Fundamentos de Eletrônica Digital

Taub, Herbert - Circuitos Digitais e Microprocessadores; Ed. McGraw-Hill, São Paulo, 1984.

Conteúdo

• Introdução
• Famílias de Circuitos Lógicos
• A Série TTL
• Capacidade de Saída (Fan-Out)
• Margem de Ruído

Introdução

Sistemas digitais são construídos a partir de portas. 0 principal fator determinante da velocidade com que um sistema digital pode executar sua função é a velocidade com que operam as portas. O fator mais importante relacionado com a velocidade de uma porta é o atraso de propagação t_ap (propagation delay time). É o tempo requerido pela saída de uma porta para responder a uma mudança no nível lógico da entrada da porta. Portas que devem operar rapidamente, com t_ap no intervalo de microssegundos a nanossegundos empregam dispositivos eletrônicos.

Num sistema digital eletrônico a tensão em qualquer ponto do circuito tem um valor representando um ou outro dos dois níveis lógicos (1 ou 0 – V ou F). Correspondentemente os dispositivos eletrônicos do sistema devem conduzir uma quantidade substancial de corrente ou conduzir muito pouca ou nenhuma corrente. Enquanto o sistema puder distinguir entre as duas situações, isto é, correntes grandes ou pouca ou nenhuma corrente, o valor real da corrente não é importante. Esta situação é bem diferente da que ocorre quando usamos dispositivos eletrônicos em sistemas analógicos, onde, pelo menos em princípio, qualquer mudança na corrente, não importa quão pequena, interessa. Resumindo, em um sistema digital um componente eletrônico sozinho faz muito pouco. Conseqüentemente, para construir um sistema digital de certo significado são necessários muitos componentes eletrônicos: milhares, centenas de milhares e até milhões.

Até 1955, os componentes eletrônicos disponíveis para construir sistemas digitais eram os diodos semicondutores e as válvulas a vácuo. Os diodos são relativamente pequenos, com dimensões da ordem de milímetros, e consomem relativamente pouca potência. As válvulas, por outro lado, são grandes, tendo dimensões da ordem de vários centímetros e consomem quantidades relativamente grandes de potência, tipicamente da ordem de alguns watts. Embora em sua maioria as portas pudessem ser construídas com diodos e resistores, também era necessário usar válvulas em grandes quantidades. Como resultado, qualquer sistema digital era grande, caro, e usava muita potência. A situação melhorou consideravelmente com a invenção do transistor nos anos 50. Um transistor, normalmente substituindo uma válvula, consome muito menos potência (da ordem de dezenas de mW) e, como o diodo semicondutor, quando encapsulado individualmente, tem dimensões da ordem de alguns milímetros.

Ate 1965, somente eram disponíveis semicondutores encapsulados individualmente. Os engenheiros montavam portas e sistemas digitais a partir destes componentes individualmente encapsulados e de resistores. Dispositivos semicondutores são fabricados através da ap1icação repetida de certos processos físicos e químicos à superfície de uma pastilha de silício extremamente puro. Os detalhes da fabricação de semicondutores não nos interessam exceto no que tange às dimensões do dispositivo na superfície do silício, que são da ordem de mícrons. A maior parte da dimensão de um dispositivo encapsulado individualmente envolve não o dispositivo em si mas o próprio encapsulamento e o suporte mecânico necessário para as conexões elétricas. Assim iniciou-se uma série de progressos tecnológicos (que prosseguem sem que se possa vislumbrar seu final) que levaram a fabricação de um dispositivo semicondutor chamado circuito integrado (CI). Em um circuito integrado muitos transistores e diodos são fabricados, isto é, integrados, sobre a mesma pastilha de silício; na mesma estrutura são também integrados os resistores e até mesmo as interligações necessárias para fabricar uma porta completa, muitas portas e, até mesmo, um sistema digital completo.

Circuitos integrados comercialmente disponíveis são classificados como com integração em pequena escala (SSI), integração em média escala (MSI), integração em larga escala (LSI) e integração em muito larga escala (VLSI). Uma convenção é que um circuito com até doze portas é considerado SSI, de treze a 99 portas é considerado MSI, de cem a mil portas é considerado LSI e acima de mil portas, VLSI.

