Apostila_Saber Eletronica - Eletronica Digital

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Curso de eletrônica digital

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  • CURSO DE ELETRNICA DIGITAL

    1SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    10010100111010101001010010101101010101001110101001010111010101001100111101010011101001001010000111101010011101010010

    CURSO DECURSO DECURSO DECURSO DECURSO DE ELETRNICALETRNICALETRNICALETRNICALETRNICA DIGITALIGITALIGITALIGITALIGITAL

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

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

    fato tambm que vrios profissionais encon-tram muitas dificuldades na programao e desen-volvimento de projetos com esses componentes,simplesmente por terem esquecido alguns concei-tos fundamentais da eletrnica digital clssica.

    A inteno desse especial justamente essa,ou seja, cobrir possveis lacunas sobre essatecnologia de modo simples e objetivo. Procuramoscomplementar a teoria com circuitos prticos e

    teis, e dividimos o trabalho em doze captulos: Sistemas de numerao lgebra de Boole e portas lgicas Famlia TTL Famlia CMOS Funes lgicas Flip-Flops Funes lgicas integradas Multivibradores Contadores Decodificadores Registradores de deslocamento Displays

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

    Newton C. Braga

    INTRODUO

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 20022

    1.1- ANALGICO E DIGITAL

    Por que digital? Esta certamen-te a primeira pergunta que qualquerleitor que est chegando agora e temapenas alguma base terica sobreEletrnica faria ao encontrar o nossocurso.

    Por este motivo, comeamos jus-tamente por explicar as diferenasentre as duas eletrnicas, de modoque elas fiquem bem claras. Devemoslembrar que em muitos equipamen-tos, mesmo classificados comoanalgicos ou digitais, encontraremosos dois tipos de circuitos. o caso doscomputadores, que mesmo sendoclassificados como mquinas estrita-mente digitais podem ter em algunspontos de seus circuitos configura-es analgicas.

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

    Um exemplo disso dado peloscircuitos que operam com impulsos.S podemos ter nmeros 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 tambm est as-sociada a dgito (do latim digitu, dedo)que est associado representaode quantidades inteiras. No pode-mos usar os dedos para representarmeio pulso ou um quarto de pulso.

    Na Eletrnica Analgica trabalha-mos com quantidades ou sinais quepodem ter valores que variam de

    modo contnuo numa escala. Os va-lores dos sinais no precisam ser in-teiros. Por exemplo, um sinal de udio,que analgico, varia suavementeentre dois extremos, enquanto que umsinal digital s pode variar aos saltos,observe a figura 1.

    Conforme o leitor pode perceber,a diferena bsica entre os dois tiposde eletrnica est associada inicial-mente ao tipo de sinais com que elastrabalham e no que elas fazem comos sinais.

    De uma forma resumida podemosdizer que:

    A Eletrnica Digital trabalha comsinais que s podem assumir valoresdiscretos ou inteiros.

    A Eletrnica Analgica trabalhacom sinais que podem ter qualquervalor entre dois limites.

    1.2 - LGICA DIGITAL

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

    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 m-quinas no processam os sinais ba-seados em uma finalidade simplesdeterminada quando so fabricados.

    Os circuitos digitais dos computa-dores e outros equipamentos so ca-pazes de combinar os sinais toman-do decises segundo um comporta-mento lgico.

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

    LIO 1

    ELETRNICA ANALGICA E DIGITALSISTEMAS DE NUMERAO

    Figura 1 - Os sinais digitais variam aos saltos.

    COMPUTADORES: os com-putadores atuais so digitais emsua totalidade e praticamenteno usado outro tipo de confi-gurao. No entanto, nem sem-pre foi assim. Nas primeiras d-cadas deste sculo, quando oscircuitos eram ainda valvulados,os primeiros computadoreseram mquinas analgicas. Aimpreciso e algumas outras di-ficuldades tcnicas que estescomputadores apresentavam fi-zeram com que logo fossemsubstitudos pelos circuitos digi-tais hoje usados.

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    3SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    concluses ou tomar decises a par-tir de fatos conhecidos.

    Por exemplo, a deciso de acen-der uma lmpada quando est escu-ro uma deciso lgica, pois a pro-posio e a concluso so fatosrelacionados.

    Ao contrrio, a deciso de acen-der uma lmpada, porque est cho-vendo no uma deciso lgica, poisos fatos envolvidos no tm relao.

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

    Na eletrnica dos computadores,o que temos a aplicao da lgicadigital, ou seja, de circuitos que ope-ram tomando decises em funo decoisas que acontecem no seu prpriointerior. claro que os computadorese seus circuitos digitais no podementender coisas como est escuro ouest chovendo e tomar decises.

    Os circuitos lgicos digitais traba-lham com sinais eltricos.

    Assim, os circuitos lgicos digitaisnada mais fazem do que receber si-nais com determinadas caractersti-cas e em funo destes tomar deci-ses que nada mais so do que a pro-duo de um outro sinal eltrico.

    Mas, se os sinais eltricos so di-gitais, ou seja, representam quantida-des discretas e se a lgica baseadaem tomada de decises, o prximopasso no entendimento da EletrnicaDigital, partir para o modo comoas quantidades discretas so repre-sentadas e entendidas pelos circuitoseletrnicos.

    1.3 - SISTEMAS DE NUMERAO

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

    dedos. Assim, tomando os dedos dasmos podemos contar objetos comfacilidade at certo ponto.

    O ponto crtico ocorre quando te-mos quantidades maiores do que 10.O homem resolveu o problema pas-sando a indicar tambm a quantida-de de mos ou de vezes em que osdez dedos eram usados.

    Assim, quando dizemos que temos27 objetos, o 2 indica que temos duasmos 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 mos chei-as ou duas centenas, enquanto o 3indica que temos mais 3 mos cheiase finalmente o 7, mais 7 objetos, fi-gura 3. Em outras palavras, a posi-o dos algarismos na representaodos nmeros tem um peso e em nos-so sistema de numerao que deci-mal este peso 10, veja a figura 4.

    O que aconteceria se tivssemosum nmero diferente de dedos, porexemplo 2 em cada mo?

    Isso significaria, em primeiro lugar,que em nosso sistema de base 4 (eno base 10) s existiriam 4 algaris-mos para representar os nmeros: 0,1, 2 e 3, confira a figura 5.

    Para representar uma quantidademaior do que 4 teramos de usar maisde um algarismo.

    Assim, para indicar 7 objetos nabase 4, teramos uma mo cheia com4 e mais 3. Isso daria 13, figura 6.

    Veja ento 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 tm pesos quecorrespondem sua posio no

    Figura 2 - Elementos simples de lgica so a base de funcionamento dos circuitos digitais.

    Figura 3 - A posio do algarismod seu valor relativo.

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

    Figura 5 - Na base 4so usados 4algarismos.

    Figura 6 - Treze na base quatroequivale a sete na base 10.

    nmero e que estes pesos so po-tncias da base. Por exemplo, para abase 10, cada algarismo a partir dadireita tem um peso, que uma po-tncia de 10 em ordem crescente, oque nos leva unidade (dez elevadoa zero), dezena (dez elevado aoexpoente um), centena (dez eleva-do ao quadrado), ao milhar (dez ele-vado ao cubo) e assim por diante,conforme a figura 7.

    Em Eletrnica Digital costumamosdizer que o dgito mais direita, porrepresentar a menor potncia ou termenor peso, o dgito ou bit* menossignificativo ou LSB (Less SignificantBit) enquanto que o mais esquerda o mais significativo ou MSB (MostSignificant Bit). Para a base 4, con-forme observamos na figura 8, os d-gitos tm potncias de 4.

    *O bit que o dgito binrio (na base 2)ser estudado mais adiante.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 20024

    Figura 9 - Pesos na numerao binria.

    1.4 - NUMERAO BINRIA

    Os circuitos eletrnicos no pos-suem dedos.

    evidente tambm que no seriamuito fcil projetar circuitos capazesde reconhecer 10 nveis de uma ten-so ou de outra grandeza eltrica semo perigo de que qualquer pequenoproblema fizesse-os causar qualquerconfuso.

    Muito mais simples para os circui-tos eletrnicos trabalhar com um sis-tema de numerao que esteja maisde acordo com o seu princpio de fun-cionamento e isso realmente feito.

    Um circuito eletrnico pode ter ouno corrente, ter ou no tenso, podereceber ou no um pulso eltrico.

    Ora, os circuitos eletrnicos somais apropriados para operar com si-nais que tenham duas condies pos-sveis, ou seja, que representem doisdgitos ou algarismos.

    Tambm podemos dizer que asregras que regem o funcionamentodos circuitos que operam com ape-nas duas condies possveis somuito mais simples.

    Assim, o sistema adotado nos cir-cuitos eletrnicos digitais o sistemabinrio ou de base 2, onde so usa-dos apenas dois dgitos, correspon-dentes a duas condies possveis deum circuito: 0 e 1.

    Mas, como podemos representarqualquer quantidade usando apenasdois algarismos?

    A idia bsica a mesma usadana representao de quantidades nosistema decimal: atribuir pesos aos

    dgitos conforme sua posio no n-mero. Assim, vamos tomar comoexemplo o valor 1101 que em binriorepresenta o nmero 13 decimal e vercomo isso ocorre.

    O primeiro dgito da direita nos in-dica que temos uma vez o peso des-te dgito ou 1.

    O zero do segundo dgito da direi-ta para a esquerda indica que no te-mos nada com o peso 2.

    Agora o terceiro dgito da direitapara a esquerda e que tem peso 4 1, o que indica que temos uma vezquatro.

