Famlias LgicasConceitos e Definies

Circuitos Integrados

Eletrnica Digital e Eletrnica AnalgicaNos Sistemas Digitais as variveis esto limitadas a um nmero finito de valores, 0 e 1 (variao discreta)Nos sistemas analgicos as variveis podem assumir um nmero indefinido de valores (variao contnua)

Marcos tecnolgicosHouve dois marcos tecnolgicos principais no progresso para a miniaturizao: A inveno do transstor em 1947, que iniciou a eletrnica do estado slido. A inveno do circuito integrado em 1958, que iniciou a microeletrnica, a partir da a integrao dos circuitos vem aumentando exponencialmente: SSI, MSI, LSI, VLSI, ...

Surgem as Famlias LgicasA partir do surgimento do transistor, procurou-se padronizar os sinais eltricos correspondentes aos nveis lgicos. Esta padronizao ocasionou o surgimento das famlias de componentes digitais com caractersticas bastante distintas.

Famlias lgicas uma expresso usada para referir o conjunto de alternativas tecnolgicas que existem para a fabricao de circuitos integrados digitais.

Evoluo das arquiteturas para implementao de portas lgicasApesar da tecnologia dominante atualmente ser a tecnologia CMOS, quer devido ao seu baixo custo quer devido grande densidade de portas lgicas que permite integrar por unidade de rea, existem tecnologias alternativas que tambm apresentam algumas vantagens e so usadas correntemente em circuitos comerciais.

Principais famlias lgicasAs primeiras famlias lgicas diferiam entre si essencialmente pelo fato de os respectivos circuitos integrados serem construdos com base em transstores bipolares (TTL - Transistor-Transistor Logic) ou do tipo MOS (Metal-xido-Semicondutor)

Famlias lgicas tipo TTLA tecnologia bipolar (TTL) foi a tecnologia precursora dos circuitos digitais pode ser vantajosa em termos de velocidade face s tecnologias baseadas em transistores MOS. No entanto pior em termos de consumo de potencia e no permite a implementao de sistemas de larga escala devido rea que uma porta lgica ocupa. OBS.:Com a evoluo dos circuitos da familia CMOS, atualmente eles chegam a ser to velozes quanto os TTL e com a vantagem de consumiram menos.

TTL (Lgica Transistor-Transistor)A tenso de alimentao se restringe a 5V contnuos, tendo, porm, uma faixa de tenso correspondente aos nveis lgicos 0 e 1. A figura mostra as faixas de tenso correspondentes aos nveis lgicos de sada de um circuito integrado da famlia TTL.Nvel lgico 1Nvel lgico 0

TTLEsta famlia principalmente reconhecida pelo fato de ter duas sries que comeam pelos nmeros 54 para os componentes de uso militar e 74 para os componentes de uso comercial. Entre os CIs desta srie, podemos encontrar uma ampla variedade de:

portas lgicas, flip-flops, construdos segundo a tecnologia SSI, registradores de deslocamento, contadores, decodificadores, memrias e circuitos aritmticos, construdos com a tecnologia MSI.

Sries de TTLsEstas outras sries fornecem uma ampla variedade de escolha dos parmetros de velocidade e potncia consumida. Dentre essas sries destacam-se:

TTL 74L de Baixa PotnciaTTL 74H de Alta Velocidade TTL 74LS Schottky de Baixa Potncia (LS-TTL) TTL 74AS Schottky Avanada (AS-TTL)TTL Schottky Avanada de Baixa Potncia (74ALS-TTL)

Compatibilidade entre as subfamlias Um ponto importante que deve ser levado em conta quando trabalhamos com a famlia Padro (Standard) e as subfamlias TTL a possibilidade de interligarmos os diversos tipos. Isto realmente ocorre, j que todos os circuitos integrados da famlia TTL e tambm das subfamlias so alimentados com 5V.

