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SISTEMAS DIGITAIS CIRCUITOS FAMÍLIA LOGICAS E CIRCUITOS INTEGRADOS Professor Carlos Muniz

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CIRCUITOS FAMÍLIA LOGICAS E

CIRCUITOS INTEGRADOSProfessor Carlos Muniz

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O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados,possibilitando a colocação num único invólucro de diversoscomponentes já interligados, veio permitir um desenvolvimento muitorápido da Eletrônica Digital e conseqüentemente do projeto de

Introdução

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rápido da Eletrônica Digital e conseqüentemente do projeto desistemas digitais. Foi criada então uma série de circuitos integradosque continham numa única pastilha as funções lógicas digitais maisusadas e de tal maneira projetadas que todas eram compatíveis entresi. Estas séries de circuitos integrados formaram então as FamíliasLógicas, a partir das quais os projetistas tiveram facilidade emencontrar todos os blocos para montar seus sistemas digitais.

Em virtude da massificação do uso de CIs, torna-se necessárioconhecer as características gerais desses circuitos e de algumas dasfamílias lógicas mais populares. Uma vez entendidas taiscaracterísticas, estaremos muito mais bem preparados para trabalharno projeto de circuitos digitais.

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Apesar do grande número de fabricantes de circuitos integrados,grande parte da nomenclatura e da terminologia empregadas nestaárea são mais ou menos padronizadas. Os termos mais usais serãodefinidos e discutidos a seguir.

Terminologia dos Circuitos Integrados

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definidos e discutidos a seguir.

Parâmetros de Tensão e Corrente

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Parâmetros de Tensão e Corrente

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VIH (mínimo) – Tensão de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Alto. É onível de tensão necessário a representar o nível lógico 1 na entrada de um circuitodigital. Qualquer tensão abaixo deste nível não será considerada nível lógico ALTO porum circuito digital.

VIL (máximo) - Tensão de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo. É onível de tensão necessário a representar o nível lógico 0 na entrada de um circuitodigital. Qualquer tensão acima deste nível não será considerada nível lógico BAIXO porum circuito digital.

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Parâmetros de Tensão e Corrente

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VOH (mínimo) - Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Alto. É o nível de tensão necessário a representar o nível lógico 1 na saída de um circuito digital. Tal parâmetro normalmente é especificado por seu valor mínimo.

VOL (máximo) - Tensão de Saída Correspondente ao Nível Lógico Baixo. É o nívelde tensão necessário a representar o nível lógico 0 na saída de um circuito digital. Talparâmetro normalmente é especificado por seu valor máximo.

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Parâmetros de Tensão e Corrente

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IIH (mínimo) – Corrente de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Alto. Valorda corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nível lógico alto éaplicado em tal entrada.

IIL (máximo) – Corrente de Entrada Correspondente ao Nível Lógico Baixo.Valor da corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nível lógicobaixo é aplicado em tal entrada.

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Fan-Out: Em geral, a saída de um circuito lógico é projetada paraalimentar várias entradas de outros circuitos lógicos. O fan-out,também chamado fator de carga, é definido como o número máximode entradas de circuitos lógicos que uma saída pode alimentar demaneira confiável. Se tal número não for respeitado, os níveis detensão na saída do circuito poderão não respeitar as especificações.

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globo.comExemplo: Uma porta lógica com fan-out de 10 pode alimentar até 10entradas lógicas padrão.

Para determinar quantas entradas diferentes a saída de um CI podealimentar, precisamos conhecer IOL (máx) e IOH (máx) de tal CI e asnecessidades de corrente de cada entrada, IIL e IIH.Estas informações estão sempre presentes nas especificações do chipfornecidas pelo fabricante.

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Assim,

Se o fan-out para o nível BAIXO for diferente do fan-out para o nível ALTO,como ocorre em alguns casos, devemos escolher o menor dos dois.

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como ocorre em alguns casos, devemos escolher o menor dos dois.

Obs.: O Fan-In indica a quantidade máxima de saídas que podemos ligar auma entrada.

Retardo de Propagação: Um sinal lógico sempre sofre retardo em suapassagem através de um circuito. Os dois tempos Correspondentes aosretardos de propagação são definidos como:

tPLH: tempo de retardo correspondente à passagem do nível lógico 0 para o

nível lógico 1 (BAIXO para ALTO).

tPHL: tempo de retardo correspondente à passagem do nível lógico 1 para o

nível lógico 0 (ALTO para BAIXO).

