Caracterização | Integrated Circuit | Transistor
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Artigo Valor - Semicondutores Mmr
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EPUSP — PCS 2011/2305/2355 — Laboratório Digital
Esta experiência tem como objetivo um estudo dos elementos básicos do nosso universo de trabalho, ou seja, as portas lógicas. Para isto serão efetuados estudos para determinar algumas características elétricas destes componentes, como a curva de transferência de tensão, e características temporais, como os atrasos de propagação. Serão estudados dispositivos TTL e CMOS.
Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos:
Circuito digital como um componente real que usa eletrônica digital;
Características da curva de transferência de tensão de circuitos integrados de famílias diferentes;
Medida de parâmetros de tensão (V IL , V IH , V OL , V OH ) e de tempos de propagação (t PLH , t PHL );
Comparação entre circuitos integrados CMOS e TTL.
1.1. Portas Lógicas e Circuitos Integrados Digitais
As funções lógicas podem ser implementadas de maneiras diversas, sendo que no passado, circuitos com relés e válvulas a vácuo foram utilizados na execução destas funções. Atualmente, circuitos integrados (CIs) digitais funcionam como portas lógicas. Esses CIs contêm circuitos formados por resistores, diodos e transistores miniaturizados, diferenciando-se dos circuitos integrados ditos analógicos pelo fato de que nos digitais os transistores só possuem dois modos estáveis de operação (corte e saturação), ficando muito pouco tempo nas regiões de transição. Dizemos, idealmente, que os transistores operam como chaves.
Um tipo popular de CI digital é ilustrado na Figura 1.1. Este modelo de invólucro é denominado encapsulamento em linha dupla (dual-in-line package - DIP) pelos fabricantes de CIs. Este CI particular seria então chamado circuito integrado DIP de 14 terminais (ou 14 pinos). O mesmo CI é, em geral, oferecido comercialmente em vários tipos de empacotamento, cada um mais adequado a um tipo de montagem mecânica ou ambiente de utilização, a critério do projetista que o utiliza. Além disso, cada empacotamento possui determinadas características com relação à dissipação de calor.
Figura 1.1 - Circuito integrado DIP de 14 terminais (fonte: Wakerly).
Os fabricantes de CIs fornecem diagramas de pinos similares ao mostrado na Figura 1.2 - neste caso para um CI 7400. Note que este circuito integrado contém quatro portas "NAND" de 2 entradas cada uma e é, portanto, chamado de porta NAND quádrupla de 2 entradas. A Figura 1.2 mostra os terminais de CI numerados de 1 a 14 no sentido anti-horário (visto pelo lado de cima) a partir do entalhe. As conexões de alimentação do CI são os terminais GND (pino 7) e VCC (pino 14). Todos os outros pinos são as entradas e saídas das quatro portas NAND.
O CI 7400 é parte de uma família de dispositivos, representando um dentre os muitos dispositivos da família transistor-transistor-logic (TTL). Dispositivos de outras famílias lógicas, como o CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), estão disponíveis e que apresentam a mesma funcionalidade (p.ex. 74HC00). Os dispositivos TTL foram dispositivos lógicos largamente utilizados, contudo, atualmente, eles ainda são muito usados para fins didáticos e os dispositivos CMOS passaram a ser mais empregados em projetos de circuitos digitais. Há vários fabricantes de circuitos integrados TTL e estes publicam, em forma de manuais (datasheets), as características funcionais e elétricas desses componentes.
Caracterização de Portas Lógicas (2014)
Figura 1.2 - Diagrama dos terminais de um CI 7400 visto por cima.
1.2. Parâmetros Elétricos Estáticos da Família TTL
Os circuitos TTL da série 74 foram projetados para operar com tensão de alimentação Vcc = 5,00V  5%, numa faixa de temperatura de 0 o C a 70 o C. Para Vcc = 5,00 V, a 25 o C, cada porta TTL da série 74 consome, em média, 10mW. Todos os parâmetros apresentados a seguir são garantidos pelos fabricantes dos circuitos integrados da série 74, se as limitações acima mencionadas forem obedecidas.
