Características dos CI’s

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O que são os circuitos integrados?

Os circuitos integrados são circuitos electrónicos funcionais, constituídos por um conjunto de transístores, díodos, resistências e condensadores, fabricados num mesmo processo, sobre uma substância comum semicondutora de silício que se designa vulgarmente por chip.

Chip

Terminais do CI

Fios finíssimosde ligação do chipaos terminais do CI

Circuito integrado (CI)visto por dentro e por cima. Chip

Terminais do CI

Fios finíssimosde ligação do chipaos terminais do CI

Circuito integrado (CI)visto por dentro e por cima.

O circuito integrado propriamente dito chama-se pastilha (chip, em inglês) e é muito pequeno. A maior parte do tamanho externo do circuito integrado deve-se à caixa e às ligações da pastilha aos terminais externos.

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C.I. versus Componentes Discretos

Vantagens dos C.I. em relação aos circuitos com Vantagens dos C.I. em relação aos circuitos com componentes discretosRedução de custos, peso e tamanho:componentes discretosRedução de custos, peso e tamanho:

Aumento da fiabilidade.

Maior velocidade de trabalho.

Redução das capacidades parasitas.

Menor consumo de energia.

Melhor manutenção.

Redução de stocks.

Redução dos erros de montagem.

Melhoria das características técnicas do circuito.

Simplifica ao máximo a produção industrial.

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Limitações dos C.I.

Limitação nos valores das resistências e condensadores a integrar.

Reduzida potência de dissipação.

Limitações nas tensões de funcionamento.

Impossibilidade de integrar num chip bobinas ou indutâncias (salvo se forem de valores muitíssimo pequenos).

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Classificação dos C.I.Classificação dos circuitos integrados quanto ao processo de Classificação dos circuitos integrados quanto ao processo de fabricação:fabricação:

Circuito integrado monolítico (o seu processo de fabrico baseia-se na técnica planar)

Circuito integrado pelicular (película delgada – thin-film - ou película grossa – thick-film)

Circuito integrado multiplaca

Circuito integrado híbrido (combinação das técnicas de integração monolítica e pelicular)

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Classificação dos C.I.Classificação dos C.I. quanto ao tipo de transístores utilizados: Bipolar e Mos-Fet.

Os C.I.digitais estão agrupados em famílias lógicas.

Famílias lógicas bipolares:

RTL – Resistor Transistor Logic – Lógica de transístor e resistência.DTL – Díode Transistor Logic – Lógica de transístor e díodo.TTL – Transistor Transistor Logic – Lógica transístor-transístor.HTL – High Threshold Logic – Lógica de transístor com alto limiar.ECL – Emitter Coupled Logic – Lógica de emissores ligados.I2L – Integrated-Injection Logic – Lógica de injecção integrada.

Famílias lógicas MOS:

CMOS – Complemantary MOS – MOS de pares complementares NMOS/PMOSNMOS – Utiliza só transístores MOS-FET canal N.PMOS - Utiliza só transístores MOS-FET canal P.

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Classificação dos C.I.Classificação dos circuitos integrados quanto à sua gama de integração:

A gama de integração refere-se ao número de componentes que o CI contém.

SSI (Small Scale Integration) – Integração em pequena escala: São os CI com menos componentes. Podem dispor de até 30 dispositivos por pastilha (chip).

MSI (Medium Scale Integration) – Integração em média escala: Corresponde aos CI com várias centenas de componentes, podendo possuir de 30 a 1000 dispositivos por pastilha (estes circuitos incluem descodificadores, contadores, etc.).

LSI (Large Scale Integration) – Integração em grande escala: Contém milhares de componentes podendo possuir de 1000 até 100 000 dispositivos por pastilha (estes circuitos normalmente efectuam funções lógicas complexas, tais como toda a parte aritmética duma calculadora, um relógio digital, etc.).

VLSI (Very Large Scale Integration) – Integração em muito larga escala: É o grupo de CI com um número de componentes compreendido entre 100 000 e 10 milhões de dispositivos por pastilha (são utilizados na implementação de microprocessadores).