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A figura a seguir ilustra tais retardos de propagação para um circuito NOT.Observe que tPHL é o tempo necessário para que a saída do NOT passe donível ALTO para o nível BAIXO, em resposta a uma entrada ALTO. Ele émedido a partir da metade dos pontos de transição dos sinais de entrada e desaída. O parâmetro tPHL corresponde ao tempo que a saída leva pararesponder a uma entrada no nível BAIXO.

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Em geral tPLH e tPHL possuem valores diferentes, variando tambémem função das condições de carregamento a que o circuito estáSubmetido. Tais valores são usados para compararem as velocidadesde operação dos circuitos lógicos.

Exemplo: Um circuito com retardo de propagação em torno de 10ns émais rápido do que um circuito com retardo da ordem de 20 ns.

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mais rápido do que um circuito com retardo da ordem de 20 ns.

Exigências para alimentação: Cada CI precisa de umadeterminada quantidade de potência elétrica para operar. Talpotência é suprimida por uma ou mais fontes de tensão, conectadasaos pinos de alimentação do chip. Normalmente, só é necessáriooperar um único pino para alimentação do chip, denominado VCC paraa família TTL e VDD para os dispositivos MOS (descritosposteriormente).

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A quantidade de potência que um CI precisa para funcionar édeterminada pela corrente ICC que ele puxa da fonte que fornece VCC ,sendo seu valor numérico obtido pelo produto ICC x VCC . Para muitosCIs, o consumo de corrente vai variar, dependendo dos níveis lógicosdos circuitos dos chips.

Exemplo: Considere um chip NAND, em que todas as saídas estão no

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Exemplo: Considere um chip NAND, em que todas as saídas estão nonível lógico ALTO. Neste caso, a corrente que sai da fonte VCC échamada de ICCH. Considere o mesmo chip NAND, com todas as suassaídas no nível lógico BAIXO. Neste caso, a corrente que sai da fonteVCC é denominada ICCL .

Em geral, ICCH e ICCL têm valores diferentes, sendo o valor médio detais correntes

utilizado para calcular a potência média consumida pelo circuitointegrado

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Produto Velocidade-Potência: Historicamente, as famílias decircuitos integrados têm como características marcantes a suavelocidade de operação e a potência consumida. Em geral, o projeto detais circuitos busca um retardo de propagação baixo (alta velocidadede operação) e valores baixos de potência dissipada. Um meio comumde medir e comparar a performance global de uma família de circuitosintegrados é através do produto velocidade-potência (speed-power),

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integrados é através do produto velocidade-potência (speed-power),

obtido através da multiplicação do retardo de propagação pelapotência dissipada.

Exemplo: Suponha uma determinada família de circuitos integradosque tenha um retardo médio de propagação de 10 ns, e uma potênciadissipada média de 5mW. O produto velocidade-potência é 50pJ.

Fica claro que, quanto mais baixo for o valor deste produto, melhorserá o desempenho global da família em questão.

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Imunidade ao Ruído: Picos de corrente elétrica e camposmagnéticos podem induzir tensões nas conexões existentes entre oscircuitos lógicos. Tais sinais, indesejados e espúrios, são denominadosruído. A imunidade ao ruído de um circuito lógico refere-se àcapacidade deste circuito tolerar tensões geradas por ruído em suasentradas, sem alterar o seu funcionamento. A quantidade medida deimunidade ao ruído é denominada margem de ruído.

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imunidade ao ruído é denominada margem de ruído.

Obs.: Estritamente falando, as margens de ruído definidas são chamadas de margens de

ruído dc. Tal termo pode parecer não apropriado quando se trata de definir ruído, que

geralmente é um sinal ac. Ocorre que, nos circuitos integrados atuais, em que a velocidade

de operação é extremamente alta, um pulso de 1ms de duração é considerado longo e pode

ser tratado como um pulso dc, levando se em conta que o circuito responderá normalmente

a tal pulso.

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Níveis de Integração de Circuitos: Os cinco níveis de integraçãode circuitos são mostrados a seguir.

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Encapsulamentos mais comuns para CIs: (a) DIP (dual-in-linepackage) de 24 pinos; (b) envoltório de cerâmica flexível de 14 pinos; (c)envoltório montado sobre a superfície (surface-mount).

