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LIÇÃO 3
FAMÍLIAS DE CIRCUITOS LÓGICOS DIGITAIS
Na lição anterior conhecemos os princípios simples da Álgebra de Boole que regem o funcionamento dos circuitos lógicos digitais encontra- dos nos computadores e em muitos outros equipamentos. Vimos de que modo umas poucas funções simples funcionam e sua importância na ob- tenção de funções mais complexas. Mesmo sendo um assunto um pouco abstrato, por envolver princípios ma- temáticos, o leitor pode perceber que é possível simular o funcionamento de algumas funções com circuitos eletrô- nicos relativamente simples, usando chaves e lâmpadas. Os circuitos eletrônicos modernos, entretanto, não usam chaves e lâm- padas, mas sim, dispositivos muito rápidos que podem estabelecer os níveis lógicos nas entradas das fun- ções com velocidades incríveis e isso lhes permite realizar milhões de ope- rações muito complexas a cada se- gundo. Nesta edição veremos que tipo de circuitos são usados e como são en- contrados na prática em blocos bási- cos que unidos podem levar a elabo- ração de circuitos muito complicados como os encontrados nos computa- dores. O leitor irá começar a tomar con- tato com componentes práticos das famílias usadas na montagem dos equipamentos digitais. São estes os componentes básicos que podem ser encontrados em circuitos digitais, computadores e muitos outros.
3.1 - O transistor como chave eletrônica Um transistor pode funcionar como um interruptor deixando passar ou não uma corrente, conforme a apli- cação de uma tensão em sua entra- da. Assim, na simulação dos circuitos que estudamos e em que usamos chaves, é possível utilizar transistores com uma série de vantagens. No caso das chaves, o operador era responsável pela entrada do si- nal, pois, atuando com suas mãos sobre a chave, deveria estabelecer o nível lógico de entrada, mantendo esta chave aberta ou fechada confor- me desejasse 0 ou 1. Se usarmos um transistor teremos uma vantagem importante: o transis- tor poderá operar com a tensão ou nível lógico produzido por uma outra função e não necessariamente por uma pessoa que acione uma chave. Assim, as funções lógicas implementadas com transistores têm a vantagem de poderem ser interliga- das umas nas outras, pois o sinal que aparece na saída de cada uma pode
ser usado como entrada para outra, conforme a figura 1. Na figura 1 damos um exemplo interessante de como podemos obter um inversor usando um transistor. Aplicando o nível 1 na base do transistor ele conduz até o ponto de saturar, o que faz, com que a tensão no seu coletor caia a 0. Por outro lado, na ausência de tensão na sua base, que corresponde ao nível 0 de entra- da, o transistor se mantém cortado e a tensão no seu coletor se mantém alta, o que corresponde ao nível 1. Conforme observamos na figura 2 , outras funções podem ser conse- guidas com transistores. Isso significa que a elaboração de um circuito lógico digital capaz de rea- lizar operações complexas usando transistores é algo que pode ser con- seguido com relativa facilidade.
3.2 - Melhorando o desempenho No entanto, usar transistores em circuitos que correspondam a cada função de uma maneira não padroni- zada pode trazer algumas dificulda- des.
Figura 1 - Um inversor (função NÃO ou NOT) usando um transistor.
Dessa forma, se bem que nos pri- meiros tempos da Eletrônica Digital cada função era montada com seus transistores, diodos e resistores na sua plaquinha para depois serem to- das interligadas, este procedimento se revelou inconveniente por diversos motivos. O primeiro deles é a complexida- de que o circuito adquiria se realizas- se muitas funções. O segundo, é a necessidade de padronizar o modo de funcionamen- to de cada circuito ou função. Seria muito importante estabelecer que to- dos os circuitos operassem com a mesma tensão de alimentação e for- necessem sinais que os demais pu- dessem reconhecer e reconhecessem os sinais gerados pelos outros. O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, possibilitan- do a colocação num único invólucro de diversos componentes já interliga- dos, veio permitir um desenvolvimen- to muito rápido da Eletrônica Digital. Foi criada então uma série de cir- cuitos integrados que continham numa única pastilha as funções lógi- cas digitais mais usadas e de tal ma- neira projetadas que todas eram com- patíveis entre si, ou seja, operavam com as mesmas tensões e reconhe- ciam os mesmos sinais.
