6 Familias Logicas i II

7/21/2019 6 Familias Logicas i II

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Famlias Lgicas ICaractersticas Gerais

SISTEMAS DIGITAIS II

Prof. Marcelo WendlingNov/10

Texto base: Sistemas Digitais Tocci (7 edio). Captulo 8.


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Introduo

Com a vasta utilizao dos CircuitosIntegrados, veio a necessidade de saber ecompreender as caractersticas eltricas das

famlias lgicas dos CIs mais comuns, comopor exemplo:

As famlias TTL e ECL utilizam transistores

como elemento principal.

J as famlias PMOS, NMOS e CMOS utilizamMOSFET como elemento principal.


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Estudaremos as principais caractersticasde cada uma dessas famlias.

Uma vez que isso seja entendido, analisarpossveis falhas em circuitos devidas combinaes entre essas famlias e aexecuo de projetos com esses circuitosintegrados se tornam mais fceis.

Introduo


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VIH(min) Tenso de Entrada em Nvel AltoO nvel mnimo de tenso necessrio para 1 na

entrada. Qualquer tenso abaixo dessa tenso

no ser aceita como nvel ALTO pelo circuitolgico.

VIL(max) Tenso de Entrada em Nvel BaixoO nvel mximo de tenso permitido para 0 na

entrada. Qualquer tenso acima deste nvel noser aceita como nvel BAIXO pelo circuito lgico.

Terminologia de CIs Digitais


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VOH(min) Tenso de Sada em Nvel Alto

O nvel mnimo de tenso na sada de umcircuito lgico, no estado lgico 1, sobdeterminadas condies de carga.

VOL(max)

Tenso de Sada em Nvel BaixoO nvel mximo de tenso na sada de umcircuito lgico, no estado lgico 0, sobdeterminadas condies de carga.



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IIH Corrente de Entrada em Nvel Alto

A corrente que flui para uma entradaquando uma tenso de nvel altoespecificada aplicada naquela entrada.

IIL

Corrente de Entrada em Nvel BaixoA corrente que flui para uma entradaquando uma tenso de nvel baixoespecificada aplicada naquela entrada.



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IOH Corrente de Sada em Nvel Alto

A corrente que flui de uma sada no estadolgico 1 sob condies de cargaespecificadas.

IOL

Corrente de Sada em Nvel BaixoA corrente que flui de uma sada no estadolgico 0 sob condies de cargaespecificadas.



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Fan-Out (Fator de Carregamento)

O fan-out definido como o nmeromximo de entradas lgicas padronizadasque uma sada pode acionar confiavelmente.

Se FO for excedido, os nveis lgicos dasada no podem ser garantidos.



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Atrasos de Propagao:tPLH Tempo de atraso do estado 0 para 1.

tPHL Tempo de atraso do estado 1 para 0.Exemplo de atrasode propagao emuma porta inversora.


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Requisitos de Potncia:Todo CI necessita de uma certa quantidade de

potncia eltrica para operar. Essa potncia

fornecida pela fonte de alimentao (geralmenteVCC para TTL e VDD para CMOS).

A potncia definida pelo produto ICC X VCC.

Para muitos CIs esse produto varia de acordo comos nveis lgicos das sadas.


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Produto Velocidade Potncia:As famlias de CIs digitais tm sido caracterizadas

historicamente tanto pela potncia quanto pela

velocidade.

mais desejvel obter atrasos de propagaomenores (alta velocidade) e baixos valores para

dissipao de potncia.

Uma forma de medir e comparar performance de um

C I o produto velocidade-potncia


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Produto Velocidade Potncia:Esse produto obtido pela multiplicao do atraso

de propagao da porta pela dissipao de

potncia da mesma.

Ex: Suponhamos uma porta com um atraso de propagaomdio de 10ns e uma dissipao mdia de potncia de

5mW:

Obv iamente desejvel um baixo valo r para o

produ to veloc idade x po tnc ia.

