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FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA
ELETRÔNICA II
Prof. Sidney José Montebeller
Referências Bibliográficas e Internet
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller I
Referências Bibliográficas
1- TOCCI, R. J.; WIDMER, N.S.; Sistemas Digitais: Princípios e
Aplicações. Rio de Janeiro: LTC, 2000.
2- MALVINO, A. P.; LEACH, D. P.; Eletrônica Digital: Princípios e
Aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, 1987.
3- TAUB, H.; Circuitos Digitais e Microprocessadores. São Paulo:
McGraw-Hill, 1984.
4- LOURENÇO, A. C.; Circuitos Digitais. São Paulo: Érica.
5- CAPUANO, F. G.; IDOETA, I. V.; Elementos de Eletrônica Digital. São
Paulo: Érica.
6- MELO, M.; Eletrônica Digital. São Paulo: Makron Books.
7- TOKHEIM, R. L.; Princípios Digitais. São Paulo: McGraw-Hill.
Internet
1- ALTERA – http://www.altera.com/ - Dispositivos de Lógica Programável
2- XILINX – http://www.xilinx.com/ - Dispositivos de Lógica Programável
3- ATMEL – http://www.atmel.com/ - Microcontroladores (AVR) e
Componentes Discretos
4- MICROCHIP – http://www.microchip.com/ - Microcontroladores (PIC) e
Componentes Discretos
5- NATIONAL – http://www.national.com/ - Microcontroladores (COP8) e
Componentes Discretos
6- TEXAS INSTRUMENTS – http://www.ti.com/ - Microcontroladores
(MSP430) e Componentes Discretos
7- BURR-BROWN – http://www.burrbrown.com/ - Conversores A/D e D/A e
Amplificadores Operacionais
8- INTEL – http://www.intel.com/ - Microcontroladores (8051) e
Componentes Discretos
9- ANALOG DEVICES – http://www.analog.com/ - Conversores A/D e D/A
e Componentes Discretos
10-MOTOROLA – http://e-www.motorola.com/ - Microcontroladores
(M68HC) e Componentes Discretos
Sumário
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller II
1. Revisão de Circuitos Combinatórios...............................................1
1.1- Conceitos Introdutórios ...........................................................................1
1.2- Representação de Quantidades Binárias................................................2
1.3- Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos .........................................................3
1.4- Sistemas de Numeração e Códigos........................................................3
1.5- Portas Lógicas e Álgebra Booleana........................................................5
1.6- Teoremas da Álgebra de Boole...............................................................8
1.7- Universalidade das Portas NAND e NOR ...............................................9
1.8- Simplificação de Circuitos Lógicos..........................................................9
1.9- Projetando Circuitos Lógicos ................................................................10
1.10- Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação Circuitos Lógicos ...11
1.11- Outras Portas Lógicas...........................................................................11
1.12- Circuitos Integrados Lógicos.................................................................12
2. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados....................................14
2.1- Introdução .............................................................................................14
2.2- Terminologia de Circuitos Integrados Digitais.......................................14
2.3- Família Lógica TTL ...............................................................................18
2.4- Características da Série TTL Padrão....................................................19
2.5- Séries TTL Aperfeiçoadas.....................................................................20
2.6- Fan-Out e Carregamento para TTL.......................................................22
2.7- Outras Características TTL ...................................................................23
2.8- Conectando Saídas TTL Juntas............................................................24
2.9- Tristate (Terceiro Estado) para o TTL..................................................26
2.10- Circuitos Integrados Digitais MOS ........................................................27
2.11- O MOSFET ...........................................................................................27
2.12- Circuitos Digitais com MOSFETs..........................................................27
2.13- Características da Lógica MOS.............................................................29
2.14- Lógica MOS Complementar..................................................................30
2.15- Características da Série CMOS ............................................................31
2.16- Tecnologia de Baixa Tensão.................................................................35
2.17- Saídas CMOS de Dreno Aberto e Tristate............................................36
2.18- Interfaceamento de Circuitos Integrados ..............................................37
2.19- TTL Acionando CMOS..........................................................................37
2.20- CMOS Acionando TTL..........................................................................38
3. Dispositivos de Lógica Programável (PLDs) ..............................40
3.1- Introdução .............................................................................................40
3.2- Conceito Básico ....................................................................................41
3.3- Simbologia ............................................................................................42
3.4- Arquitetura de um PLD..........................................................................42
3.5- Outros Recursos Disponíveis................................................................44
3.6- Outros Tipos de PLDs...........................................................................44
3.7- Programação.........................................................................................45
3.8- PLDs Programáveis ..............................................................................45
Sumário
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller III
4. Flip-Flops.................................................................................................46
4.1- Introdução .............................................................................................46
4.2- Flip-Flop R-S (Reset – Set)...................................................................46
4.3- Flip-Flops com Clock.............................................................................47
4.4- Flip-Flop R-S com Clock .......................................................................48
4.5- Flip-Flop J-K..........................................................................................49
4.6- Flip-Flop D ............................................................................................50
4.7- Latch D..................................................................................................50
4.8- Entradas Assíncronas...........................................................................51
4.9- Características de Temporizações dos Flip-Flops ................................51
4.10- Circuitos Integrados de Flip-Flops.........................................................53
4.11- Problemas de Temporização em Flip-Flops..........................................53
4.12- Flip-Flops Mestre/Escravo ....................................................................54
4.13- Dispositivos Schmitt-Trigger..................................................................54
4.14- Circuitos Geradores de Clock ...............................................................55
5. Contadores..............................................................................................57
5.1- Introdução .............................................................................................57
5.2- Contadores Assíncronos.......................................................................57
5.3- Contadores de Módulo < 2N
..................................................................59
5.4- Diagrama de Transição de Estados......................................................60
5.5- Contadores de Década .........................................................................60
5.6- Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos .................................60
5.7- Contador Assíncrono Decrescente .......................................................61
5.8- Atrasos de Propagação de Contadores Assíncronos............................62
5.9- Contadores Síncronos ..........................................................................63
5.10- Circuitos Integrados de Contadores Síncronos.....................................64
5.11- Contadores Síncronos Decrescentes....................................................64
5.12- Contadores com Carga Paralela...........................................................64
5.13- Utilizando Contadores BCD ..................................................................65
5.14- Projeto de Contadores Síncronos .........................................................66
5.15- O Flip-Flop J-K......................................................................................66
5.16- Procedimento para Construção de Contadores Síncronos...................67
6. Registradores.........................................................................................70
6.1- Introdução .............................................................................................70
6.2- Registradores de Deslocamento...........................................................70
6.3- Transferência Paralela de Dados entre Registradores .........................71
6.4- Transferência Serial de Dados entre Registradores .............................71
6.5- Comparação entre a Transferência Paralela e a Transferência Serial..72
6.6- Contadores com Registradores de Deslocamento................................72
6.7- Circuitos Integrados de Registradores..................................................74
Sumário
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller IV
7. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e
Demultiplexadores.................................................................................75
7.1- Decodificadores ....................................................................................75
7.2- Codificadores ........................................................................................77
7.3- Multiplexadores.....................................................................................78
7.4- Demultiplexadores ................................................................................81
8. Aritmética Digital...................................................................................83
8.1- Introdução .............................................................................................83
8.2- Adição Binária.......................................................................................83
8.3- Representação de Números com Sinal.................................................83
8.4- Representação de Números com Sinal Usando Complemento a 2 ......85
8.5- Multiplicação de Números Binários.......................................................88
8.6- Divisão de Números Binários................................................................88
8.7- Adição de Números BCD......................................................................89
8.8- Aritmética Hexadecimal ........................................................................89
8.9- Circuitos Aritméticos .............................................................................90
8.10- Somador Paralelo Integrado .................................................................95
8.11- Ligação em Cascata de Somadores Paralelos .....................................95
8.12- Circuito Integrados de ULAs .................................................................95
9. Conversão Digital-Analógica............................................................97
9.1- Interface com o Mundo Analógico ...........................................................97
9.2- Sistema Digital Interfaceando com Grandezas Analógicas.....................97
9.3- Conversão Digital Analógica (D/A) ..........................................................98
9.4- Código de Entrada BCD........................................................................100
9.5- Conversor D/A com Amplificador Operacional ......................................100
9.6- Fatores Importantes na Precisão da Conversão ...................................102
9.7- Conversores D/A com Saída em Corrente ............................................103
9.8- Rede R/2R.............................................................................................104
9.9- Especificações de Conversores D/A .....................................................104
9.10- Circuito Integrado de Conversão D/A – AD7524 ...................................105
9.11- Aplicações de Conversores D/A............................................................105
10. Conversão Analógico-Digital........................................................107
10.1- Introdução .........................................................................................107
10.2- Conversor A/D de Rampa Digital ......................................................108
10.3- Precisão e Resolução de Conversores A/D ......................................108
10.4- Aquisição de Dados ..........................................................................109
10.5- Reconstrução de Sinais Digitalizados...............................................110
10.6- Conversor A/D de Aproximações Sucessivas...................................111
10.7- ADC0804 – Conversor A/D de Aproximações Sucessivas ...............112
Sumário
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller V
10.8- Conversor A/D Flash.........................................................................114
10.9- Outros Métodos de Conversão A/D ..................................................115
11. Memórias.............................................................................................117
11.1- Introdução .........................................................................................117
11.2- Definição de Termos Básicos............................................................117
11.3- Princípios de Operação das Memórias .............................................119
11.4- Conexões da Memória com a CPU...................................................120
12. Memórias Somente de Leitura (ROM)........................................122
12.1- Introdução .........................................................................................122
12.2- Diagrama em Blocos de uma ROM...................................................122
12.3- Arquitetura de uma ROM ..................................................................123
12.4- Temporização de uma ROM .............................................................124
12.5- Tipos de ROM...................................................................................124
12.6- Aplicações de ROMs.........................................................................125
13. Memórias de Acesso Aleatório (RAM) ......................................126
13.1- Introdução .........................................................................................126
13.2- Arquitetura de uma RAM...................................................................126
13.3- RAM Estática (SRAM).......................................................................128
13.4- RAM Dinâmica (DRAM) ....................................................................130
14. Expansão do Tamanho da Palavra e da Capacidade...........133
14.1- Introdução .........................................................................................133
14.2- Expansão do Tamanho da Palavra...................................................133
14.3- Expansão da Capacidade.................................................................134
15. Microcontrolador AT90S8515.......................................................136
15.1- Introdução .........................................................................................136
15.2- Características do Microcontrolador AT90S8515..............................137
15.3- Encapsulamento ...............................................................................137
15.4- Descrição Geral ................................................................................138
15.5- Diagrama em Blocos.........................................................................139
15.6- Descrição dos Pinos .........................................................................140
15.7- Oscilador...........................................................................................141
15.8- Arquitetura ........................................................................................141
15.9- Temporizadores/Contadores.............................................................157
15.10- Watchdog Timer..............................................................................166
SUMÁRIO
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller VI
15.11- Acesso para Leitura/Escrita na EEPROM.......................................168
15.12- UART ..............................................................................................171
15.13- Comparador Analógico ...................................................................176
15.14- Interface com SRAM Externa..........................................................178
15.15- Portas de Entrada/Saída.................................................................179
16. Guia para Uso do Assembler AVR..............................................188
16.1- Introdução .........................................................................................188
16.2- Código Fonte do Assembler..............................................................188
16.3- Registradores da Memória de I/O do AT90S8515 ............................189
16.4- Tabela de Instruções.........................................................................190
16.5- Diretivas no Assembler .....................................................................196
16.6- Expressões .......................................................................................204
Revisão de Circuitos Combinatórios
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 1
1. Revisão de Circuitos Combinatórios
1.1- Conceitos Introdutórios
Grandezas Analógicas e Digitais
Grandezas analógicas são aquelas que podem variar em um intervalo
contínuo de valores. Por exemplo, a velocidade de um veículo pode assumir
qualquer valor de 0 a 200 Km/h.
Grandezas digitais são aquelas que variam em passos discretos. Por
exemplo, o tempo varia continuamente mas a sua medição através de um
relógio digital é feita a cada minuto.
Sistemas Analógicos e Digitais
Um sistema analógico contém dispositivos que podem manipular
quantidades físicas analógicas. Por exemplo, a saída de um amplificador pode
variar continuamente dentro de um certo intervalo.
Um sistema digital contém dispositivos capazes de manipular
informações lógicas (representadas na forma digital). Um exemplo seria um
computador.
As vantagens das técnicas digitais são várias:
- Sistemas digitais são mais fáceis de projetar;
- Fácil armazenamento de informação;
- Maior exatidão e precisão;
- A operação do sistema pode ser programada;
- Circuitos digitais são menos afetados pelo ruído;
- Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado em um circuito
integrado.
Sistemas de Numeração Digital
- Sistema decimal – contém 10 algarismos (0 a 9).
Representação:
273,4110 = (2 x 102
) + (7 x 101
) + (3 x 100
) + (4 x 10-1
) + (1 x 10-2
)
Pesos 102
101
100
10-1
10-2
2 7 3 4 1
- Sistema binário – contém 2 algarismos (0 e 1).
Representação:
101,012 = (1 x 22
) + (0 x 21
) + (1 x 20
) + (0 x 2-1
) + (1 x 2-2
) = 5,2510
Pesos 22
21
20
2-1
2-2
1 0 1 0 1
Revisão de Circuitos Combinatórios
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 2
- Sistema octal – contém 8 algarismos (0 a 7).
Representação:
157,28 = (1 x 82
) + (5 x 81
) + (7 x 80
) + (2 x 8-1
) = 111,2510
Pesos 82
81
80
8-1
1 5 7 2
- Sistema hexadecimal – contém 16 algarismos (0 a F).
Representação:
15A,216 = (1 x 162
) + (5 x 161
) + (10 x 160
) + (2 x 16-1
) = 346,12510
Pesos 162
161
160
16-1
1 5 10 2
1.2- Representação de Quantidades Binárias
Em sistemas digitais, a informação geralmente apresenta a forma
binária. Essas quantidades binárias podem ser representadas por qualquer
dispositivo que apresente dois estados de operação.
Uma chave, por exemplo, pode estar aberta ou fechada. Podemos dizer
que a chave aberta corresponde ao dígito binário “0” e a chave fechada
corresponde ao dígito binário “1”. Outros exemplos: uma lâmpada (acesa ou
apagada), um diodo (conduzindo ou não), um transistor (conduzindo ou não)
etc.
Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada
por níveis de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volts poderia
representar o valor binário “0” e +5 volts poderia representar o valor binário
“1”. Mas, devido a variações nos circuitos, os valores binários são
representados por intervalos de tensões: o “0” digital corresponde a uma
tensão entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1” digital corresponde a uma tensão
entre 2 e 5 volts.
Com isso percebemos uma diferença significativa entre um sistema
analógico e um sistema digital. Nos sistemas digitais, o valor exato da tensão
não é importante.
Fig. 1-1: Intervalos típicos de tensão para os binários 0 e 1.
Revisão de Circuitos Combinatórios
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1.3- Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos
Circuitos digitais são projetados para produzir tensões de saída e
responder a tensões de entrada que estejam dentro do intervalo determinado
para os binários 0 e 1. A fig. 1-2 mostra isso:
Fig. 1-2: Resposta de um circuito digital
Praticamente todos os circuitos digitais existentes são circuitos
integrados (CIs), o que tornou possível a construção de sistemas digitais
complexos menores e mais confiáveis do que aqueles construídos com
circuitos lógicos discretos.
1.4- Sistemas de Numeração e Códigos
O sistema binário de numeração é o mais importante em sistemas
digitais. O sistema decimal também é importante porque é usado por todos nós
para representar quantidades. Já os sistemas octal e hexadecimal são usados
para representar números binários grandes de maneira eficiente.
- Conversões Binário-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente
à sua posição.
110112 = (1 x 24
) + (1 x 23
) + (0 x 22
) + (1 x 21
) + (1 x 20
) = 2710
Revisão de Circuitos Combinatórios
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- Conversões Decimal-Binário – O método usado é o das divisões
sucessivas:
- Conversão Octal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à
sua posição.
3728 = (3 x 82
) + (7 x 81
) + (2 x 80
) = 25010
- Conversão Decimal-Octal – O método usado é o das divisões sucessivas:
- Conversão Octal-Binário – Cada dígito octal é convertido para o seu
correspondente em binário.
Dígito Octal 0 1 2 3 4 5 6 7
Equivalente Binário 000 001 010 011 100 101 110 111
4728 = (100) (111) (010) = 1001110102
- Conversão Binário-Octal – O número binário é dividido em grupos de 3
dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é
convertido no seu correspondente octal.
1001110102 = (100) (111) (010) = 4728
- Conversão Hexadecimal-Decimal – Cada dígito tem um peso
correspondente à sua posição.
2AF16 = (2 x 162
) + (10 x 161
) + (15 x 160
) = 68710
- Conversão Decimal-Hexadecimal – O método usado é o das divisões
sucessivas:
- Conversão Hexadecimal-Binário – Cada dígito hexadecimal é convertido
para o seu correspondente em binário.
9F216 = (1001) (1111) (0010) = 1001111100102
- Conversão Binário-Hexadecimal – O número binário é dividido em grupos
de 4 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é
convertido no seu correspondente hexadecimal.
11101001102 = (0011) (1010) (0110) = 3A616
Revisão de Circuitos Combinatórios
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 5
- Código BCD – O código BCD não constitui um sistema de numeração. Ele
apenas relaciona cada dígito do sistema decimal com um grupo de 4 dígitos
do sistema binário.
87410 = (1000) (0111) (0100) = 100001110100 (BCD)
Relacionando as Representações
Tabela 1-1
Decimal Binário Octal Hexadecimal BCD
0 0 0 0 0000
1 1 1 1 0001
2 10 2 2 0010
3 11 3 3 0011
4 100 4 4 0100
5 101 5 5 0101
6 110 6 6 0110
7 111 7 7 0111
8 1000 10 8 1000
9 1001 11 9 1001
10 1010 12 A 0001 0000
11 1011 13 B 0001 0001
12 1100 14 C 0001 0010
13 1101 15 D 0001 0011
14 1110 16 E 0001 0100
15 1111 17 F 0001 0101
1.5- Portas Lógicas e Álgebra Booleana
A álgebra booleana é a ferramenta fundamental para descrever a
relação entre as saídas de um circuito lógico e suas entradas através de uma
equação (expressão booleana). Existem três operações básicas: OR (OU),
AND (E) e NOT (NÃO).
Operação Lógica OR (OU)
Fig. 1-3: Porta OR (OU)
Revisão de Circuitos Combinatórios
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Operação Lógica AND (E)
Fig. 1-4: Porta AND (E)
Operação Lógica NOT (INVERSORA)
Fig. 1-5: Porta NOT (INVERSORA)
Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente
Qualquer circuito lógico pode ser descrito usando as portas AND, OR e
NOT. Essas três portas são os blocos básicos na construção de qualquer
sistema digital.
Fig. 1-6: Circuito Lógico e sua Expressão Lógica
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Implementando Circuitos Lógicos a partir de Expressões Booleanas
Podemos usar a expressão booleana para gerar o circuito lógico. Por
exemplo:
Fig. 1-7: Expressão Lógica e seu Circuito Lógico
Portas NOR e NAND
Outros tipos de portas lógicas existentes são as portas NOR e NAND,
que na verdade são combinações das portas OR, AND e NOT.
Fig. 1-8: Portas NOR e NAND
Revisão de Circuitos Combinatórios
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 8
1.6- Teoremas da Álgebra de Boole
Esses teoremas, aplicados na prática, visam simplificar as expressões
booleanas e consequentemente os circuitos gerados por estas expressões.
Teoremas Booleanos
Teoremas de DeMorgan
Revisão de Circuitos Combinatórios
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1.7- Universalidade das Portas NAND e NOR
Qualquer expressão lógica pode ser implementada usando apenas
portas NAND ou portas NOR. Isso porque podemos representar portas OR,
AND ou NOT usando apenas portas NAND ou NOR.
Fig. 1-9: Uso de PORTAS NAND para implementar outras funções booleanas.
1.8- Simplificação de Circuitos Lógicos
Depois de encontrada a expressão de um circuito lógico, podemos
reduzi-la para uma forma mais simples. A intenção é diminuir o número de
variáveis nessa expressão, o que significa diminuir o número de portas lógicas
e conexões em um circuito lógico.
Simplificação Algébrica
A simplificação algébrica é feita com o uso dos teoremas da álgebra
booleana e de DeMorgan. Exemplo:
Revisão de Circuitos Combinatórios
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1.9- Projetando Circuitos Lógicos
Passos para o projeto completo de um circuito lógico:
a) Montar a tabela-verdade:
A B C x
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
b) Analisar a saída:
Quando qualquer entrada de uma porta OR for “1” então a saída será “1”.
Então podemos deduzir que a saída x é uma operação OR de todos os casos
em que a saída x é “1”. Cada caso corresponde a uma operação lógica AND
com todas as variáveis de entrada.
c) Simplificar a expressão lógica obtida:
A expressão pode ser reduzida a um número menor de termos se
aplicarmos os teoremas booleanos e de DeMorgan.
d) Implementar o circuito através da expressão lógico:
Fig. 1-10: Circuito lógico final
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1.10- Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação
Circuitos Lógicos
Vamos usar a tabela anterior como exemplo.
1.11- Outras Portas Lógicas
Circuito XOR
Fig. 1-11: Porta XOR (OU-Exclusivo)
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Circuito XNOR
Fig. 1-12: Porta XNOR (NOU-Exclusivo)
1.12- Circuitos Integrados Lógicos
Exemplos de circuitos integrados lógicos:
Fig. 1-13: Circuito integrado 74LS08 (4 portas AND de 2 entradas)
Revisão de Circuitos Combinatórios
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Fig. 1-14: Circuito integrado 74LS04 (6 portas inversoras)
Fig. 1-15: Circuito integrado 74LS32 (4 portas OR de 2 entradas)
Outros:
- 7400 – Quatro portas NAND
- 7402 – Quatro portas NOR
- 7486 – Quatro portas XOR
- 74266 – Quatro portas XNOR
Famílias Lógicas de Circuitos Integrados
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2. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados
2.1- Introdução
Circuitos integrados são amplamente usados na construção de sistemas
digitais. Isso porque eles têm muito mais circuitos em um pequeno
encapsulamento e são mais confiáveis.
2.2- Terminologia de Circuitos Integrados Digitais
Os fabricantes de circuitos integrados digitais seguem praticamente o
mesmo padrão de nomenclatura e terminologia:
a) Tensão e Corrente:
- VIH(min) – Mínima Tensão de Entrada em Nível Alto.
- VIL(max) – Máxima Tensão de Entrada em Nível Baixo.
- VOH(min) – Mínima Tensão de Saída em Nível Alto.
- VOL(max) – Máxima Tensão de Saída em Nível Baixo.
- IIH – Corrente de Entrada em Nível Alto.