    Finalmente, o primeiro dgito daesquerda que 1 e est na posiode 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 ento, conforme indica a fi-gura 9, que na numerao binria, osdgitos vo tendo pesos da direitapara a esquerda que so potnciasde 2, ou seja, dois elevado ao expo-ente zero que um, dois elevado aoexpoente 1 que 2, dois ao quadra-do que 4 e assim por diante.

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

    Como no existe um limite para osvalores dos pesos, isso significa que posvel representar qualquer quan-tidade em binrio, por maior que seja,simplesmente usando o nmero apro-priado de dgitos.

    Para 4 dgitos podemos represen-tar nmeros at 15; para 8 dgitos po-demos ir at 255; para 16 dgitos at65 535 e assim por diante.

    O leitor deve lembrar-se dessesvalores limites para 4, 8 e 16 dgitosde um nmero binrio, pois eles tmuma grande im-por tncia naInformtica.

    A seguir da-mos a represen-tao binria dosnmeros deci-mais at 17 parauma melhor ilus-trao de comotudo funciona:

    Decimal Binrio Decimal Binrio 0 0 9 1001 1 1 10 1010 2 10 11 1011 3 11 12 1100 4 100 13 1101 5 101 14 1110 6 110 15 1111 7 111 16 10000 8 1000 17 10001

    Para o leitor que pretende enten-der de Eletrnica Digital aplicada aoscomputadores h momentos em que preciso saber converter uma indi-cao em binrio para o decimal cor-respondente.

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

    Vamos supor que num diagnsti-co a sequncia de acendimento dosLEDs seja 1010110. preciso saberpor onde comear a leitura ou seja,se o de menor peso o da direita ouda esquerda.

    Nas indicaes dadas por instru-mentos ou mesmo na representaoda valores binrios, como por exem-plo na sada de um circuito, precisosaber qual dos dgitos tem maior pesoe qual tem menor peso.

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

    Figura 7 - Os pesos aumentamda direita para a esquerda.

    Figura 8 - Os pesos na base 4.Figura 10 - Na numerao binria os pesos

    dobram a cada digito deslocado para a esquerda.

    Dgitoou bit

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    5SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

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

    O que fazemos somar os valo-res dados pelos dgitos multiplicadospelo peso de sua posio. No casodo valor tomado como exemplo,1010110, temos:

    Dgito Peso Valor 1 x 64 = 64 0 x 32 = 0 1 x 16 = 16 0 x 8 = 0 1 x 4 = 4 1 x 2 = 2 0 x 1 = 0

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

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

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

    Na prtica tambm pode ocorrero problema inverso, transformao deum valor expresso em decimal (base10) para a base 2 ou binrio.

    Para esta transformao podemosfazer uso de algoritmo muito simplesque memorizado pelo leitor pode serde grande utilidade, dada suapraticidade.

    Para os que no sabem, algoritmonada mais do que uma sequnciade operaes que seguem uma de-terminada regra e permitem realizaruma operao mais complexa. Quan-do voc soma os nmeros um sobreo outro (da mesma coluna) e passapara cima os dgitos que excedem o10, fazendo o conhecido vai um,voc nada mais est fazendo do queusar um algoritmo.

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

    Assim, para a converso de umdecimal para binrio, como por exem-plo o 116, o que fazemos uma sriede divises sucessivas, figura 12.

    Vamos dividindo os nmeros por2 at o ponto em que chegamos a umvalor menor que 2 e que portanto, nopode mais ser dividido.

    O resultado desta ltima diviso,ou seja, seu quociente ento o pri-meiro dgito binrio do nmero con-vertido. Os demais dgitos so obti-dos lendo-se os restos da direita paraa esquerda da srie de divisesque realizamos. Tudo muito simples erpido.

    A prpria existncia de um 0, jnos sugere que se trata de um nme-ro menor que 1 e portanto, fracionrio.

    Ocorre que os dgitos deste nme-ro tm pesos que correspondem apotncias de 2 negativas, que nadamais so do que fraes, conforme aseguinte sequncia:

    Dgito Peso Valor 0, x 1 = 0 0 x 1/2 = 0 1 x 1/4 = 0,25 1 x 1/8 = 0,0625 0 x 1/16 = 0 1 x 1/32 = 0,03125

    Somando os valores relativos te-remos:

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

    O nmero decimal representado portanto 0,625.

    Veja que usando tantos dgitosquantos sejam necessrios podemosrepresentar com a preciso desejadaum nmero decimal.

    1.6 - FORMAS DIFERENTES DEUTILIZAR O SISTEMA BINRIO

    A utilizao de circuitos eletrni-cos com determinadas caractersticase a prpria necessidade de adaptar osistema binrio representao devalores que sejam convertidos rapi-damente para o decimal e mesmooutros sistemas, levou ao apareci-mento de algumas formas diferentesde utilizao dos binrios.

    Estas formas so encontradas emdiversos tipos de equipamentos digi-tais, incluindo os computadores.

    Sistema BCD (DecimalCodificado em Binrio)

    BCD a abreviao de BinaryCoded Decimal e se adapta melhoraos circuitos digitais.

    Permite transformar cada dgitodecimal de um nmero numarepresentao por quatro dgitos bi-nrios (bits) independentementedo valor total do nmero que ser re-presentado.

    Figura 11 -Extremos deum nmerobinrio.

    Figura 12 - Converso de um decimal embinrio por divises sucessivas.

    resultado: 1110100

    1.5 - BINRIOS MENORES QUE 1

    Para o leitor talvez seja difcil en-tender como usando quantidades ques podem ser inteiras, como dadopela definio de digital no incio destalio, seja possvel representar quan-tidades menores que um, ou seja,nmeros quebrados ou fracionrios.

    claro que isso possvel na pr-tica, pois se assim no fosse os com-putadores e as calculadoras no po-deriam realizar qualquer operaocom estes nmeros e sabemos queisso no verdade.

    O que se faz usar um artifcioque consiste em empregar potnciasnegativas de um nmero inteiro pararepresentar quantidades que no sointeiras.

    Assim possvel usar dgitos bi-nrios para representar quantidadesfracionrias sem problemas.

    Vamos dar um exemplo tomandoo nmero 0,01101 em binrio.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 20026

    Assim, partimos da seguinte tabela: Dgito decimal BCD 0 0000

    1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001

    Se quisermos representar emBCD o nmero 23,25 no o converte-mos da forma convencional por divi-ses sucessivas mas sim, tomamoscada dgito e o convertemos no BCDequivalente, conforme segue:

    2 3, 2 50010 0011 0010 0101

    Veja ento que para cada dgitodecimal sempre teremos quatro dgi-tos binrios ou bits e que os valores1010, 1011, 1100, 1101 e 1111 noexistem neste cdigo.

    Esta representao foi muito inte-ressante quando as calculadoras setornaram populares, pois era poss-vel us-las para todas as operaescom nmeros comuns e os 5 cdigosno utilizados dos valores que noexistiam foram adotados para indicaras operaes! (figura 13)

    O leitor tambm perceber queusando representaes desta forma,operavam os primeiros computado-res, apropriadamente chamados decomputadores de 4 bits.

    Outros Cdigos

    Outros cdigos binrios, mas noto importantes neste momento, soo Cdigo Biquinrio, em que cada d-gito tem um peso e so sempre usa-dos 7 bits para sua representao eo Cdigo Gray que aparece em diver-sas verses.

    O Cdigo Gray se caracteriza pelofato da passagem de qualquer nme-ro para o seguinte sempre ser feitacom a mudana de um nico dgito.

    Assim, por exemplo, quando pas-samos de 0111 (7 em decimal) para1000 (8 em decimal) os quatro dgi-

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

    Podemos ainda citar os Cdigosde Paridade de Bit e o Cdigo de Ex-cesso 3 (XS3) encontrados em apli-caes envolvendo circuitos digitais.

    1.7 - SISTEMA HEXADECIMAL

    Os bits dos computadores soagrupados em conjuntos de 4, assimtemos os computadores de 4, 8, 16 e32 bits. Tambm observamos que com4 bits podemos obter representaesbinrias de 16 nmeros e no somen-te de 10. Vimos que os 5 excedentespoderiam ser usados para represen-tar operaes nas calculadoras.

    Isso significa que a representaode valores no sistema hexadecimal oude base 16 mais compatvel com anumerao binria ou operao bin-ria dos computadores.

    E de fato isso feito: abrindo mui-tos programas de um computador,vemos que suas caractersticas comoposies de memria ou quantidadede memria so feitas neste sistema.

    Isso significa que o tcnico preci-sa conhecer este sistema e mais doque isso, deve saber como fazer con-verses dele para o decimal e vice-versa, alm de converses para o sis-tema binrio. Na tabela abaixo damosas representaes dos dgitos destesistema com equivalentes decimais ebinrios:

    Decimal Binrio Hexadecimal 0 0000 0 1 0001 1 2 0010 2 3 0011 3 4 0100 4 5 0101 5 6 0110 6 7 0111 7 8 1000 8 9 1001 9 10 1010 A 11 1011 B 12 1100 C 13 1101 D 14 1110 E 15 1111 FObserve que como no existem

    smbolos para os dgitos 10, 11, 12,13, 14 e 15, foram usadas as letrasA,B,C,D,E e F.

    Como fazer as converses: osmesmos procedimentos que vimospara o caso das converses de deci-mal para binrio e vice-versa so v-lidos para o caso dos hexadecimais,mudando-se apenas a base.

