Famílias Lógicas

Famílias Lógicas

(Parte 1 de 3)

Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira – Departamento de Engenharia Elétrica Circuitos Digitais I –Prof.a Suely Cunha Amaro Mantovani. – 1o.sem/2010

Famílias Lógicas

O desenvolvimento da tecnologia dos Circuitos Integrados (CIs), possibilitando a colocação em um único invólucro diversos componentes interligados, permitiu o desenvolvimento muito rápido da eletrônica digital e do projeto de sistemas digitais. Foram criados uma série de circuitos integrados que continham numa única pastilha as funções lógicas mais usadas, a partir das quais o projetista tinha a facilidade de encontrar todos os blocos para montar seus sistemas digitais.

Estas séries de CIs formaram várias famílias lógicas que consistiam em um grupo de dispositivos compatíveis com os mesmos níveis lógicos e tensões de alimentação, e por isso podiam ser conectadas diretamente, a saída de um dispositivo a entrada de outro, se ambos fossem da mesma família .

Com a popularidade dos CIs , tornou-se necessário conhecer as características gerais destes circuitos e de algumas das famílias lógicas mais populares. As famílias lógicas mais comuns podem ter a seguinte classificação:

Fig 1- Famílias Lógicas mais comuns

CIs digitais são um conjunto de resistores, diodos, capacitores e transistores fabricados sobre o mesmo substrato de material semicondutor (geralmente, sílicio), cuja denominação comum é chip. Os chips são encapsulados em invólucros de plástico ou cerâmica, com pinos metálicos para conexão dos CIs com outros dispositivos.Um dos tipos mais comum de invólucros é o dual-in-line (DIP) mostrado na Fig.2.

Fig.2 - Chips e seus encapsulamentos - invólucros de plástico ou cerâmica.

Os CIs digitais são classificados também, de acordo com sua complexidade, medida pela quantidade de portas lógicas no substrato. Atualmente, existem seis níveis de complexidade que estão mostrados na tabela1.

TABELA 1

Exemplos de CIs SSI : 7404- inversor; 7410 -3 NANDS de 3 entradas

CIs MSI 74153 – MUX; 74161 contador binário; 74181 –ULA

CIs LSI: MM57100 (circuitos de jogo de TV); MM5758 (calculadora científica) e pequenas memórias

CIs VLSI ou GSI : grandes memórias e microprocessadores CIs ULSI: Circuitos Integrados modernos de Multifunções.

Nos sistemas digitais atuais, os CIs MSI e de integração em larga escala ( LSI, VLSI, ULSI, GSI) realizam a maioria das funções que antes eram realizadas por circuitos com vários CIs SSI. Contudo, os chips SSI são usados como 'interface” entre os CIs mais complexos.

A Indústria atual da eletrônica Digital se volta para os Dispositivos Lógicos Programáveis ( PLDs) de qualquer tamanho. A maioria destes circuitos integrados são fabricados do tipo PLCC –Plastic Leaded Chip Carrier Package (fig 3- d).

Fig.3 - Chips e seus encapsulamentos - invólucros de plástico ou cerâmico.

CIs Digitais Bipolares e Unipolares

Os CIs digitais podem ser classificados também pelo tipo de componente eletrônico empregado nos seus circuitos.

• CIs bipolares utilizam os transistores bipolares (NPN ou PNP) como elemento principal.

• CIs unipolares: utilizam transistores por efeito de campo (MOSFET canal P ou canal N) como elemento principal.

Nos últimos 30 anos, a família TTL (Transistor-Transistor Logic) foi a principal família de CIs digitais. A série 74 - comercial de aplicação civil - foi a primeira série da família TTL. Hoje a série 74 é usada como padrão de comparação embora não seja empregada em projetos modernos. A Fig.4a mostra o circuito de uma porta INVERSORA TTL contendo vários transistores bipolares.

Fig.4 – (a) Porta INVERSORA TTL contendo vários transistores bipolares (b) Porta INVERSORA CMOS

A família TTL está perdendo a liderança nas categorias de CIs SSI e MSI para a família CMOS

(Complementary Metal-Oxide -Semiconductor). A família CMOS usa transistores unipolares MOSFET de canal N e canal P como elemento principal no circuito. A Fig.4b mostra uma porta INVERSORA CMOS padrão. Os CIs SSI e MSI digitais são dominados pelas famílias TTL e CMOS.

Família TTL

A família TTL é constituída de várias séries, conforme a tecnologia com que são fabricadas e suas características técnicas. A tabela 2 identifica o CI de cada série pelo prefixo usado .