- IIL – Corrente de Entrada em Nível Baixo.
- IOH – Corrente de Saída em Nível Alto.
- IOL – Corrente de Saída em Nível Baixo.
Fig. 2-1: Tensões e correntes em nível lógico 1 e 0
b) Fan-Out
O Fan-Out corresponde ao número máximo de entradas lógicas que
uma saída de um circuito lógico pode acionar. Se esse número for excedido, os
níveis de tensão e corrente não serão garantidos.
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c) Atrasos de Propagação
Um sinal lógico, ao atravessar um circuito, sofre um atraso. Existem dois
tipos de atraso:
- tPLH – Tempo de atraso do estado lógico “0” para o “1”.
- tPHL – Tempo de atraso do estado lógico “1” para o “0”.
Fig. 2-2: Atrasos de propagação
Os valores dos tempos de atrasos de propagação são usados para
medição de velocidade em circuitos lógicos.
d) Potência
Como todo circuito elétrico, um circuito lógico consome uma certa
quantidade de potência. Essa potência é fornecida por fontes de alimentação e
esse consumo deve ser levado em consideração em um sistema digital.
Se um circuito integrado consome menos potência poderemos ter uma
fonte de menor capacidade e com isso reduziremos os custos do projeto.
e) Velocidade x Potência
Um circuito digital ideal é aquele que possui o menor consumo de
potência e o menor atraso de propagação. Em outras palavras, o produto de
velocidade e potência deve ser o menor possível.
f) Imunidade ao Ruído
Ruídos são sinais indesejáveis gerados por campos eletromagnéticos
podem afetar o funcionamento de um circuito lógico. Esses sinais podem fazer
com que a tensão de entrada de um circuito lógico caia abaixo de VIH(min) ou
aumente além de VIL(max), gerando falsos sinais.
A imunidade ao ruído se refere à capacidade de um circuito lógico de
rejeitar esse ruído.
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Fig. 2-3: Margens de ruído
g) Níveis de Tensão Inválidos
Circuitos lógicos só trabalharão confiavelmente com níveis de tensão
especificados pelos fabricantes, ou seja, as tensões devem ser menores que
VIL(max) e maiores que VIH(min) – fora da faixa de indeterminação – e com
alimentação adequada.
h) Fornecimento de Corrente e de Absorção de Corrente
O fornecimento de corrente é mostrado na fig. 2-4. Quando a saída da
porta lógica 1 está em ALTO, ela fornece uma corrente IIH para a entrada da
porta lógica 2.
Fig. 2-4: Porta de acionamento fornecendo corrente para a porta de carga
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A absorção de corrente é mostrada na fig. 2-5. Quando a saída da porta
lógica 1 está em BAIXO, ela absorve uma corrente IIL para a entrada da porta
lógica 2.
Fig. 2-5: Porta de acionamento absorvendo corrente da porta de carga
i) Encapsulamentos de Circuitos Integrados
Alguns tipos de encapsulamentos de circuitos integrados são mostrados na
fig. 2-6.
Fig. 2-6: Encapsulamentos mais comuns de circuitos integrados
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2.3- Família Lógica TTL
Um circuito básico utilizado na lógica-transistor-transistor é mostrado na
fig. 2-7:
Fig. 2-7: Porta NAND básica TTL e equivalente a diodo para Q1
Esse circuito representa uma porta NAND TTL. Uma das principais
características desse circuito são os dois emissores do transistor Q1. Na
mesma figura está o circuito equivalente a diodo de Q1.
Outra característica construtiva importante desse circuito é sua saída
totem-pole, que impede que os dois transistores (Q3 e Q4) conduzam ao
mesmo tempo.
- Operação do Circuito – Saída em Nível Baixo
A saída em nível baixo é conseqüência de entradas A e B em nível alto
(+ 5 V). Nesse caso, Q1 ficará cortado e Q2 conduzirá (ver circuito
equivalente). A corrente fluirá do emissor de Q2 para a base de Q4 e o faz
conduzir.
A tensão no coletor de Q2 é insuficiente para Q3 conduzir. Essa tensão
está em torno de 0,8 V (0,7 V da junção B-E de Q4 + 0,1 V de Vce (sat) de Q2).
Para o transistor Q3 conduzir é necessário que sua junção B-E e o diodo D1
esteja diretamente polarizado.
Com Q4 conduzindo, a tensão de saída é muito baixa (< 0,4 V), ou nível
baixo (“0”).
- Operação do Circuito – Saída em Nível Alto
Para que a saída de uma porta NAND fique em alto, pelo menos uma
das entradas A ou B deverá ser zero. Nessa condição haverá condução de Q1
por um de seus emissores, ou pelos dois (ver circuito equivalente ), fazendo
com que Q2 fique cortado.
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Com Q2 cortado não haverá corrente na base de Q4 e ele ficará cortado
também. Sem corrente no coletor de Q2, a tensão na base de Q3 é suficiente
para que ele entre em condução.
Com Q3 conduzindo, a tensão na saída ficará em torno de 3,4 V a 3,8 V
(sem carga), devido às quedas na junção B-E de Q3 e ao diodo D1. Com carga
essa tensão deverá diminuir.
- Absorção de Corrente
Uma saída TTL em nível baixo age como um absorvedor de corrente
pois ela recebe a corrente da entrada da porta que está acionando.
- Fornecimento de Corrente
Uma saída TTL em nível alto age como fornecedora de corrente. Na
verdade essa corrente tem um valor muito baixo, causada pela fuga de
polarização reversa do “diodo” (junção B-E) de Q1.
- Outras Portas TTL
Praticamente todas as outras portas lógicas possuem o mesmo circuito
básico da porta NAND TTL. Outros circuitos internos são colocados apenas
para implementar a lógica desejada.
2.4- Características da Série TTL Padrão
- Faixas de Tensão de Alimentação e de Temperatura
Existem duas séries de TTL padrão diferenciadas pela faixa de tensão
de alimentação e temperatura: a série 74 e a série 54.
A série 74 utiliza alimentação entre 4,75 V e 5,25 V e opera entre 0º a
70º C. A série 54 utiliza alimentação entre 4,5 V e 5,5 V e opera entre -55º a
125º C.
- Níveis de Tensão
VIL(max) – 0,8 V
VOL(max) – 0,4 V
Existe uma margem de segurança de uma saída para a entrada,
chamada de margem de ruído, de 0,4 V (0,8 V – 0,4 V).
VIH(min) – 2,0 V
VOH(min) – 2,4 V
A margem de ruído também é de 0,4 V (2,4 V – 2,0 V).
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- Faixas Máximas de Tensão
As tensões máximas de trabalho de um TTL padrão não devem
ultrapassar 5,5 V. Uma tensão maior de 5,5 V aplicada a um emissor de
entrada pode causar dano na junção B-E de Q1. Tensões menores que –0,5 V
também podem danificar o componente.
- Dissipação de Potência
Uma porta NAND TTL padrão consome, em média, 10 mW.
- Atrasos de Propagação
A porta AND TTL padrão tem atrasos de propagação típicos de
tPLH = 11 ns e tPHL = 7 ns, resultando num atraso de propagação médio tPD(med)
de 9 ns.
- Fan-Out
Uma saída TTL padrão pode acionar 10 entradas TTL padrão.
2.5- Séries TTL Aperfeiçoadas
- Séries 74L e 74H
Estas séries são versões TTL para baixa potência (74L) e alta
velocidade (74H). A primeira consumia 1 mW e tinha um tempo de atraso de
propagação de 33 ns e a segunda consumia 23 mW, com um tempo de atraso
de propagação de 6 ns.
Não são mais fabricadas atualmente.
- TTL Schottky, Série 74S
Esta série utiliza diodos Schottky entre a base e o coletor dos seus
transistores, evitando que eles trabalhem saturados. Com isso o tempo de
resposta do circuito é mais rápido. Por exemplo, a porta NAND 74S00 tem um
atraso médio de 3 ns, mas um consumo de potência de 20 mW.
- TTL Schottky de Baixa Potência, Série 74LS (LS-TTL)
A série 74LS é uma versão de menor potência e menor velocidade da
série 74S. Ela utiliza a combinação transistor/diodo Schottky, mas com valores
maiores de resistores de polarização, o que diminui o consumo.
Uma porta NAND 74LS tem um atraso típico de propagação de 9,5 ns e
dissipação média de potência de 2 mW.
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- TTL Schottky Avançada, Série 74AS (AS-TTL)
A série 74AS surgiu como uma melhoria da série 74S. Possui velocidade
e fan-out maiores e um menor consumo se comparado com a série 74S.
- TTL Schottky Avançada de Baixa Potência, Série 74ALS
Esta série surgiu como uma melhoria da série 74SL.
- TTL Fast – 74F
Esta é a série TTL mais nova. Ela utiliza uma técnica de fabricação de
circuitos integrados que reduz as capacitâncias entre os dispositivos internos
visando reduzir os atrasos de propagação.
- Comparação das Características das Séries TTL
Tabela 2-1:
Índices de performance 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F
Atraso de propagação (ns) 9 3 9,5 1,7 4 3
Dissipação de potência (mW) 10 20 2 8 1,2 6
Produto velocidade-potência (pJ) 90 60 19 13,6 4,8 18
Taxa máxima de clock (MHz) 35 125 45 200 70 100
Fan-out (mesma série) 10 20 20 40 20 33
Tabela 2-2:
Parâmetros de tensão 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F
VOH (min) 2,4 2,7 2,7 2,5 2,5 2,5
VOL (max) 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4 0,5
VIH (min) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0
VIL (max) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
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2.6- Fan-Out e Carregamento para TTL
O fan-Out corresponde ao número máximo de entradas lógicas que uma
saída de um circuito lógico pode acionar. Esse número máximo está
diretamente ligado à capacidade do circuito integrado de absorver ou fornecer
corrente.
Fig. 2-8: Saída TTL padrão no estado BAIXO acionando várias entradas
Do circuito vemos que IOL é a soma das correntes IIL de cada entrada.
Essa corrente causa uma queda de tensão VOL, que não deve ser maior que
VOL(max). Isso limita a corrente IOL e o número de cargas que podem ser
acionadas.
Fig. 2-9: Saída TTL padrão no estado ALTO acionando várias entradas
Nas fig. 2-8 e fig. 2-9, vemos que IOH é a soma das correntes IIH de cada
entrada. Se cargas em excesso estiverem sendo acionadas, a corrente IOL
aumentará de tal forma que o nível VOH caia para valores menores que
VOH(min). Esse fato também limita o número de cargas acionadas e a corrente
IOH.
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- Determinando o Fan-Out
Por exemplo, a série 74 possui:
IIL (max) = 1,6 mA
IOL (max) = 16 mA
Fan-out (BAIXO) =
IL
OL
I
I
=
mA1,6
mA16
= 10
IIH (max) = 40 µA
IOH (max) = 400 µA
Fan-out (ALTO) =
IH
OH
I
I
=
μA40
μA400
= 10
O fan-out é 10 para ambos os casos. Se os valores de fan-out forem
diferentes, o fan-out será o menor deles.
Importante:
- A soma das correntes IIH de todas as entradas conectadas em uma saída
deve ser menor do que a especificação do IOH da saída;
- A soma das correntes IIL de todas as entradas conectadas em uma saída
deve ser menor do que a especificação do IOL da saída;
2.7- Outras Características TTL
- Entradas Desconectadas (Flutuando)
Entradas desconectadas (abertas) em circuitos TTL se comportam como
se o nível lógico “1” fosse aplicado à essa entrada. Embora a lógica esteja
correta, entradas desconectadas se comportam como captadoras de ruídos,
fazendo com que o circuito lógico não trabalhe corretamente.
- Entradas Não-Usadas
Fig. 2-10: Três maneiras de tratar entradas lógicas não usadas
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- Transientes de Corrente
A configuração totem-pole usada nas saídas dos circuitos TTL tem um
inconveniente: durante a transição da saída de BAIXO para ALTO ocorre um
pico de corrente porque ambos os transistores de saída estão conduzindo.
Esse pico pode chegar a 50 mA, corrente que é drenada da fonte que alimenta
o circuito.
Em um sistema digital existem vários saídas TTL trocando de estado ao
mesmo tempo e drenando da fonte picos de corrente. Esse efeito causa uma
variação na tensão da fonte e se não for devidamente filtrado pode causar
sérios problemas ao sistema.
É usual a colocação de capacitores cerâmicos de 10 nF a 100 nF entre
os terminais Vcc e GND – alimentação e terra – dos circuitos integrados.
2.8- Conectando Saídas TTL Juntas
Existem situações nas quais é vantajoso conectar as saídas de dois ou
mais portas lógicas ou circuitos. Entretanto, configuração totem-pole não nos
permite conectar saídas TTL juntas. Para fazermos isso existem outros tipos de
estrutura de saída.
- Saídas Coletor Aberto
Os circuitos TTL com saídas em coletor aberto só possuem um transistor
de saída. Quando esse transistor estiver acionado, a saída terá nível BAIXO.
Caso contrário, a saída estará flutuando. Para se obter o nível ALTO na saída
um resistor externo de pull-up é conectado.
Fig. 2-11: Circuito TTL coletor aberto com resistor de pull-up externo
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- Conexão Wired-AND
Dispositivos com saídas em coletor aberto podem ter suas saídas
conectadas juntas de maneira segura. Uma situação onde esse tipo de
conexão é usada é mostrada na fig. 2-12:
Fig. 2-12: Conexão wired-AND utilizando portas com coletor aberto
Esse tipo de conexão é chamado de conexão wired-AND porque é
equivalente à operação lógica AND. Esta configuração elimina a necessidade
de uma porta AND real.
- Buffers/Drivers de Coletor Aberto
Todo circuito lógico que é chamado buffer, driver ou buffer/driver é
projetado para suportar uma corrente e/ou uma capacidade de tensão maior do
que um circuito lógico comum.
Por exemplo, o 7406 com saída em coletor aberto pode acionar cargas
de 24 V a 25 mA.
- Simbologia para Saídas em Coletor Aberto
Fig. 2-13: Simbologia de portas lógicas com coletor aberto
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2.9- Tristate (Terceiro Estado) para o TTL
O terceiro estado, ou tristate, ocorre quando a saída de um dispositivo
TTL apresenta alta impedância. Nessa condição, os dois transistores de saída
do dispositivo estarão cortados e o terminal de saída não terá nível alto nem
baixo (saída fica praticamente aberta). Para que o dispositivo lógico entre nesta
condição, uma entrada chamada Habilitação (Enable) é acionada.
Fig. 2-14: Simbologia de um inversor TTL tristate
- CIs Tristate
Existem vários circuitos integrados lógicos tristate. Por exemplo, o
74LS125 e o 74LS126, que são buffers tristate. Os circuitos lógicos tristate são
bastante usados em sistemas que utilizam barramento de dados.
Fig. 2-15: Buffers tristates usados para conectar diversos sinais em um
barramento comum
- Simbologia para as Saídas Tristate
Fig. 2-16: Simbologia de um buffer com saída tristate
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2.10- Circuitos Integrados Digitais MOS
A maioria dos circuitos digitais MOS (metal oxide semiconductor –
semicondutor com óxido metálico) é constituída de transistores de efeito de
campo (MOSFET). Eles são menores, consomem pouco e são mais fáceis de
fabricar.
Dispositivos MOS podem conter um número maior de elementos de
circuitos em um único encapsulamento do que os circuitos integrados
bipolares. A grande desvantagem dessa tecnologia é sua susceptibilidade a
danos provocados por eletricidade estática.
2.11- O MOSFET
Fig. 2-17: Estados de comutação do MOSFET canal-N
2.12- Circuitos Digitais com MOSFETs
Os circuitos digitais que utilizam MOSFETs podem ser divididos em três
categorias: P-MOS, que utiliza MOSFETs com canal-P; N-MOS, que utiliza
MOSFETs com canal-N; e CMOS (MOS Complementar) que utiliza ambos. Os
circuitos P-MOS não são mais encontrados.
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- Inversor N-MOS
A fig. 2-18 mostra um circuito básico de um INVERSOR N-MOS:
Fig. 2-18: Inversor N-MOS
O circuito acima mostra dois MOSFETs canal-N. O transistor Q1 é
chamado MOSFET de carga e Q2 é chamado de MOSFET de comutação. O
transistor Q1 está sempre conduzindo e funciona como se fosse um resistor de
carga.
- NAND N-MOS e NOR N-MOS
A fig. 2-19 mostra os circuitos básicos das portas NAND N-MOS e NOR
N-MOS:
Fig. 2-19: Portas NAND N-MOS e NOR N-MOS
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2.13- Características da Lógica MOS
Se comparadas com famílias lógicas bipolares, as famílias lógicas N-
MOS e P-MOS têm velocidade de operação menor, necessitam de menor
potência, têm uma margem de ruído melhor, possuem uma faixa maior para a
tensão de alimentação, um fan-out maior e menos espaço de área no chip.
- Velocidade de Operação
O atraso de propagação típico de uma porta NAND N-MOS é de 50 ns.
A resistência de saída alta no estado ALTO e capacitâncias parasitas de
entrada contribuem para aumentar esse atraso.
- Margem de Ruído
Para VDD = 5 V, as margens de ruído para a família N-MOS é de
aproximadamente 1,5 V. A margem de ruído aumenta proporcionalmente para
valores maiores de VDD.
- Fan-Out
Devido à alta resistência de entrada do MOSFET, o fan-out da família
MOS é muito alto. O fan-out é limitado apenas pelas capacitâncias de entrada
da porta que, em altas freqüências, pode deteriorar o sinal digital. Mesmo
assim, o fan-out chega a 50 para a família MOS.
- Consumo de Potência
Por usar altas resistências, os circuitos lógicos MOS consomem
pequenas quantidades de potência.
- Complexidade do Processo de Fabricação
A família lógica MOS possui um processo de fabricação bem mais
simples do que a família TTL porque utiliza apenas MOSFETs.
- Sensibilidade à Eletricidade Estática
A família lógica MOS é bastante susceptíveis a danos causados por
eletricidade estática. Uma descarga eletrostática supera a capacidade de
isolamento elétrico da camada de óxido danificando permanentemente o
dispositivo.
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Recomendações:
- Conecte todos os equipamentos que for manusear no terra da rede;
- Conecte-se ao terra com o uso de uma pulseira especial;
- Evite tocar os pinos dos circuitos integrados. Coloque-os imediatamente no
circuito;
- Mantenha os circuitos integrados em suas embalagens protetoras (espumas
condutoras). Não deixe-os fora de suas embalagens.
Todas essas recomendações também valem para placas de circuito
impresso (computadores, equipamentos etc).
2.14- Lógica MOS Complementar
A família lógica MOS Complementar (CMOS) utiliza MOSFETs tanto de
canal-P quanto de canal-N. Isso torna o CMOS mais rápido e com menor
consumo de potência em comparação com as outras famílias MOS. Em
contrapartida, os circuitos integrados CMOS têm maior grau de complexidade
para a fabricação e menor densidade de integração (ocupam maior área de
chip).
- Inversor CMOS
O circuito básico do INVERSOR CMOS é mostrado na fig. 2-20:
Fig. 2-20: Inversor C-MOS
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- NAND CMOS e NOR CMOS
A fig. 2-21 mostra o circuito básico das portas NAND CMOS e NOR
CMOS:
Fig. 2-21: Portas NAND CMOS e NOR CMOS
2.15- Características da Série CMOS
- Série 4000/14000
A série 4000 e a série 14000 são equivalentes. Os circuitos integrados
dessas duas séries têm um consumo muito baixo e podem operar de 3 a 15 V.
São muito lentos quando comparados com TTL e possuem corrente de saída
muito baixa.
- Série 74C
Série CMOS compatível pino a pino e funcionalmente equivalente a
componentes TTL. Quanto à performance, a série 74C possui quase todas as
características da série 4000.
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- 74HC/HCT (High Speed CMOS – CMOS de Alta Velocidade)
Versão aperfeiçoada da série 74C. Possui maior velocidade e maior
capacidade de corrente. Componentes das séries 74HC e 74HCT são
compatíveis pino a pino com componentes da série TTL. A série 74HC não é
eletricamente compatível com TTL.
- 74AC/ACT (CMOS Avançado)
Esta série apresenta uma melhoria no que se refere a imunidade a ruído,
atraso de propagação e máxima freqüência de clock. Não são compatíveis pino
a pino com TTL. A série 74AC não é compatível eletricamente com TTL.
- 74AHC (Advanced High-Speed CMOS – CMOS Avançado de Alta
Velocidade)
Esta é a mais recente série utilizada em aplicações de alta velocidade,
baixo consumo e baixa capacidade de acionamento.
- Tensão de Alimentação
As séries 4000/14000 e 74C podem operar com VDD de 3 a 15 V. As
séries 74HC/HCT e 74AC/ACT podem operar com VDD de 2 a 6 V.
- Níveis de Tensão Lógicos
Tabela 2-3:
Parâmetro
VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) VNH VNL
4000B 3,5 1,5 4,95 0,05 1,45 1,45
74HC 3,5 1,0 4,9 0,1 1,4 0,9
74HCT 2,0 0,8 4,9 0,1 2,9 0,7
74AC 3,5 1,5 4,9 0,1 1,4 1,4
74ACT 2,0 0,8 4,9 0,1 2,9 0,7
74AHC 3,85 1,65 4,4 0,44 0,55 1,21
CMOS
74AHCT 2,0 0,8 3,15 0,1 1,15 0,7
74 2,0 0,8 2,4 0,4 0,4 0,4
74LS 2,0 0,8 2,7 0,5 0,7 0,3
74AS 2,0 0,8 2,7 0,5 0,7 0,3
TTL
74ALS 2,0 0,8 2,7 0,4 0,7 0,4
Níveis de tensão (em volts) de entrada/saída com VDD = VCC = +5 V.
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- Margens de Ruído
De um modo geral, os dispositivos CMOS têm margens de ruído maior
que os TTL (tabela anterior). As margens de ruído são calculadas a partir da
fórmula:
VNH = VOH(min) - VIH(min)
VNL = VOL(max) - VIL(max)
- Dissipação de Potência
Quando o circuito lógico CMOS está estático (não está comutando), sua
dissipação de potência é muito baixa. Para VDD = +5 V, a dissipação típica de
potência DC é de 2,5 nW. Para VDD = +10 V, este valor aumenta para apenas
10 nW.
- Dissipação de Potência Aumenta com a Freqüência
A dissipação de potência em um circuito lógico CMOS aumenta com a
freqüência de comutação de sua saída.
Quando uma saída CMOS comuta de BAIXO para ALTO, uma corrente
transiente deve ser fornecida para a capacitância de carga. Essa capacitância
corresponde a todas as capacitâncias parasitas das entradas das portas
lógicas que são acionadas por esta saída.
Fig. 2-22: Pulsos de corrente devido à capacitância parasita
A fig. 2-22 mostra o efeito da capacitância de carga no momento da
transição da saída de um circuito CMOS.
