Baixe Simulação de Portas Lógicas e outras Provas em PDF para Eletrônica, somente na Docsity! INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SÃO PAULO DANIEL RONEI DE SÁ – 1575031 LEONARDO BAGGIO – 1572083 MATHEUS BATISTA – 1575058 SIMULAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS SÃO PAULO 2° SEMESTRE 2016 Relatório técnico apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina T3LD1 – Laboratório de Eletrônica Digital 1, no Curso de Engenharia Eletrônica, no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo. Prof. Me. Alexandre de Jesus Aragão 1. OBJETIVO Verificar o funcionamento dos circuitos que simulam as portas lógicas utilizando diodos e transistores. 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA Os diodos e transistores são componentes essenciais para eletrônica que proporcionaram um grande avanço tecnológico, a fim de conhecer suas aplicações e como utilizá-lo é importante entender sua composição e comportamento. Diodos, assim como transistores, são feitos a partir de materiais semicondutores, existem diversos materiais semicondutores, os mais comuns e mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge), ambos são caracterizados por serem tetravalentes (possuem 4 elétrons na camada de valência), desta forma cada um de seus átomos pode realizar quatro ligações covalentes, será utilizado o semicondutor de silício como referência. Existem dois tipos de semicondutores, os de tipo N e P, semicondutores tipo N são componentes em que foram adicionados certa quantidade de materiais pentavalentes (com 5 elétrons na camada de valência) estes elementos, também chamados de impurezas, assumem a mesma estrutura do cristal de silício, realizando (cada impureza) quatro ligações covalentes com seus átomos mais próximos e “sobrando” um elétron livre, desta forma o número de elétrons livres é maior que o número de lacunas como é ilustrado na figura 1, então os elétrons livres são denominados portadores majoritários e as lacunas portadores minoritários. Figura 1 – Semicondutor tipo N. Em contrapartida, um semicondutor tipo P é um semicondutor no qual foi acrescentado uma impureza de material trivalente (com três elétrons na camada de valência), assim as ligações covalentes formarão lacunas (uma lacuna por átomo de impureza) e então o número de lacunas será maior que o número de elétrons livres como mostra a figura 2, ou seja, neste A polarização reversa ocorre ao conectar o potencial negativo da fonte ao anodo e o potencial positivo ao catodo, assim os elétrons do lado N são atraídos para o potencial positivo da fonte e o potencial negativo da fonte preenche as lacunas do lado P, ocasionando o crescimento da barreira de potencial, como mostrado na figura 6, até o momento em que a sua diferença de potencial se iguala à da fonte de alimentação. Neste tipo de polarização os portadores majoritários não circulam pelo circuito mas existe uma corrente muito pequena formada pelos portadores minoritários (elétrons no lado P e lacunas no lado N), dos quais muitos são gerados a partir da energia térmica e temperatura ambiente, esta corrente se chama corrente reversa e não aumenta proporcionalmente à tensão reversa aplicada ao diodo, sendo considerada desprezível na maioria dos casos. Nesta situação o diodo tem o comportamento de um circuito aberto, pois possui uma resistência muito alta. Figura 6 – Polarização reversa. O transistor é o componente formado por duas camadas de cristais semicondutores do mesmo tipo, separada por uma camada de cristal semicondutor do tipo oposto que controla a passagem de corrente entre as outras duas, cada camada recebe um nome de acordo com sua função, sendo as extremidades chamadas de emissor (E) e coletor ©, e a camada central de base (B). Existem duas possibilidades para formação do transistor, a NPN e a PNP, como mostra a figura 7. Figura 7 – Junções e simbologia dos transistores NPN e PNP. O emissor (E) é fortemente dopado, sua função é a de emitir portadores de carga para a base, sendo que no transistor NPN são cargas negativas (elétrons) e no PNP são cargas positivas (lacunas), a base (B) possui dopagem