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

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

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

    Observe que o D corresponde ao13. O nmero decimal equivalente ao4D5 hexadecimal ou hex, como muitas vezes representado, 1237.

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

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

    Veja que basta ler o quociente fi-nal e depois os restos das divisessucessivas, 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.

    EXERCCIOSa) Converter 645 em BCDb) Converter 45 em binrio puroc) Converter 11001 (binrio) em decimald) Converter 1101 0011 1011 (BCD) emdecimale) Conver ter 1745 (decimal) emhexadecimal.f) Converter FFF (hex) em decimal.g) Converter F4D (hex) em decimal.

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    7SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    Na primeira lio do nosso cursoaprendemos o significado das pala-vras Digital e Lgica empregadas naEletrnica e nos computadores. Vimosque os computadores so denomina-dos digitais quando trabalham comsinais discretos, ou seja, sinais queno variam continuamente entre doisvalores, mas que assumem determi-nados valores inteiros. Tambm vimosque os computadores so mquinaslgicas, porque tomam decises apartir de certos fatos, segundo regrasmuito bem estabelecidas. Vimos queno caso dos circuitos digitais, comoos usados nos computadores, a base10 no a mais apropriada e queestes equipamentos usam principal-mente o sistema binrio ehexadecimal. Aprendemos aindacomo fazer as converses de base eler os nmeros binrios e hexade-cimais.

    Nesta lio veremos de que modoos circuitos digitais podem tomar de-cises lgicas. Todas essas decisesso baseadas em circuitos muito sim-ples e configuraes que operam nabase 2 e que portanto, so fceis deentender, porm muito importantespara os leitores que pretendam tra-balhar com computadores, ou pelomenos entender melhor seu princpiode funcionamento.

    2.1 - A lgebra de BooleEm meados do sculo passado

    George Boole, um matemtico ingls,desenvolveu uma teoria completa-mente diferente para a poca, base-ada em uma srie de postulados eoperaes simples para resolver umainfinidade de problemas.

    Apesar da algebra de Boole, comofoi chamada, poder resolver proble-mas prticos de controle e fabricaode produtos, na poca no havia Ele-trnica e nem as mquinas eram su-ficientemente avanadas para utilizarseus princpios.

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

    Boole estabelece em sua teoriaque s existem no universo duas con-dies possveis ou estados, paraqualquer coisa que se deseje anali-sar e estes dois estados so opostos.

    Assim, uma lmpada s pode es-tar acesa ou apagada, uma torneiras pode estar aberta ou fechada, umafonte s pode ter ou no ter tensona sua sada, uma pergunta s podeter como resposta verdadeiro ou fal-so. Dizemos de maneira simples quena lgebra de Boole as variveis lgi-cas s podem adquirir dois estados:

    0 ou 1 Verdadeiro ou Falso Aberto ou Fechado Alto ou Baixo (HI ou LO) Ligado ou Desligado

    Na Eletrnica Digital partimos jus-tamente do fato de que um circuito spode trabalhar com dois estados pos-sveis, ou seja, encontraremos pre-sena do sinal ou a ausncia do si-nal, o que se adapta perfeitamenteaos princpios da lgebra de Boole.

    Tudo que um circuito lgico digitalpode fazer est previsto pela lgebrade Boole. Desde as mais simples ope-

    raes ou decises, como acenderum LED quando dois sensores soativados de uma determinada manei-ra ou quando uma tecla pressiona-da, at girar no espao uma imagemtridimensional.

    2.2 - Os nveis lgicosPartimos ento do fato de que nos

    circuitos digitais s encontraremosduas condies possveis: presenaou ausncia de sinal, para definir al-guns pontos importantes para o nos-so entendimento.

    Nos circuitos digitais a presenade uma tenso ser indicada como 1ou HI (de HIGH ou Alto) enquanto quea ausncia de uma tenso serindicada por 0 ou LO (de LOW oubaixo).

    O 0 ou LO ser sempre uma ten-so nula, ou ausncia de sinal numponto do circuito, mas o nvel lgico 1ou HI pode variar de acordo com ocircuito considerado (figura 1). NosPCs de mesa, a tenso usada para aalimentao de todos os circuitos l-gicos, por exemplo, de 5 V. Assim, onvel 1 ou HI de seus circuitos ser

    LIO 2

    A LGEBRA DE BOOLE

    Figura 1 - Nos circuitos digitais sencontramos um valor fixo de tenso.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 20028

    sempre uma tenso de 5 V. Noslaptops usada uma tenso de ali-mentao menor, da ordem de 3,2 V,portanto, nestes circuitos um nvel 1ou HI sempre corresponder a umatenso desse valor.

    Existem ainda circuitos digitais queempregam componentes de tecnolo-gia CMOS e que so alimentados ti-picamente por tenses entre 3 e 15 V.Nestes casos, conforme vemos na fi-gura 2, um nvel lgico 1 ou HI pode-r ter qualquer tenso entre 3 e 15 V,dependendo apenas da tenso de ali-mentao usada.

    Verdadeiro Ligado Nvel alto ou HI

    3.1 - Operaes LgicasNo dia-a-dia estamos acostuma-

    dos a realizar diversos tipos de ope-raes lgicas, as mais comuns soas que envolvem nmeros, ou seja,quantidades que podem variar ou va-riveis.

    Assim, podemos representar umasoma como:

    Y = A + B

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

    Dizemos que temos neste casouma funo algbrica e que o valor Y a varivel dependente, pois seu va-lor depender justamente dos valoresde A e B, que so as variveis inde-pendentes.

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

    tamente implementadas levando emconta a utilizao da lgebrabooleana.

    interessante observar que comum pequeno nmero destas opera-es conseguimos chegar a uma infi-nidade de operaes mais complexas,como por exemplo, as utilizadas noscomputadores e que, repetidas emgrande quantidade ou levadas a umgrau de complexidade muito grande,nos fazem at acreditar que a mqui-na seja inteligente!

    Na verdade, a associao, dedeterminada forma das operaessimples 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 formado por

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

    Figura 3 - Podemos trabalhar com os nveis"invertidos" numa lgica negativa.

    Figura 4 - Circuitos que fazemoperaes simples podem ser

    associados para realizaroperaes complexas.

    Figura 5 - Poucos blocos bsicos, mas reunidos em grandequantidae podem realizar operaes muito complexas.

    Na verdade, a idia de associar apresena de tenso ao nvel 1 e aausncia ao nvel 0, mera questode conveno.

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

    Assim, quando dizemos que aonvel alto (1) associamos a presenade tenso e ao nvel baixo a ausn-cia de tenso (0), estamos falando doque se denomina lgica positiva.

    Se associarmos o nvel baixo ou0 a presena de tenso e o nvel altoou 1 a ausncia de tenso, estaremosfalando de uma lgica negativa, con-forme ilustra a figura 3.

    Para no causar nenhum tipo deconfuso, todo o nosso curso tratarexclusivamente da lgica positiva,o mesmo acontecendo com os dispo-sitivos eletrnicos tomados comoexemplos.

    Portanto, em nossa lgica, pos-svel associar os seguintes estados deum circuito aos valores 0 e 1:

    0 V Falso Desligado Nvel baixo ou LO

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

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    9SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    um grande nmero de pequenos blo-cos denominados portas ou funesem que temos entradas e sadas.

    O que ir aparecer na sada de-terminado pela funo e pelo queacontece nas entradas. Em outraspalavras, a resposta que cada circui-to lgico d para uma determinadaentrada ou entradas depende do queele ou de que regra booleana elesegue.

    Isso significa que para entendercomo o computador realiza as maiscomplexas operaes teremos de co-mear entendendo como ele faz asoperaes mais simples com as de-nominadas portas e quais so elas.

    Por este motivo, depois de definirestas operaes lgicas, associando-as lgebra de Boole, vamos estud-las uma a uma.

    2.4 - Funo Lgica NO ou In-versora

    Nos manuais tambm encontra-mos a indicao desta funo com apalavra inglesa correspondente, que NOT.

    O que esta funo faz negar umaafirmao, ou seja, como em lgebrabooleana s existem duas respostaspossveis para uma pergunta, estafuno inverte a resposta, ou seja,a resposta o inverso da pergunta.O circuito que realiza esta operao denominado inversor.

    Levando em conta que este circui-to diz sim, quando a entrada no,ou que apresenta nvel 0, quando aentrada 1 e vice-versa, podemosassociar a ele uma espcie de tabelaque ser de grande utilidade sempreque estudarmos qualquer tipo de cir-cuito lgico.

    Esta tabela mostra o que ocorrecom a sada da funo quando colo-camos na entrada todas as combina-es possveis de nveis lgicos.

    Dizemos que se trata de uma ta-bela verdade (nos manuais em Ingls

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

    Entrada Sada 0 1 1 0

    Os smbolos adotados para repre-sentar esta funo so mostrados nafigura 6.

    O adotado normalmente em nos-sas publicaes o mostrado em (a),mas existem muitos manuais tcnicose mesmo diagramas em que soadotados outros e os leitores devemconhec-los.

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

    Neste circuito temos uma lmpa-da que, acesa, indica o nvel 1 na sa-da e apagada, indica o nvel 0. Quan-do a chave est aberta indicando quea entrada nvel 0, a lmpada estacesa, indicando que a sada nivel1. Por outro lado, quando a chave fechada, o que representa uma en-trada 1, a lmpada apaga, indicandoque a sada zero.

    Esta maneira de simular funeslgicas com lmpadas indicando asada e chaves indicando a entrada, bastante interessante pela facilida-de com que o leitor pode entender seufuncionamento.