Um outro fator é que durante as transições, por um curto período de
tempo os dois transistores de saída estarão conduzindo juntos. Esse efeito
também contribui para o aumento da dissipação de potência.
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- Fan-Out
O número de entradas CMOS que uma saída CMOS pode acionar é
limitado pela capacitância de entrada. Quanto maior for o número de entradas
CMOS, maior é a capacitância de carga vista pela saída CMOS e maior será o
seu tempo de comutação. Para freqüências menores que 1 MHz, o fan-out está
limitado a 50.
- Velocidade de Comutação
Os dispositivos CMOS têm maior velocidade de comutação em relação
aos circuitos N-MOS e P-MOS. Isso porque a saída CMOS têm resistência
menor que as saídas N-MOS e P-MOS.
Uma porta NAND da série 4000 terá tipicamente um tpd de 50 ns com
VDD = 5 V, e 25 ns com VDD = 10 V.
Uma porta NAND da série 74HC/HCT tem um tpd médio em torno de 8 ns
quando VDD = 5 V. Uma porta NAND 74AC/ACT tem um tpd médio em torno de
4,7 ns. Uma porta NAND 74AHC tem um tpd médio em torno de 4,3 ns.
- Entradas Não-Utilizadas
Entrada CMOS nunca devem ficar desconectadas. Elas devem ser
conectadas a um nível lógico ou alguma outra entrada.
Uma entrada CMOS não conectada é susceptível a ruído e a eletricidade
estática, que poderiam polarizar os MOSFETs para um estado de condução,
resultando no aumento de dissipação de potência e em possível
superaquecimento.
- Sensibilidade à Eletricidade Estática
A grande resistência das entradas CMOS as torna especialmente
sensíveis ao acúmulo de cargas estáticas, que podem produzir tensões
suficientemente grandes para danificar os MOSFETs internos. A maioria dos
circuitos integrados CMOS possui diodos de proteção, que limitam a tensão de
entrada.
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- Comparação entre as Séries CMOS e TTL
Tabela 2-4:
Dissipação de
potência por porta
(mW)
Estática A 100 kHz
Atraso de
propagação
(ns)
Velocidade-
potência (a
100 kHz)
(pJ)
Freqüência
máxima de
clock (MHz)
Margem
de ruído
no pior
caso (V)
4000B 1 x 10-3
0,1 50 5 12 1,5
74HC/HCT 2,5 x 10-3
0,17 8 1,4 40 0,9
74AC/ACT 5,0 x 10-3
0,08 4,7 0,37 100 0,7
74AHC/T 9,0 x 10-5
6,0 x 10
-3
3,7 0,02 130 0,55
74 10 10 9 90 35 0,4
74LS 2 2 9,5 19 45 0,3
74AS 8 8 1,7 13,6 200 0,3
74ALS 1,2 1,2 4 4,8 70 0,4
Todos os valores são para VDD = 5 V.
2.16- Tecnologia de Baixa Tensão
O aumento do número de componentes dentro dos circuitos integrados
acarreta em um aumento de sua potência consumida e em problemas no
material isolante entre os seus componentes internos.
Para solucionar estes problemas surgiram os circuitos integrados que
utilizam a tecnologia de baixa tensão, ou seja, a tensão é menor que os 5 V:
• Série 74LVC (Low-Voltage CMOS – CMOS de Baixa Tensão) – Utiliza
lógica de 3,3 V mas pode aceitar níveis lógicos de 5 V em suas entradas.
• Série 74ALVC(Advanced Low-Voltage CMOS – CMOS de Baixa Tensão
Avançado) – Oferece melhor performance e trabalha apenas com lógica de
3,3 V.
• Série 74LV (Low-Voltage – Baixa Tensão) – Utiliza tecnologia CMOS mas
opera somente com dispositivos de 3,3 V.
• Série 74LVT(Low-Voltage BiCMOS Technology – Tecnologia BiCMOS
de Baixa Tensão) – Oferece as mesmas características da série 74LVC (as
entradas aceitam níveis lógicos de 5 V) e são eletricamente compatíveis
com TTL.
Tabela 2-5:
LVC ALVC LV LVT
Vcc (recomendado) 2,0 a 3,6 2,3 a 3,6 2,7 a 3,6 2,7 a 3,6
tPD (ns) 6,5 3 18 4
Intervalo para VIH (V) 2,0 a 6,5 2,0 a 4,6 2,0 a Vcc + 0,5 2,0 a 7
VIL (max) (V) 0,8 0,8 0,8 0,8
IOH (mA) 24 12 6 32
IOL (mA) 24 12 6 64
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2.17- Saídas CMOS de Dreno Aberto e Tristate
Saídas CMOS convencionais nunca devem ser conectadas juntas.
Quando as saídas CMOS convencionais são colocadas em curto, o valor da
tensão no terminal de saída comum será de aproximadamente Vcc / 2 se as
saídas estiverem em níveis diferentes.
- Saídas em Dreno Aberto
Dispositivos com dreno aberto são os correspondentes CMOS às saídas
em coletor aberto TTL.
- Saídas Tristate
Dispositivos com saídas tristate têm operação similar à das saídas
tristate TTL.
Fig. 2-23: Portas CMOS com dreno aberto em conexão wire-AND e saídas
CMOS tristate conectadas em um barramento
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2.18- Interfaceamento de Circuitos Integrados
Quando utilizamos circuitos integrados de diferentes tecnologias quase
sempre necessitamos de um circuito de interface. O circuito de interface está
conectado entre a saída do circuito acionador e a entrada do circuito de carga.
Sua função é condicionar o sinal vindo do acionador e condicioná-lo de modo a
torná-lo compatível com os requisitos da carga.
Tabela 2-6:
Parâmetros
VIH
(min)
VIL
(max)
VOH
(min)
VOL
(max)
IIH
(max)
IIL
(max)
IOH
(max)
IOL
(max)
4000B 3,5 V 1,5 V 4,95 V 0,05 V 1 µA 1 µA 0,4 mA 0,4 mA
74HC 3,5 V 1,0 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 4 mA 4 mA
74HCT 2,0 V 0,8 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 4 mA 4 mA
74AC 3,5 V 1,5 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 24 mA 24 mA
74ACT 2,0 V 0,8 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 24 mA 24 mA
74AHC 3,85 V 1,65 V 4,4 V 0,44 V 1 µA 1 µA 8 mA 8 mA
CMOS
74AHCT 2,0 V 0,8 V 3,15 V 0,1 V 1 µA 1 µA 8 mA 8 mA
74 2,0 V 0,8 V 2,4 V 0,4 V 40 µA 1,6 mA 0,4 mA 16 mA
74LS 2,0 V 0,8 V 2,7 V 0,5 V 20 µA 0,4 mA 0,4 mA 8 mA
74AS 2,0 V 0,8 V 2,7 V 0,5 V 20 µA 0,5 mA 2 mA 20 mA
74ALS 2,0 V 0,8 V 2,7 V 0,4 V 20 µA 0,1 mA 0,4 mA 8 mA
TTL
74F 2,0 V 0,8 V 2,5 V 0,5 V 20 µA 0,6 mA 1 mA 20 mA
Níveis de tensão e corrente de entrada/saída com VDD = VCC = +5 V.
2.19- TTL Acionando CMOS
Quando interfaceamos diferentes tipos de circuitos integrados, devemos
verificar se o dispositivo acionador pode satisfazer os parâmetros de corrente e
tensão do dispositivo de carga.
No caso de um TTL acionar uma carga CMOS, a corrente de saída TTL
é capaz de satisfazer o requisito de entrada da entrada CMOS. Com relação à
tensão, os parâmetros VOH(min) de todas as séries TTL são muito baixos
quando comparados com VIH(min) das séries 4000B, 74HC, 74AC e 74AHC.
A solução é aumentar a tensão VOH(min) do acionador TTL. Isso é feito
através de um resistor de pull-up.
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Fig. 2-24: O resistor de pull-up externo aumenta a tensão de saída para
aproximadamente 5 V no estado ALTO.
- TTL Acionando CMOS com Tensão de Alimentação Alta
Os circuitos integrados TTL não podem operar com tensões maiores do
que 5 V. Quando o dispositivo CMOS estiver operando com alimentação maior
de 5 V, o resistor de pull-up não poderá ser utilizado.
A solução é utilizar um buffer coletor aberto (7407) conforme a fig. 2-25:
Fig. 2-25: O buffer 7407 é usado para interfacear dispositivos TTL que acionam
cargas CMOS com alimentação maior do que 5 V.
2.20- CMOS Acionando TTL
- CMOS Acionando TTL no Estado ALTO
As saídas CMOS podem fornecer tensão suficiente (VOH) para satisfazer
os requisitos de uma entrada TTL no estado ALTO (VIH). As saídas CMOS
também podem fornecer corrente suficiente para satisfazer os requisitos de
corrente de entrada (IIH).
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- CMOS Acionando TTL no Estado BAIXO
Nesta situação, as séries 74HC e 74HCT podem acionar apenas uma
carga TTL. A série 4000B não consegue acionar nenhuma carga TTL.
A solução é utilizar um buffer tristate (74LS125). Este circuito de
interface possui corrente de entrada baixa e corrente alta de saída.
Fig. 2-26: Um buffer é usado para interfacear componentes CMOS de baixa
capacidade de corrente com entradas 74LS
- CMOS com Tensão de Alimentação Alta Acionando TTL
Neste caso é necessário utilizar um circuito de interface que possa
converter uma entrada de alta tensão para uma saída de 5 V. Um buffer
(4050B) é utilizado para essa interface.
Fig. 2-27: Um buffer 4050 pode ser usado como um conversor de nível entre
um componente TTL e um outro CMOS com fonte de alimentação de valor
mais alto
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3. Dispositivos de Lógica Programável (PLDs)
3.1- Introdução
A maioria dos circuitos lógicos utilizados são padronizados e possuem
diversas funções. Além disso, são fabricados por várias indústrias com um
custo muito baixo. Por essas razões esses circuitos integrados são usados em
uma grande quantidade de circuitos e sistemas.
Entretanto, existem problemas com circuitos que utilizam circuitos
integrados padronizados. Alguns sistemas podem necessitar de centenas ou
milhares de circuitos integrados. Essa quantidade enorme de componentes
necessita de um espaço considerável em uma placa e uma grande quantidade
de tempo para soldar ou testar esses circuitos integrados.
Reduzindo o número de circuitos integrados na placa podemos ter:
- menor espaço em placa: com placa menores os gabinetes seriam menores
também;
- menor consumo de potência;
- processos de fabricação mais rápidos e baratos;
- maior confiabilidade: existem menos circuitos integrados e menos
conexões sujeitas a falhas;
- facilidade de manutenção.
Os dispositivos de lógica programável (PLDs) tem todas estas
características permitindo assim substituir um grande número de circuitos
integrados padronizados por um único componente.
Um PLD é um circuito integrado que contém um grande número de
portas lógicas, flip-flops e registradores que são interconectados no chip. A
“programação” do componente pode ser feita queimando-se ou não fusíveis
que constituem as ligações internas entre os blocos lógicos de acordo com a
necessidade do usuário.
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3.2- Conceito Básico
A fig. 3-1 mostra a idéia básica utilizada pelos PLDs.
Fig. 3-1: Exemplo de um dispositivo de lógica programável
Cada entrada (A e B) é aplicada em um buffer inversor e um não
inversor que seguem para as portas AND. As saídas das portas AND são
levadas às entradas de portas OR por meio de fusíveis, que podem gerar
qualquer combinação com as entradas. Para se obter, por exemplo:
é só queimarmos os fusíveis 1 e 4 da porta OR 1.
BABAO1 +=
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3.3- Simbologia
A simbologia de um PLD é mostrada na fig. 3-2:
Fig. 3-2: Simbologia usada em PLDs
3.4- Arquitetura de um PLD
- PROM – A PROM é constituída conforme a fig. 3-3:
Fig. 3-3: Arquitetura de uma PROM
A PROM pode gerar qualquer função lógica possível das variáveis de
entrada.
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- Arranjo de Lógica Programável (PAL) – A PAL pode ser vista conforme
a fig. 3-4:
Fig. 3-4: Arquitetura típica de uma PAL
A PAL é utilizada em aplicações onde não se necessita que todas as
combinações sejam programadas. No caso da figura acima, cada saída está
conectada a apenas quatro saídas das portas AND.
Fusível de Polaridade
O fusível de polaridade é um recurso usado em muitos PLDs para
inverter qualquer saída do dispositivo. Isso é mostrado na figura a seguir:
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Fig. 3-5: Uso do fusível de polaridade para inversão da saída
3.5- Outros Recursos Disponíveis
Em circuitos de PLDs ainda podemos encontrar diversos recursos.
Esses recursos seriam: flip-flops, latches, registradores de entrada e
registradores de saída.
3.6- Outros Tipos de PLDs
FPLA (Field Programmable Logic Array) – O arranjo de lógica programável
usava uma matriz AND e uma matriz OR, ambas programáveis. Embora a
FPLA seja mais flexível do que a PAL, ela não foi bem aceita pelos projetistas.
CPLDs (PLDs Complexos) – são dispositivos que combinam vários circuitos
PAL em um mesmo chip.
FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) – Os arranjos de portas
programáveis em campo oferecem um número de blocos lógicos configuráveis
que contém lógica combinacional programável e registradores para circuitos
seqüenciais. Possuem blocos de entrada/saída que podem ser configurados
como entradas, saídas e bidirecionais.
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3.7- Programação
Quando os PLDs apareceram, a programação deles era feita
queimando-se ou não os fusíveis para se gerar o circuito lógico. Atualmente,
existem softwares que geram o mapa das conexões internas dos PLDs e ainda
testam a lógica do circuito. Existem também programadores universais onde o
PLD é colocado e pode ser programado a partir de um software.
3.8- PLDs Programáveis
A programação de um PLD é feita queimando-se um fusível. Uma vez
queimado o fusível, ele não pode ser recuperado. Tendo em vista esta
dificuldade, desenvolveu-se, então, um tipo de PLD apagável e reprogramável
(usando a mesma tecnologia das EEPROMs), que são bastante utilizados em
desenvolvimento de protótipos de circuitos digitais.
Flip-Flops
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4. Flip-Flops
4.1- Introdução
Os circuitos combinacionais são aqueles onde as saídas dependem
apenas dos níveis lógicos colocados nas entradas. A mesma combinação de
entrada sempre produzirá o mesmo resultado na saída, porque circuitos
combinacionais não possuem memória.
A maioria dos sistemas digitais é composta tanto por circuitos
combinacionais como de elementos de memória. O elemento de memória mais
importante é o flip-flop.
4.2- Flip-Flop R-S (Reset – Set)
O circuito básico do flip-flop R-S é mostrado na fig. 4-1:
Fig. 4-1: Circuito lógico do flip-flop R-S
O circuito acima mostra que o estado futuro das saídas Q e Q
dependem R e S e também do estado atual dessas saídas. Isso é mostrado na
tabela 4-1.
Tabela 4-1:
Caso S R Qatual Qfuturo futuroQ
0 0 0 0 0 1
1 0 0 1 1 0
2 0 1 0 0 1
3 0 1 1 0 1
4 1 0 0 1 0
5 1 0 1 1 0
6 1 1 0 1 1
7 1 1 1 1 1
Nos casos 0 e 1, com S = 0 e R = 0, as saídas Q e Q permaneceram
inalteradas (memória). Nos casos 2 e 3, com S = 0 e R = 1, a saída Q foi para
0 e Q foi para 1. Nos casos 4 e 5, com S = 1 e R = 0, a saída Q foi para 1 e Q
Flip-Flops
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foi para 0. Nos casos 6 e 7, com S = 1 e R = 1, as saídas Q e Q foram para 1,
ocasionando um problema, já que as saídas Q e Q devem ser
complementares.
Uma tabela simplificada e o símbolo do flip-flop R-S são mostrados na
fig. 4-2:
Fig. 4-2: Tabela verdade e simbologia do flip-flop R-S
O circuito do flip-flop R-S também pode ser implementado usando portas
NOR.
4.3- Flip-Flops com Clock
Circuitos que utilizam clock são chamados de circuitos síncronos. Muitos
flip-flops utilizam um sinal de clock para determinar o momento em que suas
saídas mudarão de estado. O sinal de clock é comum para todas as partes do
circuito.
Normalmente, o sinal de clock é uma onda quadrada e durante uma
transição positiva (nível 0 para nível 1) ou transição negativa (nível 1 para nível
0) a saída poderá mudar de estado.
Fig. 4-3: Simbologia de flip-flops com clock na transição de subida e descida
Tempos de Setup e Hold
Os tempos de setup e hold são parâmetros que devem ser observados
para que o flip-flop possa trabalhar de modo confiável. O tempo de setup, tS,
corresponde ao intervalo no qual as entradas devem permanecer estáveis
antes da transição do clock. O tempo de hold, tH, corresponde ao intervalo no
qual as entradas devem permanecer estáveis depois da transição do clock.
Os tempos de setup e hold mínimos devem ser respeitados para o
funcionamento confiável do flip-flop.
Flip-Flops
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Fig. 4-4: Tempos de setup e hold
4.4- Flip-Flop R-S com Clock
O símbolo do flip-flop R-S com clock é mostrado na fig. 4-5:
Fig. 4-5: Flip-flop R-S com clock
O circuito interno é mostrado na fig. 4-6:
Fig. 4-6: Circuito lógico interno do flip-flop R-S com clock
O detector de transição é um circuito que habilitará, por alguns instantes,
as entradas SET e RESET, durante a transição de CLOCK. O circuito típico de
um detector de transição é mostrado na fig. 4-7:
Flip-Flops
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Fig. 4-7: Circuitos detectores de transição positiva e negativa
Os tempos dos pulsos de CLK* correspondem aos tempos de atraso da
porta NOT, em torno de 5 ns.
4.5- Flip-Flop J-K
O símbolo do flip-flop J-K é mostrado na fig. 4-8:
Fig. 4-8: Flip-flop J-K
A operação do flip-flop J-K é semelhante à do flip-flop R-S. A diferença é
que o flip-flop J-K não possui a condição proibida, ou seja, J = K = 1. Nessa
situação, a saída será complementada (valor anterior será invertido).
O circuito interno do flip-flop J-K é mostrado na fig. 4-9:
Fig. 4-9: Circuito lógico interno do flip-flop J-K
Flip-Flops
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4.6- Flip-Flop D
O símbolo do flip-flop D é mostrado na fig. 4-10:
Fig. 4-10: Flip-flop D
O circuito interno do flip-flop D é mostrado na fig. 4-11:
Fig. 4-11: Circuito lógico interno do flip-flop D
4.7- Latch D
O símbolo lógico do latch D é mostrado na fig. 4-12. Diferentemente do
flip-flop D, o latch D possui uma entrada EN. Quando esta entrada estiver
habilitada, a saída é a cópia da entrada. Se ela estiver desabilitada, a saída
não mudará.
Fig. 4-12: Latch D
O circuito interno é mostrado na fig. 4-13:
Fig. 4-13: Circuito interno do latch D
Flip-Flops
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4.8- Entradas Assíncronas
Todas as entradas dos flip-flops até agora vistos dependem do sinal de
clock. Estas entradas são chamadas entradas síncronas. Em muitos flip-flops
existem outras entradas que são chamadas entradas assíncronas, ou seja, não
dependem do sinal de clock para atuarem.
Essas entradas são usadas para colocar o flip-flop no estado “0” ou “1”,
a qualquer instante. A tabela 4-2 mostra as entradas assíncronas:
Tabela 4-2:
PRESET CLEAR Resposta do Flip-Flop
1 1 Operação normal
0 1 Q = 1
1 0 Q = 0
0 0 Não usada
Para a operação normal do flip-flop, as entradas PRESET e CLEAR
devem estar em “1”. A qualquer momento podemos forçar a saída Q a ser “0”
ou “1”. A última combinação não pode ser usada, já que é contraditória.
A fig. 4-14 mostra as entradas assíncronas de um flip-flop J-K:
Fig. 4-14: Simbologia do flip-flop J-K com as entradas assíncronas
4.9- Características de Temporizações dos Flip-Flops
As seguintes características de tempo devem ser respeitadas para o
funcionamento correto dos flip-flops.
- Tempos de Setup e Hold – Correspondem aos intervalos de tempo que a
entrada deve permanecer estável antes e depois da transição do clock.
- Atrasos de Propagação – Na mudança de estado da saída, sempre
haverá um atraso entre a aplicação de um sinal na entrada e o momento
que a saída muda.
Flip-Flops
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Fig. 4-15: Atrasos de propagação
- Freqüência Máxima de Clock, fMAX – Esta é a freqüência mais alta que
pode ser aplicada no flip-flop de modo a dispará-lo confiavelmente.
- Tempos de Duração do Clock em ALTO e BAIXO – O tempo de duração
do clock em nível ALTO, tw(H) e o tempo de duração em nível BAIXO, tw(L)
são mostrados na figura abaixo.
Fig. 4-16: Tempos de duração de clock em ALTO e BAIXO
- Largura dos Pulsos Assíncronos – Assim como foram definidos larguras
mínimas de pulsos para o clock, as entradas assíncronas PRESET e
CLEAR também possuem larguras mínimas de pulsos para uma operação
correta.
Fig. 4-17: Larguras mínimas de pulsos assíncronos
- Tempos de Transição do Clock – Para garantir o funcionamento correto
do flip-flop, o tempo transição do clock deve ser o menor possível. Para
dispositivos TTL esse tempo é ≤ 50 ns e para dispositivos CMOS, ≤ 200 ns.
Flip-Flops
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4.10- Circuitos Integrados de Flip-Flops
Alguns circuitos integrados de flip-flops são mostrados abaixo:
- 7474 – Duplo flip-flop D disparado por borda (TTL);
- 74LS112 – Duplo flip-flop J-K disparado pela borda (TTL);
- 74C74 – Duplo flip-flop D disparado pela borda (CMOS);
- 74HC112 – Duplo flip-flop J-K disparado pela borda (CMOS).
Tabela 4-3:
TTL CMOS
Parâmetro de Temporização
7474 74LS112 74C74 74HC112
tS (ns) 20 20 60 25
tH (ns) 5 0 0 0
tPHL (ns) de CLK para Q 40 24 200 31
tPLH (ns) de CLK para Q 25 16 200 31
tPHL (ns) de CLR para Q 40 24 225 41
tPLH (ns) de PRE para Q 25 16 255 41
tW(L) (ns) tempo em BAIXO para CLK 37 15 100 25
tW(H) (ns) tempo em ALTO para CLK 30 20 100 25
tW(L) (ns) para CLR ou PRE 30 15 60 25
fMAX (MHz) 15 30 5 20
4.11- Problemas de Temporização em Flip-Flops
Um problema de temporização que poderá ocorrer em sistemas que
utilizam flip-flops é mostrado na fig. 4-18:
Fig. 4-18: Problemas de temporização em flip-flops
Flip-Flops
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Como o clock é o mesmo para os dois flip-flops, para que o circuito
funcione adequadamente, o tempo de hold de Q2, tH, deve ser menor que o
atraso de propagação de Q1.