A origem dos conceitos envolvidos em sistemas digitais perde-se na antiguidade. Sem dúvida, os povos primitivos podiam contar, e o avanço, que compete favoravelmente com uma calculadora mecânica, tem pelo menos 2500 anos. Uma calculadora mecânica digital simples que podia somar e subtrair foi construída no século XVII. Um dispositivo mecânico incorporando alguns dos conceitos envolvidos nos computadores modernos foi construído no principio do século XIX. Calculadoras de mesa mecânicas produzidas em massa e, conseqüentemente, baratas tomaram-se disponíveis logo após 1930, com capacidade de somar, subtrair, multiplicar e dividir. Nos anos 40, circuitos eletrônicos usando válvulas deram aos sistemas digitais velocidades que não podiam ser atingidas pelos sistemas mecânicos, mas estes sistemas eram grandes e consumiam grandes potências. Os transistores apareceram nos anos 50 e os circuitos integrados começaram a evoluir nos anos 60. No início da década de 80, o desenvolvimento dos circuitos integrados atingiu o ponto de se obter um circuito que cabe na palma da mão, dissipa em tomo de 1 W, superando sistemas existentes há 30 anos que envolviam uma sala cheia de equipamento e consumiam milhares de watts.

Famílias de Circuitos Lógicos

Existe um número de famílias de circuitos integrados lógicos que se destingem umas das outras pelo tipo de dispositivo semicondutor que incorporam e pela maneira como os dispositivos semicondutores (e resistores, quando usados) são interligados para formar portas.

Existem dois tipos de transistores. Um é o transistor de semicondutor-metal-óxido (MOS). Este transistor pode ser fabricado de modo que a corrente que por ele circula seja conduzida por cargas elétricas negativas (n), sendo, conseqüentemente, chamado MOS canal-n (tipo n) ou por cargas elétricas positivas (p) sendo, então, chamado MOS canal-p (tipo p). A grande vantagem desta família é que não é necessitam usar resistores. Como os transistores ocupam espaço muito pequeno na pastilha de silício, são muito apropriados para integração em larga e muito larga escala. Uma família MOS usa exclusivamente transistores tipo p ou transistores tipo n. Esta família possui características elétricas que se tornam inconvenientes para integração em pequena e média escala, não sendo, portanto, usada nestas aplicações, encontrando maior uso na fabricação de circuitos com integração em larga e muito larga escala. Uma segunda família usa transistores do tipo p e do tipo n no mesmo circuito, sendo chamada família MOS de simetria complementar (CMOS). A família CMOS é usada em integração em larga escala e, por não possuir algumas deficiências da família MOS, também em integração em pequena e média escala.

O segundo tipo de transistor é o transistor bipolar, atualmente fabricado em três famílias. Uma delas é chamada lógica de injeção integrada (IIL). Como MOS e CMOS,  não requer o uso de resistores no circuito, sendo, portanto, apropriada para integração em larga escala.

Uma segunda família usando transistores bipolares é chamada de lógica acoplada pelo emissor (ECL). Usa muitos transistores por porta; mesmo uma porta de duas entradas requer cinco transistores. É a família lógica de maior velocidade, pois usa transistores bipolares rápidos em vez de transistores MOS (mais lentos) e os usa de modo eficiente para fazê-los responder com grande velocidade. A própria velocidade da família ECL faz com que se torne difícil de usar. Devido à rapidez das transições de um nível lógico para outro, faz com que qualquer comprimento de fio que seja usado para interligar os circuitos deva ser tratado como se fosse uma linha de transmissão. A família ECL existe em integração em pequena e média escala, mas só é usada quando sua maior velocidade se faz realmente necessária.

