Z).
O estado de alta impedância é uma condição na qual os dois transistores, pull-up e pull-down, são desligados (OFF), e o terminal de saída fica em alta impedância tanto para GND quanto para a tensão de alimentação +V. Dispositivos com saída tristate têm uma entrada enable (habilitar), com frequência denominada E para enable ou OE para output enable.
Quando OE = 1, o circuito opera normalmente porque o nível lógico ALTO em OE habilita a saída, que será nível ALTO ou BAIXO dependendo da entrada. Quando OE = 0, a saída é desabilitada. A saída entra no estado de alta impedância tendo os dois transistores de saída em corte. Nesse estado, o terminal de saída é um circuito aberto (não está eletricamente conectado a nada).
As saídas dos CIs com tristate podem ser conectadas (compartilhando o uso de um fio) sem sacrificar a velocidade de chaveamento. Isso é possível devido à saída tristate que, quando habilitada, opera como totem-pole para TTL ou pull-up/pull-down CMOS com baixa impedância e alta velocidade.
Entretanto, é importante perceber que, quando saídas tristate estão conectadas, por vez apenas uma deve ser habilitada. Caso contrário, duas saídas ativas competiriam pelo controle do fio, conforme discutimos antes, provocando altas correntes e níveis lógicos inválidos. O fio compartilhado é chamado de linha de barramento. Um barramento de entrada é construído com várias linhas (fios) usadas para transportar uma informação digital entre dois ou mais dispositivos.
Além dos buffers tristate, muitos CIs são projetados com saídas tristate. Por exemplo, o 74LS374 é um CI registrador de oito FFs do tipo D com saídas tristate. Isso significa que é um registrador de oito bits construído com FFs do tipo D cujas saídas são conectadas a buffers tristate. Esse tipo pode ser conectado a linhas comuns de barramento, junto com saídas de outros dispositivos similares, para permitir uma transferência eficiente de dados pelo barramento.
Outros tipos de dispositivos lógicos disponíveis com saídas tristate incluem decodificadores, multiplexadores, conversores analógico-digitais, chips de memória e microprocessadores.
Interfaceamento de CIs
Interfaceamento significa conectar a(s) saída(s) de um circuito ou sistema na(s) entrada(s) de outro com características elétricas diferentes. Em geral, não pode ser feita conexão direta porque existem diferenças nas características elétricas entre o circuito acionador, que fornece o sinal de saída, e a carga, que recebe o sinal.
Um circuito de interface é conectado entre o acionador e a carga, como mostra a figura abaixo. Sua função é receber o sinal de saída do acionador e condicioná-lo para que seja compatível com os requisitos da carga. Nos sistemas digitais, isso é bastante simples, porque cada dispositivo está
ligado ou desligado. A interface precisa assegurar que, quando as saídas do acionador estiverem em nível ALTO, a carga receba um sinal percebido como de nível ALTO e, quando estiverem em nível BAIXO, a carga receba de nível BAIXO.
O circuito de interface mais simples e desejável entre acionador e carga é uma conexão direta. É óbvio que dispositivos que pertencem à mesma série são projetados para fazer interface uns com os outros. Hoje em dia, contudo, muitos sistemas são compostos por famílias, tensões e séries mistas. Assim, o desafio é assegurar que o acionador seja capaz de ativar a carga nos estados ALTO e BAIXO de modo confiável.
Em qualquer dos casos mostrados na figura, em que o VOH do acionador é suficientemente maior que o VOH(mín) da carga e o VOL do acionador é suficientemente menor que o VIL(máx), não há necessidade de um circuito de interface que seja mais que uma conexão direta. ‘Quão maior?’ e ‘Quão menor?’ são as perguntas relacionadas a quanto ruído é esperado no sistema.
Resumindo, dispositivos lógicos serão compatíveis em termos de voltagem, e nenhuma interface será necessária sob as seguintes circunstâncias:
Lista de CIs comerciais
Uma pequena lista dos CIs mais básicos e conhecidos é ilustrado na lista abaixo. Vários desses circuitos existem em diferentes subfamílias TTL e CMOS, variando, como dito anteriormente, a performance e algumas características elétricas.
Como exemplo, as figuras abaixo mostram as pinagens de alguns desses CIs, que são a principal referência para a montagem de circuitos digitais.
CI 74 00 – 4 portas NAND de duas entradas
