Famílias de Circuitos Lógicos

Trabalho
de
Eletrônica
Digital
Famílias de Circuitos Lógicos
Centro Federal de Educação Tecnológica UNED Cubatão
Eletrônica Digital
I.
Famílias de Circuitos Lógicos
Introdução
Família de Circuitos Lógicos.
Entende-se por famílias de circuitos lógicos estruturas internas que nos
permitem a confecção desse bloco em circuitos integrados. Cada família lógica
utiliza determinados componentes em seus blocos e de acordo com este, a família
possuirá determinadas características relacionadas ao seu funcionamento.
Dentre as famílias de circuitos lógicos destacam-se:
TTL (transistor-transistor-logic).
CMOS (complementary mos).
RDTL ()
HTL (high-thershold-logic).
ECL (emither-coupled-logic)
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Eletrônica Digital
I I.
I.
Famílias de Circuitos Lógicos
Índice
Introdução ____________________________________ 2
II. Índice ________________________________________ 3
Parâmetros mais Utilizados dos Circuitos Lógicos ____________ 4
Interface entre as Famílias Lógicas _______________________ 4
Sensibilidade de Níveis Lógicos de Tensão __________________ 5
III. Família HTML _________________________________ 5
Características principais da família HTL ___________________ 5
IV.
Família ECL __________________________________ 6
Características da família ECL ____________________________ 7
V. Família TTL ____________________________________ 7
54/74LXXX __________________________________________ 8
Série 74_____________________________________________ 8
Série 54_____________________________________________ 8
Características Gerais e Parâmetros da Família TTL ___________ 8
Tipos de Blocos da Família TTL __________________________ 10
Saída Open-Colletor ____________________________________________ 10
Saída Tri-State (Três Estados) ____________________________________ 11
Entrada Schimitt-Trigger _________________________________________ 12
Versões de Circuitos TTL _______________________________ 13
Circuitos Integrados TTL_______________________________ 15
Alguns tipos de circuitos integrados TTL __________________ 16
VI.
Família CMOS________________________________ 20
Características Gerais e Parâmetros da Família CMOS ________ 22
Circuitos Integrados CMOS _____________________________ 24
VII. Conclusão ________________ Error! Bookmark not defined.
VIII. Bibliografia _______________ Error! Bookmark not defined.
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Famílias de Circuitos Lógicos
Parâmetros mais Utilizados dos Circuitos Lógicos
VIH - Tensão de entrada alta. É um valor de tensão no terminal de
entrada que representa um nível alto para o sistema.
VIL - Tensão de entrada baixa. É um valor de tensão no terminal de
entrada que representa um nível baixo para o sistema.
VOH - Mínima tensão de saída alta. É a mínima tensão num terminal
de saída que ainda permite fornecer a corrente de saída alta especificada com a
tensão de alimentação no seu valor mínimo.
VOL - Máxima tensão de saída baixa. É a máxima tensão em um
terminal de saída que ainda permite a "absorção" da corrente de saída baixa
especificada.
IOS - Corrente de curto circuito na saída. É a corrente que flui por
um terminal de saída quando uma saída alta é conectada ao terra.
Interface entre as Famílias Lógicas
As interfaces entre os circuitos integrados muitas vezes não podem
ser feitas de maneira direta, ou seja, a saída de um circuito integrado conectada à
entrada de um circuito integrado de outra família por causa das diferenças entre as
características elétricas do circuito alimentador, ou o circuito que está fornecendo o
sinal de saída, e o circuito que está recebendo o sinal. Para essa finalidade, usa-se
um circuito de interface. O circuito de interface tem a função de compatibilizar as
características do circuitos alimentador com as características do circuito
alimentado.
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Famílias de Circuitos Lógicos
Sensibilidade de Níveis Lógicos de Tensão
Um circuito lógico interpreta como nível 1, uma tensão próxima a da
máxima e, como nível zero, uma tensão próxima ao terra. As famílias lógicas têm
uma faixa de trabalho diferente para as tensões de cada nível. Assim se tivermos,
por exemplo, uma família que interpreta como nível baixo tensões entre 0 e 0.8 V,
e como nível alto entre 2 V e 5 V. Se ela for conectada a saída de outra família que
tenha nível lógico alto com tensões entre 1.4 V e 5 V, essa diferença entre 2 V e
1.4 V pode causar erro de interpretação n entrada da primeira, pois1.4 V está
dentro da faixa indeterminada desta família.
III. Família HTML
A família HTML (high-tueshold logic) foi criada para atender
necessidade de circuitos com uma alta imunidade ao ruído. Esses circuitos
,geralmente ,são empregados nas em equipamentos industriais que trabalham em
locais de grande ruído(comutação de chaves, motores de indução, etc).Possuem
circuitos muito semelhantes à família DTL como veremos a seguir. O circuito básico
do seu bloco lógico principal, a porta NAND, é visto na figura 01 abaixo:
Figura 01
Como veremos o circuito tem um funcionamento análogo ao da
família DTL com a única diferença de possuir D3 como sendo um diodo zener, isso
fará com que aumente o potencial necessário para que T1 inicie a condução.
Características principais da família HTL