mediana e é fina em relação aos extremos, para que a maioria dos portadores lançados do emissor para base consigam passar até o coletor, e o coletor (C) é levemente dopado, tem a função de coletar os portadores da base, ele é maior que as outras camadas, pois é nele que é dissipada a maior parte da potência do circuito em que ele foi utilizado. Lembrando que os portadores majoritários do material tipo P são as lacunas e do material tipo N são os elétrons livres. Nas duas junções do transistor são formadas barreiras de potenciais com diferença de potencial de 0,7 V para semicondutores de silício e de 0,3 V para os de germânio, assim como nos diodos de junção PN. O objetivo básico dos transistores em circuitos eletrônicos é o de controlar a passagem de corrente entre o emissor e o coletor, através da base, quando polarizado adequadamente as suas junções. Para transistores é possível realizar polarizações distintas, como a polarização direta da junção emissor-base, assim esta junção se comporta como um diodo polarizado diretamente, em que circula pela junção uma grande corrente de portadores majoritários e uma pequena corrente em sentido contrário, devido aos portadores minoritários, esta corrente é chamada de corrente de fuga. Polarizando a junção base-coletor reversamente, a barreira de potencial aumenta e o fluxo de corrente dos portadores majoritários diminui, porém, os portadores minoritários atravessam a barreira de potencial com facilidade no sentido contrário à corrente convencional, fazendo circular uma corrente reversa, ainda menor do que a dos portadores majoritários, o que a torna praticamente desprezível. Nas figuras 8 e 9 é possível verificar o fluxo de portadores majoritários em uma polarização direta da junção emissor-base e em uma polarização reversa da junção base-coletor, respectivamente, para transistores NPN (a) e PNP (b). Figura 8 – Polarização Direta da Junção Emissor-Base dos transistores NPN e PNP. Figura 9 – Polarização Reversa das junções Base-Coletor dos transistores NPN e PNP. Utilizando a polarização direta da junção emissor-base em conjunto com a polarização reversa da junção base-coletor, temos a polarização completa do transistor, em que o fluxo de portadores majoritários na junção emissor-base dirige-se quase totalmente para o coletor atravessando a junção base-coletor, não mais ao terminal da base, devido à atração do coletor como é retratado na figura 10. Figura 10 – Polarização Completa dos transistores NPN e PNP. Conforme a Primeira Lei de Kirchhoff para as correntes e a Segunda Lei de Kirchhoff para as tensões em ambos os transistores (PNP e NPN), temos as seguintes equações: NPN ou PNP: = + NPN: = + PNP: = + Tabela 2 – Tabela Verdade com valores experimentais do Circuito Proposto 2. A B (V) Nível Lógico 0 0 0 0 0 1 4,387 ± 0,001 1 1 0 4,376 ± 0,001 1 1 1 4,412 ± 0,001 1 O próximo circuito montado, o circuito proposto 3, teve uma montagem diferente dos circuitos proposto 1 e 2, pois dessa vez foram utilizados 2 resistores, um de 1kΩ e um de 10kΩ além de um transistor BC 548 e uma fonte com 5V na alimentação do circuito, como pode ser visto na figura 13. Figura 13 – Circuito Proposto 3. Foi conectado um voltímetro com as pontas de prova no coletor do transistor BC 548 e no ground, de tal forma que fosse possível medir a tensão de saída (Vo), após a medição da tensão de entrada (Vin). A entrada foi alimentada primeiro com 5V e depois com 0V, os valores obtidos na saída podem ser vistos na tabela 3. Tabela 3 – Tabela Verdade com valores experimentais do Circuito Proposto 3. (V) (V) Nível Lógico 5,023 ± 0,001 0,032 ± 0,001 0 0 5,023 ± 0,001 1 V1 5V R1 1k Q1 BC548 R2 10k +88.8 VoltsVin O circuito proposto 4, conforme figura 14, foi montado utilizando 1 transistor BC 548, 3 resistores, sendo um de 1kΩ e 2 de 10kΩ e na alimentação do circuito foi utilizando uma fonte de 5V. Figura 14 – Circuito Proposto 4. Foi ligado um voltímetro no coletor do transistor BC 548 e no ground, de forma que fosse possível medir a tensão de saída (Vo), a partir do que era ligado nas entradas A e B (0V ou 5V). Os valores obtidos experimentalmente podem ser