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CURSO DE ELETRÔNICA DIGITAL

1SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

10010100111010101001010010101101010101001110101001010111010101001100111101010011101001001010000111101010011101010010

CURSO DECURSO DECURSO DECURSO DECURSO DE ELETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICA DIGITALIGITALIGITALIGITALIGITAL

Os circuitos equipados com processadores,cada vez mais, estão fazendo parte do cotidianodo técnico e/ou engenheiro, tanto de campo comode desenvolvimento.

Hoje, dificilmente encontramos um equipamen-to, seja ele de consumo ou de produção, que nãopossua pelo menos um processador (DSP,microprocessador, ou microcontrolador).

É fato também que vários profissionais encon-tram muitas dificuldades na programação e desen-volvimento de projetos com esses componentes,simplesmente por terem esquecido alguns concei-tos fundamentais da eletrônica digital clássica.

A intenção desse “especial” é justamente essa,ou seja, cobrir possíveis lacunas sobre essatecnologia de modo simples e objetivo. Procuramoscomplementar a teoria com circuitos práticos e

úteis, e dividimos o trabalho em doze capítulos:· Sistemas de numeração· Álgebra de Boole e portas lógicas· Família TTL· Família CMOS· Funções lógicas· Flip-Flops· Funções lógicas integradas· Multivibradores· Contadores· Decodificadores· Registradores de deslocamento· Displays

Tivemos o cuidado de elaborar alguns testes,para que o leitor possa acompanhar melhor suapercepção.

Newton C. Braga

INTRODUÇÃO


SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 20022

1.1- ANALÓGICO E DIGITAL

Por que digital? Esta é certamen-te a primeira pergunta que qualquerleitor que está “chegando agora” e temapenas alguma base teórica sobreEletrônica faria ao encontrar o nossocurso.

Por este motivo, começamos jus-tamente por explicar as diferençasentre as duas eletrônicas, de modoque elas fiquem bem claras. Devemoslembrar que em muitos equipamen-tos, mesmo classificados comoanalógicos ou digitais, encontraremosos dois tipos de circuitos. É o caso doscomputadores, que mesmo sendoclassificados como “máquinas estrita-mente digitais” podem ter em algunspontos de seus circuitos configura-ções analógicas.

Uma definição encontrada nos li-vros especializados atribui o nome deEletrônica Digital aos circuitos queoperam com quantidades que só po-dem ser incrementadas oudecrementadas em passos finitos.

Um exemplo disso é dado peloscircuitos que operam com impulsos.Só podemos ter números inteiros depulsos sendo trabalhados em qual-quer momento em qualquer ponto docircuito. Em nenhum lugar encontra-remos “meio pulso” ou “um quarto depulso”.

A palavra digital também está as-sociada a dígito (do latim digitu, dedo)que está associado à representaçãode quantidades inteiras. Não pode-mos usar os dedos para representarmeio pulso ou um quarto de pulso.

Na Eletrônica Analógica trabalha-mos com quantidades ou sinais quepodem ter valores que variam de

modo contínuo numa escala. Os va-lores dos sinais não precisam ser in-teiros. Por exemplo, um sinal de áudio,que é analógico, varia suavementeentre dois extremos, enquanto que umsinal digital só pode variar aos saltos,observe a figura 1.

Conforme o leitor pode perceber,a diferença básica entre os dois tiposde eletrônica está associada inicial-mente ao tipo de sinais com que elastrabalham e no que elas fazem comos sinais.

De uma forma resumida podemosdizer que:

A Eletrônica Digital trabalha comsinais que só podem assumir valoresdiscretos ou inteiros.

A Eletrônica Analógica trabalhacom sinais que podem ter qualquervalor entre dois limites.

1.2 - LÓGICA DIGITAL

Os computadores e outros equi-pamentos que usam circuitos digitaisfuncionam obedecendo a um tipo decomportamento baseado no que sedenomina Lógica.

Diferentemente dos circuitos am-plificadores comuns que simplesmen-te amplificam, atenuam ou realizamalgum tipo de processamento simplesdos sinais, os circuitos digitais usa-

dos em computadores e outras má-quinas não processam os sinais ba-seados em uma finalidade simplesdeterminada quando são fabricados.

Os circuitos digitais dos computa-dores e outros equipamentos são ca-pazes de combinar os sinais toman-do decisões segundo um comporta-mento lógico.

É evidente que se o leitor desejarealmente entender como as coisasacontecem nos circuitos digitais, devepartir exatamente do aprendizado docomportamento lógico. Podemos di-zer que a lógica nos permite tirar

LIÇÃO 1

ELETRÔNICA ANALÓGICA E DIGITALSISTEMAS DE NUMERAÇÃO

Figura 1 - Os sinais digitais variam aos saltos.

COMPUTADORES: os com-putadores atuais são digitais emsua totalidade e praticamentenão é usado outro tipo de confi-guração. No entanto, nem sem-pre foi assim. Nas primeiras dé-cadas deste século, quando oscircuitos eram ainda valvulados,os primeiros computadoreseram máquinas analógicas. Aimprecisão e algumas outras di-ficuldades técnicas que estescomputadores apresentavam fi-zeram com que logo fossemsubstituídos pelos circuitos digi-tais hoje usados.



conclusões ou tomar decisões a par-tir de fatos conhecidos.

Por exemplo, a decisão de “acen-der uma lâmpada quando está escu-ro” é uma decisão lógica, pois a pro-posição e a conclusão são fatosrelacionados.

Ao contrário, a decisão de “acen-der uma lâmpada, porque está cho-vendo” não é uma decisão lógica, poisos fatos envolvidos não têm relação.

Evidentemente, os fatos relaciona-dos acima são simples e servempara exemplificar como as coisasfuncionam.

Na eletrônica dos computadores,o que temos é a aplicação da lógicadigital, ou seja, de circuitos que ope-ram tomando decisões em função decoisas que acontecem no seu própriointerior. É claro que os computadorese seus circuitos digitais não podementender coisas como está escuro ouestá chovendo e tomar decisões.

Os circuitos lógicos digitais traba-lham com sinais elétricos.

Assim, os circuitos lógicos digitaisnada mais fazem do que receber si-nais com determinadas característi-cas e em função destes tomar deci-sões que nada mais são do que a pro-dução de um outro sinal elétrico.

Mas, se os sinais elétricos são di-gitais, ou seja, representam quantida-des discretas e se a lógica é baseadaem tomada de decisões, o próximopasso no entendimento da EletrônicaDigital, é partir para o modo comoas quantidades discretas são repre-sentadas e entendidas pelos circuitoseletrônicos.

1.3 - SISTEMAS DE NUMERAÇÃO

O modo como contamos as quan-tidades vem do fato de possuirmos 10

dedos. Assim, tomando os dedos dasmãos podemos contar objetos comfacilidade até certo ponto.

O ponto crítico ocorre quando te-mos quantidades maiores do que 10.O homem resolveu o problema pas-sando a indicar também a quantida-de de mãos ou de vezes em que osdez dedos eram usados.

Assim, quando dizemos que temos27 objetos, o 2 indica que temos “duasmãos cheias” ou duas dezenas mais7 objetos. O 2 tem peso 10.

Da mesma forma, quando dizemosque temos 237 objetos, o 2 indica quetemos “duas dezenas de mãos chei-as” ou duas centenas, enquanto o 3indica que temos mais 3 mãos cheiase finalmente o 7, mais 7 objetos, fi-gura 3. Em outras palavras, a posi-ção dos algarismos na representaçãodos números tem um peso e em nos-so sistema de numeração que é deci-mal este peso é 10, veja a figura 4.

O que aconteceria se tivéssemosum número diferente de dedos, porexemplo 2 em cada mão?

Isso significaria, em primeiro lugar,que em nosso sistema de base 4 (enão base 10) só existiriam 4 algaris-mos para representar os números: 0,1, 2 e 3, confira a figura 5.

Para representar uma quantidademaior do que 4 teríamos de usar maisde um algarismo.

Assim, para indicar 7 objetos nabase 4, teríamos “uma mão cheia com4” e mais 3. Isso daria 13, figura 6.

Veja então que no “13” na base 4,o 1 tem peso 4, enquanto que o 3 temo seu valor normal.

De uma forma generalizada, dize-mos que dependendo da base do sis-tema os algarismos têm “pesos” quecorrespondem à sua posição no

Figura 2 - Elementos simples de lógica são a base de funcionamento dos circuitos digitais.

Figura 3 - A posição do algarismodá seu valor relativo.

Figura 4 - Os pesos sãopotências de 10 no sistema decimal.

Figura 5 - Na base 4são usados 4algarismos.

Figura 6 - Treze na base quatroequivale a sete na base 10.

número e que estes pesos são po-tências da base. Por exemplo, para abase 10, cada algarismo a partir dadireita tem um peso, que é uma po-tência de 10 em ordem crescente, oque nos leva à unidade (dez elevadoa zero), à dezena (dez elevado aoexpoente um), à centena (dez eleva-do ao quadrado), ao milhar (dez ele-vado ao cubo) e assim por diante,conforme a figura 7.

Em Eletrônica Digital costumamosdizer que o dígito mais à direita, porrepresentar a menor potência ou termenor peso, é o dígito ou bit* menossignificativo ou LSB (Less SignificantBit) enquanto que o mais à esquerdaé o mais significativo ou MSB (MostSignificant Bit). Para a base 4, con-forme observamos na figura 8, os dí-gitos têm potências de 4.

*O bit que é o dígito binário (na base 2)será estudado mais adiante.



Figura 9 - Pesos na numeração binária.

1.4 - NUMERAÇÃO BINÁRIA

Os circuitos eletrônicos não pos-suem dedos.

É evidente também que não seriamuito fácil projetar circuitos capazesde reconhecer 10 níveis de uma ten-são ou de outra grandeza elétrica semo perigo de que qualquer pequenoproblema fizesse-os causar qualquerconfusão.

Muito mais simples para os circui-tos eletrônicos é trabalhar com um sis-tema de numeração que esteja maisde acordo com o seu princípio de fun-cionamento e isso realmente é feito.

Um circuito eletrônico pode ter ounão corrente, ter ou não tensão, podereceber ou não um pulso elétrico.

Ora, os circuitos eletrônicos sãomais apropriados para operar com si-nais que tenham duas condições pos-síveis, ou seja, que representem doisdígitos ou algarismos.

Também podemos dizer que asregras que regem o funcionamentodos circuitos que operam com ape-nas duas condições possíveis sãomuito mais simples.