    Basta ento lembrar que:

    Entrada: chave aberta = 0 chave fechada = 1

    Sada: lmpada apagada = 0 lmpada acesa = 1

    2.5 - Funo Lgica EA funo lgica E tambm conhe-

    cida pelo seu nome em ingls ANDpode ser definida como aquela emque a sada ser 1 se, e somentese, todas as variveis de entrada fo-rem 1.

    Veja que neste caso, as funeslgicas E podem ter duas, trs, qua-tro ou quantas entradas quisermos e representada pelos smbolos mos-trados na figura 8.

    As funes lgicas tambm sochamadas de portas ou gates (doingls) j que correspondem a circui-tos que podem controlar ou deixarpassar os sinais sob determinadascondies.

    Tomando como exemplo uma por-ta ou funo E de duas entradas, es-crevemos a seguinte tabela verdade:

    Entradas Sada A B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 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 publicaestcnicas mais modernas dos Estados Unidos e Europa.

    Figura 7 - Circuito simples para simular afuno NO (NOT) ou inversor.

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

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    usando chaves e uma lmpada co-mum. preciso que S1 e S2 estejamfechadas, para que a sada (lmpa-da) seja ativada.

    Para uma porta E de trs entra-das tabela verdade ser a seguinte:

    Entradas Sada A B C S 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1

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

    Observamos que para uma portaE de 2 entradas temos 4 combinaespossveis para os sinais aplicados.Para uma porta E de 3 entradas te-mos 8 combinaes possveis para osinal de entrada.

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

    2.6 - Funo lgica OUA funo OU ou ainda OR (do in-

    gls) definida como aquela em quea sada estar em nvel alto se umaou mais entradas estiver em nvel alto.Esta funo representada pelossmbolos mostrados na figura 10.

    O smbolo adotado normalmenteem nossas publicaes o mostradoem (a).

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

    Entradas Sada A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

    Vemos que a sada estar no n-vel 1 se uma das entradas estiveremno nvel 1.

    Um circuito simples com chaves elmpada para simular esta funo dado na figura 11.

    Quando uma chave estiver fecha-da (entrada 1) a lmpada recebercorrente (sada 1), conforme desejar-mos. Para mais de duas variveis po-demos ter portas com mais de duasentradas. Para o caso de uma portaOU de trs entradas teremos a se-guinte tabela verdade:

    Entradas Sada A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1

    2.7 - Funo NO-EAs funes E, OU e NO (inver-

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

    Uma primeira funo importantederivada das anteriores a obtidapela associao da funo E com afuno NO, ou seja, a negao da

    funo E que denominada NO-Eou em ingls, NAND.

    Na figura 12 temos os smbolosadotados para representar esta fun-o.

    Observe a existncia de um pe-queno crculo na sada da porta paraindicar a negao.

    Podemos dizer que para a funoNAND a sada estar em nvel 0 se, esomente se, todas as entradas esti-verem em nvel 1.

    A tabela verdade para uma portaNO-E ou NAND de duas entradas a seguinte:

    Entradas Sada A B S0 0 10 1 11 0 11 1 0

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

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

    Figura 10 - Smbolos para as portas OU ou OR.

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

    Figura 12 - Smbolos para as portas NO-E ou NAND.

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    Veja que a lmpada s apagar(sada 0) quando as duas chaves es-tiverem fechadas (1), curto-circuitandoassim sua alimentao. O resistor usado para limitar a corrente dafonte.

    Tambm neste caso podemos tera funo NAND com mais de duasentradas. Para o caso de 3 entradasteremos a seguinte tabela verdade:

    Entradas Sada A B C S 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0

    2.8 - Funo NO-OUEsta a negao da funo OU,

    obtida da associao da funo OUcom a funo NO ou inversor. O ter-mo ingls usado para indicar esta fun-o NOR e seus smbolos so apre-sentados na figura 14.

    Sua ao definida da seguinteforma: a sada ser 1 se, e somentese, todas as variveis de entrada fo-rem 0.

    Uma tabela verdade para uma fun-o NOR de duas entradas mostra-da a seguir:

    Entradas SadaA B S0 0 10 1 01 0 01 1 0

    Um circuito simples usando cha-ves e lmpada para simular esta fun-o mostrado na figura 15.

    Observe que a lmpada s semantm acesa (nvel 1) se as duaschaves (S1 e S2) estiverem abertas(nvel 0).

    Da mesma forma que nas funesanteriores, podemos ter portas NORcom mais de duas entradas. Para ocaso de trs entradas teremos a se-guinte tabela verdade:

    Entradas Sada A B C S 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0

    2.9 - Funo OU-exclusivoUma funo de grande importn-

    cia para o funcionamento dos circui-tos lgicos digitais e especificamentepara os computadores a denomina-da OU-exclusivo ou usando o termoingls, exclusive-OR. Esta funotem a propriedade de realizar a somade valores binrios ou ainda encon-trar o que se denomina paridade (oque ser visto futuramente).

    Na figura 16 temos os smbolosadotados para esta funo.

    Podemos definir sua ao da se-guinte forma: a sada ser 1 se, e so-mente se, as variveis de entrada fo-rem diferentes. Isso significa que, parauma porta Exclusive-OR de duas en-

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

    Entradas Sada A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

    Esta funo derivada das de-mais, pois podemos mont-la usan-do portas conhecidas (figura 17).

    Assim, se bem que esta funotenha seu prprio smbolo e possa serconsiderada um bloco independen-te nos projetos, podemos sempreimplement-la com um circuitoequivalente como o ilustrado nessafigura.

    2.10 - Funo NO-OU exclusi-vo ou coincidncia

    Podemos considerar esta funocomo o inverso do OU-exclusivo. Suadenominao em ingls Exclusive

    Figura 13 - Circuito que simula uma portaNAND ou NO-E de duas entradas.

    Figura 14 - Smbolo usados para representar a funo NOR ou NO-E

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

    Figura 16 - Smbolo para a funo OU-exclusivo ou Exclusive-OR.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200212

    NOR e representada pelo smbolomostrado na figura 18.

    Observe o crculo que indica anegativa da funo anterior, se bemque essa terminologia so seja apro-priada neste caso.

    Esta funo pode ser definidacomo a que apresenta uma sadaigual a 1 se, e somente se as vari-veis de entrada forem iguais.

    Uma tabela verdade para esta fun-o a seguite:

    Entrada Sada A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1

    Podemos implementar esta funousando outras j conhecidas, confor-me a figura 19.

    2.11 - Propriedades das opera-es lgicas

    As portas realizam operaes comos valores binrios aplicados s suasentradas. Assim, podemos represen-tar estas operaes por umasimbologia apropriada, facilitando oprojeto dos circuitos e permitindovisualizar melhor o que ocorre quan-do associamos muitas funes.

    No entanto, para saber associar asdiversas portas e com isso realizaroperaes mais complexas, preci-

    so conhecer as propriedades que asoperaes apresentam.

    Exatamente como no caso dasoperaes com nmeros decimais, asoperaes lgicas com a lgebraBooleana se baseiam numa srie depostulados e teoremas algo simples.

    Os principais so dados a seguire prov-los fica por conta dos leitoresque desejarem ir alm. Para enten-der, entretanto, seu significadono preciso saber como provar suavalidade, mas sim memorizar seusignificado.

    Representaes

    As operaes E, OU e NO sorepresentadas por smbolos da se-guinte forma:

    a) Operao EA operao E representada por

    um ponto final(.). Assim, para uma

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

    A . B = S

    b) Operao OUEsta operao representada

    pelo sinal (+).A operao de uma porta OU de

    entradas A e B e sada S pode serrepresentada como:

    A + B = S

    c) Operao NOEsta operao indicada por uma

    barra da seguinte forma:A\ = S

    Partindo destas representaes,podemos enumerar as seguintes pro-priedades das operaes lgicas:

    1. Propriedade comutativa dasoperaes E e OU:

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

    2. Propriedade associativa dasoperaes E e OU:

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

    3. Teorema da Involuo: (A negao da negao a pr-

    pria afirmao)

    A\\ = A

    4. A operaco E distributiva emrelao operao OU:

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

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

    Figura 18 - Smbolos da funo No-OU-Exclusive ouExclusive NOR tambm chamada funo coincidncia.

    Figura 19 - Funo coincidncia (Exclusive NOR) implementada com outras portas.

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    13SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    5. Propriedades diversas:

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

    6. Teoremas de De Morgan:

    Aplicando a operao NO a umaoperao E, o resultado obtido igualao da operao OU aplicada aos com-plementos das variveis de entrada.

    ____ _ _

    A . B = A + B

    Aplicando a operao NO a umaoperao OU o resultado igual aoda operao E aplicada aos comple-mentos das variveis de entrada.

    ____ _ _

    A + B = A . B

    2.12 - Fazendo tudo com portasNAND

    As portas NO-E, pelas suas ca-ractersticas, podem ser usadas paraobter qualquer outra funo que es-tudamos. Esta propriedade torna es-sas portas blocos universais nos pro-jetos de circuitos digitais j que, naforma de circuitos integrados, as fun-es NAND so fceis de obter e ba-ratas.

    A seguir vamos mostrar de quemodo podemos obter as funes es-tudadas simplesmente usando portasNAND.

    InversorPara obter um inversor a partir de

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

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

    A funo OU (OR) pode ser obti-da com o circuito mostrado nafigura 22. O que se faz inverter a

    sada depois de aplic-la a uma por-ta NAND.

