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CURSODE ELETRÔNICA DIGITAL

1SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

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CURSODECURSODECURSODECURSODECURSODE

ELETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICALETRÔNICADIGITALIGITALIGITALIGITALIGITAL

Os circuitos equipados com processadores,cada vez mais, estão fazendo parte do cotidianodo técnico e/ou engenheiro, tanto de campo comode desenvolvimento.

Hoje, dificilmente encontramos um equipamen-to, seja ele de consumo ou de produção, que nãopossua pelo menos um processador (DSP,microprocessador, ou microcontrolador).

É fato também que vários profissionais encon-tram muitas dificuldades na programação e desen-volvimento de projetos com esses componentes,simplesmente por terem esquecido alguns concei-tos fundamentais da eletrônica digital clássica.

A intenção desse “especial” é justamente essa,ou seja, cobrir possíveis lacunas sobre essatecnologia de modo simples e objetivo. Procuramoscomplementar a teoria com circuitos práticos e

úteis, e dividimos o trabalho em doze capítulos:· Sistemas de numeração· Álgebra de Boole e portas lógicas· Família TTL· Família CMOS· Funções lógicas· Flip-Flops· Funções lógicas integradas· Multivibradores· Contadores· Decodificadores· Registradores de deslocamento· Displays

Tivemos o cuidado de elaborar alguns testes,para que o leitor possa acompanhar melhor suapercepção.

Newton C. Braga

INTRODUÇÃO

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 20022

1.1- ANALÓGICO E DIGITAL

Por que digital? Esta é certamen-te a primeira pergunta que qualquer

leitor que está “chegando agora” e temapenas alguma base teórica sobreEletrônica faria ao encontrar o nossocurso.

Por este motivo, começamos jus-tamente por explicar as diferençasentre as duas eletrônicas, de modoque elas fiquem bem claras. Devemoslembrar que em muitos equipamen-tos, mesmo classificados comoanalógicos ou digitais, encontraremosos dois tipos de circuitos. É o caso doscomputadores, que mesmo sendo

classificados como “máquinas estrita-mente digitais” podem ter em algunspontos de seus circuitos configura-ções analógicas.

Uma definição encontrada nos li-vros especializados atribui o nome deEletrônica Digital aos circuitos queoperam com quantidades que só po-dem ser incrementadas oudecrementadas em passos finitos.

Um exemplo disso é dado peloscircuitos que operam com impulsos.

Só podemos ter números inteiros depulsos sendo trabalhados em qual-quer momento em qualquer ponto docircuito. Em nenhum lugar encontra-remos “meio pulso” ou “um quarto depulso”.

A palavra digital também está as-sociada a dígito (do latim digitu, dedo)que está associado à representaçãode quantidades inteiras. Não pode-mos usar os dedos para representarmeio pulso ou um quarto de pulso.

Na Eletrônica Analógica trabalha-

mos com quantidades ou sinais quepodem ter valores que variam de

modo contínuo numa escala. Os va-lores dos sinais não precisam ser in-teiros. Por exemplo, um sinal de áudio,que é analógico, varia suavemente

entre dois extremos, enquanto que umsinal digital só pode variar aos saltos,observe a figura 1.

Conforme o leitor pode perceber,a diferença básica entre os dois tiposde eletrônica está associada inicial-mente ao tipo de sinais com que elastrabalham e no que elas fazem comos sinais.

De uma forma resumida podemosdizer que:

A Eletrônica Digital trabalha comsinais que só podem assumir valores

discretos ou inteiros.A Eletrônica Analógica trabalha

com sinais que podem ter qualquervalor entre dois limites.

1.2 - LÓGICA DIGITAL

Os computadores e outros equi-pamentos que usam circuitos digitaisfuncionam obedecendo a um tipo decomportamento baseado no que sedenomina Lógica.

Diferentemente dos circuitos am-plificadores comuns que simplesmen-te amplificam, atenuam ou realizamalgum tipo de processamento simplesdos sinais, os circuitos digitais usa-

dos em computadores e outras má-quinas não processam os sinais ba-seados em uma finalidade simplesdeterminada quando são fabricados.

Os circuitos digitais dos computa-dores e outros equipamentos são ca-pazes de combinar os sinais toman-do decisões segundo um comporta-mento lógico.

É evidente que se o leitor desejarealmente entender como as coisasacontecem nos circuitos digitais, devepartir exatamente do aprendizado docomportamento lógico. Podemos di-zer que a lógica nos permite tirar

LIÇÃO 1

ELETRÔNICA ANALÓGICA E DIGITAL

SISTEMAS DE NUMERAÇÃO

Figura 1- Os sinais digitais variam aos saltos.

COMPUTADORES:os com-putadores atuais são digitais emsua totalidade e praticamente

não é usado outro tipo de confi-guração. No entanto, nem sem-pre foi assim. Nas primeiras dé-cadas deste século, quando oscircuitos eram ainda valvulados,os primeiros computadoreseram máquinas analógicas. Aimprecisão e algumas outras di-ficuldades técnicas que estescomputadores apresentavam fi-zeram com que logo fossemsubstituídos pelos circuitos digi-tais hoje usados.

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3SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

conclusões ou tomar decisões a par-tir de fatos conhecidos.

Por exemplo, a decisão de “acen-der uma lâmpada quando está escu-ro” é uma decisão lógica, pois a pro-posição e a conclusão são fatos

relacionados.Ao contrário, a decisão de “acen-der uma lâmpada, porque está cho-vendo” não é uma decisão lógica, poisos fatos envolvidos não têm relação.

Evidentemente, os fatos relaciona-dos acima são simples e servempara exemplificar como as coisasfuncionam.

Na eletrônica dos computadores,o que temos é a aplicação da lógicadigital, ou seja, de circuitos que ope-ram tomando decisões em função de

coisas que acontecem no seu própriointerior. É claro que os computadorese seus circuitos digitais não podementender coisas como está escuro ouestá chovendo e tomar decisões.

Os circuitos lógicos digitais traba-lham com sinais elétricos.

Assim, os circuitos lógicos digitaisnada mais fazem do que receber si-nais com determinadas característi-cas e em função destes tomar deci-sões que nada mais são do que a pro-dução de um outro sinal elétrico.

Mas, se os sinais elétricos são di-gitais, ou seja, representam quantida-des discretas e se a lógica é baseadaem tomada de decisões, o próximopasso no entendimento da EletrônicaDigital, é partir para o modo comoas quantidades discretas são repre-sentadas e entendidas pelos circuitoseletrônicos.

1.3 - SISTEMAS DE NUMERAÇÃO

O modo como contamos as quan-tidades vem do fato de possuirmos 10

dedos. Assim, tomando os dedos dasmãos podemos contar objetos comfacilidade até certo ponto.

O ponto crítico ocorre quando te-mos quantidades maiores do que 10.

O homem resolveu o problema pas-sando a indicar também a quantida-de de mãos ou de vezes em que osdez dedos eram usados.

Assim, quando dizemos que temos27 objetos, o 2 indica que temos “duasmãos cheias” ou duas dezenas mais7 objetos. O 2 tem peso 10.

Da mesma forma, quando dizemosque temos 237 objetos, o 2 indica quetemos “duas dezenas de mãos chei-as” ou duas centenas, enquanto o 3indica que temos mais 3 mãos cheias

e finalmente o 7, mais 7 objetos, fi-gura 3. Em outras palavras, a posi-ção dos algarismos na representaçãodos números tem um peso e em nos-so sistema de numeração que é deci-mal este peso é 10, veja a figura 4.

O que aconteceria se tivéssemosum número diferente de dedos, porexemplo 2 em cada mão?

Isso significaria, em primeiro lugar,que em nosso sistema de base 4 (enão base 10) só existiriam 4 algaris-

mos para representar os números: 0,1, 2 e 3, confira a figura 5.Para representar uma quantidade

maior do que 4 teríamos de usar maisde um algarismo.

Assim, para indicar 7 objetos nabase 4, teríamos “uma mão cheia com4” e mais 3. Isso daria 13, figura 6.

Veja então que no “13” na base 4,o 1 tem peso 4, enquanto que o 3 temo seu valor normal.

De uma forma generalizada, dize-mos que dependendo da base do sis-

tema os algarismos têm “pesos” quecorrespondem à sua posição no

Figura 2- Elementos simples de lógica são a base de funcionamento dos circuitos digitais.

Figura 3- A posição do algarismodá seu valor relativo.

Figura 4- Os pesos sãopotências de 10 no sistema decimal.

Figura 5- Na base 4são usados 4

algarismos.

Figura 6- Treze na base quatro

equivale a sete na base 10.

número e que estes pesos são po-tências da base. Por exemplo, para abase 10, cada algarismo a partir dadireita tem um peso, que é uma po-tência de 10 em ordem crescente, oque nos leva à unidade (dez elevadoa zero), à dezena (dez elevado aoexpoente um), à centena (dez eleva-do ao quadrado), ao milhar (dez ele-vado ao cubo) e assim por diante,

conforme a figura 7.Em Eletrônica Digital costumamos

dizer que o dígito mais à direita, porrepresentar a menor potência ou termenor peso, é o dígito ou bit* menossignificativo ou LSB (Less Significant

Bit ) enquanto que o mais à esquerdaé o mais significativo ou MSB (Most Significant Bit ). Para a base 4, con-forme observamos na figura 8, os dí-gitos têm potências de 4.

*O bit que é o dígito binário (na base 2)será estudado mais adiante.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 20024

Figura 9- Pesos na numeração binária.

1.4 - NUMERAÇÃO BINÁRIA

Os circuitos eletrônicos não pos-suem dedos.

É evidente também que não seriamuito fácil projetar circuitos capazesde reconhecer 10 níveis de uma ten-são ou de outra grandeza elétrica semo perigo de que qualquer pequenoproblema fizesse-os causar qualquer

confusão.Muito mais simples para os circui-

tos eletrônicos é trabalhar com um sis-tema de numeração que esteja maisde acordo com o seu princípio de fun-cionamento e isso realmente é feito.

Um circuito eletrônico pode ter ounão corrente, ter ou não tensão, podereceber ou não um pulso elétrico.

Ora, os circuitos eletrônicos sãomais apropriados para operar com si-nais que tenham duas condições pos-síveis, ou seja, que representem doisdígitos ou algarismos.

Também podemos dizer que asregras que regem o funcionamentodos circuitos que operam com ape-nas duas condições possíveis sãomuito mais simples.

Assim, o sistema adotado nos cir-cuitos eletrônicos digitais é o sistemabinário ou de base 2, onde são usa-dos apenas dois dígitos, correspon-dentes a duas condições possíveis deum circuito: 0 e 1.

Mas, como podemos representarqualquer quantidade usando apenasdois algarismos?

A idéia básica é a mesma usadana representação de quantidades nosistema decimal: atribuir pesos aos

dígitos conforme sua posição no nú-mero. Assim, vamos tomar comoexemplo o valor 1101 que em bináriorepresenta o número 13 decimal e vercomo isso ocorre.

O primeiro dígito da direita nos in-

dica que temos uma vez o peso des-te dígito ou 1.O zero do segundo dígito da direi-

ta para a esquerda indica que não te-mos nada com o peso 2.

Agora o terceiro dígito da direitapara a esquerda e que tem peso 4 é1, o que indica que temos “uma vezquatro”.

Finalmente, o primeiro dígito daesquerda que é 1 e está na posiçãode peso 8, nos diz que temos “umavez oito”.

Somando uma vez oito, com umavez quatro e uma vez um, temos ototal, justamente a quantidade queconhecemos em decimal como treze.

Veja então, conforme indica a fi-gura 9, que na numeração binária, osdígitos vão tendo pesos da direitapara a esquerda que são potênciasde 2, ou seja, dois elevado ao expo-ente zero que é um, dois elevado aoexpoente 1 que é 2, dois ao quadra-do que é 4 e assim por diante.

Basta lembrar que a cada vez quenos deslocamos para a esquerda, opeso do dígito dobra, figura 10.

Como não existe um limite para osvalores dos pesos, isso significa queé posível representar qualquer quan-tidade em binário, por maior que seja,simplesmente usando o número apro-priado de dígitos.

Para 4 dígitos podemos represen-tar números até 15; para 8 dígitos po-demos ir até 255; para 16 dígitos até65 535 e assim por diante.

O leitor deve lembrar-se dessesvalores limites para 4, 8 e 16 dígitosde um número binário, pois eles têmuma grande im-portância naInformática.

A seguir da-mos a represen-tação binária dosnúmeros deci-mais até 17 parauma melhor ilus-tração de como

tudo funciona:

Decimal Binário Decimal Binário0 0 9 10011 1 10 10102 10 11 10113 11 12 11004 100 13 11015 101 14 11106 110 15 11117 111 16 100008 1000 17 10001

Para o leitor que pretende enten-der de Eletrônica Digital aplicada aos

computadores há momentos em queé preciso saber converter uma indi-cação em binário para o decimal cor-respondente.

Podemos dar como exemplo ocaso de certas placas que são usa-das no diagnóstico de computadorese que possuem um conjunto de LEDsque acende indicando um númerocorrespondente a um código de erros.Os LEDs apagados indicam o alga-rismo 0 e os LEDs acesos, o algaris-mo 1.

Vamos supor que num diagnósti-co a sequência de acendimento dosLEDs seja 1010110. É preciso saberpor onde começar a leitura ou seja,se o de menor peso é o da direita ouda esquerda.

Nas indicações dadas por instru-mentos ou mesmo na representaçãoda valores binários, como por exem-plo na saída de um circuito, é precisosaber qual dos dígitos tem maior pesoe qual tem menor peso.

Isso é feito com uma sigla adota-da normalmente e que se refere aodígito, no caso denominado bit.

Figura 7- Os pesos aumentamda direita para a esquerda.

Figura 8- Os pesos na base 4.Figura 10- Na numeração binária os pesos

dobram a cada digito deslocado para a esquerda.

Dígitoou bit

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5SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

Assim, conforme citado anterior-mente, para o dígito de menor pesoou bit menos significativo é adotadaa sigla LSB (Less Significant Bit ) epara o mais significativo é adotada asigla MSB (Most Significant Bit ), figu-ra 11.

O que fazemos é somar os valo-res dados pelos dígitos multiplicadospelo peso de sua posição. No casodo valor tomado como exemplo,

1010110, temos:

Dígito Peso Valor1 x 64 = 640 x 32 = 01 x 16 = 160 x 8 = 01 x 4 = 41 x 2 = 20 x 1 = 0

Somando os valores teremos:64 + 16 + 4 + 2 = 86

O valor decimal de 1010110 é 86.Assim, tudo que o leitor tem de

fazer é lembrar que a cada dígito quesaltamos para a esquerda seu pesodobra na sequência 1, 2, 4, 8, 16, 32,64, 128, etc.

Na prática também pode ocorrero problema inverso, transformação deum valor expresso em decimal (base10) para a base 2 ou binário.

Para esta transformação podemos

fazer uso de algoritmo muito simplesque memorizado pelo leitor pode serde grande utilidade, dada suapraticidade.

Para os que não sabem, algoritmonada mais é do que uma sequênciade operações que seguem uma de-terminada regra e permitem realizaruma operação mais complexa. Quan-do você soma os números um sobreo outro (da mesma coluna) e passapara cima os dígitos que excedem o10, fazendo o conhecido “vai um”,

você nada mais está fazendo do queusar um algoritmo.

Os computadores usam muitos ti-pos de algoritmos quando fazem suasoperações, se bem que a maioria nãoprecise ser conhecida dos leitores.

Assim, para a conversão de umdecimal para binário, como por exem-

plo o 116, o que fazemos é uma sériede divisões sucessivas, figura 12.Vamos dividindo os números por

2 até o ponto em que chegamos a umvalor menor que 2 e que portanto, nãopode mais ser dividido.

O resultado desta última divisão,ou seja, seu quociente é então o pri-meiro dígito binário do número con-vertido. Os demais dígitos são obti-dos lendo-se os restos da direita paraa esquerda da série de divisõesque realizamos. Tudo muito simples e

rápido.

A própria existência de um “0,” jános sugere que se trata de um núme-ro menor que 1 e portanto, fracionário.

Ocorre que os dígitos deste núme-ro têm pesos que correspondem apotências de 2 negativas, que nada

mais são do que frações, conforme aseguinte sequência:

Dígito Peso Valor0, x 1 = 00 x 1/2 = 01 x 1/4 = 0,251 x 1/8 = 0,06250 x 1/16 = 01 x 1/32 = 0,03125

Somando os valores relativos te-remos:

0,25 + 0,0625 + 0,03125 = 0,625

O número decimal representado éportanto 0,625.

Veja que usando tantos dígitosquantos sejam necessários podemosrepresentar com a precisão desejadaum número decimal.

1.6 - FORMAS DIFERENTES DEUTILIZAR O SISTEMA BINÁRIO

A utilização de circuitos eletrôni-cos com determinadas característicase a própria necessidade de adaptar osistema binário à representação devalores que sejam convertidos rapi-damente para o decimal e mesmooutros sistemas, levou ao apareci-mento de algumas formas diferentesde utilização dos binários.

Estas formas são encontradas emdiversos tipos de equipamentos digi-

tais, incluindo os computadores.

Sistema BCD (DecimalCodificado em Binário)

BCD é a abreviação de Binary Coded Decimal e se adapta melhoraos circuitos digitais.

Permite transformar cada dígitodecimal de um número numarepresentação por quatro dígitos bi-nários (bits) independentemente

do valor total do número que será re-presentado.

Figura 11-

Extremos de

um número

binário.

Figura 12- Conversão de um decimal em

binário por divisões sucessivas.

resultado: 1110100

1.5 - BINÁRIOS MENORES QUE 1

Para o leitor talvez seja difícil en-tender como usando quantidades quesó podem ser inteiras, como dadopela definição de digital no início destalição, seja possível representar quan-tidades menores que um, ou seja,números “quebrados” ou fracionários.

É claro que isso é possível na prá-

tica, pois se assim não fosse os com-putadores e as calculadoras não po-deriam realizar qualquer operaçãocom estes números e sabemos queisso não é verdade.

O que se faz é usar um artifícioque consiste em empregar potênciasnegativas de um número inteiro pararepresentar quantidades que não sãointeiras.

Assim é possível usar dígitos bi-nários para representar quantidadesfracionárias sem problemas.

Vamos dar um exemplo tomandoo número 0,01101 em binário.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 20026

Assim, partimos da seguinte tabela:Dígito decimal BCD

0 00001 00012 00103 0011

4 01005 01016 01107 01118 10009 1001

Se quisermos representar emBCD o número 23,25 não o converte-mos da forma convencional por divi-sões sucessivas mas sim, tomamoscada dígito e o convertemos no BCDequivalente, conforme segue:

2 3, 2 50010 0011 0010 0101

Veja então que para cada dígitodecimal sempre teremos quatro dígi-tos binários ou bits e que os valores1010, 1011, 1100, 1101 e 1111 nãoexistem neste código.

Esta representação foi muito inte-ressante quando as calculadoras setornaram populares, pois era possí-vel usá-las para todas as operaçõescom números comuns e os 5 códigosnão utilizados dos valores que nãoexistiam foram adotados para indicaras operações! (figura 13)

O leitor também perceberá queusando representações desta forma,operavam os primeiros computado-res, apropriadamente chamados decomputadores de “4 bits”.

Outros Códigos

Outros códigos binários, mas nãotão importantes neste momento, sãoo Código Biquinário, em que cada dí-gito tem um peso e são sempre usa-dos 7 bits para sua representação eo Código Gray que aparece em diver-sas versões.

O Código Gray se caracteriza pelofato da passagem de qualquer núme-ro para o seguinte sempre ser feitacom a mudança de um único dígito.

Assim, por exemplo, quando pas-samos de 0111 (7 em decimal) para

1000 (8 em decimal) os quatro dígi-

tos mudam. No Código Gray a passa-gem do 7 para 8 muda apenas umdígito, pois o 7 é 0100 e o 8 é 1100.

Podemos ainda citar os Códigosde Paridade de Bit e o Código de Ex-cesso 3 (XS3) encontrados em apli-cações envolvendo circuitos digitais.

1.7 - SISTEMA HEXADECIMAL

Os bits dos computadores sãoagrupados em conjuntos de 4, assimtemos os computadores de 4, 8, 16 e32 bits. Também observamos que com4 bits podemos obter representaçõesbinárias de 16 números e não somen-te de 10. Vimos que os 5 excedentespoderiam ser usados para represen-tar operações nas calculadoras.

Isso significa que a representaçãode valores no sistema hexadecimal oude base 16 é mais compatível com anumeração binária ou operação biná-ria dos computadores.

E de fato isso é feito: abrindo mui-tos programas de um computador,vemos que suas características comoposições de memória ou quantidadede memória são feitas neste sistema.

Isso significa que o técnico preci-sa conhecer este sistema e mais doque isso, deve saber como fazer con-versões dele para o decimal e vice-versa, além de conversões para o sis-tema binário. Na tabela abaixo damos

as representações dos dígitos destesistema com equivalentes decimais ebinários:

Decimal Binário Hexadecimal0 0000 01 0001 12 0010 23 0011 34 0100 4

5 0101 56 0110 67 0111 78 1000 89 1001 9

10 1010 A11 1011 B12 1100 C13 1101 D14 1110 E15 1111 F

Observe que como não existemsímbolos para os dígitos 10, 11, 12,

13, 14 e 15, foram usadas as letrasA,B,C,D,E e F.

Como fazer as conversões: osmesmos procedimentos que vimospara o caso das conversões de deci-mal para binário e vice-versa são vá-lidos para o caso dos hexadecimais,mudando-se apenas a base.

Vamos dar exemplos:Como converter 4D5 em decimal:Os pesos no caso são: 256, 16 e

1. (a cada dígito para a esquerdamultiplicamos o peso do anterior por16 para obter novo peso).

Temos então:4D5 = (4 x 256)+(13x16)+(1x5) = 1237

Observe que o “D” corresponde ao13. O número decimal equivalente ao4D5 hexadecimal ou “hex”, como émuitas vezes representado, é 1237.

4D5 (hex) = 1237 (dec)A conversão inversa, ou seja, de

decimal para hexadecimal é feita pordivisões sucessivas. Tomemos o casode 1256, apresentado na figura 14.

Veja que basta ler o quociente fi-nal e depois os restos das divisõessucessivas, sempre lembrando que osque excederem 10 devem ser “troca-dos” pelas letras equivalentes.

Figura 13- Uso dos valores de 0000 a 1111.

Figura 14- 1367 decimalequivale a 557 na base 16.

EXERCÍCIOSa) Converter 645 em BCDb) Converter 45 em binário puroc) Converter 11001 (binário) em decimald) Converter 1101 0011 1011 (BCD) emdecimale) Converter 1745 (decimal) emhexadecimal.

f) Converter FFF (hex) em decimal.g) Converter F4D (hex) em decimal.

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CURSODE ELETRÔNICA DIGITAL

7SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

Na primeira lição do nosso cursoaprendemos o significado das pala-vras Digital e Lógica empregadas na

Eletrônica e nos computadores. Vimosque os computadores são denomina-dos digitais quando trabalham comsinais discretos, ou seja, sinais quenão variam continuamente entre doisvalores, mas que assumem determi-nados valores inteiros. Também vimosque os computadores são máquinaslógicas, porque tomam decisões apartir de certos fatos, segundo regrasmuito bem estabelecidas. Vimos queno caso dos circuitos digitais, comoos usados nos computadores, a base

10 não é a mais apropriada e queestes equipamentos usam principal-mente o sistema binário ehexadecimal. Aprendemos aindacomo fazer as conversões de base eler os números binários e hexade-cimais.

Nesta lição veremos de que modoos circuitos digitais podem tomar de-cisões lógicas. Todas essas decisõessão baseadas em circuitos muito sim-ples e configurações que operam nabase 2 e que portanto, são fáceis deentender, porém muito importantespara os leitores que pretendam tra-balhar com computadores, ou pelomenos entender melhor seu princípiode funcionamento.

2.1 - A álgebra de BooleEm meados do século passado

George Boole, um matemático inglês,desenvolveu uma teoria completa-mente diferente para a época, base-ada em uma série de postulados e

operações simples para resolver umainfinidade de problemas.

Apesar da algebra de Boole, comofoi chamada, poder resolver proble-mas práticos de controle e fabricação

de produtos, na época não havia Ele-trônica e nem as máquinas eram su-ficientemente avançadas para utilizarseus princípios.

A álgebra de Boole veio a se tor-nar importante com o advento da Ele-trônica, especificamente, da Eletrôni-ca Digital, que gerou os modernoscomputadores.

Boole estabelece em sua teoriaque só existem no universo duas con-dições possíveis ou estados, paraqualquer coisa que se deseje anali-

sar e estes dois estados são opostos.Assim, uma lâmpada só pode es-

tar acesa ou apagada, uma torneirasó pode estar aberta ou fechada, umafonte só pode ter ou não ter tensãona sua saída, uma pergunta só podeter como resposta verdadeiro ou fal-so. Dizemos de maneira simples quena álgebra de Boole as variáveis lógi-cas só podem adquirir dois estados:

0 ou 1Verdadeiro ou FalsoAberto ou FechadoAlto ou Baixo (HI ou LO)Ligado ou Desligado

Na Eletrônica Digital partimos jus-tamente do fato de que um circuito sópode trabalhar com dois estados pos-síveis, ou seja, encontraremos pre-sença do sinal ou a ausência do si-nal, o que se adapta perfeitamenteaos princípios da álgebra de Boole.

Tudo que um circuito lógico digital

pode fazer está previsto pela álgebrade Boole. Desde as mais simples ope-

rações ou decisões, como acenderum LED quando dois sensores sãoativados de uma determinada manei-

ra ou quando uma tecla é pressiona-da, até girar no espaço uma imagemtridimensional.

2.2 - Os níveis lógicosPartimos então do fato de que nos

circuitos digitais só encontraremosduas condições possíveis: presençaou ausência de sinal, para definir al-guns pontos importantes para o nos-so entendimento.

Nos circuitos digitais a presençade uma tensão será indicada como 1

ou HI (de HIGH ou Alto) enquanto quea ausência de uma tensão seráindicada por 0 ou LO (de LOW oubaixo).

O 0 ou LO será sempre uma ten-são nula, ou ausência de sinal numponto do circuito, mas o nível lógico 1ou HI pode variar de acordo com ocircuito considerado (figura 1). NosPCs de mesa, a tensão usada para aalimentação de todos os circuitos ló-gicos, por exemplo, é de 5 V. Assim, onível 1 ou HI de seus circuitos será

LIÇÃO 2

A ÁLGEBRA DE BOOLE

Figura 1- Nos circuitos digitais sóencontramos um valor fixo de tensão.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 20028

sempre uma tensão de 5 V. Noslaptops é usada uma tensão de ali-mentação menor, da ordem de 3,2 V,portanto, nestes circuitos um nível 1ou HI sempre corresponderá a umatensão desse valor.

Existem ainda circuitos digitais queempregam componentes de tecnolo-gia CMOS e que são alimentados ti-picamente por tensões entre 3 e 15 V.Nestes casos, conforme vemos na fi-gura 2, um nível lógico 1 ou HI pode-rá ter qualquer tensão entre 3 e 15 V,dependendo apenas da tensão de ali-mentação usada.

VerdadeiroLigadoNível alto ou HI

3.1 - Operações LógicasNo dia-a-dia estamos acostuma-

dos a realizar diversos tipos de ope-rações lógicas, as mais comuns sãoas que envolvem números, ou seja,quantidades que podem variar ou va-riáveis.

Assim, podemos representar umasoma como:

Y = A + B

Onde o valor que vamos encon-trar para Y depende dos valores atri-buídos às letras A e B.

Dizemos que temos neste casouma função algébrica e que o valor Yé a variável dependente, pois seu va-lor dependerá justamente dos valoresde A e B, que são as variáveis inde-pendentes.

Na Eletrônica Digital, entretanto,existem operações mais simples doque a soma, e que podem ser perfei-

tamente implementadas levando emconta a utilização da álgebrabooleana.

É interessante observar que comum pequeno número destas opera-ções conseguimos chegar a uma infi-nidade de operações mais complexas,como por exemplo, as utilizadas noscomputadores e que, repetidas emgrande quantidade ou levadas a umgrau de complexidade muito grande,nos fazem até acreditar que a máqui-

na seja “inteligente”!Na verdade, é a associação, dedeterminada forma das operaçõessimples que nos leva ao comporta-mento muito complexo de muitos cir-cuitos digitais, conforme ilustra a fi-gura 4.

Assim, como observamos na figu-ra 5, um computador é formado por

Figura 2- A tensão encontrada nos circuitosCMOS terá um valor fixo entre 3 e 15 V.

Figura 3- Podemos trabalhar com os níveis"invertidos" numa lógica negativa.

Figura 4- Circuitos que fazemoperações simples podem ser

associados para realizar

operações complexas.

Figura 5- Poucos blocos básicos, mas reunidos em grandequantidae podem realizar operações muito complexas.

Na verdade, a idéia de associar apresença de tensão ao nível 1 e aausência ao nível 0, é mera questãode convenção.

Nada impede que adotemos umcritério inverso e projetemos os circui-tos, pois eles funcionarão perfeita-mente.

Assim, quando dizemos que aonível alto (1) associamos a presençade tensão e ao nível baixo a ausên-cia de tensão (0), estamos falando doque se denomina “lógica positiva”.

Se associarmos o nível baixo ou0 a presença de tensão e o nível altoou 1 a ausência de tensão, estaremosfalando de uma “lógica negativa”, con-forme ilustra a figura 3.

Para não causar nenhum tipo deconfusão, todo o nosso curso tratará

exclusivamente da lógica positiva,o mesmo acontecendo com os dispo-sitivos eletrônicos tomados comoexemplos.

Portanto, em nossa lógica, é pos-sível associar os seguintes estados deum circuito aos valores 0 e 1:

0 VFalsoDesligadoNível baixo ou LO

1 - 5 V (ou outra tensão positiva,conforme o circuito)

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9SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

um grande número de pequenos blo-cos denominados portas ou funçõesem que temos entradas e saídas.

O que irá aparecer na saída é de-terminado pela função e pelo queacontece nas entradas. Em outraspalavras, a resposta que cada circui-to lógico dá para uma determinadaentrada ou entradas depende do queele é ou de que “regra booleana” elesegue.

Isso significa que para entendercomo o computador realiza as maiscomplexas operações teremos de co-meçar entendendo como ele faz asoperações mais simples com as de-nominadas portas e quais são elas.

Por este motivo, depois de definirestas operações lógicas, associando-as à álgebra de Boole, vamos estudá-las uma a uma.

2.4 - Função Lógica NÃO ou In-

versoraNos manuais também encontra-mos a indicação desta função com apalavra inglesa correspondente, queé NOT.

O que esta função faz é negar umaafirmação, ou seja, como em álgebrabooleana só existem duas respostaspossíveis para uma pergunta, estafunção “inverte” a resposta, ou seja,a resposta é o “inverso” da pergunta.O circuito que realiza esta operaçãoé denominado inversor.

Levando em conta que este circui-to diz sim, quando a entrada é não,ou que apresenta nível 0, quando aentrada é 1 e vice-versa, podemosassociar a ele uma espécie de tabelaque será de grande utilidade sempreque estudarmos qualquer tipo de cir-cuito lógico.

Esta tabela mostra o que ocorrecom a saída da função quando colo-camos na entrada todas as combina-ções possíveis de níveis lógicos.

Dizemos que se trata de uma “ta-bela verdade” (nos manuais em Inglês

esta tabela aparece com o nome deTruth Table). A seguir apresentamosa tabela verdade para a porta NOTou inversora:

Entrada Saída0 11 0

Os símbolos adotados para repre-sentar esta função são mostrados nafigura 6.

O adotado normalmente em nos-sas publicações é o mostrado em (a),mas existem muitos manuais técnicose mesmo diagramas em que sãoadotados outros e os leitores devemconhecê-los.