10ns x 5mW = 50.10-12 watt-segundo

= 50pJ (picojoules)


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Nveis de Tenso Invlidos:Para operar adequadamente, os nveis de

tenso de entrada de um circuito lgico devemser mantidos fora da faixa indeterminadamostrada abaixo:

T

erminologiadeCIs

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Nveis de Tenso Invlidos:Para as especificaes da srie TTL padro, por

exemplo, a tenso de entrada deve ser menor que

0,8V e maior que 2,0V.

Uma tenso de entrada entre 0,8V e 2,0V

considerada uma tenso invlida, que produziruma resposta de sada imprevisvel, e, portanto,deve ser evitada.


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Nveis de Tenso Invlidos Observaes:Em operaes usuais, uma tenso de entrada no

estar dentro da regio invlida, pois ela vem de

uma sada lgica que est dentro das especifica-es apresentadas. Entretanto, quando esta sadalgica tem problemas de funcionamento ou desobrecarga, fan-out excedido, ento sua tenso

pode estar dentro da regio invlida.

Esses nveis indesejados tambm podem ser

causados por oscilaes na alimentao.


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Encapsulamentos de CIs

Existe uma variedade de tipos de encapsulamentosque diferem no tamanho fsico, nas condiesambientais e de consumo de energia sobre asquais o dispositivo pode operar confiavelmente, eno modo pelo qual o encapsulamento do CI montado na placa de circuito impresso.

A figura a seguir mostra alguns exemplos deencapsulamento:


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E

ncaps

ulamentos


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Escala de integrao:

So determinadas pela quantidade dedispositivos ativos dentro do circuitointegrado:


DESIGNAO SIGNIFICADODENSIDADE

(portas por chip)

SSI Small Scale Integration < 12MSI Medium Scale Integration 13 a 99

LSI Large Scale Integration 100 a 999

VLSI Very Large Scale Integration 1000 a 99999

ULSI Ultra Large Scale Integration > 100000


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Questes de Reviso

1) Defina os termos: VOH, VIL, IOL, IIH, tPLH, tPHL, ICCLe ICCH.

2) O que ocorreria se a sada de um circuito lgicocom fan-out igual a 5, fossem conectados outros6?

3) Um dispositivo TTL padro funcionar com umnvel de entrada de 1,7V?


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Famlias Lgicas IIFamlias TTL e CMOS

SISTEMAS DIGITAIS II

Prof. Marcelo WendlingNov/10

Textos base: - Sistemas Digitais Tocci (7 edio). Captulo 8.

- Elementos de Eletrnica Digital Idoeta (35 edio).

Captulo 9.


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Famlia TTL

O Transisto r-Trans istor Logic(TTL) umadesignao para circuitos digitais que trabalhamem 5V e utilizam transistores bipolares em suaconstruo. A famlia TTL derivada de umafamlia mais antiga: DTL, Lgica Transistor Diodo.

Os transistores bipolares utilizados na TTL possuem

vrios emissores, so os chamados deMultiemissores. Essa inovao tecnolgicadiminui o nmero de transistores necessrios parase fazer uma determinada porta lgica.


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Famlia TTL

O circuito TTL da figura ao lado uma porta NAND, com trs entradas,A, B e C.


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Famlia TTL

Pode-se encontrar os circuitos TTL em duas sries comerciais. Aprimeira de uso padro e comea com o nmero 74xxx,onde o x pode ser uma soma de letras e nmeros. A outrasrie de uso militar e inicia com os nmero 54xxx, esta sriepode trabalhar em uma ampla faixa de temperaturas.

A srie 54xxx pode trabalhar em uma faixa de temperatura quevai de -55C a 125C. J a srie 74xxx trabalha em uma faixade temperatura mais estreita, 0C at 70C.

A famlia TTL pode ser encontrada com algumas caractersticasespeciais em suas entradas e sadas, dentre estas pode-sedestacar: open-collector, tri-state, schimitt-trigger.


