Tecnologia TTL - Engenharia Eletrica

Tecnologia TTL
Rodrigo Wobeto de Araujo 993045-0
Samuel Cristiano de Ávila, 993831-1
Resumo: este artigo comenta um pouco sobre o
funcionamento de um dispositivo TLL, as classes de
dispositivos com sua velocidade de chaveamento e
potência dissipada. Também é mensionado os
parametros de sua configuração.
Palavra-chave:
Tecnologia
TTL,
transistor-transistor, Portas lógicas.
1.
Lógica
HISTÓRIA
Existem varias maneiras de projetar
dispositivos eletrónicos lógicos. No anos 30, os
laboratórios da Bell conceberam o primeiro
dispositivo lógico recorrendo a relês. O primeiro
computador digital, “Eniac”, desenvolvido nos
anos 40, utilizava circuitos lógicos baseados em
tubos de vácuo. A invenção do díodo
semicondutor e do transistor bipolar permitiu o
desenvolvimento de sistemas computacionais de
menor dimensão, maior rapidez e maior
capacidade de processamento. Nos anos 60, o
desenvolvimento
tecnológico
permitiu
a
integração de díodos, transistores e outros
componentes eletrónicos num único dispositivo, o
circuito integrado (CI). Surge, assim, a primeira
família de CI’s, baseados no mesmo tipo de
circuitos internos e com características de entrada
e saída semelhantes, com capacidade de
implementar diferentes tipos de funções lógicas.
De entre os vários tipos de circuitos
internos dos CI’s, consequentemente de famílias
lógicas, destaca-se a família TTL (“Transistor –
Transistor Logic”), introduzida nos anos 60 e
utilizada em larga escala. No entanto, 10 anos
antes da invenção do transistor bipolar, foi
patenteado o transistor MOSFET (“ metal-oxide
semicondutor field effect transistor (MOSFET)”
ou apenas transistor MOS. Na altura, era reduzida
a sua aplicabilidade devido à dificuldade de
fabrico e a velocidades reduzidas de operação.
Com os desenvolvimentos tecnológicos nesta área
assiste-se, atualmente, à substituição da tecnologia
TTL pela tecnologia MOS e, particularmente, pela
tecnologia CMOS (“ Complementary MOS”).
Hoje em dia, a grande maioria dos circuitos com
níveis de integração em larga escala, tais como
memórias e microprocessadores, utilizam a
tecnologia CMOS. No entanto, devido à grande
popularidade dos CI’s TTL, a maioria das famílias
CMOS são projetadas de modo a serem parcial ou
mesmo totalmente compatíveis com a família
TTL.
2.
CIRCUITOS INTEGRADOS
Componentes electrónicos, integrados
num único dispositivo, que implementam funções
lógicas elementares ou outras funções mais
complexas.
Exemplo: 74LS08
O circuito 74LS08 da série 74, sub-família TTLLS, disponibiliza um conjunto de 4 portas AND
de duas entradas.
3.
1.
DISPOSITIVOS
TTL Padrão
A figura a seguir mostra uma porta NAND
TTL. O transistor de entrada com múltiplos
emissores é típico das portas e outros dispositivos
na série 7400. Cada emissor atua como um díodo;
portanto Q1 e o resistor de 4kΩ atuam como uma
porta AND de duas entradas. O resto do circuito
inverte o sinal de forma que o circuito total atua
como uma porta NAND de duas entradas. Os
transistores de saída (Q3 e Q4 ) formam uma
conexão poste totem (um npn em série com um
outro); este tipo de estágio de saída é típico na
maioria dos dispositivos TTL. Com um estágio de
saída poste de totem, ou o transistor superior ou o
inferior está conduzindo. Quando Q3 está
conduzindo, a saída é alta; quando Q4 está
conduzindo, a saída é baixa.