Esta função pode ser simulada porum circuito simples e de fácil entendi-mento apresentado na figura 7.

Neste circuito temos uma lâmpa-da que, acesa, indica o nível 1 na sa-

ída e apagada, indica o nível 0. Quan-do a chave está aberta indicando quea entrada é nível 0, a lâmpada estáacesa, indicando que a saída é nivel1. Por outro lado, quando a chave éfechada, o que representa uma en-trada 1, a lâmpada apaga, indicandoque a saída é zero.

Esta maneira de simular funçõeslógicas com lâmpadas indicando asaída e chaves indicando a entrada,é bastante interessante pela facilida-de com que o leitor pode entender seu

funcionamento.Basta então lembrar que:

Entrada: chave aberta = 0chave fechada = 1

Saída: lâmpada apagada = 0lâmpada acesa = 1

2.5 - Função Lógica EA função lógica E também conhe-

cida pelo seu nome em inglês ANDpode ser definida como aquela emque a saída será 1 se, e somentese, todas as variáveis de entrada fo-rem 1.

Veja que neste caso, as funçõeslógicas E podem ter duas, três, qua-tro ou quantas entradas quisermos eé representada pelos símbolos mos-trados na figura 8.

As funções lógicas também sãochamadas de “portas” ou “gates” (doinglês) já que correspondem a circui-tos que podem controlar ou deixar

passar os sinais sob determinadascondições.Tomando como exemplo uma por-

ta ou função E de duas entradas, es-crevemos a seguinte tabela verdade:

Entradas SaídaA B0 0 00 1 01 0 01 1 1

Na figura 9 apresentamos o modode simular o circuito de uma porta E

Figura 6- Em (a) o simbolo mais comum e em (b) o simbolo IEEE usado em muitas publicaçõestécnicas mais modernas dos Estados Unidos e Europa.Figura 7- Circuito simples para simular a

função NÃO (NOT) ou inversor.

Figura 8- Símbolos adotados para representar uma porta E ou AND.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200210

usando chaves e uma lâmpada co-mum. É preciso que S

1e S

2estejam

fechadas, para que a saída (lâmpa-da) seja ativada.

Para uma porta E de três entra-das tabela verdade será a seguinte:

Entradas SaídaA B C S

0 0 0 00 0 1 00 1 0 00 1 1 01 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 1

Para que a saída seja 1, é precisoque todas as entradas sejam 1.

Observamos que para uma portaE de 2 entradas temos 4 combinações

possíveis para os sinais aplicados.Para uma porta E de 3 entradas te-mos 8 combinações possíveis para osinal de entrada.

Para uma porta de 4 entradas, te-remos 16 e assim por diante.

2.6 - Função lógica OUA função OU ou ainda OR (do in-

glês) é definida como aquela em quea saída estará em nível alto se umaou mais entradas estiver em nível alto.Esta função é representada pelossímbolos mostrados na figura 10.

O símbolo adotado normalmenteem nossas publicações é o mostradoem (a).

Para uma porta OU de duas en-tradas podemos elaborar a seguintetabela verdade:

Entradas SaídaA B S0 0 00 1 1

1 0 11 1 1

Vemos que a saída estará no ní-vel 1 se uma das entradas estiveremno nível 1.

Um circuito simples com chaves elâmpada para simular esta função édado na figura 11.

Quando uma chave estiver fecha-

da (entrada 1) a lâmpada receberácorrente (saída 1), conforme desejar-mos. Para mais de duas variáveis po-demos ter portas com mais de duasentradas. Para o caso de uma portaOU de três entradas teremos a se-guinte tabela verdade:

Entradas SaídaA B C S0 0 0 00 0 1 10 1 0 1

0 1 1 11 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 1

2.7 - Função NÃO-EAs funções E, OU e NÃO (inver-

sor) são a base de toda a álgebrabooleana e todas as demais podemser consideradas como derivadasdelas. Vejamos:

Uma primeira função importantederivada das anteriores é a obtidapela associação da função E com afunção NÃO, ou seja, a negação da

função E que é denominada NÃO-Eou em inglês, NAND.

Na figura 12 temos os símbolosadotados para representar esta fun-ção.

Observe a existência de um pe-queno círculo na saída da porta para

indicar a negação.Podemos dizer que para a funçãoNAND a saída estará em nível 0 se, esomente se, todas as entradas esti-verem em nível 1.

A tabela verdade para uma portaNÃO-E ou NAND de duas entradas éa seguinte:

Entradas SaídaA B S0 0 10 1 1

1 0 11 1 0

Na figura 13 temos um circuitosimples com chaves, que simula estafunção.

Figura 9- Circuito simples parasimular um aporta E ou AND.

Figura 10- Símbolos para as portas OU ou OR.

Figura 11- Circuito para simular umaporta OU ou OR de duas entradas.

Figura 12- Símbolos para as portas NÃO-E ou NAND.

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Veja que a lâmpada só apagará(saída 0) quando as duas chaves es-tiverem fechadas (1), curto-circuitandoassim sua alimentação. O resistor éusado para limitar a corrente dafonte.

Também neste caso podemos ter

a função NAND com mais de duasentradas. Para o caso de 3 entradasteremos a seguinte tabela verdade:

Entradas SaídaA B C S0 0 0 10 0 1 10 1 0 10 1 1 11 0 0 11 0 1 11 1 0 1

1 1 1 0

2.8 - Função NÃO-OUEsta é a negação da função OU,

obtida da associação da função OUcom a função NÃO ou inversor. O ter-mo inglês usado para indicar esta fun-ção é NOR e seus símbolos são apre-sentados na figura 14.

Sua ação é definida da seguinteforma: a saída será 1 se, e somentese, todas as variáveis de entrada fo-

rem 0.Uma tabela verdade para uma fun-ção NOR de duas entradas é mostra-da a seguir:

Entradas SaídaA B S0 0 10 1 01 0 01 1 0

Um circuito simples usando cha-

ves e lâmpada para simular esta fun-ção é mostrado na figura 15.

Observe que a lâmpada só semantém acesa (nível 1) se as duaschaves (S

1e S

2) estiverem abertas

(nível 0).Da mesma forma que nas funções

anteriores, podemos ter portas NORcom mais de duas entradas. Para ocaso de três entradas teremos a se-

guinte tabela verdade:

Entradas SaídaA B C S0 0 0 10 0 1 00 1 0 00 1 1 01 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 0

2.9 - Função OU-exclusivoUma função de grande importân-

cia para o funcionamento dos circui-tos lógicos digitais e especificamentepara os computadores é a denomina-da OU-exclusivo ou usando o termoinglês, “exclusive-OR”. Esta funçãotem a propriedade de realizar a somade valores binários ou ainda encon-trar o que se denomina “paridade” (oque será visto futuramente).

Na figura 16 temos os símbolos

adotados para esta função.Podemos definir sua ação da se-

guinte forma: a saída será 1 se, e so-mente se, as variáveis de entrada fo-rem diferentes. Isso significa que, parauma porta Exclusive-OR de duas en-

tradas teremos saída 1 se as entra-das forem 0 e 1 ou 1 e 0, mas a saídaserá 0 se as entradas forem ambas 1ou ambas 0, conforme a seguinte ta-bela verdade:

Entradas SaídaA B S

0 0 00 1 11 0 11 1 0

Esta função é derivada das de-mais, pois podemos “montá-la” usan-do portas conhecidas (figura 17).

Assim, se bem que esta funçãotenha seu próprio símbolo e possa serconsiderada um “bloco” independen-te nos projetos, podemos sempre

implementá-la com um circuitoequivalente como o ilustrado nessafigura.

2.10 - Função NÃO-OU exclusi-vo ou coincidência

Podemos considerar esta funçãocomo o “inverso” do OU-exclusivo. Suadenominação em inglês é Exclusive

Figura 13- Circuito que simula uma portaNAND ou NÃO-E de duas entradas.

Figura 14- Símbolo usados para representar a função NOR ou NÃO-E

Figura 15- Circuito usado para simularuma porta NOR de duas entradas.

Figura 16- Símbolo para a função OU-exclusivo ou Exclusive-OR.

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NOR e é representada pelo símbolomostrado na figura 18.

Observe o círculo que indica anegativa da função anterior, se bemque essa terminologia são seja apro-priada neste caso.

Esta função pode ser definidacomo a que apresenta uma saídaigual a 1 se, e somente se as variá-veis de entrada forem iguais.

Uma tabela verdade para esta fun-ção é a seguite:

Entrada SaídaA B S0 0 10 1 01 0 01 1 1

Podemos implementar esta funçãousando outras já conhecidas, confor-

me a figura 19.2.11 - Propriedades das opera-

ções lógicasAs portas realizam operações com

os valores binários aplicados às suasentradas. Assim, podemos represen-tar estas operações por umasimbologia apropriada, facilitando oprojeto dos circuitos e permitindovisualizar melhor o que ocorre quan-do associamos muitas funções.

No entanto, para saber associar as

diversas portas e com isso realizaroperações mais complexas, é preci-

so conhecer as propriedades que asoperações apresentam.

Exatamente como no caso dasoperações com números decimais, asoperações lógicas com a álgebraBooleana se baseiam numa série depostulados e teoremas algo simples.

Os principais são dados a seguire prová-los fica por conta dos leitoresque desejarem ir além. Para enten-

der, entretanto, seu significadonão é preciso saber como provar suavalidade, mas sim memorizar seusignificado.

Representações

As operações E, OU e NÃO sãorepresentadas por símbolos da se-guinte forma:

a) Operação E

A operação E é representada porum ponto final(.). Assim, para uma

porta E de duas entradas (A e B) esaída S podemos fazer a representa-ção:

A . B = S

b) Operação OU

Esta operação é representadapelo sinal (+).A operação de uma porta OU de

entradas A e B e saída S pode serrepresentada como:

A + B = S

c) Operação NÃOEsta operação é indicada por uma

barra da seguinte forma:A\ = S

Partindo destas representações,podemos enumerar as seguintes pro-priedades das operações lógicas:

1. Propriedade comutativa dasoperações E e OU:

A . B = B . AA + B = B + A

2. Propriedade associativa dasoperações E e OU:

A.(B.C) = (A.B).CA+(B+C) = (A+B)+C

3. Teorema da Involução:(A negação da negação é a pró-

pria afirmação)

A\\ = A

4. A operacão E é distributiva emrelação à operação OU:

A.(B+C) = A.B + A.C

Figura 17- Elaboração da função OU-exclusivo com inversores, portas AND e uma porta OR.

Figura 18- Símbolos da função Não-OU-Exclusive ouExclusive NOR também chamada função coincidência.

Figura 19- Função coincidência (Exclusive NOR) implementada com outras portas.

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13SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

5. Propriedades diversas:

A.A = AA+A = AA.0 = 0A.1 = A

A+0 = AA+1 = 1A.A\= 0A+A\= 1A+A.B = A

6. Teoremas de De Morgan:

Aplicando a operação NÃO a umaoperação E, o resultado obtido é igualao da operação OU aplicada aos com-plementos das variáveis de entrada.

____ _ _

A . B = A + B

Aplicando a operação NÃO a umaoperação OU o resultado é igual aoda operação E aplicada aos comple-mentos das variáveis de entrada.

____ _ _ A + B = A . B

2.12 - Fazendo tudo com portasNAND

As portas NÃO-E, pelas suas ca-racterísticas, podem ser usadas paraobter qualquer outra função que es-tudamos. Esta propriedade torna es-sas portas blocos universais nos pro-

jetos de circuitos digitais já que, naforma de circuitos integrados, as fun-ções NAND são fáceis de obter e ba-ratas.

A seguir vamos mostrar de quemodo podemos obter as funções es-tudadas simplesmente usando portas

NAND.

InversorPara obter um inversor a partir de

uma porta NAND basta unir suas en-tradas ou colocar uma das entradasno nível lógico 1, conforme figura 20.

Uma porta E (AND) é obtida sim-plesmente agregando-se à funçãoNÃO-E (NAND) um inversor em cadaentrada, (figura 21).

A função OU (OR) pode ser obti-

da com o circuito mostrado nafigura 22. O que se faz é inverter a

saída depois de aplicá-la a uma por-ta NAND.

2.13 - ConclusãoOs princípios em que se baseiam

os circuitos lógicos digitais podemparecer algo abstratos, pois usammuito de Matemática e isso talvezdesestimule os leitores. No entanto,eles são apenas o começo. O esforçopara entendê-los certamente será re-compensado, pois estes princípios

estão presentes em tudo que um com-putador faz. Nas próximas lições,quando os princípios estudados co-meçarem a tomar uma forma maisconcreta, aparecendo em circuitos eaplicações práticas será fácil entendê-los melhor.

Nas próximas lições, o que foi es-tudado até agora ficará mais claroquando encontrarmos sua aplicaçãoprática.

QUESTIONÁRIO

1. Se associarmos à presença deuma tensão o nível lógico 1 e à suaausência o nível 0, teremos que tipode lógica:

a) Digital b) Positivac) Negativa d) Booleana

2. Na entrada de uma função lógi-ca NÃO aplicamos o nível lógico 0. A

saída certamente será:a) 0 b) 1c) Pode ser 0 ou 1d) Estará indefinida

3. O circuito que realiza a opera-ção lógica NÃO é denominado:

a) Porta lógica b) Inversorc) Amplificador digitald) Amplificador analógico

4. Se na entrada de uma porta

NAND aplicarmos os níveis lógicos 0e 1, a saída será:a) 0b) 1c) Pode ser 0 ou 1d) Estará indefinida

5. Em qual das seguintes condi-ções de entrada a saída de uma por-ta OR será 0:

a) 0,0 b) 0,1c) 1,0 d) 1,1

6. Qual é o nome da função lógi-ca em que obtemos uma saída 1quando as entradas tiverem níveislógicos diferentes, ou seja, forem 0 e1 ou 1 e 0.

a) NANDb) NORc) ANDd) Exclusive OR

7. Qual é a porta que pode serutilizada para implementar qualquer

função lógica:a) Inversor (NÃO)b) ANDc) NANDd) OR

Figura 20- Obtendo um inversor ( Função NÃO ou NOT) a partir de uma porta NAND.

Figura 21- POrta E obtidacom duas NÀO-E (NAND).

Figura 22- Porta OU obtidacom duas NÃO-E (NAND).

Respostas da lição nº 1a) 0110 0100 0101b) 101101c) 25d) Sem resposta (1101 não existe)e) 131f) 131g) 334

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200214

LIÇÃO 3

FAMÍLIAS DE CIRCUITOS LÓGICOS DIGITA IS

Na lição anterior conhecemos osprincípios simples da Álgebra deBoole que regem o funcionamentodos circuitos lógicos digitais encontra-dos nos computadores e em muitosoutros equipamentos. Vimos de quemodo umas poucas funções simplesfuncionam e sua importância na ob-tenção de funções mais complexas.Mesmo sendo um assunto um poucoabstrato, por envolver princípios ma-temáticos, o leitor pode perceber que

é possível simular o funcionamento dealgumas funções com circuitos eletrô-nicos relativamente simples, usandochaves e lâmpadas.

Os circuitos eletrônicos modernos,entretanto, não usam chaves e lâm-padas, mas sim, dispositivos muitorápidos que podem estabelecer osníveis lógicos nas entradas das fun-ções com velocidades incríveis e issolhes permite realizar milhões de ope-rações muito complexas a cada se-gundo.

Nesta edição veremos que tipo decircuitos são usados e como são en-contrados na prática em blocos bási-cos que unidos podem levar a elabo-ração de circuitos muito complicadoscomo os encontrados nos computa-dores.

O leitor irá começar a tomar con-tato com componentes práticos dasfamílias usadas na montagem dosequipamentos digitais. São estes oscomponentes básicos que podem ser

encontrados em circuitos digitais,computadores e muitos outros.

3.1 - O transistor como chaveeletrônica

Um transistor pode funcionarcomo um interruptor deixando passarou não uma corrente, conforme a apli-cação de uma tensão em sua entra-da.

Assim, na simulação dos circuitosque estudamos e em que usamoschaves, é possível utilizar transistorescom uma série de vantagens.

No caso das chaves, o operador

era responsável pela entrada do si-nal, pois, atuando com suas mãossobre a chave, deveria estabelecer onível lógico de entrada, mantendoesta chave aberta ou fechada confor-me desejasse 0 ou 1.

Se usarmos um transistor teremosuma vantagem importante: o transis-tor poderá operar com a tensão ounível lógico produzido por uma outrafunção e não necessariamente poruma pessoa que acione uma chave.

Assim, as funções lógicas

implementadas com transistores têma vantagem de poderem ser interliga-das umas nas outras, pois o sinal queaparece na saída de cada uma pode

ser usado como entrada para outra,conforme a figura 1.

Na figura 1 damos um exemplointeressante de como podemos obterum inversor usando um transistor.

Aplicando o nível 1 na base dotransistor ele conduz até o ponto desaturar, o que faz, com que a tensãono seu coletor caia a 0. Por outro lado,na ausência de tensão na sua base,que corresponde ao nível 0 de entra-da, o transistor se mantém cortado e

a tensão no seu coletor se mantémalta, o que corresponde ao nível 1.Conforme observamos na figura

2, outras funções podem ser conse-guidas com transistores.

Isso significa que a elaboração deum circuito lógico digital capaz de rea-lizar operações complexas usandotransistores é algo que pode ser con-seguido com relativa facilidade.

3.2 - Melhorando o desempenhoNo entanto, usar transistores em

circuitos que correspondam a cadafunção de uma maneira não padroni-zada pode trazer algumas dificulda-des.

Figura 1- Um inversor (função NÃOou NOT) usando um transistor.

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15SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

Dessa forma, se bem que nos pri-meiros tempos da Eletrônica Digitalcada função era montada com seustransistores, diodos e resistores nasua plaquinha para depois serem to-das interligadas, este procedimento

se revelou inconveniente por diversosmotivos.O primeiro deles é a complexida-

de que o circuito adquiria se realizas-se muitas funções.

O segundo, é a necessidade depadronizar o modo de funcionamen-to de cada circuito ou função. Seriamuito importante estabelecer que to-dos os circuitos operassem com amesma tensão de alimentação e for-necessem sinais que os demais pu-dessem reconhecer e reconhecessem

os sinais gerados pelos outros.O desenvolvimento da tecnologia

dos circuitos integrados, possibilitan-do a colocação num único invólucrode diversos componentes já interliga-dos, veio permitir um desenvolvimen-to muito rápido da Eletrônica Digital.

Foi criada então uma série de cir-cuitos integrados que continhamnuma única pastilha as funções lógi-cas digitais mais usadas e de tal ma-neira projetadas que todas eram com-patíveis entre si, ou seja, operavamcom as mesmas tensões e reconhe-ciam os mesmos sinais.

Estas séries de circuitos integra-dos formaram então as Famílias Ló-gicas, a partir das quais os projetis-

tas tiveram facilidade em encontrartodos os blocos para montar seusequipamentos digitais.

Assim, conforme a figura 3, pre-cisando montar um circuito que usas-se uma porta AND duas NOR e inver-sores, o projetista teria disponíveiscomponentes compatíveis entre sicontendo estas funções e de tal for-ma que poderiam ser interligadas dasmaneiras desejadas.

O sucesso do advento dessas fa-mílias foi enorme, pois além do me-nor tamanho dos circuitos e menorconsumo de energia, havia ainda a

vantagem do menor custo e obtençãode maior velocidade de operação econfiabilidade.

Diversas famílias foram criadasdesde o advento dos circuitos integra-dos, recebendo uma denominaçãoconforme a tecnologia empregada.

As principais famílias lógicas de-senvolvidas foram:

· RTL ou Resistor Transistor Logic

· RCTL ou Resistor Capacitor

Transistor Logic

· DTL ou Diode Transistor Logic · TTL ou Transistor Transistor Logic· CMOS ou Complementary Metal

Oxid Semiconductor · ECL ou Emitter Coupled Logic

Atualmente a Família TTL e aCMOS são as mais usadas, sendoempregadas em uma grande quanti-dade de equipamentos digitais e tam-bém nos computadores e periféricos.

3.3 - A família TTLA família TTL foi originalmente

desenvolvida pela Texas Instruments,

mas hoje, muitos fabricantes desemicondutores produzem seus com-ponentes.

Esta família é principalmentereconhecida pelo fato de ter duasséries que começam pelos números54 para os componentes de uso mili-tar e 74 para os componentes de usocomercial.

Assim, podemos rapidamente as-sociar qualquer componente que co-mece pelo número “74” à família TTL.

Na figura 4 mostramos uma por-

ta típica TTL. Trata-se de uma portaNAND de duas entradas que logo

Figura 2- Outras funçõesimplementadas comtransistores.

Figura 3- Blocoscompatíveis contendofunções lógicas

(circuitos integrados).

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200216

chama a atenção pelo fato de usar umtransistor de dois emissores.

A característica mais importantedesta família está no fato de que elaé alimentada por uma tensão de 5 V.

Assim, para os componentes des-

ta família, o nível lógico 0 é sempre aausência de tensão ou 0 V, enquantoque o nível lógico 1 é sempre umatensão de +5 V.

Para os níveis lógicos serem re-conhecidos devem estar dentro defaixas bem definidas.

Conforme verificamos na figura 5,uma porta TTL reconhecerá como ní-vel 0 as tensões que estiverem entre0 e 0,8 V e como 1 os que estiveremnuma outra faixa entre 2,4 e 5 V.

Entre essas duas faixas existe

uma região indefinida que deve serevitada.

Há centenas de circuitos integra-dos TTL disponíveis no mercado paraa realização de projetos. A maioriadeles está em invólucros DIL de 14 e16 pinos, conforme exemplos da fi-gura 6.

As funções mais simples das por-tas disponíveis numa certa quantida-de em cada integrado usam circuitosintegrados de poucos pinos.

No entanto, à medida que novastecnologias foram sendo desenvolvi-das permitindo a integração de umagrande quantidade de componentes,surgiu a possibilidade de colocar numintegrado não apenas umas poucasportas e funções adicionais que se-rão estudadas futuramente como flip- flops , decodificadores e outros mas,também interligá-los de diversas for-mas e utilizá-los em aplicações espe-cíficas.

Diversas etapas no aumento da

integração foram obtidas e receberamnomes que hoje são comuns quando

falamos de equipamentos digitais ecomputadores em geral. Temos as

seguintes classificações para os grausde integração dos circuitos digitais:

SSI - Small Scale Integration ouIntegração em Pequena Escala quecorresponde a série normal dos pri-meiros TTL que contém de 1 a 12portas lógicas num mesmo compo-nente ou circuito integrado.

MSI - Medium Scale Integration ou Integração de Média Escala emque temos num único circuito integra-do de 13 a 99 portas ou funções lógi-cas.

LSI - Large Scale Integration ouIntegração em Grande Escala quecorresponde a circuitos integradoscontendo de 100 a 999 portas ou fun-ções lógicas.

VLSI - Very Large Scale

Integration ou Integração em Esca-la Muito Grande que corresponde

aos circuitos integrados com mais de1000 portas ou funções lógicas.

3.4 - Outras Características daFamília TTL

Para usar corretamente os circui-tos integrados TTL e mesmo sabercomo testá-los, quando apresentamalgum problema de funcionamento, éimportante conhecer algumas de suascaracterísticas adicionais.

Analisemos as principais caracte-rísticas lembrando os níveis lógicosde entrada e saída admitidos:

- Correntes de entrada:Quando uma entrada de uma fun-

ção lógica TTL está no nível 0, flui umacorrente da base para o emissor dotransistor multiemissor da ordem de1,6 mA, figura 7.

Esta corrente deve ser levada emconta em qualquer projeto, pois, eladeve ser suprida pelo circuito que ex-citará a porta.

Quando a entrada de uma portalógica TTL está no nível alto, figura 8,flui uma corrente no sentido opostoda ordem de 40 µA.

Figura 4- Umaporta NAND TTL.

Figura 5- Faixas de tensão reconhecidascomo 0 e 1 (nível alto e baixo).Figura 6- As funções mais simples TTLsão encontradas nestes invólucros.

Figura 7- Corrente de entradano nível baixo (0).

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17SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

Esta corrente vai circular quandoa tensão de entrada estiver com umvalor superior a 2,0 V.

- Correntes de saídaQuando a saída de um circuito TTL

vai ao nível 0 (ou baixo), flui uma cor-rente da ordem de 16 mA, conformeobservamos no circuito equivalente dafigura 9.

Isso significa que uma saída TTLno nível 0 ou baixo pode drenar deuma carga uma corrente máxima de16 mA, ou seja, pode “absorver” umacorrente máxima desta ordem.

Por outro lado, quando a saída deuma função TTL está no nível 1 oualto, ela pode fornecer uma correntemáxima de 400 µA, figura 10.

Veja então que podemos obteruma capacidade muito maior de exci-tação de saída de uma porta TTLquando ela é levada ao nível 0 do queao nível 1.

Isso justifica o fato de que em

muitas funções indicadoras, em queligamos um LED na saída, fazemoscom que ele seja aceso quando asaída vai ao nível 0 (e portanto, a cor-rente é maior) e não ao nível 1, con-forme a figura 11.

- Fan In e Fan OutEstes são termos técnicos que

especificam características de extre-ma importância quando usamos cir-cuitos integrados da família TTL.

A saída de uma porta não precisa

estar obrigatoriamente ligada a umaentrada de outra porta. A mesma saí-da pode ser usada para excitar diver-sas portas.

Como a entrada de cada porta pre-cisa de uma certa corrente e a saídada porta que irá excitar tem uma ca-pacidade limitada de fornecimento oude drenar a corrente, é preciso esta-belecer um limite para a quantidadede portas que podem ser excitadas,veja o exemplo da figura 12.

Assim, levando em conta as cor-rentes nos níveis 1 e 0 das entradas

e saídas, definimos o FAN OUT comoo número máximo de entradas quepodemos ligar a uma saída TTL.

Para os componentes da famíliaTTL normal ou Standard que estamosestudando, o FAN OUT é 10.

Por outro lado, também pode ocor-rer que na entrada de uma função ló-gica TTL precisemos ligar mais deuma saída TTL.

Considerando novamente que cir-culam correntes nestas ligações e queos circuitos têm capacidades limita-das de condução, precisamos saberaté que quantidade de ligações po-demos fazer.

Desta forma o FAN-IN indica aquantidade máxima de saídas quepodemos ligar a uma entrada,

figura 13.

Figura 8- Corrente deentrada no nível alto (1).

Figura 9-Corrente de saídano nível baixo (0).

Figura 10-

Corrente desaída no nível

alto (1).

Figura 11- Prefere-se a configuração (b) para acionar LEDs.

Figura 12- Há um limite para a quantidadede entradas que uma saída pode excitar.

Figura 13- Também pode ser necessário ligarmais de uma saída a uma entrada.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200218

- VelocidadeOs circuitos eletrônicos possuem

uma velocidade limitada de operaçãoque depende de diversos fatores.

No caso específico dos circuitosTTL, temos de considerar a própria

configuração das portas que apresen-tam indutâncias e capacitâncias pa-rasitas que influem na sua velocida-de de operação.

Assim, levando em conta a confi-guração típica de uma porta, confor-me observamos no circuito da figura14, veremos que se for estabelecidauma transição muito rápida da tensãode entrada, a tensão no circuito nãosubirá com a mesma velocidade.

Este sinal terá antes de carregaras capacitâncias parasitas existentes

de modo que a tensão de entradasuba gradualmente, demorando umcerto tempo que deve ser considera-do.

Da mesma forma, à medida que osinal vai passando pelas diversas eta-pas do circuito, temos de consideraros tempos que os componentes de-moram para comutar justamente emfunção das capacitâncias e indutân-cias parasitas existentes.

O resultado disso é que para oscircuitos integrados TTL existe um re-tardo entre o instante em que o sinalpassa do nível 0 para o 1 na entradae o instante em que o sinal na saídaresponde a este sinal, passandodo nível 1 para o 0 no caso de uminversor.

Da mesma forma, existe um retar-do entre o instante em que o sinal deentrada passa do nível 1 para o 0 e oinstante em que o sinal de saída pas-sa do nível 0 para o 1, no caso de uminversor.

Mostramos esses dois tempos nafigura 15, eles são muito importan-tes nas especificações dos circuitos

TTL, principalmente quando trabalha-mos com o projeto de dispositivosmuito rápidos. Basicamente podemosadiantar para o leitor que se dois si-nais que devam chegar ao mesmotempo a um certo ponto do circuito

não o fizerem, porque um se retardamais do que o outro ao passar por de-terminadas funções, isso pode gerarinterpretações erradas do próprio cir-cuito que funcionará de modo anor-mal.

Assim, a partir da família originaldenominada “Standard” surgiram di-versas subfamílias. Para diferenciaressas subfamílias, foram adicionadasao número que identifica o componen-te (depois do 54 ou 74 com que todos

começam), uma ou duas letras.Temos então a seguinte tabela desubfamílias e da família TTL standard:

Indicação: 54/74Família/Subfamília: StandardCaracterística: nenhuma

Indicação: 54L/74LFamília/Subfamília: Low PowerCaracterística: Baixo consumo

Indicação: 54H/74H

Família/Subfamília: High SpeedCaracterística: Alta velocidadeIndicação: 54S/74SFamília/Subfamília: SchottkyCaracterística: nenhuma

Indicação: 54LS/74LSFamília/Subfamília: Low PowerSchottkyCaracterística: nenhuma

A versão standard apresenta com-ponentes com o custo mais baixo etambém dispõe da maior quantidadede funções disponíveis.

No entanto, a versão LS se adap-ta mais aos circuitos de computado-res, pois tem a mesma velocidade doscomponents da família Standard commuito menor consumo.

Algumas características podemser comparadas, para que os leitoresverifiquem as diferenças existentes.

- Velocidade

A velocidade de operação de umafunção TTL normalmente é especi-ficada pelo tempo que o sinal demo-ra para propagar através do circuito.Em uma linguagem mais simples, tra-ta-se do tempo entre o instante emque aplicamos os níveis lógicos naentrada e o instante em que obtemosa resposta, conforme verificamos atra-vés da forma de onda que vimos nafigura 15.

Para os circuitos da família TTL écomum especificar estes tempos em

nanossegundos ou bilionésimos desegundo.

Figura 14- Capacitâncias parasitas queinfluem na velocidade de resposta dos

circuitos.

Figura 15- Como são medidos os tempos de retardo nas funções TTL.

Os primeiros circuitos TTLque foram desenvolvidos logose mostraram inapropriadospara certas aplicações.

3.5 - Subfamílias TTLOs primeiros circuitos TTL que fo-

ram desenvolvidos logo se mostraraminapropriados para certas aplicações,quando é necessária maior velocida-de, ou menor consumo de energia ouainda os dois fatores reunidos.

Isso fez com que, mantendo ascaracterísticas originais de compati-bilidade entre os circuitos e manten-do as mesmas funções básicas, fos-

sem criadas sub-famílias que tives-sem uma característica adicional di-ferenciada.

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19SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

Assim, temos:

Família/Subfamília: TTL StandartTempo de programação (ns): 10

Família/Subfamília: Low PowerTempo de programação (ns): 33

Família/Subfamília: Low PowerSchottlkyTempo de programação (ns): 10

Família/Subfamília: High SpeedTempo de programação (ns): 6

Família/Subfamília: SchottklyTempo de programação (ns): 3

- DissipaçãoOutro ponto importante no projeto

de circuitos digitais é a potênciaconsumida e portanto, dissipada naforma de calor. Quando usamos umagrande quantidade de funções, estacaracterística se torna importante tan-to para o dimensionamento da fontecomo para o próprio projeto da placae do aparelho que deve ter meios dedissipar o calor gerado.