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Famlia TTL

Caractersticas Gerais para TTL Standard1)Alimentao (Vcc): 5V.

2) Nveis de entrada e sada:

3) Fan-out: 10.

VIL 0,8V VIH 2,0V IOL 400uA IOH 16mA

VOL 0,4V VOH 2,4V IIL 40uA IIH 1,6mA


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Caractersticas Gerais para TTL Standard4)Atraso de propagao:

tPHL 11ns (Low to High)

tPLH 7ns (High to Low)

5) Potncia Dissipada: 10mW.

Famlia TTL


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Open-Col lector

Os circuitos TTL com esta caracterstica nopossuem o resistor de coletor.

Com isso, se faz necessrio o uso de um resistorexterno, ou seja, a limitao da corrente se d dolado de fora do circuito, bem como, a tenso desada pode ser escolhida conforme a necessidade

ou aplicao desejada. Vale lembrar que se deveobservar as limitaes do componente, no que diz

respeito aos seus valores nominais de corrente e

tenso.

Famlia TTL


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Tri-State

Os componentes TTL que operam em trs estados(nvel baixo, alto e alta impedncia) so

conhecidos como Tri-State. Quando a sada dodispositivo colocada em alta impedncia ocircuito no fornece nem absorve corrente, ouseja, fica com sua sada desconectada. Esta

caracterstica permite que se ligue vriosdispositivos em uma nica linha de dados.

Famlia TTL


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Schimit t -Tr igger

Os dispositivos TTL que possuem entradas Schimitt-Trigger so mais imunes a rudos, desde que este

esteja abaixo da tenso de limiar (negativo oupositivo), a partir deste limiar h a alterao doestado de sada do dispositivo. Este circuito TTLno responde a qualquer variao na entrada,

mas sim variaes que estejam acima de umlimiar (U2), no caso de mudana do nvel baixopara o alto, abaixo de um outro limiar (U1), oumudana do nvel alto para o baixo.

Famlia TTL


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Schimit t -Tr igger

Famlia TTL


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Verses dos Circuitos TTL:

Famlia TTL

VersoIdentificao

da srie

Tempo deatrasotpico

Consumopor porta

Freqnciade clockmx. (FF)

Observaes

Standard 54 / 74 10ns 10mW 35MHz Comum

Low Power 54L / 74L 33ns 1mW 3MHzBaixssimoConsumo

High Speed 54H / 74H 6ns 22mW 50MHz AltaVelocidade

Schottky 54S / 74S 3ns 19mW 125MHzAltssimaVelocidade


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Verses dos Circuitos TTL:

Famlia TTL

VersoIdentificao

da srie

Tempo deatrasotpico

Consumopor porta

Freqnciade clockmx. (FF)

Observaes

AdvancedSchottky

54AS / 74AS 1,5ns 8,5mW 200MHz

AltssimaVelocidade e

BaixoConsumo

Low PowerSchottky 54LS / 74LS 10ns 2mW 45MHz

BaixssimoConsumo

AdvancedLow PowerSchottky

54ALS /74ALS

4ns 1mW 70MHz

AltssimaVelocidade eBaixssimoConsumo


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Circuitos Integrados TTLA famlia TTL colocou no mercado uma srie de

circuitos integrados padronizados com

configuraes de pinagens disponveis nosmanuais dos fabricantes.

So Circuitos Integrados de 14 pinos ou mais,

confirme a complexidade da funo, comencapsulamento DIP (Dual-In-Line Package).

Famlia TTL


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Outra famlia de extrema importncia a ser abordada a CMOS (Complementay MOS).

Trata-se de uma famlia que tem seus circuitosconstrudos por transistores MOSFETcomplementares do tipo canal N e canal P.

Suas configuraes bsicas permitem um alto Fan-Out, alta imunidade ao rudo e baixssimoconsumo.