Finalmente, chegamos à família lógica mais usada para circuitos com integração em pequena e média escala. É a lógica transistor-transistor (TTL), desenvolvida principalmente pela Texas Instrumenst Company mas também produzidos por outros fabricantes. Para a família TTL, a Texas Instruments usa a designação genérica SN, significando rede semicondutora (“semiconductor network"). Outros fabricantes usam outras designações, como DM (digital monolítico). Existem duas séries, uma com o prefixo identificador 54 e outra com o prefixo 74. A série 54 é usada para aplicações militares, onde as exigências são maiores, e pode operar no intervalo de temperatura de -55 a +125 ^oC. A série 74  é uma versão industrial de custo menor que pode operar de 0 a 70 ^oC.

A Série TTL

Em circuitos eletrônicos semicondutores geralmente é possível melhorar a velocidade de operação (isto é reduzir o atraso de propagação e reduzir o tempo necessário para a transição de um nível  lógico para outro) sacrificando a potência. Como maior potência envolve maiores correntes, as capacitâncias parasitas podem ser carregadas e descarregadas mais rapidamente. Estes capacitores parasitas não são introduzidos deliberadamente no circuito, mas são o resultado inevitável das dimensões e geometria do circuito. A disponibilidade de correntes maiores torna possível ligar e desligar os transistores mais rapidamente. Quando usamos mais potência com a finalidade de obter maior velocidade, gostaríamos de saber se o aumento de velocidade compensa o sacrifício de potência. Uma figura de mérito útil neste contexto é o produto velocidade-potência, que é o produto do atraso de propagação pela dissipação de potência de uma porta.

Quando transistores bipolares comuns funcionam em circuitos digitais e são ligados de modo a conduzir corrente, a operação geralmente se dá na região conhecida como saturação. Em virtude da saturação o transistor leva um tempo relativamente longo para ser desligado. Conseqüentemente, os circuitos digitais padrão usando transistores comuns sofrem uma desvantagem em relação à velocidade. Com uma despesa adicional pode-se, todavia, fabricar um tipo especial de transistor denominado Schottky, que não satura, podendo, conseqüentemente, operar em velocidades mais altas.

Devido ao balanço possível entre velocidade e potência e devido à possibilidade de fabricar transistores comuns do tipo Schottky, a família TTL existe em cinco séries distintas, que são listadas, com suas características, na Tabela-1. A razão da popularidade da série LS toma-se aparente, embora outras séries possam ser escolhidas caso haja restrições quanto à velocidade, à dissipação possível ou ao custo.

Tabela-1. Características típicas da família 54/74 SSI.

Capacidade de Saída (Fan-Out)

 Uma fonte de um sinal digital aplicado à entrada de uma porta deve ser capaz de estabelecer naquela entrada uma ou outra tensão correspondente a um ou outro nível lógico. Em qualquer um dos níveis a fonte deve satisfazer os requisitos de corrente da porta acionada. Como a saída de uma porta freqüentemente é usada como fonte para a entrada de outra porta, é necessário conhecer a capacidade de acionamento de uma porta, isto é, precisamos saber quantas entradas de portas a serem acionadas podemos ligar à saída de uma porta acionadora. Os fabricantes geralmente fornecem esta informação ao especificar a capacidade de saída (fan-out). No caso TTL, desde que cada porta acione portas da mesma série, a capacidade de saída é de 10 para portas das séries padrão e de alta potência,  e de 20 para as séries de baixa potência. Quando uma porta aciona portas de outras séries, é necessário referir-se à literatura do fabricante para determinar a necessidade de corrente de entrada e a disponibilidade de corrente de saída e assegurar-se de que não há carga excessiva para a saída de uma porta.