Podemos então comparar as dis-

sipações das diversas famílias, to-mando como base uma porta ou gate:

Família/SubFamília:Standard Dissipação por Gate (mW): 10

Família/SubFamília: Low Power Dissipação por Gate (mW): 1

Família/SubFamília: Low Power Schottky Dissipação por Gate (mW): 2

Família/SubFamília: High Speed Dissipação por Gate (mW): 22

Família/Subfamília:Schottky Dissipação por Gate (mW): 20

O leitor já deve ter percebido umproblema importante: quando aumen-tamos a velocidade, o consumo tam-

bém aumenta. O projetista deve por-tanto, ser cuidadoso em escolher asub- família que una as duas caracte-rísticas na medida certa de sua pre-cisão, incluindo o preço.

3.6 - Compatibilidade entre assubfamílias

Um ponto importante que deve serlevado em conta quando trabalhamoscom a família Standard e as subfa-mílias TTL é a possibilidade de inter-ligarmos os diversos tipos.

Isso realmente ocorre, já que to-dos os circuitos integrados da famíliaTTL e também das subfamílias sãoalimentados com 5 V.

Devemos observar, e com muitocuidado, que as correntes que circu-lam nas entradas e saídas dos com-ponentes das diversas subfamíliassão completamente diferentes, logo,quando passamos de uma para ou-tra, tentanto interligar os seus com-ponentes, as regras de Fan-In e Fan- Out mudam completamente.

Na verdade, não podemos falar deFan-in e Fan-out quando interligamoscircuitos de famílias diferentes.

O que existe é a possibilidade deelaborar uma tabela, a partir das ca-racterísticas dos componentes, emque a quantidade máxima de entra-das de determinada subfamília pos-sa ser ligada na saída de outrasubfamília.

Esta tabela é dada a seguir:

Saída74L 74 74LS 74H 74S

74L 20 40 40 50 10074LS 2,5 10 51 2,5 12,5

Entrada74 10 20 20 25 5074H 2 8 4 10 1074S 2 8 4 10 10

Observamos por esta tabela queuma saída 74 (Standard) pode exci-tar convenientemente 10 entradas74LS (Low Power Schottky).

Na figura 16 mostramos como issopode ser feito.

3.7 - Open Collector eTotem-Pole Os circuitos comuns TTL estuda-

dos até agora e que têm a configura-ção mostrada na figura 14 são deno-minados Totem Pole .

Nestes circuitos temos uma confi-guração em que um ou outro transis-tor conduz a corrente, conforme o ní-vel estabelecido na saída seja 0 ou 1.

Este tipo de circuito apresenta uminconveniente se ligarmos duas por-tas em paralelo, conforme a figura 17.

Se uma das portas tiver sua saídaindo ao nível alto (1) ao mesmo tem-po que a outra vai ao nível baixo(0),um curto-circuito é estabelecido nasaída e pode causar sua queima.

Isso significa que os circuitos in-tegrados TTL com esta configuraçãonunca podem ter suas saídas interli-gadas da forma indicada.

Figura 16- Uma saída standard

pode excitar 10 entradas LS.

Figura 17- Conflitos de níveis emsaídas interligadas.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200220

No entanto, existe uma possibili-dade de elaborar circuitos em que assaídas de portas sejam interligadas.Isso é conseguido com a configura-ção denominada Open Collector mos-trada na figura 18.

Os circuitos integrados TTL quepossuem esta configuração são indi-cados como “open collector” e quan-do são usados, exigem a ligação deum resistor externo denominado “pull up” normalmente de 2000Ω ou próxi-mo disso.

Como o nome em inglês diz, otransistor interno está com o “coletoraberto” (open collector) e para funci-

onar precisa de um resistor de polari-zação.A vantagem desta configuração

está na possibilidade de interligarmosportas diferentes num mesmo ponto,figura 19.

A desvantagem está na reduçãoda velocidade de operação do circui-to que se torna mais lento com a pre-sença do resistor, pois ele tem umacerta impedância que afeta o desem-penho do circuito.

3.8 - Tri-State

Tri-state significa terceiro estado eé uma configuração que também

pode ser encontrada em alguns cir-cuitos integrados TTL, principalmen-te usados em Informática. Na figura20 temos um circuito típico de umaporta NAND tri-state que vai servircomo exemplo. Podem existir aplica-ções em que duas portas tenhamsuas saídas ligadas num mesmo cir-cuito, figura 21.

Uma porta está associada a umprimeiro circuito e a outra porta a umsegundo circuito. Quando um circuitoenvia seus sinais para a porta, o ou-

tro deve ficar em espera.Ora, se o circuito que está em es-

pera ficar no nível 0 ou no nível 1,estes níveis serão interpretados pelaporta seguinte como informação eisso não deve ocorrer.

O que deve ocorrer é que quandouma porta estiver enviando seus si-nais, a outra porta deve estar numasituação em que na sua saída nãotenhamos nem 0 e nem 1, ou seja,ela deve ficar num estado de circuito

desligado, circuito aberto ou terceiroestado. Isso é conseguido através deuma entrada de controle denomina-da “habilitação” em inglês “enable”

abreviada por EN.Assim, quando EN está no nível0, no circuito da figura 20, o transis-tor não conduz e nada acontece nocircuito que funciona normalmente.

No entanto, se EN for levada aonível 1, o transistor satura, levando aocorte, ou seja, os dois passam a secomportar como circuitos abertos, in-dependentemente dos sinais de en-trada. Na saída Y teremos então umestado de alta impedância.

Podemos então concluir que a fun-

ção tri-state apresenta três estadospossíveis na sua saída:

Nível lógico 0Nível lógico 1Alta ImpedânciaAs funções tri-state são muito usa-

das nos circuitos de computadores,nos denominados barramentos dedados ou “data bus”, onde diversoscircuitos devem aplicar seus sinais aomesmo ponto ou devem compartilhara mesma linha de transferência des-

ses dados. O circuito que está funcio-nando deve estar habilitado e os quenão estão funcionando, para que suassaídas não influenciem nos demais,devem ser levados sempre ao tercei-ro estado.

Na figura 22 temos um exemplode aplicação em que são usados cir-cuitos tri-state . Uma unidade deprocessamento de um computadorenvia e recebe dados para/de diver-sos periféricos usando uma única li-nha (bus). Todos os circuitos ligados

a estas linhas devem ter saídas do tipotri-state .

Figura 18- Porta NAND (não-E) comsaída em coletor aberto (Open Collector) .

Figura 19- O resistor "pull up" serve parapolarizar os transistores das saídas das

funções "open colletor" .

Figura 20- Uma porta NAND TTL tri-state.

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21SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

QUESTIONÁRIO

1. Quais são as duas principaisfamílias de circuitos lógicos digitaisobtidas na forma de circuitos integra-

dos?a) CMOS e TTLb) Schottky e LSc) AO e Solid State d) FET e Bipolar

2. Qual é a tensão de alimentaçãodos circuitos integrados da família TTLStandard?

a) 3 a 15 V b) 1,5 Vc) 5 V d) 12 V

3. Circuitos integrados que conte-nham grande quantidade de funções,mais de 1 000, usados principalmen-te nos modernos computadores sãodenominados:

a) SSI b) MSIc) LSI d) VLSI

4. Um circuito integrado tem umacapacidade maior de corrente na suasaída quando:

a) No nível 1 b) No nível 0c) As capacidades são iguais nos

dois níveisd) A capacidade depende da fun-

ção

5. A família TTL de alta velocida-de tem seus componentes com asigla:

a) 74L b) 74Hc) 74S d) 74LS

6. Para que tipos de configuraçãode saída não podemos ligar duas por-tas juntas?

a) Todasb) Totem pole c) Open Collector

d) Nenhuma delas

7. Que estado encontramos numasaída de uma função TTL Tri-state

quando a entrada de habilitação nãoestá ativada?

a) Nível 0b) Nível 1c) Nível 0 ou 1d) Alta impedância

Figura 21- Quando A estiver enviando sinaispara C, B deve estar "desativado".

Figura 22- Na troca de dados entrediversas interfaces deve-se usar

componentes com saídas tri-state.

Respostas da lição no 21 - b)2 - b)3 - a)4 - a)5 - a)

6 - d)7 - c)

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200222

Na lição anterior mostramos aosleitores que os circuitos integradosdigitais são organizados em famíliasde modo a manter uma compatibili-

dade de características que permitasua interligação direta sem a neces-sidade de qualquer componente adi-cional. Vimos na ocasião que as fa-mílias contam com dezenas ou mes-mo centenas de funções que atuamcomo blocos ou tijolos a partir dosquais podemos “construir” qualquercircuito eletrônico digital, por maiscomplexo que seja. Na verdade, ospróprios blocos tendem a ser cada vezmais completos, com a disponibilida-de de circuitos integrados que conte-

nham milhares ou mesmo dezenas demilhares de funções já interligadas demodo a exercer uma tarefa que sejamuito utilizada. É o caso dos circuitosintegrados VLSI de apoio encontradosnos computadores, em que milharesde funções lógicas já estão interliga-das para exercer dezenas ou cente-nas de funções comuns nestes equi-pamentos.

Na lição anterior estudamos a fa-mília TTL e suas subfamílias muito

comuns na maioria dos equipamen-tos eletrônicos, analisando as princi-pais funções disponíveis e tambémsuas características elétricas.

No entanto, existem outras famíli-as e uma muito utilizada é justamen-te a que vamos estudar nesta lição: afamília CMOS. Se bem que as duasfamílias CMOS e TTL tenham carac-terísticas diferentes, não são incom-patíveis. Na verdade, conforme vere-mos, elas podem ser interligadas emdeterminadas condições que o leitor

deve conhecer e que também serãoabordadas nesta lição. Como estas

duas famílias correspondem pratica-mente a tudo que pode ser feito emmatéria de circuitos digitais, o seuconhecimento dará as bases neces-

sárias ao trabalho com este tipo decomponente.

OS CIRCUITOSINTEGRADOS CMOS

CMOS significa Complementary Metal -Oxide Semiconductor e se re-fere a um tipo de tecnologia que util i-za transistores de efeito de campo ouField Effect Transistor (FET) em lugardos transistores bipolares comuns

(como nos circuitos TTL) na elabora-ção dos circuitos integrados digitais.

Existem vantagens e desvanta-gens no uso de transistores de efeitode campo, mas os fabricantes conse-guem pouco a pouco eliminar as dife-renças existentes entre as duas famí-lias com o desenvolvimento detecnologias de fabricação, aumentan-do ainda a sua velocidade e reduzin-do seu consumo. De uma forma ge-ral, podemos dizer que existem apli-

LIÇÃO 4

FAMÍLIAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

cações em que é mais vantajoso usarum tipo e aplicações em que o outrotipo é melhor.

Os transistores de efeito de cam-

po usados nos circuitos integradosCMOS ou MOSFETs têm a estruturabásica mostrada na figura 1 ondetambém aparece seu símbolo.

Conforme podemos ver, o eletro-do de controle é a comporta ou gate (g) onde se aplica o sinal que deveser amplificado ou usado parachavear o circuito. O transistor é po-larizado de modo a haver uma ten-são entre a fonte ou source (s) e odreno ou drain (d). Fazendo uma ana-logia com o transistor bipolar,

podemos dizer que a comporta doMOSFET equivale à base do transis-tor bipolar, enquanto que o drenoequivale ao coletor e a fonte ao emis-sor, figura 4.2.

Observe que entre o eletrodo decomporta, que consiste numa placade alumínio e a parte que forma osubstrato ou canal por onde passa acorrente, não existe contato elétricoe nem junção, mas sim uma finíssimacamada de óxido de alumínio ou óxi-

Figura 1- Um transistor CMOS

de canal N (NMOS).

Substrato

P

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CURSODE ELETRÔNICA DIGITAL

23SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

CURSO BÁSICO DE ELETRÔNICA DIGITAL

do metálico, que dá nome ao disposi-tivo (metal -oxide ).

A polaridade do material semi-condutor usado no canal, que é a par-te do transistor por onde circula a cor-rente controlada, determina seu tipoe também a polaridade da tensão que

a controla.Assim, encontramos na práticatransistores de efeito de campo tipoMOS de canal N e transistores de efei-to de campo tipo MOS de canal P.

Na verdade, os próprios transisto-res MOS podem ainda ser divididosem dois tipos: enriquecimento e em-pobrecimento que levam a dois tiposde representação. Para nosso cursoé mais importante lembrar que exis-tem transistores MOS tipo P e tipo N.Na figura 3 temos os símbolos

adotados para representar os dois ti-pos de transistores.

Podemos dizer, de maneira geral,que estes transistores são equivalen-tes aos tipos NPN e PNP bipolares.

A corrente que circula entre a fon-te e o dreno pode ser controlada pelatensão aplicada à comporta. Isso sig-nifica que, diferentemente dos transis-tores bipolares em que a corrente decoletor depende da corrente de base,no transistor de efeito de campo, a

corrente do dreno depende da tensãode comporta.

Assim, no tipo P uma tensão posi-tiva de comporta aumenta sua con-dução, ou seja, faz com que ele satu-re e no tipo N, uma tensão negativade comporta é que o leva à satura-ção.

Mais uma vez fazendo uma com-paração com os tipos bipolares, po-demos dizer então que enquanto ostransistores bipolares são típicos am-plificadores de corrente, os FETs outransistores de efeito de campo MOSsão típicos amplificadores de tensão.

Esta diferença leva o transistor deefeito de campo MOS a apresentarcaracterísticas muito interessantespara aplicações em Eletrônica Digitalou Analógica.

Uma delas está no fato de que a

impedância de entrada do circuito éextremamente elevada, o que signifi-ca que precisamos praticamente sóde tensão para controlar os dispositi-vos CMOS.

Assim, é preciso uma potênciaextremamente baixa para o sinal quevai excitar a entrada de um circuitointegrado CMOS, já que praticamen-te nenhuma corrente circula por esteelemento.

A outra está no fato de que, dife-rentemente dos transistores bipolaresque só começam a conduzir quandouma tensão da ordem de 0,6 V vencea barreira de potencial de sua junçãobase-emissor, os FETs não têm estadescontinuidade de características, oque os torna muito mais lineares emqualquer aplicação que envolva am-plificação de sinais.

Na figura 4 temos as curvas ca-racterísticas de um MOSFET de ca-nal N.

APLICAÇÕES DIGITAIS

Da mesma forma que podemoselaborar funções lógicas básicasusando transistores bipolares co-muns, também podemos fazer o mes-

mo com base nos transistores de efei-to de campo MOS. A tecnologiaCMOS (Complementary MOS ) permi-te que os dispositivos tenham carac-terísticas excelentes para aplicaçõesdigitais.

CMOS significa que em cada fun-ção temos configurações em que tran-sistores de canal N e de canal P sãousados ao mesmo tempo, ou seja,usamos pares complementares, con-forme diagrama do inversor lógicomostrado na figura 5. Conforme ex-

plicamos no item anterior, a polarida-de da tensão que controla a correnteprincipal nos transistores de efeito decampo MOS depende justamente dotipo de material usado no canal, quepode ser do tipo P ou do tipo N.

Assim, se levarmos em conta quenos circuitos digitais temos dois níveisde sinal possíveis, podemos perceberque dependendo do nível deste sinalaplicado à comporta dos dois transis-tores ao mesmo tempo, quando umdeles estiver polarizado no sentido deconduzir plenamente a corrente(saturado), o outro estará obrigatori-amente polarizado no sentido de cor-tar esta corrente (corte).

No circuito indicado, quando aentrada A estiver no nível baixo (0) otransistor Q

2conduz, enquanto Q

1

permanece no corte. Isso significa queVdd, que é a tensão de alimentaçãopositiva, é colocada na saída, o quecorresponde ao nível alto ou 1.

Figura 3- Símbolos dostransistores MOS (de enriquecimento).

Figura 4- Curvas características dotransistores MOS de canal N.

Figura 5- Um inversor comtransistores MOS (CMOS).

Figura 2- Equivalência de funções dos

eletrodos para transistores MOS e bipolares.

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Por outro lado, quando na entra-da aplicamos o nível alto, quecorresponde ao Vdd (tensão de ali-mentação), é o transistor Q

1que con-

duz e com isso o nível baixo ou 0 V éque será colocado na saída.

Conforme sabemos, estas carac-

terísticas correspondem justamente afunção inversora.

CONSUMO E VELOCIDADE

Analisando o circuito inversor to-mado como base para nossas expli-cações, vemos que ele apresentaduas características importantes.

A primeira é que sempre um dostransistores estará cortado, qualquerque seja o sinal de entrada (alto oubaixo) logo, praticamente não circulacorrente alguma entre o Vdd e o pon-to de terra (0 V). A única corrente queirá circular será eventualmente a deum circuito externo excitado pela saí-da, figura 6.

Isso significa um consumo extre-mamente baixo para este par de tran-sistores em condições normais, já quena entrada a impedância é elevadís-sima e praticamente nenhuma corren-te circula. Este consumo é da ordem

de apenas 10 nW (nW = nanowatt =0,000 000 001 watt).É fácil perceber que se integrar-

mos 1 milhão de funções destas numcircuito integrado, ele irá consumirapenas 1 mW! Na prática temos fato-res que tornam maior este consumo,como por exemplo, eventuais fugas,a necessidade de um ou outro com-ponente especial de excitação queexija maior corrente, etc.

Mas, ao lado das boas caracterís-ticas, ele também tem seus proble-mas: um deles está no fato de que oeletrodo de controle (comporta) que

é uma placa de metal fixada no mate-rial semicondutor e isolada por meiode uma camada de óxido, funcionacomo a armadura ou placa de umcapacitor, verifique a figura 7.

Isso significa que, ao aplicarmosum sinal de controle a uma funçãodeste tipo, a tensão não sobe imedia-tamente até o valor desejado, masprecisa de um certo tempo necessá-rio para carregar o “capacitor” repre-sentado pelo eletrodo de comporta.Se bem que o eletrodo tenha dimen-sões extremamente pequenas, se le-varmos em conta as impedâncias en-volvidas no processo de carga e tam-bém a própria disponibilidade de cor-rente dos circuitos excitadores, o tem-po envolvido no processo não é des-

prezível e um certo atraso na propa-gação do sinal ocorre.O atraso nada mais é do que a di-

ferença de tempo entre o instante emque aplicamos o sinal na entrada e oinstante em que obtemos um sinal nasaída.

Nos circuitos integrados CMOS tí-picos como os usados nas aplicaçõesdigitais, para um inversor como o doexemplo, este atraso é da ordem de 3nanossegundos (3 ns).

Isso pode parecer pouco nas apli-cações comuns, mas se um sinal ti-ver de passar por centenas de portas

antes de chegar a um certo ponto emque ele seja necessário, e a somados atrasos não for prevista poderáhaver diversos problemas de funcio-namento.

Veja, entretanto, que a carga deum capacitor num circuito de tempo,como o na figura 8 até um determi-nado nível de tensão depende tam-bém da tensão de alimentação.

Assim, com mais tensão, a cargaé mais rápida e isso nos leva a umacaracterística muito importante doscircuitos CMOS digitais que deve serlevada em conta em qualquer aplica-ção: com maior tensão de alimen-tação, os circuitos integradosCMOS são mais rápidos.

Assim, enquanto que nos manuais

de circuitos integrados TTL encontra-mos uma velocidade máxima única deoperação para cada tipo (mesmo por-que sua tensão de alimentação é fixade 5 V), nos manuais CMOS encon-tramos as velocidades associadas àstensões de alimentação (já que os cir-cuitos integrados CMOS podem seralimentados por uma ampla faixa detensões).

Um exemplo disso pode ser obser-vado nas características de um circui-to integrado CMOS formado por seisinversores (hex inverter) onde temosas seguintes frequências máximas deoperação:

4049 - Seis inversoresFrequência máxima de operação:Com Vdd = 5 V - 1,66 MHz (tip)

Vdd = 10 V - 4,00 MHz (tip)Vdd = 15 V - 5,00 MHz (tip)

Veja então que o circuito é muitomais rápido quando o alimentamos

com uma tensão de 15 V do que quan-do o alimentamos com uma tensão

Figura 6- A única corrente do circuito passa

pela carga externa.

Figura 7- Os transistores MOS apresentam uma capacitância de entrada.

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de apenas 5 V. Este fato é muito im-portante, por exemplo, na elaboraçãode um oscilador com circuito integra-do CMOS que opere no seu limite develocidade.

SENSIBILIDADE AO MANUSEIO

O fato de que existe uma finíssimacamada de óxido isolando a compor-ta do substrato e esta camada é ex-tremamente sensível a descargas elé-tricas torna os dispositivos que usamtransistores MOS muito delicados.

De fato, a própria carga elétricaacumulada em ferramentas ou emnosso corpo quando caminhamos

num tapete num dia seco ou aindaatritamos objetos em nossa roupapode ser suficiente para danificar demodo irreversível dispositivos CMOS.Para que o leitor tenha uma idéia,caminhando num carpete num diaseco, seu corpo pode acumular umacarga estática que atinge potenciaisde até 10 000 V.

Se você tocar numa torneira, adescarga de seu corpo neste percur-so de terra pode lhe causar um forte

choque.Se, da mesma forma, você tocarnum terminal de um dispositivoCMOS, a carga do seu corpo que es-coa por este dispositivo pode facil-mente destruir a finíssima camada deóxido que separa a comporta dosubstrato e o componente estará inu-tilizado.

Em outras palavras, os dispositi-vos que usam transistores CMOS sãoextremamente sensíveis a descargasestáticas, figura 9.

Assim, a primeira preocupação nouso e manuseio destes componentes

é evitar de qualquer modo que apa-reçam tensões perigosas capazes decausar danos entre os terminais doscomponentes.

Para os transistores MOS existe apossibilidade de dotá-los de um pe-

queno anel de metal que curto-circuitaseus terminais, conforme figura 10,e que somente é retirado depois queo componente é soldado na placa decircuito impresso.

Existem diversas formas de fazertransporte de circuitos integrados semo perigo de que cargas estáticas acu-muladas em objetos possam lhes cau-sar danos.

Uma delas consiste no uso de umaesponja condutora onde os terminais

dos circuitos integrados são enfiadose assim mantidos em curto, figura 11.

Os circuitos integrados CMOS de-vem ser mantidos nestas esponjas atéo momento de serem usados, sobpena de que algum toque acidental

com o dedo carregado de estáticaprovoque danos.Outra possibilidade consiste em

transportar os circuitos integradosCMOS em embalagens de plásticoanti-estático figura 12.

De qualquer forma, a regra geralé: NUNCA toque com os dedos nosterminais de componentes CMOSsejam eles circuitos integrados outransistores.

Num laboratório onde sãoefetuados trabalhos com circuitos in-

tegrados CMOS é importante obser-var precauções especiais para queem nenhum ponto ocorram acúmulosde cargas estáticas. As bancadas detrabalhos com computadores devemter partes metálicas aterradas e ospróprios técnicos devem usar recur-sos que permitam descarregar cargasdo seu corpo. Em empresas de tra-balhos com circuitos CMOS é comumos técnicos usarem pulseiras metáli-cas, sendo estas pulseiras ligadas aum fio terra.

Para o técnico comum é apenasnecessário lembrar-se de que nãodeve tocar nos terminais dos compo-nentes e com isso já haverá uma boagarantia da integridade dos circuitos.

Um outro ponto importante é nun-ca deixar nenhuma entrada de um cir-cuito integrado CMOS desligada.

Figura 8- Vx (tensão de disparo) é

atingida antes com tensões maiores.

Figura 9- Descargas estáticas

destroem os transistores MOS.

Figura 10- Transistores MOS podem ser

protegidos por um anel de metal que colocaem curtos seus terminais.

Figura 11- Uma esponja condutora é usada

no transporte de CIs sensíveis.

Figura 12- Embalagem

anti-estática paracircuitos integrados.

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A sensibilidade destas entradas ésuficientemente alta para que tensõesinduzidas no próprio circuito sejamcaptadas, levando os dois transisto-res a um estado intermediário entre ocorte e a saturação ou ainda fazendocom que entrem em oscilação na

frequência do sinal captado. Isso,além de elevar o consumo do circuitointegrado, pode causar instabilidadesque afetem o funcionamento geral docircuito.

Uma regra prática consiste em le-var as entradas das funções não usa-das num integrado a níveis definidosde tensão, ou seja, ligar ao Vdd ouainda ao ponto de 0 V.

AS CONFIGURAÇÕES CMOS

Na figura 13 temos a configura-ção usada para uma porta NOR de 2entradas CMOS em que temos qua-tro transistores.

Quando as duas entradas estive-rem no nível 1, entretanto, os doistransistores de canal N irão conduzirao mesmo tempo, levando a saídapara o nível baixo.

Para as outras funções lógicas te-mos configurações do mesmo tipo,

mudando apenas a disposição e aquantidade de transistores usados.Tomando estas duas funções comoexemplo, achamos que o leitor teráuma idéia de como elas são feitas ecomo funcionam.

ESPECIFICAÇÕES

A principal família de circuitos in-tegrados CMOS é a 4000, onde to-

dos os componentes são designadospor números como 4001, 4011, 4017,4096, etc.

Os circuitos integrados CMOS co-muns funcionam com tensões de ali-mentação de 3 a 15 V. Lembramosque existem séries CMOS mais anti-gas com o sufixo A em que a tensãode alimentação fica na faixa de 3 a12 V.

De qualquer forma, em caso dedúvida sobre qualquer característicade um circuito integrado CMOS que

tenha algum sufixo que possa indicarvariações nas especificações nor-mais, é sempre bom consultar seumanual.

Da mesma forma que no caso doscircuitos integrados TTL, é precisosaber interpretar algumas das princi-pais especificações que são:

a) Tensão de saída - no nível ló-gico baixo (0) a tensão de saída seaproxima de 0 V sendo no máximo de0,01 V para os tipos comuns com ali-mentação na faixa de 5 a 10 V. Nonível lógico alto, a tensão de saída épraticamente a tensão de alimentaçãoVdd ou no máximo 0,01 V menor.

b) Corrente de saída - diferente-mente dos circuitos integrados TTLem que temos uma capacidade mai-or de drenar corrente na saída do quede fornecer, para os circuitos integra-dos CMOS a capacidade de drenar ede fornecer corrente de saída é prati-camente a mesma.

Assim, para uma alimentação de

5 V as saídas podem fornecer (quan-do no nível alto) ou drenar (quando

no nível baixo) uma corrente de até 1mA e essa corrente sobe para 2,5 mAquando a alimentação é de 10 V.

Estas correntes, conforme a figu-ra 4.15 são designadas por IOL e IOHnas folhas de especificações dos cir-cuitos integrados CMOS.

c) Corrente de fuga na entrada -se bem que a comporta esteja isola-da do circuito dreno-fonte, com umaresistência que teoricamente seriainfinita, na prática pode ocorrer uma

pequena fuga.Esta, da ordem de 10 pA (1

picoampère = 0,000 000 000 001ampère) para uma alimentação de 10V deve ser considerada quando pre-cisamos calcular a corrente de entra-da de um circuito CMOS numa apli-cação mais crítica.

d) Potência - os circuitos integra-dos CMOS consomem muito menosenergia que os circuitos integradosTTL. Para os tipos comuns a corrente

de alimentação Idd é normalmente daordem de 1 nA tipicamente com um

Figura 13- Porta NOR CMOS.

Figura 14- Porta NAND CMOS.

Figura 15 - Correntes de

saída de uma função CMOS.

Observe a simplicidade dos circui-tos CMOS quando comparados a fun-ções equivalentes TTL. Com os cir-

cuitos CMOS precisamos apenas detransistores para obter a função de-sejada, enquanto que na equivalenteTTL precisamos de transistores emuitos resistores e em alguns casosaté de diodos.

Na figura 14 temos a configura-ção usada para uma porta NAND deduas entradas CMOS onde tambémusamos apenas 4 transistores.

Neste circuito, quando as entradasou uma delas estiver no nível baixo(0) um ou os dois transistores de ca-

nal P estarão em condução e a saídaficará no nível alto.

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27SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

máximo de 0,05 µA para alimentaçãode 5 V, o que corresponde a uma dis-sipação de 5 nW em média para ali-mentação de 5 V e 10 nW para ali-mentação de 10 V.

e) Velocidade - os tipos comunsCMOS são muito mais lentos que osTTL, mas famílias especiais estãoaparecendo com velocidades cadavez maiores e em muitos casos estasse aproximam dos mais rápidos TTLs.

As frequências máximas, confor-

me já explicamos, dependem das ten-sões de alimentação e das funções,

já que maior número de componen-tes para atravessar significa um atra-so maior do sinal. Assim, nos manuaisencontramos a especificação de ve-locidade dada tanto em termos defrequência quanto em termos de atra-so do sinal. Para o caso do atraso dosinal, observamos que ele pode es-tar especificado para uma transiçãodo nível alto para o nível baixo ou vice-versa e em alguns circuitos ou ten-sões de alimentação podem ocorrerdiferenças.

INTERFACEANDO

Conforme explicamos, mesmotendo uma faixa de tensões ampla ecaracterísticas diferentes dos circui-tos integrados TTL, existe a possibili-dade de interfacear circuitos dos doistipos. Há duas possibilidades de

interfaceamento entre circuitos digitaisTTL e circuitos digitais CMOS.

a) A saída TTL deve excitar a en-trada CMOS.

Se os dois circuitos operarem comuma tensão de alimentação de 5 Vnão há problema e a interligação podeser direta.

Como as entradas CMOS têmuma impedância muito alta (não exi-gindo praticamente corrente alguma)da saída TTL, não existe perigo docircuito CMOS “carregar” a saída TTL.No entanto, existe um problema a ser

considerado: as entradas CMOS sóreconhecem como nível 1 uma ten-são de pelo menos 3,5 V, enquantoque no nível alto, a tensão mínima queo TTL pode fornecer nestas condiçõesé de 3,3 V.

Isso significa que é preciso asse-gurar que a entrada CMOS reconhe-ça o nível alto TTL, o que é consegui-do com a adição de um resistor exter-no de pull -up , observe a figura 4.16.

Este resistor de 22 kΩ é ligado aopositivo da alimentação de 5 V.

Se o circuito CMOS a ser excita-do por um TTL for alimentado comtensão maior que 5 V, por exemplo12 V, deve ser usado um circuito

intermediário de casamento de carac-terísticas.

Este circuito intermediário devemanter o sinal, ou seja, deve ser sim-plesmente um buffer não inversor,como por exemplo, o de coletor aber-to 7406 ou 7407 com um resistor de

pull-up externo, conforme a figura4.17. O valor deste resistor depende-rá da tensão de alimentação.

b) CMOS excitando uma entra-da TTL

Neste caso, devemos considerarque uma saída CMOS no nível baixopode drenar uma corrente de aproxi-madamente 0,5 mA e no estado alto,a mesma intensidade.

No entanto, uma entrada TTL for-nece uma corrente de 1,6 mA no ní-vel baixo, o que não pode ser absor-vido pela saída CMOS. Isso significaque entre as duas devemos interca-lar um buffer CMOS, como por exem-plo, os 4049 e 4050 que permitem aexcitação de até duas entradas TTLa partir de uma saída CMOS.

FONTE DE ALIMENTAÇÃO

Os circuitos integrados TTL preci-sam de uma tensão contínua na faixa

de 4,5 a 5,5 V para poderem funcio-nar e são bastante sensíveis a altera-ções que saiam desta faixa.

Já os circuitos CMOS são muitomenos sensíveis e podem operarnuma faixa mais larga de tensões,conforme vimos, o que facilita bastan-te o projeto das fontes e até permitea alimentação direta a partir de pilhasou baterias.

Veja que o fato dos circuitos inte-grados CMOS funcionarem perfeita-mente com tensões como 3, 6 , 9 e12 V, que são facilmente obtidas depilhas e bateria, os torna ideais paraaplicações em que este tipo de fonteé usada.

Figura 17- Interfaceando

TTL com CMOS.