ULSI (Ultra Large Scale Integration) – Integração em escala ultra larga: É o grupo de CI com mais de 10 milhões de dispositivos por pastilha.

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Cápsula com dupla fila de pinosPara os CI de baixa potência – DIL ou DIPAs cápsulas de dupla fila de pinos são as mais utilizadas, podendo conter vários chips interligados.

Nos integrados de encapsulamento DIL a numeração dos terminais é feita a partir do terminal 1 (identificado pela marca), vai por essa linha de terminais e volta pela outra (em sentido anti-horário).Durante essa identificação dos terminais o CI deve ser sempre observado por cima.

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Cápsula com linha única de pinos

SIL – Single In Line

Alguns integrados pré-amlificadores, e mesmo alguns amplificadores de certa potência, para áudio, apresentam esta configuração. 1

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Cápsulas planas (Flat-pack)

As cápsulas planas têm reduzido volume e espessura e são formadas por terminais dispostos horizontalmente. Pelo facto de se disporem sobre o circuito impresso a sua instalação ocupa pouco espaço.

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Cápsulas metálicas TO-5

Têm um corpo cilíndrico metálico, com os terminais dispostos em linha circular, na sua base.A contagem dos terminais inicia-se pela pequena marca, em sentido horário, com o componente visto por baixo.

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Cápsulas especiaisAs cápsulas especiais são as que dispõem de numerosos terminais para interligarem a enorme integração de componentes que determinados chips dispõem (por exemplo, CI contendo microprocessadores).

Encapsulamento QUAD PACK

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Circuitos Integrados de potênciaAlguns integrados de potência têm uma cápsula extremamente parecida com a dos transístores de potência.

Algumas observações importantes a respeito das aletas de acoplamento aos dissipadores de calor:

Aleta metálica

Dissipador de calor

• As aletas podem ser fixadas a dissipadores de alumínio em método idêntico ao utilizado nos transístores de potência.

• Acoplar-se as aletas à própria caixa (se for metálica) que contém o circuito.

• As aletas podem ser soldadas a uma das faces de cobre do circuito impresso (no caso de uma dupla face).

• As aletas, quase sempre estão ligadas electricamente por dentro do c.i., ao pino correspondente ao negativo da alimentação (massa).

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Bases para os C.I.

A base ou soquete, em termos práticos, além de facilitar a eventual manutenção do circuito, evita o aquecimento do circuito integrado quando se solda.

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Portas lógicas

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Constituição das portas lógicas

Os componentes principais que constituem as portas lógicas são os transístores bipolares (família lógica TTL) ou os transístores de efeito de campo – Fet – (família lógica CMOS).

Estes transístores comportam-se como interruptores electrónicos que ou estão em condução (1) ou estão ao corte (0).

A figura apresenta um exemplo de um circuito eléctrico (porta lógica que implementa afunção AND), utilizando a tecnologia TTL.

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Portas lógicasA facilidade do processamento de números binários decorre da existência de apenas dois dígitos, 0 e 1 (bit), que podem ser representados por 2 níveis de tensão (por exemplo 0 = 0 volt e 1 = 5 volts).Os símbolos representam um bloco lógico com uma ou mais entradas lógicas A, B, etc. e uma saída lógica S. As entradas e saídas lógicas só assumem valores correspondentes aos níveis lógicos 0 e 1.Um bloco lógico executa uma determinada função lógica para a qual foi projectado. Essa função determina os valores que as saídas assumem para cada combinação de valores das entradas. Tais relações são muitas vezes exibidas soba a forma de tabelas de verdade.

A

B

SA

A

AA

B

BBS S

SS

AND OR NOT

NAND NOR

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Circuitos integrados digitais

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

Marca

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Famílias LógicasObjeto de estudo:

TTL (Transistor – Transistor Logic)

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Para projectar um dispositivo digital envolvendo circuitos lógicos de uma dada família é fundamental conhecer as características dessa família, nomeadamente:

Tempo de propagação (velocidade).

Potência dissipada.

