Circuitos Integrados Digitais

Circuitos integrados digitais
Prof. Tony Alexander Hild
Lógica Digital – 1 CC – Unicentro – 2013

Características Básicas dos Circuitos
Integrados Digitais
●
●

Coleção de resistores, diodos e transistores;
Fabricados em uma única peça de material semicondutor;
–

●
●

Também chamado de chip;
Encapsulado em uma embalagem protetora de plástico ou
cerâmica;
–

●

Geralmente silício;

DIP (dual-inline package) é um dos tipos de encapsulamento mais
comuns.

Pinos para ligação do CI com outros dispositivos.

Integrados Digitais

Encapsulamento DIP

Integrados Digitais
●

Podem ser classificados com o tipo de componente
eletrônico que utilizam:
–
–

●

Bipolares: Transistor Bipolar de Junção. Ex.: Família TTL;
Unipolares: MOSFETS. Ex.: Família CMOS.

Principais diferenças entre as famílias são as
características elétricas:
–

Dissipação de potência, tempo de propagação e velocidade de
comutação.

Terminologia - Escala de Integração
●

SSI (Small Scale Integration) – Integração em pequena escala;

●

MSI (Medium Scale Integration) – Integração em média escala;

●

LSI (Large Scale Integration) – Integração em larga escala.
–
–

●

Sistemas digitais de grande complexidade;
Milhares de transístores (p.e. memórias de elevada capacidade de armazenamento,
microprocessadores, etc.);

VLSI (Very Large Scale Integration) – Integração em muito larga escala.

Terminologia - Escala de Integração
Abrev.

Denominação

Portas por CI

SSI

Small Scale Integration

Menos de 12

MSI

Medium Scale Integration

Entre 12 e 99

LSI

Large Scale Integration

Entre 100 e 9.999

VLSI

Very Large Scale Integration

Entre 10.000 e 99.999

ULSI

Ultra Large Scale Integration

Entre 100.000 e 999.999

GSI

Giga Scale Integration

1.000.000 ou mais

Terminologia - Parâmetros de corrente e
tensão
VIH (min) – Tensão de Entrada em Nível Alto (high-level input voltage): O nível mínimo de tensão necessário para 1 na
entrada. Qualquer tensão abaixo dessa tensão não será aceita como nível ALTO pelo circuito lógico;
VIL(max) – Tensão de Entrada em Nível Baixo (low-level input voltage): O nível máximo de tensão permitido para 0 na
entrada. Qualquer tensão acima deste nível não será aceita como nível BAIXO pelo circuito lógico;
VOH(min) – Tensão de Saída em Nível Alto (high-level output voltage): O nível mínimo de tensão na saída de um circuito
lógico, no estado lógico 1, sob determinadas condições de carga;
VOL(max) – Tensão de Saída em Nível Baixo (low-level output voltage): O nível máximo de tensão na saída de um circuito
lógico, no estado lógico 0, sob determinadas condições de carga;
IIH – Corrente de Entrada em Nível Alto (high-level input current): A corrente que flui para uma entrada quando uma tensão
de nível alto especificada é aplicada naquela entrada;
IIL – Corrente de Entrada em Nível Baixo (low-level input current): A corrente que flui para uma entrada quando uma tensão
de nível baixo especificada é aplicada naquela entrada;
IOH – Corrente de Saída em Nível Alto (high-level output current): A corrente que flui de uma saída no estado lógico 1 sob
condições de carga especificadas;
IOL – Corrente de Saída em Nível Baixo (low-level output current): A corrente que flui de uma saída no estado lógico 0 sob
condições de carga especificadas.

Terminologia - Níveis Lógicos de Entrada

Terminologia - Fan-Out (Fator de
acionamento de carga)
●

●

●

●

●

Na maioria dos designs, portas lógicas são ligadas de modo a formar circuitos mais
complexos;
É comum uma saída de um circuito lógico acionar várias entradas;
O fan-out é definido como o número máximo de entradas lógicas padronizadas que
uma saída pode acionar com segurança;
Se FO for excedido, os níveis lógicos da saída não podem ser garantidos;
Em eletrônica digital, o fan-out de saída de uma porta lógica é o número de portas
de entradas que podem alimentadas ou conectadas.

Terminologia - Atrasos de propagação
●

●

Um sinal lógico sempre sofre um atraso ao atravessar um
circuito;
Os dois tempos de atraso de progagação são:
–

tPLH – Tempo de atraso do estado 0 para 1;

–

tPHL – Tempo de atraso do estado 1 para 0.

Terminologia - Requisitos de potência
●

●

●

●

Todo CI necessita de uma certa quantidade de potência
elétrica para operar;
Essa potência é fornecida pela fonte de alimentação
(geralmente VCC para TTL e VDD para CMOS);
A potência é definida pelo produto ICC x VCC;
Para muitos CIs esse produto varia de acordo com os
níveis lógicos das saídas.