Assim, o sistema adotado nos cir-cuitos eletrônicos digitais é o sistemabinário ou de base 2, onde são usa-dos apenas dois dígitos, correspon-dentes a duas condições possíveis deum circuito: 0 e 1.

Mas, como podemos representarqualquer quantidade usando apenasdois algarismos?

A idéia básica é a mesma usadana representação de quantidades nosistema decimal: atribuir pesos aos

dígitos conforme sua posição no nú-mero. Assim, vamos tomar comoexemplo o valor 1101 que em bináriorepresenta o número 13 decimal e vercomo isso ocorre.

O primeiro dígito da direita nos in-dica que temos uma vez o peso des-te dígito ou 1.

O zero do segundo dígito da direi-ta para a esquerda indica que não te-mos nada com o peso 2.

Agora o terceiro dígito da direitapara a esquerda e que tem peso 4 é1, o que indica que temos “uma vezquatro”.

Finalmente, o primeiro dígito daesquerda que é 1 e está na posiçãode peso 8, nos diz que temos “umavez oito”.

Somando uma vez oito, com umavez quatro e uma vez um, temos ototal, justamente a quantidade queconhecemos em decimal como treze.

Veja então, conforme indica a fi-gura 9, que na numeração binária, osdígitos vão tendo pesos da direitapara a esquerda que são potênciasde 2, ou seja, dois elevado ao expo-ente zero que é um, dois elevado aoexpoente 1 que é 2, dois ao quadra-do que é 4 e assim por diante.

Basta lembrar que a cada vez quenos deslocamos para a esquerda, opeso do dígito dobra, figura 10.

Como não existe um limite para osvalores dos pesos, isso significa queé posível representar qualquer quan-tidade em binário, por maior que seja,simplesmente usando o número apro-priado de dígitos.

Para 4 dígitos podemos represen-tar números até 15; para 8 dígitos po-demos ir até 255; para 16 dígitos até65 535 e assim por diante.

O leitor deve lembrar-se dessesvalores limites para 4, 8 e 16 dígitosde um número binário, pois eles têmuma grande im-por tância naInformática.

A seguir da-mos a represen-tação binária dosnúmeros deci-mais até 17 parauma melhor ilus-tração de comotudo funciona:

Decimal Binário Decimal Binário 0 0 9 1001 1 1 10 1010 2 10 11 1011 3 11 12 1100 4 100 13 1101 5 101 14 1110 6 110 15 1111 7 111 16 10000 8 1000 17 10001

Para o leitor que pretende enten-der de Eletrônica Digital aplicada aoscomputadores há momentos em queé preciso saber converter uma indi-cação em binário para o decimal cor-respondente.

Podemos dar como exemplo ocaso de certas placas que são usa-das no diagnóstico de computadorese que possuem um conjunto de LEDsque acende indicando um númerocorrespondente a um código de erros.Os LEDs apagados indicam o alga-rismo 0 e os LEDs acesos, o algaris-mo 1.

Vamos supor que num diagnósti-co a sequência de acendimento dosLEDs seja 1010110. É preciso saberpor onde começar a leitura ou seja,se o de menor peso é o da direita ouda esquerda.

Nas indicações dadas por instru-mentos ou mesmo na representaçãoda valores binários, como por exem-plo na saída de um circuito, é precisosaber qual dos dígitos tem maior pesoe qual tem menor peso.

Isso é feito com uma sigla adota-da normalmente e que se refere aodígito, no caso denominado bit.

Figura 7 - Os pesos aumentamda direita para a esquerda.

Figura 8 - Os pesos na base 4.Figura 10 - Na numeração binária os pesos

dobram a cada digito deslocado para a esquerda.

Dígitoou bit



Assim, conforme citado anterior-mente, para o dígito de menor pesoou bit menos significativo é adotadaa sigla LSB (Less Significant Bit) epara o mais significativo é adotada asigla MSB (Most Significant Bit), figu-ra 11.

O que fazemos é somar os valo-res dados pelos dígitos multiplicadospelo peso de sua posição. No casodo valor tomado como exemplo,1010110, temos:

Dígito Peso Valor 1 x 64 = 64 0 x 32 = 0 1 x 16 = 16 0 x 8 = 0 1 x 4 = 4 1 x 2 = 2 0 x 1 = 0

Somando os valores teremos:64 + 16 + 4 + 2 = 86

O valor decimal de 1010110 é 86.Assim, tudo que o leitor tem de

fazer é lembrar que a cada dígito quesaltamos para a esquerda seu pesodobra na sequência 1, 2, 4, 8, 16, 32,64, 128, etc.

Na prática também pode ocorrero problema inverso, transformação deum valor expresso em decimal (base10) para a base 2 ou binário.

Para esta transformação podemosfazer uso de algoritmo muito simplesque memorizado pelo leitor pode serde grande utilidade, dada suapraticidade.

Para os que não sabem, algoritmonada mais é do que uma sequênciade operações que seguem uma de-terminada regra e permitem realizaruma operação mais complexa. Quan-do você soma os números um sobreo outro (da mesma coluna) e passapara cima os dígitos que excedem o10, fazendo o conhecido “vai um”,você nada mais está fazendo do queusar um algoritmo.

Os computadores usam muitos ti-pos de algoritmos quando fazem suasoperações, se bem que a maioria nãoprecise ser conhecida dos leitores.

Assim, para a conversão de umdecimal para binário, como por exem-plo o 116, o que fazemos é uma sériede divisões sucessivas, figura 12.

Vamos dividindo os números por2 até o ponto em que chegamos a umvalor menor que 2 e que portanto, nãopode mais ser dividido.

O resultado desta última divisão,ou seja, seu quociente é então o pri-meiro dígito binário do número con-vertido. Os demais dígitos são obti-dos lendo-se os restos da direita paraa esquerda da série de divisõesque realizamos. Tudo muito simples erápido.

A própria existência de um “0,” jános sugere que se trata de um núme-ro menor que 1 e portanto, fracionário.

Ocorre que os dígitos deste núme-ro têm pesos que correspondem apotências de 2 negativas, que nadamais são do que frações, conforme aseguinte sequência:

Dígito Peso Valor 0, x 1 = 0 0 x 1/2 = 0 1 x 1/4 = 0,25 1 x 1/8 = 0,0625 0 x 1/16 = 0 1 x 1/32 = 0,03125

Somando os valores relativos te-remos:

0,25 + 0,0625 + 0,03125 = 0,625

O número decimal representado éportanto 0,625.

Veja que usando tantos dígitosquantos sejam necessários podemosrepresentar com a precisão desejadaum número decimal.

1.6 - FORMAS DIFERENTES DEUTILIZAR O SISTEMA BINÁRIO

A utilização de circuitos eletrôni-cos com determinadas característicase a própria necessidade de adaptar osistema binário à representação devalores que sejam convertidos rapi-damente para o decimal e mesmooutros sistemas, levou ao apareci-mento de algumas formas diferentesde utilização dos binários.

Estas formas são encontradas emdiversos tipos de equipamentos digi-tais, incluindo os computadores.

Sistema BCD (DecimalCodificado em Binário)

BCD é a abreviação de BinaryCoded Decimal e se adapta melhoraos circuitos digitais.

Permite transformar cada dígitodecimal de um número numarepresentação por quatro dígitos bi-nários (bits) independentementedo valor total do número que será re-presentado.

Figura 11 -Extremos deum númerobinário.

Figura 12 - Conversão de um decimal embinário por divisões sucessivas.

resultado: 1110100

1.5 - BINÁRIOS MENORES QUE 1

Para o leitor talvez seja difícil en-tender como usando quantidades quesó podem ser inteiras, como dadopela definição de digital no início destalição, seja possível representar quan-tidades menores que um, ou seja,números “quebrados” ou fracionários.

É claro que isso é possível na prá-tica, pois se assim não fosse os com-putadores e as calculadoras não po-deriam realizar qualquer operaçãocom estes números e sabemos queisso não é verdade.

O que se faz é usar um artifícioque consiste em empregar potênciasnegativas de um número inteiro pararepresentar quantidades que não sãointeiras.

Assim é possível usar dígitos bi-nários para representar quantidadesfracionárias sem problemas.

Vamos dar um exemplo tomandoo número 0,01101 em binário.



Assim, partimos da seguinte tabela: Dígito decimal BCD 0 0000

1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001

Se quisermos representar emBCD o número 23,25 não o converte-mos da forma convencional por divi-sões sucessivas mas sim, tomamoscada dígito e o convertemos no BCDequivalente, conforme segue:

2 3, 2 50010 0011 0010 0101

Veja então que para cada dígitodecimal sempre teremos quatro dígi-tos binários ou bits e que os valores1010, 1011, 1100, 1101 e 1111 nãoexistem neste código.

Esta representação foi muito inte-ressante quando as calculadoras setornaram populares, pois era possí-vel usá-las para todas as operaçõescom números comuns e os 5 códigosnão utilizados dos valores que nãoexistiam foram adotados para indicaras operações! (figura 13)

O leitor também perceberá queusando representações desta forma,operavam os primeiros computado-res, apropriadamente chamados decomputadores de “4 bits”.

Outros Códigos

Outros códigos binários, mas nãotão importantes neste momento, sãoo Código Biquinário, em que cada dí-gito tem um peso e são sempre usa-dos 7 bits para sua representação eo Código Gray que aparece em diver-sas versões.

O Código Gray se caracteriza pelofato da passagem de qualquer núme-ro para o seguinte sempre ser feitacom a mudança de um único dígito.

Assim, por exemplo, quando pas-samos de 0111 (7 em decimal) para1000 (8 em decimal) os quatro dígi-

tos mudam. No Código Gray a passa-gem do 7 para 8 muda apenas umdígito, pois o 7 é 0100 e o 8 é 1100.

Podemos ainda citar os Códigosde Paridade de Bit e o Código de Ex-cesso 3 (XS3) encontrados em apli-cações envolvendo circuitos digitais.

1.7 - SISTEMA HEXADECIMAL

Os bits dos computadores sãoagrupados em conjuntos de 4, assimtemos os computadores de 4, 8, 16 e32 bits. Também observamos que com4 bits podemos obter representaçõesbinárias de 16 números e não somen-te de 10. Vimos que os 5 excedentespoderiam ser usados para represen-tar operações nas calculadoras.

Isso significa que a representaçãode valores no sistema hexadecimal oude base 16 é mais compatível com anumeração binária ou operação biná-ria dos computadores.