As tensões de entrada A e B são ou baixa
(idealmente aterradas) ou altas (idealmente +5V).
se A ou B é baixa, a base Q1 é abaixada para
aproximadamente 0,7V. isto reduz a tensão de
base de Q2 para quase zero. Em conseqüência, Q2
entra em corte. Com Q2 aberto, Q4 entra em corte,
e a base e Q3 é elevada. Como Q3 atua como um
seguidor de emissor, a saída Y é elevada para uma
tensão alta.
Por outro lado, quando A e B são ambas
tensões altas, os díodos de emissor de Q1 param
de conduzir e o díodo coletor passa a conduzir
diretamente. Isto força a base de Q2 a ficar alta.
Por sua vez, Q4 entra em saturação, produzindo
uma saída baixa.
São usados transistores em poste de totem
porque eles produzem uma impedância de saída
baixa. Ou Q3 funciona como um seguidor de
emissor (saída alta) ou Q4 é saturado (saída baixa
). Quando Q3 está conduzindo, a impedância de
saída é aproximadamente 70Ω; quando Q4 está
saturado, a impedância de saída é somente 12Ω
(isto pode ser calculado a partir de informação na
folha de dados). De qualquer forma, a impedância
de saída é muito baixa. Isto significa que a tensão
de saída pode mudar rapidamente de um estado
para outro porque qualquer capacitância parasita
de saída é rapidamente carregada ou descarregada
por meio da baixa impedância de saída.
Uma porta TTL padrão tem uma dissipação
de potência de cerca de 10mW e o tempo de
atraso de propagação é o tempo que a saída de
uma porta leva par mudar após as entradas terem
mudado. O tempo de atraso de propagação de uma
porta TTL padrão é aproximadamente 10ns.
Esta série é numerada de acordo com a
seguinte tabela:
Número do
Descrição
dispositivo
7400
Quatro portas NAND de duas
entradas
7402
Quatro portas NOR de duas entradas
7404
Seis inversores
7408
Quatros portas AND de duas
entradas
7410
Três portas NAND de duas entradas
7411
Três portas AND de três entradas
7420
Duas portas NAND de quatro
entradas
7421
Duas portas AND de quatro entradas
7425
Duas portas NOR de quatro entradas
7427
Três portas NOR de três entradas
7430
Porta NAND de oito entradas
7486
Quatro portas OR-exclusivo de duas
entradas
Qualquer dispositivo da série 7400
funciona em uma faixa de temperatura de 0 a
70°C e em uma faixa de alimentação de 4,75 a
5,5V. Isto é adequado para aplicações comerciais.
A série 5400, desenvolvida para
aplicações militares, tem as mesmas funções
lógicas que a série 7400, com exceção que ela
trabalha em uma faixa de temperatura de –55 a
125°C e em uma faixa de alimentação de 4,5 a
5,5V. Embora os dispositivo da série 5400 possam
substituir os dispositivos da série 7400, eles
raramente são usados comercialmente em virtude
de seu custo mais elevado.
2.
TTL de Baixa Potência
Aumentando as resistência internas, um
fabricante pode reduzir a dissipação de potência
das portas TTL. Dispositivos desse tipo são
chamados TTL de baixa potência e numerados
74L00, 74L01, etc. Esses dispositivos são mais
lentos que os TTL padrão em virtude das
constantes de tempo internas maiores. Uma porta
TTL de baixa potência tem uma dissipação de
potência de 1mW e um tempo de atraso de
propagação de cerca de 35ns.
4.
3.
Diminuindo
as
resistências,
um
fabricante pode abaixar as constantes de tempo
internas, o que diminui o tempo de atraso de
propagação. As resistências menores, entretanto,
aumentam a dissipação de potência. Essa variação
de projeto é conhecida como TTL de alta
velocidade. Dispositivos desse tipo são numerados
74H00, 74H01, etc. Uma porta TTL de alta
velocidade tem uma dissipação de potência de
cerca de 22mW e um tempo de atraso de
propagação de aproximadamente 6ns.
4.
TTL Schottky
Com TTL padrão, TTL de alta
velocidade e TTL de baixa potência, os
transistores entram em saturação forte, fazendo
com que um excesso de portadores seja
armazenado na base. Ao fazer o chaveamento de
um transistor da saturação para o corte, você tem
de esperar que os portadores adicionais fluam para
fora da base. O atraso é conhecido como tempo de
atraso de saturação.