Uma característica elétrica de um componente digital é dada pela sua curva de transferência de tensão (Sedra e Smith, 2000). Esta característica é caracterizado por um gráfico tensão da saída  tensão de entrada. A figura 1.3 apresenta um exemplo de uma curva de transferência de um inversor ideal. Repare que por se tratar de um componente real, a tensão de saída apresenta valores V OL e V OH para os níveis lógicos baixo e alto, respectivamente.
Figura 1.3 – Curva característica de transferência de tensão de um inversor ideal.
A figura 1.4 apresenta a característica de transferência de tensão de uma porta TTL inversora típica. Para tensões de entrada inferiores a V b a saída apresenta uma tensão de saída constante igual a 4 V (nível lógico UM). A partir de V b , a saída começa a apresentar uma queda de tensão. Quando a tensão de entrada atinge V x , a queda se torna mais acentuada, chegando a um nível mínimo em V a . A partir deste valor, a saída permanece constante (nível lógico ZERO).
Os valores de tensão do gráfico de característica de tensão da figura 1.4 são, aproximadamente, os seguintes (estes valores podem variar de dispositivo para dispositivo):
V b  0,7 V
V x  1,0 V
V a  1,3V
Nível "UM"  4,0 V
Nível "ZERO"  0,3 V
Figura 1.4 – Característica de transferência típica de uma porta TTL inversora.
Os níveis de tensão garantidos pelos fabricantes e que realmente mostram a compatibilidade entre os membros da família são apresentados na Tabela I.
Tabela I - Níveis de tensão para uma porta TTL.
Máxima tensão na entrada reconhecida como nível ZERO
Mínima tensão na entrada reconhecida como nível UM
Máxima tensão fornecida na saída em nível ZERO
Mínima tensão fornecida na saída em nível UM
Analisando-se os valores de tensão constantes da Tabela I, pode-se concluir que os circuitos TTL admitem, no pior caso, uma margem de ruído CC de 0,4V. Assim sendo, no pior caso, ao nível ZERO fornecido por uma saída TTL pode-se somar um ruído de amplitude +0,4V, que o sinal resultante ainda é reconhecido corretamente por uma entrada TTL; no nível UM fornecido por uma saída TTL, pode-se somar um ruído de amplitude -0,4V, que o sinal resultante ainda se encontra dentro das especificações de entrada para nível UM. Para valores de tensão compreendidos entre 0,8V e 2,0V, nada se garante com relação aos níveis lógicos. A figura 1.5 resume estas considerações.
Figura 1.5 - Margens do ruído e de incerteza (TTL série 74).
Além da compatibilidade entre os níveis de tensão requeridos pelas entradas e fornecidos pelas saídas, também é necessário examinar os valores das correntes absorvidas e fornecidas pelas entradas e saídas dos circuitos integrados, tanto em nível UM como em nível ZERO. Para tanto considere o circuito de uma porta lógica inversora TTL, apresentado na figura 6. Para analisar o circuito, notar que os transistores apresentados trabalham somente nas regiões de corte e saturação e os valores de corrente contidos na Tabela II seguem a seguinte convenção:
Corrente absorvida pela porta: positiva;
Corrente fornecida pela porta: negativa.
Tabela II - Níveis de corrente (TTL série 74).
Corrente máxima fornecida por entrada em nível ZERO
Corrente máxima absorvida por saída em nível ZERO
+16 mA
Corrente máxima absorvida por entrada em nível UM
+40 A
Corrente máxima fornecida por saída em nível UM
-400 A
No circuito do inversor lógico da figura 1.6, quando a entrada estiver em nível UM, o transistor de entrada T 1e está no modo ativo reverso e uma pequena corrente de coletor circula no circuito pela base de T 2e . Este valor é suficiente para saturar este transistor. A saturação de T 2e fornece uma corrente de base de T 2s , levando-o à também saturação e baixar a saída para um valor baixo (V CEsat ). A tensão do coletor de T 2e é igual a V BE (T 2s )+V CEsat (T 2e )  0,9V. Isto garante que tanto o diodo como T 1s fiquem cortados. Assim, o transistor T 2s saturado estabelece uma tensão baixa na saída do inversor.
