famílias lógicas - pedroni capítulo...

Famılias LogicasPedroni – Capıtulo 10

Prof. Odilson Tadeu Valle

Instituto Federal de Santa Catarina – IFSCCampus Sao Jose

odilson@ifsc.edu.br

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Conteudo programatico

1 Introducao

2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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Conteudo programatico

1 Introducao

2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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Famılias Logicas

O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, possibilitandoa colocacao num unico involucro de diversos componentes jainterligados, veio permitir um desenvolvimento muito rapido daEletronica Digital e consequentemente do projeto de sistemas digitais.

Foi criada entao uma serie de circuitos integrados que continham numaunica pastilha as funcoes logicas digitais mais usadas e de tal maneiraprojetadas que todas eram compatıveis entre si. Estas series de circuitosintegrados formaram entao as Famılias Logicas, a partir das quais osprojetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montarseus sistemas digitais.

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Conteudo programatico

1 Introducao

2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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Logica Diodo-Transistor (DTL)A famılia DTL (diode-transistor logic) de 1950, foi derivada da famıliaDL (diode logic).

Sao lentos.Exigem resistores de valores altos, portanto, muito espaco de silıcio.Dissipam consideravel potencia estatica.

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Conteudo programatico

1 Introducao

2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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Logica Transistor-Transistor (TTL)A famılia TTL (transistor-transistor logic) de 1960.Foi a primeira construıda com circuitos integrados e obteve enormesucesso comercial.

Tem um 0 relativamente bom: 0,2VTem um 1 pobre: < 3,6 (VCC − VR2 − 2Vj . Vj = Vjuncao = 0,7 V)

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Logica Transistor-Transistor (TTL)

A famılia TTL deu origem a popular serie 74 de CIs digitais.

Dois exemplos, com 14 pinos e encapsulamento DIP (dual in-linepackage):

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Faixas de temperatura e versoes TTL

Faixas de temperatura

testeComercial: 0�a 70�, serie 74Industrial: -40�a 85�, serie 74Militar: -55�a 125�, serie 54

Versoes

74: TTL Comum74S: TTL Schottky74AS: TTL Schottky avancado74ALS: TTL Schottky de baixa potencia avancado74F: TTL rapido

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Comp. entre versoes TTL, tensoes e margens de ruıdo

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Fan-In e Fan-OutFan-Out ou Fator de Carga de Saıda: e o numero maximo de entradasde portas similares que uma saıda de porta pode acionar, permanecendodentro das especificacoes.

Fan − OutL =IOL(max)

IIL(max)Fan − OutH =

IOH(max)

IIH(max)

Fan-In ou Fator de Carga de Entrada: indica o numero de entradas deuma porta.

Nesse exemplo (TTL convencional) o Fan-Out e 10.

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Recordando: valores logicos e fısicos

http://e2e.ti.com/cfs-file/ key/communityserver-discussions-components-files/138/6320.Voltages.jpg

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1 Introducao

2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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MOSFETs

Circuitos logicos baseados em MOSFET ocupam muito menos espaco doque circuitos baseados em transistores bipolares.

Podem funcionar com praticamente nenhum consumo de potenciaestatica (CMOS).

A agressiva reducao de seu tamanho vem melhorando continuamente oseu desempenho.

A tecnologia MOS e descrita com base na menor dimensao do transistor(comprimento do canal) que pode ser fabricada com ela:

8 µm em 19710,18 µm em 20000,13 µm em 200290 nm em 200465 nm em 200640 nm em 200814 nm atuais5-7 nm em desenvolvimento.

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Conteudo programatico

1 Introducao

2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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Circuitos CMOS

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Famılias CMOS HC e HCTA famılia HC e equivalente a famılia TTL em termos de tensao dealimentacao: 5V. Embora trabalhe na faixa de 2 a 6V. Todavia nemtodas as tensoes de entrada sao compatıveis com TTL. Nao podem sermisturadas.HCT e completamente compatıvel com TTL

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Famılias CMOS HC e HCT

Comparadas com a TTL, essas famılias exibem praticamente a mesmavelocidade,

Consumo de potencia mais baixo,

Tensoes de saıda mais amplas,

A corrente de entrada e praticamente zero, o que permite que muitasportas CMOS sejam acionadas por uma unica porta.

A logica 5 V esta quase obsoleta ==> LVCMOS (low voltage CMOS :3,3 V, 2,5 V, 1,8 V, 1,5 V, 1,2 V, 1 V e, atualmente, nucleos em ate 0,8V. Qual a consequencia disso?

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Tensao de alimentacao, Tensoes de sinal e Margem deruıdo

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2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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Circuitos de I/O Modernos

Um conjunto de regras que especificam como os acessos deentrada/saıda podem ser feitos e denominado um padrao de I/O(Input/output)

Para velocidades relativamente baixas: TTL, LVTTL, CMOS, LVCMOS.