Fan-out.

Margem de ruído.

Fator de mérito.

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Características das famílias lógicas

Tempo de atraso de propagação (Tp)

O tempo de atraso de propagação de um sinal é a quantidade de tempo que vai desde que a ocorrência de uma mudança de estado na entrada se reflita na saída.

tPHL

tPLH

tPHL

tPLH

Entrada 0V

Saída

5V

VOH

VOL

VOH

VOL

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Características das famílias lógicas

Fan-out

Existe um limite máximo de entradas de portas lógicas que podem se conectadas simultaneamente à saída de uima porta lógica. Este limite máximo é denominado fan-out.

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Margem de ruído

Uma medida da imunidade a ruído de uma família lógica é denominada margem de ruído, definidad pelos parâmetros VNH e VNL, dados por

VNH = VOH(MIN) - VIH(MIN)

VNL = VIL(MAX) - VOL(MAX)

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Família TTL (Transistor Transistor Lógico)

Principais características: Imunidade ao Ruído;

Menor consumo de potência a altas frequências.

Surgem no mercado duas versões identificadas pelo sufixo, 54 – militar (-55ºC e

+125ºC) e 74 – comercial (0ºC e +70ºC). Este é seguido por uma ou mais letras

que identificam a subfamília e 2, 3 ou 4 dígitos que indicam as portas ou a função

do integrado.

74 ALS xx

Comercial Advanced LowPower Schottky

Tipo de Porta

74/54 FAM xx, onde FAM se refere à mnemónica da subfamília a que pertencem

Exemplo: Os circuitos integrados (CIs) 74AS00, 74ALS00, 74F00, 74H00, 7400 são todos constituídos por 4 portas NAND de 2 entradas cada.

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Performance da família TTLFAMÍLIA TTL (primórdios)

Série TTL Standard 74/54xx;

Série TTL 74/54Hxx (H-High Speed);

Série TTL 74/54Lxx (L-Low Power);

Com o aparecimento do transistor Schottky as séries da família TTL 74xx, . 74Hxx e 74Lxx tornaram-se obsoletas.

Cronologicamente:

74S – Maior velocidade no entanto têm um maior consumo de potência;

74LS – Mesma velocidade que versões anteriores, no entanto têm um consumo de potência 5 vezes inferior;

74AS – Dobro da velocidade que 74S para o mesmo consumo de potência.

FAMÍLIA TTL Schottky

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Saídas TTL em Open Collector

AB

R1 R2

R3

ST1T2

T3

VCC

NAND com saídas em Open Collector

O método para se realizar um AND entre várias saídas em “Open Collector” consiste em ligar todas as saídas umas às outras e colocar uma resistência de pull up ligada a essa saída. Este tipo de ligação é designado por wired AND. Quando todas as saídas estiverem a ‘1’ o ponto de ligação estará a ‘1’.

Wired AND

VCC

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Família CMOS

Séries CMOS: CMOS Série 4000;

74C (C – CMOS);

74 HC (High Speed CMOS);

74 HCT (High Speed CMOS – TTL compatible);

74 VHC (Very High Speed CMOS);

74 VHCT (Very High Speed CMOS – TTL compatible)

74 FCT (Fast CMOS – TTL compatible)

74 FCT-T (Fast CMOS – TTL compatible with TTL VOH)

CMOS (COMPLEMENTARY METAL OXIDE SEMICONDUCTOR)

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Família CMOSCMOS 4000A/4000B

Foi introduzida no mercado na década de 60;

A corrente de saída não é a mesma para todos os circuitos;

Os tempos de propagação dependem da capacidade de carga;

A série 4000B está preparada para fornecer maior corrente de saída;

Hoje ainda existem funções nesta série que não dispõem de equivalentes nas mais recentes;

Dissipação reduzida de potência sendo no entanto bastante lentas.

74CÉ uma série compatível pino a pino e função a função com os circuitos TTL, desde que disponham dos mesmos números de marcação. Desta forma torna-se possível substituir os circuitos TTL por equivalentes CMOS;

As saídas destes circuitos são “bufferizadas”.