    2.13 - ConclusoOs princpios em que se baseiam

    os circuitos lgicos digitais podemparecer algo abstratos, pois usammuito de Matemtica e isso talvezdesestimule os leitores. No entanto,eles so apenas o comeo. O esforopara entend-los certamente ser re-compensado, pois estes princpiosesto presentes em tudo que um com-putador faz. Nas prximas lies,quando os princpios estudados co-mearem a tomar uma forma maisconcreta, aparecendo em circuitos eaplicaes prticas ser fcil entend-los melhor.

    Nas prximas lies, o que foi es-tudado at agora ficar mais claroquando encontrarmos sua aplicaoprtica.

    QUESTIONRIO

    1. Se associarmos presena deuma tenso o nvel lgico 1 e suaausncia o nvel 0, teremos que tipode lgica:

    a) Digital b) Positivac) Negativa d) Booleana

    2. Na entrada de uma funo lgi-ca NO aplicamos o nvel lgico 0. A

    sada certamente ser:a) 0 b) 1c) Pode ser 0 ou 1d) Estar indefinida

    3. O circuito que realiza a opera-o lgica NO denominado:

    a) Porta lgica b) Inversorc) Amplificador digitald) Amplificador analgico

    4. Se na entrada de uma portaNAND aplicarmos os nveis lgicos 0e 1, a sada ser:

    a) 0b) 1c) Pode ser 0 ou 1d) Estar indefinida

    5. Em qual das seguintes condi-es de entrada a sada de uma por-ta OR ser 0:

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

    6. Qual o nome da funo lgi-ca em que obtemos uma sada 1quando as entradas tiverem nveislgicos diferentes, ou seja, forem 0 e1 ou 1 e 0.

    a) NANDb) NORc) ANDd) Exclusive OR

    7. Qual a porta que pode serutilizada para implementar qualquerfuno lgica:

    a) Inversor (NO)b) ANDc) NANDd) OR

    Figura 20 - Obtendo um inversor ( Funo NO ou NOT) a partir de uma porta NAND.

    Figura 21 - POrta E obtidacom duas NO-E (NAND).

    Figura 22 - Porta OU obtidacom duas NO-E (NAND).

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

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200214

    LIO 3

    FAMLIAS DE CIRCUITOS LGICOS DIGITAIS

    Na lio anterior conhecemos osprincpios simples da lgebra deBoole que regem o funcionamentodos circuitos lgicos digitais encontra-dos nos computadores e em muitosoutros equipamentos. Vimos de quemodo umas poucas funes simplesfuncionam e sua importncia na ob-teno de funes mais complexas.Mesmo sendo um assunto um poucoabstrato, por envolver princpios ma-temticos, o leitor pode perceber que possvel simular o funcionamento dealgumas funes com circuitos eletr-nicos relativamente simples, usandochaves e lmpadas.

    Os circuitos eletrnicos modernos,entretanto, no usam chaves e lm-padas, mas sim, dispositivos muitorpidos que podem estabelecer osnveis lgicos nas entradas das fun-es com velocidades incrveis e issolhes permite realizar milhes de ope-raes muito complexas a cada se-gundo.

    Nesta edio veremos que tipo decircuitos so usados e como so en-contrados na prtica em blocos bsi-cos que unidos podem levar a elabo-rao de circuitos muito complicadoscomo os encontrados nos computa-dores.

    O leitor ir comear a tomar con-tato com componentes prticos dasfamlias usadas na montagem dosequipamentos digitais. So estes oscomponentes bsicos que podem serencontrados em circuitos digitais,computadores e muitos outros.

    3.1 - O transistor como chaveeletrnica

    Um transistor pode funcionarcomo um interruptor deixando passarou no uma corrente, conforme a apli-cao de uma tenso em sua entra-da.

    Assim, na simulao dos circuitosque estudamos e em que usamoschaves, possvel utilizar transistorescom uma srie de vantagens.

    No caso das chaves, o operadorera responsvel pela entrada do si-nal, pois, atuando com suas mossobre a chave, deveria estabelecer onvel lgico de entrada, mantendoesta chave aberta ou fechada confor-me desejasse 0 ou 1.

    Se usarmos um transistor teremosuma vantagem importante: o transis-tor poder operar com a tenso ounvel lgico produzido por uma outrafuno e no necessariamente poruma pessoa que acione uma chave.

    Assim, as funes lgicasimplementadas com transistores tma vantagem de poderem ser interliga-das umas nas outras, pois o sinal queaparece na sada 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 nvel 1 na base dotransistor ele conduz at o ponto desaturar, o que faz, com que a tensono seu coletor caia a 0. Por outro lado,na ausncia de tenso na sua base,que corresponde ao nvel 0 de entra-da, o transistor se mantm cortado ea tenso no seu coletor se mantmalta, o que corresponde ao nvel 1.

    Conforme observamos na figura2, outras funes podem ser conse-guidas com transistores.

    Isso significa que a elaborao deum circuito lgico digital capaz de rea-lizar operaes complexas usandotransistores algo que pode ser con-seguido com relativa facilidade.

    3.2 - Melhorando o desempenhoNo entanto, usar transistores em

    circuitos que correspondam a cadafuno de uma maneira no padroni-zada pode trazer algumas dificulda-des.

    Figura 1 - Um inversor (funo NOou NOT) usando um transistor.

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    15SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    Dessa forma, se bem que nos pri-meiros tempos da Eletrnica Digitalcada funo era montada com seustransistores, diodos e resistores nasua plaquinha para depois serem to-das interligadas, este procedimentose revelou inconveniente por diversosmotivos.

    O primeiro deles a complexida-de que o circuito adquiria se realizas-se muitas funes.

    O segundo, a necessidade depadronizar o modo de funcionamen-to de cada circuito ou funo. Seriamuito importante estabelecer que to-dos os circuitos operassem com amesma tenso de alimentao e for-necessem sinais que os demais pu-dessem reconhecer e reconhecessemos sinais gerados pelos outros.

    O desenvolvimento da tecnologiados circuitos integrados, possibilitan-do a colocao num nico invlucrode diversos componentes j interliga-dos, veio permitir um desenvolvimen-to muito rpido da Eletrnica Digital.

    Foi criada ento uma srie de cir-cuitos integrados que continhamnuma nica pastilha as funes lgi-cas digitais mais usadas e de tal ma-neira projetadas que todas eram com-patveis entre si, ou seja, operavamcom as mesmas tenses e reconhe-ciam os mesmos sinais.

    Estas sries de circuitos integra-dos formaram ento as Famlias L-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 disponveiscomponentes compatveis entre sicontendo estas funes e de tal for-ma que poderiam ser interligadas dasmaneiras desejadas.

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

    vantagem do menor custo e obtenode maior velocidade de operao econfiabilidade.

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

    As principais famlias lgicas 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 Famlia TTL e aCMOS so as mais usadas, sendoempregadas em uma grande quanti-dade de equipamentos digitais e tam-bm nos computadores e perifricos.

    3.3 - A famlia TTLA famlia TTL foi originalmente

    desenvolvida pela Texas Instruments,mas hoje, muitos fabricantes desemicondutores produzem seus com-ponentes.

    Esta famlia principalmentereconhecida pelo fato de ter duassries que comeam pelos nmeros54 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 nmero 74 famlia TTL.

    Na figura 4 mostramos uma por-ta tpica TTL. Trata-se de uma portaNAND de duas entradas que logo

    Figura 2 - Outras funesimplementadas comtransistores.

    Figura 3 - Blocoscompatveis contendofunes lgicas(circuitos integrados).

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200216

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

    A caracterstica mais importantedesta famlia est no fato de que ela alimentada por uma tenso de 5 V.

    Assim, para os componentes des-ta famlia, o nvel lgico 0 sempre aausncia de tenso ou 0 V, enquantoque o nvel lgico 1 sempre umatenso de +5 V.

    Para os nveis lgicos serem re-conhecidos devem estar dentro defaixas bem definidas.

    Conforme verificamos na figura 5,uma porta TTL reconhecer como n-vel 0 as tenses 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 existeuma regio indefinida que deve serevitada.

    H centenas de circuitos integra-dos TTL disponveis no mercado paraa realizao de projetos. A maioriadeles est em invlucros DIL de 14 e16 pinos, conforme exemplos da fi-gura 6.

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

    No entanto, medida que novastecnologias foram sendo desenvolvi-das permitindo a integrao de umagrande quantidade de componentes,surgiu a possibilidade de colocar numintegrado no apenas umas poucasportas e funes adicionais que se-ro estudadas futuramente como flip-flops, decodificadores e outros mas,tambm interlig-los de diversas for-mas e utiliz-los em aplicaes espe-cficas.

    Diversas etapas no aumento daintegrao foram obtidas e receberamnomes que hoje so comuns quando

    falamos de equipamentos digitais ecomputadores em geral. Temos asseguintes classificaes para os grausde integrao dos circuitos digitais:

    SSI - Small Scale Integration ouIntegrao em Pequena Escala quecorresponde a srie normal dos pri-meiros TTL que contm de 1 a 12portas lgicas num mesmo compo-nente ou circuito integrado.

    MSI - Medium Scale Integrationou Integrao de Mdia Escala emque temos num nico circuito integra-do de 13 a 99 portas ou funes lgi-cas.

    LSI - Large Scale Integration ouIntegrao em Grande Escala quecorresponde a circuitos integradoscontendo de 100 a 999 portas ou fun-es lgicas.

    VLSI - Very Large ScaleIntegration ou Integrao em Esca-la Muito Grande que correspondeaos circuitos integrados com mais de1000 portas ou funes lgicas.