Estas séries de circuitos integra- dos formaram então as Famílias Ló- gicas, a partir das quais os projetis- tas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montar seus equipamentos digitais. Assim, conforme a figura 3 , pre- cisando montar um circuito que usas- se uma porta AND duas NOR e inver- sores, o projetista teria disponíveis componentes compatíveis entre si contendo estas funções e de tal for- ma que poderiam ser interligadas das maneiras desejadas. O sucesso do advento dessas fa- mílias foi enorme, pois além do me- nor tamanho dos circuitos e menor consumo de energia, havia ainda a
vantagem do menor custo e obtenção de maior velocidade de operação e confiabilidade. Diversas famílias foram criadas desde o advento dos circuitos integra- dos, recebendo uma denominação conforme a tecnologia empregada. As principais famílias lógicas de- senvolvidas foram:
· RTL ouResistor Transistor Logic · RCTL ouResistor Capacitor Transistor Logic · DTL ouDiode Transistor Logic · TTL ou Transistor Transistor Logic · CMOS ouComplementary Metal Oxid Semiconductor · ECL ouEmitter Coupled Logic
Atualmente a Família TTL e a CMOS são as mais usadas, sendo empregadas em uma grande quanti- dade de equipamentos digitais e tam- bém nos computadores e periféricos.
3.3 - A família TTL A família TTL foi originalmente desenvolvida pela Texas Instruments, mas hoje, muitos fabricantes de semicondutores produzem seus com- ponentes. Esta família é principalmente reconhecida pelo fato de ter duas séries que começam pelos números 54 para os componentes de uso mili- tar e 74 para os componentes de uso comercial. Assim, podemos rapidamente as- sociar qualquer componente que co- mece pelo número “74” à família TTL. Na figura 4 mostramos uma por- ta típica TTL. Trata-se de uma porta NAND de duas entradas que logo
Figura 2 - Outras funções implementadas com transistores.
Figura 3 - Blocos compatíveis contendo funções lógicas (circuitos integrados).
Esta corrente vai circular quando a tensão de entrada estiver com um valor superior a 2,0 V.
- Correntes de saída Quando a saída de um circuito TTL vai ao nível 0 (ou baixo), flui uma cor- rente da ordem de 16 mA, conforme observamos no circuito equivalente da figura 9. Isso significa que uma saída TTL no nível 0 ou baixo pode drenar de uma carga uma corrente máxima de 16 mA, ou seja, pode “absorver” uma corrente máxima desta ordem. Por outro lado, quando a saída de uma função TTL está no nível 1 ou alto, ela pode fornecer uma corrente máxima de 400 μA, figura 10.
Veja então que podemos obter uma capacidade muito maior de exci- tação de saída de uma porta TTL quando ela é levada ao nível 0 do que ao nível 1. Isso justifica o fato de que em muitas funções indicadoras, em que ligamos um LED na saída, fazemos com que ele seja aceso quando a saída vai ao nível 0 (e portanto, a cor- rente é maior) e não ao nível 1, con- forme a figura 11.
- Fan In e Fan Out Estes são termos técnicos que especificam características de extre- ma importância quando usamos cir- cuitos integrados da família TTL. A saída de uma porta não precisa estar obrigatoriamente ligada a uma entrada de outra porta. A mesma saí- da pode ser usada para excitar diver- sas portas. Como a entrada de cada porta pre- cisa de uma certa corrente e a saída da porta que irá excitar tem uma ca- pacidade limitada de fornecimento ou de drenar a corrente, é preciso esta- belecer um limite para a quantidade de portas que podem ser excitadas, veja o exemplo da figura 12. Assim, levando em conta as cor- rentes nos níveis 1 e 0 das entradas
e saídas, definimos oFAN OUT como o número máximo de entradas que podemos ligar a uma saída TTL. Para os componentes da família TTL normal ouStandard que estamos estudando, oFAN OUT é 10. Por outro lado, também pode ocor- rer que na entrada de uma função ló- gica TTL precisemos ligar mais de uma saída TTL. Considerando novamente que cir- culam correntes nestas ligações e que os circuitos têm capacidades limita- das de condução, precisamos saber até que quantidade de ligações po- demos fazer. Desta forma oFAN-IN indica a quantidade máxima de saídas que podemos ligar a uma entrada, figura 13.
Figura 8 - Corrente de entrada no nível alto (1).
Figura 9 - Corrente de saída no nível baixo (0).
Figura 10 - Corrente de saída no nível alto (1).
Figura 11 - Prefere-se a configuração (b) para acionar LEDs.
Figura 12 - Há um limite para a quantidade de entradas que uma saída pode excitar.
Figura 13 - Também pode ser necessário ligar mais de uma saída a uma entrada.
