r, 06 de Abril de 2010 21:13 ndice do Artigo Curso eletrnica digital - Lio 4 Os circuitos integrados CMOS Aplicaes digitais Consumo e velocidade Sensibilidade e cuidado no manuseio Configuraes e especificaes CMOS Circuitos combinados Fonte de alimentao Todas as Pginas

Na lio anterior aprendemos que os circuitos integrados digitais so organizados em famlias para manter uma compatibilidade entre si, que permite sua interligao direta sem a necessidade de componentes adicionais. Vimos que as famlias contam com dezenas ou centenas de funes que atuam como blocos dos quais podemos desenvolver qualquer circuito eletrnico digital. Os blocos tendem a ser cada vez mais completos, com a disponibilidade de circuitos integrados que podem conter dezenas ou centenas de funes j interligadas, prontos para exercer uma tarefa que seja muito utilizada. o caso dos circuitos integrados VLSI encontrados nos computadores, em que milhares de funes lgicas j esto interligadas para exercer dezenas ou centenas de funes comuns nestes equipamentos. Estudamos a famlia TTL e suas subfamlias muito comuns na maioria dos equipamentos eletrnicos, analisamos as principais funes disponveis e tambm suas caractersticas eltricas. No entanto, existe outra famlia largamente utilizada, a famlia CMOS. As duas famlias CMOS e TTL apesar de possurem caractersticas semelhantes, no so incompatveis entre si. Na verdade, elas podem ser interligadas em determinadas condies. Estas famlias correspondem praticamente a tudo que pode ser feito em matria de circuitos digitais, conhece-las nos dar as bases necessrias para trabalhar com este tipo de componente.

Os circuitos integrados CMOSCMOS significa Complementary Metal-Oxide Semiconductor e se refere a um tipo de tecnologia que utiliza transistores de efeito de campo, em ingls, Field Effect Transistor (FET) em lugar dos transistores bipolares comuns (como nos circuitos TTL) na elaborao dos circuitos integrados digitais. Existem vantagens e desvantagens no uso de transistores de efeito de campo, os fabricantes conseguem cada vez mais eliminar as diferenas existentes entre as duas famlias com o desenvolvimento de novas tecnologias de fabricao, aumentando ainda mais a sua velocidade e reduzindo o consumo de energia. Existem aplicaes em que mais vantajoso usar um tipo e aplicaes em que o outro tipo melhor. Os transistores de efeito de campo (FET) usados nos circuitos integrados CMOS ou MOSFETs tm a estrutura bsica formada por um eletrodo de controle chamado de comporta ou gate (g) onde aplicado o sinal que deve ser amplificado ou usado para chavear o circuito. O transistor polarizado de modo a haver uma tenso entre a fonte ou source (s) e o dreno ou drain (d). Fazendo uma comparao com o transistor bipolar, podemos dizer que a comporta (g) do MOSFET equivale base do transistor bipolar, enquanto que o dreno (d) equivale ao coletor e o fonte (s) ao emissor do transistor.

Observe na figura acima que entre o eletrodo do gate, que consiste numa placa de alumnio e a parte que forma o substrato ou canal por onde passa a corrente, no existe contato eltrico e nem juno, mas sim uma finssima camada de xido metlico, que d nome ao dispositivo (metaloxide). A polaridade do canal, que a parte do transistor por onde circula a corrente controlada, determina seu tipo e tambm a polaridade da tenso que a controla. Na prtica encontramos transistores de efeito de campo tipo MOS de canal N e transistores de efeito de campo tipo MOS de canal P. Para nosso curso mais importante lembrar que existem transistores MOS tipo P e tipo N. Na figura a seguir temos os smbolos adotados para representar os dois tipos de transistores.