Como na família DTL, possui um bloco lógico principal a porta
NAND.

Possui um Fan-out Típico igual a 10.

A família HTL é de todas as famílias de circuitos lógicos a que
dissipa a maior potência.A potência dissipada por circuitos desta
família é de ordem de 60 mW.
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IV.
Famílias de Circuitos Lógicos

Devido à utilização de um diodo zener(D 3), necessitar-se-á de um
maior potencial nas entradas para que haja condução, isso fará
com que aumente a imunidade ao ruído.Essa é a família de
circuitos lógicos que possui maior imunidade ao ruído.

De todas as famílias que utilizam transistores como chaves, a
família HTL é a que possui maior tempo de atraso.
Família ECL
A família ECL (emiter-coupled-logic) utiliza nos circuitos o
acoplamento pelo emissor dos transistores. Esse fato faz com que os transistores
não trabalhem na região de saturação e traz como conseqüência um menor tempo
de resposta.
De todas as famílias lógicas, está é a que permite maior velocidade
de comutação.
Esta família apresenta dois blocos lógicos principais, a porta NOR e a
porta OU que serão obtidas a partir de um mesmo circuito, em duas saídas.
O circuito básico dos blocos principais é visto na figura 02 abaixo:
Figura 02
Esse circuito tem seu funcionamento baseado em um amplificador
diferencial. Sabendo-se disso , podemos dizer que quando ambas as entradas
estiverem em nível baixo(nível 0) os transistores T1 e T2 estarão no limiar da região
de corte, portanto I será pequeno e por isso o potencial de S 2 será alto.Sendo I um
valor baixo, diremos que I2 será um valor alto de modo a manter a corrente IE e
com isto o transistor T3 estará no limiar de saturação impondo assim o potencial de
S baixo. Quando pelo menos uma das entradas estiver com com
potencial
alto(nível 1) o seu respectivo transistor estará no limiar de saturação,com isso, I
será elevada, logo o potencial de S2 será baixo;sendo I elevado, I2 deverá ser
pequena de modo a manter a correspondente IE, com isto o transistor T 3 estará no
limiar do corte, impondo assim o potencial de S1 alto. Transpondo-se estas
situações para a tabela da verdade, teremos:
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H-nível alto de
tensão.
L-Nível baixo de
tensão
A
L
L
H
H
B
L
H
L
H
S1
L
H
H
H
S2
H
L
L
L
Podemos notar na tabela que a saída S2 será o complemento da saída
S1, e mais, S1 segue a tabela de uma porta OU e portanto, S 2 segue uma tabela de
uma porta NOR.
Como sabemos, a partir de um bloco NOR podemos formar qualquer
outro tipo de bloco lógico.
Características da família ECL
V.

Blocos lógicos principais são a porta OU e a porta NOR.

Uma das vantagens do ECL é que possui um Fan-out igual a 25.

A potência dissipada pelos blocos dessa família é da ordem de 50
mW. Isso se dá pelo fato de nós não trabalharmos na região de
corte ou saturação e sim, na região ativa.

Apresenta uma boa imunidade ao ruído.

Como já foi dito, a grande vantagem da família ECL é de possuir
um tempo de atraso muito baixo, da ordem de 3ns.
Família TTL
Esta família é derivada da antiga família DTL, sendo o resultado de
inovações tecnológicas. Como a utilização nos seus circuitos internos de
transistores e bipolares de vários emissores também conhecidos como
multiemissores. Esta é uma família muito utilizada por causa de seu fácil manuseio
e a disponibilidade de uma série de circuitos integrados comerciais e padronizados.
Os circuitos da família TTL podem ser encontrados em duas séries
denominados: 74 (para uso comercial) e 54 para uso militar).
Primeiramente, os circuitos integrados eram fabricados para o uso
militar onde tamanho, consumo e potência eram preponderantes.
Mas no ano de 1964, surgiu a versão comercial a custo bem inferior.
Respeitando algumas especificações, os dispositivos 54 são compatíveis com a série
74.
Há também subdivisões da linha nesses dispositivos de acordo com
sua velocidade de comutação.
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54/74LXXX
Baixa potência. Dão o melhor produto velocidade versus potência,
entre todos os dispositivos lógicos. As resistências internas dos transistores do CI
são aumentadas, resultando numa menor dissipação de potência (1 mW por porta,
com retardo de 33nS por porta).