O envoltório de cerâmica flexível é uma embalagem hermeticamentefechada construída com uma cerâmica não-condutora, o que torna ochip totalmente imune aos efeitos da umidade. Estes envoltórios sãousados em circuitos destinados a aplicações militares, que devemfuncionar em condições ambientais extremas, totalmentedesfavoráveis.

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O envoltório montado na superfície é a técnica de encapsulamentomais moderna, é muito similar ao DIP, exceto pelo fato de seus pinosterminarem dobrados en ângulos retos, de maneira a poderem sersoldados diretamente na superfície da placa de circuito impresso. Emgeral, são menores que os DIPs. Os CIs montados na superfícietambém têm a vantagem de poderem ser mais facilmente manipuladospelos equipamentos automáticos de montagem de placas de circuito.

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Outros Termos Utilizados em Circuitos Integrados

Buffer/Driver: Circuito projetado para fornecer uma corrente desaída alta e/ou tensão também alta se comparadas aos parâmetrosnormalmente associados aos circuitos lógicos comuns.

Circuitos Digitais integrados nos quais transistores

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CIs bipolares: Circuitos Digitais integrados nos quais transistoresPNP ou NPN são os principais formadores do circuito.

CIs Unipolares: Circuitos Integrados digitais nos quais umtransistor unipolar por efeito de campo (MOSFET) é o principalelemento para a construção dos circuitos.

Dispositivo Lógico Programável (PLD): Circuito integrado quecontém um grande número de funções lógicas interconectadas. Ousuário pode programar o CI para uma função específica, abrindoas conexões apropriadas.

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Outros Termos Utilizados em Circuitos Integrados

Driver: Termo técnico adicionado a algumas descrições de CIs, paraindicar que as saídas do CI podem operar a altas correntes e/ou altastensões, se comparado com os CIs comuns.

Sinal em alta impedância,

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Entrada flutuante ou em flutuação: Sinal em alta impedância,apresentado como entrada de um circuito digital. Atua como seestivesse logicamente desconectado ao circuito.

Lógica absorvedora de corrente: Família lógica na qual a saídade um circuito lógico drena corrente da entrada de um outro circuitológico.

Lógica acoplada pelo emissor (ECL): Também conhecida como lógica em modo de corrente.

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Outros Termos Utilizados em Circuitos Integrados

Lógica fornecedora de corrente: Família lógica na qual a saídade um circuito lógico fornece corrente para a entrada de um outrocircuito lógico.

Tipo de estrutura de saída de alguns

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Saída a coletor aberto: Tipo de estrutura de saída de algunscircuitos TTL (Transistor-Transistor Logic), no qual só é usado umtransistor com seu coletor em flutuação.

Saída de três estados (tristate): Tipo de estrutura que permiteque uma saída seja colocada em um dos três estados: ALTO, BAIXOou ALTA IMPEDÂNCIA.

Saída totem-pole: Termo usado para descrever a forma na qualdois transistores bipolares são ligados na saída de alguns circuitosTTL.

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Famílias Lógicas de Circuitos Integrados

Durante muito tempo, os circuitos construídos a partir da Álgebrabooleana foram implementados utilizando-se dispositivoseletromecânicos como, por exemplo, os relês. Portanto, o nível detensão correspondente a um nível lógico, poderia assumir qualquervalor dependendo apenas das características do projeto.

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valor dependendo apenas das características do projeto.

A partir do surgimento do transistor, procurou-se padronizar ossinais elétricos correspondentes aos níveis lógicos. Esta padronizaçãoocasionou o surgimento das famílias de componentes digitais comcaracterísticas bastante distintas.

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Famílias Lógicas de Circuitos Integrados

As famílias lógicas diferem basicamente pelo componente principalutilizado por cada uma em seus circuitos. As famílias TTL(Transistor-Transistor Logic) e ECL (Emitter Coupled Logic) usamtransistores bipolares como seu principal componente, enquanto asfamílias PMOS, NMOS e CMOS usam os transistores unipolares

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famílias PMOS, NMOS e CMOS usam os transistores unipolaresMOSFET (transistor de efeito de campo construído segundo a técnicaMOS - Metal Oxide Semicondutor) como seu elemento principalde circuito.