Figura 1.6 - Análise simplificada do circuito da porta inversora TTL.
Quando a entrada estiver em nível ZERO, o transistor T 1e está saturado, uma vez que a junção base- emissor está diretamente polarizada. Desta forma, a tensão na base de T 1e é de aproximadamente 0,9V e a tensão na base de T 2e é de aproximadamente 0,3V, que é insuficiente para levá-lo à condução. Tem-se então que o transistor T 2e está cortado. Com T 2e cortado, a tensão na base de T 2s é igual a 0V e desta forma, T 2s também está cortado. Com T 2e cortado, não há corrente no coletor de T 2e , então a base do transistor T 1s tem um valor suficiente para polarizar diretamente o diodo e T 1s . Nesta situação, T1e está conduzindo e a tensão na saída é basicamente igual a do emissor. Se a saída estiver em aberto, o valor da ensão de saída será aproximadamente 3,6V, devido a duas quedas de tensão de 0,7V (pela junção base-emissor de T1s e pelo diodo).
Para maiores informações sobre a análise do circuito da porta inversora TTL, recomenda-se a consulta das referências (Sedra e Smith, 2000) e (Tocci, Widmer e Moss, 2011).
Os parâmetros de corrente, entretanto, são válidos somente para entradas e saídas típicas, semelhantes às da porta analisada. Como existem alguns circuitos integrados TTL da série 74 que apresentam aquelas correntes com valores diferentes e, também, para facilitar o projeto de sistemas que utilizam outras séries da família TTL, foram definidos os seguintes parâmetros:
Carga Unitária TTL (UL):
UL = 40 A para nível UM;
UL = 1,6 mA para nível ZERO.
Fan-in - número de cargas unitárias que podem ser fornecidas pela entrada.
Fan-out - número máximo de cargas unitárias que podem ser fornecidas pela saída sem que o circuito deixe de funcionar.
Da Tabela II conclui-se que uma saída TTL pode excitar até 10 entradas da mesma família (fan-out). Outra especificação importante fornecida pelos fabricantes dos circuitos TTL diz respeito à máxima tensão que pode ser aplicada às entradas. Para a série 74, é recomendado não se colocar níveis de tensão superiores a 5,5V, pois o circuito pode ser danificado se uma entrada receber uma tensão superior a este valor.
1.3. Parâmetros Elétricos Estáticos da Família CMOS
Circuitos integrados CMOS (MOS Complementar) são componentes que apresentam as seguintes características: apresentam as mesmas funções lógicas disponíveis em componentes da família TTL, são mais rápidos e consomem menos energia (Tocci, Widmer e Moss, 2011). Atualmente, representa a tecnologia dominante no mercado de semicondutores atual, sendo empregado em processadores, memórias e outros dispositivos.
A figura 1.7 apresenta o circuito CMOS de um inversor. Os níveis lógicos CMOS são praticamente +V DD (para o nível lógico 1) e GND (para o nível lógico 0), pois a saída do circuito está conectado às fontes de tensão através dos transistores PMOS e NMOS, respectivamente. Por exemplo, a especificação dos circuitos da série 74HC mostra os seguintes parâmetros: V OH (mín)=4,9V e V OL (máx)=0,1V.
Figura 1.7 – Inversor CMOS.
A curva de transferência de tensão de um inversor CMOS é apresentada na figura 1.8 abaixo. Quando os
dois transistores estão casados, ou seja, quando
ambos são projetados com parâmetros de
transcondutância idênticos, esta curva é simétrica (Sedra e Smith, 2000). Desta forma, o limiar de
transição V th do inversor está em
Figura 1.8 – Curva de transferência de tensão de um inversor CMOS (fonte: Sedra e Smith, 2000).
