Sistemas Lógicos (Eletrônica Digital)

Sistemas Lógicos (Eletrônica Digital)

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ENGC26 Sistemas Lógicos

LIGIA SOUZA PALMA 2007

1. INTRODUÇÃO

Quando Claude Elwood Shannon (1916 - 2001), em 1936, por intermédio de seu trabalho intitulado "A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits", sistematizou e adaptou o trabalho teórico de George Boole (1815-1864) intitulado "An Investigation of the Laws of Thought" (1854) aos circuitos chaveados, se quer suspeitava estar iniciando uma verdadeira revolução tecnológica aplicada ao projeto de circuitos elétricos, introduzindo uma categoria de circuitos até então não existente, os circuitos chaveados ou circuitos digitais.

A partir de então, observou-se um crescimento nas aplicações dos conceitos de circuitos digitais para solução de problemas que até então só poderiam ser resolvidos utilizando-se circuitos analógicos.

A história dos circuitos digitais é uma história longa, porém passada em um curto espaço de tempo. Senão observe-se alguns fatos marcantes que determinaram o desenvolvimento de toda tecnologia baseada na informação, que só foi possível devido ao surgimento dessa modalidade de circuito elétrico.

1947 – Descobrimento do transistor bipolar de junção. 1959 – Descoberta de um processo planar de fabricação de circuito integrado. 1960 - Desenvolvimento primeiro do transistor MOSFET funcional. 1962 – Surgimento dos primeiros circuitos integrados comerciais.

Então, o transistor tem 60 anos de idade e o primeiro CI tem 45 anos de idade, entretanto, o desenvolvimento da tecnologia digital, iniciada por Shannon, possibilitou à implementação dos mais diversos tipos de circuitos lógicos utilizados nas mais diversas áreas do conhecimento e seus reflexos nos dias atuais são muito marcantes, senão vejamos:

1. Crescimento incomparável na evolução tecnológica e no mercado: 16% anual 2. Mercado global de eletrônica é maior que US$ 1 trilhão, maior do mundo! 3. Revolução econômica e social baseada na tecnologia da informação:

Internet, Internet sem fio, Bluetooth (internet sem fio e barata para curtas distâncias), Telefonia celular, Navegação e Carro inteligentes, Realidade virtual, Jogos eletrônicos, Equipamentos para diagnóstico médico de precisão, etc.

Toda esta tecnologia foi possível graças ao progresso em tecnologia de semicondutores e de circuitos integrados. Pode-se dizer que hoje se vive a

1.2 BREVE HISTÓRIA

Tudo começou com matemático inglês George Boole, que em 1854 publicou seu trabalho intitulado "An Investigation of the Laws of Thought". Neste trabalho, Boole desenvolve uma teoria algébrica que tenta explicar a lógica dos pensamentos humanos. Seu trabalho foi ignorado pelos matemáticos da época que não souberam vislumbrar o que estava por trás de toda aquela teoria.

Em 1928, o austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld (1881-1963), registra a patente de um dos seus inventos, o transistor de efeito de campo FET, porém sua descoberta não foi levada em consideração pelo fato de que seu transistor não obteve sucesso experimentalmente.

Em 1936, o engenheiro eletricista americano Claude Elwood Shannon sistematizou a teoria de Boole. Ele conseguiu mostrar que álgebra de Boole e a aritmética binária poderiam ser utilizadas para simplificar arranjos de relés eletromecânicos utilizados em circuitos aplicados à comunicação telefonônica. Ele também provou que era possível utilizar configuração de circuitos com esses relés para resolver problemas da álgebra booleana e explorar as propriedades das chaves elétricas, para fazer lógica booleana, é o conceito básico que rege o funcionamento

de todos os computadores eletrônicos. Claude Shannon

Lilienfeld

Em 1940, R. Ohi trabalha com um semicondutor importante para o desenvolvimentos dos circuitos integrados, que é o silício Si, e descobre que realizando dopagem com impurezas tipo p e tipo n poderia aumentar muito a capacidade de condução desse material. O silício dopado é a base para a construção da maioria dos transistores que conhecemos hoje em dia.