4.12- Flip-Flops Mestre/Escravo
Antes do desenvolvimento de flip-flops com tempo de hold muito
pequeno, os problemas de temporização vistos anteriormente eram
solucionados utilizando-se flip-flops mestre/escravo.
Os flip-flops mestre/escravo são constituídos de dois flip-flops, um
disparado na transição de subida do clock (mestre) e o outro na descida do
clock (escravo). Na borda de subida do clock, os níveis presentes nas entradas
do flip-flop determinam a saída do mestre. Na borda de descida do clock os
níveis das saídas do mestre são passados para o escravo, ou para a saída do
flip-flop.
4.13- Dispositivos Schmitt-Trigger
A principal característica de um circuito Schmitt-Trigger é mostrada na
fig. 4-19:
Fig. 4-19: Comparação entre um inversor comum e um inversor Schmitt-
Trigger
A fig. 4-19 mostra um inversor comum sendo acionado por um sinal com
tempo de transição longo. Em circuitos comuns, a saída pode oscilar à medida
que o sinal de entrada passa pela faixa de transição.
Ainda na fig. 4-19, vemos que em um circuito com entrada Schmitt-
Trigger a saída não produzirá oscilações. Esse circuito funciona da seguinte
forma: a entrada está em nível BAIXO resultando nível ALTO na saída. A saída
só irá para nível BAIXO quando a entrada ultrapassar o valor VT+ (tensão de
limiar superior). Nessas condições, se quisermos que a saída volte a ser ALTO,
devemos aplicar uma tensão de entrada menor do que VT- (tensão de limiar
inferior).
Flip-Flops
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Dispositivos Schmitt-Trigger são especialmente usados em circuitos
onde os sinais de entrada variam lentamente (ondas senoidais, sinais de
sensores, etc). As especificações de VT+ e VT- dependem do tipo de
componente, mas VT- é sempre menor do que VT+.
4.14- Circuitos Geradores de Clock
A maioria dos sistemas digitais utiliza algum circuito gerador de clock.
Dentre essas aplicações podemos ter algumas que utilizam um sinal de clock
sem a exigência de precisão. Outras, porém, a precisão é fundamental.
Existem vários tipos de osciladores que podem gerar pulsos de clock
para sistemas digitais. Os menos precisos e menos estáveis (dependendo da
aplicação) utilizam resistores e capacitores. Os mais precisos e estáveis
utilizam cristais de quartzo e com freqüências muito maiores do que os circuitos
que utilizam resistores e capacitores como geradores de clock.
Oscilador Schmitt-Trigger
Um típico gerador de clock usando dispositivos Schmitt-Trigger é
mostrado na figura abaixo:
Fig. 4-20: Circuito de um oscilador utilizando inversor Schmitt-Trigger
Flip-Flops
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Temporizador 555 como Oscilador
O circuito integrado 555 também pode ser usado como gerador de clock.
A figura abaixo mostra isso:
Fig. 4-21: Circuito de um oscilador utilizando o temporizador 555
Osciladores a Cristal de Quartzo
A principal característica dos osciladores a cristal de quartzo é sua
estabilidade e precisão quanto à freqüência de oscilação. A figura seguinte
mostra circuitos osciladores que utilizam cristais de quartzo.
Fig. 4-22: Circuitos de osciladores a cristal
Contadores
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5. Contadores
5.1- Introdução
Os flip-flops têm funções ilimitadas em sistemas digitais. Podemos
associá-los e utilizá-los como contadores, registradores e muitos outros
circuitos.
Os contadores podem ser assíncronos ou síncronos. Basicamente, a
principal diferença entre eles é que o síncrono utiliza um sinal de clock comum
a todos os flip-flops e o assíncrono possui um sinal de clock que é dividido até
o último flip-flop.
Os registradores também são arranjos de flip-flops, mas com o objetivo
de armazenar, manipular e transferir dados entre outros registradores ou
circuitos.
5.2- Contadores Assíncronos
Os contadores assíncronos também são chamados de contadores por
pulsação (ripple counter). Um circuito típico de um contador assíncrono é
mostrado na fig. 5-1:
Fig. 5-1: Contador assíncrono utilizando flip-flops J-K
Contadores
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Tabela 5-1:
Estado D C B A Decimal
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 1 1
2 0 0 1 0 2
3 0 0 1 1 3
4 0 1 0 0 4
5 0 1 0 1 5
6 0 1 1 0 6
7 0 1 1 1 7
8 1 0 0 0 8
9 1 0 0 1 9
10 1 0 1 0 10
11 1 0 1 1 11
12 1 1 0 0 12
13 1 1 0 1 13
14 1 1 1 0 14
15 1 1 1 1 15
Reinicia a contagem → 16 0 0 0 0 0
17 0 0 0 1 1
18 0 0 1 0 2
A tabela 5-1 mostra os estados de contagem deste contador assíncrono
de quatro bits.
Podemos perceber que a cada 16 estados esse contador reinicia sua
contagem. Então ele é um contador assíncrono módulo 16, ou seja, tem 16
estados (0000 até 1111) distintos. Equacionando:
N
2Módulo =
onde N é o número de flip-flops conectados (número de bits).
Nos contadores assíncronos, a freqüência do clock é dividida por 2 em
cada flip-flop, ou seja: na saída A teremos Clock / 2, na saída B teremos Clock /
4, na saída C teremos Clock / 8 e na saída D teremos Clock / 16. Concluindo,
os contadores assíncronos são divisores de freqüência e no último flip-flop
teremos a freqüência de clock dividida pelo módulo desse contador.
Contadores
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5.3- Contadores de Módulo < 2N
Um contador assíncrono com N flip-flops terá, no máximo, módulo 2N
. Se
precisarmos de um contador com módulo menor do que 2N
será necessário
utilizar um circuito adicional, conforme mostrado na fig. 5-2:
Fig. 5-2: Contador assíncrono com módulo < 2N
A fig. 5-2 mostra um contador módulo 6. Se não houvesse a porta NAND
ligada nas entradas CLEAR dos flip-flops, o módulo seria 8. A seqüência de
contagem é mostrada na tabela 5-2:
Tabela 5-2:
Estado C B A Decimal
0 0 0 0 0
1 0 0 1 1
2 0 1 0 2
3 0 1 1 3
4 1 0 0 4
5 1 0 1 5
6 1 1 0 6
7 0 0 0 0
Estado temporário →
necessário apenas para
reiniciar a contagem 8 0 0 1 1
Contadores
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5.4- Diagrama de Transição de Estados
O diagrama de transição de estados é mostrado na fig. 5-3:
Fig. 5-3: Diagrama de transição de estados de um contador módulo 6
Neste diagrama, as linhas contínuas correspondem aos estados estáveis
e as linhas tracejadas indicam o estado temporário.
O procedimento para a construção de um contador módulo X é:
- Determinar o menor número de flip-flops tal que 2N
≤ X. Se 2N
= X, não é
necessário conectar a porta NAND na entrada assíncrona CLEAR;
- Conectar a porta NAND nas entradas assíncronas CLEAR de todos os flip-
flops;
- Determinar quais saídas estarão em ALTO na contagem X. Então é só
conectar essas saídas nas entradas da porta NAND.
5.5- Contadores de Década
Contadores de década ou decádicos são contadores que possuem 10
estados distintos, não importando a seqüência. Quando um contador decádico
conta em seqüência de 0000 a 1001 (0 a 9), ele é chamado de contador BCD.
5.6- Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos
Existem vários circuitos integrados de contadores assíncronos, tanto
TTL como CMOS.
O circuito integrado TTL 74LS293 é um contador com quatro flip-flops J-
K. Vários circuitos TTL têm suas versões CMOS. O circuito integrado CMOS
74HC4024 é um contador com sete flip-flops que não possui correspondente
TTL.
Contadores
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5.7- Contador Assíncrono Decrescente
Os contadores que contam progressivamente a partir do zero são
denominados contadores crescentes. Já os contadores decrescentes contam
do valor máximo até zero.
Um contador decrescente pode ser construído conforme mostrado na fig.
5-4:
Fig. 5-4: Contador assíncrono decrescente
Nesse circuito vemos que o clock de cada flip-flop é acionado com a
saída invertida do flip-flop anterior. Com isso a saída é invertida, ou seja,
conforme a tabela abaixo:
Tabela 5-3:
Estado C B A Decimal
0 0 0 0 0
1 1 1 1 7
2 1 1 0 6
3 1 0 1 5
4 1 0 0 4
5 0 1 1 3
6 0 1 0 2
7 0 0 1 1
8 0 0 0 0
9 1 1 1 7
Contadores
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O diagrama de transição de estados do contador decrescente módulo 8
é mostrado na fig. 5-5:
Fig. 5-5: Diagrama de transição de estados do contador decrescente módulo 8
5.8- Atrasos de Propagação de Contadores Assíncronos
Cada flip-flop de um contador assíncrono é disparado pela saída de um
flip-flop anterior. Essa característica traz uma desvantagem: o tempo de atraso
de propagação. Isso pode ser visto na fig. 5-6:
Fig. 5-6: Atrasos de propagação em contadores assíncronos
Ao passar por um flip-flop, o sinal de clock sofre um atraso de
propagação tPD e esse efeito é somado até o último flip-flop, gerando um atraso
total de N x tPD, onde N é o número de flip-flops.
Contadores
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Para que um contador assíncrono funcione de modo confiável é
necessário que o atraso total de propagação seja menor que o período de clock
usado, ou seja:
PDclock
txNT ≥
ou ainda, em termos de freqüência máxima:
PD
txN
1
max
f =
5.9- Contadores Síncronos
Como vimos, o atraso de propagação dos flip-flops dos contadores
assíncronos limitam a freqüência máxima de trabalho destes componentes.
Esse problema pode ser resolvido se os flip-flops mudassem de estado
suas saídas no momento em que houvesse a transição de clock. Essa
configuração pode ser vista na fig. 5-7:
Fig. 5-7: Contador síncrono módulo 16
Tabela 5-4:
Estado D C B A Decimal
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 1 1
2 0 0 1 0 2
3 0 0 1 1 3
4 0 1 0 0 4
5 0 1 0 1 5
6 0 1 1 0 6
7 0 1 1 1 7
8 1 0 0 0 8
9 1 0 0 1 9
10 1 0 1 0 10
11 1 0 1 1 11
12 1 1 0 0 12
13 1 1 0 1 13
14 1 1 1 0 14
15 1 1 1 1 15
Reinicia a contagem → 16 0 0 0 0 0
Contadores
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Na fig. 5-7, o sinal de clock é comum a todos os flip-flops. Com isso, o
atraso de propagação será o atraso de um flip-flop somado com o atraso da
porta NAND:
)()( NANDtflopflipttotalatraso
PDPD
+−=
Ainda analisando a fig. 5-7 vemos que o contador síncrono é mais
complexo do que o contador assíncrono. Entretanto, com um atraso de
propagação menor, ele pode trabalhar com freqüências maiores.
5.10- Circuitos Integrados de Contadores Síncronos
Podemos encontrar diversos circuitos integrados no mercado, tanto da
família TTL como CMOS. Dentre eles estão:
- 74LS160 / 162, 74HC160 / 162 – contadores síncronos decádicos.
- 74LS161 / 163, 74HC161 / 163 – contadores síncronos módulo 16.
5.11- Contadores Síncronos Decrescentes
Do mesmo modo que os contadores assíncronos, os contadores
síncronos podem contar decrescentemente. Para isso devemos conectar as
saídas A , B e C em vez das saídas A, B e C.
5.12- Contadores com Carga Paralela
Contadores síncronos podem contar a partir de um valor pré-
determinado pelo usuário. Isso é conhecido como carga paralela. A fig. 5-8
mostra um flip-flop com circuito carga de inicialização:
Fig. 5-8: Contador com carga paralela
Contadores
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Quando LOAD é BAIXO, o flip-flop funcionará normalmente. Quando
LOAD é ALTO, o valor de D é colocado na saída do flip-flop usando as
entradas assíncronas (não depende do clock).
Se fizermos isso para cada flip-flop do contador poderemos pré-
determinar o valor inicial a ser incrementado. Um exemplo prático de um
contador síncrono crescente/decrescente de módulo 16 com carga paralela é o
74LS193/74HC193.
5.13- Utilizando Contadores BCD
Contadores BCD são bastante usados em circuitos onde pulsos devem
ser contados e mostrados num display, por exemplo. A fig. 5-9 mostra um
arranjo de contadores BCD com contagem de 000 a 999:
Fig. 5-9: Contador BCD com contagem de 000 a 999
Inicialmente todos os contadores estão em 0 e, no display, é mostrado
000. A cada borda de descida do sinal de clock, o contador de unidades é
incrementado e o valor é mostrado no display. Quando o valor é 009 (1001), o
próximo pulso fará com que o contador BCD de unidades vá a 0.
Nesse momento também ocorrerá uma transição de 1 para 0 (borda de
descida) da saída D que está ligada ao clock do contador BCD de dezenas. E
agora o display mostrará o valor 010.
Isso continua até 999 quando, no próximo pulso, os contadores irão para
000, iniciando novamente a contagem.
Contadores
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5.14- Projeto de Contadores Síncronos
A fig. 5-10 mostra um diagrama genérico de um contador síncrono:
Fig. 5-10: Diagrama genérico de um contador síncrono
O circuito lógico de estado futuro define qual o próximo estado do
contador através do estado atual. Dessa maneira podemos implementar
contadores com qualquer seqüência de contagem.
Apesar usarmos flip-flops J-K em nossos projetos de contadores
síncronos, nada nos impede de usarmos flip-flops D, como na fig. 5-10.
5.15- O Flip-Flop J-K
A tabela 5-5 mostra o funcionamento do flip-flop J-K:
Tabela 5-5:
J K Qatual Qfuturo
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 0
Contadores
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A tabela 5-5 relaciona as entradas J e K e a saída Qatual de modo a gerar
um Qfuturo. Na verdade, na construção de contadores síncronos, nós já
sabemos Qatual e Qfuturo (valores da contagem), mas precisamos saber quais
são os valores das entradas J e K que gerarão Qfuturo. Desse modo nossa
tabela deverá ser:
Tabela 5-6:
Qatual Qfuturo J K
0 0 0 x
0 1 1 x
1 0 x 1
1 1 x 0
Onde x = irrelevante.
A tabela 5-6 relaciona os estados atual e futuro da saída Q com relação
às entradas J e K.
5.16- Procedimento para Construção de Contadores Síncronos
Projetaremos um contador síncrono usando a seqüência de contagem
da tabela 5-7:
Tabela 5-7:
C B A
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
0 0 0
Os passos são os seguintes:
- Definir o número de flip-flops (bits) do contador e a seqüência de contagem;
- Mostrar o diagrama de transição de estados indicando todos os estados
possíveis, incluindo os estados que não fazem parte da seqüência. O
diagrama é mostrado na fig. 5-11:
Contadores
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Fig. 5-11: Diagrama de transição de estados
A fig. 5-12 mostra o circuito de geração do estado futuro a ser projetado.
Podemos notar que as saídas A, B e C, na verdade, são as entradas desse
circuito e que as entradas J e K são as saídas.
Fig. 5-12: Diagrama do contador a ser projetado
Contadores
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- Gerar a tabela de transição de estados (estados atual e futuro):
Tabela 5-8:
Atual Futuro
C B A C B A
JC KC JB KB JA KA
0 0 0 0 0 1 0 x 0 X 1 x
0 0 1 0 1 0 0 x 1 X x 1
0 1 0 0 1 1 0 x x 0 1 x
0 1 1 1 0 0 1 x x 1 x 1
1 0 0 0 0 0 x 1 0 X 0 x
1 0 1 0 0 0 x 1 0 X x 1
1 1 0 0 0 0 x 1 x 1 0 x
1 1 1 0 0 0 x 1 x 1 x 1
Onde x = irrelevante.
- Encontrar as expressões lógicas que relacionam as saídas J e K com as
entradas A, B e C, usando o mapa de Karnaugh. Depois da simplificação
chegamos às seguintes expressões:
JA = C JB = CA. JC = A.B
KA = 1 KB = A + C KC = 1
O circuito final é mostrado na fig. 5-13.
Fig. 5-13: Circuito lógico final do contador
Registradores
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6. Registradores
6.1- Introdução
A utilização mais comum dos flip-flops é no armazenamento e
transferência de informações. Essas informações são armazenadas em grupos
de flip-flops chamados registradores.
Além de armazenar informações, os registradores têm a capacidade de
transferir essas informações para outros registradores. Isso é bastante
interessante, já que o armazenamento e a transferência de dados são as
principais características dos sistemas digitais.
6.2- Registradores de Deslocamento
A fig. 6-1 mostra um registrador de deslocamento de 4 bits e suas
formas de onda.
Fig. 6-1: Registrador de deslocamento de 4 bits e formas de onda
A cada pulso de clock, o valor contido nas entradas J e K dos flip-flops é
transferido para a saída. Essa saída está conectada na entrada do próximo flip-
flop e no final de 4 pulsos de clock, o valor da entrada DADOS, que foi
transferido serialmente, estará armazenado no registrador.
Registradores
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6.3- Transferência Paralela de Dados entre Registradores
A fig. 6-2 mostra a transferência paralela de dados entre dois
registradores:
Fig. 6-2: Transferência paralela de dados entre registradores
As saídas dos flip-flops que constituem o registrador X estão conectadas
nas entradas dos flip-flops que constituem o registrador Y. Depois do pulso
TRANFER, o conteúdo armazenado no registrador X é transferido para o
registrador Y.
6.4- Transferência Serial de Dados entre Registradores
A fig. 6-3 mostra a transferência serial de dados entre dois registradores.
Fig. 6-3: Transferência serial de dados entre registradores
Registradores
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6.5- Comparação entre a Transferência Paralela e a
Transferência Serial
Na transferência paralela, os dados são transmitidos simultaneamente
na ocorrência de um único pulso de transferência. Na transferência serial, cada
bit é transmitido a cada pulso de transferência.
Com relação à velocidade de transmissão, a transferência paralela é
mais rápida do que a serial. Em compensação, a transferência paralela
necessita de um número maior de conexões entre os registradores.
6.6- Contadores com Registradores de Deslocamento
Registradores de deslocamento também podem ser usados como
contadores:
- Contador em Anel – O contador em anel é mostrado na fig. 6-4:
Fig. 6-4: Contador em anel
No contador em anel, um das saídas dos flip-flops está em 1 e as outras
está em 0. Por ser um registrador de deslocamento, esse 1 é transferido para o
próximo flip-flop e assim sucessivamente. A tabela 5-1 mostra a seqüência da
contagem.
Registradores
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Tabela 5-1:
Pulso de Clock Q3 Q2 Q1 Q0
0 1 0 0 0
1 0 1 0 0
2 0 0 1 0
3 0 0 0 1
4 1 0 0 0
5 0 1 0 0
6 0 0 1 0
7 0 0 0 1
Para o perfeito funcionamento deste tipo de contador, um dos flip-flops
deve ter inicialmente o valor 1 e os outros 0. Isso pode ser feito através das
entradas assíncronas PRESET e CLEAR.
- Contador Johnson – O contador Johnson é mostrado na fig. 6-5:
Fig. 6-5: Contador Johnson
A tabela 5-2 mostra a seqüência de contagem do contador Johnson:
Tabela 5-2:
Pulso de Clock Q2 Q1 Q0
0 0 0 0
1 1 0 0
2 1 1 0
3 1 1 1
4 0 1 1
5 0 0 1
6 0 0 0
7 1 0 0
Registradores
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6.7- Circuitos Integrados de Registradores
Os registradores podem ser classificados da forma com a qual seus
dados são transferidos:
- Entrada paralela / saída paralela – 74174, 74LS174, 74HC174;
- Entrada serial / saída serial – 4731B;
- Entrada paralela / saída serial – 74165, 74LS165, 74HC165;
- Entrada serial / saída paralela – 74164, 74LS164, 74HC164.
Existem outras versões de registradores como, por exemplo:
- 74194, 74LS194, 74HC194 – registrador de deslocamento bidirecional
universal de quatro bits com entrada paralela e saída paralela.
- 74373, 74LS373, 74HC373, 74HCT373 – registrador de oito bits de entrada
paralela e saída paralela que contém oito latches tipo D com saídas em
tristate.
- 74374, 74LS374, 74HC374, 74HCT374 – registrador de oito bits de entrada
paralela e saída paralela que contém oito flip-flops tipo D com saídas em
tristate.
Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores
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7. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e
Demultiplexadores
7.1- Decodificadores
Decodificador é um circuito lógico que recebe em suas entradas um
código que representa um número binário e ativa a saída correspondente a
esse número binário. Os decodificadores são circuitos combinacionais sem
memória mas são bastante usados em sistemas digitais.
A fig. 7-1 mostra o diagrama de um decodificador de 3 linhas para 8
linhas:
Fig. 7-1: Decodificador 3 para 8
A tabela 7-1 mostra a tabela verdade para o decodificador 3 para 8.
Tabela 7-1:
C B A O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0
1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0
1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0
1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1
Através da tabela verdade vemos que apenas uma saída é acionada,
dependendo apenas do código de entrada. As entradas E1 e E2 são as
entradas de habilitação do componente. Quando elas estiverem acionadas, ou
seja, E1 = 0 e E2 = 1, o componente responderá às entradas A, B e C.
Um exemplo de decodificador é o circuito integrado 74LS138/HC138. Ele
é um decodificador de 3 linhas para 8 linhas.
Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores
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Decodificadores BCD para Decimal
Um exemplo de decodificador BCD para decimal é o circuito integrado
7442/LS42/HC42. Esses decodificadores também são denominados de
decodificadores 4 para 10.
Decodificadores/Driver BCD para Decimal
O circuito integrado 7445 é um decodificador/driver BCD para decimal. O
termo driver é usado porque este componente possui saídas com coletor
aberto que podem operar com tensões e correntes maiores que uma saída TTL
normal.
Decodificadores/Driver BCD para 7 Segmentos
Muitas aplicações que envolvem medições é necessário que o valor
binário em um registrador ou contador seja mostrado em um display. Os
circuitos integrados 7446 e 7447 são decodificadores BCD para 7 segmentos.
O diagrama de um decodificador BCD para 7 segmentos é mostrado na
fig. 7-2:
Fig. 7-2: Decodificador BCD para 7 segmentos
Como os displays usados são formados com LEDs, cada segmento do
display necessita de uma corrente alta para acender. Circuitos TTL e CMOS
não tem capacidade de fornecer corrente suficiente e por isso não são usados
para acionar diretamente os displays. Os decodificadores/driver BCD para 7
segmentos podem acionar diretamente displays de LEDs.
Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores
FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 77
7.2- Codificadores
Os codificadores executam a função contrária dos decodificadores. Nos
codificadores apenas uma linha da entrada é acionada por vez e a saída terá o
código da linha acionada.
Fig. 7-3: Codificador 8 para 3
Note que não existe a entrada A0, já que se nenhuma entrada estiver
acionada o código de saída é 000.
A tabela 7-2 mostra a tabela verdade:
Tabela 7-2:
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 C B A
x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
x 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1
x 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0
x 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1
x 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0
x 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1
x 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0
x 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1
O circuito integrado 74147 é um codificador de prioridade decimal para
BCD. O codificador de prioridade inclui uma lógica para garantir que, quando
duas ou mais entradas estiverem acionadas, o código de saída corresponderá
à entrada com número mais alto. Por exemplo, se as entradas A3 e A5
estiverem acionadas, o código na saída será 101 (5).
O símbolo lógico do 74147 e sua tabela verdade são mostrados na fig.
7-4.
Fig. 7-4: Codificador decimal para BCD
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  • 2. Referências Bibliográficas e Internet FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller I Referências Bibliográficas 1- TOCCI, R. J.; WIDMER, N.S.; Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. Rio de Janeiro: LTC, 2000. 2- MALVINO, A. P.; LEACH, D. P.; Eletrônica Digital: Princípios e Aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, 1987. 3- TAUB, H.; Circuitos Digitais e Microprocessadores. São Paulo: McGraw-Hill, 1984. 4- LOURENÇO, A. C.; Circuitos Digitais. São Paulo: Érica. 5- CAPUANO, F. G.; IDOETA, I. V.; Elementos de Eletrônica Digital. São Paulo: Érica. 6- MELO, M.; Eletrônica Digital. São Paulo: Makron Books. 7- TOKHEIM, R. L.; Princípios Digitais. São Paulo: McGraw-Hill. Internet 1- ALTERA – http://www.altera.com/ - Dispositivos de Lógica Programável 2- XILINX – http://www.xilinx.com/ - Dispositivos de Lógica Programável 3- ATMEL – http://www.atmel.com/ - Microcontroladores (AVR) e Componentes Discretos 4- MICROCHIP – http://www.microchip.com/ - Microcontroladores (PIC) e Componentes Discretos 5- NATIONAL – http://www.national.com/ - Microcontroladores (COP8) e Componentes Discretos 6- TEXAS INSTRUMENTS – http://www.ti.com/ - Microcontroladores (MSP430) e Componentes Discretos 7- BURR-BROWN – http://www.burrbrown.com/ - Conversores A/D e D/A e Amplificadores Operacionais 8- INTEL – http://www.intel.com/ - Microcontroladores (8051) e Componentes Discretos 9- ANALOG DEVICES – http://www.analog.com/ - Conversores A/D e D/A e Componentes Discretos 10-MOTOROLA – http://e-www.motorola.com/ - Microcontroladores (M68HC) e Componentes Discretos
  • 3. Sumário FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller II 1. Revisão de Circuitos Combinatórios...............................................1 1.1- Conceitos Introdutórios ...........................................................................1 1.2- Representação de Quantidades Binárias................................................2 1.3- Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos .........................................................3 1.4- Sistemas de Numeração e Códigos........................................................3 1.5- Portas Lógicas e Álgebra Booleana........................................................5 1.6- Teoremas da Álgebra de Boole...............................................................8 1.7- Universalidade das Portas NAND e NOR ...............................................9 1.8- Simplificação de Circuitos Lógicos..........................................................9 1.9- Projetando Circuitos Lógicos ................................................................10 1.10- Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação Circuitos Lógicos ...11 1.11- Outras Portas Lógicas...........................................................................11 1.12- Circuitos Integrados Lógicos.................................................................12 2. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados....................................14 2.1- Introdução .............................................................................................14 2.2- Terminologia de Circuitos Integrados Digitais.......................................14 2.3- Família Lógica TTL ...............................................................................18 2.4- Características da Série TTL Padrão....................................................19 2.5- Séries TTL Aperfeiçoadas.....................................................................20 2.6- Fan-Out e Carregamento para TTL.......................................................22 2.7- Outras Características TTL ...................................................................23 2.8- Conectando Saídas TTL Juntas............................................................24 2.9- Tristate (Terceiro Estado) para o TTL..................................................26 2.10- Circuitos Integrados Digitais MOS ........................................................27 2.11- O MOSFET ...........................................................................................27 2.12- Circuitos Digitais com MOSFETs..........................................................27 2.13- Características da Lógica MOS.............................................................29 2.14- Lógica MOS Complementar..................................................................30 2.15- Características da Série CMOS ............................................................31 2.16- Tecnologia de Baixa Tensão.................................................................35 2.17- Saídas CMOS de Dreno Aberto e Tristate............................................36 2.18- Interfaceamento de Circuitos Integrados ..............................................37 2.19- TTL Acionando CMOS..........................................................................37 2.20- CMOS Acionando TTL..........................................................................38 3. Dispositivos de Lógica Programável (PLDs) ..............................40 3.1- Introdução .............................................................................................40 3.2- Conceito Básico ....................................................................................41 3.3- Simbologia ............................................................................................42 3.4- Arquitetura de um PLD..........................................................................42 3.5- Outros Recursos Disponíveis................................................................44 3.6- Outros Tipos de PLDs...........................................................................44 3.7- Programação.........................................................................................45 3.8- PLDs Programáveis ..............................................................................45
  • 4. Sumário FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller III 4. Flip-Flops.................................................................................................46 4.1- Introdução .............................................................................................46 4.2- Flip-Flop R-S (Reset – Set)...................................................................46 4.3- Flip-Flops com Clock.............................................................................47 4.4- Flip-Flop R-S com Clock .......................................................................48 4.5- Flip-Flop J-K..........................................................................................49 4.6- Flip-Flop D ............................................................................................50 4.7- Latch D..................................................................................................50 4.8- Entradas Assíncronas...........................................................................51 4.9- Características de Temporizações dos Flip-Flops ................................51 4.10- Circuitos Integrados de Flip-Flops.........................................................53 4.11- Problemas de Temporização em Flip-Flops..........................................53 4.12- Flip-Flops Mestre/Escravo ....................................................................54 4.13- Dispositivos Schmitt-Trigger..................................................................54 4.14- Circuitos Geradores de Clock ...............................................................55 5. Contadores..............................................................................................57 5.1- Introdução .............................................................................................57 5.2- Contadores Assíncronos.......................................................................57 5.3- Contadores de Módulo < 2N ..................................................................59 5.4- Diagrama de Transição de Estados......................................................60 5.5- Contadores de Década .........................................................................60 5.6- Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos .................................60 5.7- Contador Assíncrono Decrescente .......................................................61 5.8- Atrasos de Propagação de Contadores Assíncronos............................62 5.9- Contadores Síncronos ..........................................................................63 5.10- Circuitos Integrados de Contadores Síncronos.....................................64 5.11- Contadores Síncronos Decrescentes....................................................64 5.12- Contadores com Carga Paralela...........................................................64 5.13- Utilizando Contadores BCD ..................................................................65 5.14- Projeto de Contadores Síncronos .........................................................66 5.15- O Flip-Flop J-K......................................................................................66 5.16- Procedimento para Construção de Contadores Síncronos...................67 6. Registradores.........................................................................................70 6.1- Introdução .............................................................................................70 6.2- Registradores de Deslocamento...........................................................70 6.3- Transferência Paralela de Dados entre Registradores .........................71 6.4- Transferência Serial de Dados entre Registradores .............................71 6.5- Comparação entre a Transferência Paralela e a Transferência Serial..72 6.6- Contadores com Registradores de Deslocamento................................72 6.7- Circuitos Integrados de Registradores..................................................74
  • 5. Sumário FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller IV 7. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores.................................................................................75 7.1- Decodificadores ....................................................................................75 7.2- Codificadores ........................................................................................77 7.3- Multiplexadores.....................................................................................78 7.4- Demultiplexadores ................................................................................81 8. Aritmética Digital...................................................................................83 8.1- Introdução .............................................................................................83 8.2- Adição Binária.......................................................................................83 8.3- Representação de Números com Sinal.................................................83 8.4- Representação de Números com Sinal Usando Complemento a 2 ......85 8.5- Multiplicação de Números Binários.......................................................88 8.6- Divisão de Números Binários................................................................88 8.7- Adição de Números BCD......................................................................89 8.8- Aritmética Hexadecimal ........................................................................89 8.9- Circuitos Aritméticos .............................................................................90 8.10- Somador Paralelo Integrado .................................................................95 8.11- Ligação em Cascata de Somadores Paralelos .....................................95 8.12- Circuito Integrados de ULAs .................................................................95 9. Conversão Digital-Analógica............................................................97 9.1- Interface com o Mundo Analógico ...........................................................97 9.2- Sistema Digital Interfaceando com Grandezas Analógicas.....................97 9.3- Conversão Digital Analógica (D/A) ..........................................................98 9.4- Código de Entrada BCD........................................................................100 9.5- Conversor D/A com Amplificador Operacional ......................................100 9.6- Fatores Importantes na Precisão da Conversão ...................................102 9.7- Conversores D/A com Saída em Corrente ............................................103 9.8- Rede R/2R.............................................................................................104 9.9- Especificações de Conversores D/A .....................................................104 9.10- Circuito Integrado de Conversão D/A – AD7524 ...................................105 9.11- Aplicações de Conversores D/A............................................................105 10. Conversão Analógico-Digital........................................................107 10.1- Introdução .........................................................................................107 10.2- Conversor A/D de Rampa Digital ......................................................108 10.3- Precisão e Resolução de Conversores A/D ......................................108 10.4- Aquisição de Dados ..........................................................................109 10.5- Reconstrução de Sinais Digitalizados...............................................110 10.6- Conversor A/D de Aproximações Sucessivas...................................111 10.7- ADC0804 – Conversor A/D de Aproximações Sucessivas ...............112
  • 6. Sumário FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller V 10.8- Conversor A/D Flash.........................................................................114 10.9- Outros Métodos de Conversão A/D ..................................................115 11. Memórias.............................................................................................117 11.1- Introdução .........................................................................................117 11.2- Definição de Termos Básicos............................................................117 11.3- Princípios de Operação das Memórias .............................................119 11.4- Conexões da Memória com a CPU...................................................120 12. Memórias Somente de Leitura (ROM)........................................122 12.1- Introdução .........................................................................................122 12.2- Diagrama em Blocos de uma ROM...................................................122 12.3- Arquitetura de uma ROM ..................................................................123 12.4- Temporização de uma ROM .............................................................124 12.5- Tipos de ROM...................................................................................124 12.6- Aplicações de ROMs.........................................................................125 13. Memórias de Acesso Aleatório (RAM) ......................................126 13.1- Introdução .........................................................................................126 13.2- Arquitetura de uma RAM...................................................................126 13.3- RAM Estática (SRAM).......................................................................128 13.4- RAM Dinâmica (DRAM) ....................................................................130 14. Expansão do Tamanho da Palavra e da Capacidade...........133 14.1- Introdução .........................................................................................133 14.2- Expansão do Tamanho da Palavra...................................................133 14.3- Expansão da Capacidade.................................................................134 15. Microcontrolador AT90S8515.......................................................136 15.1- Introdução .........................................................................................136 15.2- Características do Microcontrolador AT90S8515..............................137 15.3- Encapsulamento ...............................................................................137 15.4- Descrição Geral ................................................................................138 15.5- Diagrama em Blocos.........................................................................139 15.6- Descrição dos Pinos .........................................................................140 15.7- Oscilador...........................................................................................141 15.8- Arquitetura ........................................................................................141 15.9- Temporizadores/Contadores.............................................................157 15.10- Watchdog Timer..............................................................................166
  • 7. SUMÁRIO FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller VI 15.11- Acesso para Leitura/Escrita na EEPROM.......................................168 15.12- UART ..............................................................................................171 15.13- Comparador Analógico ...................................................................176 15.14- Interface com SRAM Externa..........................................................178 15.15- Portas de Entrada/Saída.................................................................179 16. Guia para Uso do Assembler AVR..............................................188 16.1- Introdução .........................................................................................188 16.2- Código Fonte do Assembler..............................................................188 16.3- Registradores da Memória de I/O do AT90S8515 ............................189 16.4- Tabela de Instruções.........................................................................190 16.5- Diretivas no Assembler .....................................................................196 16.6- Expressões .......................................................................................204
  • 8. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 1 1. Revisão de Circuitos Combinatórios 1.1- Conceitos Introdutórios Grandezas Analógicas e Digitais Grandezas analógicas são aquelas que podem variar em um intervalo contínuo de valores. Por exemplo, a velocidade de um veículo pode assumir qualquer valor de 0 a 200 Km/h. Grandezas digitais são aquelas que variam em passos discretos. Por exemplo, o tempo varia continuamente mas a sua medição através de um relógio digital é feita a cada minuto. Sistemas Analógicos e Digitais Um sistema analógico contém dispositivos que podem manipular quantidades físicas analógicas. Por exemplo, a saída de um amplificador pode variar continuamente dentro de um certo intervalo. Um sistema digital contém dispositivos capazes de manipular informações lógicas (representadas na forma digital). Um exemplo seria um computador. As vantagens das técnicas digitais são várias: - Sistemas digitais são mais fáceis de projetar; - Fácil armazenamento de informação; - Maior exatidão e precisão; - A operação do sistema pode ser programada; - Circuitos digitais são menos afetados pelo ruído; - Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado em um circuito integrado. Sistemas de Numeração Digital - Sistema decimal – contém 10 algarismos (0 a 9). Representação: 273,4110 = (2 x 102 ) + (7 x 101 ) + (3 x 100 ) + (4 x 10-1 ) + (1 x 10-2 ) Pesos 102 101 100 10-1 10-2 2 7 3 4 1 - Sistema binário – contém 2 algarismos (0 e 1). Representação: 101,012 = (1 x 22 ) + (0 x 21 ) + (1 x 20 ) + (0 x 2-1 ) + (1 x 2-2 ) = 5,2510 Pesos 22 21 20 2-1 2-2 1 0 1 0 1
  • 9. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 2 - Sistema octal – contém 8 algarismos (0 a 7). Representação: 157,28 = (1 x 82 ) + (5 x 81 ) + (7 x 80 ) + (2 x 8-1 ) = 111,2510 Pesos 82 81 80 8-1 1 5 7 2 - Sistema hexadecimal – contém 16 algarismos (0 a F). Representação: 15A,216 = (1 x 162 ) + (5 x 161 ) + (10 x 160 ) + (2 x 16-1 ) = 346,12510 Pesos 162 161 160 16-1 1 5 10 2 1.2- Representação de Quantidades Binárias Em sistemas digitais, a informação geralmente apresenta a forma binária. Essas quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente dois estados de operação. Uma chave, por exemplo, pode estar aberta ou fechada. Podemos dizer que a chave aberta corresponde ao dígito binário “0” e a chave fechada corresponde ao dígito binário “1”. Outros exemplos: uma lâmpada (acesa ou apagada), um diodo (conduzindo ou não), um transistor (conduzindo ou não) etc. Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por níveis de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volts poderia representar o valor binário “0” e +5 volts poderia representar o valor binário “1”. Mas, devido a variações nos circuitos, os valores binários são representados por intervalos de tensões: o “0” digital corresponde a uma tensão entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1” digital corresponde a uma tensão entre 2 e 5 volts. Com isso percebemos uma diferença significativa entre um sistema analógico e um sistema digital. Nos sistemas digitais, o valor exato da tensão não é importante. Fig. 1-1: Intervalos típicos de tensão para os binários 0 e 1.
  • 10. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 3 1.3- Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos Circuitos digitais são projetados para produzir tensões de saída e responder a tensões de entrada que estejam dentro do intervalo determinado para os binários 0 e 1. A fig. 1-2 mostra isso: Fig. 1-2: Resposta de um circuito digital Praticamente todos os circuitos digitais existentes são circuitos integrados (CIs), o que tornou possível a construção de sistemas digitais complexos menores e mais confiáveis do que aqueles construídos com circuitos lógicos discretos. 1.4- Sistemas de Numeração e Códigos O sistema binário de numeração é o mais importante em sistemas digitais. O sistema decimal também é importante porque é usado por todos nós para representar quantidades. Já os sistemas octal e hexadecimal são usados para representar números binários grandes de maneira eficiente. - Conversões Binário-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 110112 = (1 x 24 ) + (1 x 23 ) + (0 x 22 ) + (1 x 21 ) + (1 x 20 ) = 2710
  • 11. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 4 - Conversões Decimal-Binário – O método usado é o das divisões sucessivas: - Conversão Octal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 3728 = (3 x 82 ) + (7 x 81 ) + (2 x 80 ) = 25010 - Conversão Decimal-Octal – O método usado é o das divisões sucessivas: - Conversão Octal-Binário – Cada dígito octal é convertido para o seu correspondente em binário. Dígito Octal 0 1 2 3 4 5 6 7 Equivalente Binário 000 001 010 011 100 101 110 111 4728 = (100) (111) (010) = 1001110102 - Conversão Binário-Octal – O número binário é dividido em grupos de 3 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente octal. 1001110102 = (100) (111) (010) = 4728 - Conversão Hexadecimal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 2AF16 = (2 x 162 ) + (10 x 161 ) + (15 x 160 ) = 68710 - Conversão Decimal-Hexadecimal – O método usado é o das divisões sucessivas: - Conversão Hexadecimal-Binário – Cada dígito hexadecimal é convertido para o seu correspondente em binário. 9F216 = (1001) (1111) (0010) = 1001111100102 - Conversão Binário-Hexadecimal – O número binário é dividido em grupos de 4 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente hexadecimal. 11101001102 = (0011) (1010) (0110) = 3A616
  • 12. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 5 - Código BCD – O código BCD não constitui um sistema de numeração. Ele apenas relaciona cada dígito do sistema decimal com um grupo de 4 dígitos do sistema binário. 87410 = (1000) (0111) (0100) = 100001110100 (BCD) Relacionando as Representações Tabela 1-1 Decimal Binário Octal Hexadecimal BCD 0 0 0 0 0000 1 1 1 1 0001 2 10 2 2 0010 3 11 3 3 0011 4 100 4 4 0100 5 101 5 5 0101 6 110 6 6 0110 7 111 7 7 0111 8 1000 10 8 1000 9 1001 11 9 1001 10 1010 12 A 0001 0000 11 1011 13 B 0001 0001 12 1100 14 C 0001 0010 13 1101 15 D 0001 0011 14 1110 16 E 0001 0100 15 1111 17 F 0001 0101 1.5- Portas Lógicas e Álgebra Booleana A álgebra booleana é a ferramenta fundamental para descrever a relação entre as saídas de um circuito lógico e suas entradas através de uma equação (expressão booleana). Existem três operações básicas: OR (OU), AND (E) e NOT (NÃO). Operação Lógica OR (OU) Fig. 1-3: Porta OR (OU)
  • 13. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 6 Operação Lógica AND (E) Fig. 1-4: Porta AND (E) Operação Lógica NOT (INVERSORA) Fig. 1-5: Porta NOT (INVERSORA) Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente Qualquer circuito lógico pode ser descrito usando as portas AND, OR e NOT. Essas três portas são os blocos básicos na construção de qualquer sistema digital. Fig. 1-6: Circuito Lógico e sua Expressão Lógica
  • 14. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 7 Implementando Circuitos Lógicos a partir de Expressões Booleanas Podemos usar a expressão booleana para gerar o circuito lógico. Por exemplo: Fig. 1-7: Expressão Lógica e seu Circuito Lógico Portas NOR e NAND Outros tipos de portas lógicas existentes são as portas NOR e NAND, que na verdade são combinações das portas OR, AND e NOT. Fig. 1-8: Portas NOR e NAND
  • 15. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 8 1.6- Teoremas da Álgebra de Boole Esses teoremas, aplicados na prática, visam simplificar as expressões booleanas e consequentemente os circuitos gerados por estas expressões. Teoremas Booleanos Teoremas de DeMorgan
  • 16. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 9 1.7- Universalidade das Portas NAND e NOR Qualquer expressão lógica pode ser implementada usando apenas portas NAND ou portas NOR. Isso porque podemos representar portas OR, AND ou NOT usando apenas portas NAND ou NOR. Fig. 1-9: Uso de PORTAS NAND para implementar outras funções booleanas. 1.8- Simplificação de Circuitos Lógicos Depois de encontrada a expressão de um circuito lógico, podemos reduzi-la para uma forma mais simples. A intenção é diminuir o número de variáveis nessa expressão, o que significa diminuir o número de portas lógicas e conexões em um circuito lógico. Simplificação Algébrica A simplificação algébrica é feita com o uso dos teoremas da álgebra booleana e de DeMorgan. Exemplo:
  • 17. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 10 1.9- Projetando Circuitos Lógicos Passos para o projeto completo de um circuito lógico: a) Montar a tabela-verdade: A B C x 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 b) Analisar a saída: Quando qualquer entrada de uma porta OR for “1” então a saída será “1”. Então podemos deduzir que a saída x é uma operação OR de todos os casos em que a saída x é “1”. Cada caso corresponde a uma operação lógica AND com todas as variáveis de entrada. c) Simplificar a expressão lógica obtida: A expressão pode ser reduzida a um número menor de termos se aplicarmos os teoremas booleanos e de DeMorgan. d) Implementar o circuito através da expressão lógico: Fig. 1-10: Circuito lógico final
  • 18. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 11 1.10- Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação Circuitos Lógicos Vamos usar a tabela anterior como exemplo. 1.11- Outras Portas Lógicas Circuito XOR Fig. 1-11: Porta XOR (OU-Exclusivo)
  • 19. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 12 Circuito XNOR Fig. 1-12: Porta XNOR (NOU-Exclusivo) 1.12- Circuitos Integrados Lógicos Exemplos de circuitos integrados lógicos: Fig. 1-13: Circuito integrado 74LS08 (4 portas AND de 2 entradas)
  • 20. Revisão de Circuitos Combinatórios FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 13 Fig. 1-14: Circuito integrado 74LS04 (6 portas inversoras) Fig. 1-15: Circuito integrado 74LS32 (4 portas OR de 2 entradas) Outros: - 7400 – Quatro portas NAND - 7402 – Quatro portas NOR - 7486 – Quatro portas XOR - 74266 – Quatro portas XNOR
  • 21. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 14 2. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados 2.1- Introdução Circuitos integrados são amplamente usados na construção de sistemas digitais. Isso porque eles têm muito mais circuitos em um pequeno encapsulamento e são mais confiáveis. 2.2- Terminologia de Circuitos Integrados Digitais Os fabricantes de circuitos integrados digitais seguem praticamente o mesmo padrão de nomenclatura e terminologia: a) Tensão e Corrente: - VIH(min) – Mínima Tensão de Entrada em Nível Alto. - VIL(max) – Máxima Tensão de Entrada em Nível Baixo. - VOH(min) – Mínima Tensão de Saída em Nível Alto. - VOL(max) – Máxima Tensão de Saída em Nível Baixo. - IIH – Corrente de Entrada em Nível Alto. - IIL – Corrente de Entrada em Nível Baixo. - IOH – Corrente de Saída em Nível Alto. - IOL – Corrente de Saída em Nível Baixo. Fig. 2-1: Tensões e correntes em nível lógico 1 e 0 b) Fan-Out O Fan-Out corresponde ao número máximo de entradas lógicas que uma saída de um circuito lógico pode acionar. Se esse número for excedido, os níveis de tensão e corrente não serão garantidos.