Quando ocorre o casamento dos transistores em um inversor CMOS, as margens de ruído MR H e MR L tornam-se iguais e podem ser de aproximadamente 0,4 V DD . Estas margens de ruído próximas à metade da tensão de alimentação fazem com que o inversor CMOS tenha um comportamento estático bem próximo do inversor ideal em relação à imunidade a ruídos.
Outras características elétricas dos componentes CMOS podem ser encontradas nas referências (Tocci, Widmer e Moss, 2011) e (Sedra e Smith, 2000).
1.4. Parâmetros de Tempo
Existem determinadas condições indesejáveis de funcionamento de projetos de sistemas digitais. O equacionamento lógico obtido para a implementação de um projeto é uma ferramenta suficiente para a validação lógica do circuito, mas não leva em conta características físicas dos dispositivos, que podem alterar os resultados teóricos esperados. Uma destas condições diz respeito aos parâmetros de tempo em circuitos digitais.
Alguns parâmetros de tempo dos dispositivos digitais são:
Tempo de subida ("Rise time" - t r ) - intervalo de tempo necessário para que um sinal vá de 10% do
seu valor em tensão até 90% do seu valor em tensão (figura 1.9).
Figura 1.9 - Tempo de Subida.
Tempo de descida ("Fall time" - t f ) - intervalo de tempo necessário para que um sinal vá de 90%
de seu valor em tensão até 10% do seu valor em tensão (figura 1.10).
Figura 1.10 - Tempo de Descida.
Tempo de Atraso ("Delay time" - t d ) - intervalo de tempo decorrido entre uma variação de sinal na
entrada e a correspondente variação na saída; toma-se como referência o ponto de 50% do valor de
tensão, conforme mostrado na figura 1.11.
Figura 1.11 - Tempo de Atraso.
 Tempo de propagação ("Propagation time" - t d ) - intervalo de tempo decorrido entre uma variação de sinal na entrada e a correspondente variação na saída; é calculado através da média aritmética dos tempos de propagação para variação do sinal de saída de BAIXO para ALTO (t PLH ) e de ALTO para BAIXO (t PHL ), definidos conforme mostrado na figura 1.12.
Figura 1.12 - Tempo de Propagação.
As características acima citadas, aliadas a fatores tais como, o não sincronismo de eventos, podem levar à geração de sinais indesejáveis em projetos aparentemente corretos. Para que se possa contornar essa situação deve-se conhecer profundamente todas as características dos componentes que serão utilizados.
1.5. Outras Famílias Lógicas de Circuitos Digitais
Há outras famílias de circuitos integrados digitais que se distinguem entre si pelos tipos de dispositivos semicondutores que incorporam e pela maneira como os dispositivos são interligados para formar as portas.
A própria família TTL apresenta várias séries distintas:
 74 - série padrão, potência padrão. 74L - baixa potência (low power) 74S - Schottky - mais rápido que o padrão, potência maior que padrão. 74LS - Low Power Schottky - em alguns casos, mais rápido que o padrão, baixa potência. 74F - Fast, mais rápido que o Schottky. 74H - alta velocidade (high speed). 74AS - Advanced Schottky. 74ALS - Advanced Low Power Schottky.
Os dispositivos CMOS (complementary-metal-oxide-semiconductor) compõem o padrão atual. Algumas famílias CMOS são as seguintes:
4000 – primeira família comercial.
74C – série padrão, componentes funcionalmente similares à família TTL 74.
74HC – High-speed CMOS.
74HCT – High-speed CMOS, TTL compatible, pode ser usada com componentes TTL.
74VHC – Very High-speed CMOS.
74VHCT – Very High-speed CMOS, TTL compatible.
74LVC – Low-voltage CMOS.
74ALVC – Advanced Low-voltage CMOS.
74AUP – Advanced Ultra-low Power CMOS – potência mais baixa e usada em aplicações portáteis.
