Noções Elementares de Electrónica Digital

Noções elementares de
electrónica digital
• Organização:
–
–
–
–
–
–
–
Electrónica digital e electrónica analógica
Principais famílias lógicas
Andares de saída e andares de entrada
Folhas de características dos componentes
Questões básicas de aplicação
Funções lógicas elementares
O projecto com electrónica digital
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Noções elementares de electrónica digital - 1
Electrónica digital e
electrónica analógica
• Nos sistemas digitais as variáveis estão limitadas a
um número finito de valores (variação discreta)
• Nos sistemas analógicos as variáveis podem assumir
um número indefinido de valores (variação contínua)
• Em termos simplificados, os transístores
– dos circuitos analógicos funcionam em modo linear
– dos circuitos digitais funcionam em modo de comutação
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Noções elementares de electrónica digital - 2
Marcos tecnológicos
• Houve dois marcos tecnológicos principais
no progresso para a miniaturização:
– A invenção do transístor em 1947, que iniciou a
electrónica do estado sólido
– A invenção do circuito integrado em 1958, que iniciou a
microelectrónica
– SSI, MSI, LSI, VLSI, ...
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Noções elementares de electrónica digital - 3
Principais famílias lógicas
• Famílias lógicas é uma expressão usada para referir
o conjunto de alternativas tecnológicas que existem
para o fabrico de circuitos integrados digitais
• As primeiras famílias lógicas diferiam entre si
essencialmente pelo facto de os respectivos circuitos
integrados serem construídos com base em
transístores bipolares (TTL - Transistor-Transistor
Logic) ou do tipo MOS (Metal-Óxido-Semicondutor)
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Famílias lógicas tipo TTL
• Os transístores bipolares permitem maior rapidez
(maior frequência), mas à custa de maior consumo
• A rapidez está relacionada com o tempo necessário
para retirar os transístores de condução, o que nos
bipolares requer a remoção das cargas armazenadas
nas junções base-emissor (o tempo de propagação é
imposto pelo somatório dos tempos de comutação
dos transístores no percurso do sinal)
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Configuração típica de uma
porta lógica TTL (NAND)
• Função dos transístores:
VCC
VCC
– T1 impõe que T2 passe ao corte,
desde que A ou B estejam em 0
– T2 determina qual dos transístores de
saída estará em condução (T3 ou T4)
– T3 permite a aplicação de um 1 na
saída, se T2 estiver no corte
– T4 permite a aplicação de um 0, se T2 estiver em
condução (qual a necessidade do díodo D?)
T1
VCC
T3
T2
A
B
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T4
F
Configuração típica de uma
porta lógica TTL (cont.)
VCC
VCC
T3
• Repare-se ainda que:
T2
0,2 V
F
– T2 e T3 saem do corte muito mais
rapidamente do que T4 (porquê?)
– T3 entra em condução mais depressa do
que T4 sai de condução (quais as consequências?)
– A impedância de saída é assimétrica (porquê?), o que faz
com que os valores máximos de corrente na saída sejam
diferentes conforme a saída esteja em 0 ou em 1
T4
0,75 V
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0,2 V
Configuração típica de uma
porta lógica TTL (cont.)
VCC
VCC
VCC
T3
T1
T2
A
• Em consequência da configuração apresentada:
B
T4
– Se a tensão num terminal de entrada não estiver
claramente perto de 0 ou de Vcc, T1 pode ficar num estado
indefinido, que eventualmente se propagará até à saída
– Correntes na saída demasiado elevadas tenderão a retirar
o transístor em condução da saturação e a aproximá-lo da
sua zona activa (afastando a tensão de um 0 ou de um 1)
– Existe um limite para o número de entradas que podem
ser alimentadas pela mesma saída (maior em 0 ou em 1?)
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Noções elementares de electrónica digital - 8
F
Famílias lógicas tipo CMOS
• A tecnologia MOS é normalmente a preferida para a
implementação de circuitos mais complexos, quer por
apresentar menores requisitos de área por transístor,
quer por apresentar menor consumo
• O uso de transístores complementares (canal N e
canal P), em cada percurso possível entre VDD e a
massa, explica o C do acrónimo CMOS e tem por
objectivo reduzir ainda mais o consumo
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Noções elementares de electrónica digital - 9
Configuração típica de uma
porta lógica CMOS (NAND)
• Função dos transístores:
VDD
– A controla o estado de funcionamento
dos transístores T1 e T3, sendo que
B controla os transístores T2 e T4
– A saída só poderá estar a 0 quando
T3 e T4 estiverem ambos em
condução plena, o que obriga A e B a estarem ambos a 1
– Uma entrada a 0 coloca o respectivo transístor superior
em condução e a saída em 1 (e T3 ou T4 no corte)
T1
A
B
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T2
T3
T4
F
Configuração típica de uma
porta lógica CMOS (cont.)
