Interface eléctrica e desempenho de circuitos lógicos

Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistemas de Microcomputadores — 2002/2003

Interface eléctrica e desempenho de circuitos lógicos

Sumário – A realização de sistemas de microcomputadores requer que para além do projecto lógico, i.e., da

funcionalidade pretendida para o sistema expressa pelo programa que especifica essa funcionalidade, sejam também considerados os aspectos electrónicos envolvidos na implementação dessa funcionalidade. Aqui estamos a incluir as questões de compatibilidade de níveis de tensão entre componentes de famílias lógicas de diferentes tecnologias, a interface entre circuitos lógicos e componentes discretos tais como transístores, LEDs, circuitos alimentados a diferentes tensões, botões de pressão e interruptores. Para tratar estas questões é necessário conhecer alguns detalhes da electrónica de realização desses circuitos, e quais as grandezas envolvidas. Nestes primeiros trabalhos serão abordadas estas questões com vista a fixar alguns conhecimentos essenciais.

Interface entre portas lógicas e componentes discretos

Uma das portas lógicas comummente usadas em circuitos digitais é o inversor. Na família 74YYYxx encontramos inversores no 74YYY04 (conjunto de 6 inversores), nos 74YYY05, 74YYY06, e 74YYY16 (6 inversores com saída em colector aberto), e no 74YYY14 (6 inversores do tipo Schmitt Trigger). O uso de um deles não é indistinto de qualquer outro. Os Y incluídos nas designações anteriores identificam o tipo de tecnologia usada (ver Anexo A).

Figura 1 - Porta inversor.

O circuito da figura 1 implementa uma porta semelhante à encontrada no 7404 em tecnologia CMOS. Desenhe o circuito no EWB (Electronics Workbench) usando os seguintes parâmetros para os transístores (abra a janela das propriedades dos transístores, crie uma nova Library, copie para lá o modelo ideal, e altere os seguintes parâmetros para os valores indicados):

Transístor de canal N: KP = 45.3E-6, VTO = 0.72 V, TOX = 51.5E-9, NSUB = 2.8E15, RS = 40, RD = 40

Transístor de canal P: KP = 22.1E-6, VTO = -0.71, TOX = 51.5E-9, NSUB = 3.3E16, RS = 80, RD = 80

Exercício 1 – Simule o circuito e registe os valores da tensão de saída para os

quais a tensão de entrada vale 0,7VDD na transição 0è1, e 0,3VDD na

transição 1è0. Converta essas tensões em valores lógicos.

Nas folhas de características de circuitos lógicos são dados valores de VIH e VIL. Para circuitos em tecnologia CMOS

(Complementary Metal Oxide Semiconductor), por exemplo para a família AHC, estes valores são tipicamente, respectivamente, 70% e 30% de VCC.

A carga usada na saída deste inversor é uma capacidade de baixo valor. Esta é, de facto, a situação comum quando se liga circuitos CMOS entre si, porque a porta dos transístores apresenta um comportamento essencialmente capacitivo. A corrente consumida pela entrada de um circuito CMOS é praticamente desprezável nas situações e condições que nos

interessam. Note que na verdade durante as transições há lugar à circulação de um corrente de carga e descarga das capacidades de entrada dos circuitos ligados a essa saída.

Figura 2 – Circuito de saída de um componente da família AHC.

Além de presente nas portas inversoras o circuito inversor é usado também como circuito de saída em outras portas e circuitos digitais, tal como se mostra na Figura 2.

Em regime estacionário o inversor pode representar-se pelo circuito equivalente mostrado na figura 3. Neste circuito os transístores são representados por interruptores comandados pela tensão de entrada, que em condução apresentam uma resistência equivalente de valor Rcond. Exercício 2 – No circuito do exercício 1 no EWB substitua a capacidade

de carga por uma resistência de 47kΩ, e meça a tensão de saída resultante no estado 1. Conhecendo este valor pode estimar o valor da resistência equivalente RcondP. Qual é? Qual o valor da corrente fornecida

pelo circuito? Ligando agora a carga a VCC (porquê?), a partir da tensão de saída no estado 0 estime o valor RcondN?