Uma maneira de reduzir o tempo de
saturação é usar o TTL Schottky. A idéia é
fabricar um díodo Schottky em companhia de
cada transistor bipolar de um circuito TTL. Como
o díodo Schottky tem uma tensão direta de
somente 0,25 a 0,4V, ele evita que o transistor
sature completamente. Isto virtualmente elimina o
tempo de atraso de saturação, o que significa uma
velocidade de chaveamento melhor. Esses
dispositivos são numerados 74S00, 74S01, 74S02
e assim por diante.
Os dispositivos TTL Schottky são muito
rápidos, capazes de operar com confiabilidade em
100MHz. O 74S00 tem uma dissipação de
potência de cerca de 20mW por porta e um tempo
de atraso de propagação de aproximadamente 3ns.
5.
PARÂMETROS TTL
TTL de Alta Velocidade
1.
Entradas flutuantes
Quando uma entrada TTL é alta (idealmente
+5V), a corrente de emissor é aproximadamente
zero. Quando uma entrada TTL é flutuante (não
conectada), não é possível nenhuma corrente de
emissor por causa do circuito aberto. Portanto,
uma entrada TTL flutuante é equivalente a uma
entrada alta. Por causa disso, às vezes você vê
entradas não-usadas deixadas desconcertadas;
uma entrada aberta permite que o restante da porta
funcione corretamente.
Existe uma desvantagem de entradas
flutuantes. Quando você deixa uma entrada aberta,
ela atua como uma pequena antena; portanto capta
tensões parasitas de ruído eletromagnético. Em
alguns ambientes, a captação de ruído é grande o
suficiente para causar o funcionamento irregular
dos circuitos lógicos. Por essa razão a maioria dos
projetistas prefere conectar as entradas TTL nãousadas à tensão de alimentação.
5.
Tensões de Entrada
Quando a entrada é 0V (aterrada), ela esta no
estado baixo e é designada por VIL. Com
dispositivos TTL podemos aumentar VIL até 0,8V
e ainda ter uma entrada em nível baixo. Em outras
palavras, a tensão de entrada em estado baixo,
VIL, pode Ter qualquer valor entre 0 e 0,8V.
Entretanto, se a entrada é 5V, é uma entrada
alta e pode ser designada por VIH. Essa tensão
pode diminuir até 2V sem ocorrer alteração no
estado de saída. Em outras palavras, a entrada em
estado alto, VIH, é de 2 a 5V.
TTL Schottky de Baixa Potência
Aumentando as resistências internas bem
como usando díodos Schottky, os fabricantes
chegaram a uma conciliação entre baixa potência
e alta velocidade: Schottky de baixa potência.
Dispositivos desse tipo são numerados
74LS00, 74LS01, etc. Uma porta Schottky de
baixa potência tem uma dissipação de potência de
cerca de 2mW e um tempo de atraso de
propagação de aproximadamente 10ns.
Qualquer entrada entre 0,8 e 2V é
indeterminada, porque não há nenhuma garantia
de que ela produzirá a tensão correta na saída.
3.
Tensões de Saída
Idealmente, o estado de saída baixo é 0V
e o estado de saída alto é 5V. Não podemos
conseguir esses valores ideais por causa das
quedas de tensão internas dos dispositivos TTL.
Com os dispositivos TTL, qualquer
tensão de saída de 0 a 0,5V é considerada uma
saída baixa e designada por VOL . Isto significa que
a saída em estado baixo, VOL , de um dispositivo
TTL, pode Ter qualquer valor entre 0 e 0,4V.
Em virtude das quedas de tensões nos
dispositivos TTL, a tensão de saída em estado alto
tem valores entre 2,7 e 5,0V e é designada por
VOH .
Qualquer valor entre 0,5 e 2,7V é considerado
indeterminado.
Da mesma forma os piores valores altos
são:
VOH.mín=2,7V
saída do acionador
VIH.mím=2V
entrada da carga
Em qualquer caso, a diferença é 0,4V.