Em dezembro de 1947, o engenheiro eletricista americano John Bardeen e o físico americano Walter Houser Brattain descobrem o efeito transistor bipolar de junção. O transistor bipolar de junção veio substituir o triodo, uma válvula eletrônica, descoberta em 1906 por Lee De Forest, que era utilizada nos circuitos eletrônicos dessa época para realizar funções de amplificação e chaveamento. Logo depois, entre 1948 e 1950, o inglês, William B. Schockley, que trabalhava com Bardeen e Bratain nos Laboratórios da Bell, desenvolveu a teoria matemática que explicava o funcionamento do transistor bipolar de junção e em 1956, os três pesquisadores receberam o prêmio Nobel de Física pela publicação do artigo "Investigations on Semiconductors and the Discovery of the Transistor Effect,".

Em 1958, o americano J. Kilby que trabalhava na Texas Instruments registra a patente do primeiro circuito integrado, utilizando um processo de fabricação ainda rudimentar e com o germânio como elemento semicondutor. Ele também foi um dos inventores da calculadora de bolso alguns anos depois.

Pastilha de Silício

Transistor Bipolar de Junção Bratain, Bardeen e Shockley

Ti Bi l d J ã

Primeiro circuito integrado de germânio J. Kilby

Entre 1957 e 1958, J. Hoerni, que trabalhava na Fairchild, descobriu que ao aquecer uma lâmina de silício na presença de vapor d’agua, crescia sobre a lâmina uma fina camada de óxido de silício que protegia a lâmina. Essa camada de óxido poderia ser destruída seletivamente por processo de foto-gravação e nas regiões descobertas do silício se implantariam regiões dopadas tipo p e tipo n que permitiriam a fabricação de componentes eletrônicos na superfície do silício. Esse foi o primeiro passo para o desenvolvimento de circuitos integrados sobre um plano.

Em 1959, Robert N. Noyce, da Fairchild, inventa o primeiro circuito Integrado em tecnologia planar. O princípio de fabricação desenvolvido por ele é utilizado até hoje, com incorporação de forte evolução nas técnicas de fabricação.

Em 1960, no Laboratório da Bell, D. Kahng and M. Atalla apresentam o primeiro transistor de efeito de campo feito com metal, óxido e silício, o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). No ano seguinte, M. Atalla deixa o laboratório da Bell para tornar-se co-fundador da Hewllet & Packard.

Primeiro circuito integrado planar Robert Noyce

Primeiro MOSFET Atalla

Em 1961, a Fairchild, empresa criada por Robert N. Noyce, G. Moore entre outros, lança o primeiro circuito integrado. A comercialização dos circuitos integrados inicia-se a partir de 1962. Portanto, até os anos de 1960, os circuitos lógicos eram construídos com componentes discretos como transistores e resistores. Com o advento do circuito integrado, foi possível implantar certo número de transistores numa única pastilha. No início, os circuitos integrados possuíam poucos transistores e esses circuitos realizavam funções lógicas simples.

Em 1964, a Fairchild lança o primeiro circuito analógico integrado. O amplificador operacional µA702. Em

1965 a Fairchild também lança o amplificador operacional µA709, agregando um pouco mais de complexidade na tecnologia de fabricação do CI.

Com o desenvolvimento tecnológico, nos anos de 1970 tornou-se possível a implementação de circuitos digitais, ainda mais complexos.

Em 1970, a Fairchild, já sem Noyce e Moore, lança a memória estática de 256 bits. Nesse mesmo ano a Intel, criada por Noyce, Moore e Grove, em 1968, lança a memória dinâmica de 1024 bits.