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Família CMOS74HC (High Speed CMOS)

Permitem uma gama de alimentação entre os 2 (menor consumo de potência) e 6V (maior velocidade de comutação);

Compatíveis com os circuitos TTL 74LS, mas não na totalidade;

Bem adaptadas em sistemas que usem exclusivamente circuitos CMOS.

74HCT (High Speed CMOS–TTL Compatible)Elevada velocidade de comutação;

Menor consumo de portência e total compatibilidade de níveis com circuitos TTL;

Uma única saída poder alimentar, pelo menos, 10 cargas TTL LS.

74VHC e 74VHCT (Very High Speed CMOS e TTL Compatible)Duas vezes mais rápidas que a versão predecessora, a série HC e HCT;

Mantém a compatibilidade com todas as séries anteriores da mesma família;

Uma em relação à outra diferem unicamente nos níveis de entrada que reconhecem, sendo as suas características de saída iguais;

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Família CMOS

Permitem uma gama de alimentação entre os 2 e os 5,5V;

Com estes circuitos já se conseguem obter tempos de propagação na ordem dos 3ns, comparável aos tempos da série TTL 74 ALS.

74VHC e 74VHCT (Very High Speed CMOS e TTL Compatible)

Surgiram no início dos anos 90;

Permitem igualar e mesmo exceder a velocidade e capacidade de servir de driver relativamente às melhores séries TTL, reduzindo o consumo de potência e mantendo compatibilidade.

Aplicadas principalmente na implementação de buses e outros circuitos com pesadas cargas, pois pode fornecer (sourcing) ou absorver (sinking) acima dos 64mA no estado LOW.

74FCT e 74FCT-T (Fast CMOS TTL Compatible e Fast CMOS-TTL Compatible With TTL VOHmáx)

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Ligação CMOS - TTL

74HC0074AS00

74AS00

A

B

D

C

No estado alto, este tipo de ligação não necessita de qualquer cuidado, pois podemos verificar que, segundo os valores típicos de tensão de saída do CMOS (VOH), satisfaz os níveis de tensão típicos requeridos pela entrada TTL no estado alto VIH. Verifica-se também que a família CMOS fornece uma corrente IOH superior ao valor exigido IIH pela entrada TTL.

Exemplo de ligação

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No estado baixo os circuitos TTL exigem uma entrada relativamente alta que varia de 100A a 2mA. Assim, e porque as séries CMOS HC e HCT podem fornecer 4mA, podem facilmente servir de driver a qualquer série TTL. No entanto, os circuitos da série 4000B não podem servir de driver a uma única entrada de qualquer circuito das séries 74 e 74AS.Neste caso teríamos que optar por recorrer a um buffer. O buffer pode ser outro CMOS, tal como o 74HC ou o 74HCT.

CMOS 4000BCMOS

74HC/HCTTTL

GND GND GND

5V 5V 5V

Ligação CMOS - TTL

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Ligação CMOS - TTLOutro problema que surge, é quando o circuito CMOS é alimentado com uma tensão UDD=15V e é necessário ligá-lo a um circuito TTL. Neste caso usamos um circuito deslocador de nível (4050B), que converte a tensão elevada para os 5V necessários aos circuitos TTL.

CMOS TTL

GND GND GND

15V 5V

4050B

5V

0V

15V

0V

5V

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Ligação CMOS - TTL

TTL CMOSRP

5V

TTL CMOSRP

5V

IRP

IOL

1

2

n

IIL

IIL

IIL

No que diz respeito à tensão, todos os circuitos da série TTL fornecem uma tensão VOHmin demasiado baixa face ao valor VIHmin exigido pelas entradas dos circuitos CMOS.

Neste caso é necessário elevar os níveis TTL para poderem ser aceites pelos circuitos CMOS, como também é necessária a utilização de uma resistência de “pull-up”.

O valor dessa resistência de “pull-up” deverá ser tal que:

)()()(

CMOSnITTLI

VVR

ILOL

máxOLCC

p

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