• Repare-se ainda que:
VDD
– Qualquer percurso entre VDD e VSS
envolve apenas transístores complementares, pelo que o consumo em
regime estacionário é muito baixo
– O consumo aumenta em proporção directa com a
frequência de funcionamento (porquê?)
– A tensão de alimentação dos CMOS não tem limites tão
exigentes como a dos TTL (porquê?)
T1
A
B
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T2
T3
T4
F
Configuração típica de uma
porta lógica CMOS (cont.)
VDD
• Ainda dois aspectos a concluir:
T1
– Também para a configuração apresentada a
impedância de saída não é constante (quantos
valores poderia ter, neste caso?)
– Para permitir uma impedância de saída fixa, cedo os
fabricantes introduziram a família CMOS da série B
(buffered), na qual o andar de saída tem apenas um
transístor para cada terminal de alimentação
A
B
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Noções elementares de electrónica digital - 12
T2
F
T3
T4
Variantes tecnológicas
• TTL e CMOS constituíram as alternativas principais
durante muitos anos, mas a evolução tecnológica
permitiu o aparecimento regular de outras soluções
de compromisso entre a velocidade e o consumo:
– Em TTL temos as variantes L (low power), S (Schottky),
LS (low-power Schottky), etc.
– Em CMOS, temos as variantes HC (high-speed CMOS) e
HCT (compatível pino a pino com os TTL)
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Noções elementares de electrónica digital - 13
Outras famílias lógicas
• Sendo as frequências máximas de funcionamento
(em TTL ou CMOS) impostas pelo tempo necessário
para tirar os transístores de condução plena, desde
cedo surgiu a ideia de estabelecer o funcionamento
com base na comutação entre o corte e a zona activa
• É este o princípio de funcionamento da família ECL
(Emitter-Coupled Logic), que consegue maior
frequência à custa de maior consumo
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Noções elementares de electrónica digital - 14
Outras famílias lógicas
(cont.)
• De entre as restantes alternativas, bastará
acrescentar o seguinte:
– Existem outras tecnologias comuns em circuitos digitais,
mas que não se enquadram bem na designação famílias
lógicas (e.g. certos tipos de dispositivos programáveis)
– Existiram ao longo dos anos outras alternativas, mas que
com a evolução tecnológica acabaram por ficar obsoletas
(e.g. RTL - Resistor-Transistor Logic), DTL (DiodeTransistor Logic), etc.
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Noções elementares de electrónica digital - 15
Famílias lógicas: Gerações
mais recentes
• Considerando por exemplo a gama fabricada pela
Philips, temos duas variantes principais nos circuitos
SSI / MSI actualmente disponíveis:
– Componentes que retêm as características principais dos
TTL e CMOS, mas com características mais avançadas
– Componentes para tensões de alimentação reduzidas
(3,3 V, 3 V ou mesmo inferior)
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Noções elementares de electrónica digital - 16
Famílias lógicas: Gerações
mais recentes (cont.)
• Componentes que mantêm as características
principais:
–
–
–
–
–
–
ALS - mais rápidos, consumos 2 / 3 vezes inferiores
FAST, com velocidade semelhante a ECL 10K
ABT, andares de saída bipolares e internos CMOS
HC / HCT, que continuará ainda por muitos anos
AHC / AHCT, que resulta da evolução dos HC / HCT
Por fim, continuam os “antigos” CMOS
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Famílias lógicas: Gerações
mais recentes (cont.)