RcondP

RcondN

VCC

Figura 3 – Circuito equivalente do inversor.

Se se pretender que o sinal de saída do inversor seja usado para, por exemplo acendermos um LED, não podemos simplesmente ligar o LED a esta saída! É necessário primeiro conhecer as características eléctricas do LED.

Tabela 1 – Exemplo de características eléctricas de um LED.

VF Forward Voltage

Bright Red High Efficiency Red Green

Yellow

Super Bright Red

2,0 - 2,5 V 2,0 - 2,5 V 2,2 - 2,5 V 2,1 - 2,5 V 1,85 - 2,5 V IF=20 mA

Exercício 3 – Considere as características de LEDs apresentadas na tabela 1. Usando o circuito equivalente da figura 3

esboce a forma de onda observada à saída do inversor, se à entrada tivermos uma onda quadrada e se se ligar o LED directamente à saída (ànodo à saída e cátodo à massa). Que condições é necessário verificarem-se para que o LED funcione? Que conclui? Identifique duas consequências de tal procedimento.

A ligação de uma carga à saída de um circuito digital não pode fazer-se se o circuito de saída (neste caso os dois transístores) não apresentar uma característica corrente/tensão adaptada à característica corrente/tensão da carga em cada um dos estados 0 e 1. Isto é, em cada um dos estados, os valores de corrente e de tensão devem ficar localizados nas áreas definidas pelos limites de corrente e de tensão especificados. Estes limites estabelecem os valores extremos admissíveis para que a tensão de saída seja “entendida” como 0 ou como 1 (Figura 4) por outro circuito digital que se encontre a jusante.

V

V

V

I

I

0

1

0

₁

0

I

I

V

Figura 4 – Os níveis lógicos 0 e 1 são definidos por limites de tensão que requerem a satisfação de limites de corrente no circuito.

Exercício 4 – É possível, num circuito lógico, obter valores da corrente de saída IO superiores a IOH no nível lógico 1, e a

IOL no nível lógico 0 (Sugestão: consulte as características em anexo)?

1

I

V

Figure 5 - Ligação de LED à saída do inversor.

Para que possamos então ligar o LED satisfazendo os níveis de corrente e tensão por este exigidos e simultaneamente os limites especificados para a saída do circuito, os pontos de funcionamento nos dois níveis lógicos devem localizar-se dentro das áreas respectivas, tal como representado na Figura 4

(a ponteado representam-se transições hipotéticas do ponto de funcionamento entre os dois estados). Para isso é necessário colocar um resistência em série com o LED de modo que a queda de tensão no LED e na resistência dê um valor dentro da gama entendível como um 1, e a corrente consumida satisfaça simultaneamente, a pretendida para o LED e seja inferior (em módulo) a IOH.

Os transístores que usamos no inversor da Figura 1 apresentam uma resistência de condução demasiado elevada para este efeito. Para reduzir esta resistência, na simulação, podemos simplesmente aumentar o ganho (KP) dos transístores. Num circuito real teríamos que substituir o inversor ou proceder a uma amplificação de corrente usando, por exemplo, um transístor.

Exercício 5 – Considerando as características de um dos LEDs da Tabela 1, dimensione o valor da resistência a inserir com o LED para que sejam satisfeitas essas características (como LED use a célula LED2 disponível no ícone Favorites). Simule o circuito no EWB. Que conclui dos resultados obtidos? Refaça o circuito usando um transístor para amplificar a corrente de alimentação do LED.

Interface entre portas lógicas de diferentes famílias lógicas

Os valores de VOH, VOL, IOH, e IOL, dependem da tecnologia usada para implementar o circuito. A Figura 6 ilustra o circuito

de uma porta inversor realizada em tecnologia bipolar, da família 74LS (Low-power Schottky). É desde já visível que o nível de complexidade do circuito é significativamente maior. Note que, enquanto no inversor CMOS se tinha apenas um transístor entre o terminal de saída e cada um dos barramentos de alimentação, nos circuitos em tecnologia bipolar em geral tem-se mais do que um componente. Por outro lado, há um percurso de resistência significativamente mais baixa entre o terminal de entrada e os terminais de alimentação. Repare-se ainda que, enquanto no circuito CMOS apenas um dos transístores conduz em cada estado pelo que não há corrente a circular entre os terminais de alimentação, no bipolar há sempre condução de corrente entre estes terminais.