Terminologia - Imunidade ao ruído
●

●

●

●

Campos elétricos e magnéticos podem induzir tensões nos fios de conexão entre
os circuitos lógicos;
Estes sinais indesejáveis são chamados de ruído e podem alterar o nível de tensão
do sinal fazendo que o mesmo entre na região de indeterminação, o que produzirá
uma operação imprevisível;
Imunidade ao ruído é a capacidade do circuito tolerar ruídos sem provocar
alterações espúrias na tensão de saída;
Uma medida quantitativa para a imunidade ao ruído é denominada de margem de
ruído (VNH) e é definida como:
–

Margem de ruído para o estado alto: VNH = VOH – VIH;

–

Margem de ruído para o estado baixo: VNL = VIL – VOL.

Terminologia – Níveis de tensão
●

Para operar
adequadamente, os níveis
de tensão de entrada de
um circuito lógico devem
ser mantidos fora da faixa
indeterminada mostrada ao
lado:

Entradas não-conectadas
●

O que acontece quando as entradas de um CI não estão
conectadas a nenhum nível lógico?

●

Entrada em flutuação;

●

Resposta diferente para TTL e CMOS;

●

Na família TTL, funcionam como nível 1;

●

Na família CMOS, pode danificar o CI devido a ruídos.

Tecnologia Bipolar – Transistor Bipolar de
Junção
●

NPN ou PNP;

●

Alto consumo de potência;

●

Alta velocidade;

●

Imune a ruídos.

Tecnologia unipolar - MOSFET
●

MOS (Metal Oxide Semiconductor):
–

●

Eletrodo de metal conectado a uma camada de óxido isolante que, por sua vez, é depositada sobre um
substrato de silício;

Os transistores construídos na técnica MOS são transistores de efeito de campo (field-effect
transistor) denominados de MOSFETs.
–

Relativamente simples;

–

Pequenos:
●
●

50 vezes menos que o TTL (bipolares);
Alta densidade

–

Baixo custo de fabricação;

–

Baixo consumo de potência;

–

Dominam integração em larga escala (LSI-GSI);
●

–

Processadores, memórias

Vulnerável a estática.

Diferenças entre os transistores

TBJ – NPN

TBJ – PNP

MOSFET - PNP

Famílias Lógicas
●

As famílias lógicas mais comuns podem ser classificadas como:
–
–

DTL - Lógica diodo-transistor (obsoleta);

–

DCTL - Lógica transistor acoplamento direto;

–

TTL - Lógica transistor-transistor (mais popular);

–

ECL - Lógica emissor-acoplado;

–

MOS - Metal Oxide Semiconductor:

–

PMOS - Lógica MOSFETs de canal-p (obsoleta);

–

NMOS - Lógica MOSFETs de canal-n

–
●

RTL - Lógica resistor-transistor (obsoleta);

CMOS - Lógica MOSFETs Complementares;

A tecnologia atualmente dominante é a CMOS devido ao baixo consumo de potência e
a grande capacidade de integração.

Família TTL
●

●

●

O Transistor-Transistor Logic (TTL) é uma designação
para circuitos digitais que trabalham em 5V e utilizam
transistores bipolares (TJB) em sua construção;
É derivada de uma família mais antiga: DTL, Lógica
Transistor Diodo;
Principais características:
–

Imunidade ao Ruído;

–

Menor consumo de potência a altas frequências.

Família TTL
●

Série 54xxx:
–
–

●

Uso militar
Temperatura de operação: -55 a 125 ºC.

Série 74xxx:
–

Uso comercial;

–

Temperatura de operação: 0 a 70 ºC.

Família TTL
●

54/74LXXX:
–
–

Melhor relação velocidade versus potência entre todos os dispositivos lógicos;

–

●

Baixa potência;
As resistências internas dos transistores do CI são aumentadas, resultando numa menor dissipação de
potência (1 mW por porta, com retardo de 33nS por porta).

54/74HXXX:
–
–

Os transistores internos do CI são feitos em configuração darlington;

–

Atraso de propagação de 6ns por porta;

–
●

Alta velocidade. Os tempos de subida e descida de pulsos são menores;

A desvantagem é que este tipo de circuito consome mais corrente que o tipo comum.

54/74SXXX:
–
–

●

Componentes com tecnologia schottky (tipo de diodo de alta performance);
Combina alta velocidade com baixo consumo.

Os CIs 74AS00, 74ALS00, 74F00, 74H00, 7400 são todos constituídos por 4 portas NAND de 2 entradas cada.

Família TTL
●

Família TTL Schottky:
Tempo de
Propag. (ns)

Potência por
porta (mW)

Fan-Out

S: Schottky – 74Sxx

3

19

57

LS: Low Power Schottky – 74LSxx

9

2

18

AS: Advanced Schottky – 74ASxx

1,7

8

13,6

ALS: Advanced Low Power Schottky – 74ALSxx

4

1,2

4,8

F: Fast – 74Fxx

3

4

12

Família CMOS
●

Principais características:
–

Maior facilidade de construção;

–

Compactos;

–


–

Imunidade ao ruído pior que TTL:
●

Todas as entradas devem sempre estar conectadas.