    3.4 - Outras Caractersticas daFamlia TTL

    Para usar corretamente os circui-tos integrados TTL e mesmo sabercomo test-los, quando apresentamalgum problema de funcionamento, importante conhecer algumas de suascaractersticas adicionais.

    Analisemos as principais caracte-rsticas lembrando os nveis lgicosde entrada e sada admitidos:

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

    o lgica TTL est no nvel 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-citar a porta.

    Quando a entrada de uma portalgica TTL est no nvel alto, figura 8,flui uma corrente no sentido opostoda ordem de 40 A.

    Figura 4 - Umaporta NAND TTL.

    Figura 5 - Faixas de tenso reconhecidascomo 0 e 1 (nvel alto e baixo).

    Figura 6 - As funes mais simples TTLso encontradas nestes invlucros.

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

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    17SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

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

    - Correntes de sadaQuando a sada de um circuito TTL

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

    Isso significa que uma sada TTLno nvel 0 ou baixo pode drenar deuma carga uma corrente mxima de16 mA, ou seja, pode absorver umacorrente mxima desta ordem.

    Por outro lado, quando a sada deuma funo TTL est no nvel 1 oualto, ela pode fornecer uma correntemxima de 400 A, figura 10.

    Veja ento que podemos obteruma capacidade muito maior de exci-tao de sada de uma porta TTLquando ela levada ao nvel 0 do queao nvel 1.

    Isso justifica o fato de que emmuitas funes indicadoras, em queligamos um LED na sada, fazemoscom que ele seja aceso quando asada vai ao nvel 0 (e portanto, a cor-rente maior) e no ao nvel 1, con-forme a figura 11.

    - Fan In e Fan OutEstes so termos tcnicos que

    especificam caractersticas de extre-ma importncia quando usamos cir-cuitos integrados da famlia TTL.

    A sada de uma porta no precisaestar obrigatoriamente ligada a umaentrada de outra porta. A mesma sa-da pode ser usada para excitar diver-sas portas.

    Como a entrada de cada porta pre-cisa de uma certa corrente e a sadada porta que ir excitar tem uma ca-pacidade limitada de fornecimento oude drenar a corrente, 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 nveis 1 e 0 das entradas

    e sadas, definimos o FAN OUT comoo nmero mximo de entradas quepodemos ligar a uma sada TTL.

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

    Por outro lado, tambm pode ocor-rer que na entrada de uma funo l-gica TTL precisemos ligar mais deuma sada TTL.

    Considerando novamente que cir-culam correntes nestas ligaes e queos circuitos tm capacidades limita-das de conduo, precisamos saberat que quantidade de ligaes po-demos fazer.

    Desta forma o FAN-IN indica aquantidade mxima de sadas quepodemos ligar a uma entrada,figura 13.

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

    Figura 9 -Corrente de sadano nvel baixo (0).

    Figura 10 -Corrente de

    sada no nvelalto (1).

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

    Figura 12 - H um limite para a quantidadede entradas que uma sada pode excitar.

    Figura 13 - Tambm pode ser necessrio ligarmais de uma sada a uma entrada.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200218

    - VelocidadeOs circuitos eletrnicos possuem

    uma velocidade limitada de operaoque depende de diversos fatores.

    No caso especfico dos circuitosTTL, temos de considerar a prpriaconfigurao das portas que apresen-tam indutncias e capacitncias pa-rasitas que influem na sua velocida-de de operao.

    Assim, levando em conta a confi-gurao tpica de uma porta, confor-me observamos no circuito da figura14, veremos que se for estabelecidauma transio muito rpida da tensode entrada, a tenso no circuito nosubir com a mesma velocidade.

    Este sinal ter antes de carregaras capacitncias parasitas existentesde modo que a tenso de entradasuba gradualmente, demorando umcerto tempo que deve ser considera-do.

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

    O resultado disso que para oscircuitos integrados TTL existe um re-tardo entre o instante em que o sinalpassa do nvel 0 para o 1 na entradae o instante em que o sinal na sadaresponde a este sinal, passandodo nvel 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 nvel 1 para o 0 e oinstante em que o sinal de sada pas-sa do nvel 0 para o 1, no caso de uminversor.

    Mostramos esses dois tempos nafigura 15, eles so muito importan-tes nas especificaes dos circuitos

    TTL, principalmente quando trabalha-mos com o projeto de dispositivosmuito rpidos. Basicamente podemosadiantar para o leitor que se dois si-nais que devam chegar ao mesmotempo a um certo ponto do circuitono o fizerem, porque um se retardamais do que o outro ao passar por de-terminadas funes, isso pode gerarinterpretaes erradas do prprio cir-cuito que funcionar de modo anor-mal.

    Assim, a partir da famlia originaldenominada Standard surgiram di-versas subfamlias. Para diferenciaressas subfamlias, foram adicionadasao nmero que identifica o componen-te (depois do 54 ou 74 com que todoscomeam), uma ou duas letras.

    Temos ento a seguinte tabela desubfamlias e da famlia TTL standard:

    Indicao: 54/74Famlia/Subfamlia: StandardCaracterstica: nenhuma

    Indicao: 54L/74LFamlia/Subfamlia: Low PowerCaracterstica: Baixo consumo

    Indicao: 54H/74HFamlia/Subfamlia: High SpeedCaracterstica: Alta velocidadeIndicao: 54S/74SFamlia/Subfamlia: SchottkyCaracterstica: nenhuma

    Indicao: 54LS/74LSFamlia/Subfamlia: Low PowerSchottkyCaracterstica: nenhuma

    A verso standard apresenta com-ponentes com o custo mais baixo etambm dispe da maior quantidadede funes disponveis.

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

    Algumas caractersticas podemser comparadas, para que os leitoresverifiquem as diferenas existentes.

    - VelocidadeA velocidade de operao de uma

    funo TTL normalmente especi-ficada pelo tempo que o sinal demo-ra para propagar atravs do circuito.Em uma linguagem mais simples, tra-ta-se do tempo entre o instante emque aplicamos os nveis lgicos naentrada e o instante em que obtemosa resposta, conforme verificamos atra-vs da forma de onda que vimos nafigura 15.

    Para os circuitos da famlia TTL comum especificar estes tempos emnanossegundos ou bilionsimos desegundo.

    Figura 14 - Capacitncias parasitas queinfluem na velocidade de resposta dos

    circuitos.

    Figura 15 - Como so medidos os tempos de retardo nas funes TTL.

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

    3.5 - Subfamlias TTLOs primeiros circuitos TTL que fo-

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

    Isso fez com que, mantendo ascaractersticas originais de compati-bilidade entre os circuitos e manten-do as mesmas funes bsicas, fos-sem criadas sub-famlias que tives-sem uma caracterstica adicional di-ferenciada.

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    19SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    Assim, temos:

    Famlia/Subfamlia: TTL StandartTempo de programao (ns): 10

    Famlia/Subfamlia: Low PowerTempo de programao (ns): 33

    Famlia/Subfamlia: Low PowerSchottlkyTempo de programao (ns): 10

    Famlia/Subfamlia: High SpeedTempo de programao (ns): 6

    Famlia/Subfamlia: SchottklyTempo de programao (ns): 3

    - DissipaoOutro ponto importante no projeto

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

    Podemos ento comparar as dis-sipaes das diversas famlias, to-mando como base uma porta ou gate:

    Famlia/SubFamlia: StandardDissipao por Gate (mW): 10

    Famlia/SubFamlia: Low PowerDissipao por Gate (mW): 1

    Famlia/SubFamlia: Low PowerSchottkyDissipao por Gate (mW): 2

    Famlia/SubFamlia: High SpeedDissipao por Gate (mW): 22

    Famlia/Subfamlia: SchottkyDissipao por Gate (mW): 20

    O leitor j deve ter percebido umproblema importante: quando aumen-tamos a velocidade, o consumo tam-bm aumenta. O projetista deve por-tanto, ser cuidadoso em escolher asub- famlia que una as duas caracte-rsticas na medida certa de sua pre-ciso, incluindo o preo.

    3.6 - Compatibilidade entre assubfamlias

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

    Isso realmente ocorre, j que to-dos os circuitos integrados da famliaTTL e tambm das subfamlias soalimentados com 5 V.

    Devemos observar, e com muitocuidado, que as correntes que circu-lam nas entradas e sadas dos com-ponentes das diversas subfamliasso 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, no podemos falar deFan-in e Fan-out quando interligamoscircuitos de famlias diferentes.

    O que existe a possibilidade deelaborar uma tabela, a partir das ca-ractersticas dos componentes, emque a quantidade mxima de entra-das de determinada subfamlia pos-sa ser ligada na sada de outrasubfamlia.

    Esta tabela dada a seguir:

    Sada74L 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 sada 74 (Standard) pode exci-tar convenientemente 10 entradas74LS (Low Power Schottky).

    Na figura 16 mostramos como issopode ser feito.

    3.7 - Open Collector eTotem-PoleOs circuitos comuns TTL estuda-

    dos at agora e que tm a configura-o mostrada na figura 14 so deno-minados Totem Pole.

    Nestes circuitos temos uma confi-gurao em que um ou outro transis-tor conduz a corrente, conforme o n-vel estabelecido na sada 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 sadaindo ao nvel alto (1) ao mesmo tem-po que a outra vai ao nvel baixo(0),um curto-circuito estabelecido nasada e pode causar sua queima.

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

    Figura 16 - Uma sada standardpode excitar 10 entradas LS.