Outras famílias também encontradas comercialmente são:
BiCMOS – lógica mista bipolar e CMOS.
ECL – lógica acoplada pelo emissor (emitter-coupled-logic).
GaAs – arseneto de gálio (gallium arsenide).
Estas outras famílias não serão tratadas nesta disciplina, mas os conceitos gerais desenvolvidos para os CIs das famílias TTL e CMOS são prontamente utilizados para estas outras famílias.
2.1. Atividades Pré-Laboratório
Faça uma pesquisa bibliográfica sobre os componentes TTL e CMOS. Por exemplo, use os manuais dos componentes 7400 (TTL), 74HC00 (CMOS) e 4011 (CMOS) ou consulte um livro-texto sobre Eletrônica Digital.
a) Com relação aos parâmetros elétricos (considere V CC =V DD =5V):
Quais os valores dos parâmetros elétricos estáticos (V IL , V IH , V OL e V OH )? Monte uma tabela semelhante à Tabela I para comparar os componentes.
Compare as curvas de transferência de tensão de inversores TTL e CMOS. Qual são as principais diferenças entre estas curvas?
b) Com relação aos parâmetros relativos ao atraso de propagação:
Quais os valores para t PHL e t PLH ?
Considere um circuito com uma sequência de 10 inversores. Qual é o atraso total de propagação considerando-se os componentes TTL e CMOS estudados.
Prepare o planejamento de forma a verificar experimentalmente estes valores, pois eles serão usados na parte experimental a ser executada no Laboratório Digital.
2.2. Estudo da Característica de Transferência de Tensão
Estudo de Componente TTL
c) No dispositivo de montagens experimentais, monte o circuito da Figura 2.1, usando um componente TTL (por exemplo, 7400). Não se esqueça de conectar a alimentação dos componentes (pinos VCC e GND). Veja que a porta em análise tem sua saída ligada a uma carga para analisarmos seu funcionamento em um circuito.
Figura 2.1 – Ensaio de níveis de tensão da porta NAND 7400.
d) Com Vcc próximo a 5,0V, varie a tensão da fonte ajustável conectada às entradas A e B, desde 0V até 5,0V e levante a curva característica de transferência de tensão como mostrada na figura 1.3. DICAS: elabore um gráfico com os dados medidos e anote o valor de Vcc (medido no pino do componente) usado no procedimento experimental. Use uma fonte de alimentação variável nas entradas da porta em análise e uma das entradas auxiliares F1 ou F2 do painel de montagens.
e) A partir do gráfico obtido, localize na curva experimental os pontos referentes aos parâmetros de tensão V IL , V IH , V OL e V OH . Comente os valores obtidos.
f) Desconecte as entradas A e B, deixando-as sem ligação alguma. Realize a medida dos níveis de tensão nas entradas A e B do componente com um multímetro digital. Medir também o valor da tensão na saída Y. Qual é o nível lógico das entradas A e B correspondente ao nível lógico da saída Y medida? Justifique no relatório os níveis obtidos (tome por base a figura 1.4).
Estudo de Componente CMOS
g) Substitua agora a porta lógica TTL por um componente CMOS (por exemplo, 74HC00 1 ou 4011) na montagem da figura 2.1.
h) Repita os itens (d) a (f) com este componente CMOS. SUGESTÃO: coloque os dados das curvas características de transferência de tensão para os componentes TTL e CMOS estudados em um mesmo gráfico para uma comparação mais efetiva.
i) Compare os resultados experimentais obtidos com o componente TTL e o componente CMOS. Seus resultados são semelhantes aos dados pesquisados da seção 2.1?
j) Qual é o valor lógico correspondente a uma entrada em aberto no componente TTL e no componente CMOS? Compare.
2.3. Medida de Parâmetros de Tempo
Medida do Atraso de Propagação com o componente TTL
k) Para medir os parâmetros de tempo, execute a montagem com o componente TTL conforme a figura 2.2. A porta em análise tem a entrada X ligada em um gerador de pulsos (use a saída TTL) e a saída Y em outra porta lógica que serve como carga de saída. Ligue também os sinais de entrada X e de saída Y no osciloscópio para efetuar as medidas de atraso de propagação.