Atualmente a Família TTL e a CMOS são as mais usadas, sendoempregadas em uma grande quantidade de equipamentos digitais etambém nos computadores e periféricos. Dessa forma, essas serão asfamílias abordadas.

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Família Lógica TTL

TTL significa Transistor-Transistor – Logic (LógicaTransistor-Transistor). A tensão de alimentação se restringe a5V contínuos, tendo, porém, uma faixa de tensão correspondente aosníveis lógicos 0 e 1.

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globo.comA figura a seguir mostra as faixas de tensão correspondentes aosníveis lógicos de entrada de um circuito integrado da família TTL.

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Família Lógica TTL

Observa-se, na figura, que existe uma faixa de tensão entre 0,8V e2V na qual o componente TTL não reconhece os níveis lógicos 0 e 1,devendo, portanto, ser evitada em projetos de circuitosdigitais.

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globo.comA figura a seguir mostra as faixas de tensão correspondentes aosníveis lógicos de saída de um circuito integrado da família TTL.

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Família Lógica TTL

A figura a seguir apresenta um exemplo de um circuito elétrico(porta lógica que implementa a função AND), utilizando a tecnologiaTTL.

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Família Lógica TTL

Observação: Quando não desejamos utilizar uma determinadaentrada de um circuito TTL, podemos proceder de uma das formasapresentadas no exemplo da figura a seguir.

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Família Lógica TTL

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Na figura (a) a entrada está desconectada (em flutuação), que age exatamente como se onível lógico 1 estivesse aplicado a ela. Isto significa que, em qualquer CI TTL, todas asentradas serão 1 se não estiverem conectadas a nenhuma fonte de sinal lógico ao à terra.Quando uma entrada estiver aberta, diz-se que a mesma está em “flutuação”. Quandonão desejamos utilizar uma entrada essa não é a melhor opção, pois as entradasdesconectadas agirão como uma antena, captando sinais espúrios que podem fazer comque o circuito opere indevidamente. Uma técnica mais adequada é apresenta na figura(b), em que tal entrada é conectada a uma tensão de +5V, através de um resistor de1KW, forçando o nível lógico 1 nessa entrada. O resistor serve apenas para proteger aentrada, em caso de correntes elevadas serem geradas, em função de picos de tensão nafonte de energia.

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Uma terceira técnica é mostrada na figura (c), em que a entrada nãousada é conectada a uma das entradas utilizadas. Isto é aceitável,caso o circuito que estiver alimentando a entrada B não venha a terseu fan-out excedido com a conexão da entrada não utilizada.

A família TTL foi originalmente desenvolvida pela TEXASInstruments, mas hoje, muitos fabricantes de semicondutoresproduzem seus componentes.

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Esta família é principalmente reconhecida pelo fato de ter duasséries que começam pelos números 54 para os componentes de usomilitar e 74 para os componentes de uso comercial.

Os CIs da série TTL 74-padrão oferecem uma combinação de

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Os CIs da série TTL 74-padrão oferecem uma combinação develocidade e potências consumidas adequadas a um grande númerode aplicações. Entre os CIs desta série, podemos encontrar umaampla variedade de portas lógicas, flip-flops, construídos segundo atecnologia SSI, além de registradores de deslocamento, contadores,decodificadores, memórias e circuitos aritméticos, construídos com atecnologia MSI.

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Especificações do fabricante: Para ilustrar as características dasérie-padrão TTL, vamos utilizar o CI 7400, um NAND quádruplo.

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Especificações do fabricante: Para ilustrar as características dasérie-padrão TTL, vamos utilizar o CI 7400, um NAND quádruplo.

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Especificações do fabricante: Para ilustrar as características dasérie-padrão TTL, vamos utilizar o CI 7400, um NAND quádruplo.

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Compatibilidade entre as subfamílias: Um ponto importanteque deve ser levado em conta quando trabalhamos com afamília Padrão (Standard) e as subfamílias TTL é a possibilidade deinterligarmos os diversos tipos. Isto realmente ocorre, já que todos oscircuitos integrados da família TTL e também das subfamílias são

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circuitos integrados da família TTL e também das subfamílias sãoalimentados com 5V. Devemos observar, e com muito cuidado, que ascorrentes que circulam nas entradas e saídas dos componentes dasdiversas subfamílias são completamente diferentes.