E de fato isso é feito: abrindo mui-tos programas de um computador,vemos que suas características comoposições de memória ou quantidadede memória são feitas neste sistema.

Isso significa que o técnico preci-sa conhecer este sistema e mais doque isso, deve saber como fazer con-versões dele para o decimal e vice-versa, além de conversões para o sis-tema binário. Na tabela abaixo damosas representações dos dígitos destesistema com equivalentes decimais ebinários:

Decimal Binário Hexadecimal 0 0000 0 1 0001 1 2 0010 2 3 0011 3 4 0100 4 5 0101 5 6 0110 6 7 0111 7 8 1000 8 9 1001 9 10 1010 A 11 1011 B 12 1100 C 13 1101 D 14 1110 E 15 1111 FObserve que como não existem

símbolos para os dígitos 10, 11, 12,13, 14 e 15, foram usadas as letrasA,B,C,D,E e F.

Como fazer as conversões: osmesmos procedimentos que vimospara o caso das conversões de deci-mal para binário e vice-versa são vá-lidos para o caso dos hexadecimais,mudando-se apenas a base.

Vamos dar exemplos:Como converter 4D5 em decimal:Os pesos no caso são: 256, 16 e

1. (a cada dígito para a esquerdamultiplicamos o peso do anterior por16 para obter novo peso).

Temos então:4D5 = (4 x 256)+(13x16)+(1x5) = 1237

Observe que o “D” corresponde ao13. O número decimal equivalente ao4D5 hexadecimal ou “hex”, como émuitas vezes representado, é 1237.

4D5 (hex) = 1237 (dec)A conversão inversa, ou seja, de

decimal para hexadecimal é feita pordivisões sucessivas. Tomemos o casode 1256, apresentado na figura 14.

Veja que basta ler o quociente fi-nal e depois os restos das divisõessucessivas, sempre lembrando que osque excederem 10 devem ser “troca-dos” pelas letras equivalentes.

Figura 13 - Uso dos valores de 0000 a 1111.

Figura 14 - 1367 decimalequivale a 557 na base 16.

EXERCÍCIOSa) Converter 645 em BCDb) Converter 45 em binário puroc) Converter 11001 (binário) em decimald) Converter 1101 0011 1011 (BCD) emdecimale) Conver ter 1745 (decimal) emhexadecimal.f) Converter FFF (hex) em decimal.g) Converter F4D (hex) em decimal.



Na primeira lição do nosso cursoaprendemos o significado das pala-vras Digital e Lógica empregadas naEletrônica e nos computadores. Vimosque os computadores são denomina-dos digitais quando trabalham comsinais discretos, ou seja, sinais quenão variam continuamente entre doisvalores, mas que assumem determi-nados valores inteiros. Também vimosque os computadores são máquinaslógicas, porque tomam decisões apartir de certos fatos, segundo regrasmuito bem estabelecidas. Vimos queno caso dos circuitos digitais, comoos usados nos computadores, a base10 não é a mais apropriada e queestes equipamentos usam principal-mente o sistema binário ehexadecimal. Aprendemos aindacomo fazer as conversões de base eler os números binários e hexade-cimais.

Nesta lição veremos de que modoos circuitos digitais podem tomar de-cisões lógicas. Todas essas decisõessão baseadas em circuitos muito sim-ples e configurações que operam nabase 2 e que portanto, são fáceis deentender, porém muito importantespara os leitores que pretendam tra-balhar com computadores, ou pelomenos entender melhor seu princípiode funcionamento.

2.1 - A álgebra de BooleEm meados do século passado

George Boole, um matemático inglês,desenvolveu uma teoria completa-mente diferente para a época, base-ada em uma série de postulados eoperações simples para resolver umainfinidade de problemas.

Apesar da algebra de Boole, comofoi chamada, poder resolver proble-mas práticos de controle e fabricaçãode produtos, na época não havia Ele-trônica e nem as máquinas eram su-ficientemente avançadas para utilizarseus princípios.

A álgebra de Boole veio a se tor-nar importante com o advento da Ele-trônica, especificamente, da Eletrôni-ca Digital, que gerou os modernoscomputadores.

Boole estabelece em sua teoriaque só existem no universo duas con-dições possíveis ou estados, paraqualquer coisa que se deseje anali-sar e estes dois estados são opostos.

Assim, uma lâmpada só pode es-tar acesa ou apagada, uma torneirasó pode estar aberta ou fechada, umafonte só pode ter ou não ter tensãona sua saída, uma pergunta só podeter como resposta verdadeiro ou fal-so. Dizemos de maneira simples quena álgebra de Boole as variáveis lógi-cas só podem adquirir dois estados:

0 ou 1 Verdadeiro ou Falso Aberto ou Fechado Alto ou Baixo (HI ou LO) Ligado ou Desligado

Na Eletrônica Digital partimos jus-tamente do fato de que um circuito sópode trabalhar com dois estados pos-síveis, ou seja, encontraremos pre-sença do sinal ou a ausência do si-nal, o que se adapta perfeitamenteaos princípios da álgebra de Boole.

Tudo que um circuito lógico digitalpode fazer está previsto pela álgebrade Boole. Desde as mais simples ope-

rações ou decisões, como acenderum LED quando dois sensores sãoativados de uma determinada manei-ra ou quando uma tecla é pressiona-da, até girar no espaço uma imagemtridimensional.

2.2 - Os níveis lógicosPartimos então do fato de que nos

circuitos digitais só encontraremosduas condições possíveis: presençaou ausência de sinal, para definir al-guns pontos importantes para o nos-so entendimento.

Nos circuitos digitais a presençade uma tensão será indicada como 1ou HI (de HIGH ou Alto) enquanto quea ausência de uma tensão seráindicada por 0 ou LO (de LOW oubaixo).

O 0 ou LO será sempre uma ten-são nula, ou ausência de sinal numponto do circuito, mas o nível lógico 1ou HI pode variar de acordo com ocircuito considerado (figura 1). NosPCs de mesa, a tensão usada para aalimentação de todos os circuitos ló-gicos, por exemplo, é de 5 V. Assim, onível 1 ou HI de seus circuitos será

LIÇÃO 2

A ÁLGEBRA DE BOOLE

Figura 1 - Nos circuitos digitais sóencontramos um valor fixo de tensão.



sempre uma tensão de 5 V. Noslaptops é usada uma tensão de ali-mentação menor, da ordem de 3,2 V,portanto, nestes circuitos um nível 1ou HI sempre corresponderá a umatensão desse valor.

Existem ainda circuitos digitais queempregam componentes de tecnolo-gia CMOS e que são alimentados ti-picamente por tensões entre 3 e 15 V.Nestes casos, conforme vemos na fi-gura 2, um nível lógico 1 ou HI pode-rá ter qualquer tensão entre 3 e 15 V,dependendo apenas da tensão de ali-mentação usada.

Verdadeiro Ligado Nível alto ou HI

3.1 - Operações LógicasNo dia-a-dia estamos acostuma-

dos a realizar diversos tipos de ope-rações lógicas, as mais comuns sãoas que envolvem números, ou seja,quantidades que podem variar ou va-riáveis.

Assim, podemos representar umasoma como:

Y = A + B

Onde o valor que vamos encon-trar para Y depende dos valores atri-buídos às letras A e B.

Dizemos que temos neste casouma função algébrica e que o valor Yé a variável dependente, pois seu va-lor dependerá justamente dos valoresde A e B, que são as variáveis inde-pendentes.

Na Eletrônica Digital, entretanto,existem operações mais simples doque a soma, e que podem ser perfei-

tamente implementadas levando emconta a utilização da álgebrabooleana.

É interessante observar que comum pequeno número destas opera-ções conseguimos chegar a uma infi-nidade de operações mais complexas,como por exemplo, as utilizadas noscomputadores e que, repetidas emgrande quantidade ou levadas a umgrau de complexidade muito grande,nos fazem até acreditar que a máqui-na seja “inteligente”!

Na verdade, é a associação, dedeterminada forma das operaçõessimples que nos leva ao comporta-mento muito complexo de muitos cir-cuitos digitais, conforme ilustra a fi-gura 4.

Assim, como observamos na figu-ra 5, um computador é formado por

Figura 2 - A tensão encontrada nos circuitosCMOS terá um valor fixo entre 3 e 15 V.

Figura 3 - Podemos trabalhar com os níveis"invertidos" numa lógica negativa.

Figura 4 - Circuitos que fazemoperações simples podem ser

associados para realizaroperações complexas.

Figura 5 - Poucos blocos básicos, mas reunidos em grandequantidae podem realizar operações muito complexas.

Na verdade, a idéia de associar apresença de tensão ao nível 1 e aausência ao nível 0, é mera questãode convenção.

Nada impede que adotemos umcritério inverso e projetemos os circui-tos, pois eles funcionarão perfeita-mente.

Assim, quando dizemos que aonível alto (1) associamos a presençade tensão e ao nível baixo a ausên-cia de tensão (0), estamos falando doque se denomina “lógica positiva”.

Se associarmos o nível baixo ou0 a presença de tensão e o nível altoou 1 a ausência de tensão, estaremosfalando de uma “lógica negativa”, con-forme ilustra a figura 3.

Para não causar nenhum tipo deconfusão, todo o nosso curso trataráexclusivamente da lógica positiva,o mesmo acontecendo com os dispo-sitivos eletrônicos tomados comoexemplos.

Portanto, em nossa lógica, é pos-sível associar os seguintes estados deum circuito aos valores 0 e 1:

0 V Falso Desligado Nível baixo ou LO

1 - 5 V (ou outra tensão positiva,conforme o circuito)



um grande número de pequenos blo-cos denominados portas ou funçõesem que temos entradas e saídas.

O que irá aparecer na saída é de-terminado pela função e pelo queacontece nas entradas. Em outraspalavras, a resposta que cada circui-to lógico dá para uma determinadaentrada ou entradas depende do queele é ou de que “regra booleana” elesegue.

Isso significa que para entendercomo o computador realiza as maiscomplexas operações teremos de co-meçar entendendo como ele faz asoperações mais simples com as de-nominadas portas e quais são elas.

Por este motivo, depois de definirestas operações lógicas, associando-as à álgebra de Boole, vamos estudá-las uma a uma.

2.4 - Função Lógica NÃO ou In-versora

Nos manuais também encontra-mos a indicação desta função com apalavra inglesa correspondente, queé NOT.

O que esta função faz é negar umaafirmação, ou seja, como em álgebrabooleana só existem duas respostaspossíveis para uma pergunta, estafunção “inverte” a resposta, ou seja,a resposta é o “inverso” da pergunta.O circuito que realiza esta operaçãoé denominado inversor.