• Componentes para tensões de alimentação < 5 V:
– LV: para tensões de alimentação entre 1 e 5,5 V, mas
mantendo as características da família HC a 5 V
– LVC: CMOS a 3,3 V, com elevada rapidez e corrente
– LVT, que a 3,3 V atingem a mesma velocidade que
BiCMOS a 5 V, mas com menor consumo
– ALVC: 3,3 V, muito reduzido consumo, -40 a +85 º
– ALVT: para 3,3 ou 2,5 V, compatíveis com ABT e LVT
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Noções elementares de electrónica digital - 18
Andares de saída
• Existem fundamentalmente quatro tipos de pinos
aptos a funcionar como saídas em circuitos digitais:
–
–
–
–
Colector / dreno aberto
Andar activo para VCC
Alta impedância
Bidireccionais
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Andares de saída: Colector
/ dreno aberto
• Não possuem um componente activo entre o pino de
saída e VCC / VDD, o que nos permite interligar vários
pinos directamente entre si (formando uma ligação a
que se dá a designação de wired-AND):
VCC
VCC
VDD
F
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Noções elementares de electrónica digital - 20
F
Andares de saída: Andar
activo para VCC / VDD
• Estes pinos são os mais
comuns e tanto são capazes
de absorver (sink) como de
fornecer (drive) corrente (são
também designados por pinos
de saída do tipo totem-pole):
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VCC
VDD
Andares de saída: Alta
impedância
• Usam-se quando é
necessário ligar saídas entre
si, sendo ao mesmo tempo
requerida a capacidade de
absorver e ceder corrente
(designam-se também por
tristate, terceiro estado ou
controlo de estado):
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Controlo de
estado
Controlo de
estado
VCC
VCC
VCC
T3
A
T1
B
Controlo de
estado
T2
T4
F
Andares de saída:
Bidireccionais
• Sobretudo no caso dos circuitos baseados em
microprocessadores, é comum que os pinos
interligados entre si funcionem umas vezes como
entradas e outras vezes como saídas, o que
corresponde basicamente a associar uma entrada e
uma saída com controlo de estado:
Controlo de
direccao
Saída
Entrada
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Pino
bidireccional
Andares de entrada
• As entradas digitais requerem normalmente que os
sinais que lhes são aplicados apresentem tempos de
transição curtos (subida ou descida)
• A aplicação de um sinal lento às entradas 8 (e.g. o
sinal proveniente da carga / descarga de um
condensador) pode provocar oscilação ou indefinição
na saída, quando o valor aplicado se encontra fora da
gama que corresponde claramente a um 0 ou a um 1
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Andares de entrada:
Entradas de Schmitt
• Estas entradas apresentam uma característica de
transferência com histerese, sendo as indicadas para
os casos em que os sinais a aplicar não garantem
tempos de transição suficientemente rápidos
Saída
1
2
1
1
3
2
0
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Noções elementares de electrónica digital - 25
Entrada
Andares de entrada:
Entradas de Schmitt (cont.)
• A melhor resposta de uma
entrada de Schmitt, face a uma
entrada sem histerese, pode ser
observada pela resposta a um
sinal proveniente da carga (em
cima) e da descarga (em baixo)
de um condensador:
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Folhas de características
dos componentes
• Mesmo para os projectistas experimentados, a
consulta à folha de características de um componente
é necessária, nomeadamente para:
– Obter a configuração de pinos
– Consultar a descrição funcional do circuito
– Verificar o valor de parâmetros de consulta menos
frequente
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Noções elementares de electrónica digital - 27
Folhas de características
dos componentes (cont.)
• Em termos gerais, a folha de características de um
componente compreende duas partes principais:
– Uma descrição sumária dos aspectos de consulta mais
frequente (configuração de pinos, descrição funcional
sumária e características técnicas principais)
– Uma descrição detalhada das características eléctricas,
incluindo os valores máximos absolutos, as condições
recomendadas de operação e as características de
funcionamento estacionárias e dinâmicas
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Noções elementares de electrónica digital - 28
Folhas de características
dos componentes (cont.)
• No que respeita à segunda parte (descrição
detalhada das características eléctricas), iremos
analisar com maior pormenor os seguintes aspectos:
–
–
–
–
Valores máximos absolutos
Condições recomendadas de funcionamento
Características de funcionamento em regime estacionário
Características de funcionamento em regime dinâmico
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Noções elementares de electrónica digital - 29
Folhas de características:
Valores máximos absolutos
• (absolute maximum ratings) Descrevem as condições
limite que não provocam dano (não é garantido que o
componente funcione nessas circunstâncias).
VALORES MÁXIMOS ABSOLUTOS
Símbolo
Parâmetro
Gama de valores
Unid.
VCC
Supply voltage
-0,5 a +7,0
V
VIN
Input voltage
-0,5 a +7,0
V
Tamb
Operating free air temperature range
0 a +70
ºC
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Folhas de características:
Condições recomendadas
• (recommended operating conditions) Informam-nos
sobre os valores nominais necessários para garantir
as características funcionais e eléctricas
CONDIÇÕES RECOMENDADAS DE FUNCIONAMENTO
Símbolo
Parâmetro
Mín.