Figura 16- Interfaceamento CMOS/TL.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200228

QUESTIONÁRIO

1. O elemento de controle do sinalde um transistor de efeito de campoé denominado:

a) baseb) dreno

c) comportad) canal

2. Qual o tipo de material que se-para o elemento de controle de umMOSFET do canal?

a) Uma junção PNb) Um substrato condutorc) Uma camada de materialisolanted) Um terminal de cobre

3. Num inversor CMOS encontra-mos na etapa de saída:

a) dois FETs de canal Nb) dois FETs de canal Pc) Um par de transistores bipolaresd) Um FET de canal N e outrode canal P

4. A faixa de tensões de alimenta-ção dos circuitos integrados CMOStem valores entre:

a) 4,5 e 5,5 Vb) 3 e 15 V

c) 0 e 6 Vd) 5 e 18 V

5. O perigo maior do manuseio doscircuitos integrados CMOS se deve a:

a) descargas estáticasb) aquecimento da pastilhasemicondutorac) perigo de quebra dos terminaisd) contaminação radioativa

6. O que devemos fazer com asentradas não usadas de um circuitointegrados CMOS.

a)cortá-lasb)aterrá-lasc)ligá-las a um nível lógicoapropriadod) ligar a um resistor de 100 kΩ

Respostas da Lição nº 2:1-b 2-b 3-a 4-a 5-a 6-d 7-cRespostas da Lição nº3:1-a 2-c 3-d 4-b 5-d 6-c 7-d

Respostas desta edição:1-c 2-c 3-d 4-b 5-a 6-c

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29SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

LIÇÃO 5

Nas duas lições anteriores estu-damos as famílias lógicas CMOS eTTL, analisando suas característicaselétricas principais e a maneira comoos componentes são fabricados atra-vés de alguns circuitos típicos.

Nesta lição continuaremos a es-tudar as funções lógicas, agora deuma forma mais completa. Analisare-mos o que ocorre quando juntamosdiversas funções lógicas, prevendo oque acontece com suas saídas. Oscircuitos complexos, como os usadosnos computadores, por exemplo, seaproveitam das operações complica-das que muitas portas lógicas podemrealizar em conjunto. Assim, é de fun-

damental importância para nosso es-tudo saber analisar estas funções.

5.1 - As tabelas verdadeOs diversos sinais de entrada apli-

cados a uma função lógica, com to-das as suas combinações possíveis,e a saída correspondente podem sercolocados numa tabela.

Nas colunas de entradas coloca-mos todas as combinações possíveisde níveis lógicos que as entradas po-

dem assumir. Na coluna correspon-dente à saída colocamos os valoresque esta saída assume em funçãodos níveis lógicos correspondentes naentrada.

COMBINANDO FUNÇÕES LÓGICAS

Vimos, desta forma, que a tabelaverdade para uma função AND deduas entradas, como a representadana figura 1, pode ser dada por:

A B S0 0 00 1 01 0 01 1 1

Veja que nas colunas de entrada(A e B) para termos todas as combi-nações possíveis, fazemos o equiva-lente à numeração binária de 0 a 3, jáque:

0 0 = 00 1 = 11 0 = 21 1 = 3

Para uma tabela verdade feita parauma porta AND de 3 entradas tere-mos:

A B C S0 0 0 00 0 1 00 1 0 0

0 1 1 01 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 1

Neste caso, as combinações deníveis lógicos na entrada correspon-dem à numeração binária de 0 a 7 jáque:

0 0 0 = 0

0 0 1 = 10 1 0 = 2

0 1 1 = 31 0 0 = 41 0 1 = 51 1 0 = 61 1 1 = 7

O conhecimento da contagem bi-nária facilita bastante a elaboração detabelas verdades, quando todas ascombinações possíveis de níveis ló-gicos em 2, 3 ou 4 entradas devamser estudadas.

Assim, uma vez que o leitor conhe-ça o comportamento das principaisfunções, sabendo o que ocorre nasaída de cada uma quando temosdeterminadas entradas e sabendo

elaborar tabelas verdades, fica fácilcombinar funções e saber o que acon-tece em suas saídas.

5.2 - Lógica CombinacionalVamos partir de um exemplo sim-

ples de lógica combinacional usandotabelas verdades para saber o queocorre na sua saída, com o circuitoda figura 2.

Este circuito faz uso de uma portaAND, um inversor e uma porta OR. Oresultado desta configuração é uma

função combinacional com três entra-das e uma saída.

Figura 1- Funções ou portaAND (E) de duas entradas.

Figura 2- Circuito combinacionalsimples com três entradas.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200230

Sabemos que a tabela verdadepara o inversor é:

A S0 11 0

Ora, como em nosso caso A é aentrada do inversor e S

1é sua saída,

podemos partir para a determinaçãode toda a coluna S1 simplesmente in-vertendo os valores de A, da seguin-te forma:

A B C S1

S2

S0 0 0 10 0 1 10 1 0 10 1 1 1

1 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 0

Para encontrar os valores da co-luna S2 devemos observar que elacorresponde à tabela verdade da fun-ção AND onde as entradas são B e Ce a saída é S

2.

B C S2

0 0 00 1 01 0 01 1 1

Temos então:

A B C S1

S2

S0 0 0 1 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 1 11 0 0 0 0

1 0 1 0 01 1 0 0 01 1 1 0 1

Finalmente, levando em contaque S1 e S2 são entradas de uma por-ta OR de duas entradas cuja saída éS, podemos elaborar a coluna final desaídas (S)

S1

S2

S0 0 00 1 1

1 0 11 1 1

Resultando na seguinte tabela:

A B C S1

S2

S0 0 0 1 0 10 0 1 1 0 10 1 0 1 0 10 1 1 1 1 11 0 0 0 0 01 0 1 0 0 01 1 0 0 0 01 1 1 0 1 1

Trata-se de uma função bastanteinteressante que pode ser definidacomo “a que fornece uma saída altasomente quando a entrada A estiverno nível baixo, não importando asdemais entradas ou ainda quando astrês entradas estiverem no nível alto”.

5.3 - Como Projetar Um CircuitoCombinacional

O problema de saber o que acon-tece com a saída de um circuito for-mado por muitas funções lógicasquando suas entradas recebem diver-sas combinações de sinais não é omais importante para o projetista deequipamentos digitais. Na verdade,muito mais importante que este pro-cedimento é justamente fazer o con-trário, ou seja, projetar um circuitoque, em função de determinados si-nais de entrada, forneça exatamentena saída o que se deseja.

O projeto de um circuito que te-nha uma determinada função envol-ve um procedimento de síntese emalgumas etapas.

Na primeira etapa deve ser defini-do o problema, estabelecendo-se exa-tamente qual a função a ser executa-da, ou seja, quais as entradas e quais

as saídas.Numa segunda etapa, coloca-seo problema numa tabela verdade ouainda na forma de equações lógicas.

O procedimento que abordaremosneste curso será basicamente o daobtenção das funções a partir das ta-belas verdade e das equações lógi-cas.

Finalmente, numa terceira etapa,obtemos o circuito que exercerá asfunções desejadas.

Na terceira etapa, um ponto impor-

tante consiste na minimização do cir-cuito, já que na maioria dos casos

Para elaborar a tabela verdadepara este circuito e assim determinar-mos todas as saídas possíveis emfunção das entradas, devemos levarem conta que ele é formado por duasetapas.

Na primeira etapa temos a portaAND e o inversor, enquanto que nasegunda etapa temos a porta OR. Issosignifica que as saídas dos circuitosda primeira etapa, que chamaremosde S

1e S

2são a entrada da segunda

etapa.Temos então de levar em conta

estas saídas na elaboração da tabe-la verdade que terá no seu topo asseguintes variáveis:

A B C S1

S2

S

A,B e C são as entradas dos cir-cuitos. S

1e S

2são pontos intermediá-

rios do circuito que precisam ser ana-lisados para a obtenção de S, que éa saída final do circuito.

Começamos por colocar em A, Be C todas as suas condições possí-veis, ou todas as combinações de ní-veis lógicos que podem ser aplicadasao circuito:

A B C S1

S2

S0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

O passo seguinte é colocar os va-lores possíveis de S

1, que corres-

ponde à saída do inversor.

Figura 3- Duas formas de seobter a mesma função.

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31SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

pode-se implementar a mesma fun-ção de muitas formas diferentes comoatesta o circuito simples apresentadona figura 3.

Veja que podemos ter o mesmocircuito com quantidades de portas

diferentes, na prática devemos sem-pre levar este fato em conta. Não éapenas o número de portas que de-terminará a configuração final, massim, seu custo e a eventual utilizaçãoem outras partes do circuito.

Por exemplo, se o circuito já esti-ver usando dois inversores dos seisdisponíveis num circuito integrado ea nossa função tiver uma solução umpouco maior, mas que use estes in-versores, será interessante adotá-lapara aproveitar os inversores ociosos.

A seguir daremos um exemplo decomo obter os circuitos a partir deuma tabela verdade.

a) Passo 1 - Determinação dasequações lógicas

Lembramos que para as funçõesestudadas temos as seguintes repre-sentações:

Função E (AND)

Y=A.B

Função Não E (NAND)___

Y=A.B

Função OU (OR)

Y=A+B

Função Não OU (NOR)____

Y=A+B

Função Não (NOT) ou inversor__ Y=A

Função ou exclusivo(Exclusive OR)

Y=A(+)B

Vamos tomar como exemplo a ta-bela verdade abaixo para determinara função lógica correspondente:

A B C Y linha0 0 0 0 1

1 0 0 1 20 1 0 1 31 1 0 0 40 0 1 1 51 0 1 0 60 1 1 0 71 1 1 1 8

Indicamos a linha na última colu-na de modo a facilitar as explicaçõesseguintes.

Observamos que temos saídas nonível 0 para as linhas 0, 3, 5 e 6, en-

quanto para as linhas 1, 2, 4 e 7 te-mos saídas 1.

Isso quer dizer que teremos a fun-ção OU para as linhas cuja saída é 1que podem ser encaradas como ope-rações OR com tabelas que teriam 1na saída apenas nas linhas 1, 2, 4 e7, conforme mostrado a seguir:

Substituindo pelos valores encon-trados teremos:

_ _ _ _ _ S = A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C

Esta é então a função lógica que

representa a tabela verdade que pro-pusemos como parte inicial do pro-blema e para a qual devemos encon-trar um circuito equivalente.

Passo 2 - Implementação dosCircuitos Combinacionais

Conforme estudamos em liçõesanteriores, é possível usar as portasNAND e NOR como blocos lógicosuniversais a partir dos quais podemoselaborar qualquer outra função oumesmo funções mais complexas.

Para exemplificar vamos analisaruma função um pouco mais simplesdo que a obtida no passo anterior.Tomemos a expressão:

_ _ _ S = A . B . C + A . B . C

Podemos tentar implementá-lausando portas NAND e eventualmen-

Figura 4- A função A.B.C implementada.

A B C Y A B C S1 A B C S2 A B C S3 A B C S40 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 00 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0

0 1 1 0 = 0 1 1 0 + 0 1 1 0 + 0 1 1 0 + 0 1 1 01 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 01 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 01 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 01 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1

Isso nos permite escrever as equa-ções lógicas para cada uma das qua-tro tabelas da seguinte forma:

_ _ S1 = A . B . C quecorresponde a A=0, B=0 e C=1

_

S2 = A . B . C quecorresponde a A=0, B=1 e A=0

_ _ S

3= A . B . C que

corresponde a A=1, B=0 e C=0

S4

= A . B . C quecorresponde a A=1, B=1 e C=1

Como a saída S é a combinaçãodas quatro funções temos:

S = S1 + S2 + S3 + S4

te inversores, já que a barra sobrecada letra indica sua negativa, con-forme estudamos.

A operação (.) pode ser realizadautilizando-se uma porta NAND que li-gada a um inversor nos fornece umaporta AND.

Assim, conforme a figura 4, po-demos implementar A.B.C usandouma porta NAND de 3 entradas e uminversor.

Veja na figura 5 como a opera-ção A.B.C pode ser implementada.

A soma (+) pode ser implementa-da com uma porta OR ligada a doisinversores, figura 6.

Figura 5- Implementação da função A.B.C

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200232

Logo, quando temos uma expres-são formada pela soma de produtos,podemos usar portas NAND sem anecessidade de inversores, bastandoapenas lembrar duas propriedades:

As combinações de entrada po-dem ser aplicadas a portas NAND.

As saídas das portas NAND po-dem ser aplicadas à entrada de umasegunda porta NAND obtendo-se nasaída a função desejada.

Vamos agora fazer uma tentativade implementar uma função usandoportas NOR, o que será escolhidoquando tivermos um produto de so-mas.

Tomemos como exemplo a função:_ _ _

S = (A + B + C) . (A + B + C)As somas podem ser obtidas fa-

cilmente a partir de portas NOR com

as saída aplicadas a um inversor. Anegação de NOR é OR. O circuitoequivalente para três entradas é mos-trado na figura 9.

O produto das duas somas é obti-do com dois inversores aplicando ossinais a uma outra porta OR, ou seja,a uma outra configuração NOR.

Como nas duas linhas de sinaistemos inversores em série, e o inver-sor do inverso de um nível lógico éele mesmo, podemos simplificar o cir-cuito eliminando todos os inversores.

Isso nos permite chegar à confi-guração final que é mostrada na ..

Assim, se quisermos implementaruma função que consiste num produ-to de somas, basta seguir dois proce-dimentos básicos:

Aplicar as entradas corresponden-tes a cada soma a uma porta OR quepode ser obtida associando-se uma

porta NOR a uma inversor.Aplicar as saídas obtidas nas fun-ções que devem ser multiplicadas ainversores que são ligados às entra-das de uma porta OR final, tambémobtida com a associação de um in-versor a uma porta NOR.

Como os inversores em série seanulam, eles podem ser eliminados eo circuito implementado utilizando-seapenas portas NOR.

É possível resolver o problema deimplementar circuitos combinacionais

reduzindo as funções a produtos desomas ou ainda a soma de produtos,

Figura 8- Circuito final para função desejada.

Figura 9- Implementando as funções

soma com portas NOR e inversores.

Combinando os três circuitos po-demos chegar à configuração finaldesejada, figura 7.

Veja que a inversão da inversãousada no circuito anterior nos leva aocircuito original. Isso significa que po-demos simplificar a configuração eli-minando as duplas inversões em sé-rie. Isso nos leva à configuração final

do circuito mostrada na figura 8.

Figura 6- Obtendo a soma (+) de

duas expressão lógicas.

Figura 7- A função S=ABC+ABC de forma que ainda pode ser minimizada.

Figura 10- A implementação quase final da função.

Figura 11- A implementação final da função.

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33SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

casos em que podemos trabalhar comfunções NAND ou NOR.

Como as duas soluções levam aosmesmos resultados, num projeto prá-tico é interessante analisar as confi-gurações obtidas para um problemanos dois casos. Adota-se então a so-lução que utilizar menos circuitos ouque for mais conveniente, por exem-plo, aproveitando portas ociosas deum circuito integrado já utilizado nomesmo projeto com outras finalida-des.

5.4 - SIMPLIFICANDO EMINIMIZANDO

Uma consequência da possibilida-de de construir funções complexas apartir de portas básicas como OR eAND (OU e E) é a otimização de um

projeto aproveitando poucos tipos decircuitos integrados básicos.Assim, se tivermos uma função

que seja obtida utilizando-se portasAND e OR como a mostrada na figu-ra 12, ela terá o inconveniente de pre-cisar de dois tipos diferentes de cir-cuitos integrados.

Se quisermos esta função com cir-cuitos TTL, por exemplo, aproveitare-mos três das três portas de três en-tradas de um circuito 7411 e tambémprecisaremos aproveitar uma das qua-tro portas OR de duas entradas de umcircuito integrado 7432.

Evidentemente, estaremos usan-do dois circuitos integrados, desper-diçando 1/3 de um e 3/4 do outro.

Podemos simplificar consideravel-mente este circuito se usarmos ape-nas portas NAND com a configuraçãoequivalente mostrada na figura 13.

Este circuito, que apresenta amesma função do anterior, usa as trêsportas de um circuito integrado 7410.

Utilizamos apenas um circuito inte-grado que é totalmente aproveitado,

sem nenhuma parte ociosa.

5.5 - DIAGRAMAS DEKARNAUGH

Um processo bastante interessan-te para representar uma tabela ver-dade e a partir dela obter uma simpli-

ficação dos circuitos utilizados parasua implementação é o que faz usodos chamados diagramas ou mapasde Karnaugh.

O diagrama de Karnaugh consis-te numa tabela retangular com núme-ro de quadros que corresponde a 2elevado ao expoente N, onde N é onúmero de variáveis do circuito.

Cada variável lógica ocupa no grá-fico metade da sua extensão e seucomplemento ocupa a outra metade.

Na figura 13 temos o modo comosão elaborados os diagramas deKarnaugh para 1, 2 e 3 variáveis, comas expressões lógicas corresponden-tes a cada caso.

Estas expressões são obtidas deuma forma muito semelhante à usa-da no conhecido joguinho de “bata-lha naval” onde a posição de cada“tiro” é dada por duas coordenadas,uma correspondente às linhas e ou-tra às colunas.

Na figura 15 mostramos, como

exemplo, de que modo um diagramade Karnaugh de 4 variáveis pode serobtido com a inclusão dentro de cadaquadro da expressão corresponden-te. No diagrama (b) da figura 14 osquadros foram preenchidos com osvalores 0 e 1 correspondentes às en-tradas. Este diagrama é chamadotambém de diagrama de Veitch. Umaobservação importante em relação aesta representação por 0 e 1 é que

cada quadro difere do adjacente emapenas um dígito.

Dizemos que são adjacentes ostermos que estão à direita e à esquer-da de cada quadro e também os queestão acima e abaixo. Também sãoadjacentes os que estiverem na mes-ma fila, mas um na primeira coluna eoutro na última.

Na figura 16 temos um mapa coma identificação das adjacências.

Assim, o que fazemos é plotar atabela verdade da função que dese-

jamos implementar num mapa deKarnaugh com o que será possívelidentificar melhor as adjacências eassim fazer as simplificações.

Para que o leitor entenda como“funciona” o mapa de Karnaugh numasimplificação de uma função, vamostomar como exemplo a função que é

dada pela seguinte tabela verdade:

A B S0 0 10 1 11 0 01 1 1

Desejamos expressar esta tabelacomo a soma de produtos, o que sig-nifica que os valores adjacentes que

Figura 12- Dois tipos diferentes de

portas são usados neste circuito.

Figura 13- O mesmo circuito

usando um único tipo de porta.

Figura 14- Diagrama de Karnaugh para uma (a) duas (b) e três (c) variáveis.

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devemos procurar na tabela são os“1”. Se fôssemos expressar esta fun-ção como o produto de uma soma,os valores considerados seriam os “0”e o procedimento final seria o mes-mo.

Construímos então o Diagrama de

Karnaugh para esta tabela conformea figura 17.

A partir deste diagrama nosso pró-ximo passo consiste em tentar fazersimplificações que possam levar a cir-cuitos mais simples na implemen-tação.

A idéia é agrupar os termos adja-centes iguais, havendo para isso di-versas possibilidades que são apre-sentadas na figura 18.

A primeira possibilidade mostradaem (a) nos leva a uma soma de trêsprodutos, cada qual obtido pelaintersecção da linha com a coluna emque está o “1” correspondente.

Assim, o primeiro está na colunaque intercepta A-0 com B-0. Ora, ovalor zero na indexação indica inver-são, portanto, isso significa que o pri-meiro fator de nosso produto será:

_ _ A.B

O segundo “1” a ser considerado

está na coluna A=1 e B=0, portanto,temos A invertido e B sem inversão, oque nos leva ao segundo fator de nos-so produto:

_ A.B

Finalmente, o terceiro “1” a serconsiderado está na linha A=1 e B=1,o que significa um fator com A multi-

plicado por B sem inversões ou:

A.B

Como devemos expressar a fun-ção na forma de uma soma de produ-tos fazemos:

_ _ _

S = A.B + A.B + A.B

Para o segundo caso (b) temosuma simplificação maior, já que agru-pamos os dois “1” da primeira linhade modo que podemos adotar paraele:

_ APara o outro valor “1” que está na

Figura 15- Diagramas de Karnaugh (a) e Veitch.

casa que corresponde à intersecçãode A-1 com B-1 vale a soma (sem in-versão):

A + B

A expressão final na forma de umproduto de somas será então:

_ S = A + B.A

Da mesma forma chegamos à sim-plificação (b) que permite a expres-são mais simples, pois conseguimos

juntar três casas adjacentes.Raciocinando da mesma forma

chegamos à expressão:_

S = A + B

O procedimento que vimos comoexemplo envolveu uma função sim-ples com apenas duas variáveis deentrada.

No entanto, o mesmo procedimen-

Figura 16- Adjacências

no mapa de Karnaugh

para 4 variáveis. Figura 17- A tabela verdade éplotada no Mapa de Karnaugh.

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35SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

to é válido para qualquer número devariáveis. Os leitores interessados emaprofundar-se neste estudo devemprocurar treinar os procedimentos in-dicados, trabalhando com funçõescada vez mais complexas.

CONCLUSÃO

O espaço disponível para nossocurso não permite um aprofun-damento maior neste assunto e umcerto treino se faz necessário para odomínio das técnicas envolvidas. As-sim, para os leitores interessados notema, sugerimos a procura de litera-tura complementar. Mostramos osprocedimentos lógicos que permitemtrabalhar com as funções de modo achegar aos circuitos.

Assim, uma tabela verdade quetenha qualquer combinação de entra-das que nos leve a qualquer combi-nação de saída pode ser elaboradana prática com funções básicas (NORe NAND) e isso não exige que se “que-bre a cabeça”.

Conhecendo os procedimentospara resumir tudo em produto de so-mas e soma de produtos e também ouso dos mapas de Karnaugh para

simplificação, obteremos configura-ções simples que facilitam qualquerprojeto.

QUESTIONÁRIO

1. Os valores combinados de to-das as entradas e a saída correspon-dente podem ser colocados numatabela denominada:

a) Mapa de Karnaughb) Diagrama de Veitchc) Tabela verdaded) Produto de somas

2. A tabela verdade abaixo,corresponde à qual função:

A B S0 0 10 1 11 0 11 1 0

a) AND (E)b) NAND (Não-E)c) OR (OU)d) NOR (Não-OU)

3. Qualquer circuito lógico podeser implementado utilizando-se quefunções básicas?

a) NAND e inversoresb) NAND e NORc) OR e Inversoresd) AND e Inversores

4. Para implementar um circuitoque corresponda a uma função dadapor uma soma de produtos usamosquais funções lógicas?

a) Portas NANDb) Inversores

c) Portas ORd) Não é possível fazer isso

5. Se numa implementação lógicaprecisarmos usar inversores em sé-rie, o que podemos fazer com eles?

a) Ligá-los à portas ANDb) Colocá-los em paraleloc) Inverter suas saídasd) Eliminá-los

Figura 18- Agrupamento possíveis para termos adjacentes iguais.

Respostas: 1-C, 2-B, 3-B, 4-A, 5-D

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200236

LIÇÃO 6

OS ELEMENTOS BIESTÁVEIS

Na lição anterior analisamos osmodos segundo os quais podemossaber o que acontece quando combi-namos funções lógicas. Vimos os pro-cedimentos utilizados paraimplementar um circuito a partir deuma tabela verdade ou ainda da ex-pressão da função lógica. No entan-to, as funções lógicas não consistemnos únicos blocos básicos usados nosprojetos de circuitos digitais. Alémdessas funções, existem outras e umgrupo delas que executa funções derelevante importância nos equipa-mentos são as formadas pelos ele-

mentos biestáveis. Nesta lição vere-mos como funcionam estes elemen-tos, os seus tipos e onde podem serusados.

6.1 - OS FLIP-FLOPS

Os flip-flops são elementos de cir-cuito que podem apresentar em seufuncionamento apenas dois estadosestáveis. Não existem estados inter-

mediários entre estes dois estados.A aplicação de um sinal de entra-

da pode mudar o dispositivo de umestado para outro e como a qualquermomento podemos saber qual é oestado em que ele se encontra, é pos-sível considerar este circuito comouma memória capaz de armazenarum bit.

O flip-flop é o elemento básico daschamadas memórias estáticas.

Existem diversos tipos de flip-flops

encontrados nos circuitos digitais eque analisaremos a partir de agora.

6.2 - FLIP-FLOP R-S

O Flip-Flop R-S (de Reset e Set )tem sua configuração com transisto-res mostrada na figura 1 e funcionada seguinte maneira:

Quando alimentamos o circuito,dada as mínimas diferenças que po-dem existir entre as característicasdos dois transistores, um deles con-duzirá mais do que o outro. Supondoque este transistor seja Q

1, há uma

queda de tensão no seu coletor quereduz em consequência a correnteque polariza a base de Q

2via R

2.

Nestas condições, a tensão docoletor de Q2

se mantém alta,realimentando a base de Q1 via R3 ea situação final do circuito éestabelecida: Q

1satura e Q

2fica no

corte. O flip-flop encontra seu estadoestável inicial.

O flip-flop R-S tem duas saídasrepresentadas por Q e /Q, assim, nacondição inicial estável, com Q 1

conduzindo, Q estará no nível baixo(0) e /Q estará no nível alto (1).

O processo que leva o flip-flop aeste estado inicial pronto para funcio-nar é muito rápido, não demorandomais do que alguns microssegundos.

Quando o flip-flop se encontra nasituação indicada, com Q=0 e /Q=1,dizemos que ele se encontra “setado”ou armado.

A mudança de estado do flip-flop pode ser obtida aplicando-se um si-nal conveniente na entrada. Comousamos transistores NPN para comu-tar o flip-flop, temos de fazer conduzir

por um instante o transistor que estácortado, ou seja, devemos aplicar umpulso positivo na entrada correspon-dente.

Assim, estando o flip-flop na con-dição indicada, se desejarmos mudaro estado, aplicamos o pulso na entra-da SET. O transistor Q

2conduz por

um instante, realimentando via R3

abase de Q1 que é cortado.

Figura 1 - Um flip-flop R-S com transistores discretos.

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37SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

Os flip-flops podem ser elaboradoscom portas lógicas e o R-S que estu-damos pode ser facilmente obtido apartir de duas portas NAND de duasentradas, figura 2.

Levando em conta as tabelas ver-dade das portas NAND veremos que

a saída da primeira porta realimentaa segunda e vice-versa, garantindoassim a manutenção dos estados ob-tidos quando o flip-flop comuta.

No entanto, a comutação destecircuito ocorre quando as entradaspassam do nível alto para o baixo, ouseja, de 1 para 0. Esta condição éindicada pelos símbolos /R e /S naentradas.

O leitor pode então perceber que,quando as entradas estão ambas nonível baixo, o flip-flop se mantém no

estado em que foi colocado por serligado ou por uma comutação anteri-or.

Por outro lado, se as entradas fo-rem levadas simultaneamente ao ní-vel alto, o flip-flop irá para um estadoindeterminado que deve ser evitado.Na prática, a aplicação de níveis al-tos (1) nas duas entradas pode des-truir o dispositivo.

O diagrama de tempos da figura3 mostra o que ocorre no funciona-

mento de um flip-flop por etapas quepodemos analisar da seguinte forma:

a) Flip-flop resetadob) /S vai ao nível baixo e o flip-flop

é setadoc) /S vai ao nível alto e o flip-flop

permanece setadod) /R vai ao nível baixo e o flip-flop

é ressetado

e) /R volta ao nível alto e o flip- flop permanece ressetado

Tudo isso pode ser representadopor uma tabela verdade, da mesmaforma que fazemos com as funçõeslógicas. Nesta tabela temos algunsnovos símbolos com os quais o leitordeve começar a familiarizar-se e quesão amplamente usados em Eletrô-nica Digital, a saber:

a) Primeira possibilidade

Qn-1 = representa o estado dasaída Q ANTES da aplicação dos si-nais.

Qn = representa o estado da saí-da Q DEPOIS da aplicação dos sinais.

b) Segunda possibilidadeQ = representa o estado da saída

Q ANTES da aplicação dos sinais.Qn+1 = representa o estado da

saída Q DEPOIS da aplicação dossinais.

Obs: em lugar de n em alguns li-vros encontramos a letra t.

Figura 3 - Em (f) temos uma condição não permitida com Q e Q no nível alto (S e R no nível baixo).

Com o corte, a tensão na base deQ2 sobe via polarização de R2 e mes-mo que o pulso de disparo desapare-ça, o circuito se mantém no novo es-tado graças à realimentação.

Sua saída Q vai ao nível (1) e asaída /Q vai ao nível (0).

Para trocar novamente de estadoo flip-flop R-S, aplicamos um pulsopositivo na entrada RESET, levandoQ

1à saturação e Q

2ao corte, situa-

ção que se firma mesmo depois dedesaparecido o pulso graças à reali-mentação proporcionada pelosresistores.

Veja que um pulso aplicado à en-trada SET, o que corresponde a umbit 1, faz com que a saída Q que es-tava em 0 passe a 1, armazenandoeste bit. O flip-flop funciona realmen-

te como uma memória para este bit.Da mesma forma como utilizamostransistores bipolares NPN para ob-ter um flip-flop, podemos tambémempregar outros tipos de componen-tes em configurações semelhantes.Podemos, por exemplo, elaborar flip-

flops usando transistores PNP, casoem que a polaridade dos sinais dedisparo vai ser invertida.

Da mesma forma, podemos usartransistores de efeito de campo, tan-to de canal N como canal P (bipolaresou JFETs) como também transistoresde efeito de campo MOS com os doistipos de canal (N ou P). O que muda-rá em cada caso é o sentido de circu-lação das correntes e as polaridadesdos sinais aplicados.

Conforme veremos na última par-te desta lição, os flip-flops tambémpodem ser feitos com válvulas e narealidade os primeiros que existirameram justamente montados com es-tes componentes. Naquela época não

existiam transistores e nem circuitosintegrados.

Figura 2 - Flip-Flop R-S com portas NAND.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200238

Os dois tipos de representaçãosão usados.

Nas colunas e linhas em que sãocolocados os níveis lógicos 0 e 1 ,quando aparece o termo Qn ou /Qnsignifica que a saída vai para um es-tado indeterminado.

A tabela verdade do flip-flop R-S com portas NAND fica então:

R S Qn+1Qn+10 0 1 10 1 0 11 0 1 01 1 Qn

Qn

Para obtermos um flip-flop R-S também podemos usar portas NOR,conforme a figura 4.

Na figura 5 temos os símbolosadotados para representar este tipode flip-flop .

Este circuito também é chamadode R-S NOR LATCH da mesma for-ma que o circuito anterior é denomi-nado R-S NAND LATCH .

6.3 - FLIP-FLOP RS COM CLOCK E MESTRE-ESCRAVO

Estes circuitos chamados de flip-

flop R-S controlados por clock e mes-tre escravo encontram uma gama deaplicações muito grande nos circuitosdigitais mais complexos, já que estessão sempre comandados por umclock , ou seja, são circuitos lógicossincronizados.

O uso de um circuito de controle(mestre) que determina quando o flip-

flop (escravo) muda de estado é im-portante para permitir que as mudan-ças de estado do flip-flop só ocorramem determinados instantes.

Usando portas NAND podemosinicialmente implementar um flip-flop R-S controlado por clock (Master-

Slave), conforme a figura 6.Analisemos seu funcionamento:Partindo da situação em que a

entrada de clock (relógio) esteja nonível baixo, as saídas Q e /Q perma-

necerão no estado inicial em quese encontravam e insensíveis a qual-quer variação que ocorra nas entra-das S e R.

Quando a entrada de clock forlevada ao nível 1, o circuito passa aresponder aos sinais das entradasR e S.

No entanto, conforme o diagramade tempos da figura 7, este circuitotem um inconveniente.

Como as saídas acompanham asentradas, durante o tempo em que oclock as habilita, estas saídas podemmudar de estado mais de uma vez,

voltando assim ao estado inicial, o quenão é desejado de forma alguma.

Um modo de contornar esteproble|ma consiste na utilização deduas etapas numa configuração maiscomplexa, que é apresentada na fi-gura 8.