Podemos dizer, de maneira geral, que estes transistores so equivalentes aos transistores tipos NPN e PNP bipolares. A corrente que circula entre a fonte (s) e o dreno (d) pode ser controlada pela tenso aplicada no gate (g). Isso significa que, diferentemente dos transistores bipolares em que a corrente de coletor depende da corrente de base, no transistor de efeito de campo, a corrente do dreno depende da tenso do gate. Assim, no tipo P uma tenso positiva do gate aumenta sua conduo, ou seja, faz com que ele sature e no tipo N, uma tenso negativa do gate que o leva saturao. Mais uma vez fazendo uma comparao com os tipos bipolares, podemos dizer ento que enquanto os transistores bipolares so tpicos amplificadores de corrente, os FETs ou transistores de efeito de campo MOS so tpicos amplificadores de tenso. Esta diferena leva o transistor de efeito de campo MOS a apresentar caractersticas muito interessantes para aplicaes em Eletrnica Digital ou Analgica. Uma delas est no fato de que a impedncia de entrada do circuito extremamente elevada, o que significa que precisamos praticamente s de tenso para controlar os dispositivos CMOS. Assim, preciso uma potncia extremamente baixa para o sinal que vai excitar a entrada de um circuito integrado CMOS, j que praticamente nenhuma corrente circula por este elemento. A outra est no fato de que, diferentemente dos transistores bipolares que s comeam a conduzir quando uma tenso da ordem de 0,6 V vence a barreira de potencial de sua juno base-emissor, os FETs no tm esta

descontinuidade de caractersticas, o que os torna muito mais lineares em qualquer aplicao que envolva amplificao de sinais.

Aplicaes digitais com CMOSDa mesma forma que podemos elaborar funes lgicas bsicas usando transistores bipolares comuns, tambm podemos fazer o mesmo com base nos transistores de efeito de campo MOS. A tecnologia CMOS (Complementary MOS) permite que os dispositivos tenham caractersticas excelentes para aplicaes digitais. CMOS significa que em cada funo temos configuraes em que transistores de canal N e de canal P so usados ao mesmo tempo, ou seja, usamos pares complementares, conforme diagrama do inversor lgico mostrado na figura abaixo. Conforme explicamos no item anterior, a polaridade da tenso que controla a corrente principal nos transistores de efeito de campo MOS depende justamente do tipo de material usado no canal, que pode ser do tipo P ou do tipo N. Assim, se levarmos em conta que nos circuitos digitais temos dois nveis de sinal possveis, podemos perceber que dependendo do nvel deste sinal aplicado ao gate dos dois transistores ao mesmo tempo, quando um deles estiver polarizado no sentido de conduzir plenamente a corrente (saturado), o outro estar polarizado no sentido de cortar esta corrente (corte). No circuito indicado, quando a Entrada estiver no nvel baixo (0) o transistor Q1 conduz, enquanto Q2 permanece no corte. Isso significa que Vdd, que a tenso de alimentao positiva, colocada na sada, o que corresponde ao nvel alto ou 1. Quando na Entrada aplicamos o nvel alto, que corresponde ao Vdd (tenso de alimentao), o transistor Q1 que corta e o Q2 conduz, com isso o nvel baixo ou 0 V que ser colocado na sada. Conforme sabemos, estas caractersticas correspondem justamente a funo inversora. Veja a figura a seguir.

ConsumoAnalisando o circuito inversor, vemos que ele apresenta duas caractersticas importantes. A primeira que sempre um dos transistores estar cortado (no conduzindo), qualquer que seja o sinal de entrada (alto ou baixo), praticamente no circula nenhuma corrente entre o Vdd e o ponto de terra (0 V). A nica corrente que ir circular ser eventualmente a de um circuito externo (carga) excitado pela sada, veja novamente a figura acima. Isso significa um consumo extremamente baixo para este par de transistores em condies normais, j que na entrada a impedncia elevadssima e praticamente nenhuma corrente circula. Este consumo da ordem de apenas 10 nW (nW = nanowatt = 0,000 000 001 watt). fcil perceber que se integrarmos 1 milho de funes destas num circuito integrado, ele ir consumir apenas 1 mW. Na prtica temos fatores que tornam maior este consumo, como por exemplo, eventuais fugas internas, a necessidade de um ou outro componente especial de excitao que exija maior corrente, etc.