Levando em conta que este circui-to diz sim, quando a entrada é não,ou que apresenta nível 0, quando aentrada é 1 e vice-versa, podemosassociar a ele uma espécie de tabelaque será de grande utilidade sempreque estudarmos qualquer tipo de cir-cuito lógico.

Esta tabela mostra o que ocorrecom a saída da função quando colo-camos na entrada todas as combina-ções possíveis de níveis lógicos.

Dizemos que se trata de uma “ta-bela verdade” (nos manuais em Inglês

esta tabela aparece com o nome deTruth Table). A seguir apresentamosa tabela verdade para a porta NOTou inversora:

Entrada Saída 0 1 1 0

Os símbolos adotados para repre-sentar esta função são mostrados nafigura 6.

O adotado normalmente em nos-sas publicações é o mostrado em (a),mas existem muitos manuais técnicose mesmo diagramas em que sãoadotados outros e os leitores devemconhecê-los.

Esta função pode ser simulada porum circuito simples e de fácil entendi-mento apresentado na figura 7.

Neste circuito temos uma lâmpa-da que, acesa, indica o nível 1 na sa-ída e apagada, indica o nível 0. Quan-do a chave está aberta indicando quea entrada é nível 0, a lâmpada estáacesa, indicando que a saída é nivel1. Por outro lado, quando a chave éfechada, o que representa uma en-trada 1, a lâmpada apaga, indicandoque a saída é zero.

Esta maneira de simular funçõeslógicas com lâmpadas indicando asaída e chaves indicando a entrada,é bastante interessante pela facilida-de com que o leitor pode entender seufuncionamento.

Basta então lembrar que:

Entrada: chave aberta = 0 chave fechada = 1

Saída: lâmpada apagada = 0 lâmpada acesa = 1

2.5 - Função Lógica EA função lógica E também conhe-

cida pelo seu nome em inglês ANDpode ser definida como aquela emque a saída será 1 se, e somentese, todas as variáveis de entrada fo-rem 1.

Veja que neste caso, as funçõeslógicas E podem ter duas, três, qua-tro ou quantas entradas quisermos eé representada pelos símbolos mos-trados na figura 8.

As funções lógicas também sãochamadas de “portas” ou “gates” (doinglês) já que correspondem a circui-tos que podem controlar ou deixarpassar os sinais sob determinadascondições.

Tomando como exemplo uma por-ta ou função E de duas entradas, es-crevemos a seguinte tabela verdade:

Entradas Saída A B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Na figura 9 apresentamos o modode simular o circuito de uma porta E

Figura 6 - Em (a) o simbolo mais comum e em (b) o simbolo IEEE usado em muitas publicaçõestécnicas mais modernas dos Estados Unidos e Europa.

Figura 7 - Circuito simples para simular afunção NÃO (NOT) ou inversor.

Figura 8 - Símbolos adotados para representar uma porta E ou AND.



usando chaves e uma lâmpada co-mum. É preciso que S1 e S2 estejamfechadas, para que a saída (lâmpa-da) seja ativada.

Para uma porta E de três entra-das tabela verdade será a seguinte:

Entradas Saída A B C S 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1

Para que a saída seja 1, é precisoque todas as entradas sejam 1.

Observamos que para uma portaE de 2 entradas temos 4 combinaçõespossíveis para os sinais aplicados.Para uma porta E de 3 entradas te-mos 8 combinações possíveis para osinal de entrada.

Para uma porta de 4 entradas, te-remos 16 e assim por diante.

2.6 - Função lógica OUA função OU ou ainda OR (do in-

glês) é definida como aquela em quea saída estará em nível alto se umaou mais entradas estiver em nível alto.Esta função é representada pelossímbolos mostrados na figura 10.

O símbolo adotado normalmenteem nossas publicações é o mostradoem (a).

Para uma porta OU de duas en-tradas podemos elaborar a seguintetabela verdade:

Entradas Saída A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

Vemos que a saída estará no ní-vel 1 se uma das entradas estiveremno nível 1.

Um circuito simples com chaves elâmpada para simular esta função édado na figura 11.

Quando uma chave estiver fecha-da (entrada 1) a lâmpada receberácorrente (saída 1), conforme desejar-mos. Para mais de duas variáveis po-demos ter portas com mais de duasentradas. Para o caso de uma portaOU de três entradas teremos a se-guinte tabela verdade:


2.7 - Função NÃO-EAs funções E, OU e NÃO (inver-

sor) são a base de toda a álgebrabooleana e todas as demais podemser consideradas como derivadasdelas. Vejamos:

Uma primeira função importantederivada das anteriores é a obtidapela associação da função E com afunção NÃO, ou seja, a negação da

função E que é denominada NÃO-Eou em inglês, NAND.

Na figura 12 temos os símbolosadotados para representar esta fun-ção.

Observe a existência de um pe-queno círculo na saída da porta paraindicar a negação.

Podemos dizer que para a funçãoNAND a saída estará em nível 0 se, esomente se, todas as entradas esti-verem em nível 1.

A tabela verdade para uma portaNÃO-E ou NAND de duas entradas éa seguinte:

Entradas Saída A B S0 0 10 1 11 0 11 1 0

Na figura 13 temos um circuitosimples com chaves, que simula estafunção.

Figura 9 - Circuito simples parasimular um aporta E ou AND.

Figura 10 - Símbolos para as portas OU ou OR.

Figura 11 - Circuito para simular umaporta OU ou OR de duas entradas.

Figura 12 - Símbolos para as portas NÃO-E ou NAND.



Veja que a lâmpada só apagará(saída 0) quando as duas chaves es-tiverem fechadas (1), curto-circuitandoassim sua alimentação. O resistor éusado para limitar a corrente dafonte.

Também neste caso podemos tera função NAND com mais de duasentradas. Para o caso de 3 entradasteremos a seguinte tabela verdade:


2.8 - Função NÃO-OUEsta é a negação da função OU,

obtida da associação da função OUcom a função NÃO ou inversor. O ter-mo inglês usado para indicar esta fun-ção é NOR e seus símbolos são apre-sentados na figura 14.

Sua ação é definida da seguinteforma: a saída será 1 se, e somentese, todas as variáveis de entrada fo-rem 0.

Uma tabela verdade para uma fun-ção NOR de duas entradas é mostra-da a seguir:

Entradas SaídaA B S0 0 10 1 01 0 01 1 0

Um circuito simples usando cha-ves e lâmpada para simular esta fun-ção é mostrado na figura 15.

Observe que a lâmpada só semantém acesa (nível 1) se as duaschaves (S

1 e S

2) estiverem abertas

(nível 0).Da mesma forma que nas funções

anteriores, podemos ter portas NORcom mais de duas entradas. Para ocaso de três entradas teremos a se-guinte tabela verdade:


2.9 - Função OU-exclusivoUma função de grande importân-

cia para o funcionamento dos circui-tos lógicos digitais e especificamentepara os computadores é a denomina-da OU-exclusivo ou usando o termoinglês, “exclusive-OR”. Esta funçãotem a propriedade de realizar a somade valores binários ou ainda encon-trar o que se denomina “paridade” (oque será visto futuramente).

Na figura 16 temos os símbolosadotados para esta função.

Podemos definir sua ação da se-guinte forma: a saída será 1 se, e so-mente se, as variáveis de entrada fo-rem diferentes. Isso significa que, parauma porta Exclusive-OR de duas en-

tradas teremos saída 1 se as entra-das forem 0 e 1 ou 1 e 0, mas a saídaserá 0 se as entradas forem ambas 1ou ambas 0, conforme a seguinte ta-bela verdade:

Entradas Saída A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Esta função é derivada das de-mais, pois podemos “montá-la” usan-do portas conhecidas (figura 17).

Assim, se bem que esta funçãotenha seu próprio símbolo e possa serconsiderada um “bloco” independen-te nos projetos, podemos sempreimplementá-la com um circuitoequivalente como o ilustrado nessafigura.

2.10 - Função NÃO-OU exclusi-vo ou coincidência

Podemos considerar esta funçãocomo o “inverso” do OU-exclusivo. Suadenominação em inglês é Exclusive

Figura 13 - Circuito que simula uma portaNAND ou NÃO-E de duas entradas.

Figura 14 - Símbolo usados para representar a função NOR ou NÃO-E

Figura 15 - Circuito usado para simularuma porta NOR de duas entradas.

Figura 16 - Símbolo para a função OU-exclusivo ou Exclusive-OR.



NOR e é representada pelo símbolomostrado na figura 18.

Observe o círculo que indica anegativa da função anterior, se bemque essa terminologia são seja apro-priada neste caso.

Esta função pode ser definidacomo a que apresenta uma saídaigual a 1 se, e somente se as variá-veis de entrada forem iguais.

Uma tabela verdade para esta fun-ção é a seguite:

Entrada Saída A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Podemos implementar esta funçãousando outras já conhecidas, confor-me a figura 19.

2.11 - Propriedades das opera-ções lógicas

As portas realizam operações comos valores binários aplicados às suasentradas. Assim, podemos represen-tar estas operações por umasimbologia apropriada, facilitando oprojeto dos circuitos e permitindovisualizar melhor o que ocorre quan-do associamos muitas funções.

No entanto, para saber associar asdiversas portas e com isso realizaroperações mais complexas, é preci-

so conhecer as propriedades que asoperações apresentam.

Exatamente como no caso dasoperações com números decimais, asoperações lógicas com a álgebraBooleana se baseiam numa série depostulados e teoremas algo simples.

Os principais são dados a seguire prová-los fica por conta dos leitoresque desejarem ir além. Para enten-der, entretanto, seu significadonão é preciso saber como provar suavalidade, mas sim memorizar seusignificado.

Representações

As operações E, OU e NÃO sãorepresentadas por símbolos da se-guinte forma:

a) Operação EA operação E é representada por

um ponto final(.). Assim, para uma

porta E de duas entradas (A e B) esaída S podemos fazer a representa-ção:

A . B = S

b) Operação OUEsta operação é representada

pelo sinal (+).A operação de uma porta OU de

entradas A e B e saída S pode serrepresentada como:

A + B = S

c) Operação NÃOEsta operação é indicada por uma

barra da seguinte forma:A\ = S

Partindo destas representações,podemos enumerar as seguintes pro-priedades das operações lógicas:

1. Propriedade comutativa dasoperações E e OU:

A . B = B . AA + B = B + A

2. Propriedade associativa dasoperações E e OU:

A.(B.C) = (A.B).CA+(B+C) = (A+B)+C

3. Teorema da Involução: (A negação da negação é a pró-

pria afirmação)

A\\ = A

4. A operacão E é distributiva emrelação à operação OU:

A.(B+C) = A.B + A.C

Figura 17 - Elaboração da função OU-exclusivo com inversores, portas AND e uma porta OR.