54/74HXXX – Alta velocidade. Os tempos de subida e descida
de pulsos são menores. Os transistores internos do CI são feitos
em configuração darlington. O retardo é de 6 ns por porta. A
desvantagem é que este tipo de circuito consome mais corrente
que o tipo comum.

54/74SXXX – Componentes com tecnologia schottky*. Ela
combina alta velocidade com baixo consumo.
Série 74
Identifica os dispositivos da família TTL de uso comercial.
Especificações:
Temperatura
Tensão de Alimentação
0 a 70 ºC
4,75 a 5,25V (5V +
- 10%)
Mas é importante lembrar que:
Os circuitos integrados da família AS e ALS de alguns fabricantes, a
tensão de alimentação pode estar compreendida entre 4,5V e 5,5V (5V +10%).
-
Série 54
Identifica os dispositivos da família TTL de uso militar.
Apesar da série 54 tenha as mesmas portas lógicas da série 74, suas
especificações técnicas são mais rígidas.
Especificações:
Temperatura
Tensão de Alimentação
-55 a 125 ºC
4,5 a 5,5V (5V +
- 10%)
Características Gerais e Parâmetros da Família TTL
Veja abaixo os principais parâmetros encontrados nos manuais em
nomenclaturas originais:
1. Alimentação (Vcc): Na família TTL temos para todos os blocos
de uma alimentação de 5V. Para a série 54 temos Vcc mínimo =
4,5V e Vcc máximo 5,5V que são os valores dentro da tolerância
permitida por esta série. No caso da série 74, o Vcc mínimo =
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4,75V e Vcc máximo = 5,25V, sendo os valores máximos e
mínimos da tolerância da série 74.
2. Veja na tabela a baixo, os níveis de entrada e saída para a versão
padrão TTL Standard:
Parâmetros
VIL
VOL
VIH
VOH
IOL
IIL
IOH
IIH
TTL Standard
Valores
0,8
0,4
2,0
2,4
16
1,6
400
40
Unidade
V
V
V
V
mA
mA
A
A
3. Fan-out: o Fan-out em sua versão padrão é igual a 10, ou seja,
podemos ligar à saída deste bloco no máximo outros 10 blocos
similares. Este valor é generalizado para toda a família TTL.
4. Tempo de atraso de propagação: O tempo varia de acordo
com a versão que for utilizada, sendo o valor médio aproximado
de ordem de 10ns na versão mais comum.
Parâmetros
TPLH
tPHL
5.
TTL Standard
V. Típico
11
7
Unidade
ns
ns
Imunidade ao ruído: A margem correta de imunidade ao ruído
específica para a família TTL é obtida supondo a ligação da saída
de um bloco para a entrada de outro, sendo definida pela
margem de segurança colocada pelo fabricante entre os
parâmetros de entrada e saída. É calculada pela diferença de
parâmetros relativos a esses níveis de tensão (margem de
imunidade ao ruído DC). Então, temos:
No nível 1: VRH = VOH(mínimo) – VIH(mínimo) = 2,4 – 2,0 =
0,4V
No nível 0: VRL = VIL(máximo) – VOL(máximo) = 0,8 – 0,4 =
0,4V
VR = 0,4V
Portanto, a margem de imunidade ao ruído para a família TTL é
igual a 0,4V, sendo considerada baixa em relação a família CMOS.
6. Potência Dissipada: A família TTL tem um consumo médio de
potência de 10mW por porta na sua versão mais comum.
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Tipos de Blocos da Família TTL
Esta é uma das características da família TTL, que através de suas
séries possui blocos que estão disponíveis no mercado de componentes, com uma
vasta variação. Vamos destacar alguns deles como os blocos open-colletor, tristate e schimitt-trigger.
Saída Open-Colletor
Na família TTL há alguns blocos lógicos montados em open-colletor
(coletor aberto). Os circuitos destes tem semelhança aos convencionais, mas com
uma única diferença de não Ter em seu interior o resistor de coletor ligado ao
+Vcc. Ele deve ser ligado externamente quando este bloco for utilizado. Abaixo, a
figura 03, mostra um circuito interno de uma porta NE (TTL) open-colletor:
+Vcc
R1
R2
Rexterno
T1
S
T2
R3
Figura 03
Esta configuração possibilita o controle externo da corrente do coletor