VelocidadeAssim como a famlia TTL, a famlia CMOS tambm tem uns incovenientes, um deles est no fato de que o eletrodo de controle (gate) que uma placa de metal fixada no material semicondutor e isolada por meio de uma camada de xido, funciona como a armadura ou placa de um capacitor, veja a figura abaixo.

Ao aplicar um sinal de controle a uma funo deste tipo, a tenso no sobe imediatamente at o valor desejado, mas precisa de um certo tempo necessrio para carregar o capacitor parasita representado pelo terminal gate. Mesmo que o eletrodo tenha dimenses extremamente pequenas, se levarmos em conta as impedncias envolvidas no processo de carga e tambm a prpria disponibilidade de corrente dos circuitos excitadores, o tempo envolvido no processo no pode se desprezado e um certo atraso na propagao do sinal ocorre. O atraso nada mais do que a diferena de tempo entre o instante em que aplicamos o sinal na entrada e o instante em que obtemos um sinal na sada. Nos circuitos integrados CMOS tpicos como os usados nas aplicaes digitais, para um inversor como o do exemplo, este atraso da ordem de 3 nanossegundos (3 ns). Isso pode parecer pouco nas aplicaes comuns, mas se um sinal tiver de passar por centenas de portas antes de chegar a um certo ponto em que ele seja necessrio, e a soma dos atrasos no for prevista poder surgir diversos problemas de funcionamento no circuito. Veja, entretanto, que a carga de um capacitor num circuito de tempo, at um determinado nvel de tenso depende tambm da tenso de alimentao. Assim, com mais tenso, a carga mais rpida e isso nos leva a uma caracterstica muito importante dos circuitos CMOS digitais que deve ser levada em conta em qualquer aplicao; com maior tenso de alimentao, os circuitos integrados CMOS so mais rpidos.

Assim, enquanto que nos manuais de circuitos integrados TTL encontramos uma velocidade mxima nica de operao para cada tipo (mesmo porque sua tenso de alimentao fixa de 5 V), nos manuais CMOS encontramos as velocidades associadas s tenses de alimentao (j que os circuitos integrados CMOS podem ser alimentados por uma ampla faixa de tenses). Um exemplo disso pode ser observado nas caractersticas de um circuito integrado CMOS, o CD4049, formado por seis inversores (hex inverter) onde temos as seguintes frequncias mximas de operao: Tenso alimentao (VDD) 5V 10V 15V Frequncia mxima de operao (MHz) 1,66 MHz 4 MHz 5 MHz

Veja ento que o circuito integrado muito mais rpido quando o alimentamos com uma tenso de 15 V do que quando o alimentamos com uma tenso de apenas 5 V. Este fato muito importante na elaborao de um oscilador com circuito integrado CMOS que opere no seu limite de velocidade.

Sensibilidade e cuidado no manuseioO fato de que existe uma finssima camada de xido isolando o gate do substrato e esta camada extremamente sensvel a descargas eltricas torna os dispositivos que usam transistores MOS muito delicados. A prpria carga eltrica (eletricidade esttica) acumulada em ferramentas ou em nosso corpo quando caminhamos num tapete num dia seco ou ainda quando atritamos objetos em nossa roupa pode ser suficiente para danificar os dispositivos CMOS. Para que voc tenha uma idia, ao caminhar num carpete num dia seco, o seu corpo pode acumular uma carga esttica que atinge potenciais de at 10 000 V. Se voc tocar num objeto metlico aterrado, a descarga de seu corpo neste percurso de terra pode lhe causar um forte choque. Do mesmo modo se, voc tocar num terminal de um dispositivo CMOS, a carga do seu corpo que escoa por este dispositivo pode facilmente destruir a finssima camada de xido que separa o gate do substrato e o componente estar inutilizado. Em outras palavras, os dispositivos que usam transistores CMOS so extremamente sensveis a descargas eltricas estticas. Assim, a primeira preocupao no uso e manuseio destes componentes evitar de qualquer modo que apaream tenses perigosas capazes de causar danos entre os terminais dos componentes. Para os transistores MOS existe a possibilidade de colocar um pequeno anel de metal que curto-circuita seus terminais, e que somente retirado depois que o componente soldado na placa de circuito impresso. Existem diversas formas de fazer transporte ou guardar os circuitos integrados CMOS sem o perigo de que cargas estticas acumuladas em objetos possam lhes causar danos. Uma delas consiste no uso de uma esponja condutora onde os terminais dos circuitos integrados so enfiados e assim mantidos em curto constantemente, veja a figura a seguir.