Figura 18 - Símbolos da função Não-OU-Exclusive ouExclusive NOR também chamada função coincidência.

Figura 19 - Função coincidência (Exclusive NOR) implementada com outras portas.



5. Propriedades diversas:

A.A = AA+A = AA.0 = 0A.1 = AA+0 = AA+1 = 1A.A\= 0A+A\= 1A+A.B = A

6. Teoremas de De Morgan:

Aplicando a operação NÃO a umaoperação E, o resultado obtido é igualao da operação OU aplicada aos com-plementos das variáveis de entrada.

____ _ _ A . B = A + B

Aplicando a operação NÃO a umaoperação OU o resultado é igual aoda operação E aplicada aos comple-mentos das variáveis de entrada.

____ _ _ A + B = A . B

2.12 - Fazendo tudo com portasNAND

As portas NÃO-E, pelas suas ca-racterísticas, podem ser usadas paraobter qualquer outra função que es-tudamos. Esta propriedade torna es-sas portas blocos universais nos pro-jetos de circuitos digitais já que, naforma de circuitos integrados, as fun-ções NAND são fáceis de obter e ba-ratas.

A seguir vamos mostrar de quemodo podemos obter as funções es-tudadas simplesmente usando portasNAND.

InversorPara obter um inversor a partir de

uma porta NAND basta unir suas en-tradas ou colocar uma das entradasno nível lógico 1, conforme figura 20.

Uma porta E (AND) é obtida sim-plesmente agregando-se à funçãoNÃO-E (NAND) um inversor em cadaentrada, (figura 21).

A função OU (OR) pode ser obti-da com o circuito mostrado nafigura 22. O que se faz é inverter a

saída depois de aplicá-la a uma por-ta NAND.

2.13 - ConclusãoOs princípios em que se baseiam

os circuitos lógicos digitais podemparecer algo abstratos, pois usammuito de Matemática e isso talvezdesestimule os leitores. No entanto,eles são apenas o começo. O esforçopara entendê-los certamente será re-compensado, pois estes princípiosestão presentes em tudo que um com-putador faz. Nas próximas lições,quando os princípios estudados co-meçarem a tomar uma forma maisconcreta, aparecendo em circuitos eaplicações práticas será fácil entendê-los melhor.

Nas próximas lições, o que foi es-tudado até agora ficará mais claroquando encontrarmos sua aplicaçãoprática.

QUESTIONÁRIO

1. Se associarmos à presença deuma tensão o nível lógico 1 e à suaausência o nível 0, teremos que tipode lógica:

a) Digital b) Positivac) Negativa d) Booleana

2. Na entrada de uma função lógi-ca NÃO aplicamos o nível lógico 0. A

saída certamente será:a) 0 b) 1c) Pode ser 0 ou 1d) Estará indefinida

3. O circuito que realiza a opera-ção lógica NÃO é denominado:

a) Porta lógica b) Inversorc) Amplificador digitald) Amplificador analógico

4. Se na entrada de uma portaNAND aplicarmos os níveis lógicos 0e 1, a saída será:

a) 0b) 1c) Pode ser 0 ou 1d) Estará indefinida

5. Em qual das seguintes condi-ções de entrada a saída de uma por-ta OR será 0:

a) 0,0 b) 0,1 c) 1,0 d) 1,1

6. Qual é o nome da função lógi-ca em que obtemos uma saída 1quando as entradas tiverem níveislógicos diferentes, ou seja, forem 0 e1 ou 1 e 0.

a) NANDb) NORc) ANDd) Exclusive OR

7. Qual é a porta que pode serutilizada para implementar qualquerfunção lógica:

a) Inversor (NÃO)b) ANDc) NANDd) OR

Figura 20 - Obtendo um inversor ( Função NÃO ou NOT) a partir de uma porta NAND.

Figura 21 - POrta E obtidacom duas NÀO-E (NAND).

Figura 22 - Porta OU obtidacom duas NÃO-E (NAND).

Respostas da lição nº 1a) 0110 0100 0101b) 101101c) 25d) Sem resposta (1101 não existe)e) 131f) 131g) 334



LIÇÃO 3

FAMÍLIAS DE CIRCUITOS LÓGICOS DIGITAIS

Na lição anterior conhecemos osprincípios simples da Álgebra deBoole que regem o funcionamentodos circuitos lógicos digitais encontra-dos nos computadores e em muitosoutros equipamentos. Vimos de quemodo umas poucas funções simplesfuncionam e sua importância na ob-tenção de funções mais complexas.Mesmo sendo um assunto um poucoabstrato, por envolver princípios ma-temáticos, o leitor pode perceber queé possível simular o funcionamento dealgumas funções com circuitos eletrô-nicos relativamente simples, usandochaves e lâmpadas.

Os circuitos eletrônicos modernos,entretanto, não usam chaves e lâm-padas, mas sim, dispositivos muitorápidos que podem estabelecer osníveis lógicos nas entradas das fun-ções com velocidades incríveis e issolhes permite realizar milhões de ope-rações muito complexas a cada se-gundo.

Nesta edição veremos que tipo decircuitos são usados e como são en-contrados na prática em blocos bási-cos que unidos podem levar a elabo-ração de circuitos muito complicadoscomo os encontrados nos computa-dores.

O leitor irá começar a tomar con-tato com componentes práticos dasfamílias usadas na montagem dosequipamentos digitais. São estes oscomponentes básicos que podem serencontrados em circuitos digitais,computadores e muitos outros.

3.1 - O transistor como chaveeletrônica

Um transistor pode funcionarcomo um interruptor deixando passarou não uma corrente, conforme a apli-cação de uma tensão em sua entra-da.

Assim, na simulação dos circuitosque estudamos e em que usamoschaves, é possível utilizar transistorescom uma série de vantagens.

No caso das chaves, o operadorera responsável pela entrada do si-nal, pois, atuando com suas mãossobre a chave, deveria estabelecer onível lógico de entrada, mantendoesta chave aberta ou fechada confor-me desejasse 0 ou 1.

Se usarmos um transistor teremosuma vantagem importante: o transis-tor poderá operar com a tensão ounível lógico produzido por uma outrafunção e não necessariamente poruma pessoa que acione uma chave.

Assim, as funções lógicasimplementadas com transistores têma vantagem de poderem ser interliga-das umas nas outras, pois o sinal queaparece na saída de cada uma pode

ser usado como entrada para outra,conforme a figura 1.

Na figura 1 damos um exemplointeressante de como podemos obterum inversor usando um transistor.

Aplicando o nível 1 na base dotransistor ele conduz até o ponto desaturar, o que faz, com que a tensãono 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 ea tensão no seu coletor se mantémalta, o que corresponde ao nível 1.

Conforme observamos na figura2, outras funções podem ser conse-guidas com transistores.

Isso significa que a elaboração deum circuito lógico digital capaz de rea-lizar operações complexas usandotransistores é algo que pode ser con-seguido com relativa facilidade.

3.2 - Melhorando o desempenhoNo entanto, usar transistores em

circuitos que correspondam a cadafunção de uma maneira não padroni-zada pode trazer algumas dificulda-des.

Figura 1 - Um inversor (função NÃOou NOT) usando um transistor.



Dessa forma, se bem que nos pri-meiros tempos da Eletrônica Digitalcada função era montada com seustransistores, diodos e resistores nasua plaquinha para depois serem to-das interligadas, este procedimentose revelou inconveniente por diversosmotivos.

O primeiro deles é a complexida-de que o circuito adquiria se realizas-se muitas funções.

O segundo, é a necessidade depadronizar o modo de funcionamen-to de cada circuito ou função. Seriamuito importante estabelecer que to-dos os circuitos operassem com amesma tensão de alimentação e for-necessem sinais que os demais pu-dessem reconhecer e reconhecessemos sinais gerados pelos outros.

O desenvolvimento da tecnologiados circuitos integrados, possibilitan-do a colocação num único invólucrode 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 continhamnuma única pastilha as funções lógi-cas digitais mais usadas e de tal ma-neira projetadas que todas eram com-patíveis entre si, ou seja, operavamcom 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 encontrartodos os blocos para montar seusequipamentos 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 disponíveiscomponentes compatíveis entre sicontendo estas funções e de tal for-ma que poderiam ser interligadas dasmaneiras desejadas.

O sucesso do advento dessas fa-mílias foi enorme, pois além do me-nor tamanho dos circuitos e menorconsumo de energia, havia ainda a

vantagem do menor custo e obtençãode maior velocidade de operação econfiabilidade.

Diversas famílias foram criadasdesde o advento dos circuitos integra-dos, recebendo uma denominaçãoconforme a tecnologia empregada.

As principais famílias lógicas de-senvolvidas foram:

· RTL ou Resistor Transistor Logic· RCTL ou Resistor Capacitor

Transistor Logic· DTL ou Diode Transistor Logic· TTL ou Transistor Transistor Logic· CMOS ou Complementary Metal

Oxid Semiconductor· ECL ou Emitter Coupled Logic

Atualmente a Família TTL e aCMOS são as mais usadas, sendoempregadas em uma grande quanti-dade de equipamentos digitais e tam-bém nos computadores e periféricos.

3.3 - A família TTLA família TTL foi originalmente

desenvolvida pela Texas Instruments,mas hoje, muitos fabricantes desemicondutores produzem seus com-ponentes.

Esta família é principalmentereconhecida pelo fato de ter duasséries que começam pelos números54 para os componentes de uso mili-tar e 74 para os componentes de usocomercial.

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 portaNAND de duas entradas que logo

Figura 2 - Outras funçõesimplementadas comtransistores.

Figura 3 - Blocoscompatíveis contendofunções lógicas(circuitos integrados).



chama a atenção pelo fato de usar umtransistor de dois emissores.

A característica mais importantedesta família está no fato de que elaé alimentada por uma tensão de 5 V.

Assim, para os componentes des-ta família, o nível lógico 0 é sempre aausência de tensão ou 0 V, enquantoque o nível lógico 1 é sempre umatensão de +5 V.

Para os níveis lógicos serem re-conhecidos devem estar dentro defaixas bem definidas.