Margem de Ruído

Como a família TTL opera com uma tensão  de alimentação  de 5V, todas as tensões em um sistema TTL estão no intervalo de 0 a 5V. Quando uma porta acionadora não estiver carregada pela ligação a entradas de outras portas, sua tensão de saída baixa, correspondente ao nível lógico 0, pode ser 0,1 V ou até menor para a série 54/74. A tensão alta, correspondente ao nível lógico 1, fica em tomo de 3,4 V. Quando a saída for baixa, a porta acionadora deve permitir o fluxo de corrente da porta acionada para si própria. A porta acionadora é descrita como drenando corrente da carga. Quando a saída estiver no nível alto, a porta acionadora servir como fonte de corrente para a carga e é descrita como suprindo corrente. No nível de saída baixo a corrente drenada eleva a tensão de saída, e no nível de saída alto a corrente suprida diminui a tensão de saída. Para a série 54/74, o fabricante garante que, mesmo que uma porta esteja carregada até sua capacidade máxima de saída especificada acima, a tensão de saída baixa  não sobe acima de 0,4 V e a tensão de saída alta não desce abaixo de 2,4 V. 0 fabricante também especifica que uma tensão igual ou menor que 0,8V sempre será interpretada por uma porta acionada como correspondendo a tensão baixa (0 lógico) e que uma tensão de entrada maior que 2V sempre será interpretada como tensão alta (1 lógico). As duas tensões de saída e as duas tensões de entrada são representadas pelos símbolos VOH, VOL, VIH e VIL e têm as seguintes definições:

VOH:   A tensão de saída mínima que uma porta fornece quando sua saída estiver no nível alto.

VOL:   A tensão de saída máxima que uma porta fornece quando sua saída estiver no nível baixo.

VIH:   A tensão mínima que pode ser aplicada à entrada de uma porta e reconhecida como nível alto.

VIL:    A tensão máxima que pode ser aplicada à entrada de uma porta e reconhecida como nível baixo.

Para as séries 54/74, estas tensões são as especificadas na Fig.1 e levam à característica de tensão entrada-saída (idealizada) mostrada na Fig. 2. (A porta a que se refere a figura é  uma porta NAND ou NOR com todas as entradas ligadas de modo a que a porta se comporte como um inversor.) Quando a tensão de entrada VI estiver no intervalo de 0 a 0,8V ou no intervalo acima de 2,0 Volts, a saída VO é constante e vale 2,4 ou 0,4 Volts, respectivamente. Para VI no intervalo de 0,8 a 2,0 Volts, a saída varia de seu nível alto de 2,4V até seu nível baixo de 0,4V.

Fig. 1 – Níveis de Ruído.

 Fig.2 – Característica de tensão in/out idealizada.

A importância destas tensões pode ser vista nas seguintes considerações. Suponhamos que uma porta acionadora está em seu nível baixo de 0,4 V. A porta acionada reconhece que sua entrada é baixa porque a tensão é menor que 0,8V mas, como em qualquer outra implementação física de uma configuração de portas, tensões espúrias e aleatórias (ruído) podem ser superpostas através das conexões que ligam uma parte da configuração a outra. A margem para erro neste nível baixo é a diferença VIL - VOL, representada pelo símbolo Δ0, conforme indicado na Fig. 1, é chamada margem de ruído do nível baixo que tem no caso presente o valor Δ0 = 0,4 V. A margem de ruído do nível alto Δ1 = VOH - VIH também tem o valor 0,4 V.

Assim, se uma tensão  de ruído for adicionada à tensão de entrada de 0,4 V e for maior que 0,4 Volts, a saída correspondente da porta adicionada será menor que 2,4 V. Conseqüentemente, a margem de ruído na saída, originalmente 2,4 - 2,0 = 0,4 Volts, agora será  menor. Se supusermos que o ruído existe em todo o sistema e que em cada ponto a tensão de ruído tem a direção que causa maiores problemas, podemos imaginar que, após uma sucessão de portas, chegaríamos ao ponto em que um nível lógico 1 seria interpretado como um lógico 0 e vice-versa. A margem de ruído de uma porta é, pois, um parâmetro importante e é vantajoso que seja tão alta quanto possível.

Devemos observar que, ao especificar os parâmetros VOH etc. a partir dos quais  Δ1 e Δ0 são calculados, os fabricantes são extremamente conservadores. A margem de ruído de 0,4 V mencionada acima normalmente alcança 1,0 V ou mais.

Resumindo, uma família lógica ou uma série de uma família é caracterizada por quatro parâmetros: (1) atraso de propagação, (2) dissipação de potência (através da qual podemos calcular o produto velocidade-potência), (3) capacidade de saída e (4) margens de ruído. A capacidade de saída muitas vezes não é um parâmetro adequado quando interligamos séries diferentes, e certamente não o é no caso de interligarmos famílias diferentes.