Circuitos Integrados (CIs)

Circuitos Integrados (CIs)
Sistemas Digitais
C.I.: Introdução
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Conhecido comumente por chip
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Coleção de resistores, diodos e transistores fabricados em um
pedaço de material semicondutor (geralmente silício) denominado
substrato
Circuito integrado (CI)
visto por dentro e por cima.
Chip
Fios finíssimos
de ligação do chip
aos terminais do CI
Terminais do CI
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CIs digitais frequentemente são classificados de acordo com a
complexidade de seus circuitos, de acordo com o número de portas
lógicas no substrato
Surgiram na década de 1970 com interesse de miniat5rização dos circuitos 2
C.I.: Vantagens
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Vantagens dos C.I.s em relação aos circuitos com
componentes discretos
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Redução de custos, peso e tamanho
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Aumento da fiabilidade
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Maior velocidade de trabalho
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Menor consumo de energia
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Redução dos erros de montagem
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Simplifica a produção industrial
A maior par;e do tamanho ex;er>o do CI deve-­‐se à caixa e às ligações do chip aos terFinais ex;er>os Operações em circuitos de baixa potência denominados processamento de inforFação 3
C.I.: Terminologia / Tensão
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VIH(mín) – Tensão de entrada (input) de nível alto (high-level)
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VIL(máx) – Tensão de entrada (input) de nível baixo (low-level)
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Nível de tensão máximo requerido para um valor lógico 0 na entrada
VOH(mín) – Tensão de saída (output) de nível alto (high-level)
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} 
Nível de tensão mínimo requerido para valor lógico 1 na entrada
Nível mínimo de tensão na saída no estado lógico 1
VOL(máx) - Tensão de Saída (output) de Nível Baixo (low-level)
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Nível máximo de tensão na saída no estado lógico 0
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C.I.: Terminologia / Corrente
}  IIH
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}  IIL
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– Corrente de Entrada (input) de Nível Alto (high-level)
Corrente que flui para uma entrada ao aplicar uma tensão de nível alto
– Corrente de Entrada (input) de Nível Baixo (low-level)
Corrente que flui para uma entrada ao aplicar uma tensão de nível baixo
}  IOH
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Corrente que flui da saída no estado lógico 1
}  IOL
} 
– Corrente de Saída (output) de Nível Alto (high-level)
– Corrente de Saída (output) de Nível Baixo (low-level)
Corrente que flui da saída no estado lógico 0
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C.I.: Fan-out (Fator de carga)
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Geralmente, a saída de um circuito lógico precisa acionar várias entradas lógicas
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Fan-out (fator de acionamento de carga)
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Definido como o número máximo de entradas lógicas que uma saída pode acionar com
segurança
Uma porta lógica especificada com fan-out de 10 pode acionar 10 entradas lógicas
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Às vezes todos os CIs em um sistema digital pertencem a uma mesma família lógica,
porém muitos sistemas fazem uso de diversas famílias
Se esse número for excedido, a tensão de nível lógico de saída não pode mais ser
garantida
Depende da natureza das entradas dos dispositivos conectados a uma saída
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A menos que uma família lógica diferente seja especificada como dispositivo de carga, o
fan-out é relativo a dispositivos de carga da mesma família do dispositivo acionador
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C.I.: Atraso de propagação
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O sinal lógico sempre sofre atraso quando atravessa o circuito
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Os dois tempos de atraso de propagação são definidos como:
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tPLH: tempo de atraso de ida do estado lógico 0 para 1 (baixo para alto)
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tPHL: tempo de atraso de ida do estado lógico 1 para 0 (alto para baixo)
Exemplo de atLaso de propagação para um inversor 7
C.I.: Data sheets (especificações técnicas)
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Folha de dados para o CI TTL porta NAND 74ALS00
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C.I.: Tipos de cápsulas
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Utilizados para envolver e proteger os chips
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Cápsulas com fila de pinos
Cápsulas planas (Flat-pack)
Cápsulas metálicas TO-5 (cilíndricas)
Cápsulas especiais
Cápsulas especiais TO-­‐5 Flat-­‐pack SIL – Single In Line 1
DIL – Dual In Line (DIP) QIL – Quad In Line 1
Enquanto TO-­‐5 são de material metálico, as demais podem ser plásticos ou cerâmico 9
C.I.: Tipos de cápsulas em SMT
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Existem três tipos básicos de cápsulas de circuitos integrados
em SMT (Surface Mount Technology)
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SOIC – Small-Outline Integrated Circuit
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PLCC – Plastic-Leaded Chip Carrier
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Semelhante ao DIP em miniatura e com os pinos dobrados
Tem os terminais dobrados para debaixo do corpo
LCCC – Leadless Ceramic Chip Carrier
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1
Não tem pinos, no lugar existem contatos metálicos moldados na cápsula
cerâmica
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C.I.: Encapsulamento GA
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Grid Array (GA)
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Ball Grid Array (BGA)
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BGA Pin Grid Array (PGA)
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Esferas de contato em grade
Pinos no local de esferas
Land Grid Array (LGA)
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BGA sem esferas de soldas
LGA 11
C.I.: Encapsulamento / Exemplos
DIP PLCC PGA LGA 12
C.I.: Bases para os chips
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A base ou soquete, em termos práticos, além de facilitar a
eventual manutenção do circuito, evita o aquecimento do
circuito integrado quando se solda
13
C.I.: Classificação / Aplicação
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Lineares ou analógicos
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Produzem sinais contínuos em função dos sinais que lhe são
aplicados nas suas entradas.