  • 22. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 15 c) Atrasos de Propagação Um sinal lógico, ao atravessar um circuito, sofre um atraso. Existem dois tipos de atraso: - tPLH – Tempo de atraso do estado lógico “0” para o “1”. - tPHL – Tempo de atraso do estado lógico “1” para o “0”. Fig. 2-2: Atrasos de propagação Os valores dos tempos de atrasos de propagação são usados para medição de velocidade em circuitos lógicos. d) Potência Como todo circuito elétrico, um circuito lógico consome uma certa quantidade de potência. Essa potência é fornecida por fontes de alimentação e esse consumo deve ser levado em consideração em um sistema digital. Se um circuito integrado consome menos potência poderemos ter uma fonte de menor capacidade e com isso reduziremos os custos do projeto. e) Velocidade x Potência Um circuito digital ideal é aquele que possui o menor consumo de potência e o menor atraso de propagação. Em outras palavras, o produto de velocidade e potência deve ser o menor possível. f) Imunidade ao Ruído Ruídos são sinais indesejáveis gerados por campos eletromagnéticos podem afetar o funcionamento de um circuito lógico. Esses sinais podem fazer com que a tensão de entrada de um circuito lógico caia abaixo de VIH(min) ou aumente além de VIL(max), gerando falsos sinais. A imunidade ao ruído se refere à capacidade de um circuito lógico de rejeitar esse ruído.
  • 23. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 16 Fig. 2-3: Margens de ruído g) Níveis de Tensão Inválidos Circuitos lógicos só trabalharão confiavelmente com níveis de tensão especificados pelos fabricantes, ou seja, as tensões devem ser menores que VIL(max) e maiores que VIH(min) – fora da faixa de indeterminação – e com alimentação adequada. h) Fornecimento de Corrente e de Absorção de Corrente O fornecimento de corrente é mostrado na fig. 2-4. Quando a saída da porta lógica 1 está em ALTO, ela fornece uma corrente IIH para a entrada da porta lógica 2. Fig. 2-4: Porta de acionamento fornecendo corrente para a porta de carga
  • 24. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 17 A absorção de corrente é mostrada na fig. 2-5. Quando a saída da porta lógica 1 está em BAIXO, ela absorve uma corrente IIL para a entrada da porta lógica 2. Fig. 2-5: Porta de acionamento absorvendo corrente da porta de carga i) Encapsulamentos de Circuitos Integrados Alguns tipos de encapsulamentos de circuitos integrados são mostrados na fig. 2-6. Fig. 2-6: Encapsulamentos mais comuns de circuitos integrados
  • 25. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 18 2.3- Família Lógica TTL Um circuito básico utilizado na lógica-transistor-transistor é mostrado na fig. 2-7: Fig. 2-7: Porta NAND básica TTL e equivalente a diodo para Q1 Esse circuito representa uma porta NAND TTL. Uma das principais características desse circuito são os dois emissores do transistor Q1. Na mesma figura está o circuito equivalente a diodo de Q1. Outra característica construtiva importante desse circuito é sua saída totem-pole, que impede que os dois transistores (Q3 e Q4) conduzam ao mesmo tempo. - Operação do Circuito – Saída em Nível Baixo A saída em nível baixo é conseqüência de entradas A e B em nível alto (+ 5 V). Nesse caso, Q1 ficará cortado e Q2 conduzirá (ver circuito equivalente). A corrente fluirá do emissor de Q2 para a base de Q4 e o faz conduzir. A tensão no coletor de Q2 é insuficiente para Q3 conduzir. Essa tensão está em torno de 0,8 V (0,7 V da junção B-E de Q4 + 0,1 V de Vce (sat) de Q2). Para o transistor Q3 conduzir é necessário que sua junção B-E e o diodo D1 esteja diretamente polarizado. Com Q4 conduzindo, a tensão de saída é muito baixa (< 0,4 V), ou nível baixo (“0”). - Operação do Circuito – Saída em Nível Alto Para que a saída de uma porta NAND fique em alto, pelo menos uma das entradas A ou B deverá ser zero. Nessa condição haverá condução de Q1 por um de seus emissores, ou pelos dois (ver circuito equivalente ), fazendo com que Q2 fique cortado.
  • 26. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 19 Com Q2 cortado não haverá corrente na base de Q4 e ele ficará cortado também. Sem corrente no coletor de Q2, a tensão na base de Q3 é suficiente para que ele entre em condução. Com Q3 conduzindo, a tensão na saída ficará em torno de 3,4 V a 3,8 V (sem carga), devido às quedas na junção B-E de Q3 e ao diodo D1. Com carga essa tensão deverá diminuir. - Absorção de Corrente Uma saída TTL em nível baixo age como um absorvedor de corrente pois ela recebe a corrente da entrada da porta que está acionando. - Fornecimento de Corrente Uma saída TTL em nível alto age como fornecedora de corrente. Na verdade essa corrente tem um valor muito baixo, causada pela fuga de polarização reversa do “diodo” (junção B-E) de Q1. - Outras Portas TTL Praticamente todas as outras portas lógicas possuem o mesmo circuito básico da porta NAND TTL. Outros circuitos internos são colocados apenas para implementar a lógica desejada. 2.4- Características da Série TTL Padrão - Faixas de Tensão de Alimentação e de Temperatura Existem duas séries de TTL padrão diferenciadas pela faixa de tensão de alimentação e temperatura: a série 74 e a série 54. A série 74 utiliza alimentação entre 4,75 V e 5,25 V e opera entre 0º a 70º C. A série 54 utiliza alimentação entre 4,5 V e 5,5 V e opera entre -55º a 125º C. - Níveis de Tensão VIL(max) – 0,8 V VOL(max) – 0,4 V Existe uma margem de segurança de uma saída para a entrada, chamada de margem de ruído, de 0,4 V (0,8 V – 0,4 V). VIH(min) – 2,0 V VOH(min) – 2,4 V A margem de ruído também é de 0,4 V (2,4 V – 2,0 V).
  • 27. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 20 - Faixas Máximas de Tensão As tensões máximas de trabalho de um TTL padrão não devem ultrapassar 5,5 V. Uma tensão maior de 5,5 V aplicada a um emissor de entrada pode causar dano na junção B-E de Q1. Tensões menores que –0,5 V também podem danificar o componente. - Dissipação de Potência Uma porta NAND TTL padrão consome, em média, 10 mW. - Atrasos de Propagação A porta AND TTL padrão tem atrasos de propagação típicos de tPLH = 11 ns e tPHL = 7 ns, resultando num atraso de propagação médio tPD(med) de 9 ns. - Fan-Out Uma saída TTL padrão pode acionar 10 entradas TTL padrão. 2.5- Séries TTL Aperfeiçoadas - Séries 74L e 74H Estas séries são versões TTL para baixa potência (74L) e alta velocidade (74H). A primeira consumia 1 mW e tinha um tempo de atraso de propagação de 33 ns e a segunda consumia 23 mW, com um tempo de atraso de propagação de 6 ns. Não são mais fabricadas atualmente. - TTL Schottky, Série 74S Esta série utiliza diodos Schottky entre a base e o coletor dos seus transistores, evitando que eles trabalhem saturados. Com isso o tempo de resposta do circuito é mais rápido. Por exemplo, a porta NAND 74S00 tem um atraso médio de 3 ns, mas um consumo de potência de 20 mW. - TTL Schottky de Baixa Potência, Série 74LS (LS-TTL) A série 74LS é uma versão de menor potência e menor velocidade da série 74S. Ela utiliza a combinação transistor/diodo Schottky, mas com valores maiores de resistores de polarização, o que diminui o consumo. Uma porta NAND 74LS tem um atraso típico de propagação de 9,5 ns e dissipação média de potência de 2 mW.
  • 28. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 21 - TTL Schottky Avançada, Série 74AS (AS-TTL) A série 74AS surgiu como uma melhoria da série 74S. Possui velocidade e fan-out maiores e um menor consumo se comparado com a série 74S. - TTL Schottky Avançada de Baixa Potência, Série 74ALS Esta série surgiu como uma melhoria da série 74SL. - TTL Fast – 74F Esta é a série TTL mais nova. Ela utiliza uma técnica de fabricação de circuitos integrados que reduz as capacitâncias entre os dispositivos internos visando reduzir os atrasos de propagação. - Comparação das Características das Séries TTL Tabela 2-1: Índices de performance 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F Atraso de propagação (ns) 9 3 9,5 1,7 4 3 Dissipação de potência (mW) 10 20 2 8 1,2 6 Produto velocidade-potência (pJ) 90 60 19 13,6 4,8 18 Taxa máxima de clock (MHz) 35 125 45 200 70 100 Fan-out (mesma série) 10 20 20 40 20 33 Tabela 2-2: Parâmetros de tensão 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F VOH (min) 2,4 2,7 2,7 2,5 2,5 2,5 VOL (max) 0,4 0,5 0,5 0,5 0,4 0,5 VIH (min) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 VIL (max) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
  • 29. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 22 2.6- Fan-Out e Carregamento para TTL O fan-Out corresponde ao número máximo de entradas lógicas que uma saída de um circuito lógico pode acionar. Esse número máximo está diretamente ligado à capacidade do circuito integrado de absorver ou fornecer corrente. Fig. 2-8: Saída TTL padrão no estado BAIXO acionando várias entradas Do circuito vemos que IOL é a soma das correntes IIL de cada entrada. Essa corrente causa uma queda de tensão VOL, que não deve ser maior que VOL(max). Isso limita a corrente IOL e o número de cargas que podem ser acionadas. Fig. 2-9: Saída TTL padrão no estado ALTO acionando várias entradas Nas fig. 2-8 e fig. 2-9, vemos que IOH é a soma das correntes IIH de cada entrada. Se cargas em excesso estiverem sendo acionadas, a corrente IOL aumentará de tal forma que o nível VOH caia para valores menores que VOH(min). Esse fato também limita o número de cargas acionadas e a corrente IOH.
  • 30. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 23 - Determinando o Fan-Out Por exemplo, a série 74 possui: IIL (max) = 1,6 mA IOL (max) = 16 mA Fan-out (BAIXO) = IL OL I I = mA1,6 mA16 = 10 IIH (max) = 40 µA IOH (max) = 400 µA Fan-out (ALTO) = IH OH I I = μA40 μA400 = 10 O fan-out é 10 para ambos os casos. Se os valores de fan-out forem diferentes, o fan-out será o menor deles. Importante: - A soma das correntes IIH de todas as entradas conectadas em uma saída deve ser menor do que a especificação do IOH da saída; - A soma das correntes IIL de todas as entradas conectadas em uma saída deve ser menor do que a especificação do IOL da saída; 2.7- Outras Características TTL - Entradas Desconectadas (Flutuando) Entradas desconectadas (abertas) em circuitos TTL se comportam como se o nível lógico “1” fosse aplicado à essa entrada. Embora a lógica esteja correta, entradas desconectadas se comportam como captadoras de ruídos, fazendo com que o circuito lógico não trabalhe corretamente. - Entradas Não-Usadas Fig. 2-10: Três maneiras de tratar entradas lógicas não usadas
  • 31. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 24 - Transientes de Corrente A configuração totem-pole usada nas saídas dos circuitos TTL tem um inconveniente: durante a transição da saída de BAIXO para ALTO ocorre um pico de corrente porque ambos os transistores de saída estão conduzindo. Esse pico pode chegar a 50 mA, corrente que é drenada da fonte que alimenta o circuito. Em um sistema digital existem vários saídas TTL trocando de estado ao mesmo tempo e drenando da fonte picos de corrente. Esse efeito causa uma variação na tensão da fonte e se não for devidamente filtrado pode causar sérios problemas ao sistema. É usual a colocação de capacitores cerâmicos de 10 nF a 100 nF entre os terminais Vcc e GND – alimentação e terra – dos circuitos integrados. 2.8- Conectando Saídas TTL Juntas Existem situações nas quais é vantajoso conectar as saídas de dois ou mais portas lógicas ou circuitos. Entretanto, configuração totem-pole não nos permite conectar saídas TTL juntas. Para fazermos isso existem outros tipos de estrutura de saída. - Saídas Coletor Aberto Os circuitos TTL com saídas em coletor aberto só possuem um transistor de saída. Quando esse transistor estiver acionado, a saída terá nível BAIXO. Caso contrário, a saída estará flutuando. Para se obter o nível ALTO na saída um resistor externo de pull-up é conectado. Fig. 2-11: Circuito TTL coletor aberto com resistor de pull-up externo
  • 32. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 25 - Conexão Wired-AND Dispositivos com saídas em coletor aberto podem ter suas saídas conectadas juntas de maneira segura. Uma situação onde esse tipo de conexão é usada é mostrada na fig. 2-12: Fig. 2-12: Conexão wired-AND utilizando portas com coletor aberto Esse tipo de conexão é chamado de conexão wired-AND porque é equivalente à operação lógica AND. Esta configuração elimina a necessidade de uma porta AND real. - Buffers/Drivers de Coletor Aberto Todo circuito lógico que é chamado buffer, driver ou buffer/driver é projetado para suportar uma corrente e/ou uma capacidade de tensão maior do que um circuito lógico comum. Por exemplo, o 7406 com saída em coletor aberto pode acionar cargas de 24 V a 25 mA. - Simbologia para Saídas em Coletor Aberto Fig. 2-13: Simbologia de portas lógicas com coletor aberto
  • 33. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 26 2.9- Tristate (Terceiro Estado) para o TTL O terceiro estado, ou tristate, ocorre quando a saída de um dispositivo TTL apresenta alta impedância. Nessa condição, os dois transistores de saída do dispositivo estarão cortados e o terminal de saída não terá nível alto nem baixo (saída fica praticamente aberta). Para que o dispositivo lógico entre nesta condição, uma entrada chamada Habilitação (Enable) é acionada. Fig. 2-14: Simbologia de um inversor TTL tristate - CIs Tristate Existem vários circuitos integrados lógicos tristate. Por exemplo, o 74LS125 e o 74LS126, que são buffers tristate. Os circuitos lógicos tristate são bastante usados em sistemas que utilizam barramento de dados. Fig. 2-15: Buffers tristates usados para conectar diversos sinais em um barramento comum - Simbologia para as Saídas Tristate Fig. 2-16: Simbologia de um buffer com saída tristate
  • 34. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 27 2.10- Circuitos Integrados Digitais MOS A maioria dos circuitos digitais MOS (metal oxide semiconductor – semicondutor com óxido metálico) é constituída de transistores de efeito de campo (MOSFET). Eles são menores, consomem pouco e são mais fáceis de fabricar. Dispositivos MOS podem conter um número maior de elementos de circuitos em um único encapsulamento do que os circuitos integrados bipolares. A grande desvantagem dessa tecnologia é sua susceptibilidade a danos provocados por eletricidade estática. 2.11- O MOSFET Fig. 2-17: Estados de comutação do MOSFET canal-N 2.12- Circuitos Digitais com MOSFETs Os circuitos digitais que utilizam MOSFETs podem ser divididos em três categorias: P-MOS, que utiliza MOSFETs com canal-P; N-MOS, que utiliza MOSFETs com canal-N; e CMOS (MOS Complementar) que utiliza ambos. Os circuitos P-MOS não são mais encontrados.
  • 35. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 28 - Inversor N-MOS A fig. 2-18 mostra um circuito básico de um INVERSOR N-MOS: Fig. 2-18: Inversor N-MOS O circuito acima mostra dois MOSFETs canal-N. O transistor Q1 é chamado MOSFET de carga e Q2 é chamado de MOSFET de comutação. O transistor Q1 está sempre conduzindo e funciona como se fosse um resistor de carga. - NAND N-MOS e NOR N-MOS A fig. 2-19 mostra os circuitos básicos das portas NAND N-MOS e NOR N-MOS: Fig. 2-19: Portas NAND N-MOS e NOR N-MOS
  • 36. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 29 2.13- Características da Lógica MOS Se comparadas com famílias lógicas bipolares, as famílias lógicas N- MOS e P-MOS têm velocidade de operação menor, necessitam de menor potência, têm uma margem de ruído melhor, possuem uma faixa maior para a tensão de alimentação, um fan-out maior e menos espaço de área no chip. - Velocidade de Operação O atraso de propagação típico de uma porta NAND N-MOS é de 50 ns. A resistência de saída alta no estado ALTO e capacitâncias parasitas de entrada contribuem para aumentar esse atraso. - Margem de Ruído Para VDD = 5 V, as margens de ruído para a família N-MOS é de aproximadamente 1,5 V. A margem de ruído aumenta proporcionalmente para valores maiores de VDD. - Fan-Out Devido à alta resistência de entrada do MOSFET, o fan-out da família MOS é muito alto. O fan-out é limitado apenas pelas capacitâncias de entrada da porta que, em altas freqüências, pode deteriorar o sinal digital. Mesmo assim, o fan-out chega a 50 para a família MOS. - Consumo de Potência Por usar altas resistências, os circuitos lógicos MOS consomem pequenas quantidades de potência. - Complexidade do Processo de Fabricação A família lógica MOS possui um processo de fabricação bem mais simples do que a família TTL porque utiliza apenas MOSFETs. - Sensibilidade à Eletricidade Estática A família lógica MOS é bastante susceptíveis a danos causados por eletricidade estática. Uma descarga eletrostática supera a capacidade de isolamento elétrico da camada de óxido danificando permanentemente o dispositivo.
  • 37. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 30 Recomendações: - Conecte todos os equipamentos que for manusear no terra da rede; - Conecte-se ao terra com o uso de uma pulseira especial; - Evite tocar os pinos dos circuitos integrados. Coloque-os imediatamente no circuito; - Mantenha os circuitos integrados em suas embalagens protetoras (espumas condutoras). Não deixe-os fora de suas embalagens. Todas essas recomendações também valem para placas de circuito impresso (computadores, equipamentos etc). 2.14- Lógica MOS Complementar A família lógica MOS Complementar (CMOS) utiliza MOSFETs tanto de canal-P quanto de canal-N. Isso torna o CMOS mais rápido e com menor consumo de potência em comparação com as outras famílias MOS. Em contrapartida, os circuitos integrados CMOS têm maior grau de complexidade para a fabricação e menor densidade de integração (ocupam maior área de chip). - Inversor CMOS O circuito básico do INVERSOR CMOS é mostrado na fig. 2-20: Fig. 2-20: Inversor C-MOS
  • 38. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 31 - NAND CMOS e NOR CMOS A fig. 2-21 mostra o circuito básico das portas NAND CMOS e NOR CMOS: Fig. 2-21: Portas NAND CMOS e NOR CMOS 2.15- Características da Série CMOS - Série 4000/14000 A série 4000 e a série 14000 são equivalentes. Os circuitos integrados dessas duas séries têm um consumo muito baixo e podem operar de 3 a 15 V. São muito lentos quando comparados com TTL e possuem corrente de saída muito baixa. - Série 74C Série CMOS compatível pino a pino e funcionalmente equivalente a componentes TTL. Quanto à performance, a série 74C possui quase todas as características da série 4000.
  • 39. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 32 - 74HC/HCT (High Speed CMOS – CMOS de Alta Velocidade) Versão aperfeiçoada da série 74C. Possui maior velocidade e maior capacidade de corrente. Componentes das séries 74HC e 74HCT são compatíveis pino a pino com componentes da série TTL. A série 74HC não é eletricamente compatível com TTL. - 74AC/ACT (CMOS Avançado) Esta série apresenta uma melhoria no que se refere a imunidade a ruído, atraso de propagação e máxima freqüência de clock. Não são compatíveis pino a pino com TTL. A série 74AC não é compatível eletricamente com TTL. - 74AHC (Advanced High-Speed CMOS – CMOS Avançado de Alta Velocidade) Esta é a mais recente série utilizada em aplicações de alta velocidade, baixo consumo e baixa capacidade de acionamento. - Tensão de Alimentação As séries 4000/14000 e 74C podem operar com VDD de 3 a 15 V. As séries 74HC/HCT e 74AC/ACT podem operar com VDD de 2 a 6 V. - Níveis de Tensão Lógicos Tabela 2-3: Parâmetro VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) VNH VNL 4000B 3,5 1,5 4,95 0,05 1,45 1,45 74HC 3,5 1,0 4,9 0,1 1,4 0,9 74HCT 2,0 0,8 4,9 0,1 2,9 0,7 74AC 3,5 1,5 4,9 0,1 1,4 1,4 74ACT 2,0 0,8 4,9 0,1 2,9 0,7 74AHC 3,85 1,65 4,4 0,44 0,55 1,21 CMOS 74AHCT 2,0 0,8 3,15 0,1 1,15 0,7 74 2,0 0,8 2,4 0,4 0,4 0,4 74LS 2,0 0,8 2,7 0,5 0,7 0,3 74AS 2,0 0,8 2,7 0,5 0,7 0,3 TTL 74ALS 2,0 0,8 2,7 0,4 0,7 0,4 Níveis de tensão (em volts) de entrada/saída com VDD = VCC = +5 V.
  • 40. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 33 - Margens de Ruído De um modo geral, os dispositivos CMOS têm margens de ruído maior que os TTL (tabela anterior). As margens de ruído são calculadas a partir da fórmula: VNH = VOH(min) - VIH(min) VNL = VOL(max) - VIL(max) - Dissipação de Potência Quando o circuito lógico CMOS está estático (não está comutando), sua dissipação de potência é muito baixa. Para VDD = +5 V, a dissipação típica de potência DC é de 2,5 nW. Para VDD = +10 V, este valor aumenta para apenas 10 nW. - Dissipação de Potência Aumenta com a Freqüência A dissipação de potência em um circuito lógico CMOS aumenta com a freqüência de comutação de sua saída. Quando uma saída CMOS comuta de BAIXO para ALTO, uma corrente transiente deve ser fornecida para a capacitância de carga. Essa capacitância corresponde a todas as capacitâncias parasitas das entradas das portas lógicas que são acionadas por esta saída. Fig. 2-22: Pulsos de corrente devido à capacitância parasita A fig. 2-22 mostra o efeito da capacitância de carga no momento da transição da saída de um circuito CMOS. Um outro fator é que durante as transições, por um curto período de tempo os dois transistores de saída estarão conduzindo juntos. Esse efeito também contribui para o aumento da dissipação de potência.