Conforme verificamos na figura 5,uma porta TTL reconhecerá como ní-vel 0 as tensões que estiverem entre0 e 0,8 V e como 1 os que estiveremnuma outra faixa entre 2,4 e 5 V.

Entre essas duas faixas existeuma região indefinida que deve serevitada.

Há centenas de circuitos integra-dos TTL disponíveis no mercado paraa realização de projetos. A maioriadeles está em invólucros DIL de 14 e16 pinos, conforme exemplos da fi-gura 6.

As funções mais simples das por-tas disponíveis numa certa quantida-de em cada integrado usam circuitosintegrados de poucos pinos.

No entanto, à medida que novastecnologias foram sendo desenvolvi-das permitindo a integração de umagrande quantidade de componentes,surgiu a possibilidade de colocar numintegrado não apenas umas poucasportas e funções adicionais que se-rão estudadas futuramente como flip-flops, decodificadores e outros mas,também interligá-los de diversas for-mas e utilizá-los em aplicações espe-cíficas.

Diversas etapas no aumento daintegração foram obtidas e receberamnomes que hoje são comuns quando

falamos de equipamentos digitais ecomputadores em geral. Temos asseguintes classificações para os grausde integração dos circuitos digitais:

SSI - Small Scale Integration ouIntegração em Pequena Escala quecorresponde a série normal dos pri-meiros TTL que contém de 1 a 12portas lógicas num mesmo compo-nente ou circuito integrado.

MSI - Medium Scale Integrationou Integração de Média Escala emque temos num único circuito integra-do de 13 a 99 portas ou funções lógi-cas.

LSI - Large Scale Integration ouIntegração em Grande Escala quecorresponde a circuitos integradoscontendo de 100 a 999 portas ou fun-ções lógicas.

VLSI - Very Large ScaleIntegration ou Integração em Esca-la Muito Grande que correspondeaos circuitos integrados com mais de1000 portas ou funções lógicas.

3.4 - Outras Características daFamília TTL

Para usar corretamente os circui-tos integrados TTL e mesmo sabercomo testá-los, quando apresentamalgum problema de funcionamento, éimportante conhecer algumas de suascaracterísticas adicionais.

Analisemos as principais caracte-rísticas lembrando os níveis lógicosde entrada e saída admitidos:

- Correntes de entrada:Quando uma entrada de uma fun-

ção lógica TTL está no nível 0, flui umacorrente da base para o emissor dotransistor multiemissor da ordem de1,6 mA, figura 7.

Esta corrente deve ser levada emconta em qualquer projeto, pois, eladeve ser suprida pelo circuito que ex-citará a porta.

Quando a entrada de uma portalógica TTL está no nível alto, figura 8,flui uma corrente no sentido opostoda ordem de 40 µA.

Figura 4 - Umaporta NAND TTL.

Figura 5 - Faixas de tensão reconhecidascomo 0 e 1 (nível alto e baixo).

Figura 6 - As funções mais simples TTLsão encontradas nestes invólucros.

Figura 7 - Corrente de entradano nível baixo (0).



Esta corrente vai circular quandoa tensão de entrada estiver com umvalor superior a 2,0 V.

- Correntes de saídaQuando a saída de um circuito TTL

vai ao nível 0 (ou baixo), flui uma cor-rente da ordem de 16 mA, conformeobservamos no circuito equivalente dafigura 9.

Isso significa que uma saída TTLno nível 0 ou baixo pode drenar deuma carga uma corrente máxima de16 mA, ou seja, pode “absorver” umacorrente máxima desta ordem.

Por outro lado, quando a saída deuma função TTL está no nível 1 oualto, ela pode fornecer uma correntemáxima de 400 µA, figura 10.

Veja então que podemos obteruma capacidade muito maior de exci-tação de saída de uma porta TTLquando ela é levada ao nível 0 do queao nível 1.

Isso justifica o fato de que emmuitas funções indicadoras, em queligamos um LED na saída, fazemoscom que ele seja aceso quando asaída 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 OutEstes são termos técnicos que

especificam características de extre-ma importância quando usamos cir-cuitos integrados da família TTL.

A saída de uma porta não precisaestar obrigatoriamente ligada a umaentrada 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 saídada porta que irá excitar tem uma ca-pacidade limitada de fornecimento oude drenar a corrente, é preciso esta-belecer um limite para a quantidadede 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 o FAN OUT comoo número máximo de entradas quepodemos ligar a uma saída TTL.

Para os componentes da famíliaTTL normal ou Standard que estamosestudando, o FAN OUT é 10.

Por outro lado, também pode ocor-rer que na entrada de uma função ló-gica TTL precisemos ligar mais deuma saída TTL.

Considerando novamente que cir-culam correntes nestas ligações e queos circuitos têm capacidades limita-das de condução, precisamos saberaté que quantidade de ligações po-demos fazer.

Desta forma o FAN-IN indica aquantidade máxima de saídas quepodemos ligar a uma entrada,figura 13.

Figura 8 - Corrente deentrada no nível alto (1).

Figura 9 -Corrente de saídano nível baixo (0).

Figura 10 -Corrente de

saída no nívelalto (1).

Figura 11 - Prefere-se a configuração (b) para acionar LEDs.

Figura 12 - Há um limite para a quantidadede entradas que uma saída pode excitar.

Figura 13 - Também pode ser necessário ligarmais de uma saída a uma entrada.



- VelocidadeOs circuitos eletrônicos possuem

uma velocidade limitada de operaçãoque depende de diversos fatores.

No caso específico dos circuitosTTL, temos de considerar a própriaconfiguração 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 figura14, veremos que se for estabelecidauma transição muito rápida da tensãode entrada, a tensão no circuito nãosubirá com a mesma velocidade.

Este sinal terá antes de carregaras capacitâncias parasitas existentesde modo que a tensão de entradasuba gradualmente, demorando umcerto tempo que deve ser considera-do.

Da mesma forma, à medida que osinal vai passando pelas diversas eta-pas do circuito, temos de consideraros tempos que os componentes de-moram para comutar justamente emfunção das capacitâncias e indutân-cias parasitas existentes.

O resultado disso é que para oscircuitos integrados TTL existe um re-tardo entre o instante em que o sinalpassa do nível 0 para o 1 na entradae o instante em que o sinal na saídaresponde a este sinal, passandodo nível 1 para o 0 no caso de uminversor.

Da mesma forma, existe um retar-do entre o instante em que o sinal deentrada passa do nível 1 para o 0 e oinstante em que o sinal de saída pas-sa do nível 0 para o 1, no caso de uminversor.

Mostramos esses dois tempos nafigura 15, eles são muito importan-tes nas especificações dos circuitos

TTL, principalmente quando trabalha-mos com o projeto de dispositivosmuito rápidos. Basicamente podemosadiantar para o leitor que se dois si-nais que devam chegar ao mesmotempo a um certo ponto do circuitonão o fizerem, porque um se retardamais do que o outro ao passar por de-terminadas funções, isso pode gerarinterpretações erradas do próprio cir-cuito que funcionará de modo anor-mal.

Assim, a partir da família originaldenominada “Standard” surgiram di-versas subfamílias. Para diferenciaressas subfamílias, foram adicionadasao número que identifica o componen-te (depois do 54 ou 74 com que todoscomeçam), uma ou duas letras.

Temos então a seguinte tabela desubfamílias e da família TTL standard:

Indicação: 54/74Família/Subfamília: StandardCaracterística: nenhuma

Indicação: 54L/74LFamília/Subfamília: Low PowerCaracterística: Baixo consumo

Indicação: 54H/74HFamília/Subfamília: High SpeedCaracterística: Alta velocidadeIndicação: 54S/74SFamília/Subfamília: SchottkyCaracterística: nenhuma

Indicação: 54LS/74LSFamília/Subfamília: Low PowerSchottkyCaracterística: nenhuma

A versão standard apresenta com-ponentes com o custo mais baixo etambém dispõe da maior quantidadede funções disponíveis.

No entanto, a versão LS se adap-ta mais aos circuitos de computado-res, pois tem a mesma velocidade doscomponents da família Standard commuito menor consumo.

Algumas características podemser comparadas, para que os leitoresverifiquem as diferenças existentes.

- VelocidadeA 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 emque aplicamos os níveis lógicos naentrada e o instante em que obtemosa resposta, conforme verificamos atra-vés da forma de onda que vimos nafigura 15.

Para os circuitos da família TTL écomum especificar estes tempos emnanossegundos ou bilionésimos desegundo.

Figura 14 - Capacitâncias parasitas queinfluem na velocidade de resposta dos

circuitos.

Figura 15 - Como são medidos os tempos de retardo nas funções TTL.

Os primeiros circuitos TTLque foram desenvolvidos logose mostraram inapropriadospara certas aplicações.

3.5 - Subfamílias TTLOs primeiros circuitos TTL que fo-

ram desenvolvidos logo se mostraraminapropriados para certas aplicações,quando é necessária maior velocida-de, ou menor consumo de energia ouainda os dois fatores reunidos.

Isso fez com que, mantendo ascaracterísticas 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.



Assim, temos:

Família/Subfamília: TTL StandartTempo de programação (ns): 10

Família/Subfamília: Low PowerTempo de programação (ns): 33

Família/Subfamília: Low PowerSchottlkyTempo de programação (ns): 10

Família/Subfamília: High SpeedTempo de programação (ns): 6

Família/Subfamília: SchottklyTempo de programação (ns): 3

- DissipaçãoOutro ponto importante no projeto

de circuitos digitais é a potênciaconsumida e portanto, dissipada naforma de calor. Quando usamos umagrande quantidade de funções, estacaracterística se torna importante tan-to para o dimensionamento da fontecomo para o próprio projeto da placae do aparelho que deve ter meios dedissipar o calor gerado.

Podemos então comparar as dis-sipações das diversas famílias, to-mando como base uma porta ou gate:

Família/SubFamília: StandardDissipação por Gate (mW): 10

Família/SubFamília: Low PowerDissipação por Gate (mW): 1

Família/SubFamília: Low PowerSchottkyDissipação por Gate (mW): 2

Família/SubFamília: High SpeedDissipação por Gate (mW): 22

Família/Subfamília: SchottkyDissipação por Gate (mW): 20

O leitor já deve ter percebido umproblema importante: quando aumen-tamos a velocidade, o consumo tam-bém aumenta. O projetista deve por-tanto, ser cuidadoso em escolher asub- família que una as duas caracte-rísticas na medida certa de sua pre-cisão, incluindo o preço.