Primeiro circuito integrado

Primeiro CI analógico µA702 Amplificador operacional µA709

Em 1971, a Intel lança o microcomputador 4004. Embora esse primeiro microprocessador tivesse baixa capacidade de processamento, foi por meio da utilização dele que se pode desenvolver os primeiros microcomputadores pessoais, e por conseqüência, a revolução que se observa hoje no processamento das informações.

Nos anos de 1990 já era possível fabricar CIs com até 100 milhões de transistores uma única pastilha de silício. Isto foi possível devido à invenção dos transistores com comprimento de canal cada vez mais curtos, e, portanto, ocupando menos espaço na pastilha de silício e, por ser menores, propagando o sinal elétrico com mais rapidez e confiabilidade.

No início dos anos de 1970 os CIs eram chips padrões, ou seja, continham até 100 transistores e executavam funções lógicas simples. Para construir um determinado circuito lógico, o projetista escolhia os

Fairchild- Memória estática 256 bits Intel - Memória dinâmica 1024 bits

Intel – Microprocessador 4004 chips, definia como eles se conectariam para executar as funções lógicas de seu projeto. Essa técnica tornou-se ineficiente à medida que a tecnologia avançou e os motivos são fáceis de deduzir:

a) Chips eram de baixa funcionalidade (poucos transistores) ocupavam muito espaço na placa de circuito impresso, o que impedia a miniaturização do produto final, e eram muito lentos devido ao tamanho dos transistores integrados da época. b) A funcionalidade de cada chip padrão era fixa e não podia ser modificada, o que dificultava a fase de projeto pois, qualquer alteração no circuito que se fizesse necessária implicaria na substituição de um conjunto de chips por outros.

Atualmente é possível fabricar CIs que contém circuitos internos que podem ser programados pelo projetista para implementar uma grande quantidade de diferentes circuitos lógicos. Esses chips têm uma estrutura geral e incluem uma coleção de chaves programáveis que permitem a configuração interna de seus circuitos de muitas formas diferentes. Tais chips são chamados de PLDs (dispositivos de lógica programável). Muitos deles permitem a reprogramação por um número muito grande de vezes. Nesta categoria estão as FPGA’s (Field Programmable Gate Array) e as CPLD’s (Complex Programmable Logic Device) que contém mais de 100 milhões de transistores.

Hoje é possível, em nossa própria casa, desenvolver nosso próprio circuito digital integrado. Basta para isso, possuir um computador, software adequado e chips como a FPGA (Field Programmable Gate Array). É possível também desenvolver sistemas digitais com chips microprocessados, tais como microcontrolador ou DSP(Digital Signal Processor).

Para assimilar mudanças tão radicais de desenvolvimento tecnológico é fundamental adquirir os conhecimentos básicos da eletrônica digital sem os quais nenhuma tecnologia pode ser absorvida. Sendo

Estrutura interna de uma FPGA.

©Xilinx Inc. CPLD – circuito interno assim, nosso curso se propõe a fornecer esses conhecimentos básicos e introduzir o aluno às técnicas de projeto de circuito digital.

1.1 INTRODUÇÃO

informações

O mundo físico fornece informações que, na sua grande maioria, tem um comportamento contínuo ao longo do tempo; (temperatura, pressão, velocidade de fluídos, etc). Os circuitos digitais, por sua vez, possuem a característica de operarem por estados discretos, (ligado ou desligado). Para que as informações do mundo físico possam ser processadas pelos circuitos digitais, torna-se necessária uma adaptação dessas informações. Circuitos especiais conhecidos como conversores analógico/digital e digital/analógico providenciam a transformação das informações de características contínuas no tempo, ou seja, analógico, em informações que possam ser processadas dentro dos circuitos digitais, transformando-as em uma linguagem de "0’s" e "1’s". Neste capítulo introduziremos o conceito de sistemas numéricos dando ênfase ao sistema binário, que é a base de representação dos circuitos digitais, suas operações e alguns códigos para processamento dessas

1.2 SISTEMAS NUMÉRICOS

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