de saída e, proporcionando o aumento do fan-out, além de poder habilitar saídas
diferentes interligadas entre si (num mesmo resistor coletor), podendo assumir
níveis lógicos opostos sem provocar danos.
A grande desvantagem deste tipo de saída é sua baixa velocidade de
chaveamento (mudança de nível lógico).
A figura 04 na próxima página, mostra a ligação por uma função E,
contendo ao lado a tabela da verdade e a simbologia utilizadas para se obter uma
função E através de blocos open-colletor.
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+Vcc
Tabela da Verdade
Rexterno
S1
0
0
1
1
E por fio
Bloco 1
S
S2
0
1
0
1
S
0
0
0
1
Bloco 2
Figura 04
Podemos notar que, o nível 0 é obtido pela saturação de cada
transistor ou por ambos, conforme a função lógica de cada bloco, sendo respectiva
corrente de coletor fornecida pelo mesmo resistor colocado na extremidade. O nível
1 é obtido pelo corte de ambos.
Podemos citar como outro tipo de aplicação, o uso muito comum de
saídas de open-colletor para ativar displays de 7 segmentos a led, possibilitando o
controle de luminosidade pelo resistor de coletor calculado e colocado na
externamente.
Saída Tri-State (Três Estados)
Podemos dizer também three-state ou 3-state, que estes modos
também estão corretos.
A configuração que pode fazer com que ela apresente uma alta
impendância (terceiro estado) em relação a linha na qual ela está conectada, ou
seja, para ativar o tri-state, o bloco específico possui um terminal que, conforme o
nível lógico assumido, faz a saída permanecer ou não em alta impendância. Para
entendermos melhor, observe na figura 05 abaixo, o circuito simplificado de uma
porta NE (TTL) de duas entradas com saída tri-state.
+Vcc
R1
A
B
G
X2
X1
T3
T2
T1
D2
R4
R2
D3
D1
T4
S
R3
Figura 05
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No circuito da figura 05, da página anterior, se aplicarmos nível 1 ao
terminal de entrada de controle de saída (G) ou o deixarmos em aberto, o circuito
funcionará normalmente como uma porta NE, pois D2 e D3, estarão cortados. Se, no
entanto, aplicarmos nível 0, devido à respectiva condução de corrente pelos
mesmos diodos, os pontos X1 e X2 cairão para baixos potenciais, levando T2, T3 e T4
para a situação de corte. O terminal de saída, neste caso, será desligado do circuito
ocasionando o estado de alta impendância.
Na família TTL, as saídas tri-state são encontradas fazendo parte de
vários dispositivos, porém, isoladamente como portas, estão disponíveis apenas
como buffers comuns e inversores.
Os dispositivos com saídas de tri-state tem várias aplicações, sendo
principalmente em sistemas com microprocessadores, onde vários circuitos
integrados usam o mesmo conjunto de fios de forma compartilhada, assim,
formando a via de dados do sistema.
Entrada Schimitt-Trigger
Estes dispositivos também são encontrados na família TTL. Este tipo
de bloco possibilita tornar rápidas as variações lentas dos níveis de tensão de
determinados sinais a serem aplicados à sua entrada, causando na saída o
aparecimento de uma onda quadrada bem definida. Ou seja, este tipo de bloco,
além de realizar sua função lógica, quadra o sinal aplicado a entrada, desde que
sejam respeitados os parâmetros mínimos e máximos de tensão especificados para
cada bloco. O bloco irá considerar iguais a 0, os valores dde entrada abaixo do
especificado por VT - (Negative-Going Thershould Voltage) ou limiar negativo
de tensão, e irá considerar iguais a 1, os valores acima de VT - (Positive-Going
Thershould Voltage) ou limiarr positivo de tensão.
Podemos dizer em outras palavras que, este bloco recebe o sinal da
forma como ele é gerado(pulso distorcido, com ruídos, etc.) e isto pode causar
vários problemas durante o chaveamento dos dispositivos, tais como:

Dispositivos sensíveis à borda de subida podem não operar;

Dispositivos polarizados na região ativa por longo tempo podem
tornar-se instáveis;

Atrasos de propagação tornam-se de difícil previsão.
Abaixo, na figura 06, podemos observar um inversor TTL schimitttrigger (a) e a ação sobre um sinal de variação lenta aplicado à sua entrada (b)
VT+
E
S
VTS
(a)
(b)
Figura 06
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Famílias de Circuitos Lógicos
O símbolo
(histerese) presente no interior do inversor (ver
figura 06 (a)) é utilizado em manuais de fabricantes para identificar as portas que
executam a função de schimitt-trigger, sendo atribuído devido a aparência da
característica de transferência do bloco. Veja esta curva e os valores práticos dos
parâmetros VT- e VT+ , a figura 07 mostra a característica de transferência típica
do circuito integrado TTL 7414 (6 inversores schimitt-trigger).
V0 (V)
4,0
VT-
VT+
3,0
2,0
0,4
1,0
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
V1 (V)
Entrada
Figura 07
Por este gráfico podemos notar que, para a saída assumir nível 0 (VOL
= 0,2V) é necessário que a variação de entrada atinja aproximadamente V T+ =
1,7V, e para assumir nível 1 (VOH = 3,4V), é necessário que a variação de entrada
caia abaixo de VT- = 0,9V aproximadamente.
Versões de Circuitos TTL
Existem outros tipos de blocos TTL além dos blocos mais comuns
(Standard), com outras versões de circuitos com finalidade de atender a
solicitações de ordem prática nos parâmetros relativos à velocidade e consumo de
potência. Veja a tabela na próxima página, que mostra um quadro comparativo
com as versões, identificações, vantagens e desvantagens desses blocos:
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Tempo de
atraso de
propagação
típico por
porta
Freqüência
Consumo de
de clock
potência por
máxima
Observações
porta
para flip-flop
Versão
Identificação
da série
Standard
54/74
10ns
10mW
35MHz
Comum
Low Power
54L/74L
33ns
1mW
3MHz
Baixíssimo
consumo
Hi Speed
54H/74H
6ns
22mW
50MHz
Alta
velocidade
Schottky
54S/74S
3ns
19mW
125MHz
Altíssima
velocidade
54AS/74AS
1,5ns
8,5mW
200MHz
54LS/74LS
10ns
2mW
45MHz
Advanced
Schottky
Low Power
Schottky
Advanced
Low Power
Schottky
54ALS/
74ALS
4ns
1mW
70MHz
Altíssima
velocidade e
baixo consumo
Baixíssimo
consumo
Altíssima
velocidade e
baixíssimo
consumo
Estes valores são válidos para circuitos integrados de portas NE e
servem apenas para comparações entre as versões, sendo estimados a partir de
faixas disponíveis nos manuais comerciais de diversos fabricantes.
Os dados do quadro, nos possibilita a comparação em termos de
velocidade e consumo de potência, tomando como ponto de referência a versão
comum, em seguida da versão de baixo consumo (L), e de alta velocidade (H).
Essas versões são diferentes entre si devido a alterações introduzidas nos circuitos
e nos valores de seus componentes internos. A partir deste passo, as versões do
quadro como podemos ver, os circuitos apresentam variações sobre a tecnologia
Schottky.
Nesta versão, é utilizado em seus circuitos o diodo Schottky, que é
um elemeto semicondutor construído em metal com um lado da junção internapara
aumentar a velocidade de comutação, que está devidamente colocado entre base e
coletor de um transistor, formando um conjunto denominado Transistor
Schottky.
Quando este conjunto é utilizado para chaveamento, não atinge a
saturação por completo, devido à ligação, apresentando um tempo de comutação
extremamente baixo e consequentemente uma altíssima velocidade de trabalho. A
figura 08 na próxima página, nos mostra a ligação de um diodo Schottky em um
transistor bipolar para formar o referido conjunto (a) e a simbologia que é utilizada
por este (b).
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Famílias de Circuitos Lógicos
(a)
(b)
Figura 08
As alterações feitas nos circuitos e nos valores dos componentes,
produziam em relação à versão Schottky (S), uma variação de menor consumo
(LS), e nas versões Schottky Avançadas (AS e ALS), com uma grande melhora no