Típ.
Máx.
Unid.
5,0
5,5
V
VCC
Supply voltage
4,5
VIH
High-level input voltage
2,0
VIL
Low-level input voltage
IOH
IOL
V
0,8
V
High-level output current
- 0,4
mA
Low-level output current
8
mA
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Folhas de características:
Regime estacionário
• (DC electrical characteristics) Indicam-nos os valores
máximos, mínimos e típicos para tensões e correntes
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS EM REGIME ESTACIONÁRIO
Símbolo
Parâmetro
VOH
High-level output voltage
VOL
Low-level output voltage
IIH
Mín.
Típ.
Máx.
VCC - 2
Unid.
V
0,50
V
High-level input current
20
A
IIL
Low-level input current
- 0,1
mA
ICC
Supply current (VI=GND)
0,5
0,85
mA
Supply current (VI=4,5 V)
1,5
3,0
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Noções elementares de electrónica digital - 32
0,35
Folhas de características:
Regime dinâmico
• (AC electrical characteristics) informam-nos sobre os
parâmetros de carácter temporal
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS EM REGIME DINÂMICO
Símbolo
Parâmetro
Mín.
Máx.
Unid.
tPLH
Propagation delay (output L to H)
2,0
11,0
ns
tPHL
Propagation delay (output H to L)
2,0
8,0
ns
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Noções elementares de electrónica digital - 33
Questões básicas:
Imunidade ao ruído
• São várias as fontes possíveis de interferência:
– Por acoplamento capacitivo entre pistas vizinhas de uma
carta de circuito impresso, ou barras de ligações numa
base de montagem
– Por acoplamento através da tensão de alimentação, ou
por efeito de uma tensão de alimentação mal filtrada
• Um dos principais problemas daqui decorrentes é a
eventual ocorrência de defeitos intermitentes
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Noções elementares de electrónica digital - 34
Questões básicas:
Imunidade ao ruído (cont.)
• A facilidade com que estes factores se manifestam
pode ser observada pela análise das formas de onda
em barras vizinhas de uma
base de montagem (uma
das quais contém a saída
de um oscilador):
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Noções elementares de electrónica digital - 35
Questões básicas:
Imunidade ao ruído (cont.)
• Alumas regras para maximizar a imunidade ao ruído:
– Evitar longos percursos paralelos muito próximos
– Distribuir pela carta condensadores de desacoplamento
(pequenas dimensões, reduzido valor de capacidade)
– Usar condensadores de desacoplamento entre os
terminais de alimentação da carta (maior dimensão, alto
valor de capacidade, normalmente do tipo electrolítico)
– Ligar a valores lógicos fixos todas as entradas não usadas
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Noções elementares de electrónica digital - 36
Questões básicas:
Imunidade ao ruído (cont.)
• A margem de ruído dá-nos também uma indicação
sobre a “robustez” de um circuito em condições
anormais de funcionamento:
– A margem de ruído no estado 0 é dada por 0 = VIL-VOL,
sendo a margem de ruído no estado 1 dada por 1 = VOHVIH
– A título de exemplo, e considerando os parâmetros
apresentados anteriormente para o 74ALS00, quanto
valem 0 e 1?
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Noções elementares de electrónica digital - 37
Questões básicas: Interligação de componentes
• Existem duas situações principais para as quais é
preciso atenção, quando se interligam saídas e
entradas digitais:
– Não excedemos a máxima capacidade de fornecimento de
corrente pela saída?
– No caso de os componentes serem de diferentes famílias
lógicas, existe completa compatibilidade entre os
parâmetros de tensão e corrente?
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Noções elementares de electrónica digital - 38
Questões básicas:
Interligação (cont.)
• No que respeita à capacidade de corrente, temos
que:
– O máximo valor de corrente nas entradas, multiplicado
pelo número de entradas, não pode exceder a capacidade
de corrente (fornecer ou absorver) das saídas
– Isto significa que teremos que tomar o minorante de
(IOH/IIH, IOL/IIL), que no caso dos valores apresentados para
o 74ALS00 corresponde a...
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Noções elementares de electrónica digital - 39
Questões básicas:
Interligação (cont.)
• No que respeita a componentes de diferentes famílias
lógicas, temos que:
– É necessário verificar que são verificadas as seguintes
quatro desigualdades:
VOH>VIH, VOL<VIL, IOH>IIH e IOL>IIL
– Considerando uma vez mais os parâmetros apresentados
para o 74ALS00, e recorrendo à folha de características
de um componente semelhante da família CMOS, será
possível a ligação directa entre ambos?