Os circuitos integrados CMOS devem ser mantidos nestas esponjas at o momento de serem usados, sob pena de que algum toque acidental com o dedo carregado de esttica provoque danos. Outra possibilidade consiste em transportar os circuitos integrados CMOS em pequenas caixas ou embalagens de plstico anti-esttico, veja a seguir.

De qualquer forma, NUNCA toque com os dedos nos terminais de componentes CMOS sejam eles circuitos integrados ou transistores. Num laboratrio onde so efetuados trabalhos com circuitos integrados CMOS importante observar precaues especiais para que em nenhum ponto ocorram acmulos de cargas estticas. As bancadas de trabalhos devem ter as partes metlicas aterradas e os tcnicos devem usar recursos que permitam descarregar cargas do seu corpo. Em empresas de trabalhos com circuitos CMOS comum os tcnicos usarem pulseiras anti-estticas, sendo estas pulseiras ligadas a um fio terra. Para o tcnico comum apenas necessrio lembrar-se de que no deve tocar nos terminais dos componentes e com isso j haver uma boa garantia da integridade dos circuitos. Um ponto importante nunca deixar nenhuma entrada de um circuito integrado CMOS desligada (portas sem uso). A sensibilidade destas entradas suficientemente alta para que tenses induzidas no prprio circuito sejam captadas, levando os transistores internos a um estado intermedirio entre o corte e a saturao ou ainda fazendo com que entrem em oscilao na frequncia do sinal captado. Isso, alm de elevar o consumo do circuito integrado, pode causar instabilidades que pode afetar o funcionamento geral do circuito. Uma regra prtica consiste em ligar as entradas das funes no usadas no circuito integrado ao VDD ou ainda ao ponto de GND 0V.

As configuraes CMOS

Na figura ao lado temos a configurao usada para uma porta NOR de 2 entradas CMOS em que temos quatro transistores. Observe a simplicidade dos circuitos CMOS quando comparados a funes equivalentes TTL. Com os circuitos CMOS precisamos apenas de transistores para obter a funo desejada, enquanto que na equivalente TTL precisamos de transistores e muitos resistores e em alguns casos at vrios diodos. Na figura abaixo temos a configurao usada para uma porta NAND de duas entradas CMOS onde tambm usamos apenas 4 transistores. Neste circuito, quando as entradas ou uma delas estiver no nvel baixo (0) um ou os dois transistores de canal P estaro em conduo e a sada ficar no nvel alto.

Quando as duas entradas estiverem no nvel 1, entretanto, os dois transistores de canal N iro conduzir ao mesmo tempo, levando a sada para o nvel baixo. Para as outras funes lgicas temos configuraes do mesmo tipo, mudando apenas a disposio e a quantidade de transistores usados. Tomando estas duas funes como exemplo, achamos que o leitor ter uma idia de como elas so

feitas e como funcionam.