Este circuito é denominado Flip-

Flop R-S Mestre-Escravo ou Flip-Flop R-S Master-Slave e faz uso de portasNAND e de um inversor, cuja finalida-de é inverter o pulso de clock .

Neste caso, quando a entrada declock for ao nível 1, o flip-flop mestremudará de estado, mas o flip-flop es-cravo permanecerá insensível, man-tendo seu estado.

Quando a entrada de clock pas-sar para o nível lógico 0, a saída doflip-flop mestre será levada para oescravo.

Isso significa que o flip-flop em seutodo não é sensível ao nível do sinalde clock , ou seja, se ele é 0 ou 1, massim à sua transição. As saídas Q e /Qsó vão mudar de estado no instanteem que ocorrer a transição do sinalde clock do nível alto para o nível bai-xo. Com esta configuração é possívelgarantir que só vai ocorrer uma mu-dança de estado na presença de umpulso de clock .

Os flip-flops que funcionam desta

forma são denominados “Edge Triggered” ou “Disparados pela Bor-

Figura 4 - Um flip-flop R-S com portas NOR e sua tabela verdade.

Figura 5 - Símbolos usados para representar um flip-flop R-S .

Figura 6 - Flip-flop R-S (Latch NAND) com entrada de clock.

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39SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

da”.Se a mudança de estado ou dis-

paro (gatilhamento) ocorre quando osinal de clock passa de 0 para 1, osflip-flops são denominados “positive edge-triggered”, enquanto que, se odisparo ocorre quando o clock vai do

nível 1 para 0, ou seja, na queda donível lógico, os flip-flops são chama-dos de “negative edge-triggered” .

Neste tipo de circuito é muito im-portante levar em conta, num projetode maior velocidade, os tempos emque todo o processo ocorre.

Assim, partindo do diagrama detempos da figura 9, vemos que a sa-ída do flip-flop só completa sua mu-dança de estado depois de um certotempo, do pulso de clock ter sido apli-cado.

Dois tempos são importantes nes-te tipo de circuito.

a) tH: Hold Time ou Tempo deManutenção é o tempo em que a en-trada deve permanecer ainda no cir-cuito para que seu nível lógico sejareconhecido pelo flip-flop .

b) tS: Setup Time ou tempo emque a entrada do flip-flop deve per-manecer no estado desejado antes datransição do clock que vai provocar amudança de estado do circuito.

Duas entradas podem ser acres-centadas neste circuito, verifique a fi-gura 10, dotando-o de recursos im-portantes para aplicações práticas.

Uma das entradas é denominadaPRESET (/PR) ou pré-ajuste e tempor função levar imediatamente assaídas do circuito a um estado deter-minado (Q=1 e /Q=0), independente-mente do que esteja acontecendo nasdemais entradas.

Sua ativação ocorre quando /PRestiver em 0 e /CLR em 1, no casoapresentado, pois a / sobre a identifi-cação indica que ela está ativa no ní-vel baixo.

A outra entrada denominadaCLEAR ou apagamento tem por fun-ção levar as saídas aos estados Q=0e /Q=1, independentemente do queestiver ocorrendo nas demais entra-das.

É importante observar que estasduas entradas não podem serativadas ao mesmo tempo, pois isso

levaria o circuito a um estadoindeterminado que inclusive poderia

Figura 7 - Diagrama de tempos para o circuito da figura 6.

Figura 8 - Flip-flop R-S Mestre-Escravo completo.

Figura 9 - Tempos no flip-flop R-S.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200240

causar problemas aos seus compo-nentes.

A tabela verdade para este circui-to nos mostra três novos símbolos quenormalmente são usados em Eletrô-nica Digital.

X representa uma condição

irrelevante qualquer que ela seja, nãohaverá influência no que ocorre nasaída.

A seta para cima indica a tran-sição do nível baixo para o nível dosinal na entrada ou saída represen-tadas, enquanto que a seta apon-tando para baixo indica uma tran-sição do nível baixo para o nívelalto do sinal correspondente.

6.4 - O FLIP-FLOP J-K MESTRE-ESCRAVO

O flip-flop J-K mestre-escravo ou“master-slave” pode ser imple-mentado por funções lógicas comuns,adquirindo a configuração básicamostrada na figura 11.

Um problema que observamosnos flip-flops R-S é que temos umasituação “proibida” que ocorre quan-do as entradas R e S vão ao nível altoao mesmo tempo e que pode levar o

circuito a um estado indeterminado.Esta situação acontece principalmen-te nas aplicações em computação,quando uma parte do sinal de saídaé usada para realimentar a entrada.Nestas condições podem ocorrer assituações de conflito com a produçãode oscilações indesejadas.

Esta situação pode ser contorna-da com a utilização de uma nova con-figuração, que é justamente a do flip-

flop J-K utilizada nas aplicações prá-ticas e que analisaremos a seguir.

Podemos ter quatro combinaçõespossíveis para os sinais aplicados nasentradas J e K, conforme observamosna tabela abaixo.

J K0 01 00 11 1

Analisemos cada uma das combi-nações:

a) J=0 e K=0Quando a entrada de clock (CLK)

passa por uma transição negativa dosinal, o flip-flop mantém sua condiçãooriginal, ou seja, não muda de esta-do.

b) J=1 e K=0Quando a entrada de clock (CLK)

passa por uma transição negativa, oflip-flop é “setado”. Se já estiversetado, ele permanece nesta condi-ção.

c) J=0 e K=1Quando a entrada de clock (CLK)

passa por uma transição negativa, oflip-flop é “ressetado”. Se já estivernesta condição, ele permanece.

d) J=1 e K=1

Nesta condição, ao receber umatransição negativa na entrada de clock

(CLK), o flip-flop muda de estado(TOGGLE). Se estiver setado, eleresseta e se estiver ressetado, ele ésetado.

Podemos elaborar a tabela verda-de da figura 12 para indicar o queocorre com este flip-flop .

Observe o uso das setas para in-dicar as transições de sinal na entra-da de clock que comandam o funcio-namento deste tipo de circuito.

Da mesma forma que nas outrasconfigurações estudadas, podemostambém incluir as entradas dePRESET e CLEAR neste circuito queficará da maneira apresentada na fi-gura 13.

Uma tabela verdade incluindo asentradas de PRESET (PR) e CLEAR

(CLR) é mostrada na figura 14.Uma maneira melhor de analisar-

Figura 10 - Ligação das entradas PRESET E CLEAR.

Figura 11 - O flip-flop J-K Mestre-Escravo.

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mos o funcionamento deste circuito éatravés de um diagrama de tempos,em que observamos as formas deonda nos diversos pontos de entradae saída. Este diagrama de tempospara o flip-flop J-K é mostrado na fi-gura 15.

Analisemos alguns trechos impor-tantes deste diagrama mostrando oque acontece:

a) Neste instante CLR e PR estãono nível baixo, Q e /Q estão no nívelalto, que é uma condição não permi-tida.

b) Aplica-se então o sinal PR, queindo ao nível alto, faz com que o flip-

flop seja ressetado.c) A aplicação de um pulso na en-

trada CLR que vai ao nível alto, e aida de PR ao nível baixo fazem agoracom que o flip-flop seja setado.

d) CLR e PR são mantidos no ní-vel alto a partir deste instante. ComJ=0 neste trecho e K indo ao nível alto,o flip-flop será ressetado na próximatransição negativa do sinal de clock .

e) Ainda com CLR e PR no nívelalto (esta condição se manterá daquipor diante) e a saída J=0 e k=1, o flip- flop permanecerá ressetado.

f) Com J=1 e K=0, o flip-flop ésetado na transição seguinte do pul-

so de clock .g) Com J=1 e K=0, não ocorremmudanças de estado.

h) Com J=1 e K=1 na transiçãoseguinte do pulso de clock , o flip-flop

muda de estado (complementa ou“toggle” ). Se estiver ressetado, comoneste caso, ele é setado.

i) Mantendo J=1 e K=1 com novatransição do pulso de clock, o flip-flop muda de estado outra vez, ou seja,complementa.

Veja que quando as entradas J eK estão no nível alto, o circuito se com-porta como um disparador, mudandode estado a cada transição negativado pulso de clock .

6.5 - O FLIP-FLOP TIPO D

Este é também um circuito de flip-

flop muito usado, cujo símbolo é mos-trado na figura 16.

Este flip-flop possui uma única

entrada que comanda todo o circuito.Esta entrada é que lhe dá nome. De-

Figura 12 - Tabela verdade para o flip-flop J-K Mestre-Escravo.

Figura 13 - Flip-flop J-K com Preset e Clear.

Figura 14 - Tabela verdade para o flip-flop J-K com Preset e Clear.

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nominada “Data” (dados), é abrevia-da por D, daí o nome do dispositivo.

Este flip-flop opera de uma manei-ra muito simples: no pulso de clock,ele assume o estado da entrada, con-forme podemos ver pela sua tabelaverdade:

D Qn+10 01 1

6.6 - FLIP-FLOP TIPO T

O nome vem de “Toggle” oucomplementação, seu símbolo é mos-trado na figura 17.

O que este circuito faz pode serentendido facilmente pelo diagrama

Diagrama de tempo do flip-flop J-K.

Figura 16 - Símbolos do flip-flop D.

de tempos mostrado na figura 18.Quando a entrada T deste circuitoestá no nível baixo, o flip-flop se man-tém em seu estado anterior, mesmocom a aplicação do pulso de clock .No entanto, quando a entrada T estáno nível alto, o flip-flop muda de esta-

do. Se estava setado, ele resseta ese estava ressetado, ele seta.

Este comportamento significa narealidade a divisão da frequência declock por dois. Em outras palavras,este circuito se comporta como umdivisor de frequência, encontrandoaplicações práticas bastante impor-tantes em Eletrônica Digital.

Um exemplo de aplicação é dadona figura 19 em que associamos di-

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é muito usado, existindo até circuitosintegrados que possuem sequênciasde mais de 10 flip-flops ligados destaforma.

Na prática não temos os flip-flops tipo D como componentes prontospara uso. Estes flip-flops podem serobtidos a partir de outros e isso serávisto no item seguinte.

6.7 - TRANSFORMANDOFLIP-FLOPS

Da mesma maneira como pode-mos obter qualquer função lógicacomplexa a partir de funções simples,

o que foi visto em lições anteriores,também podemos “brincar” com osflip-flops, obtendo outros tipos a par-tir de um tipo básico.

Assim, usando um flip-flops R-S ou J-K que são comuns e algumasportas lógicas, podemos obter flip-

flops de outros tipos.Na figura 20 temos algumas con-

Figura 18 - Diagrama de tempos do flip-flop T.

Figura 20 - Transformando flip-flops.

versos flip-flops do tipo T em série,de modo que passando através decada um, a frequência do sinal deentrada é divida por 2.

Usando 4 flip-flops, podemos divi-dir a frequência por 2, 4, 8 e 16.

Este tipo de divisor de frequência

Figura 17 - Símbolos do flip-flop tipo T.

Figura 18 - Divisor de frequência com flip-flops tipo D.

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versões que podem ser feitas utilizan-do-se flip-flops do tipo R-S .

O modo de funcionamento decada um pode ser facilmente enten-dido se o leitor tentar associar as ta-belas verdade dos flip-flops que foramestudados nesta lição às tabelas ver-

dade das portas agregadas, conside-rando os sinais de realimentação.

Na figura 21 temos o modo deobter flip-flops tipo D e T a partir deflip-flops do tipo J-K .

Veja que a simples conexão daentrada K ao J no flip-flop do tipo J-K o transforma em um flip-flop tipo T .Esta possibilidade é muito interessan-te, já que flip-flops J-K são disponí-veis em tecnologia TTL e CMOS epodem ser usados em circuitosdivisores de frequência. Na verdade,

já utilizamos esta configuração emdiversos projetos práticos que publi-camos. Finalmente, temos outrasduas transformações importantes deflip-flops mostradas na figura 22.

No primeiro caso temos umatransformação de um flip-flop tipo D em flip-flop tipo T, bastando para issoque a saída complementar /Q seja li-gada à entrada D , realimentando ocircuito.

A segunda transformação, que

leva um flip-flop tipo D a funcionarcomo tipo T , exige o emprego de umaporta AND adicional na realimentação

do sinal que é retirado da saída com-plementar /Q.

6.8 - NOS COMPUTADORES

Encontramos os flip-flops noscomputadores como elementos fun-damentais de muitos circuitos.

Uma aplicação é na própria divi-são de frequência dos clocks . Confor-me o leitor sabe, existem setores deum PC que devem operar com veloci-dades menores que a fornecida peloclock principal. É o caso dos bar-ramentos onde são ligadas as placasde expansão, os modems e as saí-das de dados paralela e serial.

Assim, em lugar de usar um clock

para cada frequência desejada, o quese faz é empregar um clock único edividir sua frequência conforme as

exigências de frequências mais bai-xas, observe a figura 23.

No caso dos computadores, tantoo próprio clock como a sequência de

flip-flops divisores podem ser obtidosnum único circuito integrado.

Um ponto importante que deve serlevado em conta e que estudaremosnas lições futuras é a possibilidade deligar os flip-flops em conjunto comoutras funções, de modo que afrequência possa ser dividida porqualquer número e não somente porpotências de (2,4,8,16,32,64, etc).

Outra aplicação importante écomo célula de memória. Oito flip- flops ligados lado a lado podem ar-mazenar um byte inteiro. Cada flip-flop armazena um bit. Existem diversasmemórias internas de um PC quenada mais são do que flip-flops quepodem ser habilitados tanto para aleitura de dados como para introdu-ção (gravação de dados). Existem ain-da outras funções importantesimplementadas a partir de flip-flops eque serão estudadas futuramente.

6.9. OS FLIP-FLOPS ANTIGOS

Figura 21 - Transformando FF tipo JK em tipo D e tipo T.

Figura 22 - Outras transformações de flip-flops.

Figura 23 - Obtendo diversas frequências a partir de um oscilador único.

SABER ELETRÔNICA Nº 302/98 25

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A configuração do flip-flop não é

nova. Na verdade, foi em 1919 quedois pesquisadores americanos cha-mados Eccles e Jordan apresenta-ram o primeiro circuito de flip-flop usando válvulas, confira na figura 24.

Por este motivo, muitos ainda cha-mam os flip-flops de “Básculas ou Cir-cuitos Eccles-Jordan”.

Em 1930, os físicos já usavamestes circuitos ligados em série paradividir a contagem dos pulsos de con-tadores Geiger de radiação e obteremvalores menores mais facilmente

totalizados nas pesquisas.Um contador binário usando uma

lâmpada neon ligada às válvulas foidesenvolvido usando estes flip-flops em 1940, mas foi somente depois dis-so que os primeiros computadoresdigitais passaram a usar estes circui-tos de uma forma mais intensa, até oadvento do transistor e depois dos cir-cuitos integrados.

QUESTIONÁRIO

1. Os elementos biestáveis de umcircuito:

a) Possuem apenas um estadoestável

b) Possuem dois estados instáveisc) Possuem dois estados estáveisd) Possuem um número

indeterminado de estado estáveis

2. Usado como elemento de me-mória, um flip-flop pode armazenar:

a) 1 bitb) 1 byte

c) meio byted) 2 bits

3. Um flip-flop R-S “setado” apre-

senta que níveis lógicos em suassaídas:a) Q=0 e /Q=0b) Q=0 e /Q=1c) Q=1 e /Q=0d) Q=1 e /Q=1

4. Os flip-flops “negative edge-

triggered” mudam de estado quando:a) O pulso clock vai do nível baixo

para o nível altob) O pulso de clock vai do nível

alto para o nível baixo

c) O pulso de clock estabiliza nonível baixo

d) O pulso de clock estabiliza nonível alto

5. Para que um flip-flop J-K Mes-tre escravo tenha a condição “toggle”,

quais são os níveis lógicos que de-vem ser colocados na entrada J e K?

a) J=0 e K=0b) J=0 e K=1c) J=1 e K=0d) J=1 e K=1

6. Quatro flip-flops do tipo T liga-dos um após o outro (em série) rece-bem uma frequência de 1 600 Hz nasua entrada. Qual é a frequência ob-tida na saída do último flip-flop? (osinal deve ser retangular).

a) 800 Hzb) 400 Hzc) 200 Hzd) 100 Hz

Respostas:1-C, 2-A, 3-C, 4-B, 5-D. 6-D

Figura 24 - Flip-flop com válvulas.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200246

Na lição anterior aprendemoscomo funcionam os principais tipos deflip-flops, verificando que, dependen-

do dos recursos que cada um possua,podem ser empregados de diversasformas. Também vimos as entradasque estes dispositivos podem conterpara melhorar seu desempenho emdeterminadas aplicações, como porexemplo, nos computadores. Estuda-mos ainda nas primeiras lições docurso as funções lógicas usadas emdiversos circuitos. Tudo isso nos levaà necessidade de contarmos comestas funções na forma de circuitosintegrados. De fato, existem muitos

circuitos integrados TTL e CMOS con-tendo flip-flops dos tipos estudados etodas as funções lógicas (portas e in-versores e amplificadores) e será jus-tamente deles que falaremos nestalição.

6.1 - OS FLIP-FLOPS TTL

A família de circuitos integradosdigitais TTL conta com uma grandequantidade de flip-flops usados numainfinidade de aplicações práticas.

A diferença de cada tipo de circui-to integrado não está apenas no tipode flip-flop que contém como tambémnos seus recursos e na sua quantida-de. Também devemos observar queum fator importante na escolha de umflip-flop para uma determinada apli-cação é a sua velocidade. Para as di-versas famílias TTL podemos especi-ficar as máximas velocidades dosseus flip-flops da seguinte maneira:

Standard (74) - 35 MHzLow Power (74L) - 3 MHz

Low Power Shottky (74LS)- 45 MHzHigh Speed (74H) - 50 MHz

(74S) - 125 MHzÉ importante observar que para osflip-flops TTL é preciso alguns cuida-dos, como por exemplo, manter sem-pre as entradas CLEAR e PRESET em níveis definidos. Deixando estasentradas abertas, podem ocorrer ins-tabilidades de funcionamento.

O nível em que elas devem serdeixadas, ou seja, sua conexão noVcc ou 0 V depende da aplicação.

a) 7473 - DUPLOFLIP-FLOP J-K COM CLEAR

Num único invólucro de 14 pinosDual in Line temos 2 flip-flops do tipoJ-K com entrada de Clear . A pinagemdeste circuito integrado é mostrada nafigura 1.

Os flip-flops são sensíveis ao ní-vel de clock (Level Triggered) comentrada de Clear assíncrono. O funcio-namento dos flip-flops deste circuitointegrado pode ser melhor entendidopela tabela verdade da figu-ra 2.

Nesta tabela, o símbolocom a forma de um pulso desinal representa um pulso declock positivo aplicado à en-trada correspondente.

Observe que quando J eK estão aterradas, o clock não tem efeito sobre o cir-cuito. Na operação normal,a entrada Clear deve ser

mantida no nível alto. Se aentrada Clear for aterrada,

o flip-flop resseta. A frequência máxi-ma de operação destes flip-flops é de20 MHz com um consumo por circui-

to integrado da ordem de 20 mA.

b) 7474 - DUPLO FLIP-FLOP

TIPO D COM PRESET E CLEAR

Os flip-flops contidos no invólucroDIL de 14 pinos disparam com a tran-sição positiva do sinal de clock (Positive-Edge Triggered). A pinagemdeste circuito integrado é mostrada nafigura 3.

A tabela verdade que apresenta o

funcionamento dos flip-flops deste

LIÇÃO 7

OS FLIP-FLOPS E FUNÇÕESLÓGICAS EM CIRCUITOS INTEGRADOS

Figura 1- 7473 - Duplo flip-flop J-K.

Figura 2- Tabela verdade que

descreve o funcionamento do 7473.

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47SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

c) 7475 - QUATROLATCHES TIPO D

Os latches são comochaves que armazenamuma informação digital pre-sente em sua entrada. A

aplicação mais comum é justamente como memória,cada circuito integrado 7475pode armazenar 4 bits deinformação.

Na figura 5 temos apinagem deste circuito integrado.Quando o circuito é habilitado, oque é conseguido levando a linha“ENABLE ” ao nível alto, as saídasQ e /Q seguem a entrada D. O latché do tipo “transparente”, logo, se

as entradas forem modificadas, assaídas também se alterarão.Quando a entrada “ENABLE ” é

levada ao nível baixo, as saídasnão respondem aos sinais de en-trada D.

Veja que o LATCH armazena ainformação que estava na entrada

D imediatamente antes da ocorrênciade uma transição do nível alto para onível baixo da linha de habilitação (Ní-vel 1 para o nível 0).

O funcionamento de

cada flip-flop do 7475 podeser colocado na tabela ver-dade da figura 6.

Este circuito integradonão serve para aplicaçõesonde se deseja mudançasde estado a cada pulso declock . Dizemos que este cir-cuito não pode ser usadocomo um registrador de des-locamento (shift-register)

que será estudado nas pró-ximas lições.

O tempo de propagação do sinalé da ordem de 24 ns e o consumotípico por circuito integrado é de 32mA.

d) 7476 - DOIS FLIP-FLOPS J-K

COM PRESET E CLEAR

Os dois flip-flops deste circuito in-tegrado têm funcionamento indepen-dente e disparam com nível do sinalde clock (level triggered).

O invólucro é DIL de 16 pinos, vejaa figura 7. O funcionamento de cadaum dos flip-flops pode ser melhor ana-lisado através da tabela verdade dafigura 8. Observe o símbolo adotadopara representar um pulso de clock .

Da mesma forma que nos demaiscircuitos integrados desta série, asentradas CLEAR E PRESET devemser mantidas em níveis lógicos defi-nidos, para que não ocorra o funcio-namento errático do circuito.

Também observamos pela tabelaverdade que não se pode ativar asduas entradas de CLOCK E CLEAR ao mesmo tempo, pois isso levaria osflip-flops a uma condição não permi-tida.

Figura 7- Dois flips-flops J-K- com Preset e Clear.

Figura 8- Tabela verdade do 7476.

circuito integrado é dada na figura 4.Pela tabela, concluímos que a condi-ção em que as entradas Clear ePreset estão simultaneamente ativasnão deve ser usada, pois teremos

uma condição não permitida para osflip-flops .A frequência máxima de operação

deste circuito integrado é de 25 MHze o consumo é da ordem de 17 mA.

Figura 3- Duplo flip-flop D - 7474.

Figura 5- 7475 - Quatro flip-flops tipo D.

Figura 6- Tabela verdade para o 7475.

Figura 4- Tabela verdade que

descreve o funcionamento do 7474.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200248

Um ponto interessante que deveser observado neste circuito integra-do é a pinagem diferente, já que nor-malmente nos circuitos desta série aalimentação positiva é sempre nospino 14 ou 16 e a negativa no pino 7

ou 8, quando os invólucros são de 14ou 16 pinos. A frequência máxima deoperação destes flip-flops para a sé-rie normal é de 20 MHz e o consumode 20 mA.

e) 74174 - SEIS FLIP-FLOPS

TIPO D COM CLEAR

Este circuito integrado contém seisflip-flops do tipo D que são dispara-

dos na transição positiva do si-nal de clock . A entrada deCLEAR é comum a todos osflip-flops . O invólucro é de 16pinos com a identificação feitasegundo mostra a figura 9.

A tabela verdade que des-creve o funcionamento de cadaflip-flop deste circuito integra-do está na figura 10.

Observe que nestes flip- flops temos acesso a apenasuma das saídas, assim, as sa-

ídas complementares não po-dem ser usadas.

A frequência máxima dos flip-flops da série stardard (comum) é de35 MHz com um consumo típico de45 mA por circuito integrado.

f) 74273 - OITO FLIP-FLOPS

TIPO D COM CLEAR

Este circuito é semelhante ao an-terior com a diferença de que existemoito em lugar de seis flip-flops tipo D.Cada um dos flip-flop pode operarcom um bit, assim, esta configuraçãose torna ideal para aplicações emcomputadores, pois opera com 8 bitsque correspondem a um byte.

A pinagem do circuito integrado

74273 é mostrada na figura 11.A tabela verdade para cada flip-

flop é a mesma do circuito integradoanterior apresentada na figura 10.

A frequência máxima de operaçãopara os circuitos integrados deste tipoda série normal é de 30 MHz com umconsumo de 62 mA para cada um.

Veja que o invólucro usado é Dual

In Line de 20 pinos e que a entradade CLEAR é comum a todos os inte-grados. Também observamos que não

existe acesso às saídas complemen-tares dos flip-flops .

g) 74LS373 - LATCH OCTAL

TRANSPARENTE TIPO DO tipo LS é importante neste caso,

já que se trata de circuito compatívelcom as portas paralelas dos compu-tadores e portanto, pode ser excitadodiretamente pelos níveis lógicos exis-tentes num PC.

Uma vez que o circuito integrado74LS373 contém 8 latches com saí-da tri-state, ele pode ser usado paratrabalhar com um byte inteiro, semproblemas.

A pinagem deste circuito integra-do é mostrada na figura 12.

Quando a entrada /OE está no ní-vel alto (1), as saídas de todos os flip-

flops vão para o estado de altaimpedância. Isso significa que estassaídas podem ser ligadas a umbarramento comum a outros circuitosintegrados, sem o problema de con-flitos que possam carregar os circui-tos causando problemas de funciona-mento, conforme já estudamos nas

lições iniciais deste curso.Quando a entrada /OE

está ativada, o que é feito le-vando-a ao nível baixo (0), oestado das saídas vai depen-der da entrada EL. Se EL es-tiver no nível alto (1), o latch estará aberto “transparente”.O que estiver na entrada D vaipassar pelo circuito e apare-cer na saída Q.

Se EL estiver no nível bai-xo (0), a saída Q não mais res-

ponde ao que ocorre nas en-tradas D. Nestas condições

Figura 9- 74174 - Seis flip-flops tipo D.

Figura 10- Tabela verdade para

os flip-flops do 74174.

Figura 11- Oito flip-flops tipo D com clear.

Figura 12- 74LS373 - Oito latches transparentes.

74L373

38 SABER ELETRÔNICA Nº 303/98

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49SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

A frequência máxima de operaçãodeste circuito integrado é de 50 MHzcom um consumo típico de 27 mA.

7.2 - OS FLIP-FLOPS CMOS

Temos diversos flip-flops disponí-veis na família CMOS que serão ana-lisados a seguir. Uma recomendaçãoimportante relativa ao uso destes flip- flops , assim como das demais fun-ções CMOS, é que as entradas nãousadas, pela sua sensibilidade devi-da à alta impedância, nunca devemser mantidas abertas.

Nos flip-flops CMOS, diferente-mente dos TTL, as entradasassíncronas são ativadas no nível alto,o que significa que devem sermantidas no nível baixo para a ope-ração normal.

a) 4013 - DOIS FLIP-FLOPS TIPOD COM PRESET E CLEAR

Os dois flip-flops contidos nestecircuito integrado são disparados natransição positiva do sinal de clock .

Figura 13- 74LS374 - Oito flip-flops tipo D.

Figura 14- Tabela verdade

de cada flip-flop do 74LS374.

Figura 15- 4013 - Dois flip-flops tipo D.

Figura 16- Tabela verdade

para os flip-flops do 4013.

Figura 17- 4027 - Dois flip-flops J-K. Figura 18- Tabela verdade para os flip-flops do 4027.

h) 74LS374 - OITO FLIP-FLOPS

TIPO D COM SAÍDAS TRI-STATE

Temos neste circuito integrado TTLem invólucro DIL de 20 pinos 8 flip-

flops do tipo D que são disparados natransição positiva do sinal de clock . Assaídas são tri-state e a pinagem émostrada na figura 13.

Quando a entrada /OE está no ní-vel alto, as saídas de todos os flip-

flops vão para o estado de altaimpedância. Veja que neste circuitointegrado também não temos acessoàs saídas complementares dos flip- flops . A tabela verdade que descreveo funcionamento de cada um dos flip-

flops é mostrada na figura 14.

dizemos que o latch está fechado e asaída Q será o conteúdo das entra-das D que foi armazenado imediata-mente antes da transição das entra-das EL do nível alto para o nível bai-

xo. Em outras palavras, podemos di-zer que os flip-flops são gatilhados natransição negativa da entrada EL.

Observe a condição de altaimpedância obtida com /OE no nívelalto. A frequência máxima de opera-ção para os latches deste circuito in-tegrado é de 50 MHz com um consu-mo de 24 mA.

SABER ELETRÔNICA Nº 303/98 39

7/16/2019 6548106 Eletronica Digital Saber Eletronica (1)

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200250

Observe que temos acesso tantoas saídas normais como complemen-tares de cada um dos flip-flops e queas saídas CLEAR E PRESET estãoativas no nível alto. No entanto, como

nos demais flip-flops , estas saídasnão podem ser ativadas ao mesmotempo, pois levariam os flip-flops auma condição não permitida.

Como no caso anterior, a frequên-cia depende da tensão de alimenta-ção. Para uma tensão de alimentaçãode 10 V, a frequência máxima de ope-ração é da ordem de 8 MHz.

c) 4043 - QUATRO FLIP-FLOPS

S R-S (Lógica NOR)

Este circuito integrado contémquatro flip-flops R-S independentescom saídas tri-state . O invólucro DILde 16 pinos é mostrado na figura 19.

Em cada um dos flip-flops, as en-tradas SET e RESET podem normal-mente ficar no nível baixo. Se a en-trada SET for levada ao nível alto, asaída irá e permanecerá no nível alto.Se a entrada RESET for levada aonível alto a saída irá e permanecerá

no nível baixo. As duas saídas não

podem ser levadas ao mesmo tempoao nível alto, pois isso representa umestado não permitido.

As saídas vão ao estado de altaimpedância com a entrada EN (habi-

litação ou ENABLE ) levada ao nívelbaixo. Quando o nível da entrada ENé alto, as saídas são conectadas aosflip-flops, transferindo seus estadospara os circuitos externos.

Como estes circuitos não usamclocks,eles não devem ser ligados emcascata para formar contadores oushift-registers .

d) 40174 - SEISFLIP-FLOPS TIPO D

Este circuito integrado contém seisflip-flops tipo D disparados pela tran-sição positiva do sinal de clock . Ape-nas uma das saídas de cada flip-flop é acessível externamente e o CLEAR é comum a todos eles. O invólucro éDIL de 16 pinos com a pinagem mos-trada na figura 20. Todos os flip-flops são controlados por uma entrada co-mum de clock . A tabela verdade paraos flip-flops deste circuito integrado é

mostrada na figura 21.

e) 40175 - QUATROFLIP-FLOPS TIPO D

Trata-se de um circuito integradoque contém quatro flip-flops seme-lhantes ao anterior com a diferençade que as duas saídas (normal e com-plementar) podem ser acessadas.

O invólucro deste circuito integra-do é apresentado na figura 22.

A tabela verdade para os circuitosintegrados é a mesma do 40174. Para

Figura 20- Seis flip-flops tipo D (Registrador de

armazenamento).

Figura 21- Tabela verdadepara os flip-flops do 40174.

O invólucro é o DIL de 14 pinosda figura 15.

A tabela verdade para este circui-to integrado está na figura 16.

Pela tabela verdade vemos que as

entradas CLEAR E PRESET são ati-vas no nível alto, mas que somenteuma delas pode estar nesta condiçãode cada vez. Se as duas entradasPRESET e CLEAR forem colocadasno nível alto ao mesmo tempo, o flip-

flop vai para uma condição não per-mitida.

A informação presente na entra-da D é transferida para a saída, quan-do as entradas assíncronas PRESET E CLEAR estão inativas.

É importante observar que a velo-

cidade de operação dos circuitosCMOS depende da tensão de alimen-tação, como já estudamos nas liçõesanteriores.