Essa diferença é chamada imunidade ao ruído. Ela
representa proteção incluída contra ruído.
Nós precisamos de proteção contra ruído
porque o fio de conexão entre o acionador TTL e
a carga é equivalente a uma pequena antena que
capta sinais de ruídos parasitas. Na maioria dos
ambientes a tensão de ruído induzido é menor que
0,4V, e não obtemos nenhum disparo falso da
carga TTL.
No pior caso, a entrada baixa para a carga
TTL é:
VIL=VOL +Vruído =0,5V+Vruído <0,8V
No pior caso da entrada de estágio alto é:
VIL=VOH -Vruído =2,7-Vruído >2V
7.
4.
Compatibilidade
Os dispositivos TTL são compatíveis porque
as janelas de saída baixa e alta se encaixam dentro
das janelas de entrada baixa e alta. Portanto a
saída de qualquer dispositivo TTL é apropriada
para acionar a entrada de um outro dispositivo
TTL.
5.
Alimentação e Drenagem
Quando uma saída TTL padrão é baixa,
existe
uma
corrente
de
emissor
de
aproximadamente -1,6mA(pior caso). O sinal
negativo indica que a corrente convencional é
para fora do dispositivo.
Entretanto, quando a saída TTL padrão é alta,
existe uma corrente reversa de emissor de
+0,04mA(pior caso). O sinal positivo indica que a
corrente fluí para dentro do dispositivo.
6.
Imunidade ao Ruído
No pior caso existe uma diferença de
0,4V entre as tensões de saída do acionador e as
tensões de entrada necessária para a carga. Por
exemplo, os piores casos de valores baixos são:
VOL.max=0,5V
saída do acionador
VIL.max=0,8V
entrada da carga
Carga-Padrão
Um dispositivo TTL pode fornecer
corrente (saída alta) ou drenar corrente (saída
baixa). As folhas de dados dos dispositivos TTL
padrão indicam que qualquer dispositivo da série
7400 pode drenar até 16mA (IOL.máx=16mA), e
pode fornecer até 0,4mA (IOH.máx=-0,4mA). Como
discutido anteriormente, os piores caso de
corrente de entrada TTL
são
IIL.máx=-1,6mA
e
IIH,máx=0,04mA. Como as
corrente
de
saída
máximas são dez vezes
maiores que as correntes
de entrada, podemos
conectar
até
dez
emissores TTL a qualquer
saída TTL.
No estado baixo,
a tensão é garantidamente
0,4V ou menor. Se você tentar conectar mais de
dez emissores, a tensão de saída pode subir acima
de 0,4V sob condições de pior caso. Se isso
acontecer, a operação em estado baixo não será
mais confiável. Portanto, dez cargas TTL são o
máximo que o fabricante permite para operação
em estado baixo garantido.
No estado alto, uma tensão de saída alta
(pior caso) com o acionador fornecendo 0,4mA
para dez cargas TTL de 0,04mA cada. Para essa
corrente de alimentação, a tensão de saída é
garantida como sendo 2,7V ou maior sob
condições de pior caso. Se tentar conectar mais de
dez carga TTL, você excederá IOH.máx, e a
operação em estado alto tornar-se-á não confiável.
1.
A porta NAND é a espinha dorsal da
série 7400. Todos os dispositivos nessa série são
derivados da porta NAND de duas entradas. Para
produzir portas NAND de mais entradas, o
fabricante usa transistores com mais emissores.
2.
8.
Tempo de propagação
As portas lógicas são dispositivos físicos,
reais, e como tal não reagem a variações de
entrada com velocidade infinita. É necessário um
certo tempo para que uma variação na entrada se
propague para a saída. É, afinal, este tempo finito
que faz com que os computadores não operem a
frequências infinitas. O tempo que uma
determinada porta demora a reagir não é definido
com completo rigor, até porque depende, entre
outros factores, das condições de temperatura. Os
fabricantes dos CI’s definem, por isso, um limite
máximo para esse tempo.