EspecificaesA principal famlia de circuitos integrados CMOS a 4000, onde todos os componentes so designados por nmeros como 4001, 4011, 4017, 4096, etc. Os circuitos integrados CMOS comuns funcionam com tenses de alimentao de 3 a 15 V. Lembramos que existem sries CMOS mais antigas com o sufixo A em que a tenso de alimentao fica na faixa de 3 a 12 V. De qualquer forma, em caso de dvida sobre qualquer caracterstica de um circuito integrado CMOS que tenha algum sufixo que possa indicar variaes nas especificaes normais, sempre bom consultar o datasheet do fabricante. Da mesma forma que no caso dos circuitos integrados TTL, preciso saber interpretar algumas das principais especificaes que so: a) Tenso de sada - no nvel lgico baixo (0) a tenso de sada se aproxima de 0 V sendo no mximo de 0,01 V para os tipos comuns com alimentao na faixa de 5 a 10 V. No nvel lgico alto, a tenso de sada praticamente a tenso de alimentao Vdd ou no mximo 0,01 V menor. b) Corrente de sada - diferentemente dos circuitos integrados TTL em que temos uma capacidade maior de drenar corrente na sada do que de fornecer, para os circuitos integrados CMOS a capacidade de drenar e de fornecer corrente de sada praticamente a mesma. Assim, para uma alimentao de 5 V as sadas podem fornecer (quando no nvel alto) ou drenar (quando no nvel baixo) uma corrente de at 1 mA e essa corrente sobe para 2,5 mA quando a alimentao de 10 V. Estas correntes, so designadas por IOL e IOH nos datasheet de especificaes dos circuitos integrados CMOS. c) Corrente de fuga na entrada - se bem que o gate esteja isolada do circuito dreno-fonte, com uma resistncia que teoricamente seria infinita, na prtica pode ocorrer uma pequena fuga pois ainda no temos um isolador perfeito que funcione em condies normais. Esta fuga, da ordem de 10 pA (1 picoampre = 0,000 000 000 001 ampre) para uma alimentao de 10 V deve ser considerada quando precisamos calcular a corrente de entrada de um circuito CMOS numa aplicao mais crtica. d) Potncia - os circuitos integrados CMOS consomem muito menos energia que os circuitos integrados TTL. Para os tipos comuns a corrente de alimentao Idd normalmente da ordem de 1 nA tipicamente com um mximo de 0,05 A para alimentao de 5 V, o que corresponde a uma dissipao de 5 nW em mdia para alimentao de 5 V e 10 nW para alimentao de 10 V. e) Velocidade - os tipos comuns CMOS so muito mais lentos que os TTL, mas famlias especiais esto aparecendo com velocidades cada vez maiores e em muitos casos estas se aproximam dos mais rpidos TTLs. As frequncias mximas, conforme j relatamos, dependem das tenses de alimentao e das funes, j que maior nmero de componentes para atravessar significa um atraso maior do sinal. Assim, nos manuais e datasheet encontramos a especificao de velocidade dada tanto em termos de frequncia quanto em termos de atraso do sinal. Para o caso do atraso do sinal, observamos que ele pode estar especificado para uma transio do nvel alto para o nvel baixo ou viceversa e em alguns circuitos ou tenses de alimentao podem ocorrer diferenas.

Circuitos combinadosConforme explicamos, mesmo tendo uma faixa de tenses ampla e caractersticas diferentes dos

circuitos integrados TTL, existe a possibilidade de combinar circuitos TTL e CMOS. H duas possibilidades de interfaceamento entre circuitos digitais TTL e circuitos digitais CMOS. a) A sada TTL deve excitar a entrada CMOS. Se os dois circuitos operarem com uma tenso de alimentao de 5 V no h problema e a interligao pode ser direta. Como as entradas CMOS tm uma impedncia muito alta (no exigindo praticamente corrente alguma) da sada TTL, no existe perigo do circuito CMOS carregar a sada TTL. No entanto, existe um problema a ser considerado: as entradas CMOS s reconhecem como nvel 1 uma tenso de pelo menos 3,5 V, enquanto que no nvel alto, a tenso mnima que o TTL pode fornecer nestas condies de 3,3 V. Isso significa que preciso assegurar que a entrada CMOS reconhea o nvel alto TTL, o que conseguido com a adio de um resistor externo chamado de pull-up, observe a figura abaixo.