    Figura 17 - Conflitos de nveis emsadas interligadas.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200220

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

    Os circuitos integrados TTL quepossuem esta configurao so indi-cados como open collector e quan-do so usados, exigem a ligao deum resistor externo denominado pullup normalmente de 2000 ou prxi-mo disso.

    Como o nome em ingls diz, otransistor interno est com o coletoraberto (open collector) e para funci-onar precisa de um resistor de polari-zao.

    A vantagem desta configuraoest na possibilidade de interligarmosportas diferentes num mesmo ponto,figura 19.

    A desvantagem est na reduoda velocidade de operao do circui-to que se torna mais lento com a pre-sena do resistor, pois ele tem umacerta impedncia que afeta o desem-penho do circuito.

    3.8 - Tri-StateTri-state significa terceiro estado e

    uma configurao que tambmpode ser encontrada em alguns cir-cuitos integrados TTL, principalmen-te usados em Informtica. Na figura20 temos um circuito tpico de umaporta NAND tri-state que vai servircomo exemplo. Podem existir aplica-es em que duas portas tenhamsuas sadas ligadas num mesmo cir-cuito, figura 21.

    Uma porta est 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 est em es-pera ficar no nvel 0 ou no nvel 1,estes nveis sero interpretados pelaporta seguinte como informao eisso no deve ocorrer.

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

    desligado, circuito aberto ou terceiroestado. Isso conseguido atravs deuma entrada de controle denomina-da habilitao em ingls enableabreviada por EN.

    Assim, quando EN est no nvel0, no circuito da figura 20, o transis-tor no conduz e nada acontece nocircuito que funciona normalmente.

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

    Podemos ento concluir que a fun-o tri-state apresenta trs estadospossveis na sua sada:

    Nvel lgico 0Nvel lgico 1Alta ImpednciaAs funes tri-state so 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 transferncia des-ses dados. O circuito que est funcio-nando deve estar habilitado e os queno esto funcionando, para que suassadas no influenciem nos demais,devem ser levados sempre ao tercei-ro estado.

    Na figura 22 temos um exemplode aplicao em que so usados cir-cuitos tri-state. Uma unidade deprocessamento de um computadorenvia e recebe dados para/de diver-sos perifricos usando uma nica li-nha (bus). Todos os circuitos ligadosa estas linhas devem ter sadas do tipotri-state.

    Figura 18 - Porta NAND (no-E) comsada em coletor aberto (Open Collector).

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

    funes "open colletor".

    Figura 20 - Uma porta NAND TTL tri-state.

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    21SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    QUESTIONRIO

    1. Quais so as duas principaisfamlias de circuitos lgicos digitaisobtidas na forma de circuitos integra-dos?

    a) CMOS e TTLb) Schottky e LSc) AO e Solid Stated) FET e Bipolar

    2. Qual a tenso de alimentaodos circuitos integrados da famlia TTLStandard?

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

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

    a) SSI b) MSI c) LSI d) VLSI

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

    a) No nvel 1 b) No nvel 0 c) As capacidades so iguais nos

    dois nveis d) A capacidade depende da fun-

    o

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

    a) 74L b) 74H c) 74S d) 74LS

    6. Para que tipos de configuraode sada no podemos ligar duas por-tas juntas?

    a) Todas b) Totem pole c) Open Collector d) Nenhuma delas

    7. Que estado encontramos numasada de uma funo TTL Tri-statequando a entrada de habilitao noest ativada?

    a) Nvel 0 b) Nvel 1 c) Nvel 0 ou 1 d) Alta impedncia

    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 sadas tri-state.

    Respostas da lio no 21 - b)2 - b)3 - a)4 - a)5 - a)6 - d)7 - c)

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200222

    Na lio anterior mostramos aosleitores que os circuitos integradosdigitais so organizados em famliasde modo a manter uma compatibili-dade de caractersticas que permitasua interligao direta sem a neces-sidade de qualquer componente adi-cional. Vimos na ocasio que as fa-mlias contam com dezenas ou mes-mo centenas de funes que atuamcomo blocos ou tijolos a partir dosquais podemos construir qualquercircuito eletrnico digital, por maiscomplexo que seja. Na verdade, osprprios blocos tendem a ser cada vezmais completos, com a disponibilida-de de circuitos integrados que conte-nham milhares ou mesmo dezenas demilhares de funes j interligadas demodo a exercer uma tarefa que sejamuito utilizada. o caso dos circuitosintegrados VLSI de apoio encontradosnos computadores, em que milharesde funes lgicas j esto interliga-das para exercer dezenas ou cente-nas de funes comuns nestes equi-pamentos.

    Na lio anterior estudamos a fa-mlia TTL e suas subfamlias muitocomuns na maioria dos equipamen-tos eletrnicos, analisando as princi-pais funes disponveis e tambmsuas caractersticas eltricas.

    No entanto, existem outras famli-as e uma muito utilizada justamen-te a que vamos estudar nesta lio: afamlia CMOS. Se bem que as duasfamlias CMOS e TTL tenham carac-tersticas diferentes, no so incom-patveis. Na verdade, conforme vere-mos, elas podem ser interligadas emdeterminadas condies que o leitordeve conhecer e que tambm seroabordadas nesta lio. Como estas

    duas famlias correspondem pratica-mente a tudo que pode ser feito emmatria de circuitos digitais, o seuconhecimento dar as bases neces-srias ao trabalho com este tipo decomponente.

    OS CIRCUITOSINTEGRADOS CMOS

    CMOS significa ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor e se re-fere a um tipo de tecnologia que utili-za transistores de efeito de campo ouField Effect Transistor (FET) em lugardos transistores bipolares comuns(como nos circuitos TTL) na elabora-o 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-renas existentes entre as duas fam-lias com o desenvolvimento detecnologias de fabricao, aumentan-do ainda a sua velocidade e reduzin-do seu consumo. De uma forma ge-ral, podemos dizer que existem apli-

    LIO 4

    FAMLIAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

    caes em que mais vantajoso usarum tipo e aplicaes em que o outrotipo melhor.

    Os transistores de efeito de cam-po usados nos circuitos integradosCMOS ou MOSFETs tm a estruturabsica mostrada na figura 1 ondetambm aparece seu smbolo.

    Conforme podemos ver, o eletro-do de controle a comporta ou gate(g) onde se aplica o sinal que deveser amplificado ou usado parachavear o circuito. O transistor po-larizado de modo a haver uma ten-so 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 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 alumnio e a parte que forma osubstrato ou canal por onde passa acorrente, no existe contato eltricoe nem juno, mas sim uma finssimacamada de xido de alumnio ou xi-

    Figura 1 - Um transistor CMOSde canal N (NMOS).

    SubstratoP

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    23SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

    CURSO BSICO DE ELETRNICA DIGITAL

    do metlico, que d nome ao disposi-tivo (metal-oxide).

    A polaridade do material semi-condutor usado no canal, que a par-te do transistor por onde circula a cor-rente controlada, determina seu tipoe tambm a polaridade da tenso quea controla.

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

    Na verdade, os prprios transisto-res MOS podem ainda ser divididosem dois tipos: enriquecimento e em-pobrecimento que levam a dois tiposde representao. Para nosso curso mais importante lembrar que exis-tem transistores MOS tipo P e tipo N.Na figura 3 temos os smbolosadotados para representar os dois ti-pos de transistores.

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

    A corrente que circula entre a fon-te e o dreno pode ser controlada pelatenso aplicada 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, acorrente do dreno depende da tensode comporta.

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

    Mais uma vez fazendo uma com-parao com os tipos bipolares, po-demos dizer ento que enquanto ostransistores bipolares so tpicos am-plificadores de corrente, os FETs outransistores de efeito de campo MOSso tpicos amplificadores de tenso.

    Esta diferena leva o transistor deefeito de campo MOS a apresentarcaractersticas muito interessantespara aplicaes em Eletrnica Digitalou Analgica.

    Uma delas est no fato de que aimpedncia de entrada do circuito extremamente elevada, o que signifi-ca que precisamos praticamente sde tenso para controlar os dispositi-vos CMOS.

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

    A outra est no fato de que, dife-rentemente dos transistores bipolaresque s comeam a conduzir quandouma tenso da ordem de 0,6 V vencea barreira de potencial de sua junobase-emissor, os FETs no tm estadescontinuidade de caractersticas, oque os torna muito mais lineares emqualquer aplicao que envolva am-plificao de sinais.

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

    APLICAES DIGITAIS

    Da mesma forma que podemoselaborar funes lgicas bsicasusando transistores bipolares co-muns, tambm 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-tersticas excelentes para aplicaesdigitais.

    CMOS significa que em cada fun-o temos configuraes em que tran-sistores de canal N e de canal P sousados ao mesmo tempo, ou seja,usamos pares complementares, con-forme diagrama do inversor lgicomostrado na figura 5. Conforme ex-plicamos no item anterior, a polarida-de da tenso 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 nveisde sinal possveis, podemos perceberque dependendo do nvel deste sinalaplicado comporta dos dois transis-tores ao mesmo tempo, quando umdeles estiver polarizado no sentido deconduzir plenamente a corrente(saturado), o outro estar obrigatori-amente polarizado no sentido de cor-tar esta corrente (corte).

    No circuito indicado, quando aentrada A estiver no nvel baixo (0) otransistor Q2 conduz, enquanto Q1permanece no corte. Isso significa queVdd, que a tenso de alimentaopositiva, colocada na sada, o quecorresponde ao nvel alto ou 1.

    Figura 3 - Smbolos dostransistores MOS (de enriquecimento).

    Figura 4 - Curvas caractersticas dotransistores MOS de canal N.