desempenho total, principalmente no produto velocidade-consumo, constituindo-se
nos menores entre todas as versões existentes.
Circuitos Integrados TTL
Esta família possui uma vasta variação de circuitos integrados
padronizados com configurações de pinagens disponíveis nos manuais dos
fabricantes. São circuitos integrados que possuem 14 pinos ou mais, conforme a
complexidade do circuito agregado, com encapsulamentos denominados DIP
(Dual-In-Line Package), cuja identificação da disposição dos terminais se faz
através da vista superior, em sentido antí-horário a partir de uma marca de
referência no encapsulamento do circuito integrado.
Veja abaixo as marcas de referência dos circuitos integrados:
Marca
de
Referência
Marca
de
Referência
No caso do circuito integrado acima, podemos verificar que a sua
alimentação é feita através do pino 14: +Vcc e do pino 7: terra ou GND (ground).
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Famílias de Circuitos Lógicos
Alguns tipos de circuitos integrados TTL
7400 - 04 portas NAND de 02 entradas
7401 - 04 portas NAND de 02
entradas com saídas em coletor aberto
7402 - 04 portas NOR de 02 entradas
7403 - 04 portas NAND de 02
entradas com saídas em coletor aberto
7404 - 06 portas INVERSORAS
7404 - 06 portas INVERSORAS
7405 - 06 portas INVERSORAS com saídas
em coletor aberto
7406 - 06 portas INVERSORAS
Buffers/Drivers com saídas em coletor aberto
7407 - 06 portas BUFFERS/DRIVERS
com saídas em coletor aberto
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Eletrônica Digital
Famílias de Circuitos Lógicos
7408 - 04 portas AND de 02 entradas
7409 - 04 portas AND de 02 entradas
com saídas em coletor aberto
7410 - 03 portas NAND de 03 entradas
7411 - 03 portas AND de 03 entradas
7412 - 03 portas NAND de 03 entradas
com saídas em coletor aberto
7413 - 02 portas NAND de 04
entradas Schmitt-Triggers
7414 - 06 portas INVERSORAS
Schmitt-Triggers
7421 - 02 portas AND de 04 entradas
7420 - 02 portas NAND de 04 entradas
7425 - 02 portas NOR de 04 entradas
com Strobe
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Eletrônica Digital
Famílias de Circuitos Lógicos
7427 - 03 portas NOR de 03 entradas
7430 - 01 porta NAND de 08 entradas
7432 - 04 portas OR de 02 entradas
7433 - 04 portas NOR de 02 entradas
com saídas em coletor aberto
7437 - 04 portas NAND de 02 entradas
Buffer
7438 - 04 portas NAND de 02 entradas
com saídas em coletor aberto
7440 - 02 portas NAND de 04 entradas
com saídas em coletor aberto
7451 - 02 portas AND/NOR de 04
entradas
7473 - 02 FLIP FLOPS JK com entradas
de Clear
7474 - 02 FLIP FLOPS D com entradas
de Preset e Clear
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Eletrônica Digital
7475 - 04 LACTCHES BIESTÁVEIS
7486 - 04 portas XOR de 02 entradas
Famílias de Circuitos Lógicos
7483 - SOMADOR PLENO DE 04 BITS
7488 - MEMÓRIA de apenas leitura de
256 BITs com saídas em coletor aberto
7489 - MEMÓRIA de escrita e leitura
7490 - CONTADOR de década
7491 - SHIFT REGISTER de 08 BITs
7495 - SHIFT REGISTER de 04 BITs
74125 - 04 BUFFER TRI STATE
74126 - 04 BUFFER TRI STATE
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Eletrônica Digital
74138 - 01 DECODER 3 TO 8
VI.
Famílias de Circuitos Lógicos
74139 - 02 DECODER 2 TO 4
Família CMOS
A outra família de externa importância a ser abordada é a CMOS
(Complementary MOS). Trata-se de ima família que tem seus circuitos construídos
por transistores MOS-FET complementares do tipo canal N e canal P.Suas
configurações básicas permitem obter-se uma série de vantagens, tais como: alto
Fan-Out, alta margem de imunidade ao ruídoe baixíssimo consumo, sendo esta
uma de suas mais importante características.
Vamos, a seguir, analisar o funcionamento dos blocos lógicos
principais desta família que são as portas NOU e NE. A figura 09 logo abaixo, nos
mostra o circuito básico de uma porta NOU CMOS.
Figura 09
Quando ambas as entradas estiverem em 0 (potencial do terra), os
MOS-FET canal P, M1 e M2 estarão conduzindo e os Mos-FET canal N, M3 e M4
estarão cortados. Isso fará com que a tensão de saída assuma valor igual a +Vdd