A função principal é a amplificação. Podem destacar-se neste grupo
de CIs os amplificadores operacionais (AmpOp)
Digitais
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Só funcionam com um determinado número de valores ou estados
lógicos, que geralmente são dois (0 e 1)
Nível lógico 1
Nível lógico 0
Sinal analógico: sinal que tem uma
variação contínua ao longo do tempo.
t
Sinal digital: sinal que tem uma variação por
saltos de uma forma descontínua.
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C.I.: Classificação / Integração
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SSI - Small Scale Integration (Integração em pequena escala)
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MSI - Medium Scale Integration (Integração em média escala)
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Número de portas lógicas por CI compreendido entre 10.000 e 99.999
(microprocessadores)
ULSI - Ultra Large Scale Integration (Integração em escala ultra larga)
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Entre 100 e 9.999 portas lógicas por CI (funções lógicas complexas, parte aritmética da
calculadora, relógio digital, etc.)
VLSI - Very Large Scale Integration (Integração em muito larga escala)
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Podem possuir de 12 a 99 portas por CI (decodificadores, contadores, etc)
LSI - Large Scale Integration (Integração em grande escala)
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Possui menos componentes, menos de 12 portas lógicas por CI
Podem possuir entre 100.000 e 999.999 portas lógicas por CI
GSI - Giga Scale Integration (Integração em escala giga)
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CIs com mais de 1 milhão de portas lógicas por CI
Os níveis de integLação refere-­‐se ao número de por;as lógicas que o CI contém 15
C.I.: Classificação / Família
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Os C.Is. estão agrupados em famílias lógicas
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Famílias lógicas bipolares
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Quanto ao tipo de transistores utilizados : bipolar e MOSFET
TTL: Transistor Transistor Logic (Lógica transístor-transístor)
RTL: Resistor Transistor Logic (Lógica de transístor e resistência)
DTL: Díode Transistor Logic (Lógica de transístor e díodo)
HTL: High Threshold Logic (Lógica de transístor com alto limiar)
ECL: Emitter Coupled Logic (Lógica de emissores ligados)
I2L: Integrated-Injection Logic (Lógica de injecção integrada)
Famílias lógicas MOS
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CMOS: Complementary MOS (par complementar NMOS/PMOS)
NMOS: Utiliza só transístores MOS-FET canal N
PMOS: Utiliza só transístores MOS-FET canal P
As famílias mais utilizadas são a TTL e CMOS 16
C.I.: Família TTL
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Subfamílias
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Limitam-se a características elétricas, tais como a dissipação de
energia e a velocidade de comutação
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Pinagem e operações lógicas são as mesmas
Velocidade das por;as TTL padrão é limitada pois os TJB sat5rados tem tempo de desligamento considerável. Inclusão do diodo Schoeky evita a sat5ração, aumentando a velocidade 17
C.I.: Família CMOS
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Consiste de várias séries
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Executam a mesma função, mas não são necessariamente compatíveis
pino a pino com dispositivos TTL
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C.I.: Características
TTL CMOS Devido a alta resistência e a capacitância de entLada, o fan-­‐out do CMOS é limitado 19
C.I.: Alimentação e terra
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Níveis lógicos para dispositivos TTL e CMOS
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Tensões na faixa indeterminada fornecem resultados imprevisíveis e
devem ser evitadas
* Mais utilizado quando junto ao TTL, mas faixa Vdd varia entLe 3 e 18V CC (corLente contínua) é Vcc em TTL e Vdd no CMOS. O terLa é chamado de GND 20
C.I.: Inversor TTL
INVERSOR TTL
VCC para dispositivos TTL normalmente é +5 V.
Alimentação (VCC) e conexões
de aterramento são necessárias
para a operação de chip.
21
C.I.: Inversor CMOS
VDD para dispositivos CMOS
podem ser +3 até +18 V.
Alimentação (VDD) e conexões
de aterramento são necessárias
para a operação de chip.
INVERSOR CMOS
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C.I.: Entradas flutuantes (não conectadas)
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As entradas TTL flutuantes funcionam como uma lógica 1
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A medição da tensão pode parecer indeterminada, mas o dispositivo
se comporta como se houvesse um na entrada flutuante
Entradas flutuantes CMOS podem causar superaquecimento e
danos ao aparelho
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Alguns CIs têm circuitos de proteção construídos dentro de si
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A melhor prática é “amarrar” todas as entradas não utilizadas em
nível alto ou baixo
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C.I.: Diagrama de conexão de circuitos
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Um diagrama de ligação mostra
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Todas as conexões elétricas, os números de pinos, os números de
Cis, os valores dos componentes, os nomes de sinais e as tensões de
alimentação
Esse circuito usa por;as lógicas de dois Cis diferentes 24
Resumo
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