Famlia CMOS


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Um outro ponto importante a ser ressaltado que aocontrrio da famlia TTL, no aconselhveldeixar terminais de entrada sem conexes nasportas CMOS, pois nesta situao, este se tornamsusceptveis captao de cargas estticas erudos indesejveis.

Os terminais no utilizados devem ser conectadosconforme o caso da funo lgica envolvida, aoterra ou VDD do circuito.

Famlia CMOS


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A famlia C-MOS possui circuitos integrados disponveisnas sries comerciais 4000 e 74C, sendo esta ltimasemelhante TTL (com relao pinagem doscircuitos integrados e funo dos blocos disponveis).

Alm destas, a famlia C-MOS tambm possui versesde alta velocidade e melhor desempenho:74HC/74HCT (High-speed C-MOS), sendo a HCTespecialmente desenvolvida para atuar comparmetros de tenses compatveis com a famlialgica TTL-LS e as apropriadas para operar com baixatenso de alimentao: 74LV/74VC (Low VoltageCMOS).

Famlia CMOS


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Caractersticas Gerais

1)Alimentao (VDD):

Esta famlia permite para as sries 4000 e 74C operar nafaixa de 3V a 15V, para a verso HC de 2V a 6V epara a HCT de 4,5V a 5,5V.

Para as sries de baixa tenso temos: a faixa de 1V a3,6V para a LV e 1,2V a 3,6V para a LVC.

Famlia CMOS


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2) Nveis de tenso e corrente de entrada e sada:

De maneira geral, apresentam nas entradas, valores deVIL(mx.) iguais a 30% do VDD e VIH(min.) iguais a70%, com exceo da verso HCT que possui estes

nveis iguais a TTL-LS. Nas sadas dos blocos, devidoprincipalmente ao baixo consumo de corrente naligao com o bloco seguinte , apresentam valoresmuito prximos a 0V (VOL mx) e VDD (VOH min).

Famlia CMOS


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3)Atraso de propagao:

Famlia CMOS

Verso

Tempo deatraso de

propagaotpico por porta

Frequncia declock mxima

4000 90 ns 12 MHzHC/HCT 8 ns 55 MHz

para VDD = 5V


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Caractersticas Gerais4) Potncia Dissipada:O consumo de potncia da famlia C-MOS (com VDD=5V)

da ordem de 1nW por porta na srie 4000 e 2,5nW porporta na verso 74HC,caracterizando-se em mais umagrande vantagem desta famlia.

5) Fan-Out:Nesta famlia, de modo geral, o Fan-Out igual a 50.

Porm devido compatibilidade com TTL, comum nosmanuais encontrar este parmetro definido para um

carregamento com TTL-LS (igual a 10 para HC/HCT).

Famlia CMOS


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Famlia CMOS

Srie de Circuitos Integrados CMOS4XXXX srie padro.

74CXXX caractersitcas iguais srie 4XXXX epinagem igual a TTL.

74HCXXX High Speed CMOS, pinagemequivalente a TTL alta velocidade.

74HCTXXX idem ao 74HCXXX, porm, nveis

lgicos compatveis com TTL.


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Famlia CMOS

Srie de Circuitos Integrados CMOS74ACXXX CMOS alta velocidade, srie avanada.

74ACTXXX idem ao 74ACXXX, porm com nveislgicos compatveis com TTL.

Alimentao:

4000 74C 74HC 74HCT 74AC 74ACT

3 ~ 15V 2 ~ 6V 4,5 ~ 5,5V 3 ~ 5,5V 4,5 ~ 5,5V


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Famlia CMOS

Parmetro 74 74LS 74S 74AS 74ALS 4000 74HC 74AC

tp (ns) 10 9,5 3 1,5 4 95 8 3

Pd (mW) 10 2 19 8,5 1,2 1nW 2,5nW 2,5nW

Fmax (MHz) 25 33 100 160 60 4 55 150

Fan-Out 10 20 10 40 20 50 200 600

TTL CMOS

Comparao das caractersticas das famliasCMOS e TTL:

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