Famlias lgicas tipo CMOSA tecnologia MOS normalmente a preferida para a implementao de circuitos mais complexos, quer por apresentar menores requisitos de rea por transstor, quer por apresentar menor consumoAs caractersticas principais desta famlia so o reduzido consumo de corrente (baixa potncia), alta imunidade a rudos e uma faixa de alimentao que se estende de 3V a 15V ou 18V dependendo do modelo.A famlia CMOS possui, tambm, uma determinada faixa de tenso para representar os nveis lgicos de entrada e de sada, porm estes valores dependem da tenso de alimentao e da temperatura ambiente.

Sries CMOSSries 4000/14000 Sries 74C Sries 74HC (CMOS de Alta Velocidade)Sries 74HCTDentre outras

CompatibilidadeAo contrrio da famlia TTL, que produzida com as mesmas caractersticas eltricas por todos os fabricantes, a CMOS, embora padronizada em sua numerao, apresenta grandes variaes na capacidade de sada e velocidade de operao, de um fabricante para outro.Algumas vezes, at as funes so diferentes e incompatveis, com o que deve-se ter muita ateno.

Interfaceando TTL e CMOSMesmo tendo uma faixa de tenses ampla e caractersticas diferentes dos circuitos integrados, existe a possibilidade de interfacear circuitos TTL e CMOS, desde que sejam tomados cuidados no que se refere a compatibilidade.

Outras famlias lgicasDe entre as restantes alternativas, bastar acrescentar o seguinte:Existem outras tecnologias comuns em circuitos digitais, mas que no se enquadram bem na designao famlias lgicas (e.g. certos tipos de dispositivos programveis)Existiram ao longo dos anos outras alternativas, mas que com a evoluo tecnolgica acabaram por ficar obsoletas (e.g. RTL - Resistor-Transistor Logic), DTL (Diode-Transistor Logic), etc.

Famlias lgicas: Geraes mais recentesConsiderando por exemplo a gama fabricada pela Philips, temos duas variantes principais nos circuitos SSI / MSI actualmente disponveis:Componentes que retm as caractersticas principais dos TTL e CMOS, mas com caractersticas mais avanadasComponentes para tenses de alimentao reduzidas (3,3 V, 3 V ou mesmo inferior)

Famlias lgicas: Geraes mais recentes (cont.)Componentes que mantm as caractersticas principais:ALS - mais rpidos, consumos 2 / 3 vezes inferioresFAST, com velocidade semelhante a ECL 10KABT, andares de sada bipolares e internos CMOSHC / HCT, que continuar ainda por muitos anosAHC / AHCT, que resulta da evoluo dos HC / HCTPor fim, continuam os antigos CMOS

Famlias lgicas: Geraes mais recentes (cont.)Componentes para tenses de alimentao < 5 V:LV: para tenses de alimentao entre 1 e 5,5 V, mas mantendo as caractersticas da famlia HC a 5 VLVC: CMOS a 3,3 V, com elevada rapidez e correnteLVT, que a 3,3 V atingem a mesma velocidade que BiCMOS a 5 V, mas com menor consumoALVC: 3,3 V, muito reduzido consumo, -40 a +85 ALVT: para 3,3 ou 2,5 V, compatveis com ABT e LVT

Datasheet dos componentesMesmo para os projetistas experimentados, a consulta ao datasheet de um componente necessria, nomeadamente para:Obter a configurao de pinosConsultar a descrio funcional do circuitoVerificar o valor de parmetros de consulta menos frequente

Datasheet dos componentes (cont.)Em termos gerais, a folha de caractersticas de um componente compreende duas partes principais:Uma descrio sumria dos aspectos de consulta mais frequente (configurao de pinos, descrio funcional sumria e caractersticas tcnicas principais)Uma descrio detalhada das caractersticas elctricas, incluindo os valores mximos absolutos, as condies recomendadas de operao e as caractersticas de funcionamento estacionrias e dinmicas

Datasheet dos componentes (cont.)No que se refere segunda parte (descrio detalhada das caractersticas eltricas), iremos analisar com maior pormenor os seguintes aspectos:Valores mximos absolutosCondies recomendadas de funcionamento

Datasheet:Valores mximos absolutos(absolute maximum ratings) Descrevem as condies limite que no provocam dano (no garantido que o componente funcione nessas circunstncias).