vistos na tabela 4. Tabela 4 – Tabela Verdade com valores experimentais do Circuito Proposto 4. A B (V) Nível Lógico 0 0 5,023 ± 0,001 1 0 1 0,036 ± 0,001 0 1 0 0,036 ± 0,001 0 1 1 0,023 ± 0,001 0 Para o último circuito montado, circuito proposto 5, foram utilizados 3 resistores, sendo um de 470Ω, um de 1kΩ e um de 10kΩ, um transistor BC 548, dois diodos 1N4001 e uma fonte de alimentação ajustada em 5V. O circuito montado pode ser visto na figura 15. V1 5V R1 1k Q1 BC548 R2 10k +88.8 Volts R3 10k A B Figura 15 – Circuito Proposto 5. Foi conectado um voltímetro no coletor do transistor BC 548 e no ground, de forma que fosse possível medir a tensão de saída (Vo), a partir do que era ligado nas entradas A e B (0V ou 5V). Os valores obtidos experimentalmente podem ser vistos na tabela 5. Tabela 5 – Tabela Verdade com valores experimentais do Circuito Proposto 5. A B (V) Nível Lógico 0 0 4,881 ± 0,001 1 0 1 4,672 ± 0,001 1 1 0 4,755 ± 0,001 1 1 1 0,055 ± 0,001 0 4. RESULTADOS E DISUCUSSÕES Analisando os circuitos propostos e suas tabelas verdade obtidas através dos experimentos foi possível chegar a algumas conclusões. Para o circuito proposto 1, foi possível verificar que se trata de uma porta lógica AND que tem duas entradas e realiza a operação conhecida como multiplicação lógica (S = A.B), no qual produz uma saída de nível lógico 1 apenas quando as duas entradas são alimentadas com 5V, como foi visto na tabela 1. As simbologias da porta lógica AND e sua tabela verdade podem ser vistas na figura 16. V1 5V R1 470R R2 1k Q1 BC548 R3 10k D1 1N4001 D2 1N4001 +88.8 Volts A B com 0V, como foi observado na tabela 5. As simbologias da porta lógica NAND e sua tabela verdade podem ser vistas na figura 20. Figura 20 – Simbologia nas normas ASA e ABNT da porta lógica NAND e sua tabela verdade. Este circuito utiliza a combinação de dois diodos e um transistor para simular a porta NAND, sendo que os diodos estão posicionados em sentido contrário ao sentido da corrente da fonte, o que faz com que o transistor se baseie na diferença de potencial nos diodos, assim estes componentes só deixaram de fechar o circuito quando as duas entradas estiverem em nível lógico 1, ocasionando o nível lógico 0 na saída. 5. QUESTÕES 1) Pesquise e dê exemplos dos seguintes códigos: binário, hexadecimal, BCD, Gray, ASCII. Código Binário: O sistema de numeração binário é um dos mais importantes em sistemas digitais, no entanto, o sistema decimal é muito usado no cotidiano, pois oferece uma forma mais simples de manipular os números em determinadas situações matemáticas, ele é composto por dez números (0 à 9), já os computadores utilizam os números binários para efetuar cálculos complexos com maior rapidez e praticidade. O sistema binário usado pelos computadores é constituído de dois dígitos o 0 e o 1. A combinação desses dígitos leva o computador a criar várias informações: letras, palavras, textos, cálculos. A criação do sistema de numeração binária é atribuída ao matemático alemão Leibniz. Um modo de converter um número binário para decimal, é somando-se os pesos das várias posições que contiverem 1 no número binário. Como pode ser visto no exemplo da figura 21: Figura 21 – Conversão de binário para decimal Já para converter um número decimal para binário, é necessário que o número decimal seja simplesmente representado como uma soma de potências de 2, e então 1’s e 0’s são escritos nas posições de bit apropriados. Como pode ser visto no exemplo da figura 22: Figura 22 – Conversão de decimal para binário Código Hexadecimal: O sistema de numeração hexadecimal usa a base 16. Logo, ele tem 16 algarismos. Ele usa os dígitos 0 a 9 mais as letras A, B, C, D, E e F como os 16 símbolos. A figura a seguir exemplifica a relação entre hexadecimal, decimal e binário. Como pode ser visto no exemplo da figura 23: Figura 23 – Equivalência dos primeiros símbolos dos três principais códigos Um número hexadecimal pode ser convertido para seu equivalente decimal usando o fato de que cada posição de dígito hexadecimal tem um peso que é uma potência de 16. Como pode ser visto no exemplo da figura 24: Figura 24 – Conversão