Para velocidades mais altas e aplicacoes mais especıficas, existempadroes mais complexos: SSTL, HSTL, LVPECL e LVDS

E importante nao confundir padroes de I/O com famılias logicas:Famılia logica refere-se aos circuitos fısicos internosPadrao de I/O refere-se ao modo de acessar tais circuitos

Um chip pode conter qualquer uma das arquiteturas logicas,independente do padrao de I/O escolhido para acessa-las.

Num FPGA pode-se setar o padrao de I/O por porta ou blocos de portasde entrada e saıda.

Exemplo: USB 1.1 de 1,5 Mbps ate 12 Mbps; USB 2.0 ate 480 Mbps;USB 3.0 ate 4.8 Gbps.

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Padroes de I/O modernos

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Padroes de I/O modernos

Padroes com um terminal unico: uma entrada ou saıda, sem tensao dereferencia ou resistores de terminacao.

Padroes com um unico terminal, com tensao de referencia e resistores determinacao: uma entrada ou saıda, com resistores de terminacao parareduzir reflexoes quando operando em alta velocidade decorrentes dodescasamento de impedancia entre o CI e as trilhas da placa de circuitoimpresso (= linhas de transmissao).

Padroes diferenciais: um par de entradas ou saıdas, com resistores determinacao. A saıda desse circuito nao e determinada pelo valorabsoluto, mas sim pela diferenca entre duas entradas. Se a entradapositiva for mais alta, entao a saıda sera alta, caso contrario sera baixa==> Maior imunidade a ruıdos externos.

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Padroes de I/O modernos

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Principais Parametros dos Padroes TTL/CMOS e LVTTLTTL < 100 MHz, LVTTL < 200 MHz

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Padrao LVCMOS 3,3 V

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Padrao LVCMOS 2,5 V

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Padrao LVCMOS 1,8 V

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Padrao LVCMOS 1,5 V

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Padrao LVCMOS 1,2 V

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Padrao LVCMOS 1 V

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Padroes SSTL

SSTL (stub series terminated logic) e um I/O independente datecnologia

indicado para padroes de alta velocidade (400 Mbps a 1,6 Gbps)

Usado principalmente em CIs de memoria (DDR, DDR2, DDR3)

Inclui resistores de terminacao para reduzir reflexoes nas trilhas da PCB,o que melhora o funcionamento em altas velocidades.

Ha a possibilidade de saıda diferencial.

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Padroes SSTL

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Padrao SSTL 3

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Padrao SSTL 2Chips de memoria SDRAM DDR, 200 MHz, 400 MTps, (Tps = Transferper second), transfere dados nas duas bordas do clock.

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Padrao SSTL 18

Chips de memoria SDRAM DDR2, 400 MHz, 800 MTps.

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Padrao SSTL 15

Chips de memoria SDRAM DDR3, 800 MHz, 1,6 GTps

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Padroes HSTLHSTL - high-speed transceiver logic.Originalmente somente o HSTL-15 (VDDO = 1,5 V), mas ja estao emuso o HSTL-18 (VDDO = 1,8 V) e HSTL-12 (VDDO = 1,2 V).E focado para aplicacoes de alta frequencia, acima de 200 MHz.Como o SSTL, emprega resistores de terminacao para reduzir reflexoesnas trilhas da PCB.

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Padrao LVDSLVDS - low-voltage differential signaling.Aplicacoes de alta velocidade em ate 10 m.

Figura mostra um par driver-receptor em modo diferencial.Como a excursao da tensao e pequena (0,35 V), o driver e rapido eproduz um campo eletromagnetico desprezıvel (baixa EMI).Por ser diferencial e mais imune a ruıdo.E um dos I/O com menor consumo de potencia de sua categoria.Utilizado em barramento PCI Express, 2,5 Gbps (2007) full-duplex, 5Gbps atuais.Cada link PCIe e composto por 1, 4, 8, 16 ou 32 vias ==> taxa lıquidade ate 128 Gbps.

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Conteudo programatico

1 Introducao

2 Logica Diodo-Transistor (DTL)

3 Logica Transistor-Transistor (TTL)

4 Famılias logicas baseadas em MOSFET

5 Logica CMOS

6 Circuitos de I/O Modernos

7 Curiosidades/Atualidades

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Lei de MooreGordom Moore, 1975. Previsoes:

A dimensao dos dispositivos MOSFET cairia pela metade a cada 3 anos.Numero de transistores por chip dobraria a cada 1-2 anos.

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Tensao versus velocidade em CMOS

http://www.ti.com/lit/sg/sdyu001aa/sdyu001aa.pdf

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Ciclo de Vida

http://www.ti.com/lit/sg/sdyu001aa/sdyu001aa.pdf

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Compatibilidade entre I/O

http://www.ti.com/lit/sg/sdyu001aa/sdyu001aa.pdf

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