    Figura 5 - Um inversor comtransistores MOS (CMOS).

    Figura 2 - Equivalncia de funes doseletrodos para transistores MOS e bipolares.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200224

    Por outro lado, quando na entra-da aplicamos o nvel alto, quecorresponde ao Vdd (tenso de ali-mentao), o transistor Q1 que con-duz e com isso o nvel baixo ou 0 V que ser colocado na sada.

    Conforme sabemos, estas carac-tersticas correspondem justamente afuno inversora.

    CONSUMO E VELOCIDADE

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

    A primeira que sempre um dostransistores estar cortado, qualquerque seja o sinal de entrada (alto oubaixo) logo, praticamente no circulacorrente alguma entre o Vdd e o pon-to de terra (0 V). A nica corrente queir circular ser eventualmente a deum circuito externo excitado pela sa-da, figura 6.

    Isso significa um consumo extre-mamente baixo para este par de tran-sistores em condies normais, j quena entrada a impedncia elevads-sima e praticamente nenhuma corren-te circula. Este consumo da ordemde apenas 10 nW (nW = nanowatt =0,000 000 001 watt).

    fcil perceber que se integrar-mos 1 milho de funes destas numcircuito integrado, ele ir consumirapenas 1 mW! Na prtica temos fato-res que tornam maior este consumo,como por exemplo, eventuais fugas,a necessidade de um ou outro com-ponente especial de excitao queexija maior corrente, etc.

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

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

    Isso significa que, ao aplicarmosum sinal de controle a uma funodeste tipo, a tenso no sobe imedia-tamente at o valor desejado, masprecisa de um certo tempo necess-rio para carregar o capacitor repre-sentado pelo eletrodo de comporta.Se bem que o eletrodo tenha dimen-ses extremamente pequenas, se le-varmos em conta as impedncias en-volvidas no processo de carga e tam-bm a prpria disponibilidade de cor-rente dos circuitos excitadores, o tem-po envolvido no processo no des-prezvel e um certo atraso na propa-gao do sinal ocorre.

    O atraso nada mais do que a di-ferena de tempo entre o instante emque aplicamos o sinal na entrada e oinstante em que obtemos um sinal nasada.

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

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

    antes de chegar a um certo ponto emque ele seja necessrio, e a somados atrasos no for prevista poderhaver diversos problemas de funcio-namento.

    Veja, entretanto, que a carga deum capacitor num circuito de tempo,como o na figura 8 at um determi-nado nvel de tenso depende tam-bm da tenso de alimentao.

    Assim, com mais tenso, a carga mais rpida e isso nos leva a umacaracterstica muito importante doscircuitos CMOS digitais que deve serlevada em conta em qualquer aplica-o: com maior tenso de alimen-tao, os circuitos integradosCMOS so mais rpidos.

    Assim, enquanto que nos manuaisde circuitos integrados TTL encontra-mos uma velocidade mxima nica deoperao para cada tipo (mesmo por-que sua tenso de alimentao fixade 5 V), nos manuais CMOS encon-tramos as velocidades associadas stenses de alimentao (j que os cir-cuitos integrados CMOS podem seralimentados por uma ampla faixa detenses).

    Um exemplo disso pode ser obser-vado nas caractersticas de um circui-to integrado CMOS formado por seisinversores (hex inverter) onde temosas seguintes frequncias mximas deoperao:

    4049 - Seis inversoresFrequncia mxima de operao:Com Vdd = 5 V - 1,66 MHz (tip)

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

    Veja ento que o circuito muitomais rpido quando o alimentamoscom uma tenso de 15 V do que quan-do o alimentamos com uma tenso

    Figura 6 - A nica corrente do circuito passapela carga externa.

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

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    25SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 2002

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

    SENSIBILIDADE AO MANUSEIO

    O fato de que existe uma finssimacamada de xido isolando a compor-ta do substrato e esta camada ex-tremamente sensvel a descargas el-tricas torna os dispositivos que usamtransistores MOS muito delicados.

    De fato, a prpria carga eltricaacumulada em ferramentas ou emnosso corpo quando caminhamosnum tapete num dia seco ou aindaatritamos objetos em nossa roupapode ser suficiente para danificar demodo irreversvel dispositivos CMOS.Para que o leitor tenha uma idia,caminhando num carpete num diaseco, seu corpo pode acumular umacarga esttica que atinge potenciaisde at 10 000 V.

    Se voc tocar numa torneira, adescarga de seu corpo neste percur-so de terra pode lhe causar um fortechoque.

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

    Em outras palavras, os dispositi-vos que usam transistores CMOS soextremamente sensveis a descargasestticas, figura 9.

    Assim, a primeira preocupao nouso e manuseio destes componentes

    evitar de qualquer modo que apa-ream tenses perigosas capazes decausar danos entre os terminais doscomponentes.

    Para os transistores MOS existe apossibilidade de dot-los de um pe-queno anel de metal que curto-circuitaseus terminais, conforme figura 10,e que somente retirado depois queo componente soldado na placa decircuito impresso.

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

    Uma delas consiste no uso de umaesponja condutora onde os terminais

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

    Os circuitos integrados CMOS de-vem ser mantidos nestas esponjas ato momento de serem usados, sobpena de que algum toque acidentalcom o dedo carregado de estticaprovoque danos.

    Outra possibilidade consiste emtransportar os circuitos integradosCMOS em embalagens de plsticoanti-esttico figura 12.

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

    Num laboratrio onde soefetuados trabalhos com circuitos in-tegrados CMOS importante obser-var precaues especiais para queem nenhum ponto ocorram acmulosde cargas estticas. As bancadas detrabalhos com computadores devemter partes metlicas aterradas e osprprios tcnicos devem usar recur-sos que permitam descarregar cargasdo seu corpo. Em empresas de tra-balhos com circuitos CMOS comumos tcnicos usarem pulseiras metli-cas, sendo estas pulseiras ligadas aum fio terra.

    Para o tcnico comum apenasnecessrio lembrar-se de que nodeve tocar nos terminais dos compo-nentes e com isso j haver uma boagarantia da integridade dos circuitos.

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

    Figura 8 - Vx (tenso de disparo) atingida antes com tenses maiores.

    Figura 9 - Descargas estticasdestroem os transistores MOS.

    Figura 10 - Transistores MOS podem serprotegidos por um anel de metal que coloca

    em curtos seus terminais.

    Figura 11 - Uma esponja condutora usadano transporte de CIs sensveis.

    Figura 12 - Embalagemanti-esttica para

    circuitos integrados.

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    SABER ELETRNICA ESPECIAL N 8 - 200226

    A sensibilidade destas entradas suficientemente alta para que tensesinduzidas no prprio circuito sejamcaptadas, levando os dois transisto-res a um estado intermedirio entre ocorte e a saturao ou ainda fazendocom que entrem em oscilao nafrequncia do sinal captado. Isso,alm de elevar o consumo do circuitointegrado, pode causar instabilidadesque afetem o funcionamento geral docircuito.

    Uma regra prtica consiste em le-var as entradas das funes no usa-das num integrado a nveis definidosde tenso, ou seja, ligar ao Vdd ouainda ao ponto de 0 V.

    AS CONFIGURAES CMOS

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

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

    Para as outras funes lgicas te-mos configuraes do mesmo tipo,mudando apenas a disposio e aquantidade de transistores usados.Tomando estas duas funes comoexemplo, achamos que o leitor teruma idia de como elas so feitas ecomo funcionam.

    ESPECIFICAES

    A principal famlia de circuitos in-tegrados CMOS a 4000, onde to-dos os componentes so designadospor nmeros como 4001, 4011, 4017,4096, etc.

    Os circuitos integrados CMOS co-muns funcionam com tenses de ali-mentao de 3 a 15 V. Lembramosque existem sries CMOS mais anti-gas com o sufixo A em que a tensode alimentao fica na faixa de 3 a12 V.

    De qualquer forma, em caso dedvida sobre qualquer caractersticade um circuito integrado CMOS quetenha algum sufixo que possa indicarvariaes nas especificaes nor-mais, sempre bom consultar seumanual.

    Da mesma forma que no caso doscircuitos integrados TTL, precisosaber interpretar algumas das princi-pais especificaes que so:

    a) Tenso de sada - no nvel l-gico baixo (0) a tenso de sada seaproxima de 0 V sendo no mximo de0,01 V para os tipos comuns com ali-mentao na faixa de 5 a 10 V. Nonvel lgico alto, a tenso de sada praticamente a tenso de alimentaoVdd ou no mximo 0,01 V menor.

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

    Assim, para uma alimentao de5 V as sadas podem fornecer (quan-do no nvel alto) ou drenar (quando

    no nvel baixo) uma corrente de at 1mA e essa corrente sobe para 2,5 mAquando a alimentao de 10 V.

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

    c) Corrente de fuga na entrada -se bem que a comporta esteja isola-da do circuito dreno-fonte, com umaresistncia que teoricamente seriainfinita, na prtica pode ocorrer umapequena fuga.

    Esta, da ordem de 10 pA (1picoampre = 0,000 000 000 001ampre) para uma alimentao de 10V deve ser considerada quando pre-cisamos calcular a corrente de entra-da de um circuito CMOS numa apli-cao mais crtica.

    d) Potncia - os circuitos integra-dos CMOS consomem muito menosenergia que os circuitos integradosTTL. Para os tipos comuns a correntede alimentao Idd normalmente daordem de 1 nA tipicamente com um

    Figura 13 - Porta NOR CMOS.

    Figura 14 - Porta NAND CMOS.

    Fig