Nos manuais de circuitos integra-dos CMOS os leitores poderão encon-trar tabelas que trazem os diversostempos de propagação dos sinais eas frequências de operação em fun-ção desta tensão de alimentação.Podemos dizer apenas que, para umaalimentação de 10 V, a frequência

máxima de clock será de 7 MHz.

b) 4027 - DUPLO FLIP-FLOP

J-K COM PRESET E CLEAR

Neste circuito integrado encontra-mos dois flip-flops tipo J-K com en-tradas de PRESET E CLEAR . O invó-lucro é DIL de 16 pinos, mostrado nafigura 17.

Nos fl ip-flops , as entradasPRESET e CLEAR são independen-

tes. A tabela verdade para os flip-flops é mostrada na figura 18.

Figura 19- 4043 - Quatro flip-flops R-S.

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51SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

uma alimentação de 10 V, a frequên-cia máxima de clock é de 10 MHz.

7.3 - FUNÇÕESLÓGICAS TTL

Podemos contar com uma boaquantidade de circuitos integradoscontendo as principais funções lógi-cas em tecnologia TTL. Damos a se-guir alguns dos mais importantes, jáque para obter informações sobre atotalidade será interessante contarcom um manual TTL.

a) 7400 - Quatro PortasNAND de duas entradas

Num invólucro DIL de 14 pinoscontamos com quatro portas NANDde duas entradas de funcionamentoindependente.

Veja na figura 23 a pinagem des-te circuito integrado.

O consumo médio por circuito in-tegrado é da ordem de 12 mA.

b) 7402 - Quatro PortasNOR de duas entradas

Este circuito integrado em invólu-cro DIL de 14 pinos tem a pinagem

Figura 22- 4M75 - Quatro flip-flops tipo D

(Registrador de armazenamento). Figura 23- Quatro portas NAND de duas entradas.

Figura 24- Quatro portas NOR de duas entradas. Figura 25- Seis inversores.

mostrada na figura 24 e cada unida-de exige uma corrente de 12 mA.

c) 7404 - Seis Inversores(Hex Inverter)

Os seis inversores deste circuitointegrado podem ser usados de for-ma independente. A pinagem está nafigura 25.

d) 7408 - Quatro PortasAND de duas entradas

Este circuito integrado tem apinagem da figura 26 e cada unida-de exige uma corrente de 16 mA.

e) 7410 - Três portasNAND de três entradas

Cada uma das três portas NANDdeste circuito integrado pode ser usa-da de forma independente. A corren-te exigida pelo circuito é de 6 mA.

f) 7420 - Duas portasNAND de quatro entradas

Este circuito integrado contémduas portas NAND que podem ser

usadas de forma independente. Apinagem é mostrada na figura 28.

O consumo por unidade é de apro-ximadamente 4 mA.

g) 7432 - Quatro portasOR de duas entradas

As portas OR deste circuito inte-grado podem ser usadas de modo in-dependente e a corrente total exigidaé da ordem de 19 mA. A pinagem estána figura 29.

h) 7486 - Quatro PortasOR-Exclusivo

As portas OU-exclusivo ou

Exclusive OR deste circuito integra-do podem ser usadas de forma inde-pendente. O consumo é de 30 mA ea pinagem está na figura 30.

7.4 - FUNÇÕES LÓGICAS CMOS

Também podemos contar comuma boa quantidade de circuitos in-tegrados CMOS contendo funçõeslógicas. Evidentemente, não temosespaço para colocar todas estas fun-ções nesta lição, assim recomenda-mos ao leitor que adquira um manual

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Figura 27- Três portas NAND de três entradas.

Figura 29- Quatro portas OR de duas entradas.

d) 4023 - Três portasNAND de três entradas

As três portas NAND deste circui-to integrado podem ser usadas demaneira independente. A pinagem émostrada na figura 34.

e) 4025 - Três portas NORde três entradas

Encontramos neste circuito inte-grado três funções NOR que podemser usadas de forma independente. Apinagem é mostrada na figura 35.

7.5 - A FUNÇÃO TRI-STATE

EXPANSÍVEL DO 4048

O circuito integrado 4048 tem ca-racterísticas muito interessantes paraprojetos CMOS envolvendo funçõeslógicas. Conforme estudamos, usan-do combinações apropriadas defunções simples, é possível simularqualquer outra função mais comple-xa. É justamente isso que faz o 4048que tem a pinagem mostrada na fi-gura 36.

Este circuito possui 8 entradas,uma saída e três entradas de “progra-mação”.

Dependendo dos níveis lógicosaplicados nestas entradas de progra-mação, o circuito se comporta comofunções NOR, OR, NAND ou ANDcom 8 entradas ou ainda de formacombinada, realizando ao mesmotempo funções de portas OR e ANDcada um de 4 entradas e outras quesão mostradas na figura 37.

Assim, por exemplo, se colocar-mos todas as três entradas de pro-gramação no nível alto (Ka,Kb e Kc=111), o circuito se comporta comoduas portas AND de quatro entradasligadas a uma porta OR de duas en-tradas.

Veja então que esta interessantefunção pode servir de “coringa” emmuitos projetos, pois consegue simu-lar a operação de diversas combina-

ções de outros circuitos integradosCMOS.Internamente, o 4048 é bastante

complexo contendo 32 funções inde-pendentes programadas pelos níveislógicos aplicados às entradas corres-pondentes.

QUESTIONÁRIO

1. Qual é o conjunto de funçõesque o leitor provavelmente nãoencontrará na forma de um circuito

CMOS. Daremos a seguir algumasdas mais usadas.

a) 4001 - Quatro PortasNOR de duas entradas

Este circuito integrado contémquatro portas NOR em invólucro DILde 14 pinos com a pinagem mostra-da na figura 31.

O consumo por circuito integradoé da ordem de 10 nW.

b) 4011 - Quatro portasNAND de duas entradas

Em invólucro DIL de 14 pinos en-contramos quatro portas NOR de

duas entradas de funcionamento in-dependente. O invólucro com a iden-tificação dos terminais é mostrado nafigura 32.

c) 4012 - Duas portasNAND de quatro entradas

As quatro portas NOR de duasentradas deste circuito integrado po-dem ser usadas de forma indepen-dente. A identificação dos terminaisdeste circuito integrado está na figu-ra 33.

Figura 26- Quatro portas AND de duas entradas.

Figura 28- Duas portas NAND de quatro entradas.

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Figura 30- Quatro portas Exclusive-OR de duas entradas.

Figura 31- 4001 - Quatro portas NOR de duas entradas.

Figura 32- 4011 - Quatro portas NAND de duas entradas.

Figura 33- 4012 - Duas portas NAND de quatro entradas.

Figura 34- 4023 - Três portas NAND de três entradas.

Figura 35- 4025 - Três portas NOR de três entradas. Figura 36- 4048 - Função expansível de 8 entradas tri-state.

integrado TTL ou CMOS?a) Seis portas AND de 3 entradasb) Seis inversoresc) Quatro portas AND de duas entradasd) Quatro portas Exclusive OR

2. As quatro portas NAND de um circuito integrado TTL7400 têm:a) Alimentação independenteb) Quatro entradasc) Funcionamento independented) Reset comum

3. Os flip-flops do circuito integrado 4027 são:a) Do tipo R-S b) Do tipo Dc) Do tipo J-K d) Do tipo T

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200254

R e s p o s t a s : 1 - a , 2 - c , 3 - c , 4 - d , 5 - b

5. Qual é a condição proibida nosflip-flops CMOS e TTL?a) Entradas J e K ligadas em paralelob) Preset e Clear ao mesmo tempoativosc) Preset e Clear ao mesmo tempodesativados

4. Um “latch ” como o circuito TTL7475 é usado para:a) Contagem bináriab) Divisão de frequênciac) Operação como porta ANDd) Armazenamento de informaçãodigital

Figura 37- Funções que podem ser exercidas pelo 4048.

d) Saídas ligadas às entradas D ouClear

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55SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

LIÇÃO 8

OS MULTIVIBRADORESASTÁVEIS E MONOESTÁVEIS

Na lição anterior aprendemoscomo funcionam os principais tipos deflip-flops, verificando que dependen-do dos recursos de cada um, elespodem ser empregados de diversasformas. Também vimos as entradasque estes dispositivos podem conterpara melhorar seu desempenho emdeterminadas aplicações, como porexemplo, nos computadores. Vimostambém que os flip-flops são usadoscomo divisores de frequência ou cé-lulas de memória. Tudo isso nos levaà necessidade de contar com esta

função na forma de circuitos integra-dos. De fato, existem muitos circuitosintegrados TTL e CMOS contendo flip- flops dos tipos estudados e será jus-tamente deles que falaremos nestalição. Também enfocaremos algumasconfigurações que em lugar de doisestados estáveis possuem apenasum, além das configurações que nãopossuem nenhum estado estável.Estes circuitos denominados multivi-bradores astáveis e monoestáveis

também são muito importantes emaplicações relacionadas com a Ele-

trônica Digital.

8.1 - MULVIBRADORES ASTÁVEIS

Os circuitos digitais trabalham sin-cronizados, em sua maioria, por sinaisretangulares que precisam ser produ-zidos por algum tipo de oscilador. Ooscilador, que produz o sinal de“CLOCK ” ou “relógio” deve ter carac-terísticas especiais e para isso podem

ser usadas diversas configurações.Uma das configurações mais in-teressantes é justamente aquela queparte de um circuito bastante seme-lhante aos flip-flops que estudamosna lição anterior.

Este circuito recebe o nome demultivibrador astável e se caracterizapor não ter dois, nem um estado es-tável. Este circuito muda constante-mente de estado, numa velocidadeque depende dos valores dos com-ponentes usados e que, portanto gera

um sinal retangular.Da mesma forma que estudamos

os flip-flops partindo da configuraçãobásica com transistores, vamos estu-dar o multivibrador astável.

Assim, caso tenhamos a configu-ração mostrada na figura 1, usandotransistores, os capacitores propor-cionam uma realimentação que levao circuito à oscilação.

O multivibrador astável é um cir-cuito em que a frequência é determi-nada por um capacitor e um resistor,ou seja, por uma constante de tempo

RC. Dizemos que este tipo de osci-lador é do tipo RC. Analisemos me-

lhor como funciona a configuraçãomostrada na figura 1.

Quando a alimentação éestabelecida, um dos transistoresconduz mais do que outro e inicial-mente podemos ter, por exemplo, Q

1

saturado, e Q2

cortado. Com Q1

saturado o capacitor C1carrega-se via

R1 de modo que a tensão no capacitorsobe gradualmente até o ponto emque, estando carregado, o transistorQ2 é polarizado no sentido de condu-

zir. Quando isso ocorre, Q2 tem umdos seus terminais aterrado e descar-rega-se. Nestas condições Q

1vai ao

corte e Q2 satura. Agora é a vez de C2

carregar-se até que ocorra novamen-te uma comutação dos transistores eum novo ciclo de funcionamento.

As formas de onda geradas nestecircuito são mostradas na figura 2,observando-se o ciclo de carga e des-carga dos capacitores.

Figura 1- Multivibrador astávelusando dois transistores. Figura 2- Formas de onda no circuito da

figura 1.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200256

O leitor pode perceber então queo tempo de carga e descarga doscapacitores e portanto, das oscilaçõesgeradas por este circuito, dependemtanto dos valores dos capacitorescomo dos resistores de base atravésdos quais ocorrem as descargas.

Também podemos observar queos sinais gerados são retangulares,

pois ocorre uma comutação rápidados transistores de tal forma que atensão em seus coletores sobe e des-ce muito rapidamente.

Da mesma forma que no caso dosflip-flops , podemos elaborar multivi-bradores astáveis, tanto usando vál-vulas como transistores de efeito decampo.

Podemos também ter osciladoresRC que geram sinais com boa esta-bilidade com menos componentes.Estes osciladores podem ser elabo-rados com funções lógicas e para issotemos diversas possibilidades.

7.4 - ASTÁVEIS COMFUNÇÕES LÓGICAS

a) Astável usando inversoresUm primeiro tipo de oscilador RC

ou astável pode ser elaborado combase em dois inversores, utilizando aconfiguração mostrada na figura 3.

Neste circuito, R e C determinama frequência de operação. Resumi-mos o princípio de funcionamento da

seguinte forma: quando o inversor F-2 está com a saída no nível alto, asaída de F-1 estará no nível baixo, oque faz com que o capacitor carreguevia R. Quando a tensão em C atingeo valor que provoca a comutação deF-2, ele troca de estado e sua saídavai ao nível baixo. Nestas condiçõesa saída de F-1 vai ao nível alto, o

capacitor é “invertido” começando suacarga, mas com polaridade oposta atéque novamente tenhamos o reconhe-cimento do nível de comutação e umnovo ciclo se inicie.

A frequência de operação destecircuito é dada com aproximação pelafórmula:

f = 1/(2 x 3,14 x R x C)

3,14 é o famoso “PI” que é cons-tante.

C deve ser expresso em farads,R em ohms para que tenhamos afrequência em hertz.

Nos circuitos integrados CMOScostuma-se agregar nas entradasdiodos de proteção com a finalidadede protegê-los contra descargas es-táticas. Estes diodos afetam o funcio-namento dos osciladores, podendodificultar sua operação. Uma maneirade contornar o problema causadopela presença dos diodos consiste em

modificar o circuito da figura 3, agre-gando um resistor adicional da formaindicada na figura 4.

Este resistor Rx deve ser pelomenos 10 vezes maior que R. Valo-res da ordem de 1 MΩ são os maisusados na prática de modo a não afe-tar a frequência de operação deter-minada pela fórmula que vimos.

Podemos controlar a frequênciadeste tipo de oscilador colocando umresistor variável no circuito de reali-

mentação, verifique a figura 5.Como o resistor variável é 10 ve-zes maior do que o resistor que estáem série, a faixa de frequências obti-da variará numa razão de 10 para 1.Assim, se a frequência mínima for de100 Hz, a máxima será de 1000 Hz.Veja que não é recomendável que oresistor em série seja muito peque-no, menor que 10 kΩ, dadas as ca-racterísticas do circuito.

Como o tempo de carga e descar-ga do capacitor é o mesmo, o sinalproduzido é retangular com um cicloativo de 50%, ou seja, o tempo emque ele permanece no nível alto é omesmo do nível baixo, figura 6.

Na maioria das aplicações queenvolvem o uso de circuitos digitaissão necessários circuitos de clock quetenham ciclos ativos de 50%, no en-tanto, existem aplicações especiaisem que um ciclo ativo diferente podeser necessário.

Para modificar o ciclo ativo, o re-

curso mais comum consiste em terpercursos diferentes para as corren-tes de carga e descarga do capacitor,

Figura 3- Multivibrador usando

dois inversores.

Figura 4- Melhorando o circuito da figura 3.

Figura 5- Oscilador de 2,0 a 20 kHz usando dois inversores.

Figura 6- Ciclo ativo de 50%.

(*) Valores típicos

para inversores

CMOS

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57SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

Figura 7- Alterando o ciclo ativo.

Figura 8- Oscilador com ciclo ativo controlável.

o que pode ser conseguido com o usode diodos.

Assim, para o circuito que toma-mos como exemplo é possível modi-ficar o ciclo ativo da maneira indicadana figura 7.

O capacitor vai carregar-se via R1

e descarregar via D2, o que significatempos diferentes para a saída no ní-vel alto e baixo.

Estes tempos dependem doscapacitores e são dados pelas fórmu-las junto ao diagrama.

Para um ajuste do ciclo ativo po-demos agregar um potenciômetro outrimpot ao circuito que vai determinaros percursos para as correntes decarga e descarga do capacitor, con-forme figura 8.

A posição do cursor determina ociclo ativo, observando-se que na po-sição central este ciclo será de 50%.

Observamos finalmente que inver-sores podem ser obtidos com a liga-ção de portas NOR com as entradasem paralelo, confira na figura 9.

Ou ainda, a configuração indicadapode ser elaborada com portasNAND, ficando com a disposição dafigura 10.

b) Oscilador com disparador

Uma característica não muito de-sejada quando se pretende usar umafunção como osciladora, é o tempo decomutação quando o nível lógico éreconhecido na entrada.

Um tipo de função lógica impor-tante, que possui tempos reduzidosde comutação, é a formada por cir-cuitos disparadores ou “triggers”,

como por exemplo, do circuito integra-do 4093, ver na figura 11.

Estas portas possuem uma carac-terística de histerese que é mostradana figura 12.

Esta característica mostra que,quando o circuito reconhece o nívellógico necessário à comutação, asaída passa de um nível a outro numavelocidade muito grande, ou seja, háuma comutação muito rápida.

Por outro lado, o nível lógico deentrada que faz novamente a comu-tação para que a saída volte ao esta-do anterior não ocorre com a mesmatensão “de ida”.

Em outras palavras, o sinal desaída oscila do nível alto para o baixo

Figura 9- Astável com portas NOR ligadas com inversores.

Figura10- Astável com portas NAND CMOS ligadas como inversores.

Figura 11- Porta NAND

disparadora (Schimitt trigger).

Figura 12- Característica de

histerese do 4093.

Um tipo de função lógica importan-te, que possui tempos reduzidos de

comutação, é a formada por circui-tos disparadores ou “triggers”,

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200258

e vice-versa com tensões diferentesde entrada. Estas diferentes tensõesdeterminam uma faixa denominada“histerese” e que é mostrada na cur-va da figura 12.

Esta característica é muito impor-tante pois garante que o circuito co-

mute com segurança, tanto “na ida”como “na volta” dos sinais, e que alémdisso, possam ser usados emosciladores de bom desempenho.

Para termos um oscilador comuma porta NAND disparadora comoa do circuito integrado CMOS 4093,precisamos de apenas dois compo-nentes externos na configuração mos-trada na figura 13.

Neste circuito, o capacitor se car-rega através do resistor quando a sa-ída da porta (ligada como inversor)está no nível alto e descarrega-sequando está no nível baixo, produzin-do um sinal com ciclo ativo de 50%.

A entrada do circuito, ligada entreo capacitor e o resistor, não drenanem fornece corrente, já que é de altaimpedância, apenas sensoriando onível de tensão neste ponto para fa-zer a comutação.

As formas de onda obtidas nestecircuito são mostradas na figura 14.

Da mesma forma que nos circui-

tos anteriores também podemos mo-dificar o ciclo ativo do sinal geradosmodificando o percurso das corren-tes de carga e descarga do capacitor,o que pode ser conseguido atravésde diodos.

Temos então na figura 15 um cir-cuito com ciclo ativo diferente de 50%usando diodos.

Neste circuito, quando a saída dodisparador está no nível alto, ocapacitor carrega-se via D

1e R

1. Es-

tes componentes determinam entãoo tempo de saída alto.

Quando o circuito comuta e a saí-da do disparador vai ao nível baixo, ocapacitor descarrega-se via D

2e R

2,

sendo estes os componentes respon-sáveis pelo tempo baixo do sinal de

saída.Também podemos controlar o ci-

clo ativo deste circuito colocando umpotenciômetro ou trimpot, conforme afigura 16.

A posição do cursor determina aresistência do circuito nos percursosde carga e descarga do capacitor.

O 4093, na verdade, correspondea um grupo de circuitos denominados“disparadores de Schmitt” que seráestudado nas próximas lições na suareal função, que é a de modificar for-mas de onda de um circuito.

O disparador pode transformar umsinal de qualquer forma de onda numsinal retangular, conforme veremosmais adiante.

c) Oscilador TTL com Inversorescom saída de coletor aberto

Um outro tipo de circuito astável,que pode ser usado para gerar sinaisretangulares num equipamento digi-tal, é o que faz uso de três dos seis

inversores disponíveis num circuitointegrado 7406. Este circuito é mos-trado na figura 17.

O sinal é realimentado da saídado último inversor para a entrada doprimeiro e pelo resistor variável temoso ajuste da frequência e do ponto defuncionamento.

Este oscilador pode gerar sinais nafaixa de 1 MHz a 10 MHz para TTLsnormais e frequências mais elevadascom TTL LS.

Figura 13- Osciladorusando uma porta

disparadora do circuito

integrado 4093.

Figura 14- Formas de onda

num oscilador com o 4093.

Figura 15- Oscilador com ciclo ativo

determinado pela relação entre R1

e R2.

Figura 16- Oscilador comciclo ativo controlado or P1. Figura 17- Oscilador com inversores com saída em coletor aberto.

d) Oscilador com cristal

O cristal é um elemento importan-te no controle de frequência de umcircuito. Os cristais oscilam emfrequências determinadas pelo seucorte. Assim, eles podem ser usadospara manter a frequência fixa dentrode estreitos limites.

Seu uso mais comum é justamen-te em circuitos em que a precisão dafrequência seja importante, tais comorelógios, cronômetros e em

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59SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

instrumentação. Existem diversas for-mas de obter um oscilador com cris-tal para aplicações em circuitos digi-tais. Um primeiro circuito que pode serdado como exemplo é apresentado nafigura 18 e faz uso de duas das qua-tro portas NOR disponíveis num cir-

cuito integrado CMOS 4001.O cristal serve de elemento de re-

alimentação devendo haver umcapacitor ajustável que permite vari-ar a frequência levemente em tornodo valor estabelecido pelas caracte-rísticas do circuito.

Uma porta serve como elementoativo do circuito (amplificador), en-quanto a outra serve de “buffer”, ouseja, isola a saída do circuitooscilador.

Os buffers são importantes emmuitas aplicações, pois impedem quevariações ocorridas no circuito querecebe o sinal afetem a frequência dooscilador.

Um outro oscilador a cristal cominversores CMOS é o da figura 19.

A saída do último inversor forneceo sinal de realimentação do circuitoatravés do cristal que então determi-na a sua frequência.

Versão equivalente com inverso-res e circuitos integrados TTL para

osciladores controlados a cristal émostrada na figura 20.

Figura 20- Oscilador controlado a cristal com inversores TTL.

Figura 19- Oscilador CMOS a cristal com inversores CMOS.

Figura 18- Oscilador CMOS a cristal.

QUESTIONÁRIO

1. Quantos estados estáveis têm ummultivibrador monoestável?a) 1 b) 2 c) nenhumd) todos os estados são estáveis

2. Qual dos circuitos abaixo indicadosnão pode ser usado como astável oumonoestável?a) 7474 b) 555c) 74122 d) 4011

3. O tempo de carga de um capacitoré diferente do tempo de descargaquando usado num astável. Podemosdizer que o ciclo ativo do sinal geradoé: a) 50%

b) maior que 50%c) menor que 50%d) diferente de 50%

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200260

LIÇÃO 9

OS CONTADORES DIGITAIS

Na lição anterior analisamos oprincípio de funcionamento de um dos

mais importantes blocos da Eletrôni-ca Digital, o flip-flop . Vimos que estesblocos poderiam ter diversos tipos decomportamento e que, quando reuni-dos, poderiam apresentar comporta-mentos interessantes como, porexemplo, a capacidade de dividirfrequências, de armazenar informa-ções (bits), além de outras. Nesta li-ção vamos nos dedicar justamente auma das funções mais importantesdos flip-flops que é a de fazer a con-tagem do número de pulsos, o que

corresponde em última análise a con-tagem de bits. A partir desta conta-gem podemos usar estes circuitospara a realização de operações maiscomplexas como somas, manipulaçãode dados etc.

9 - OS TIPOS DE CONTADORES

Em Eletrônica Digital devemosseparar os circuitos lógicos sem

sincronismo daqueles que possuamalgum tipo de sincronismo externo, ouseja, que usam um sinal de CLOCK .

Existem aplicações em que tudoo que importa para o circuito é fazeruma operação com determinados ní-veis lógicos aplicados à sua entrada,quando eles estão presentes, nãoimportando quando isso ocorra. Taiscircuitos não precisam de sincronismoalgum e são mais simples de seremutilizados.

No entanto, com circuitos muito

complexos, como os utilizados emcomputadores e em muitos outros

casos, o instante em que uma opera-ção deve ser realizada é muito impor-

tante e isso implica em que os circui-tos devam ser habilitados no instanteem que os níveis lógicos são aplica-dos em sua entrada.

Isso significa que tais circuitosdevem ser sincronizados por algumtipo de sinal vindo de um circuito ex-terno. E este circuito nada mais é doque um oscilador que produz um si-nal de clock ou relógio.

Os circuitos que operam com es-tes sinais são denominados circuitoscom lógica sincronizada.

Para os contadores temos entãodiversas classificações que levam emconta estes e outros fatores, porexemplo:

a) Classificação quantoao sincronismo:

Os contadores podem serASSÍNCRONOS, quando existe o si-nal de clock aplicado apenas ao pri-meiro estágio. Os estágios seguintes

utilizam como sinal de sincronismo asaída de cada estágio anterior. Estescontadores também são denomina-dos Ripple Counters .

Os contadores também podem serSÍNCRONOS, quando existe um si-nal de clock único externo aplicado atodos os estágios ao mesmo tempo.

b) Classificação quantoao modo de contagem

Os contadores podem ser PRO-

GRESSIVOS ou CRESCENTES,quando contam numa sequência de

números crescentes, ou seja, dos va-lores mais baixos para os mais altos,

como (1,2,3,4...). São também cha-mados pelo termo inglês de UP

COUNTERS .Os contadores podem ser RE-

GRESSIVOS ou DECRESCENTES,quando a contagem é feita dos valo-res mais altos para os mais baixoscomo (4,3,2,1...).O termo inglês éDOWN COUNTERS .

Se bem que possamos fazer con-tadores usando funções lógicas co-muns e mesmo flip-flops discretos,podemos contar na prática com cir-

cuitos integrados em lógica TTL ouCMOS que já possuam contadorescompletos implementados.

9.1 - CONTADOR ASSÍNCRONO

Conforme explicamos, neste tipode contador, o sinal de clock é aplica-do apenas ao primeiro estágio, fican-do os demais sincronizados pelosestágios anteriores.

Na figura 1 temos a estrutura bá-sica de um contador deste tipo usan-do flip-flops do tipo J-K.

Usamos três estágios ou três flip-

flops ligados de tal forma que a saídaQ do primeiro serve de clock para osegundo, e a saída Q do segundo ser-ve de clock para o terceiro.

Sabemos que os flip-flops ligadosda forma indicada funcionam comodivisores de frequência.

Assim, o sinal de clock aplicadoao primeiro tem sua frequência divi-

dida por 2.A frequência estará dividida por 4

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na saída do segundo e por 8 na saí-da do terceiro.

Tudo isso pode ser visualizadopelo diagrama de tempos mostradona figura 2.

Mas, se elaborarmos uma tabelaverdade com os níveis lógicos obtidosna saída de cada um dos flip-flops, acada pulso do clock aplicado, a partirdo instante em que todas as saídassejam zero, teremos algo interessan-te a considerar:

Entrada QC QB QA0 0 0 0

1 0 0 12 0 1 03 0 1 14 1 0 05 1 0 16 1 1 07 1 1 1

Veja que a sequência de valoresobtidos 000, 001, 010, 011, 100, 101,110 e 111 corresponde justamente àcontagem em binário dos pulsos de 0a 7! Em outras palavras, este circuito

conta os pulsos de entrada e fornecesaídas que são a representação bi-nária desta contagem.

Veja também que ele faz a conta-gem crescente, ou seja, de 0 até 7.

Se, em lugar de três flip-flops,

usarmos quatro, no circuito mostradona figura 3, teremos a contagem de0000 a 1111, ou seja, uma contagemcrescente de 0 a 15 pulsos.

Oito desses flip-flops ligados emsérie podem contar até 256 pulsos e

com isso fornecer uma saída de 8 bitsou 1 byte.

Entrada QA QB QC ValorBinário

0 1 1 1 71 1 1 0 62 1 0 1 53 1 0 0 44 0 1 1 3

5 0 1 0 26 0 0 1 17 0 0 0 0

Portanto, este contador forneceem sua saída valores binários quecorrespondem à contagem decres-cente dos pulsos de entrada, partin-do de 7. Trata-se de um contador de-crescente ou DOWN COUNTER .

Como no caso anterior, se tiver-mos mais flip-flops, podemos contara partir de valores mais altos. Com 4flip-flops podemos partir a contagemde 15 e com 8 flip-flops, de 255. Vejaque a quantidade máxima que pode-mos contar com um contador destetipo depende da quantidade de flip-

flops usados.Um problema que ocorre com este

tipo de flip-flop é que cada um preci-sa de um certo tempo para mudar de

Fig. 1 - Um contador

assíncrono.

Fig. 2 - Diagrama

de tempos para

um contador

assíncrono de 3

estágios.

Fig. 3 - Um contador assíncrono de 4 estágios.

O circuito apresentado comuta natransição negativa do sinal de clock .

Vamos supor agora que em lugarde usarmos como saídas de conta-gem as saídas Q de cada flip-flop ,usássemos as saídas complementa-res /Q, conforme a figura 4. É fácil per-ceber que, partindo da situação emque todos os flip-flops estejamressetados, a tabela verdade obtidaterá nas saídas os complementos databela anterior. Esta tabela será:

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estado. Isso significa que à medi-da que usamos mais flip-flops emsequência num contador, os temposde mudança de estado são somadose o conjunto precisa cada vez de maistempo para chegar ao estado finaldesejado.

Se aplicarmos um novo pulso declock para contagem à entrada do cir-cuito, antes de ocorrer a mudança deestado do conjunto, pode ocorrer umfuncionamento errático. Assim, afrequência máxima de operação deum contador é dada pelo tempo ne-cessário para cada estágio mudar deestado multiplicado pelo número deestágios usados no contador.

9.2 - CONTAGEM PROGRAMADAConforme vimos, os ciclos de con-

tagem dos circuitos dados comoexemplos no item anterior são sem-pre potências de 2, ou seja, são cir-cuitos que contam até 2, 4, 8, 16, 32etc. O que fazer se precisarmos deum circuito que tenha um ciclo de con-tagem diferente desses valores, quenão seja uma potência de 2?

Devemos levar em conta dois fa-tores:

Podemos usar a entrada CLEAR para reiniciar a contagem, zerando-a, quando chegar ao valor desejado.Por exemplo, podemos reiniciar a con-tagem depois do 5 se quisermos umcontador que conte de 0 a 5, ou seja,que tenha 6 estados de saída, con-forme a tabela verdade dada a seguir:

Entrada QC QB QA0 0 0 01 0 0 12 0 1 03 0 1 14 1 0 05 1 0 16 0 0 0

estado instável

No sexto pulso que correspondeao estado 110, o circuito vai a um es-tado que ativa a entrada CLEAR eleva todos os flip-flops a seremressetados.

Para este circuito a solução é sim-

ples. Veja que a situação em que de-vemos ter a volta a zero da contagem

e portanto, a ativação da linha CLR(clear) ocorre com uma única combi-nação de sinais: QA e QB no nível alto.

Se usarmos flip-flops que tenhamentradas CLEAR ativadas pelo nívelalto, basta usar uma porta AND deduas entradas com as entradas liga-das nas saídas QB e QC e a saída nalinha comum de CLEAR de todos osflip-flops , conforme a figura 5. Se osflip-flops usados tiverem um CLEAR

ativado no nível baixo como o 7476(TTL), basta usar uma porta NANDem lugar de AND.

Se quiséssemos um contador até4, por exemplo, o estado em que de-veria ocorrer a ativação da entradaCLEAR ocorreria com a quinta com-binação de saídas, ou seja, 101, o quesignifica QC=1 e QA=1. Bastaria en-tão ligar as entradas da porta ANDnessas saídas, conforme a figura 6.

Um diagrama de tempos podemostrar exatamente o que ocorre como contador elaborado desta maneira.Este diagrama é apresentado na fi-gura 7. Observe que, quando as saí-das chegarem ao estado 110, que

Fig. 4 - Um contador decrescente de 3 estágios.

Fig. 5 - Contador progra-

mado de módulo 6.

Fig. 6 - Contador de

módulo 5.

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Usando 3 estágios, podemos terum contador UP/DOWN, conforme afigura 10. Uma entrada (UP/DOWN)

pode ser usada para determinar osentido da contagem.

Trata-se de uma entrada seletorade dados ou DATA SELECTOR, quepode ser usada para mudar o modode funcionamento dos estágios des-te circuito.