  • 41. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 34 - Fan-Out O número de entradas CMOS que uma saída CMOS pode acionar é limitado pela capacitância de entrada. Quanto maior for o número de entradas CMOS, maior é a capacitância de carga vista pela saída CMOS e maior será o seu tempo de comutação. Para freqüências menores que 1 MHz, o fan-out está limitado a 50. - Velocidade de Comutação Os dispositivos CMOS têm maior velocidade de comutação em relação aos circuitos N-MOS e P-MOS. Isso porque a saída CMOS têm resistência menor que as saídas N-MOS e P-MOS. Uma porta NAND da série 4000 terá tipicamente um tpd de 50 ns com VDD = 5 V, e 25 ns com VDD = 10 V. Uma porta NAND da série 74HC/HCT tem um tpd médio em torno de 8 ns quando VDD = 5 V. Uma porta NAND 74AC/ACT tem um tpd médio em torno de 4,7 ns. Uma porta NAND 74AHC tem um tpd médio em torno de 4,3 ns. - Entradas Não-Utilizadas Entrada CMOS nunca devem ficar desconectadas. Elas devem ser conectadas a um nível lógico ou alguma outra entrada. Uma entrada CMOS não conectada é susceptível a ruído e a eletricidade estática, que poderiam polarizar os MOSFETs para um estado de condução, resultando no aumento de dissipação de potência e em possível superaquecimento. - Sensibilidade à Eletricidade Estática A grande resistência das entradas CMOS as torna especialmente sensíveis ao acúmulo de cargas estáticas, que podem produzir tensões suficientemente grandes para danificar os MOSFETs internos. A maioria dos circuitos integrados CMOS possui diodos de proteção, que limitam a tensão de entrada.
  • 42. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 35 - Comparação entre as Séries CMOS e TTL Tabela 2-4: Dissipação de potência por porta (mW) Estática A 100 kHz Atraso de propagação (ns) Velocidade- potência (a 100 kHz) (pJ) Freqüência máxima de clock (MHz) Margem de ruído no pior caso (V) 4000B 1 x 10-3 0,1 50 5 12 1,5 74HC/HCT 2,5 x 10-3 0,17 8 1,4 40 0,9 74AC/ACT 5,0 x 10-3 0,08 4,7 0,37 100 0,7 74AHC/T 9,0 x 10-5 6,0 x 10 -3 3,7 0,02 130 0,55 74 10 10 9 90 35 0,4 74LS 2 2 9,5 19 45 0,3 74AS 8 8 1,7 13,6 200 0,3 74ALS 1,2 1,2 4 4,8 70 0,4 Todos os valores são para VDD = 5 V. 2.16- Tecnologia de Baixa Tensão O aumento do número de componentes dentro dos circuitos integrados acarreta em um aumento de sua potência consumida e em problemas no material isolante entre os seus componentes internos. Para solucionar estes problemas surgiram os circuitos integrados que utilizam a tecnologia de baixa tensão, ou seja, a tensão é menor que os 5 V: • Série 74LVC (Low-Voltage CMOS – CMOS de Baixa Tensão) – Utiliza lógica de 3,3 V mas pode aceitar níveis lógicos de 5 V em suas entradas. • Série 74ALVC(Advanced Low-Voltage CMOS – CMOS de Baixa Tensão Avançado) – Oferece melhor performance e trabalha apenas com lógica de 3,3 V. • Série 74LV (Low-Voltage – Baixa Tensão) – Utiliza tecnologia CMOS mas opera somente com dispositivos de 3,3 V. • Série 74LVT(Low-Voltage BiCMOS Technology – Tecnologia BiCMOS de Baixa Tensão) – Oferece as mesmas características da série 74LVC (as entradas aceitam níveis lógicos de 5 V) e são eletricamente compatíveis com TTL. Tabela 2-5: LVC ALVC LV LVT Vcc (recomendado) 2,0 a 3,6 2,3 a 3,6 2,7 a 3,6 2,7 a 3,6 tPD (ns) 6,5 3 18 4 Intervalo para VIH (V) 2,0 a 6,5 2,0 a 4,6 2,0 a Vcc + 0,5 2,0 a 7 VIL (max) (V) 0,8 0,8 0,8 0,8 IOH (mA) 24 12 6 32 IOL (mA) 24 12 6 64
  • 43. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 36 2.17- Saídas CMOS de Dreno Aberto e Tristate Saídas CMOS convencionais nunca devem ser conectadas juntas. Quando as saídas CMOS convencionais são colocadas em curto, o valor da tensão no terminal de saída comum será de aproximadamente Vcc / 2 se as saídas estiverem em níveis diferentes. - Saídas em Dreno Aberto Dispositivos com dreno aberto são os correspondentes CMOS às saídas em coletor aberto TTL. - Saídas Tristate Dispositivos com saídas tristate têm operação similar à das saídas tristate TTL. Fig. 2-23: Portas CMOS com dreno aberto em conexão wire-AND e saídas CMOS tristate conectadas em um barramento
  • 44. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 37 2.18- Interfaceamento de Circuitos Integrados Quando utilizamos circuitos integrados de diferentes tecnologias quase sempre necessitamos de um circuito de interface. O circuito de interface está conectado entre a saída do circuito acionador e a entrada do circuito de carga. Sua função é condicionar o sinal vindo do acionador e condicioná-lo de modo a torná-lo compatível com os requisitos da carga. Tabela 2-6: Parâmetros VIH (min) VIL (max) VOH (min) VOL (max) IIH (max) IIL (max) IOH (max) IOL (max) 4000B 3,5 V 1,5 V 4,95 V 0,05 V 1 µA 1 µA 0,4 mA 0,4 mA 74HC 3,5 V 1,0 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 4 mA 4 mA 74HCT 2,0 V 0,8 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 4 mA 4 mA 74AC 3,5 V 1,5 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 24 mA 24 mA 74ACT 2,0 V 0,8 V 4,9 V 0,1 V 1 µA 1 µA 24 mA 24 mA 74AHC 3,85 V 1,65 V 4,4 V 0,44 V 1 µA 1 µA 8 mA 8 mA CMOS 74AHCT 2,0 V 0,8 V 3,15 V 0,1 V 1 µA 1 µA 8 mA 8 mA 74 2,0 V 0,8 V 2,4 V 0,4 V 40 µA 1,6 mA 0,4 mA 16 mA 74LS 2,0 V 0,8 V 2,7 V 0,5 V 20 µA 0,4 mA 0,4 mA 8 mA 74AS 2,0 V 0,8 V 2,7 V 0,5 V 20 µA 0,5 mA 2 mA 20 mA 74ALS 2,0 V 0,8 V 2,7 V 0,4 V 20 µA 0,1 mA 0,4 mA 8 mA TTL 74F 2,0 V 0,8 V 2,5 V 0,5 V 20 µA 0,6 mA 1 mA 20 mA Níveis de tensão e corrente de entrada/saída com VDD = VCC = +5 V. 2.19- TTL Acionando CMOS Quando interfaceamos diferentes tipos de circuitos integrados, devemos verificar se o dispositivo acionador pode satisfazer os parâmetros de corrente e tensão do dispositivo de carga. No caso de um TTL acionar uma carga CMOS, a corrente de saída TTL é capaz de satisfazer o requisito de entrada da entrada CMOS. Com relação à tensão, os parâmetros VOH(min) de todas as séries TTL são muito baixos quando comparados com VIH(min) das séries 4000B, 74HC, 74AC e 74AHC. A solução é aumentar a tensão VOH(min) do acionador TTL. Isso é feito através de um resistor de pull-up.
  • 45. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 38 Fig. 2-24: O resistor de pull-up externo aumenta a tensão de saída para aproximadamente 5 V no estado ALTO. - TTL Acionando CMOS com Tensão de Alimentação Alta Os circuitos integrados TTL não podem operar com tensões maiores do que 5 V. Quando o dispositivo CMOS estiver operando com alimentação maior de 5 V, o resistor de pull-up não poderá ser utilizado. A solução é utilizar um buffer coletor aberto (7407) conforme a fig. 2-25: Fig. 2-25: O buffer 7407 é usado para interfacear dispositivos TTL que acionam cargas CMOS com alimentação maior do que 5 V. 2.20- CMOS Acionando TTL - CMOS Acionando TTL no Estado ALTO As saídas CMOS podem fornecer tensão suficiente (VOH) para satisfazer os requisitos de uma entrada TTL no estado ALTO (VIH). As saídas CMOS também podem fornecer corrente suficiente para satisfazer os requisitos de corrente de entrada (IIH).
  • 46. Famílias Lógicas de Circuitos Integrados FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 39 - CMOS Acionando TTL no Estado BAIXO Nesta situação, as séries 74HC e 74HCT podem acionar apenas uma carga TTL. A série 4000B não consegue acionar nenhuma carga TTL. A solução é utilizar um buffer tristate (74LS125). Este circuito de interface possui corrente de entrada baixa e corrente alta de saída. Fig. 2-26: Um buffer é usado para interfacear componentes CMOS de baixa capacidade de corrente com entradas 74LS - CMOS com Tensão de Alimentação Alta Acionando TTL Neste caso é necessário utilizar um circuito de interface que possa converter uma entrada de alta tensão para uma saída de 5 V. Um buffer (4050B) é utilizado para essa interface. Fig. 2-27: Um buffer 4050 pode ser usado como um conversor de nível entre um componente TTL e um outro CMOS com fonte de alimentação de valor mais alto
  • 47. Dispositivos de Lógica Programável FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 40 3. Dispositivos de Lógica Programável (PLDs) 3.1- Introdução A maioria dos circuitos lógicos utilizados são padronizados e possuem diversas funções. Além disso, são fabricados por várias indústrias com um custo muito baixo. Por essas razões esses circuitos integrados são usados em uma grande quantidade de circuitos e sistemas. Entretanto, existem problemas com circuitos que utilizam circuitos integrados padronizados. Alguns sistemas podem necessitar de centenas ou milhares de circuitos integrados. Essa quantidade enorme de componentes necessita de um espaço considerável em uma placa e uma grande quantidade de tempo para soldar ou testar esses circuitos integrados. Reduzindo o número de circuitos integrados na placa podemos ter: - menor espaço em placa: com placa menores os gabinetes seriam menores também; - menor consumo de potência; - processos de fabricação mais rápidos e baratos; - maior confiabilidade: existem menos circuitos integrados e menos conexões sujeitas a falhas; - facilidade de manutenção. Os dispositivos de lógica programável (PLDs) tem todas estas características permitindo assim substituir um grande número de circuitos integrados padronizados por um único componente. Um PLD é um circuito integrado que contém um grande número de portas lógicas, flip-flops e registradores que são interconectados no chip. A “programação” do componente pode ser feita queimando-se ou não fusíveis que constituem as ligações internas entre os blocos lógicos de acordo com a necessidade do usuário.
  • 48. Dispositivos de Lógica Programável FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 41 3.2- Conceito Básico A fig. 3-1 mostra a idéia básica utilizada pelos PLDs. Fig. 3-1: Exemplo de um dispositivo de lógica programável Cada entrada (A e B) é aplicada em um buffer inversor e um não inversor que seguem para as portas AND. As saídas das portas AND são levadas às entradas de portas OR por meio de fusíveis, que podem gerar qualquer combinação com as entradas. Para se obter, por exemplo: é só queimarmos os fusíveis 1 e 4 da porta OR 1. BABAO1 +=
  • 49. Dispositivos de Lógica Programável FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 42 3.3- Simbologia A simbologia de um PLD é mostrada na fig. 3-2: Fig. 3-2: Simbologia usada em PLDs 3.4- Arquitetura de um PLD - PROM – A PROM é constituída conforme a fig. 3-3: Fig. 3-3: Arquitetura de uma PROM A PROM pode gerar qualquer função lógica possível das variáveis de entrada.
  • 50. Dispositivos de Lógica Programável FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 43 - Arranjo de Lógica Programável (PAL) – A PAL pode ser vista conforme a fig. 3-4: Fig. 3-4: Arquitetura típica de uma PAL A PAL é utilizada em aplicações onde não se necessita que todas as combinações sejam programadas. No caso da figura acima, cada saída está conectada a apenas quatro saídas das portas AND. Fusível de Polaridade O fusível de polaridade é um recurso usado em muitos PLDs para inverter qualquer saída do dispositivo. Isso é mostrado na figura a seguir:
  • 51. Dispositivos de Lógica Programável FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 44 Fig. 3-5: Uso do fusível de polaridade para inversão da saída 3.5- Outros Recursos Disponíveis Em circuitos de PLDs ainda podemos encontrar diversos recursos. Esses recursos seriam: flip-flops, latches, registradores de entrada e registradores de saída. 3.6- Outros Tipos de PLDs FPLA (Field Programmable Logic Array) – O arranjo de lógica programável usava uma matriz AND e uma matriz OR, ambas programáveis. Embora a FPLA seja mais flexível do que a PAL, ela não foi bem aceita pelos projetistas. CPLDs (PLDs Complexos) – são dispositivos que combinam vários circuitos PAL em um mesmo chip. FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) – Os arranjos de portas programáveis em campo oferecem um número de blocos lógicos configuráveis que contém lógica combinacional programável e registradores para circuitos seqüenciais. Possuem blocos de entrada/saída que podem ser configurados como entradas, saídas e bidirecionais.
  • 52. Dispositivos de Lógica Programável FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 45 3.7- Programação Quando os PLDs apareceram, a programação deles era feita queimando-se ou não os fusíveis para se gerar o circuito lógico. Atualmente, existem softwares que geram o mapa das conexões internas dos PLDs e ainda testam a lógica do circuito. Existem também programadores universais onde o PLD é colocado e pode ser programado a partir de um software. 3.8- PLDs Programáveis A programação de um PLD é feita queimando-se um fusível. Uma vez queimado o fusível, ele não pode ser recuperado. Tendo em vista esta dificuldade, desenvolveu-se, então, um tipo de PLD apagável e reprogramável (usando a mesma tecnologia das EEPROMs), que são bastante utilizados em desenvolvimento de protótipos de circuitos digitais.
  • 53. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 46 4. Flip-Flops 4.1- Introdução Os circuitos combinacionais são aqueles onde as saídas dependem apenas dos níveis lógicos colocados nas entradas. A mesma combinação de entrada sempre produzirá o mesmo resultado na saída, porque circuitos combinacionais não possuem memória. A maioria dos sistemas digitais é composta tanto por circuitos combinacionais como de elementos de memória. O elemento de memória mais importante é o flip-flop. 4.2- Flip-Flop R-S (Reset – Set) O circuito básico do flip-flop R-S é mostrado na fig. 4-1: Fig. 4-1: Circuito lógico do flip-flop R-S O circuito acima mostra que o estado futuro das saídas Q e Q dependem R e S e também do estado atual dessas saídas. Isso é mostrado na tabela 4-1. Tabela 4-1: Caso S R Qatual Qfuturo futuroQ 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 2 0 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 4 1 0 0 1 0 5 1 0 1 1 0 6 1 1 0 1 1 7 1 1 1 1 1 Nos casos 0 e 1, com S = 0 e R = 0, as saídas Q e Q permaneceram inalteradas (memória). Nos casos 2 e 3, com S = 0 e R = 1, a saída Q foi para 0 e Q foi para 1. Nos casos 4 e 5, com S = 1 e R = 0, a saída Q foi para 1 e Q
  • 54. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 47 foi para 0. Nos casos 6 e 7, com S = 1 e R = 1, as saídas Q e Q foram para 1, ocasionando um problema, já que as saídas Q e Q devem ser complementares. Uma tabela simplificada e o símbolo do flip-flop R-S são mostrados na fig. 4-2: Fig. 4-2: Tabela verdade e simbologia do flip-flop R-S O circuito do flip-flop R-S também pode ser implementado usando portas NOR. 4.3- Flip-Flops com Clock Circuitos que utilizam clock são chamados de circuitos síncronos. Muitos flip-flops utilizam um sinal de clock para determinar o momento em que suas saídas mudarão de estado. O sinal de clock é comum para todas as partes do circuito. Normalmente, o sinal de clock é uma onda quadrada e durante uma transição positiva (nível 0 para nível 1) ou transição negativa (nível 1 para nível 0) a saída poderá mudar de estado. Fig. 4-3: Simbologia de flip-flops com clock na transição de subida e descida Tempos de Setup e Hold Os tempos de setup e hold são parâmetros que devem ser observados para que o flip-flop possa trabalhar de modo confiável. O tempo de setup, tS, corresponde ao intervalo no qual as entradas devem permanecer estáveis antes da transição do clock. O tempo de hold, tH, corresponde ao intervalo no qual as entradas devem permanecer estáveis depois da transição do clock. Os tempos de setup e hold mínimos devem ser respeitados para o funcionamento confiável do flip-flop.
  • 55. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 48 Fig. 4-4: Tempos de setup e hold 4.4- Flip-Flop R-S com Clock O símbolo do flip-flop R-S com clock é mostrado na fig. 4-5: Fig. 4-5: Flip-flop R-S com clock O circuito interno é mostrado na fig. 4-6: Fig. 4-6: Circuito lógico interno do flip-flop R-S com clock O detector de transição é um circuito que habilitará, por alguns instantes, as entradas SET e RESET, durante a transição de CLOCK. O circuito típico de um detector de transição é mostrado na fig. 4-7:
  • 56. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 49 Fig. 4-7: Circuitos detectores de transição positiva e negativa Os tempos dos pulsos de CLK* correspondem aos tempos de atraso da porta NOT, em torno de 5 ns. 4.5- Flip-Flop J-K O símbolo do flip-flop J-K é mostrado na fig. 4-8: Fig. 4-8: Flip-flop J-K A operação do flip-flop J-K é semelhante à do flip-flop R-S. A diferença é que o flip-flop J-K não possui a condição proibida, ou seja, J = K = 1. Nessa situação, a saída será complementada (valor anterior será invertido). O circuito interno do flip-flop J-K é mostrado na fig. 4-9: Fig. 4-9: Circuito lógico interno do flip-flop J-K
  • 57. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 50 4.6- Flip-Flop D O símbolo do flip-flop D é mostrado na fig. 4-10: Fig. 4-10: Flip-flop D O circuito interno do flip-flop D é mostrado na fig. 4-11: Fig. 4-11: Circuito lógico interno do flip-flop D 4.7- Latch D O símbolo lógico do latch D é mostrado na fig. 4-12. Diferentemente do flip-flop D, o latch D possui uma entrada EN. Quando esta entrada estiver habilitada, a saída é a cópia da entrada. Se ela estiver desabilitada, a saída não mudará. Fig. 4-12: Latch D O circuito interno é mostrado na fig. 4-13: Fig. 4-13: Circuito interno do latch D
  • 58. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 51 4.8- Entradas Assíncronas Todas as entradas dos flip-flops até agora vistos dependem do sinal de clock. Estas entradas são chamadas entradas síncronas. Em muitos flip-flops existem outras entradas que são chamadas entradas assíncronas, ou seja, não dependem do sinal de clock para atuarem. Essas entradas são usadas para colocar o flip-flop no estado “0” ou “1”, a qualquer instante. A tabela 4-2 mostra as entradas assíncronas: Tabela 4-2: PRESET CLEAR Resposta do Flip-Flop 1 1 Operação normal 0 1 Q = 1 1 0 Q = 0 0 0 Não usada Para a operação normal do flip-flop, as entradas PRESET e CLEAR devem estar em “1”. A qualquer momento podemos forçar a saída Q a ser “0” ou “1”. A última combinação não pode ser usada, já que é contraditória. A fig. 4-14 mostra as entradas assíncronas de um flip-flop J-K: Fig. 4-14: Simbologia do flip-flop J-K com as entradas assíncronas 4.9- Características de Temporizações dos Flip-Flops As seguintes características de tempo devem ser respeitadas para o funcionamento correto dos flip-flops. - Tempos de Setup e Hold – Correspondem aos intervalos de tempo que a entrada deve permanecer estável antes e depois da transição do clock. - Atrasos de Propagação – Na mudança de estado da saída, sempre haverá um atraso entre a aplicação de um sinal na entrada e o momento que a saída muda.
  • 59. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 52 Fig. 4-15: Atrasos de propagação - Freqüência Máxima de Clock, fMAX – Esta é a freqüência mais alta que pode ser aplicada no flip-flop de modo a dispará-lo confiavelmente. - Tempos de Duração do Clock em ALTO e BAIXO – O tempo de duração do clock em nível ALTO, tw(H) e o tempo de duração em nível BAIXO, tw(L) são mostrados na figura abaixo. Fig. 4-16: Tempos de duração de clock em ALTO e BAIXO - Largura dos Pulsos Assíncronos – Assim como foram definidos larguras mínimas de pulsos para o clock, as entradas assíncronas PRESET e CLEAR também possuem larguras mínimas de pulsos para uma operação correta. Fig. 4-17: Larguras mínimas de pulsos assíncronos - Tempos de Transição do Clock – Para garantir o funcionamento correto do flip-flop, o tempo transição do clock deve ser o menor possível. Para dispositivos TTL esse tempo é ≤ 50 ns e para dispositivos CMOS, ≤ 200 ns.
  • 60. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 53 4.10- Circuitos Integrados de Flip-Flops Alguns circuitos integrados de flip-flops são mostrados abaixo: - 7474 – Duplo flip-flop D disparado por borda (TTL); - 74LS112 – Duplo flip-flop J-K disparado pela borda (TTL); - 74C74 – Duplo flip-flop D disparado pela borda (CMOS); - 74HC112 – Duplo flip-flop J-K disparado pela borda (CMOS). Tabela 4-3: TTL CMOS Parâmetro de Temporização 7474 74LS112 74C74 74HC112 tS (ns) 20 20 60 25 tH (ns) 5 0 0 0 tPHL (ns) de CLK para Q 40 24 200 31 tPLH (ns) de CLK para Q 25 16 200 31 tPHL (ns) de CLR para Q 40 24 225 41 tPLH (ns) de PRE para Q 25 16 255 41 tW(L) (ns) tempo em BAIXO para CLK 37 15 100 25 tW(H) (ns) tempo em ALTO para CLK 30 20 100 25 tW(L) (ns) para CLR ou PRE 30 15 60 25 fMAX (MHz) 15 30 5 20 4.11- Problemas de Temporização em Flip-Flops Um problema de temporização que poderá ocorrer em sistemas que utilizam flip-flops é mostrado na fig. 4-18: Fig. 4-18: Problemas de temporização em flip-flops
  • 61. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 54 Como o clock é o mesmo para os dois flip-flops, para que o circuito funcione adequadamente, o tempo de hold de Q2, tH, deve ser menor que o atraso de propagação de Q1. 4.12- Flip-Flops Mestre/Escravo Antes do desenvolvimento de flip-flops com tempo de hold muito pequeno, os problemas de temporização vistos anteriormente eram solucionados utilizando-se flip-flops mestre/escravo. Os flip-flops mestre/escravo são constituídos de dois flip-flops, um disparado na transição de subida do clock (mestre) e o outro na descida do clock (escravo). Na borda de subida do clock, os níveis presentes nas entradas do flip-flop determinam a saída do mestre. Na borda de descida do clock os níveis das saídas do mestre são passados para o escravo, ou para a saída do flip-flop. 4.13- Dispositivos Schmitt-Trigger A principal característica de um circuito Schmitt-Trigger é mostrada na fig. 4-19: Fig. 4-19: Comparação entre um inversor comum e um inversor Schmitt- Trigger A fig. 4-19 mostra um inversor comum sendo acionado por um sinal com tempo de transição longo. Em circuitos comuns, a saída pode oscilar à medida que o sinal de entrada passa pela faixa de transição. Ainda na fig. 4-19, vemos que em um circuito com entrada Schmitt- Trigger a saída não produzirá oscilações. Esse circuito funciona da seguinte forma: a entrada está em nível BAIXO resultando nível ALTO na saída. A saída só irá para nível BAIXO quando a entrada ultrapassar o valor VT+ (tensão de limiar superior). Nessas condições, se quisermos que a saída volte a ser ALTO, devemos aplicar uma tensão de entrada menor do que VT- (tensão de limiar inferior).