Figura 2.2 – Ensaio para medir os parâmetros de tempo.
l) Efetuar a medida dos parâmetros t PLH e t PHL . Anote os valores obtidos. Apresente no relatório as formas de onda observadas.
m) Calcule o tempo de propagação t P da porta lógica estudada.
n) Compare os valores pesquisados e experimentais. Comente.
o) Baseado nos parâmetros de tempo pesquisado e medido, qual é o intervalo de valores de frequências que pode ser usado na porta em análise? Justifique sua resposta.
Medida do Atraso de Propagação com o componente CMOS
p) Substitua agora a porta lógica TTL por um componente CMOS (por exemplo, 74HC00 ou 4011) na montagem da figura 2.2.
q) Repita os itens (l) a (o) com este componente CMOS.
1 Não usar o componente 74HCT00, pois ele pertence a uma família de componentes CMOS com níveis de tensão compatíveis com as famílias TTL.
2.4. Interligação em Anel
r) Realize a montagem do ensaio apresentado na figura 2.3 para componentes TTL e CMOS.
Figura 2.3 – Circuito para verificar características dinâmicas.
s) Anote as características da forma de onda apresentada no ponto X do circuito. Inclua o sinal observado no relatório.
t) (DESAFIO) Varie o número de portas em anel para 5, 7 ou mais. Que formas de onda foram obtidas? Compare.
2.5. Atividades Pós-Laboratório
u) Com base nos resultados obtidos, responda as perguntas abaixo.
1. De acordo com o estudo dos intervalos de tensão para cada nível lógico, qual seria o resultado de se misturar componentes de tecnologias diferentes em uma montagem experimental?
2. O resultado do estudo com entradas em aberto mostram o nível lógico considerado pelo componente de acordo com a tecnologia adotada. A troca de um componente por outro em circuito digital pode influenciar o seu funcionamento de acordo com o componente usado?
3. Qual foi o componente estudado mais rápido?
4. Com base nos valores experimentais obtidos, qual é o maior valor de frequência que pode ser usado na entrada das portas lógicas estudadas? Justifique sua resposta.
5. Caso fosse necessário criar um bloco de retardo usando portas lógicas semelhantes aos estudados, qual é o número de portas necessário para se atrasar uma onda quadrada por pelo menos 45 ns? Justifique sua resposta.
6. Explique o funcionamento do circuito em anel da figura 2.3.
FREGNI, Edson e SARAIVA, Antonio M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher Ltda, 1995.
MORRIS, Robert L. e MILLER, JOHN, R. (eds.) Projeto de Circuitos Integrados TTL. Editora Guanabara Dois, 1978.
SEDRA, Adel S. e SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4ª edição, Makron Books, 2000.
SIGNETICS. TTL Logic Data Manual, 1982.
TEXAS INSTRUMENTS. The TTL Logic Data Book, 1994.
TOCCI, R. J.; WIDMER, N.S.; MOSS, G.L. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações.
Prentice-Hall, 11 a ed., 2011. WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 4 th edition, Prentice Hall, 2006.
Circuitos Integrados TTL:
7400 (TTL), 74HC00 e 4011 (CMOS).
1 painel de montagens experimentais.
1 fonte de alimentação fixa, +5V  5%, 4A.
1 fonte de alimentação variável de 0 a 5V  5%, 4A.
1 osciloscópio digital.
1 gerador de pulsos.
E.T.M./2001 (revisão) R.C.S./2002 (revisão) E.T.M./2003 (revisão da parte experimental) E.T.M./2004 (revisão) E.T.M./2005 (revisão) E.T.M./2011 (revisão) E.T.M./2012 (revisão da parte experimental) E.T.M./2013 (revisão) E.T.M./2014 (revisão da parte experimental)