Figura 6 – Porta inversor 74LS04.

Exercício 6 – Que consequências imediatas têm estes factos? Exercício 7 – Desenhe e simule o circuito ilustrado na Figura 7 usando o modelo do 74LS04 disponível na biblioteca de células (Favorites). Registe os valores da tensão de saída nos dois estados 0 e 1 e compare-os com os obtidos com o inversor CMOS.

A interface entre componentes de famílias de tecnologias diferentes, requer que se avalie a compatibilidade entre os valores de tensão que definem os valores lógicos da saída de um componente, e os valores de tensão que são correctamente interpretados como sendo esses mesmos valores lógicos na entrada de outro componente a ela ligado. A Figure 8 compara as gamas de valores de tensão de entrada e de saída de componentes das famílias 74HC e 74LS nos dois níveis lógicos.

Figura 7 74HC 74LS 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 V CC

H

H

H

H

L

L

L

L

V

V

(V)

Figure 8 - Níveis de tensão e margens de ruído das famílias HC e LS.

Exercício 8 – Preencha a tabela 2, identificando em cada célula, a possibilidade de se fazer uma ligação simples ou não

de um componente para o outro.

Tabela 2 – É possível ligar-se directamente um componente ao outro?

De \ para 74LSx 74AHCx

74LSx

Anexo A – Séries de famílias lógicas

Família Descrição Família Descrição

74 True TTL 74L Low power

74S Schottky 74H High speed

74LS Low power - Schottky 74AS Advanced - Schottky

74ALS Advanced - Low power - Schottky 74F(AST) Fast - (Advanced - Schottky)

74C CMOS (verificar níveis de Vcc) 74HC (U) High speed - CMOS (Unbuffered

output)

74HCT High speed - CMOS - entradas

TTL 74AHC Advanced - High speed - CMOS

74AHCT Advanced - High speed - CMOS -

entradas TTL 74FCT (-A,-T,-AT)

Fast - CMOS - entradas TTL (speed variations)

74AC Advanced - CMOS 74ACT Advanced - CMOS - entradas

TTL

74FACT AC, ACT (Q) series 74ACQ Advanced - CMOS - Quiet

outputs

74ACTQ Advanced - CMOS - entradas TTL - Quiet outputs

Famílias de ligação a barramentos e linhas de transmissão

74ABT Advanced - BiCMOS -

Technology 74ABTE

ABT - Enhanced Transceiver Logic

74ABTH Advanced - BiCMOS -

Technology - bus Hold 74BCT BiCMOS – entradas TTL

74BTL Backplane - Transceiver - Logic

(BiCMOS) 74FB Futurebus+

74GTL Gunning - Transceiver - Logic 74GTLP GTL - Plus

Famílias de baixa tensão de alimentação

74ALB Advanced - Low Voltage -

BiCMOS 74LV (U)

Low - Voltage (Unbuffered output) (CMOS)

74LVC (R) (U) LV - CMOS (damping Resistor)

(Unbuffered output) 74LVCH

Low - Voltage - CMOS - bus Hold

74ALVC Advanced - Low - Voltage -

CMOS 74LVT (R) (U)

LV - TTL (damping Resistor) (Unbuffered output) (BiCMOS)

74LVTZ Low - Voltage - TTL - High

Impedance power-up 74ALVC (R) ALV

CMOS (bus Hold) (damping Resistor)

74ALVCH Advanced - Low - Voltage -

CMOS - bus Hold 74LCX

LV - CMOS (opera com tensões de 3V e de 5V)

74VCX LV - CMOS (opera com tensões de 1.8V e de 3.6V)

Anexo B – Características de componentes Ø Extracto da folha de características do 74LS373