(nível 1). Quando pelo menos uma das entradas estiver em +Vdd (nível 1),
teremos o respectivo MOS-FET canal N, M3 ou M4 conduzindo, fazendo com que na
saída tenhamos uma tensão igual a 0. Transpondo estas situações para uma tabela
verdade, concluímos que o circuito comporta-se como uma porta NOU:
Ricardo Gouveia nº 26; Wagner S. Pires nº 34; Wenderson Luis nº 35; I – 111
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A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
S
1
0
0
0
Vamos analisar agora, o funcionamento da porta NE CMOS. O circuito
básico é visto na figura 10:
Figura 10
Quando pelo menos uma das entradas estiver em 0, o respectivo
MOS-FET canal N, M3 ou M4 estará cortado e o respectivo MOS-FET canal P, M1 ou
M2 estará conduzido, logo, teremos na saída uma tensão igual a VDD (nível 1).
Quando ambas as entradas estiverem em +VDD (nível 1), tanto M3 como M4
estarão conduzindo, ficando M1 e M2 cortados, logo, teremos na saída uma tensão
igual a 0. Transpondo estas situações para uma tabela verdade concluímos que o
circuto comporta-se como uma porta NE:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
S
1
1
1
0
Convém ressaltar que a partir destes circuitos básicos o fabricante
pode estruturar, internamente no circuito integrado, qualquer outro bloco
mantendo as mesmas características de entrada e saída.
Um outro ponto importante a ser ressaltado é que ao contrário da
família TTL, não é aconselhável deixar terminais de entrada em vazio nas portas
CMOS, pois nesta situação, estes se tornam susceptíveis à captação de cargas
estáticas e ruídos indesejáveis, causando pela polarização errônea dos dispositivos,
um aumento da dissipação de potência e consequentemente sobreaquecimento. Os
terminais não utilizados devem ser conectados, conforme o caso da função lógica
envolvida, ao terra ou Vdd do circuito.
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Famílias de Circuitos Lógicos
Características Gerais e Parâmetros da Família CMOS
A família CMOS possui circuitos integrados disponíveis nas séries
comerciais 4000A, 4000B e 54/74C, sendo esta ultima semelhante à TTL na
pinagem dos circuitos integrados e função dos blocos disponíveis. Além destas, a
família CMOS também possui versões de alta velocidade e melhor desempenho:
74HC/74HCT (High-speed CMOS), sendo a HCT especialmente desenvolvida para
atuar com parâmetros de tensões compatíveis co TTL-LS e as apropriadas para
operar com baixa tensão de alimentação: 74LV/74VC (Low Voltage CMOS).
Os circuitos integrados CMOS são dimensionados para operar na
faixa de temperatura de -40 a +85 C nas séries comuns, e nas variações de uso
profissional (militar) na faixa de -55 a +125 C.
Veja logo abaixo, os principais parâmetros encontrados nos manuais
em nomenclaturas originais:
1. Alimentação (Vdd): Quanto á tensão de alimentação, esta
família permite para as séries 4000 e 74C operam na faixa de 3V
a 15V, para a versão HC de 2V a 6V e para a HCT de 4,5V a 5,5V.
Para as séries de baixa voltagem, a faixa de 1V a 3,6V para a LV
e 1,2V a 3,6V para a LVC, sendo estas especialmente projetados
para operar com 3,3V, tensão de vários sistemas atuais. Podemos
notar que esta família e suas versões apresentam a vantagem de
possuir uma larga faixa de tensão de alimentação, não
necessitando de regulagem precisa na fonte como no caso da
TTL.
2. Níveis de tensões e correntes de entrada e saída: Os blocos
da família CMOS apresentam estes níveis, especificados nos
manuais, com variações em função da versão e tipo de bloco
utilizado. De maneira geral, apresentam nas entradas, valores de
Vil (máx.) iguais a 30% do Vdd e Vih (min.) iguais a 70% do Vdd,
com exceção da versão HCT que possui estes níveis iguais a TTLLS. Nas saídas dos blocos, devido principalmente á baixa
absorção de corrente na ligação com o bloco seguinte (alta
resistência de entrada), apresentam valores muito próximos a 0
(Vol max.) e Vdd (Voh min.). A tabela 9.14 apresenta os valores
de tensões e correntes para a série 4000B, operando com Vdd