- Velocidade Os circuitos eletrônicos possuem uma velocidade limitada de operação que depende de diversos fatores. No caso específico dos circuitos TTL, temos de considerar a própria configuração das portas que apresen- tam indutâncias e capacitâncias pa- rasitas que influem na sua velocida- de de operação. Assim, levando em conta a confi- guração típica de uma porta, confor- me observamos no circuito da figura 14 , veremos que se for estabelecida uma transição muito rápida da tensão de entrada, a tensão no circuito não subirá com a mesma velocidade. Este sinal terá antes de carregar as capacitâncias parasitas existentes de modo que a tensão de entrada suba gradualmente, demorando um certo tempo que deve ser considera- do. Da mesma forma, à medida que o sinal vai passando pelas diversas eta- pas do circuito, temos de considerar os tempos que os componentes de- moram para comutar justamente em função das capacitâncias e indutân- cias parasitas existentes. O resultado disso é que para os circuitos integrados TTL existe um re- tardo entre o instante em que o sinal passa do nível 0 para o 1 na entrada e o instante em que o sinal na saída responde a este sinal, passando do nível 1 para o 0 no caso de um inversor. Da mesma forma, existe um retar- do entre o instante em que o sinal de entrada passa do nível 1 para o 0 e o instante em que o sinal de saída pas- sa do nível 0 para o 1, no caso de um inversor. Mostramos esses dois tempos na figura 15 , eles são muito importan- tes nas especificações dos circuitos
TTL, principalmente quando trabalha- mos com o projeto de dispositivos muito rápidos. Basicamente podemos adiantar para o leitor que se dois si- nais que devam chegar ao mesmo tempo a um certo ponto do circuito não o fizerem, porque um se retarda mais do que o outro ao passar por de- terminadas funções, isso pode gerar interpretações erradas do próprio cir- cuito que funcionará de modo anor- mal.
Assim, a partir da família original denominada“Standard” surgiram di- versas subfamílias. Para diferenciar essas subfamílias, foram adicionadas ao número que identifica o componen- te (depois do 54 ou 74 com que todos começam), uma ou duas letras. Temos então a seguinte tabela de subfamílias e da família TTL standard:
Indicação: 54/ Família/Subfamília: Standard Característica: nenhuma
Indicação: 54L/74L Família/Subfamília: Low Power Característica: Baixo consumo
Indicação: 54H/74H Família/Subfamília: High Speed Característica: Alta velocidade Indicação: 54S/74S Família/Subfamília: Schottky Característica: nenhuma
Indicação: 54LS/74LS Família/Subfamília: Low Power Schottky Característica: nenhuma
A versãostandard apresenta com- ponentes com o custo mais baixo e também dispõe da maior quantidade de funções disponíveis. No entanto, a versão LS se adap- ta mais aos circuitos de computado- res, pois tem a mesma velocidade dos components da famíliaStandard com muito menor consumo. Algumas características podem ser comparadas, para que os leitores verifiquem as diferenças existentes.
- Velocidade A velocidade de operação de uma função TTL normalmente é especi- ficada pelo tempo que o sinal demo- ra para propagar através do circuito. Em uma linguagem mais simples, tra- ta-se do tempo entre o instante em que aplicamos os níveis lógicos na entrada e o instante em que obtemos a resposta, conforme verificamos atra- vés da forma de onda que vimos na figura 15. Para os circuitos da família TTL é comum especificar estes tempos em nanossegundos ou bilionésimos de segundo.
Figura 14 - Capacitâncias parasitas que influem na velocidade de resposta dos circuitos.
Figura 15 - Como são medidos os tempos de retardo nas funções TTL.
Os primeiros circuitos TTL que foram desenvolvidos logo se mostraram inapropriados para certas aplicações.
3.5 - Subfamílias TTL Os primeiros circuitos TTL que fo- ram desenvolvidos logo se mostraram inapropriados para certas aplicações, quando é necessária maior velocida- de, ou menor consumo de energia ou ainda os dois fatores reunidos. Isso fez com que, mantendo as características originais de compati- bilidade entre os circuitos e manten- do as mesmas funções básicas, fos- sem criadas sub-famílias que tives- sem uma característica adicional di- ferenciada.
No entanto, existe uma possibili- dade de elaborar circuitos em que as saídas de portas sejam interligadas. Isso é conseguido com a configura- ção denominadaOpen Collector mos- trada na figura 18. Os circuitos integrados TTL que possuem esta configuração são indi- cados como“open collector” e quan- do são usados, exigem a ligação de um resistor externo denominado“pull up” normalmente de 2000 Ω ou próxi- mo disso. Como o nome em inglês diz, o transistor interno está com o “coletor aberto”(open collector) e para funci- onar precisa de um resistor de polari- zação. A vantagem desta configuração está na possibilidade de interligarmos portas diferentes num mesmo ponto, figura 19. A desvantagem está na redução da velocidade de operação do circui- to que se torna mais lento com a pre- sença do resistor, pois ele tem uma certa impedância que afeta o desem- penho do circuito.