Funcionamento: conforme vimos

nesta lição, se usarmos as saídas Qdos flip-flops de um contador, a con-tagem será crescente, mas se usar-mos as saídas /Q, a contagem será

Fig. 7 -

Diagrama de

tempos para o

contador de

módulo 5.

Fig. 8 - Na saída da porta AND temos um

pulso de curta duração que resseta o

contador.

Fig. 9 - Para CLR (ativado

no nível baixo) usamos

uma porta NAND.

seria a contagem do quinto pulso nocircuito da figura 6, um pulso de resetde curta duração é produzido. Estacurta duração é dada justamente pelotempo que os flip-flops demoram paramudar de estado ressetando, poiseles “realimentam” as entradas da

porta AND.Nos exemplos dados fizemos a

programação da contagem usando asentradas de CLEAR de cada flip-flop .

Uma outra maneira de projetarmosum contador consiste em usarmos asentradas PRESET em lugar deCLEAR .

Para isso fazemos com que, nomomento em que for atingida a con-tagem do valor imediatamente ante-rior àquele em que deve ocorrer a

volta a zero, ou seja, n-1, em lugar determos a comutação dos flip-flops ,tenhamos a ativação das entradas dePRESET . Desta forma, no pulso se-guinte de clock (n) teremos a volta azero (reset) do contador.

Para um contador de 6 estados,que depois do quinto pulso resseta,teremos a seguinte tabela verdade.

Pulsos QC QB QA0 0 0 01 0 0 1

2 0 1 03 0 1 14 1 0 05 1 0 1o PRESET é ativadox x x x

volta a zero na transição do clock

6 0 0 07 0 0 18 0 1 0

Um circuito usando uma portaNAND é mostrado na figura 9.

Veja que a detecção da condiçãode produção do pulso de PRESETdeve ser reconhecida com os níveis101 nas saídas dos estágios dos con-tadores e com o pulso indo ao nívelalto na entrada de contagem.

Para obtermos a configuração1111 que nos permitiria usar umaporta AND de quatro entradas, bastalevar em conta a saída /QB em lugarde QB.

Assim, basta usar a porta AND e

ligá-la nas entradas de PRESET (PR)dos flip-flops .

Se as entradas forem ativadas nonível baixo (/PR), basta trocar a portaAND por uma porta NAND de quatroentradas.

9.3 - CONTADORESUP/DOWN

(PROGRESSIVOS EREGRESSIVOS)

Usando alguns artifícios, como por

exemplo, portas apropriadas, é pos-sível programar um contador de modoque ele tanto conte progressivamen-te como regressivamente.

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decrescente. Assim, o que faze-mos é colocar um circuito seletor nes-sas saídas, de tal modo que ele colo-que a saída Q de cada flip-flop naentrada de clock do seguinte, quan-do a contagem deve ser progressiva,e coloque a saída /Q na entrada doseguinte, quando na contagemdescrescente. Três portas NAND paracada estágio podem fazer isso a par-tir do sinal de comando UP/DOWN .

9.4 - CONTADORES SÍNCRONOS

Sincronizar a contagem por umclock único aplicado a todos os está-gios não é apenas uma necessidadedos circuitos mais complexos, princi-palmente, os usados em Informáticae Instrumentação.

O sincronismo de todos os estági-os pelo mesmo clock tem ainda van-tagens operacionais importantes.Conforme vimos, nos contadores

assíncronos, os tempos de comuta-ção dos flip-flops influem no funcio-namento final do circuito, pois eles sãocumulativos.

Em outras palavras, cada estágioprecisa esperar o anterior completara operação antes de iniciar a sua.

Usando lógica sincronizada, ouseja, um contador em que todos osestágios são sincronizados por umclock único, este problema não existee podemos ter contadores muito maisrápidos, na verdade, contadores cujavelocidade independe do número de

etapas.Para mostrar como isso pode serfeito, vamos tomar como exemplo ocircuito da figura 11.

Este circuito utiliza flip-flops tipo J-K ligados de uma forma denominadaPARALLEL CARRY .

Nesta forma de ligação, J e K doprimeiro flip-flop são mantidas no ní-vel alto por meio de um resistor liga-do ao positivo da alimentação (Vcc).

Assim, o primeiro flip-flop muda deestado a cada pulso de clock . No en-tanto, J do segundo flip-flop está liga-do à saída Q do primeiro. Isso signifi-ca que o segundo flip-flop só mudaráde estado quando o primeiro flip-flop

for ressetado, ou seja, a cada doispulsos de clock .

Da mesma forma, com o uso deuma porta AND, o terceiro flip-flop sóvai mudar de estado quando as saí-das Q do primeiro e segundo flip-flop

forem ao nível 1, ou seja, a cada 4pulsos de clock .

Para 4 bits, utilizando 4 estágios,podemos usar o circuito mostrado nafigura 12.

Um problema que ocorre com estetipo de configuração é que a partir de3 estágios, a cada estágio que acres-centamos no contador devemos adi-cionar uma porta AND cujo númerode entradas vai aumentando.

Assim, para 4 estágios, a portadeve ter três entradas, para 5 estági-os, 4 entradas e assim por diante.

Uma maneira de não termos este

problema consiste em usar uma con-figuração diferente de contador apre-sentada na figura 13 e denominadaRIPPLE CARRY .

Neste circuito as portas usadassempre precisam ter apenas duasentradas, o que é importante para aimplementação prática do contador.

No entanto, como desvantagemdeste circuito, temos uma limitação davelocidade de operação, pois como osinal para os estágios vem da portaanterior, temos de considerar seuatraso.

Fig. 10 - Contador UP/DOWN divisor por 8.

Fig. 11 - Contador síncronodo tipo Parallel Carry

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9.5 - CONTADORESSÍNCRONOS PROGRAMÁVEIS

Da mesma forma que no caso doscontadores assíncronos, também énecessário, em determinadas aplica-ções, fazer a contagem até valores

que não sejam potências de 2.A divisão ou contagem por outros

valores pode ser feita com a ajuda deportas ligadas de modo a “sentir”quando um determinado valor é al-cançado, ressetando então todos osflip-flops .

9.6 - CONTADORES TTL

Utilizando portas lógicas e flip-

flops podemos implementar contado-res que contenham ou façam a divi-são de um sinal de entrada por qual-quer valor. No entanto, na prática,podemos contar com muitos circuitosintegrados em tecnologia TTL que jácontenham estes circuitos completosnum único chip e até com recursosque permitam alterar seu funciona-mento de modo a ser obtida a conta-gem até um determinado valor.

A seguir veremos alguns dos prin-cipais circuitos integrados contadores

em tecnologia TTL.

a) 7490 - Contador de DécadaEste é um dos mais populares dos

contadores TTL e contém em seu in-terior quatro flip-flops já interligadosde modo a funcionar como divisorespor 2 e por 5. Isso significa que essesdivisores podem ser usados para re-sultar num contador até 2 e num con-tador até 5, e em conjunto, num con-tador até 10.

Na figura 14 temos a disposiçãodos terminais deste circuito integra-do.

Este circuito pode ser usado detrês formas diferentes, sempre com asentradas R0(1), R0(2), R9(1) e R9(2)aterradas:

Quando ligamos a entrada B àsaída QA e aplicamos o sinal de clock

à entrada A, o circuito funciona comoum contador BCD, ou seja, conta até10, com as saídas em decimal codifi-cado em binário apresentadas nos

pinos QA, QB, QC e QD. Esta ligaçãoé mostrada na figura 15.

Fig. 12 - Contadorsíncrono de 4 estágios

do tipo Parallel Carry.

Fig. 13 - Contador

RIPPLE CARRY de 4

estágios.

A tabela verdade para os pulsosaplicados na entrada neste modo defuncionamento será:

Pulso QD QC QB QA0 0 0 0 01 0 0 0 1

2 0 0 1 03 0 0 1 14 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0 1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 1

Quando ligamos a saída QD àentrada A e aplicamos o sinal de clock

à entrada B, teremos o circuito funci-onando como um divisor de frequên-cia por 10 simétrico. Teremos na saí-da QA um sinal quadrado (ciclo ativode 50%) com 1/10 da frequência doclock .

Este modo de funcionamento temas ligações mostradas na figura 16.

Finalmente, quando quisermosusar o circuito como divisor por 2 oupor 5, independentes, não é precisoligação externa alguma.

O sinal aplicado em CLK1 tem afrequência dividida por 2 e o sinal

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aplicado no CLK2 tem afrequência dividida por 5. Na opera-ção normal as entradas R0(1) e R0(2)devem ser mantidas no nível baixo.

b) 7492 - Contador-Divisor por 12Este circuito integrado contém

quatro flip-flops ligados como umdivisor por 2 e um divisor por 6 quepodem ser usados de maneira inde-pendente.

A pinagem deste circuito integra-do TTL é mostrada na figura 17.

O disparo dos flip-flops ocorre natransição do sinal de clock do nívelalto para o nível baixo. Para ressetaro contador para 0000, basta aplicar onível lógico 1 nas entradas R0.

Existem três modos de operaçãopara este circuito integrado:

Como contador até 12, basta ligara saída QA à entrada B. O sinal declock é aplicado à entrada A.

A tabela verdade para este modode operação será:

Entrada QD QC QB QA0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 0

3 0 0 1 14 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0 1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 1

10 1 0 1 011 1 0 1 1

Na segunda forma de operação,ligamos a saída QD à entrada A. O

circuito funcionará como um divisor si-métrico de frequência. A frequênciado sinal de clock aplicado à entradaB será dividida por 12 e o sinal teráum ciclo ativo de 50%.

Na operação sem nenhuma liga-ção externa, o sinal aplicado à entra-da A terá sua frequência dividida por2 e o sinal aplicado na entrada B terásua frequência dividida por 6.

9.7 - CONTADORES E

DIVISORES CMOS

Temos ainda diversos circuitos in-tegrados em tecnologia CMOS con-tendo contadores e divisores.

A seguir veremos um dos mais im-portantes.

Na operação normal, contando até10, as entradas RST e EN devem sermantidas no nível baixo.

Levando-se a entrada RST ao ní-vel alto, o contador é ressetado. Se aentrada EN for levada ao nível alto, acontagem é paralisada.

Na figura 18 temos as formas deonda deste contador, mostrando deque forma em cada instante temossempre apenas uma saída no nívelalto.

Como em todos os circuitosCMOS, a frequência máxima de con-tagem depende da tensão de alimen-tação. Para 10 V, a frequência máxi-ma é da ordem de 5 MHz.

4018 - Contador/Divisor Por NEste circuito integrado, que será

melhor analisado na próxima lição,pode fazer a divisão ou contagem depulsos em valores até 10 programa-dos pelas ligações externas.

Sua pinagem é mostrada na figu-ra 19 e seu uso será visto posterior-mente.

QUESTIONÁRIO

1. Que tipo de contador tem cadaestágio controlado pelo anterior, como sinal de clock aplicado apenas aoprimeiro estágio?

a) Síncronob) Assíncronoc) Ripple Counter

d) Contador de década

Fig. 14 - 7490 - Contador de

década/divisor por 10. Fig. 15 - Contador BCD com o 7490.

Fig. 16 - Divisor por 10 simétrico.

Fig. 17 - 7492 -

Contador/divisor por 12.

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67SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

2. Qual é o valor máximo de con-tagem de um contador que use 4 flip- flops ?

a) 4b) 8c) 16d) 10

3. Para um contador de 4 estági-os, um do tipo síncrono e outroassíncrono, qual é o mais rápido?

a) O contador síncrono

b) O contador assíncronoc) Ambos têm a mesma velocida-de

d) Depende do modo como sãousados

4. Podemos fazer a contagem atévalores que não sejam potências de2 usando que tipos de circuitos?

a) Contadores comuns sozinhosb) Contadores comuns e funções

lógicas

c) Somente funções lógicas com-plexas

Fig. 18 - Forma de onda nas saídas do 4017.

Fig. 19 - 4018 - Divisor por n programável.

d) Não é possível fazer isso

5. Qual dos contadores/divisoresabaixo relacionados tem saídas dotipo 1-de- 10?

a) 7400 b) 7490c) 74190 d) 4017

Resp.:1-b, 2-c, 3-a, 4-b, 5-d

www.revistapcecia.com.br

www.editorasaber.com.br

ACESSE JÁ

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200268

LIÇÃO 10

APLICAÇÃO PARA OSCONTADORES DIGITAIS/DECODIFICADORES

Na lição anterior estudamos os

contadores e divisores de frequênciasque consistem em blocos digitais utili-zando flip-flops,elementos fundamen-tais para o projeto de circuitos. Namesma lição vimos o funcionamentodos contadores em detalhes, analisan-do os diversos tipos possíveis e algu-mas alterações que podem ser feitasno seu modo de ligação e na própriautilização, de grande importância paraos projetos práticos.

Nesta lição continuaremos a explo-rar o assunto, com a análise de alguns

circuitos práticos que podem ser ela-borados com base nos circuitos inte-grados TTL e CMOS que consistemem contadores e divisores defrequência.

Será muito importante o leitor pres-tar bastante atenção nestes blocospela sua utilidade no projeto de gran-de quantidade de circuitos digitais epara o entendimento de circuitos equi-valentes encontrados em computado-res e outras aplicações semelhantes.

10.1 - CONTADORES/DIVISORESPOR N

Dividir uma frequência por um va-lor qualquer (n) é um problema cujasolução pode ser muito importantepara a implementação de um projetodigital.

Conforme vimos na lição anterior,a divisão natural de circuitos que usamflip-flops é por valores que sejam depotências de 2, conforme a figura 1.

No entanto, usando recursos sim-

ples como portas, podemos alterareste comportamento e assim obtera divisão por qualquer número inteiroque seja menor que o valor n da divi-são final do módulo ou contador,figura 2.

Na prática, temos contadores edivisores na forma de circuitos inte-grados digitais que podem ser usa-dos na divisão por determinadosnúmeros fixados por elementos inter-nos do circuito e também podem serusados na divisão por qualquer outro

valor, quer seja por meio de progra-mação, quer seja pelo uso de elemen-

tos externos, ou ainda pelos dois re-

cursos. A programação consiste nainterligação de determinados pinos,enquanto que o uso de portas con-siste na ligação de funções lógicasdeterminadas entre pinos previamen-te fixados para esta finalidade.

Nesta lição veremos alguns circui-tos práticos que podem ser usados nadivisão de frequência, sendo, entre-tanto, interessante definir dois termosimportantes que usaremos muitasvezes na definição das característicasdestes circuitos.

a) Módulo - é o valor n ou valormáximo que um contador pode con-

Figura 2- Dividindo por módulo

diferente de potência de 2.

Figura 1- Cada etapa de um divisor

com flip-flops faz a divisão por 2.

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69SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

tar. Por exemplo, um contador demódulo 8 é um contador que podecontar até 8 ou dividir uma frequênciapor valores até 8.

Se o contador tiver um módulo fixo,ele só pode dividir por este valor. Noentanto, se o contador tiver um

módulo variável, poderá dividir ou con-tar valores de 2 até este valor n. Con-forme estudamos na lição anterior, ovalor máximo até onde um contadorpode ir é dado pelo número de flip-

flops usados, verifique a figura 3.

b) Peso - num contador com saí-das nos diversos flip-flops , a saída decada um tem um certo “peso” na de-terminação do valor binário obtido nacontagem.

Assim, para o circuito da figura 4,a saída QA tem peso 1, pois ela sópode variar entre 0 e 1. A saída QBpor outro lado, tem peso 2, pois re-presenta valores entre 0 e 2. A tercei-ra saída (QC) tem peso 4, podendosignificar valores 0 ou 4 da contagem,enquanto que QD tem peso 8, signifi-cando valores 0 ou 8, conforme este- ja no nível baixo ou alto.

Assim, conforme vimos pelas ta-belas verdade dos contadores, os ní-veis destas saídas dão o valor em bi-

nário da quantidade de pulsos de en-trada contados.c) Decodificação - alguns conta-

dores que estudamos, como o 4017,possuem saídas decodificadas, poiselas não correspondem a valores em

binário, mas sim representados deoutra forma.

No caso do 4017, a saída édecodificada para 1 de 10, no sentidode que apenas uma delas está no ní-vel alto para cada número da conta-gem.

d) Cascateável - A ligação em cas-cata ou um após outro é importantequando desejamos fazer a contagematé valores que um único circuito inte-grado não alcance.

Assim, dizemos que os contadoressão “cascateáveis” quando podem serligados da forma indicada, mostradana figura 5.

Quando ligamos contadores emcascata, o módulo final obtido passaa ser o produto dos módulos dos con-tadores associados. Por exemplo, li-gando um contador/divisor de módulo10 em cascata com um de módulo 6,obtemos um contador/divisor demódulo 60, figura 6.

Esta é uma configuração muito

usada em relógios digitais que

produzem um pulso por segundo(1 Hz), dividindo a frequência da rede(60 Hz) por 60.

10.2 - CIRCUITOS PRÁTICOS

Daremos a seguir uma série decircuitos práticos de divisores usan-do circuitos integrados TTL e CMOS,que podem ser usados em projetosem que se deseja fazer a divisão ou

contagem em diversos módulos apartir de 2.

a) Divisor por 2Os dois circuitos mostrados na fi-

gura 7, com base nos circuitos inte-grados TTL 74107 e 7474, que con-tém flip-flops J-K e tipo D, fazem a di-visão da frequência de entrada por 2.

Observe que o primeiro circuitodispara na transição negativa do si-nal de clock, enquanto o segundo dis-para na transição positiva do sinal declock .

Figura 3- O módulo de um contador

depende do número de estágios usados.

Figura 4- Pesos das saídas de um

contador. em alguns casos temos Q1, Q2,

Q4 e Q8 em lugar de QA, QB, QC e QD.

Figura 5- Dois contadores "cascateados"

para obtenção de módulo maior. Por este

circuito o módulo é 16 x 16 = 256.

Figura 6- Um divisor de módulo 10 em

cascata com um módulo 6 resulta

num divisor de módulo 60.

Figura 7- Divisores/Contadores de módulo 2.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200270

b) Divisores por 3Divisores por 3 com base em flip-

flops TTL e portas são mostrados aseguir. O primeiro, mostrado na figu-ra 8, usa dois flip-flops do 74107 euma porta NAND 7400.

Este circuito foi estudado na lição

anterior, consistindo num contadordecodificado com saída 1-de-3.

O segundo é mostrado na figura 9e faz uso do mesmo circuito integra-do 74107 e duas portas NOR do 7402.

Este circuito se caracteriza por teruma saída simétrica, ou seja, com ci-clo ativo de 50%.

c) Divisores por 4Na figura 10 temos três circuitos

práticos que permitem fazer a divisãoou contagem até 4. Todos eles se ba-seiam em circuitos integrados TTLcomuns, que já estudamos na liçãoanterior.

d) Divisores por 5Usando circuitos integrados TTL e

CMOS, temos diversas possibilidadesde implementar divisores de fre-quência ou contadores de módulo 5.

Quatro destes circuitossão mostrados na figura 11.Observe que o circuito

7490 é usado de forma dire-ta, pois, como vimos, ele jápossui internamente umdivisor por 5. Este circuitotem algumas desvantagensque podem ser superadascom o uso de versões maismodernas como o 74290 e74293.

O circuito com o 4018 é

interessante, pois este com-ponente é um contador “pro-gramado”. Basta aplicar nasentradas de programação (L)o número na forma bináriapara o qual se deseja fazera divisão.

Por exemplo, para dividirpor 5 (0101), basta levar asentradas L

2e L

4ao nível bai-

xo e as entradas L1

e L3

aonível alto, pois este circuitoé um “down counter” .

Observe no caso do 8281, que énecessário o uso de um par deresistores na entrada para a sua po-larização.

e) Divisores por 6Na figura 12 damos quatro confi-

gurações com apenas um circuito in-tegrado cada uma, que podem serusadas para fazer a contagem demódulo 6.

Novamente encontramos o 4018,que apenas recebe a programação

apropriada nas entradas L, conformevimos no caso anterior e o 7490, queé bastante versátil neste tipo de apli-cação. As características obtidas emcada caso são especificadas junto aocircuito correspondente.

Observe também os tipos de si-nais usados para fazer o chaveamen-to de cada configuração, já que algu-mas disparam com a transição positi-va do sinal de clock , enquanto outrasdisparam com a transição negativa dosinal de clock .

Figura 8- Contador/divisor de

módulo 3 - com saída

decodificada.

Figura 9- Contador/

divisor de módulo 3.

Figura 10- Contadores/divisores de módulo 4.

i i

l

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f) Divisores por 7A divisão ou contagem em módulo

7 pode ser feita basicamente com osmesmos circuitos que usamos para ocaso do módulo 6. Estes circuitos sãomostrados na figura 13.

Veja que neste caso, em dois de-les, precisamos usar portas externaspara obter a divisão pelo módulo de-sejado.

Um tipo de funcionamento interes-sante é o usado no caso do 4018, queconta regressivamente. Neste circui-to ele conta a partir de 7 até 0 e quan-do chega ao zero, salta novamentepara 7, recomeçando a contagem.

Para o 74161, temos também umamodalidade de funcionamento bas-tante interessante: este circuito come-ça a contagem em 8 e vai até 15.

Quando ele chega a esta contagem,o circuito recomeça, mas do pulso 8,de modo que no fundo temos a divi-são por 7 como desejado.

Observe também o tipo de sinalde disparo de cada um dos tipos e asprincipais características indicadas junto a cada configuração.

g) Divisores por 8Na figura 14 temos quatro circui-

tos de contadores/divisores demódulo 8 usando circuitos integrados

TTL e CMOS.Em cada bloco temos o tipo de dis-

paro do circuito.Assim, temos três configurações

em que o disparo ocorre na transiçãonegativa do sinal de clock e um cir-cuito em que esse disparo ocorre natransição positiva.

Nas aplicações práticas, é muitoimportante observar qual é o tipo desinal que fará o disparo, principalmen-te, nas que operam com lógica sin-cronizada.

Para os circuitos integrados 8281e 7493, a contagem até 8 é normal,pois esses consistem em divisorescom este módulo. No entanto, para o8280 é preciso fazer uma programa-ção. Assim, ele conta de 0 até 8 equando chega em 8, volta novamen-te a zero.

h) Divisores por 9Os circuitos contadores/divisores

com módulo 9 são mostrados na fi-gura 15.

Figura11-

Contadores/ divisores de

módulo 5.

Figura 12 -

Contadores/

divisores de

módulo 6.

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A solução mais simples para ob-ter um divisor por 9 consiste em ligar

em cascata dois divisores por 3, comoos que já vimos nesta lição.

No entanto, também podemoscontar com alguns circuitos integra-dos que podem ser programados demodo relativamente simples para fa-zer isso, como os apresentados na fi-gura 15.

Observe que dois circuitos comu-tam na transição positiva do sinal edois circuitos comutam na transiçãonegativa.

Veja também que em duas das

configurações precisamos usar por-tas externas para obter o módulo de-sejado de contagem ou divisão.

Em todos os circuitos, o princípiode operação é o já visto na lição an-terior: detecta-se o estado de conta-gem 9 para fazer o zeramento da con-tagem.

i) Divisores por 10Na figura 16 temos 5 circuitos de

divisores/contadores de módulo 10usando integrados TTL e CMOS.

Em nenhum deles é preciso usarportas ou outros componentes exter-nos. Observe que devemos distinguiros simples divisores que fornecemuma saída com a frequência divididapor 10, dos contadores que possuemsaídas com pesos 1,2,4,8 e que po-dem ser usados em muitas aplicaçõesimportantes, conforme veremos naslições posteriores.

A contagem até 10 pode ser feitano sentido progressivo ou regressivoe isso é indicado em cada uma dasconfigurações.

j) Divisores por 11Divisores/contadores com módulo

11 podem ser elaborados com certafacilidade usando circuitos integradoscomuns. Na figura 17 temos quatro

exemplos de como isso pode ser fei-to, destacando-se o que faz uso do4018, que é o único que não precisade nenhum componente externo.Conforme vimos, o 4018 é contadorregressivo e basta programar sua en-trada para que ele faça a divisão pelomódulo desejado, o que simplifica

Figura 13-

Contadores/

divisores de

módulo 7.

Figura 14- Contadores/

divisores de módulo 8.

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Figura 15- Contadores/divisores de módulo 9.

Figura 16- Contadores/divisores

de módulo 10.

Figura 17- Contadores/divisores de módulo 11.

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que outras duas comutam na transi-ção positiva. Observe que apenasuma delas, a que faz uso do circuitointegrado 74161, necessita de um in-versor externo.

l) Divisor por 13

A divisão pelo módulo 13 pode serfeita com os dois circuitos mostradosna figura 19.

A mais simples é a que faz usodo contador regressivo 4018, que tema programação digital para este valornas entradas correspondentes. A uti-lização do 8281 tem por desvantagema necessidade de alguns componen-tes externos adicionais.

m) Divisor por 14A divisão por 14 pode ser feita

pelos circuitos integrados 8281 e74161 na configuração mostrada nafigura 20.

Veja que nos dois casos precisa-mos usar duas funções externas para

Figura 18- Contadores/

divisores de módulo 12.

Figura 19- Contadores/

divisores de módulo 13.

bastante os projetos que fazemseu uso.

Para os demais, temos como des-taque o que faz uso do 74161 e 8288que necessitam de portas externas.

k) Divisores por 12Quatro configurações de divisores

por 12 são mostradas na figura 18.Duas delas comutam na transição

negativa do sinal de clock , enquanto

Figura 20- Contadores/divisores

de módulo 14.

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obter o módulo desejado. Um dos cir-cuitos opera com a transição positivado sinal de clock , enquanto o outroopera com a transição negativa dosinal de clock .

n) Divisão por 15

A divisão/contagem até 15 podeser feita com os circuitos mostradosna figura 21.

Com o uso do 4018 temos a con-figuração mais simples, já que nãoprecisamos de nenhum componenteexterno, mas tão somente programaras entradas de programação para di-vidir pelo módulo desejado. Já com ouso do 74161 (TTL) precisamos usarum inversor externo.

Os dois circuitos operam com atransição positiva do sinal de clock .Em se necessitando de uma opera-ção com a transição negativa, bastaagregar um inversor na entrada.

o) Divisão por 16A divisão pelo módulo 16 é relati-

vamente simples, pois se trata de va-lor normal para 4 flip-flops ligados em

cascata. Assim, conforme observa-mos na figura 22, as configuraçõesde divisores/contadores com estemódulo são relativamente simples.

Os quatro divisores/contadorespossuem saídas com pesos 1-2-4-8

acessíveis, o que pode ser muito im-portante nas aplicações em que se

deseja a função de contador.Dois dos circuitos operam com a

transição positiva do sinal de clock ,enquanto que outros dois operam coma transição negativa do sinal de clock .

QUESTIONÁRIO

1. Um contador binário tem 4 está-gios. Seu módulo de contagem é:

a) 2b) 4c) 8d) 16

2. Ligando em cascata um divisorde frequência por 4 e um divisor por12 obtemos um circuito capaz de divi-dir a frequência por:

a) 8b) 16d) 48e) 24

3. Num contador temos saídas de

pesos 1-2-4-8. Aplicando um sinal de160 Hz na entrada deste contador,qual será a frequência do sinal obtidona saída de peso 4?

a) 20 Hzb) 40 Hzc) 80 Hzd) 160 Hz

Respostas:1-d, 2-d, 3-a, (digi-10)

Figura 21 -

Contadores/

divisores de

módulo 15.

Figura 22- Contado-

res/divisores de módulo

16.

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LIÇÃO 11

Na lição anterior estudamos al-guns divisores/contadores bináriosespeciais capazes de fazer a divisãopor qualquer módulo fixo ouprogramável. Vimos na ocasião quecada módulo permitia ter diversasconfigurações usando circuitos inte-grados comuns. Também estudamosdivisores programáveis capazes dedividir uma frequência ou fazer a con-tagem em qualquer módulo, circui-tos de grande utilidade em muitos pro-

jetos de Eletrônica Digital. Um ele-mento de grande importância nos pro-

jetos de equipamentos digitais é oregistrador de deslocamento ou shift-

register . Os shift -registers nada maissão do que o resultado da utilizaçãode flip-flops de uma forma especial,eles são o tema desta lição.

11.1 - O QUE É UM REGIS-TRADOR DE DESLOCAMENTO

Um registrador de deslocamentoou “shift-register” , como também é

chamado pelo termo em inglês, con-siste num conjunto de flip-flops quepodem ser interligados de diversasformas, como, por exemplo, as apre-sentadas na figura 1.

Estes circuitos podem deslocaruma informação (bit) aplicada na en-trada de uma posição a cada pulsode clock . Por exemplo, o bit 1 aplica-do na entrada aparece na saída doprimeiro flip-flop no primeiro pulso declock , depois desloca-se, aparecen-

do na saída do segundo flip-flop no

segundo pulso de clock e assim pordiante, até aparecer na saída do finalda sequência, figura 2.

Na configuração mostrada na figu-ra 1 (a), cada flip-flop tipo D tem suasaída conectada à entrada do flip-flop

seguinte e todos eles são controladospelo mesmo CLOCK .

Para entender como funciona este

circuito, vamos partir da situação ini-cial em que todos eles estejamdesativados ou com suas saídas Q nonível baixo.

Inicialmente vamos aplicar à en-trada de dados um nível alto (1). Con-forme podemos ver, esta entrada éfeita pela entrada J do primeiro flip-

flop (FF1).Com a chegada do pulso de clock

a este flip-flop , ele muda de estado ecom isso “armazena” o pulso aplica-

do à entrada, o qual aparece em sua

saída depois de um curto intervalo detempo.

Veja que este sinal é armazenadocom o flanco positivo do sinal de clock ,quando então o nível alto deve estarpresente na entrada do flip-flop . O in-

tervalo de tempo que decorre entre a

COMO FUNCIONAM OS REGISTRADORES

DE DESLOCAMENTO (SHIFT-REGISTERS)

Fig. 1 - Registradores de deslocamento com flip-flops D e J-K.

Fig. 2 - Deslocamento dos bits

pelos flip-flops do registrador.

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77SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

aplicação do sinal na entrada de da-dos e seu aparecimento na saída doflip-flop é da ordem de algunsnanossegundos nos integrados dasfamílias lógicas comuns, mas é impor-tante que em muitas aplicações maisrápidas ele seja levado em conta.

No próximo pulso de clock , ocorrealgo interessante: a entrada do primei-ro flip-flop já não tem mais o nível alto,e portanto FF1 não muda de estado.No entanto, na saída de FF

1, temos

nível alto, e esta saída está ligada àentrada do segundo flip-flop (FF2).Isso significa que, com a chegada dosegundo pulso de clock , o nível lógi-co da saída do primeiro se transferepara a saída do segundo, depois éclaro, de um pequeno intervalo detempo, veja a tabela I.

A sequência de bits aplicados àentrada (a) aparece na saída (b) de-pois de certo número de clock .

Isso significa que o bit 1 aplicadona entrada se “deslocará” mais umpouco no circuito, passando para asaída do segundo flip-flop .

É claro que, se nessa segundapassagem, tivermos aplicado um novonível 1 na entrada do circuito, ao mes-mo tempo que o primeiro se transferepara o segundo flip-flop , o segundo

se transfere para a saída do primeiroflip-flop , veja a figura 3.Chegando agora um terceiro pul-

so de clock, teremos nova transferên-cia e o nível alto ou bit 1 se transferepara a saída do flip-flop seguinte, ouseja FF

3. Em outras palavras, a cada

pulso de clock , os níveis existentesnas saídas dos flip-flops , sejam eles0 ou 1, se transferem para o flip-flop

seguinte.Assim, supondo que apliquemos,

em sequência, na entrada de um shift-

register como o indicado, os níveis0101, teremos a seguinte sequênciade condições de saída para os flip-

flops de um shift-register que use 4deles:

Clock Entrada FF1 FF2 FF3 FF4

início 0 0 0 0 00 1 0 0 0 01 0 1 0 0 02 1 0 1 0 03 0 1 0 1 04 0 0 1 0 1

Veja então que no quinto pulso declock , o primeiro pulso de clock , o pri-meiro nível lógico, aparece na saídado último flip-flop (FF

4) e se lermos a

saída dos flip-flops teremos registra-do os níveis aplicados na entrada:0101.

