CIs de portas lógicas - Aula 4.2 - ED - Mundo Projetado
Na aula anterior, aprendemos sobre o circuito por trás das portas lógicas.
Onde encontrar portas lógicas
Na aula anterior, vimos possíveis circuitos para as portas lógicas, mas será que, na hora de criar um sistema digital, é necessário montar esse circuito todo para uma única porta lógica?
Felizmente não, pois todo aquele circuito pode ser encontrado já pronto em um Circuito Integrado (CI). Um CI nada mais é que uma "caixinha" que pode possuir inúmeros tipos de circuitos diferentes internamente. E, claro, ele possui pinos para que seja possível interagir com o circuito que fica dentro dele.
A "caixinha" pode ser bem compacta, pois existem CIs hoje em dia que são do tamanho de um grao de arroz. Entretanto, um tipo mais comum de ser encontrado é o encapsulamento "Dual in-line", com dimensões próximas a uma pilha pequena. A primeira imagem abaixo é de um CI de 18 pinos e a segunda de CIs de 14 pinos.
O CI da primeira imagem é um microcontrolador, e o microcontrolador permite programar a lógica do circuito interno dele. Portanto, o CI pode possuir circuitos bem complexos.
Pinos do CI
Antes de falar sobre os CIs das portas lógicas, é importante explicar a numeração de seus pinos.
A referência da numeração é o chanfro que existe em uma das extremidades do CI. Na segunda imagem do tópico anterior é possível ver nitidamente o chanfro do CI que está mais a frente na foto.
O primeiro passo para saber a numeração é justamente localizar o chanfro. Depois disso, vendo a placa de cima, oriente o CI de modo que o chanfro fique virado para cima, de acordo com a imagem abaixo:
Agora basta começar a contagem dos pinos, sendo que: o pino 1 é o primeiro pino à esquerda do chanfro; e a numeração é feita no sentido anti-horário, conforme a imagem acima mostra.
Portanto, o pino abaixo do pino 1 é o pino 2 e assim em diante. Quando chegar no último pino da parte esquerda, basta passar para a parte direita no último pino. E continuar a contagem subindo pela direita.
No caso das portas lógicas, os circuitos são bem simples. Sendo assim, não tem muito mistério em utilizá-los. As imagens abaixo mostram o CI 7404, que é um CI que possui 6 portas NOT.
Para utilizar o circuito acima é bem tranquilo:
Basta alimentar o CI por meio dos pinos 7 (GND) e 14 (Vcc).
Sendo que é comum alimentar o Vcc com 5v, mas ele tem uma tolerância, que deve ser consultada no datasheet (4.75 – 5.25 V).
Por fim, é só utilizar os demais pinos para criar seu circuito.
Ex: ligar um botão (ligado ao 5v) no pino 1. Toda vez que o botão for apertado, o pino 2 irá para nível lógico 0, caso contrário o pino 2 fica em nível lógico 1.
Portanto, na hora de desenvolver os sistemas digitais, faremos uso destes CIs. E, para escolher o CI correto, é importante conhecer as opções existentes. Nos tópicos adiantes, analisaremos as características de duas famílias de CIs de portas lógicas: a família TTL e a família CMOS.
Essa família de circuitos utiliza transistores bipolares para fazer os circuitos das portas lógicas. Sendo que o transistor do circuito de entrada possui vários emissores (multiemissor). Veja um circuito similar ao circuito de uma porta NAND da família TTL:
Na parte esquerda do circuito, há um transistor multicoletor, mas, como disse, a familia TTL trabalha com transistor multiemissor. Sendo que I1 e I2 são as duas entradas da porta NAND.
A parte direita da imagem (dois transistores em série) é chamada de saída "totem pole". Esse tipo de circuito garante que o fornecimento (sourcing) e a drenagem da corrente (sinking) sejam feitos de maneira mais eficiente.
Abaixo veremos as características das portas lógicas desta família.
Existem duas séries de CIs da família TTL: a série 74XXX e a série 54XXX. A diferença das duas é que a 54XXX é feita para o meio militar, e faixa de temperatura de trabalho é mais ampla.
A 74XXX é uma série comercial, feita para atender a demanda geral, portanto ela é a mais recomendada para o desenvolvimento de projetos simples.
E, neste link, é possível encontrar uma lista com todas as portas lógicas da série 7400. Com isto, basta procurar qual o número da porta lógica você deseja e comprá-la.
A faixa de tensão de alimentação do CI é: 5V +- 10%. Sendo assim, é uma faixa bem estreita.
Faixa de tensão do sinal lógico
É a mesma faixa que mostrei na aula 2:
Corrente de entrada em nível alto: 0.04mA.
Corrente de entrada em nível baixo: 1.6mA.
Corrente de saída em nível alto: 0.4mA.
Corrente de saída em nível baixo: 16mA.
Fan-out é a quantidade máxima de portas lógicas que podem ser conectadas no CI. Isto porque, em um circuito digital, a saída de uma porta lógica vai para a entrada de outra e assim em diante.
E é importante observar este limite, pois, caso ele não seja respeitado, a faixa de tensão para os níveis lógicos pode ser alterada. Ou, então, a corrente limite de saída pode ser ultrapassada.
No caso da família TTL, o Fan-Out é 10. É possível descobri-lo dividindo a corrente de saída pela corrente de entrada (para um mesmo nível lógico). Ex.: 0.4/0.04 = 10.
A potência dissipada é cerca de 20mW por porta.
Tempo gasto para o sinal de entrada ser percebido pela porta lógica e ela gerar um sinal de saída correspondente.
No caso da família TTL, este tempo é cerca de 11nS.
Ao contrário da família TTL, a família CMOS utilizar transistores do tipo MOSFET para a criação das portas lógicas.
Basicamente, o MOSFET regula a corrente coletor-emissor por meio da tensão na base, e não pela corrente como ocorre no transistor bipolar. Veja aqui um simulador que explicar o funcionamento do MOSFET.
O CMOS é encontrado em duas principais séries: série 4000 e série 74C.
A faixa de tensão de alimentação vai de 3 a 15V para as séries mencionadas anteriormente.
De modo geral, a família CMOS possui o seguinte padrão para as faixas de tensão de ENTRADA:
A máxima tensão que identifica o sinal como nível baixo é 30% de Vcc (a mínima é 0). E a mínima tensão que identifica o sinal como nível alto é 70% de Vcc (a máxima é o próprio Vcc). Ou seja, entre 0V e 0,3Vcc é nível lógico 0 e entre 0,7Vcc e Vcc é nível lógico alto.
Em relação a tensão de SAÍDA, a variação é bem pequena, sendo praticamente 0V em nível baixo e Vcc em nível alto.
Para a série 4000, a potência dissipada é de 1nW por porta. Ou seja, o consumo de potência é extremamente baixo comparado com a família TTL. Sendo assim, a família CMOS tem a grande vantagem de ser econômica em termos de consumo de energia.
O Fan-Out é 50 para a utilização com as próprias portas lógicas da família CMOS. Se for utilizado com uma porta lógica da família TTL é recomendável considerar o Fan-Out igual a 10.
Cerca de 90nS.
Com uma visão mais técnica das portas lógicas, já é possível entender como dar vida aos circuitos digitais que iremos aprender a projetar nas em aulas futuras.
Quando formos projetar o primeiro sistema digital voltaremos neste assunto e mostrarei, na prática, como utilizar os CIs de portas lógicas.
Na aula seguinte veremos como trabalhar com a lógica digital de maneira mais "matemática" por meio da algebra booleana.