  • 62. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 55 Dispositivos Schmitt-Trigger são especialmente usados em circuitos onde os sinais de entrada variam lentamente (ondas senoidais, sinais de sensores, etc). As especificações de VT+ e VT- dependem do tipo de componente, mas VT- é sempre menor do que VT+. 4.14- Circuitos Geradores de Clock A maioria dos sistemas digitais utiliza algum circuito gerador de clock. Dentre essas aplicações podemos ter algumas que utilizam um sinal de clock sem a exigência de precisão. Outras, porém, a precisão é fundamental. Existem vários tipos de osciladores que podem gerar pulsos de clock para sistemas digitais. Os menos precisos e menos estáveis (dependendo da aplicação) utilizam resistores e capacitores. Os mais precisos e estáveis utilizam cristais de quartzo e com freqüências muito maiores do que os circuitos que utilizam resistores e capacitores como geradores de clock. Oscilador Schmitt-Trigger Um típico gerador de clock usando dispositivos Schmitt-Trigger é mostrado na figura abaixo: Fig. 4-20: Circuito de um oscilador utilizando inversor Schmitt-Trigger
  • 63. Flip-Flops FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 56 Temporizador 555 como Oscilador O circuito integrado 555 também pode ser usado como gerador de clock. A figura abaixo mostra isso: Fig. 4-21: Circuito de um oscilador utilizando o temporizador 555 Osciladores a Cristal de Quartzo A principal característica dos osciladores a cristal de quartzo é sua estabilidade e precisão quanto à freqüência de oscilação. A figura seguinte mostra circuitos osciladores que utilizam cristais de quartzo. Fig. 4-22: Circuitos de osciladores a cristal
  • 64. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 57 5. Contadores 5.1- Introdução Os flip-flops têm funções ilimitadas em sistemas digitais. Podemos associá-los e utilizá-los como contadores, registradores e muitos outros circuitos. Os contadores podem ser assíncronos ou síncronos. Basicamente, a principal diferença entre eles é que o síncrono utiliza um sinal de clock comum a todos os flip-flops e o assíncrono possui um sinal de clock que é dividido até o último flip-flop. Os registradores também são arranjos de flip-flops, mas com o objetivo de armazenar, manipular e transferir dados entre outros registradores ou circuitos. 5.2- Contadores Assíncronos Os contadores assíncronos também são chamados de contadores por pulsação (ripple counter). Um circuito típico de um contador assíncrono é mostrado na fig. 5-1: Fig. 5-1: Contador assíncrono utilizando flip-flops J-K
  • 65. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 58 Tabela 5-1: Estado D C B A Decimal 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 0 0 1 0 2 3 0 0 1 1 3 4 0 1 0 0 4 5 0 1 0 1 5 6 0 1 1 0 6 7 0 1 1 1 7 8 1 0 0 0 8 9 1 0 0 1 9 10 1 0 1 0 10 11 1 0 1 1 11 12 1 1 0 0 12 13 1 1 0 1 13 14 1 1 1 0 14 15 1 1 1 1 15 Reinicia a contagem → 16 0 0 0 0 0 17 0 0 0 1 1 18 0 0 1 0 2 A tabela 5-1 mostra os estados de contagem deste contador assíncrono de quatro bits. Podemos perceber que a cada 16 estados esse contador reinicia sua contagem. Então ele é um contador assíncrono módulo 16, ou seja, tem 16 estados (0000 até 1111) distintos. Equacionando: N 2Módulo = onde N é o número de flip-flops conectados (número de bits). Nos contadores assíncronos, a freqüência do clock é dividida por 2 em cada flip-flop, ou seja: na saída A teremos Clock / 2, na saída B teremos Clock / 4, na saída C teremos Clock / 8 e na saída D teremos Clock / 16. Concluindo, os contadores assíncronos são divisores de freqüência e no último flip-flop teremos a freqüência de clock dividida pelo módulo desse contador.
  • 66. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 59 5.3- Contadores de Módulo < 2N Um contador assíncrono com N flip-flops terá, no máximo, módulo 2N . Se precisarmos de um contador com módulo menor do que 2N será necessário utilizar um circuito adicional, conforme mostrado na fig. 5-2: Fig. 5-2: Contador assíncrono com módulo < 2N A fig. 5-2 mostra um contador módulo 6. Se não houvesse a porta NAND ligada nas entradas CLEAR dos flip-flops, o módulo seria 8. A seqüência de contagem é mostrada na tabela 5-2: Tabela 5-2: Estado C B A Decimal 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 2 0 1 0 2 3 0 1 1 3 4 1 0 0 4 5 1 0 1 5 6 1 1 0 6 7 0 0 0 0 Estado temporário → necessário apenas para reiniciar a contagem 8 0 0 1 1
  • 67. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 60 5.4- Diagrama de Transição de Estados O diagrama de transição de estados é mostrado na fig. 5-3: Fig. 5-3: Diagrama de transição de estados de um contador módulo 6 Neste diagrama, as linhas contínuas correspondem aos estados estáveis e as linhas tracejadas indicam o estado temporário. O procedimento para a construção de um contador módulo X é: - Determinar o menor número de flip-flops tal que 2N ≤ X. Se 2N = X, não é necessário conectar a porta NAND na entrada assíncrona CLEAR; - Conectar a porta NAND nas entradas assíncronas CLEAR de todos os flip- flops; - Determinar quais saídas estarão em ALTO na contagem X. Então é só conectar essas saídas nas entradas da porta NAND. 5.5- Contadores de Década Contadores de década ou decádicos são contadores que possuem 10 estados distintos, não importando a seqüência. Quando um contador decádico conta em seqüência de 0000 a 1001 (0 a 9), ele é chamado de contador BCD. 5.6- Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos Existem vários circuitos integrados de contadores assíncronos, tanto TTL como CMOS. O circuito integrado TTL 74LS293 é um contador com quatro flip-flops J- K. Vários circuitos TTL têm suas versões CMOS. O circuito integrado CMOS 74HC4024 é um contador com sete flip-flops que não possui correspondente TTL.
  • 68. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 61 5.7- Contador Assíncrono Decrescente Os contadores que contam progressivamente a partir do zero são denominados contadores crescentes. Já os contadores decrescentes contam do valor máximo até zero. Um contador decrescente pode ser construído conforme mostrado na fig. 5-4: Fig. 5-4: Contador assíncrono decrescente Nesse circuito vemos que o clock de cada flip-flop é acionado com a saída invertida do flip-flop anterior. Com isso a saída é invertida, ou seja, conforme a tabela abaixo: Tabela 5-3: Estado C B A Decimal 0 0 0 0 0 1 1 1 1 7 2 1 1 0 6 3 1 0 1 5 4 1 0 0 4 5 0 1 1 3 6 0 1 0 2 7 0 0 1 1 8 0 0 0 0 9 1 1 1 7
  • 69. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 62 O diagrama de transição de estados do contador decrescente módulo 8 é mostrado na fig. 5-5: Fig. 5-5: Diagrama de transição de estados do contador decrescente módulo 8 5.8- Atrasos de Propagação de Contadores Assíncronos Cada flip-flop de um contador assíncrono é disparado pela saída de um flip-flop anterior. Essa característica traz uma desvantagem: o tempo de atraso de propagação. Isso pode ser visto na fig. 5-6: Fig. 5-6: Atrasos de propagação em contadores assíncronos Ao passar por um flip-flop, o sinal de clock sofre um atraso de propagação tPD e esse efeito é somado até o último flip-flop, gerando um atraso total de N x tPD, onde N é o número de flip-flops.
  • 70. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 63 Para que um contador assíncrono funcione de modo confiável é necessário que o atraso total de propagação seja menor que o período de clock usado, ou seja: PDclock txNT ≥ ou ainda, em termos de freqüência máxima: PD txN 1 max f = 5.9- Contadores Síncronos Como vimos, o atraso de propagação dos flip-flops dos contadores assíncronos limitam a freqüência máxima de trabalho destes componentes. Esse problema pode ser resolvido se os flip-flops mudassem de estado suas saídas no momento em que houvesse a transição de clock. Essa configuração pode ser vista na fig. 5-7: Fig. 5-7: Contador síncrono módulo 16 Tabela 5-4: Estado D C B A Decimal 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 0 0 1 0 2 3 0 0 1 1 3 4 0 1 0 0 4 5 0 1 0 1 5 6 0 1 1 0 6 7 0 1 1 1 7 8 1 0 0 0 8 9 1 0 0 1 9 10 1 0 1 0 10 11 1 0 1 1 11 12 1 1 0 0 12 13 1 1 0 1 13 14 1 1 1 0 14 15 1 1 1 1 15 Reinicia a contagem → 16 0 0 0 0 0
  • 71. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 64 Na fig. 5-7, o sinal de clock é comum a todos os flip-flops. Com isso, o atraso de propagação será o atraso de um flip-flop somado com o atraso da porta NAND: )()( NANDtflopflipttotalatraso PDPD +−= Ainda analisando a fig. 5-7 vemos que o contador síncrono é mais complexo do que o contador assíncrono. Entretanto, com um atraso de propagação menor, ele pode trabalhar com freqüências maiores. 5.10- Circuitos Integrados de Contadores Síncronos Podemos encontrar diversos circuitos integrados no mercado, tanto da família TTL como CMOS. Dentre eles estão: - 74LS160 / 162, 74HC160 / 162 – contadores síncronos decádicos. - 74LS161 / 163, 74HC161 / 163 – contadores síncronos módulo 16. 5.11- Contadores Síncronos Decrescentes Do mesmo modo que os contadores assíncronos, os contadores síncronos podem contar decrescentemente. Para isso devemos conectar as saídas A , B e C em vez das saídas A, B e C. 5.12- Contadores com Carga Paralela Contadores síncronos podem contar a partir de um valor pré- determinado pelo usuário. Isso é conhecido como carga paralela. A fig. 5-8 mostra um flip-flop com circuito carga de inicialização: Fig. 5-8: Contador com carga paralela
  • 72. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 65 Quando LOAD é BAIXO, o flip-flop funcionará normalmente. Quando LOAD é ALTO, o valor de D é colocado na saída do flip-flop usando as entradas assíncronas (não depende do clock). Se fizermos isso para cada flip-flop do contador poderemos pré- determinar o valor inicial a ser incrementado. Um exemplo prático de um contador síncrono crescente/decrescente de módulo 16 com carga paralela é o 74LS193/74HC193. 5.13- Utilizando Contadores BCD Contadores BCD são bastante usados em circuitos onde pulsos devem ser contados e mostrados num display, por exemplo. A fig. 5-9 mostra um arranjo de contadores BCD com contagem de 000 a 999: Fig. 5-9: Contador BCD com contagem de 000 a 999 Inicialmente todos os contadores estão em 0 e, no display, é mostrado 000. A cada borda de descida do sinal de clock, o contador de unidades é incrementado e o valor é mostrado no display. Quando o valor é 009 (1001), o próximo pulso fará com que o contador BCD de unidades vá a 0. Nesse momento também ocorrerá uma transição de 1 para 0 (borda de descida) da saída D que está ligada ao clock do contador BCD de dezenas. E agora o display mostrará o valor 010. Isso continua até 999 quando, no próximo pulso, os contadores irão para 000, iniciando novamente a contagem.
  • 73. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 66 5.14- Projeto de Contadores Síncronos A fig. 5-10 mostra um diagrama genérico de um contador síncrono: Fig. 5-10: Diagrama genérico de um contador síncrono O circuito lógico de estado futuro define qual o próximo estado do contador através do estado atual. Dessa maneira podemos implementar contadores com qualquer seqüência de contagem. Apesar usarmos flip-flops J-K em nossos projetos de contadores síncronos, nada nos impede de usarmos flip-flops D, como na fig. 5-10. 5.15- O Flip-Flop J-K A tabela 5-5 mostra o funcionamento do flip-flop J-K: Tabela 5-5: J K Qatual Qfuturo 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0
  • 74. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 67 A tabela 5-5 relaciona as entradas J e K e a saída Qatual de modo a gerar um Qfuturo. Na verdade, na construção de contadores síncronos, nós já sabemos Qatual e Qfuturo (valores da contagem), mas precisamos saber quais são os valores das entradas J e K que gerarão Qfuturo. Desse modo nossa tabela deverá ser: Tabela 5-6: Qatual Qfuturo J K 0 0 0 x 0 1 1 x 1 0 x 1 1 1 x 0 Onde x = irrelevante. A tabela 5-6 relaciona os estados atual e futuro da saída Q com relação às entradas J e K. 5.16- Procedimento para Construção de Contadores Síncronos Projetaremos um contador síncrono usando a seqüência de contagem da tabela 5-7: Tabela 5-7: C B A 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 Os passos são os seguintes: - Definir o número de flip-flops (bits) do contador e a seqüência de contagem; - Mostrar o diagrama de transição de estados indicando todos os estados possíveis, incluindo os estados que não fazem parte da seqüência. O diagrama é mostrado na fig. 5-11:
  • 75. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 68 Fig. 5-11: Diagrama de transição de estados A fig. 5-12 mostra o circuito de geração do estado futuro a ser projetado. Podemos notar que as saídas A, B e C, na verdade, são as entradas desse circuito e que as entradas J e K são as saídas. Fig. 5-12: Diagrama do contador a ser projetado
  • 76. Contadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 69 - Gerar a tabela de transição de estados (estados atual e futuro): Tabela 5-8: Atual Futuro C B A C B A JC KC JB KB JA KA 0 0 0 0 0 1 0 x 0 X 1 x 0 0 1 0 1 0 0 x 1 X x 1 0 1 0 0 1 1 0 x x 0 1 x 0 1 1 1 0 0 1 x x 1 x 1 1 0 0 0 0 0 x 1 0 X 0 x 1 0 1 0 0 0 x 1 0 X x 1 1 1 0 0 0 0 x 1 x 1 0 x 1 1 1 0 0 0 x 1 x 1 x 1 Onde x = irrelevante. - Encontrar as expressões lógicas que relacionam as saídas J e K com as entradas A, B e C, usando o mapa de Karnaugh. Depois da simplificação chegamos às seguintes expressões: JA = C JB = CA. JC = A.B KA = 1 KB = A + C KC = 1 O circuito final é mostrado na fig. 5-13. Fig. 5-13: Circuito lógico final do contador
  • 77. Registradores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 70 6. Registradores 6.1- Introdução A utilização mais comum dos flip-flops é no armazenamento e transferência de informações. Essas informações são armazenadas em grupos de flip-flops chamados registradores. Além de armazenar informações, os registradores têm a capacidade de transferir essas informações para outros registradores. Isso é bastante interessante, já que o armazenamento e a transferência de dados são as principais características dos sistemas digitais. 6.2- Registradores de Deslocamento A fig. 6-1 mostra um registrador de deslocamento de 4 bits e suas formas de onda. Fig. 6-1: Registrador de deslocamento de 4 bits e formas de onda A cada pulso de clock, o valor contido nas entradas J e K dos flip-flops é transferido para a saída. Essa saída está conectada na entrada do próximo flip- flop e no final de 4 pulsos de clock, o valor da entrada DADOS, que foi transferido serialmente, estará armazenado no registrador.
  • 78. Registradores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 71 6.3- Transferência Paralela de Dados entre Registradores A fig. 6-2 mostra a transferência paralela de dados entre dois registradores: Fig. 6-2: Transferência paralela de dados entre registradores As saídas dos flip-flops que constituem o registrador X estão conectadas nas entradas dos flip-flops que constituem o registrador Y. Depois do pulso TRANFER, o conteúdo armazenado no registrador X é transferido para o registrador Y. 6.4- Transferência Serial de Dados entre Registradores A fig. 6-3 mostra a transferência serial de dados entre dois registradores. Fig. 6-3: Transferência serial de dados entre registradores
  • 79. Registradores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 72 6.5- Comparação entre a Transferência Paralela e a Transferência Serial Na transferência paralela, os dados são transmitidos simultaneamente na ocorrência de um único pulso de transferência. Na transferência serial, cada bit é transmitido a cada pulso de transferência. Com relação à velocidade de transmissão, a transferência paralela é mais rápida do que a serial. Em compensação, a transferência paralela necessita de um número maior de conexões entre os registradores. 6.6- Contadores com Registradores de Deslocamento Registradores de deslocamento também podem ser usados como contadores: - Contador em Anel – O contador em anel é mostrado na fig. 6-4: Fig. 6-4: Contador em anel No contador em anel, um das saídas dos flip-flops está em 1 e as outras está em 0. Por ser um registrador de deslocamento, esse 1 é transferido para o próximo flip-flop e assim sucessivamente. A tabela 5-1 mostra a seqüência da contagem.
  • 80. Registradores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 73 Tabela 5-1: Pulso de Clock Q3 Q2 Q1 Q0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 2 0 0 1 0 3 0 0 0 1 4 1 0 0 0 5 0 1 0 0 6 0 0 1 0 7 0 0 0 1 Para o perfeito funcionamento deste tipo de contador, um dos flip-flops deve ter inicialmente o valor 1 e os outros 0. Isso pode ser feito através das entradas assíncronas PRESET e CLEAR. - Contador Johnson – O contador Johnson é mostrado na fig. 6-5: Fig. 6-5: Contador Johnson A tabela 5-2 mostra a seqüência de contagem do contador Johnson: Tabela 5-2: Pulso de Clock Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 1 1 0 0 2 1 1 0 3 1 1 1 4 0 1 1 5 0 0 1 6 0 0 0 7 1 0 0
  • 81. Registradores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 74 6.7- Circuitos Integrados de Registradores Os registradores podem ser classificados da forma com a qual seus dados são transferidos: - Entrada paralela / saída paralela – 74174, 74LS174, 74HC174; - Entrada serial / saída serial – 4731B; - Entrada paralela / saída serial – 74165, 74LS165, 74HC165; - Entrada serial / saída paralela – 74164, 74LS164, 74HC164. Existem outras versões de registradores como, por exemplo: - 74194, 74LS194, 74HC194 – registrador de deslocamento bidirecional universal de quatro bits com entrada paralela e saída paralela. - 74373, 74LS373, 74HC373, 74HCT373 – registrador de oito bits de entrada paralela e saída paralela que contém oito latches tipo D com saídas em tristate. - 74374, 74LS374, 74HC374, 74HCT374 – registrador de oito bits de entrada paralela e saída paralela que contém oito flip-flops tipo D com saídas em tristate.
  • 82. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 75 7. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores 7.1- Decodificadores Decodificador é um circuito lógico que recebe em suas entradas um código que representa um número binário e ativa a saída correspondente a esse número binário. Os decodificadores são circuitos combinacionais sem memória mas são bastante usados em sistemas digitais. A fig. 7-1 mostra o diagrama de um decodificador de 3 linhas para 8 linhas: Fig. 7-1: Decodificador 3 para 8 A tabela 7-1 mostra a tabela verdade para o decodificador 3 para 8. Tabela 7-1: C B A O0 O1 O2 O3 O4 O5 O6 O7 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 Através da tabela verdade vemos que apenas uma saída é acionada, dependendo apenas do código de entrada. As entradas E1 e E2 são as entradas de habilitação do componente. Quando elas estiverem acionadas, ou seja, E1 = 0 e E2 = 1, o componente responderá às entradas A, B e C. Um exemplo de decodificador é o circuito integrado 74LS138/HC138. Ele é um decodificador de 3 linhas para 8 linhas.
  • 83. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 76 Decodificadores BCD para Decimal Um exemplo de decodificador BCD para decimal é o circuito integrado 7442/LS42/HC42. Esses decodificadores também são denominados de decodificadores 4 para 10. Decodificadores/Driver BCD para Decimal O circuito integrado 7445 é um decodificador/driver BCD para decimal. O termo driver é usado porque este componente possui saídas com coletor aberto que podem operar com tensões e correntes maiores que uma saída TTL normal. Decodificadores/Driver BCD para 7 Segmentos Muitas aplicações que envolvem medições é necessário que o valor binário em um registrador ou contador seja mostrado em um display. Os circuitos integrados 7446 e 7447 são decodificadores BCD para 7 segmentos. O diagrama de um decodificador BCD para 7 segmentos é mostrado na fig. 7-2: Fig. 7-2: Decodificador BCD para 7 segmentos Como os displays usados são formados com LEDs, cada segmento do display necessita de uma corrente alta para acender. Circuitos TTL e CMOS não tem capacidade de fornecer corrente suficiente e por isso não são usados para acionar diretamente os displays. Os decodificadores/driver BCD para 7 segmentos podem acionar diretamente displays de LEDs.
  • 84. Decodificadores, Codificadores, Multiplexadores e Demultiplexadores FACENS – ELETRÔNICA II – Prof. Sidney José Montebeller 77 7.2- Codificadores Os codificadores executam a função contrária dos decodificadores. Nos codificadores apenas uma linha da entrada é acionada por vez e a saída terá o código da linha acionada. Fig. 7-3: Codificador 8 para 3 Note que não existe a entrada A0, já que se nenhuma entrada estiver acionada o código de saída é 000. A tabela 7-2 mostra a tabela verdade: Tabela 7-2: A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 C B A x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 x 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 x 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 x 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 x 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 x 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 x 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 O circuito integrado 74147 é um codificador de prioridade decimal para BCD. O codificador de prioridade inclui uma lógica para garantir que, quando duas ou mais entradas estiverem acionadas, o código de saída corresponderá à entrada com número mais alto. Por exemplo, se as entradas A3 e A5 estiverem acionadas, o código na saída será 101 (5). O símbolo lógico do 74147 e sua tabela verdade são mostrados na fig. 7-4. Fig. 7-4: Codificador decimal para BCD