de hexadecimal para decimal Já o sistema hexadecimal é usado principalmente como um método “compacto” para representação de binários. Como pode ser visto no exemplo da figura 25: Figura 25 – Conversão de hexadecimal para binário Código BCD: Quando números, letras ou palavras são representadas por um grupo especial de símbolos, que estão codificados o grupo de símbolos é chamado de código. Quando um número decimal é representado por seu número binário equivalente, denomina-se codificação binária pura. Todos os sistemas digitais utilizam alguma forma de números binários para suas operações internas, mas o mundo exterior é decimal por natureza. Por essa razão, um modo de codificar números decimais que combina algumas características tanto do sistema decimal quanto do sistema binário é usado em certas situações. Com isso, temos o código decimal codificado em binário, se cada dígito de um número decimal é representado por seu equivalente binário, o resultado é um código chamado decimal codificado em binário (BCD). Já que um dígito decimal pode assumir o valor 9, quatro bits são necessários para codificar cada dígito. O código BCD representa cada dígito do número decimal por um número binário de quatro bits de 0000 até 1001 são usados. O código BCD não utiliza os números 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 e 1111, ou seja, somente 10 dos 16 grupos possíveis de quatro bits são usados. Se algum número de quatro bits “proibidos” ocorrerem em uma máquina usando o código BCD, temos o indício de que um erro aconteceu. Como pode ser visto no exemplo da figura 26: Figura 26 – Conversão de BCD para seu equivalente decimal A próxima figura, mostra como pode ocorrer o erro em um número BCD, já que o código não utiliza o número 1100. Como pode ser visto no exemplo da figura 27: Figura 29 – Listagem parcial do código ASCII O Código ASCII é usado para a transferência de informações entre um computador e dispositivos de entrada e saída como terminais de vídeo e impressoras. Um computador também o utiliza internamente para armazenar informações que o operador digita no teclado. 2) Pesquise e explique as diferenças entre um transistor bipolar e um transistor MOS. Transistor de junção bipolar: É o tipo de transistor mais comum, devido sua facilidade de polarização e durabilidade. Recebe este nome porque o processo de condução é realizado por dois tipos de carga - positiva e negativa. O transistor de junção bipolar foi o primeiro tipo de transistor a ser produzido, e que valeu o Prêmio Nobel, aos seus inventores. Os primeiros transistores foram produzidos com Germânio e passado algum tempo começou a ser utilizado o Silício. O objetivo dos inventores foi substituir as válvulas termiônicas, que consumiam muita energia, tinham baixo rendimento e funcionavam com tensões da ordem das centenas de volts. A figura 30 mostra o corte transversal da estrutura de um TJB: Figura 30 - Corte transversal da estrutura de um TJB Transistor MOS: O transistor MOSFET (acrônimo do inglês de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, ou, em português, transistor de efeito de campo metal - óxido - semicondutor - TECMOS), é o tipo mais comum de transistores de efeito de campo em circuitos tanto digitais quanto analógicos. A figura 31 a seguir exemplifica melhor a composição desse tipo de transistor: Figura 31 - Corte transversal de um MOSFET tipo N (NMOS) A figura 32 traz as principais diferenças entre esses dois tipos de transistores: Figura 32 – Principais diferenças entre um transistor MOS e um Bipolar 6. CONCLUSÃO Nesse experimento, foi possível simular portas lógicas com diodos e transistores, que foram agregados a um circuito com resistores, o qual estava sendo alimentado por uma fonte de alimentação variável DC. Pode-se perceber que uma das funções do diodo é limitar a passagem da corrente em um certo sentido, e a do transistor, que atua como uma espécie de chave no circuito, assim como, seus terminais que possuem funções diferentes como: base, coletor e o emissor, onde a base quando alimentada funciona como chave, fechando o contato entre os terminais do coletor e do emissor.