3.6 - Compatibilidade entre assubfamílias

Um ponto importante que deve serlevado em conta quando trabalhamoscom a família Standard e as subfa-mílias TTL é a possibilidade de inter-ligarmos os diversos tipos.

Isso realmente ocorre, já que to-dos os circuitos integrados da famíliaTTL e também das subfamílias sãoalimentados com 5 V.

Devemos observar, e com muitocuidado, que as correntes que circu-lam nas entradas e saídas dos com-ponentes das diversas subfamíliassão completamente diferentes, logo,quando passamos de uma para ou-tra, tentanto interligar os seus com-ponentes, as regras de Fan-In e Fan-Out mudam completamente.

Na verdade, não podemos falar deFan-in e Fan-out quando interligamoscircuitos de famílias diferentes.

O que existe é a possibilidade deelaborar uma tabela, a partir das ca-racterísticas dos componentes, emque a quantidade máxima de entra-das de determinada subfamília pos-sa ser ligada na saída de outrasubfamília.

Esta tabela é dada a seguir:

Saída74L 74 74LS 74H 74S

74L 20 40 40 50 10074LS 2,5 10 51 2,5 12,5

Entrada74 10 20 20 25 5074H 2 8 4 10 1074S 2 8 4 10 10

Observamos por esta tabela queuma saída 74 (Standard) pode exci-tar convenientemente 10 entradas74LS (Low Power Schottky).

Na figura 16 mostramos como issopode ser feito.

3.7 - Open Collector eTotem-PoleOs circuitos comuns TTL estuda-

dos até agora e que têm a configura-ção mostrada na figura 14 são deno-minados Totem Pole.

Nestes circuitos temos uma confi-guração em que um ou outro transis-tor conduz a corrente, conforme o ní-vel estabelecido na saída seja 0 ou 1.

Este tipo de circuito apresenta uminconveniente se ligarmos duas por-tas em paralelo, conforme a figura 17.

Se uma das portas tiver sua saídaindo ao nível alto (1) ao mesmo tem-po que a outra vai ao nível baixo(0),um curto-circuito é estabelecido nasaída e pode causar sua queima.

Isso significa que os circuitos in-tegrados TTL com esta configuraçãonunca podem ter suas saídas interli-gadas da forma indicada.

Figura 16 - Uma saída standardpode excitar 10 entradas LS.

Figura 17 - Conflitos de níveis emsaídas interligadas.



No entanto, existe uma possibili-dade de elaborar circuitos em que assaídas de portas sejam interligadas.Isso é conseguido com a configura-ção denominada Open Collector mos-trada na figura 18.

Os circuitos integrados TTL quepossuem esta configuração são indi-cados como “open collector” e quan-do são usados, exigem a ligação deum resistor externo denominado “pullup” normalmente de 2000 Ω ou próxi-mo disso.

Como o nome em inglês diz, otransistor interno está com o “coletoraberto” (open collector) e para funci-onar precisa de um resistor de polari-zação.

A vantagem desta configuraçãoestá na possibilidade de interligarmosportas diferentes num mesmo ponto,figura 19.

A desvantagem está na reduçãoda velocidade de operação do circui-to que se torna mais lento com a pre-sença do resistor, pois ele tem umacerta impedância que afeta o desem-penho do circuito.

3.8 - Tri-StateTri-state significa terceiro estado e

é uma configuração que tambémpode ser encontrada em alguns cir-cuitos integrados TTL, principalmen-te usados em Informática. Na figura20 temos um circuito típico de umaporta NAND tri-state que vai servircomo exemplo. Podem existir aplica-ções em que duas portas tenhamsuas saídas ligadas num mesmo cir-cuito, figura 21.

Uma porta está associada a umprimeiro circuito e a outra porta a umsegundo circuito. Quando um circuitoenvia 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 pelaporta seguinte como informação eisso não deve ocorrer.

O que deve ocorrer é que quandouma porta estiver enviando seus si-nais, a outra porta deve estar numasituação em que na sua saída nãotenhamos nem 0 e nem 1, ou seja,ela deve ficar num estado de circuito

desligado, circuito aberto ou terceiroestado. Isso é conseguido através deuma entrada de controle denomina-da “habilitação” em inglês “enable”abreviada por EN.

Assim, quando EN está no nível0, no circuito da figura 20, o transis-tor não conduz e nada acontece nocircuito que funciona normalmente.

No entanto, se EN for levada aonível 1, o transistor satura, levando aocorte, ou seja, os dois passam a secomportar como circuitos abertos, in-dependentemente dos sinais de en-trada. Na saída Y teremos então umestado de alta impedância.

Podemos então concluir que a fun-ção tri-state apresenta três estadospossíveis na sua saída:

Nível lógico 0Nível lógico 1Alta ImpedânciaAs funções tri-state são muito usa-

das nos circuitos de computadores,nos denominados barramentos dedados ou “data bus”, onde diversoscircuitos devem aplicar seus sinais aomesmo ponto ou devem compartilhara mesma linha de transferência des-ses dados. O circuito que está funcio-nando deve estar habilitado e os quenão estão funcionando, para que suassaídas não influenciem nos demais,devem ser levados sempre ao tercei-ro estado.

Na figura 22 temos um exemplode aplicação em que são usados cir-cuitos tri-state. Uma unidade deprocessamento de um computadorenvia e recebe dados para/de diver-sos periféricos usando uma única li-nha (bus). Todos os circuitos ligadosa estas linhas devem ter saídas do tipotri-state.

Figura 18 - Porta NAND (não-E) comsaída em coletor aberto (Open Collector).

Figura 19 - O resistor "pull up" serve parapolarizar os transistores das saídas das

funções "open colletor".

Figura 20 - Uma porta NAND TTL tri-state.



QUESTIONÁRIO

1. Quais são as duas principaisfamílias de circuitos lógicos digitaisobtidas na forma de circuitos integra-dos?

a) CMOS e TTLb) Schottky e LSc) AO e Solid Stated) FET e Bipolar

2. Qual é a tensão de alimentaçãodos circuitos integrados da família TTLStandard?

a) 3 a 15 V b) 1,5 Vc) 5 V d) 12 V

3. Circuitos integrados que conte-nham grande quantidade de funções,mais de 1 000, usados principalmen-te nos modernos computadores sãodenominados:

a) SSI b) MSI c) LSI d) VLSI

4. Um circuito integrado tem umacapacidade maior de corrente na suasaída quando:

a) No nível 1 b) No nível 0 c) As capacidades são iguais nos

dois níveis d) A capacidade depende da fun-

ção

5. A família TTL de alta velocida-de tem seus componentes com asigla:

a) 74L b) 74H c) 74S d) 74LS

6. Para que tipos de configuraçãode saída não podemos ligar duas por-tas juntas?

a) Todas b) Totem pole c) Open Collector d) Nenhuma delas

7. Que estado encontramos numasaída de uma função TTL Tri-statequando a entrada de habilitação nãoestá ativada?

a) Nível 0 b) Nível 1 c) Nível 0 ou 1 d) Alta impedância

Figura 21 - Quando A estiver enviando sinaispara C, B deve estar "desativado".

Figura 22 - Na troca de dados entrediversas interfaces deve-se usar

componentes com saídas tri-state.

Respostas da lição no 21 - b)2 - b)3 - a)4 - a)5 - a)6 - d)7 - c)



Na lição anterior mostramos aosleitores que os circuitos integradosdigitais são organizados em famíliasde modo a manter uma compatibili-dade de características que permitasua interligação direta sem a neces-sidade de qualquer componente adi-cional. Vimos na ocasião que as fa-mílias contam com dezenas ou mes-mo centenas de funções que atuamcomo blocos ou tijolos a partir dosquais podemos “construir” qualquercircuito eletrônico digital, por maiscomplexo que seja. Na verdade, ospróprios blocos tendem a ser cada vezmais completos, com a disponibilida-de de circuitos integrados que conte-nham milhares ou mesmo dezenas demilhares de funções já interligadas demodo a exercer uma tarefa que sejamuito utilizada. É o caso dos circuitosintegrados VLSI de apoio encontradosnos computadores, em que milharesde funções lógicas já estão interliga-das para exercer dezenas ou cente-nas de funções comuns nestes equi-pamentos.

Na lição anterior estudamos a fa-mília TTL e suas subfamílias muitocomuns na maioria dos equipamen-tos eletrônicos, analisando as princi-pais funções disponíveis e tambémsuas características elétricas.

No entanto, existem outras famíli-as e uma muito utilizada é justamen-te a que vamos estudar nesta lição: afamília CMOS. Se bem que as duasfamílias CMOS e TTL tenham carac-terísticas diferentes, não são incom-patíveis. Na verdade, conforme vere-mos, elas podem ser interligadas emdeterminadas condições que o leitordeve conhecer e que também serãoabordadas nesta lição. Como estas

duas famílias correspondem pratica-mente a tudo que pode ser feito emmatéria de circuitos digitais, o seuconhecimento dará as bases neces-sárias ao trabalho com este tipo decomponente.

OS CIRCUITOSINTEGRADOS CMOS

CMOS significa ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor e se re-fere a um tipo de tecnologia que utili-za transistores de efeito de campo ouField Effect Transistor (FET) em lugardos transistores bipolares comuns(como nos circuitos TTL) na elabora-ção dos circuitos integrados digitais.

Existem vantagens e desvanta-gens no uso de transistores de efeitode campo, mas os fabricantes conse-guem pouco a pouco eliminar as dife-renças existentes entre as duas famí-lias com o desenvolvimento detecnologias de fabricação, aumentan-do ainda a sua velocidade e reduzin-do seu consumo. De uma forma ge-ral, podemos dizer que existem apli-

LIÇÃO 4

FAMÍLIAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

cações em que é mais vantajoso usarum tipo e aplicações em que o outrotipo é melhor.

Os transistores de efeito de cam-po usados nos circuitos integradosCMOS ou MOSFETs têm a estruturabásica mostrada na figura 1 ondetambém aparece seu símbolo.

Conforme podemos ver, o eletro-do de controle é a comporta ou gate(g) onde se aplica o sinal que deveser amplificado ou usado parachavear o circuito. O transistor é po-larizado de modo a haver uma ten-são entre a fonte ou source (s) e odreno ou drain (d). Fazendo uma ana-logia com o transistor bipolar,podemos dizer que a comporta doMOSFET equivale à base do transis-tor bipolar, enquanto que o drenoequivale ao coletor e a fonte ao emis-sor, figura 4.2.