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Noções elementares de electrónica digital - 40
Funções lógicas
elementares
• Esta designação abrange o conjunto de funções
lógicas mais comuns, que por essa razão estão
normalmente disponíveis como componentes SSI nos
catálogos dos vários fabricantes (quantas funções
lógicas existem, com uma saída e duas entradas?)
• Apesar da progressiva preferência pelos dispositivos
programáveis, em substituição de componentes do
tipo SSI, o seu uso continua ainda a ser frequente
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Noções elementares de electrónica digital - 41
Funções lógicas
elementares (cont.)
Designação
Descrição
NÃO
A
Z
(NOT)
0
1
Z = /A
1
0
E
A
B
Símbolo
1
A
Z
(AND)
0
0
0
Z=A*B
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A
B
Z
OU
2
(OR)
0
0
0
Z=A+B
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Z
A
1
CI disponíveis
Comentários
74x04 (normal)
Complementa a
entrada
74x14 (Schmitt)
74x08
Saída em 1
apenas quando
ambas as
entradas
estiverem em 1
74x32
Saída em 1
desde que pelo
menos uma das
entradas esteja
em 1
3
2
Z
B
A
1
3
2
B
Z
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Noções elementares de electrónica digital - 42
Funções lógicas
elementares (cont.)
Designação
NÃO-E
Descrição
A
B
Símbolo
Z
(NAND)
0
0
1
Z = /(A * B)
0
1
1
1
0
1
1
1
0
A
B
Z
NÃO-OU
(NOR)
0
0
1
Z = /(A + B)
0
1
0
1
0
0
1
1
0
A
1
3
2
Z
B
A
Comentários
74x00 (normal)
Saída em 1
desde que pelo
menos uma das
entradas esteja
em 0
74x24 (Schmitt)
74x02
2
1
3
B
CI disponíveis
Z
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Noções elementares de electrónica digital - 43
Saída em 1
apenas quando
ambas as
entradas
estiverem em 0
Funções lógicas
elementares (cont.)
Designação
Descrição
Símbolo
OUEXCLUSIVO
A
(X-OR)
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
NÃO-OUEXCLUSIVO
A
B
Z
0
0
1
(X-NOR)
0
1
0
Z = /(A  B)
1
0
0
1
1
1
Z=AB
B
Z
A
1
CI disponíveis
Comentários
74x86
Saída em 1
apenas quando
as entradas
tiverem valores
lógicos
diferentes
74x266
Saída em 1
apenas quando
as entradas
tiverem o
mesmo valor
lógico
3
2
Z
B
A
1
3
2
B
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Noções elementares de electrónica digital - 44
Z
O projecto com electrónica
digital
• Em termos gerais, podemos descrever a actividade
de projecto com electrónica digital através da
seguinte sequência de etapas:
–
–
–
–
Construção de uma representação formal
Obtenção de um circuito mínimo (síntese)
Verificação de projecto (satisfaz a especificação?)
Validação do projecto (satisfaz os utilizadores?)
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Noções elementares de electrónica digital - 45
O projecto com electrónica
digital (cont.)
• O processo descrito é iterativo e pode ilustrar-se
como se apresenta nesta transparência (que
diferenças ocorreriam se estivéssemos antes a
considerar a electrónica analógica?)
Especifi- Represen- EspecifiSíntese
cação
tação
cação
inicial
formal
formal
Etapa 1
Circuito
mínimo
Etapa 2
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Noções elementares de electrónica digital - 46
Verificação de
projecto
Validação
Produto
Protótipo de
projecto
Etapa 3
Etapa 4
O projecto com electrónica
digital (cont.)
• A concluir, é importante chamar a atenção para a
diferença entre duas actividades muito frequentes no
projecto com electrónica digital (e analógica): A
síntese e a análise
Especificação
formal
Circuito
mínimo
Circuito
Especificação
formal
Síntese
Etapa 2
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Noções elementares de electrónica digital - 47
Análise
Etapa 2
Conclusão
• Objectivo principal do capítulo: Recordar os aspectos
tecnológicos subjacentes ao projecto de sistemas
digitais
• Pistas para a continuação do estudo:
– Projecto VLSI (microelectrónica e projecto de ASICs)
– Tecnologias específicas (e.g. memórias e dispositivos
lógicos programáveis)
Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores
Noções elementares de electrónica digital - 48