VALORES MXIMOS ABSOLUTOS

Smbolo

Parmetro

Gama de valores

Unid.

VCC

Supply voltage

-0,5 a +7,0

V

VIN

Input voltage

-0,5 a +7,0

V

Tamb

Operating free air temperature range

0 a +70

C

Datasheet:Condies recomendadas(recommended operating conditions) Informam-nos sobre os valores nominais necessrios para garantir as caractersticas funcionais e eltricas

CONDIES RECOMENDADAS DE FUNCIONAMENTO

Smbolo

Parmetro

Mn.

Tp.

Mx.

Unid.

VCC

Supply voltage

4,5

5,0

5,5

V

VIH

High-level input voltage

2,0

V

VIL

Low-level input voltage

0,8

V

IOH

High-level output current

- 0,4

mA

IOL

Low-level output current

8

mA

Questes bsicas: Imunidade ao rudo So vrias as fontes possveis de interferncia:Por acoplamento capacitivo entre pistas vizinhas de uma carta de circuito impresso, ou barras de ligaes numa base de montagemPor acoplamento atravs da tenso de alimentao, ou por efeito de uma tenso de alimentao mal filtrada

Um dos principais problemas daqui decorrentes a eventual ocorrncia de defeitos intermitentes

Questes bsicas: Imunidade ao rudoAlgumas regras para maximizar a imunidade ao rudo:Evitar longos percursos paralelos muito prximosDistribuir pelo circuito capacitores de desacoplamento (pequenas dimenses, reduzido valor de capacidade)Usar capacitores de desacoplamento entre os terminais de alimentao do circuito (maior dimenso, alto valor de capacidade, normalmente do tipo eletroltico)Ligar a valores lgicos fixos em todas as entradas no utilizadas.

Questes bsicas: Imunidade ao rudoA margem de rudo d-nos tambm uma indicao sobre a robustez de um circuito em condies anormais de funcionamento:A margem de rudo no estado 0 (VNL) dada por VNL = VIL(max) VOL(max),

A margem de rudo no estado 1 (VNH) dada por VNH = VOH(min) - VIH (min)

Funes lgicas elementaresEsta designao abrange o conjunto de funes lgicas mais comuns, que por essa razo esto normalmente disponveis como componentes SSI nos catlogos dos vrios fabricantes (quantas funes lgicas existem, com uma sada e duas entradas?)

Apesar da progressiva preferncia pelos dispositivos programveis, em substituio de componentes do tipo SSI, o seu uso continua ainda a ser frequente

Funes lgicas elementares (cont.)

Designao

Descrio

Smbolo

CI disponveis

Comentrios

NO

(NOT)

Z = /A

74x04 (normal)

74x14 (Schmitt)

Complementa a entrada

E

(AND)

Z = A * B

74x08

Sada em 1 apenas quando ambas as entradas estiverem em 1

OU

(OR)

Z = A + B

74x32

Sada em 1 desde que pelo menos uma das entradas esteja em 1

_969217656.doc

A

B

Z

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

_969218129.doc

A

Z

0

1

1

0

_969217203.doc

A

B

Z

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Funes lgicas elementares (cont.)

Designao

Descrio

Smbolo

CI disponveis

Comentrios

NO-E

(NAND)

Z = /(A * B)

74x00 (normal)

74x24 (Schmitt)

Sada em 1 desde que pelo menos uma das entradas esteja em 0

NO-OU

(NOR)

Z = /(A + B)

74x02

Sada em 1 apenas quando ambas as entradas estiverem em 0

_969217670.doc

A

B

Z

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

_969217691.doc

A

B

Z

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

Funes lgicas elementares (cont.)

Designao

Descrio

Smbolo

CI disponveis

Comentrios

OU-EXCLUSIVO

(X-OR)

Z = A ( B

74x86

Sada em 1 apenas quando as entradas tiverem valores lgicos diferentes

NO-OU-EXCLUSIVO

(X-NOR)

Z = /(A ( B)

74x266

Sada em 1 apenas quando as entradas tiverem o mesmo valor lgico

_969217716.doc

A

B

Z

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

_969217726.doc

A

B

Z

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

1