Observe que entre o eletrodo decomporta, que consiste numa placade alumínio e a parte que forma osubstrato ou canal por onde passa acorrente, não existe contato elétricoe nem junção, mas sim uma finíssimacamada de óxido de alumínio ou óxi-

Figura 1 - Um transistor CMOSde canal N (NMOS).

SubstratoP



CURSO BÁSICO DE ELETRÔNICA DIGITAL

do metálico, que dá nome ao disposi-tivo (metal-oxide).

A polaridade do material semi-condutor usado no canal, que é a par-te do transistor por onde circula a cor-rente controlada, determina seu tipoe também a polaridade da tensão quea controla.

Assim, encontramos na práticatransistores de efeito de campo tipoMOS de canal N e transistores de efei-to de campo tipo MOS de canal P.

Na verdade, os próprios transisto-res MOS podem ainda ser divididosem dois tipos: enriquecimento e em-pobrecimento que levam a dois tiposde representação. Para nosso cursoé mais importante lembrar que exis-tem transistores MOS tipo P e tipo N.Na figura 3 temos os símbolosadotados para representar os dois ti-pos de transistores.

Podemos dizer, de maneira geral,que estes transistores são equivalen-tes aos tipos NPN e PNP bipolares.

A corrente que circula entre a fon-te e o dreno pode ser controlada pelatensão aplicada à comporta. Isso sig-nifica que, diferentemente dos transis-tores bipolares em que a corrente decoletor depende da corrente de base,no transistor de efeito de campo, acorrente do dreno depende da tensãode comporta.

Assim, no tipo P uma tensão posi-tiva de comporta aumenta sua con-dução, ou seja, faz com que ele satu-re e no tipo N, uma tensão negativade comporta é que o leva à satura-ção.

Mais uma vez fazendo uma com-paração com os tipos bipolares, po-demos dizer então que enquanto ostransistores bipolares são típicos am-plificadores de corrente, os FETs outransistores de efeito de campo MOSsão típicos amplificadores de tensão.

Esta diferença leva o transistor deefeito de campo MOS a apresentarcaracterísticas muito interessantespara aplicações em Eletrônica Digitalou Analógica.

Uma delas está no fato de que aimpedância de entrada do circuito éextremamente elevada, o que signifi-ca que precisamos praticamente sóde tensão para controlar os dispositi-vos CMOS.

Assim, é preciso uma potênciaextremamente baixa para o sinal quevai excitar a entrada de um circuitointegrado CMOS, já que praticamen-te nenhuma corrente circula por esteelemento.

A outra está no fato de que, dife-rentemente dos transistores bipolaresque só começam a conduzir quandouma tensão da ordem de 0,6 V vencea barreira de potencial de sua junçãobase-emissor, os FETs não têm estadescontinuidade de características, oque os torna muito mais lineares emqualquer aplicação que envolva am-plificação de sinais.

Na figura 4 temos as curvas ca-racterísticas de um MOSFET de ca-nal N.

APLICAÇÕES DIGITAIS

Da mesma forma que podemoselaborar funções lógicas básicasusando transistores bipolares co-muns, também podemos fazer o mes-mo com base nos transistores de efei-to de campo MOS. A tecnologiaCMOS (Complementary MOS) permi-te que os dispositivos tenham carac-terísticas excelentes para aplicaçõesdigitais.

CMOS significa que em cada fun-ção temos configurações em que tran-sistores de canal N e de canal P sãousados ao mesmo tempo, ou seja,usamos pares complementares, con-forme diagrama do inversor lógicomostrado na figura 5. Conforme ex-plicamos no item anterior, a polarida-de da tensão que controla a correnteprincipal nos transistores de efeito decampo MOS depende justamente dotipo de material usado no canal, quepode ser do tipo P ou do tipo N.

Assim, se levarmos em conta quenos circuitos digitais temos dois níveisde sinal possíveis, podemos perceberque dependendo do nível deste sinalaplicado à comporta dos dois transis-tores ao mesmo tempo, quando umdeles estiver polarizado no sentido deconduzir plenamente a corrente(saturado), o outro estará obrigatori-amente polarizado no sentido de cor-tar esta corrente (corte).

No circuito indicado, quando aentrada A estiver no nível baixo (0) otransistor Q

2 conduz, enquanto Q

1

permanece no corte. Isso significa queVdd, que é a tensão de alimentaçãopositiva, é colocada na saída, o quecorresponde ao nível alto ou 1.

Figura 3 - Símbolos dostransistores MOS (de enriquecimento).

Figura 4 - Curvas características dotransistores MOS de canal N.

Figura 5 - Um inversor comtransistores MOS (CMOS).

Figura 2 - Equivalência de funções doseletrodos para transistores MOS e bipolares.



Por outro lado, quando na entra-da aplicamos o nível alto, quecorresponde ao Vdd (tensão de ali-mentação), é o transistor Q

1 que con-

duz e com isso o nível baixo ou 0 V éque será colocado na saída.

Conforme sabemos, estas carac-terísticas correspondem justamente afunção inversora.

CONSUMO E VELOCIDADE

Analisando o circuito inversor to-mado como base para nossas expli-cações, vemos que ele apresentaduas características importantes.

A primeira é que sempre um dostransistores estará cortado, qualquerque seja o sinal de entrada (alto oubaixo) logo, praticamente não circulacorrente alguma entre o Vdd e o pon-to de terra (0 V). A única corrente queirá circular será eventualmente a deum circuito externo excitado pela saí-da, figura 6.

Isso significa um consumo extre-mamente baixo para este par de tran-sistores em condições normais, já quena entrada a impedância é elevadís-sima e praticamente nenhuma corren-te circula. Este consumo é da ordemde apenas 10 nW (nW = nanowatt =0,000 000 001 watt).

É fácil perceber que se integrar-mos 1 milhão de funções destas numcircuito integrado, ele irá consumirapenas 1 mW! Na prática temos fato-res que tornam maior este consumo,como por exemplo, eventuais fugas,a necessidade de um ou outro com-ponente especial de excitação queexija maior corrente, etc.

Mas, ao lado das boas caracterís-ticas, ele também tem seus proble-mas: um deles está no fato de que oeletrodo de controle (comporta) que

é uma placa de metal fixada no mate-rial semicondutor e isolada por meiode uma camada de óxido, funcionacomo a armadura ou placa de umcapacitor, verifique a figura 7.

Isso significa que, ao aplicarmosum sinal de controle a uma funçãodeste tipo, a tensão não sobe imedia-tamente até o valor desejado, masprecisa de um certo tempo necessá-rio para carregar o “capacitor” repre-sentado pelo eletrodo de comporta.Se bem que o eletrodo tenha dimen-sões extremamente pequenas, se le-varmos em conta as impedâncias en-volvidas no processo de carga e tam-bém a própria disponibilidade de cor-rente dos circuitos excitadores, o tem-po envolvido no processo não é des-prezível e um certo atraso na propa-gação do sinal ocorre.

O atraso nada mais é do que a di-ferença de tempo entre o instante emque aplicamos o sinal na entrada e oinstante em que obtemos um sinal nasaída.

Nos circuitos integrados CMOS tí-picos como os usados nas aplicaçõesdigitais, para um inversor como o doexemplo, este atraso é da ordem de 3nanossegundos (3 ns).

Isso pode parecer pouco nas apli-cações comuns, mas se um sinal ti-ver de passar por centenas de portas

antes de chegar a um certo ponto emque ele seja necessário, e a somados atrasos não for prevista poderáhaver diversos problemas de funcio-namento.

Veja, entretanto, que a carga deum capacitor num circuito de tempo,como o na figura 8 até um determi-nado nível de tensão depende tam-bém da tensão de alimentação.

Assim, com mais tensão, a cargaé mais rápida e isso nos leva a umacaracterística muito importante doscircuitos CMOS digitais que deve serlevada em conta em qualquer aplica-ção: com maior tensão de alimen-tação, os circuitos integradosCMOS são mais rápidos.

Assim, enquanto que nos manuaisde circuitos integrados TTL encontra-mos uma velocidade máxima única deoperação para cada tipo (mesmo por-que sua tensão de alimentação é fixade 5 V), nos manuais CMOS encon-tramos as velocidades associadas àstensões de alimentação (já que os cir-cuitos integrados CMOS podem seralimentados por uma ampla faixa detensões).

Um exemplo disso pode ser obser-vado nas características de um circui-to integrado CMOS formado por seisinversores (hex inverter) onde temosas seguintes frequências máximas deoperação:

4049 - Seis inversoresFrequência máxima de operação:Com Vdd = 5 V - 1,66 MHz (tip)

Vdd = 10 V - 4,00 MHz (tip)Vdd = 15 V - 5,00 MHz (tip)

Veja então que o circuito é muitomais rápido quando o alimentamoscom uma tensão de 15 V do que quan-do o alimentamos com uma tensão

Figura 6 - A única corrente do circuito passapela carga externa.

Figura 7 - Os transistores MOS apresentam uma capacitância de entrada.



de apenas 5 V. Este fato é muito im-portante, por exemplo, na elaboraçãode um oscilador com circuito integra-do CMOS que opere no seu limite develocidade.

SENSIBILIDADE AO MANUSEIO

O fato de que existe uma finíssimacamada de óxido isolando a compor-ta do substrato e esta camada é ex-tremamente sensível a descargas elé-tricas torna os dispositivos que usamtransistores MOS muito delicados.

De fato, a própria carga elétricaacumulada em ferramentas ou emnosso corpo quando caminhamosnum tapete num dia seco ou aindaatritamos objetos em nossa roupapode ser suficiente para danificar demodo irreversível dispositivos CMOS.Para que o leitor tenha uma idéia,caminhando num carpete num diaseco, seu corpo pode acumular umacarga estática que atinge potenciaisde até 10 000 V.

Se você tocar numa torneira, adescarga de seu corpo neste percur-so de terra pode lhe causar um fortechoque.

Se, da mesma forma, você tocarnum terminal de um dispositivoCMOS, a carga do seu corpo que es-coa por este dispositivo pode facil-mente destruir a finíssima camada deóxido que separa a comporta dosubstrato e o componente estará inu-tilizado.

Em outras palavras, os dispositi-vos que usam transistores CMOS sãoextremamente sensíveis a descargasestáticas, figura 9.

Assim, a primeira preocupação nouso e manuseio destes componentes

é evitar de qualquer modo que apa-reçam tensões perigosas capazes decausar danos entre os terminais doscomponentes.

Para os transistores MOS

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