O resistor de 22 k ligado ao positivo da alimentao de 5 V. Se o circuito CMOS a ser excitado por um TTL for alimentado com tenso maior que 5 V, por exemplo 12 V, deve ser usado um circuito intermedirio para casamento de caractersticas. Este circuito intermedirio deve manter o sinal, ou seja, deve ser simplesmente um buffer no inversor, como por exemplo, o de coletor aberto 7406 ou 7407 com um resistor de pull-up externo, conforme a figura abaixo.

O valor do resistor pull-up depender da tenso de alimentao utilizada. b) CMOS excitando uma entrada TTL Neste caso, devemos considerar que uma sada CMOS no nvel baixo pode drenar uma corrente de aproximadamente 0,5 mA e no estado alto, a mesma intensidade. No entanto, uma entrada TTL fornece uma corrente de 1,6 mA no nvel baixo, o que no pode ser absorvido pela sada CMOS. Isso significa que entre as duas devemos intercalar um buffer CMOS, como por exemplo, os 4049 e 4050 que permitem a excitao de at duas entradas TTL a partir de uma sada CMOS.

Fontes de alimentaoOs circuitos integrados TTL precisam de uma tenso contnua na faixa de 4,5 a 5,5 V, mais precisamente 5V para poderem funcionar adequadamente, so bastante sensveis a alteraes que

saiam desta faixa. J os circuitos CMOS so muito menos sensveis e podem operar numa faixa mais ampla de tenses. Isso facilita bastante o projeto das fontes e at permite a alimentao direta a partir de pilhas ou baterias. Veja que os circuitos integrados CMOS funcionam perfeitamente com tenses como 3, 6 , 9 e 12 V, que so facilmente obtidas de pilhas e bateria, que os torna ideais para aplicaes em que este tipo de fonte usada. Para circuitos com tecnologia TTL, geralmente as fontes so reguladas e estabilizadas com circuitos integrados reguladores de tenso, o tradicional 7805 geralmente utilizado para fornecer a tenso necessria de 5V para correntes de at 1A. Para circuitos que utilizam tecnologia CMOS podemos utilizar reguradores de 5, 6, 8, 9, 10, 12 ou 15V. Geralmente utilizamos estes circuitos reguladores em projetos onde variaes de tenso podem influenciar no funcionamento do circuito. Desta forma a fonte se manter regulada e estabilizada na tenso escolhida para o projeto. A seguir temos um circuito simples de uma fonte de alimentao utilizando reguladores de tenso da linha 78XX. Selecione a tenso de sada para o seu projeto de acordo com a tabela. Circuito Integrado 78XX 7805 7806 7808 7809 7810 7812 7815 Esquema da fonte regulada: Tenso de sada +5V +6V +8V +9V +10V +12V +15V

Lista de material: 1 transformador entrada 110 ou 220V ( ver a tenso da rede eltrica) sada 2X15V ou 2X18V 2 diodos retificadores 1N4007 ou equivalente 1 capacitor eletroltico de 1000uF/35V 1 capacitor cermico de 100nF/50V 1 regulador 78XX com dissipador de calor 1 capacitor eletroltico de 1uF/25V 1 capacitor cermico de 33nF/50V Para obter na sada outras tenses, basta trocar apenas o circuito integrado 7805. Exemplo: Para obter uma fonte de 9V na sada, troque o circuito integrado 7805 pelo 7809 e pronto. Agora voc ter na sada da fonte uma tenso de 9V regulada e estabilizada. Os demais componentes continuam inalterados.

O circuito integrado 78XX dever se montado num dissipador de calor de alumnio facilmente encontrado em sucatas de monitores ou fontes de PC. A posio dos terminais 1, 2 e 3 do circuito integrado 78XX deve ser observado no manual do fabricante.

Mais informaes sobre o circuito integrado 7805. Clique. Continua na prxima lio, bom trabalho. ltima atualizao em Qui, 20 de Outubro de 2011 10:19