3.8 -Tri-State Tri-state significa terceiro estado e é uma configuração que também pode ser encontrada em alguns cir- cuitos integrados TTL, principalmen- te usados em Informática. Na figura 20 temos um circuito típico de uma porta NANDtri-state que vai servir como exemplo. Podem existir aplica- ções em que duas portas tenham suas saídas ligadas num mesmo cir- cuito, figura 21. Uma porta está associada a um primeiro circuito e a outra porta a um segundo circuito. Quando um circuito envia seus sinais para a porta, o ou- tro deve ficar em espera. Ora, se o circuito que está em es- pera ficar no nível 0 ou no nível 1, estes níveis serão interpretados pela porta seguinte como informação e isso não deve ocorrer. O que deve ocorrer é que quando uma porta estiver enviando seus si- nais, a outra porta deve estar numa situação em que na sua saída não tenhamos nem 0 e nem 1, ou seja, ela deve ficar num estado de circuito
desligado, circuito aberto ou terceiro estado. Isso é conseguido através de uma entrada de controle denomina- da “habilitação” em inglês“enable” abreviada por EN. Assim, quando EN está no nível 0, no circuito da figura 20 , o transis- tor não conduz e nada acontece no circuito que funciona normalmente. No entanto, se EN for levada ao nível 1, o transistor satura, levando ao corte, ou seja, os dois passam a se comportar como circuitos abertos, in- dependentemente dos sinais de en- trada. Na saída Y teremos então um estado de alta impedância. Podemos então concluir que a fun- çãotri-state apresenta três estados possíveis na sua saída: Nível lógico 0 Nível lógico 1 Alta Impedância As funçõestri-state são muito usa- das nos circuitos de computadores, nos denominados barramentos de dados ou “data bus”, onde diversos circuitos devem aplicar seus sinais ao mesmo ponto ou devem compartilhar a mesma linha de transferência des- ses dados. O circuito que está funcio- nando deve estar habilitado e os que não estão funcionando, para que suas saídas não influenciem nos demais, devem ser levados sempre ao tercei- ro estado. Na figura 22 temos um exemplo de aplicação em que são usados cir- cuitostri-state. Uma unidade de processamento de um computador envia e recebe dados para/de diver- sos periféricos usando uma única li- nha(bus). Todos os circuitos ligados a estas linhas devem ter saídas do tipo tri-state.
Figura 18 - Porta NAND (não-E) com saída em coletor aberto (Open Collector).
Figura 19 - O resistor "pull up" serve para polarizar os transistores das saídas das funções "open colletor".
Figura 20 - Uma porta NAND TTL tri-state.
QUESTIONÁRIO
- Quais são as duas principais famílias de circuitos lógicos digitais obtidas na forma de circuitos integra- dos? a) CMOS e TTL b)Schottky e LS c) AO eSolid State d) FET e Bipolar
- Qual é a tensão de alimentação dos circuitos integrados da família TTL Standard? a) 3 a 15 V b) 1,5 V c) 5 V d) 12 V
- Circuitos integrados que conte- nham grande quantidade de funções, mais de 1 000, usados principalmen- te nos modernos computadores são denominados: a) SSI b) MSI c) LSI d) VLSI
- Um circuito integrado tem uma capacidade maior de corrente na sua saída quando: a) No nível 1 b) No nível 0 c) As capacidades são iguais nos dois níveis d) A capacidade depende da fun- ção
- A família TTL de alta velocida- de tem seus componentes com a sigla: a) 74L b) 74H c) 74S d) 74LS
- Para que tipos de configuração de saída não podemos ligar duas por- tas juntas? a) Todas b)Totem pole c)Open Collector d) Nenhuma delas
- Que estado encontramos numa saída de uma função TTLTri-state quando a entrada de habilitação não está ativada? a) Nível 0 b) Nível 1 c) Nível 0 ou 1 d) Alta impedância
Figura 21 - Quando A estiver enviando sinais para C, B deve estar "desativado".
Figura 22 - Na troca de dados entre diversas interfaces deve-se usar componentes com saídas tri-state.
Respostas da lição n o^2 1 - b) 2 - b) 3 - a) 4 - a) 5 - a) 6 - d) 7 - c)