O leitor já deve ter percebido queaplicando um dado binário num shift-

register , depois do número apropria-do de pulsos de clock , ele pode ar-mazenar este dado.

Para retirar o dado em sequência,basta continuar aplicando pulsos declock ao circuito, conforme a seguin-te tabela:

Clock FF1

FF2

FF3

FF4

saídainício(4) 0 1 0 1 1

5 0 0 1 0 0

6 0 0 0 1 17 0 0 0 0 0

A figura 4 mostra o que ocorre empormenores:

Veja então que para armazenarum dado de 4 bits num registradordevemos aplicar 4 pulsos de clock epara ler em sequência, mais 4 pulsosde clock .

Para “apagar” os dados regis-trados num shif-register , como o indi-cado, basta aplicar um pulso na en-trada CLEAR . Todos os flip-flops

terão suas saídas levadas ao nívelbaixo ou 0.

11.2 - TIPOS DE REGISTRADO-RES DE DESLOCAMENTO

Dependendo da maneira como a

informação entra e como ela pode serobtida num registrador de desloca-mento, podemos ter diversas configu-rações que nos levam a muitos tiposde circuitos. Assim, existem circuitosem que temos uma entrada serial ouduas, e também podemos ter uma ouduas linhas de saída.

A seguir, veremos os principais ti-pos como suas denominações.

a) SISO - Serial-in/Serial-out

No exemplo, os dados foram apli-

cados à entrada do registrador na for-ma de níveis lógicos um atrás do ou-tro, acompanhando o sinal de clock .Dizemos que este registrador operacom a carga de dados “serial” ou em

clock entrada FF1 FF2 FF3 FF4 Saída0 1 0 0 0 0 01 1 1 0 0 0 02 0 1 1 0 0 03 0 0 1 1 0 0

4 1 0 0 1 1 05 0 1 0 0 1 16 0 0 1 0 0 17 0 0 0 1 0 08 0 0 0 0 1 09 0 0 0 0 0 1

A

B

Tabela I

Fig. 3 - Sequência de transferências dos bits conforme os pulsos de clock.

Fig. 4 - Nos registradores de deslocamentoa entrada e saída podem ser serial.

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série. Em outras palavras, este cir-cuito tem entrada serial ou serial-in .

Exatamente como ocorre com aporta serial de um computador, osdados são “enfileirados” e entram umapós outro e vão sendo armazenadosem flip-flops , conforme o circuito da

figura 5.

b) PISO - Parallel-in/Serial out

No entanto, existe uma segundapossibilidade de operação para osshift-registers, que é a de operar coma entrada de dados em paralelo e saircom estes mesmos dados em série.Dizemos que se trata de um shift-

register com entrada paralela e saídaserial.

Na figura 6 temos um diagramaque usa 4 flip-flops tipo D e que tem

entrada de dados paralela e saídaserial.

Analisemos como ele funciona:Os dados são colocados ao mes-

mo tempo na entrada, pois ela operaem paralelo. Por exemplo, se vamosarmazenar o dado 0110, esses dadossão aplicados ao mesmo tempo nasentradas correspondentes (S) dos flip-

flops .No primeiro pulso de clock , os flip-

flops “armazenam” esses dados. As-

sim, os flip-flops que possuem nível 1em sua entrada S passam esse nívelà saída (FF2, FF3). Por outro lado, osque possuem nível 0 na sua entrada,mantém este nível na saída (FF

1e

FF4).Isso significa que, após o pulso de

clock , as saídas dos flip-flops apre-sentarão os níveis 0110.

c) SIPO - Serial-In/Parallel-out Da mesma forma, como verifica-

mos na figura 7, podemos carregar osdados em série e fazer sua leitura emparalelo.

Os registradores que operam des-ta forma podem ser também denomi-nados conversores série-paralelo ouparalelo-série, conforme o modo defuncionamento.

d) PIPO - Parallel-in/Parallel-out

Estes são circuitos em que os da-

dos são carregados ao mesmo tem-po e depois lidos ao mesmo tempopelas saídas dos flip-flops , veja a fi-gura 8. Os registradores de desloca-mento podem ainda ser classificadosquanto à direção em que os dadospodem ser deslocados.

Dizemos que se trata do tipo Shift-

Right, quando os dados são desloca-dos para a direita e que se trata deum tipo Shift-Left , quando os dadossão deslocados somente para a es-

querda.

Existem ainda os tipos bidirecio-nais como o mostrado na figura 9, emque os dados podem ser deslocadosnas duas direções. Este é um regis-trador do tipo SISO.

Veja que o sentido de deslocamen-to é determinado por uma entrada queatua sobre portas que modificam oponto de aplicação dos sinais emcada flip-flop, exatamente como es-tudamos nos contadores up e down

das lições anteriores.Com a aplicação de um nível lógi-

co conveniente na entrada LEFT/ RIGHT, podemos determinar o senti-do de deslocamento dos dados nocircuito.

11.3 - OPERANDOCOM BINÁRIOS

Conforme o leitor já percebeu, osregistradores de deslocamento po-dem memorizar números binários,

recebendo-os em série ou paralelo e

Fig. 5 - Registrador tipo SISO (Serial-IN/Serial-OUT).

Fig. 6 - Um Shift-register tipo PISO (Parallel-IN/Serial-OUT).

Fig. 7 - Shift-register tipo SIPO (Serial-IN/Parallel-OUT).

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79SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

entregando-os depois em série ouparalelo.

Nos computadores, esta configu-ração é bastante usada tanto na con-versão de dados de portas como naspróprias memórias e outros circuitosinternos.

É interessante observar que naconfiguração que tomamos comoexemplo, em que são usados 4 flip-

flops , os bits armazenados seguemuma determinada ordem.

Assim, quando representamos onúmero 5 (0101), cada um dos bitstem um valor relativo, que dependeda sua posição no dado, conforme jáestudamos em lições anteriores.

bit 0 1 0 1valor 8 4 2 1

no dado 8x0 4x1 2x0 1x1total 0 + 4 + 0 + 1 = 5

MSB LSB

MSB significa bit mais significati-vo, ou seja, de maior peso, enquantoque LSB significa bit menos significa-tivo ou de menor peso.

Estamos trabalhando com dadosde 4 bits, e não 8, como é comum noscomputadores, obtendo assim o

“byte”, para maior facilidade de enten-dimento.Ligando então 4 flip-flops de modo

a obter um shitf-register , como obser-vamos na figura 10, entrando com osdados de tal forma que o bit menossignificativo (LSB) seja o primeiro,

depois de 4 pulsos de clock, ele vaiaparecer, na saída do último flip-flop .

Da mesma forma, se o shift- register for carregado em paralelo, obit menos significativo (LSB) deveentrar no último, de modo que na lei-tura ele seja o primeiro a sair.

11.4 - SHIFT-REGISTERS OUREGISTRADORES DE

DESLOCAMENTO INTEGRADOS

Podemos encontrar registradoresde deslocamento nas famílias TTL ouCMOs. Vamos dar alguns exemplosde circuitos integrados comuns quepodem ser usados em projetos, ana-lisando suas principais características.

7495 - SHIFT-REGISTER DE 4 BITS

(Da esquerda para a direita - en-trada e saída em paralelo)

Este circuito integrado TTL podeoperar de duas formas: Shift ou Load .Na figura 11 temos sua pinagem.

Para operar no modo shift, bastacolocar a entrada Mode no nível bai-xo. Uma transição do nível alto para onível baixo na entrada de clock SRT

movimenta os dados de uma etapapara a direita.Uma transição do nível alto para o

baixo na entrada SLT movimenta odado no sentido inverso.

É interessante observar que estecircuito usa dois clocks , um para

Fig. 8 - Shift-register tipo PIPO (Parallel-IN/Parallel-OUT).

Fig. 9 - Shift-register bidirecional.

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movimentar os dados para a direi-ta e outro para a esquerda.

No modo Load , esta entrada deveir ao nível alto, e a informação carre-gada nas entradas LA, LB, LC e LDentram no circuito na transição do ní-vel alto para o baixo da entrada decomando na entrada shift-left (SLT).A frequência máxima de operação deum 7495 standard é de 36 MHz. Velo-cidades maiores de operação podem

ser conseguidas com os tipos LS.

74164 - SHIFT-REGISTER

DE 8 BITS(Entrada serial, saída paralela)

Na figura 12 temos a pinagem des-te shift register TTL.

Este circuito pode ser usado naconfiguração de serial-in/serial-out ouserial in/parallel-out ou seja, entradae saída de dados em série, ou entra-da de dados em série e saída em pa-ralelo.

Na operação normal, uma das sa-ídas seriais é mantida no nível alto eos dados são aplicados à segundaentrada serial. A entrada Clear émantida no nível alto e a cada pulsodo nível baixo para o alto do clock, osdados movem-se de um estágio nocircuito.

O conteúdo do shift pode serzerado levando-se a entrada clear por

um instante ao nível baixo.A frequência máxima de operaçãodeste circuito na série Standard é de36 MHz.

74165 - SHIFT -REGISTER

DE 8 BITS(Entrada Paralela, saída serial)

Este circuito integrado TTL contémum shift -register de 8 bits com entra-da paralela e saída de dados serial.A pinagem é mostrada na figura 13.

Para operação normal EN deve fi-car no nível baixo e LOAD no nívelalto. Nestas condições, os dados sãodeslocados um estágio na transiçãopositiva do sinal de clock .

Quando a entrada LOAD é levada

ao nível baixo, o conteúdo das entra-das de A até H é carregado no regis-trador.

Fazendo EN =0 e LOAD =1 os da-dos são deslocados uma etapa no cir-cuito a cada transição positiva do si-nal de clock . A última etapa do circui-to dispõe de um acesso para a saídacomplementar.

Damos a seguir alguns registrado-res de deslocamento da famíliaCMOS.

4014 - SHIFT -REGISTER

ESTÁTICO DE 8 BITS(Entrada paralela e

saída em série)

Este circuito integrado CMOS tem

a pinagem mostrada na figura 14.Um controle série/paralelo contro-

la a entrada e habilita as etapas indi-viduais de cada um dos 8 estágios.As saídas Q são disponíveis nos es-tágios 6, 7 e 8. Todas as saídas po-dem fornecer ou drenar a mesma in-tensidade de corrente.

Quando a entrada de controle pa-ralelo/série está no nível baixo, osdados são deslocados pelo circuito acada transição positiva do sinal de

Fig. 10 - A ordem de

entrada é a ordem de saída.

Fig. 11 - Shift-register de 4 bits (PIPO).

Fig. 12 - Shift-register de 8 bits (SIPO).

Fig. 13 - Shift-register de 8 bits (PISO).

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clock . Quando a entrada de controleestá no nível alto, os dados são apli-cados a cada etapa do shift -register

com a transição positiva do clock .A frequência máxima de operação

deste tipo de circuito depende da ten-são de alimentação. Para uma alimen-

tação de 10 V, esta frequência é daordem de 5 MHz, caindo para 2,5 MHzcom uma alimentação de 5 V.

4015 - DOIS SHIFT -REGISTERS

DE 4 BITS(Entrada serial, Saída paralela)

A pinagem deste circuito forneci-do em invólucro DIL de 16 pinos émostrada na figura 15.

Neste circuito integrado encontra-

mos dois shift -registers que podemser usados de modo independente.

Na operação normal RST deveser colocado no nível baixo. Levandoesta entrada ao nível alto, o circuitoresseta o shift-register corresponden-te, levando todas suas saídas ao ní-vel lógico 0.

Os dados são deslocados a cadatransição positiva do pulso de clock .

Para uma alimentação de 10 V, afrequência máxima de operação é de5 MHz, caindo para metade com ali-mentação de 5 V.

4021 - SHIFT -REGISTER

DE 8 BITS (Parallel in, Serial out)

Este circuito integrado, cujapinagem é mostrada na figura 16, ésemelhante ao 4014.

A diferença está no fato de que acarga (LOAD) pode ser feita de forma

assíncrona. Isso significa que estaentrada independe do sinal de clock .

QUESTIONÁRIO

1. Para obter um registrador dedeslocamento, o que devemos fazercom um circuito divisor/contador digi-tal?

a) Aterrar suas saídas comple-mentares

b) Inverter suas saídas normais

c) Ligar sua saída à entradad) Não utilizar o sinal de clock

2. Num shift -register do tipo SISOtemos que característica:

a) A entrada e a saída são seriais

b) A entrada e a saída são paralelas

c) A entrada é serial e a saída parale-la

d) A entrada é paralela e a saída serial

3. A conversão de sinais Serial/ Paralela pode ser feita por qual tipode shift-register ?

a) SISOb) SIPO

c) PISOd) PIPO

Fig. 14 - Shift-register de 8 bits (PISO).

Fig. 15 - Dois Shift-registers de 4 bits (PISO).

Fig. 16 - Shift-register de 8 bits (PISO).

4. Para obter um contador Johnsonque tipo de ligação fazemos num re-gistrador de deslocamento?

a) Aterramos suas saídas comple-mentares.

b) Ligamos a saída complemen-tar do último estágio à entrada do pri-meiro.

c) Ligamos o CLEAR à entrada doprimeiro estágio.

d) Ligamos o CLEAR à saída com-plementar do último estágio. n

(Digi-11/curdi2)

R e s p o s t a s

1 - c , 2 - a , 3 - b , 4 - b

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200282

LIÇÃO 12

DECODIFICADORES E DISPLAYS

Na lição anterior estudamos osregistradores de deslocamento oushift-registers , analisando seu princí-

pio de funcionamento e principaisaplicações. Vimos também aspinagens e características de algunscircuitos integrados de registradoresde deslocamento nas tecnologias TTLe CMOS. Nesta última lição de nossocurso, analisaremos dois blocos fun-damentais para o projeto de equipa-mentos digitais, pois eles são respon-sáveis pelo interfaceamento destescircuitos com o usuário e com outroscircuitos. Falaremos dos decodi-ficadores e dos displays .

12.1 - OS DECODIFICADORES

As informações que os circuitosdigitais produzem estão na forma bi-nária ou em outras formas que nemsempre podem ser visualizadas facil-mente pelo usuário, ou ainda que nãopodem ser utilizadas pelos circuitosseguintes do equipamento.

Isso implica na necessidade determos circuitos que trabalhem umainformação codificada de modo atransformá-la em outra que possa serusada por dispositivos ou circuitos.

Podemos ter, por exemplo, a ne-cessidade de apresentar um valornumérico na forma decimal a partir deum valor binário ou produzir um im-pulso em determinado endereçonuma memória a partir de uma infor-mação binária deste endereço.

Nas aplicações digitais encontra-mos diversos tipos de circuitos

decodificadores, estudaremos os prin-cipais nesta lição.

a) Decodificador de n para 2 ele-vado a n linhas

Temos nesta categoria circuitos

que decodificam um sinal binário den dígitos para uma saída de 2 eleva-do ao expoente n. Por exemplo, para2 dígitos ou linhas de entrada, temos2 x 2 linhas de saída. Para 3 linhas deentrada, temos 2 x 2 x 2 linhas desaída ou 8, e assim por diante, con-forme figura 1.

Para entendermos como funcionaeste tipo de circuito vamos pegar suaconfiguração mais simples com 2 li-nhas de entrada e 4 de saída, usan-do quatro portas NAND do 7400 e

dois inversores do 7404, que é mos-trado na figura 2.

Este circuito ativa apenas uma dassaídas a partir das quatro combina-ções possíveis do sinal de entrada,conforme verificamos na seguinte ta-bela verdade:

Entradas Saídas

A B S1 S2 S3 S40 0 0 1 1 10 1 1 0 1 11 0 1 1 0 11 1 1 1 1 0

Veja que a saída ativada vai aonível baixo quando o valor binário cor-respondente é aplicado à entrada.

Na prática não é preciso imple-mentar circuitos decodificadorescomo este a partir de portas lógicas,pois existem circuitos integrados que

já realizam estas funções. Daremosexemplos no final do artigo.

Aplicações possíveis para este cir-

cuito podem ser facilmente imagina-das pelos leitores.

Na figura 3 temos um circuito emque um contador binário é ligado aum destes decodificadores de modoa fazer o acionamento sequencial delâmpadas.

Basta ajustar a velocidade do

oscilador que funciona como clock para determinar a velocidade do cor-rimento das lâmpadas, que acendemquando cada saída correspondentefor ativada.

b) Demultiplexador ou DEMUXA configuração lógica estudada no

item anterior pode ser usada para rea-lizar uma função muito interessante

Fig. 1 - Um decodificador 1 para 4.

Fig. 2 - Decodificador 1 para4 ou 1 de 4 com portas TTL.

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e útil: o direcionamento de dados numcircuito.

O bloco mostrado na figura 4 ilus-tra o que dizemos.

O fluxo de informações (tanto

analógicas como digitais) aplicado auma entrada pode ser direcionadopara qualquer uma das saídas, con-forme o comando aplicado à linha deseleção de dados.

Por exemplo, se na linha de sele-ção de dados ou controle for aplicadoo valor 10, os dados de entrada se-rão encaminhados para a terceira li-nha de saída.

Na figura 5 mostramos um circui-to deste tipo implementado com por-tas TTL e que portanto, só funciona

com dados digitais.Neste DEMUX os dados aplicados

na entrada DADOS (DATA) são enca-minhados para uma das saídas (S1 aS3), conforme o “endereço” aplicadonas entradas A e B.

No entanto, os dados só podem“passar” no momento em que a en-trada de habilitação EN (de enable )for levada ao nível alto.

A tabela verdade para este circui-to é dada a seguir:

End. (AB) Dados EN S1 S2 S3 S4X X X 0 1 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1 10 1 0 1 1 1 1 11 0 0 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 10 0 1 1 0 1 1 10 1 1 1 1 0 1 11 0 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 0

X = não importaTambém é possível encontrar di-

versos circuitos integrados emtecnologia CMOS ou TTL que contêm

estas funções, alguns operando atécom sinais analógicos.

c) Multiplexadores ou MUXUm tipo de circuito que encontra

aplicações práticas importantes emEletrônica Digital é o que realiza a fun-ção inversa a que vimos no item an-terior.

Este circuito, conforme observa-mos na figura 6, seleciona os sinais

de uma única entrada e aplica o nívellógico nela existente a uma saída. Emoutras palavras, este circuito “lê” a in-formação digital presente numa saí-da programa e a transfere para asaída.

Este circuito recebe o nome de

multiplexador ou multiplexer (MUX).Na figura 7 temos um exemplo deaplicação implementado com funçõeslógicas comuns e que trabalha com 4entradas e uma saída.

Novamente o nível lógico existen-te numa das entradas é transferidopara a saída selecionada pelos níveislógicos aplicados em A e B, quando aentrada de habilitação (EN) é levadaao nível alto.

Podemos elaborar a seguinte ta-bela verdade para este circuito:

EN A B S0 X X 01 0 0 E11 0 1 E21 1 0 E31 1 1 E4

X = não importa

Este tipo de função também podeser encontrada com facilidade na for-ma de circuitos integrados TTL eCMOS, com número de entradas quepode variar bastante conforme a apli-cação desejada.

Fig. 3 - Acionando lâmpadas sequencialmente.

Fig. 4 - Um Demux em bloco.

Fig. 5 - Demux com portas TTL. Fig. 6 - Um mux de 4 entradas (4 para 1).

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200284

d) Decodificador BCD para 7segmentos

Um tipo de decodificador muitousado nos projetos que envolvem Ele-trônica Digital é o que faz a conver-são dos sinais BCD (Decimais Codifi-cados em Binário) para acionar ummostrador de 7 segmentos.

Podemos formar qualquer algaris-mo de 0 a 9 usando uma combinação

de 7 segmentos de um mostrador,observe a figura 8.

Assim, se quisermos fazer surgiro algarismo 5, bastará “acender” ossegmentos a, c, d, f, g, veja a figura 9.

Como os sinais codificados embinário não servem para alimentar di-retamente os mostradores, é precisocontar com um circuito que faça aconversão, verifique a figura 10.

Este tipo de circuito decodificadorconta com 4 entradas, por onde entraa informação BCD e 7 saídas quecorrespondem aos 7 segmentos deum mostrador que irá apresentar o

dígito correspondente.A combinação de níveis lógicosaplicada às entradas produzirá níveislógicos de saída que, aplicados aossegmentos de um mostrador, fazemaparecer o dígito correspondente.

É preciso levar em conta que nes-te tipo de circuito, os segmentos deum mostrador podem ser ativadosquando a saída vai ao nível alto ouquando a saída vai ao nível baixo. Issodependerá do tipo de display , o queserá estudado no item seguinte.

12.2 - DISPLAYS

Um display é um dispositivo quetem por finalidade apresentar umainformação numa forma que possa serlida por um operador.

Podemos ter displays simples queoperam na forma digital comosequências de LEDs, displays queapresentam números (numéricos), edisplays que apresentam tambémsímbolos gráficos (letras e sinais) de-nominados alfa-numéricos semelhan-tes aos mostrados na figura 11.

Alguns mais sofisticados podematé apresentar imagens de objetos ouformas, como os usados em equipa-mentos informatizados. O tipo maiscomum de display usado nos proje-tos básicos de Eletrônica Digital é onumérico de 7 segmentos, de que jáfalamos no item anterior.

A combinação do acionamento de

7 segmentos possibilita o apareci-mento dos algarismos de 0 a 9 e

Fig. 7 - Um mux com portas TTL.

Fig. 8 - Algarismos com 7

segmentos.

Fig. 9 - Acionando um display

para formar o algarismo 5.

Fig. 10 - Como usar um decodificador BCD para 7 segmentos.

Fig. 11 - Tipos de displays.

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85SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 2002

também de alguns símbolos gráficossemelhantes aos apresentados na fi-gura 12.

O tipo mais comum usado nos pro- jetos digitais é o mostrador de LEDs,onde cada segmento é um diodoemissor de luz, sua aparência e sím-

bolo interno são mostrados na figura13.

Os LEDs podem ser ligados demodo a ter o anodo conectado aomesmo ponto, caso em que dizemosque se trata de um display de anodocomum, ou podem ter os catodos in-terligados, caso em que dizemos quese trata de um display de catodo co-mum.

As correntes nos segmentos vari-am tipicamente entre 10 e 50 mA con-forme o tipo, o que nos leva a concluirque o consumo máximo ocorre quan-do o dígito 8 é projetado (todos ossegmentos acesos) e pode chegar a400 mA por dígito. Alguns fabricantespodem juntar mais de um dígito numúnico bloco, facilitando assim os pro-

jetos, pois, na maioria dos projetos osnúmeros apresentados são maioresque 9, ver figura 14.

Outro tipo de display também uti-lizado com certa frequência nos pro-

jetos é o de cristal líquido.

Este display não “acende” quan-do excitado. Eletrodos transparentesao serem excitados eletricamentepelo sinal do circuito fazem com queo líquido com que ele está em conta-

to torne-se opaco, deixando assim derefletir a luz. Desta forma, o fundobranco do material deixa de ser visto,aparecendo em seu lugar uma regiãopreta, veja a figura 15.

As regiões formam os segmentose conforme sua combinação temos o

aparecimento dos dígitos.No entanto, é mais difícil trabalhar

com estes mostradores, pois eles exi-gem circuitos de excitação especiaisque também são mais caros.

A principal vantagem do mostra-dor de cristal líquido (LCD) é seu con-sumo, que é centenas de vezes me-nor do que o de um mostrador deLEDs. Para as aplicações em que oaparelho deve ser alimentado atravésde pilhas ou ficar permanentemente

ligado, é muito vantajoso usar o mos-trador LCD.

12.3 DECODIFICADORES ECODIFICADORES TTL

E CMOS

Podemos contar comuma boa quantidade dedecodificadores, multi-plexadores e demultiple-xadores na forma de cir-cuitos integrados TTL ouCMOS. Será interessan-te para qualquer prati-cante de Eletrônica Digi-tal contar com um dessesmanuais.

No entanto, para faci-litar, decreveremos al-guns circuitos integradosque contêm estas fun-ções e são mais utiliza-dos nos projetos e apli-

cações práticas.

Fig. 12 - Símbolos gráficos em displays de 7 segmentos.

Fig. 13 - Um display de LEDs de catodo comum com ponto decimal.

Fig. 14 - Tipos de displays múltiplos.

Fig. 15 - Um display de cristal líquido.

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SABER ELETRÔNICA ESPECIAL Nº 8 - 200286

a) 7442 - Decodificador BCDpara decimal

Este circuito integrado tem apinagem mostrada na figura 16.

Conforme a combinação de níveislógicos das entradas (codificadas emBCD), apenas uma das saídas irá

para o nível lógico baixo. Todas asdemais permanecerão no nível alto.

Se os níveis lógicos aplicados àsentradas tiverem a combinação 1010até 1111 (que correspondem de 11 a15) nenhuma das saídas será ativa-da. Quando ativada, cada saída podedrenar uma corrente de 16 mA.

O circuito integrado TTL 7445 tema mesma função, com a diferença deque possui transistores na configura-ção de coletor aberto na saída, po-

dendo com isso trabalhar com ten-sões de até 30 V e drenar correntesde até 80 mA. A pinagem é a mesmado 7442.

b) 7447 - Decodificador BCDpara 7 Segmentos

Este é um circuito TTL que possuisaídas em coletor aberto capazes dedrenar correntes de até 40 mA, sen-do portanto indicado para excitardisplays de LEDs de anodo comum.

Na figura 17 temos a sua pinagem.

Algumas características importan-tes devem ser observadas neste cir-cuito.

Uma delas é o terminal Lamp Test

ou teste do display . Colocando estasaída no nível lógico baixo (em funci-onamento normal ela deve sermantida no nível alto) todas as saí-das vão ao nível baixo, fazendo comque todos os segmentos do display

acendam. Com isso é possível verifi-car se ele está em bom estado.

Outra saída importante é a RBI(Ripple Blank Input) que faz com que

os zeros à esquerda sejam apagadosquando são usados diversos conta-dores, figura 18.

Assim, em lugar de aparecer ovalor 008, numa contagem apareceapenas 8.

Observe que a saída RB0 (Ripple

Blank Output) serve para a ligação emsérie de diversos blocos contadoresde modo a ser obtido um conjuntocom vários dígitos.

c) 74150 - Seletor de dados1-de-16Este circuito integrado TTL consis-

te num multiplexador que possui 16linhas de entrada e uma saídaselecionadas pelas Linhas de Sele-ção. Na figura 19 temos a pinagemdeste circuito integrado.

Para operação normal, a entradade habilitação (EN) deve ser mantidano nível alto até o momento em que

Fig. 16 - BCD para decimal - decodificador.

Fig. 17 - Decodificador BCD para 7 segmentos.

Fig. 18 - Usando a funçãoRBI (Ripple Blank Input). Fig. 19 - Seletor de dados 1 de 16.

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os dados de uma determinada entra-da devam ser levados para a saída.Qual entrada será ativada depende do

código aplicado à linha de seleção. Ocircuito possui duas saídas. Numadelas aparece o sinal da entrada se-lecionada e na outra, o sinal comple-mentar.

Circuitos semelhantes da mesmafamília são o 74151 que consiste numseletor 1 de 8 e o 74153 que consistenum seletor 1 de 4.

d) 74154 - Distribuidor de Dados1-de-16

Este curcuito integrado contém um

DEMUX ou Demultiplexador 1 de 16em tecnologia TTL. Sua pinagem émostrada na figura 20.

A entrada da habilitação (EN) deveser mantida no nível alto até o mo-mento em que os dados da entradadevam ser transferidos para a saídaselecionada.

Os circuitos integrados 74157 sãodistribuidores semelhantes, mas1-de-2 e o 74155 1-de-4.

e) 4028 - Decodificador BCDpara Decimal

Este é um circuito integradoCMOS com 10 saídas, onde aquelaque vai ao nível alto depende da com-binação dos níveis de entrada. Asdemais saídas permanecerão no ní-vel baixo. A pinagem deste circuitointegrado é mostrada na figura 21.

As combinações de entrada entre1010 e 1111 que correspondem aosnúmeros de 11 a 15 não serão reco-nhecidas e todas as saídas perma-

necerão no nível baixo.

f) 4051 - Chave 1-de-8Este circuito integrado CMOS

pode chavear sinais analógicos ou

digitais e tem a pinagem mostrada nafigura 22.Para utilizar este circuito com si-

nais digitais, a tensão de alimentaçãopositiva pode ficar entre 5 e 12 V, en-quanto que o pino 7 é aterrado.

No entanto, para operar com sinaisanalógicos, o pino 7 deve serconectado a uma fonte de -5 V (fontenegativa) e o pino 8 aterrado.

Fig. 20 - Distribuidor de dados 1 para 16.

Nestas condições os sinais a se-rem chaveados podem variar entre -5e +5 V, enquanto os sinais de sele-ção podem ter nível baixo (0 V) ounível alto (5 V).

Tanto na operação com sinais di-gitais como analógicos, as chaves fe-

chadas representam uma resistênciade 120 Ω e não devem ser usadascargas com resistências inferiores a100 Ω. A corrente máxima chaveadapara os sinais não deve superar os25 mA.

Semelhantes a este circuito emcaracterísticas são os:

4052 - Duas chaves 1 de 44053 - Três chaves 1 de 24067 - Uma chave 1 de 16Este último circuito integrado pode

funcionar como multiplexador oudemultiplexador para sinaisanalógicos e digitais de modo similaraos anteriores.

g) 4026 - Contador de Décadacom Saída de 7 Segmentos

Este importante circuito integradoCMOS tem um contador divisor por10 e suas saídas são decodificadas.

Fig. 21 - Decodificador BCD para 1 de 10.

Fig. 22 - Chave analógica/digital 1 de 8.

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A pinagem deste circuito integra-do é mostrada na figura 23.

Na operação normal, as entradasRST (Reset) e CLEN devem sermantidas no nível baixo. Um nível altoaplicado em RST resseta o contador,levando o valor da saída a 0 e ao

mesmo tempo impede a contagem.Um nível alto aplicado em CLEN

(Habilitação do Clock ou Clock

Enable ) inibe a entrada dos sinais declock . O contador é gatilhado nas tran-sições positivas do sinal de clock .

No pino 5 é possível obter um si-nal quadrado de 1/10 da frequênciade clock e no pino 14 temos um sinal

que permanece no nível alto até omomento em que a contagem chegaa 0010, quando passa ao nível baixo.

A entrada DISEN serve para ha-bilitar o display, devendo permanecerno nível alto na operação normal.Quando esta linha vai ao nível baixo,

as saídas vão todas ao nível baixo.Este circuito é indicado para ope-rar com displays de catodo comum ea corrente de saída máxima é de 1,2mA para uma tensão de alimentaçãode 5 V, e 5 mA para 10 V.

A frequência máxima de operaçãoé de 5 MHz para 10 V de tensão dealimentação e 2,5 MHz para 5 V.

Fig. 23 - Contador de década com saídas 7 segmentos.QUESTIONÁRIO

1. Um circuito que joga o sinal deuma entrada em uma de 4 saídas édenominado:a) Multiplexador 1 de 4b) Demultiplexador 1 de 4

c) Decodificador 4 por 4d) Decodificador BCD para 1 de 4

2. Que tipo de decodificador temapenas uma de 10 saídas ativadas apartir de sinais BCD de entrada?a) Decodificador 1 de 10b) Demux 1 de 10c) Contador Johnsond) Decodificador BCD para 1 de 10

3. Em que tipo de display oscatodos de todos os LEDs dos seg-mentos são interligados e conectadosa um ponto comum?a) Anodo comumb) Cristal líquido ou LCDc) Catodo comumd) Duplo

Resposta: 1.b 2.d 3.c