Especificações dos fabricantes:
• TpLH – tempo máximo de propagação
quando a saída transita do nível baixo(L) para
o nível alto(H).
• TpHL – tempo máximo de propagação
quando a saída transita do nível alto(H) para o
nível baixo(L).
• Tp – tempo de propagação igual ao valor
máximo de TpLH e TpHL.
Portas NAND
Portas NOR
Para obter outras funções lógicas, o fabricante
modifica o projeto básico da porta NAND. Aqui
foram adicionados Q5 e Q6 ao projeto básico da
porta NAND. Como Q2 e Q6 estão em paralelo,
obtemos a função OR, a qual é seguida pela
inversão par obter a função NOR.
Quando A e B são ambas baixas, as bases Q1
e Q5 são levadas ao nível baixo; isto leva Q2 e Q6
ao corte. Em seguida, Q3 atua como um seguidor
de emissor, e obtemos uma saída alta.
Se A ou B é alta, Q1 e Q5 estão em corte,
forçando Q2 e ou Q6 a conduzir. Quando isto
acontece, Q4 satura e leva a saída a uma tensão
baixa.
Com mais transistores, um fabricante pode
produzir portas NOR de três e quatro entradas
(nota: uma porta NOR de oito entradas TTL não é
disponível).
3.
Portas AND e OR
Para produzir a função AND, um outro
estágio emissor comum (EC) é inserido no projeto
básico da porta NAND. A inversão adicional
converte a porta NAND em uma porta AND. As
portas AND TTL disponíveis são a 7408 (quatro
de duas entradas), 7411 (três de três entradas) e
7421 (duas de quatro entradas).
Da mesma forma, um outro estágio EC pode
ser inserido na porta NOR.; isto converte a porta
NOR em uma porta OR. A única porta OR TTL
disponível é a 7432 (quatro de duas entradas).
6. IDENTIFICAÇÃO DOS CI’ S
5. VISÃO PANORÂMICA DA TTL
A identificação base do CI’s segue o
formato XX FAM NNN, onde:
• XX representa a série 54 ou 74;
• FAM representa a sub-família;
• NNN representa o número da função lógica
implementada no CI.
Exemplo: O circuito integrado 74LS08, pertence à
série 74, sub-família TTL-LS e implementa a
função lógica 08 ( 4 portas AND de 2 entradas).
Outras
referências
são
normalmente
adicionadas
para
definir,
entre
outras
características, o tipo de invólucro.
A
0
0
1
1
7. FUNÇÕES LÓGICAS ELEMENTARES
1. Função Igualdade:
F(A)=A
Tabela de Verdade:
A
0
1
F
0
1
F ( A) = A
(ou Função NOR): F ( A) =
Tabela de Verdade:
A
B
0
0
0
1
1
0
1
1
A+ B
F
1
0
0
0
11. Função OU EXCLUSIVO
(ou Função EXCLUSIVE OR):
Tabela de Verdade:
A
0
1
F
1
0
7. Função Intersecção
(ou Função Produto Lógico, ou Função E, ou
Função AND): F ( A) = A.B
Tabela de Verdade:
A
B
F
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
8. Função Reunião
(ou Função Soma Lógica, ou Função OU, ou
Função OR): F ( A) = A + B
Tabela de Verdade:
A
B
F
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Função NÃO E
(ou Função NAND):
Tabela de Verdade:
F
1
1
1
0
10. Função NÃO OU
6. Função Negação
(ou Complementação ou Inversão ou NOT):
9.
B
0
1
0
1
F ( A) = A.B
F ( A, B) = A.B + A.B
Tabela de Verdade:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
F
0
1
1
0
8.BIBLIOGRAFIA
•
ELETRÔNICA DIGITAL, Princípios e
Aplicações Lógica Combinacional
Malvina Leach, ed. McGRAW-HILL
Vol. 1
•
http://www.dmi.ubi.pt/~mario/SL-Capitulo3.pdf
•
http://www.estv.ipv.pt/PaginasPessoais/ffranc
isco/sd/07ci.pdf