igual a 5V.
Parâmetros
Vil
Vol
Vih
Voh
Iol
Iil
Ioh
Iih
CMOS 4000B
Valores
1,5
0,05
3,5
4,95
0,4
1
0,4
1
Unidade
V
V
V
V
MA
A
MA
A
3. Fan-Out: Nesta família, de modo generalizado, Fan-Out é igual a
50, porém varia conforme as versões empregadas. Este valor
considerável é devido principalmente á pouca deriva da corrente
de saída, em função da alta resistência de entrada dos
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dispositivos CMOS conextados, sendo a limitação causada pela
ação das capacitâncias de entrada dos blocos subseqüentes
somados. Devido à compatibilidade de algumas versões com TTL,
é comum nos manuais, encontrar este parâmetro definido para
um carregamento da saída com TTL-LS, sendo este um menor
valor (Fan-Out = 10 para HC/HCT).
4. Tempo de atraso de propagação: Nas séries mais comuns, o
tempo de atraso de propagação médio é da ordem de 90ns,
constituindo-se em uma grande desvantagem. O problema foi
superado com o aparecimento das versões apropriadas para uso
em alta velocidade (HC/HCT), com parâmetros compatíveis com
os das versões TTL para a mesma finalidade. Para exemplificar, a
tabela 9.15 apresenta os parâmetros de velocidades para a série
básica e as versões citadas, com tensão de alimentação igual a
5V.
Versão
4000B
HC/HCT
Tempo de atraso
de propagação
típico por porta
90 ns
8 ns
Freqüência de
clock máxima para
flip-flop
12 MHz
55 MHz
5. Imunidade ao Ruído: A margem de imunidade ao ruído para a
família CMOS é igual a 45% de Vdd, sendo muito alta se
comparada com a família TTL. Devido a isso, estes blocos são
adequados para ser utilizados em circuitos que operam em
sistemas ou ambientes de alto nível de ruído.
6. Potência Dissipada: O consumo de potência da família CMOS
(com Vdd=5V) é da ordem de 1nW por porta na série 4000 e
2,5nW por porta na versão 74HC, sendo estes valores muito
baixos, caracterizando-se em mais uma grande vantagem desta
família.
7. Manuseio: A família CMOS, ao contrario da TTL, possui
problemas com o manuseio dos circuitos integrados que devido à
ação da eletricidade de estática, provoca a degradação das
junções internas dos chips, comprometendo sua vida útil. A
danificação total do bloco pode só acontecer após um certo tempo
de uso, causando sérios transtornos ao fabricante do sistemas no
qual o componente está engajado.
Para contornar o problema, possibilitando um manuseio mais seguro,
existe no mercado uma série de dispositivos antiestáticos (pulseiras de
aterramento, pisos, borrachas de bancada, estações de solda, etc.), sendo inclusive
os circuitos integrados comercializados em embalagens com isolação apropriada.
As versões mais recentes desta família possuem internamente nas
entradas e saídas dos blocos, diodos de proteção para evitar a ação da eletricidade
estática, porém, aconselha-se seguir da mesma forma as normas de manuseio
apropriadas.
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Circuitos Integrados CMOS
Da mesma forma que na TTL, a família CMOS colocou no mercado
uma série de circuitos integrados padronizados com configurações de pinagens
disponíveis nos manuais dos fabricantes.Para exemplificar, a figura 9.22 apresenta
a pinagem do circuito integrado 4001B (4 NOU com 2 entradas) e do
74HC04/74HCT04 (6 inversores), sendo estes últimos de mesma pinagem que o
7404 da família TTL.
4001
04 portas NOR de 02 entradas
7404
06 portas INVERSORAS
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VII. Bibliografia.
Livros 01 e 02: Elementos da Eletrônica Digital
Edições: 13º e 30º Edição Revisada
Autores: Francisco Gabriel Capuano e
Ivan Valeije Idoeta
Editora: Érica
Livros 03: Manual de Circuitos Integrados TTL
Edição: Não consta
Autores: Eduardo Cesar Alves Cruz e
Luiz Carlos da Cunha e Silva
Editora: Érica
Livros 04: Circuitos Digitais
Edição: Não consta
Autores: Eduardo Cesar Alves Cruz
Antonio Carlos de Lourenço
Sabrina Rodero Ferreira
Salomão Choueri Júnior
Editora: Érica
www.triac.cjb.net
www.eletronica1.cjb.net
www.members.xoom.com/curtocircuit
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