Família CMOS
●

Séries CMOS:
–

CMOS Série 4000;

–

74C (C – CMOS);

–

74 HC (High Speed CMOS);

–

74 HCT (High Speed CMOS – TTL compatible);

–

74 VHC (Very High Speed CMOS);

–

74 VHCT (Very High Speed CMOS – TTL compatible);

–

74 FCT (Fast CMOS – TTL compatible);

–

74 FCT-T (Fast CMOS – TTL compatible with TTL VOH).

Família CMOS
●

Série CMOS 4000A/4000B:
–
–

A corrente de saída não é a mesma para todos os circuitos;

–

Os tempos de propagação dependem da capacidade de carga;

–

A série 4000B está preparada para fornecer maior corrente de saída;

–

Hoje ainda existem funções nesta série que não dispõem de equivalentes nas mais recentes;

–


–
●

Introduzida no mercado na década de 60;

Lentos.

Série 74C:
–

Compatível pino a pino e função a função com os circuitos TTL, desde que disponham dos mesmos
números de marcação. Desta forma torna-se possível substituir os circuitos TTL por equivalentes
CMOS;

–

As saídas destes circuitos são “bufferizadas”.

Família CMOS
●

Série 74HC (High Speed CMOS):
–
–

Compatíveis com os circuitos TTL 74LS, mas não na totalidade;

–
●

Permitem uma gama de alimentação entre os 2 (menor consumo de potência) e 6V (maior velocidade de comutação);
Bem adaptadas em sistemas que usem exclusivamente circuitos CMOS.

Série 74HCT (High Speed CMOS–TTL Compatible):
–
–

Menor consumo de portência e total compatibilidade de níveis com circuitos TTL;

–
●

Elevada velocidade de comutação;
Uma única saída poder alimentar, pelo menos, 10 cargas TTL LS.

Séries 74VHC e 74VHCT (Very High Speed CMOS e TTL Compatible):
–

Duas vezes mais rápidas que as versão predecessoras (séries HC e HCTP);

–

Mantém a compatibilidade com todas as séries anteriores da mesma família;

–

Uma em relação à outra diferem unicamente nos níveis de entrada que reconhecem, sendo as suas características de saída iguais;

–

Permitem uma gama de alimentação entre 2 e 5,5V;

–

Com estes circuitos já se conseguem obter tempos de propagação na ordem dos 3ns, comparável aos tempos da série TTL 74 ALS.

Família CMOS
●

Série 74FCT e 74FCT-T (Fast CMOS TTL Compatible e
Fast CMOS-TTL Compatible With TTL VOHmáx)
–

Surgiram no início dos anos 90;

–

Compatíveis com TTL;

–

Velocidade comparável com TTL com menor consumo de
potência.

Ligações entre famílias lógicas
CMOS
Parâmetro

TTL

4000B

74HC

74HCT

74

74LS

74AS

74ALS

VIH(min) (V)

3,5

3,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

VIL(máx) (V)

1,5

1,0

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

VOH(min) (V)

4,95

4,9

4,9

2,4

2,4

2,7

2,7

VOL(máx) (V)

0,05

0,1

0,1

0,4

0,5

0,5

0,4

IIH(máx) (µA)

1

1

1

40

20

200

20

IIL(máx) (µA)

1

1

1

1600

400

2000

100

IOH(máx) (mA)

0,4

4

4

0,4

0,4

2

0,4

IOL(máx) (mA)

0,4

4

4

16

8

20

8

Valores típicos de entrada e saída para as famílias TTL e CMOS (casos extremos de Funcionamento).

Ligação CMOS-TTL
●

●

●

No estado alto, este tipo de ligação não necessita de qualquer cuidado;
Pode-se verificar que, segundo os valores típicos de tensão de saída do CMOS (V OH),
satisfaz os níveis de tensão típicos requeridos pela entrada TTL no estado alto V IH;;
Verifica-se também que a família CMOS fornece uma corrente I OH superior ao valor
exigido IIH pela entrada TTL.
D
C

74HC00

74AS00
A
74AS00
B

Ligação TTL-CMOS
●

●

●

5V

No que diz respeito à tensão, todos os circuitos da série TTL fornecem uma tensão
VOHmin demasiado baixa face ao valor VIHmin exigido pelas entradas dos circuitos
CMOS;
Neste caso é necessário elevar os níveis TTL para poderem ser aceitos pelos circuitos
CMOS, como também é necessária a utilização de uma resistência de “pull-up”.
O valor dessa resistência de “pull-up” deverá ser tal que:

TTL

RP

CMOS

5V

Rp =

VCC − VOL ( máx )
I OL (TTL ) − nI IL (CMOS )

TTL

RP
IOL

IRP
IIL

CMOS
1

IIL
2
IIL
n

Principais Portas Lógicas em CIs

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