Tabela 2

A linha de CIs TTL 54/74, introduzida em 1964, pela Texas Instruments, foi a série mais popular de

CIs digitais. O prefixo 74 identifica os CIs TTL comerciais (para aplicação civil) e o prefixo 54 identifica os CIs TTL de aplicação militar não disponíveis comercialmente. As diferenças entre as séries TTL são definidas por suas características elétricas como dissipação de potência, tempos de propagação, velocidade de comutação. Não há diferenças na disposição dos pinos ou na operação lógica realizada pelos circuitos internos. A série 54, pode operar em temperaturas e tensões maiores que a série 74.

As séries 54/74 usam uma tensão de alimentação nominal de 5V (VCC). A série 74 opera de modo confiável na faixa de 4,75 a 5,25V, e a série 54 pode usar uma faixa de 4,5 a 5,5V. As temperaturas de operação podem variar de 0 a 70ºC para CIs 74, enquanto a série 54 suporta temperaturas de -5 a +125ºC.

Família CMOS

As várias subfamílias CMOS disponíveis são resumidas na tabela 3. A série 4000 é a mais antiga das séries CMOS. Esta série apresenta várias das funções lógicas da família TTL, porém não é compatível pino a pino com os CIs TTL. As séries74C, 74HC, 74HCT, 74AC e 74ACT são as mais novas da família CMOS. As três primeiras séries, 74C, 74HC, 74HCT,são compatívieis pino a pino com os CIs TTL correspondentes. As séries 74HC, 74HCT operam a velocidades maiores que os CIs da série 74C. A série 74HCT é eletricamente compatível com os CIs TTL, podendo ser conectados entre si sem qualquer circuito de interface. As séries 74AC e 74ACT são CIs de alto desempenho e não são compatíveis pino a pino com TTL. Os CIs 74ACT são eletricamente compatíveis com TTL.

Tabela 3

Alimentação e Terra

Em circuitos TTL, o pino de alimentação é chamado VCC. Nos circuitos CMOS, o pino de alimentação é chamado de VDD. Como muitos CIs CMOS são empregados juntos com TTL, então VCC também é usado para designar o pino de alimentação desses CIs CMOS.

Faixas de Tensão para Níveis Lógicos

Para CIs TTL, VCC é nominalmente +5V. Para CIs CMOS, a tensão de alimentação VDD pode estar na faixa de +3 a +18V, embora +5V seja a tensão mais usada, principalmente quando CMOS está sendo empregado no mesmo circuito que TTL.

Para os CIs TTL padrões, as tensões de entrada aceitáveis para os níveis lógicos 0 e 1 estão mostradas na Fig.5a. Nível lógico 0 é qualquer tensão na faixa de 0 a 0,8V; e qualquer tensão na faixa de 2,0 a 5,0V é considerada nível lógico1.Tensões que não estão dentro destas faixas são consideradas indeterminadas e os fabricantes não garantem o funcionamento lógico correto do CI para tensões indeterminadas.

A Fig.5b mostra as faixas de tensões para os níveis lógicos 0 e 1 dos CIs CMOS com tensão de alimentação VDD igual a +5V. Tensões entre 0 e 1,5V são reconhecidas como nível lógico 0, e tensões entre 3,5 e 5V são definidas como nível lógico 1. As tensões entre 1,5 e 3,5V são indeterminadas e os circuitos não respondem corretamente a estas tensões.

Fig.5- Faixas de tensão para níveis lógicos

Entradas Não-Conectadas

Uma entrada de um CI não conectada é chamada de entrada em flutuação. Uma entrada TTL em flutuação funciona como se estivesse conectada ao nível lógico 1. Porém, entradas em flutuação são bastante sensíveis a ruídos, principalmente no circuito final do projeto por isso, não recomenda-se deixar estas entradas desconectadas.

Uma entrada de um CI CMOS em flutuação pode aquecer o CI e danificar os circuitos internos do chip. Assim, todas as entradas de CIs CMOS devem ser ligadas ao nível ALTO ou BAIXO, ou a saída de outro CI. A tensão medida em uma entrada CMOS em flutuação varia em função do ruído presente, causando uma oscilação na tensão de saída do CI.

Margem de Ruído

Os níveis de tensão lógicos de entrada e saída para a série TTL padrão podem ser vistos na Fig.6.

Observe que o nível lógico 0 de saída VOL=0,4V é 400mV menor que a tensão de nível lógico 0 necessário na entrada,VIL=0,8V. A diferença de VIL menos VOL é a margem de ruído garantida no nível lógico 0. Do mesmo modo, a saída em nível lógico 1, VOH, garantida é 2,4V, que é 400mV maior que a tensão de entrada necessária em nível lógico 1,VIH=2,0V. Assim, a margem de ruído C, VOH-VIH, é 400mV para o estado ALTO.

Fig.6- Níveis de tensão na Lógica TTL

Tensões e Correntes

As tensões aplicadas em qualquer entrada de CIs 74 padrão não devem exceder +5,5V.O limite de tensão negativa máxima que pode ser aplicado em uma entrada TTL é igual a -0,5V.

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