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A tecnologia MOS (Metal Oxide Semiconductor) tem seu nome extraído dofato de sua estrutura básica ser formada por um eletrodo de metal conectadoa uma camada de óxido isolante que, por sua vez, é depositada sobre umsubstrato de silício. Os transistores construídos na técnica MOS sãotransistores por efeito de campo (field-effect transistor) chamados por

conseguinte de MOSFETs.

Família MOS

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conseguinte de MOSFETs.

As principais vantagens do MOSFET residem nos fatos de ele serrelativamente simples, de ter um custo de fabricação bem baixo, de serpequeno e de consumir muito pouca potência. Além disso, o MOS ocupa muitomenos espaço no chip do que os transistores bipolares (aproximadamente, 50vezes menos espaço). Um outro aspecto muito importante sobre a tecnologiaMOS é o fato de seus CIS não usarem resistores na sua construção. Osresistores tomam parte da área de chip ocupada pelos CIs bipolares. A altadensidade de integração dos CIs MOS permite a construção de sistemas dealta confiabilidade, em virtude da redução no número de conexões externasnecessárias à implementação de determinada função lógica.

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A principal desvantagem da técnica MOS é a velocidade de operaçãorelativamente baixa de seus componentes, se comparada com asapresentadas por componentes das famílias bipolares.

Em resumo, comparada com as famílias lógicas bipolares, as famílias MOSsão mais lentas na operação, requerem muito menos potência, têm uma

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são mais lentas na operação, requerem muito menos potência, têm umamargem de ruído melhor, uma faixa de tensão maior, e um fan-out tambémmaior (o fan-out da família CMOS é completamente ilimitado, sendo restritoapenas por atrasos e considerações sobre o tempo de subida). Além disso,requer menos espaço.

Obs.: A lógica MOS é especialmente susceptível a danos causados pela

eletricidade estática, enquanto que as famílias bipolares não são tão afetadas.

A descarga eletrostática é responsável pela perda de milhões de dólares,

devido a danos causados por ela em equipamentos eletrônicos. Alguns

procedimentos são adotados para evitar esse problema, por exemplo, deve-se

conectar à terra o chassi de todos os instrumentos de testes, o operador deve se

conectar à terra através de uma pulseira especial, não deixar desconectada

nenhuma entrada de qualquer CI que não esteja sendo utilizado, etc.

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CMOS significa Complementary Metal Oxide Semiconductor (Semicondutorde Óxido-Metal Complementar), usa tanto FETs canal-N quanto canal-P nomesmo circuito, de forma a aproveitar as vantagens de ambas as famíliaslógicas.

As características principais desta família são o reduzido consumo de

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As características principais desta família são o reduzido consumo decorrente (baixa potência), alta imunidade a ruídos e uma faixa dealimentação que se estende de 3V a 15V ou 18V dependendo do modelo.

O processo de fabricação do CMOS é mais simples que o do TTL, possuindotambém uma densidade de integração maior, porém são mais lentos do que osTTL, apesar da nova série CMOS de alta velocidade competir em pé deigualdade com as séries TTL 74 e 74LS.

A família CMOS possui, também, uma determinada faixa de tensão pararepresentar os níveis lógicos de entrada e de saída, porém estes valoresdependem da tensão de alimentação e da temperatura ambiente.

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A figura a seguir, ilustra o exemplo de um circuito implementado utilizando a tecnologia CMOS (NOT CMOS básico).

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4000/14000: foram as primeiras séries da família CMOS, são bastanteutilizadas, apesar do aparecimento de novas séries, pelo fato deimplementarem diversas funções ainda não disponíveis nas novas séries.

74C: compatível, pino a pino e função por função, com os dispositivos TTL demesmo número. Aperformance desta série é quase idêntica à da série 4000.

Características das séries CMOS

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mesmo número. Aperformance desta série é quase idêntica à da série 4000.

74HC (CMOS de Alta Velocidade): versão melhorada da 74C, o principalmelhoramento é o tempo de comutação (em torno de 10 vezes maior), bemcomo a capacidade de suportar altas correntes na saída. A velocidade dosdispositivos desta série é compatível com a velocidade dos dispositivos dasérie TTL 74LS.

74HCT: CMOS de alta velocidade. A principal diferença entre esta série e a7HC é o fato de ela ser desenvolvida para ser compatível em termos detensões com dispositivos da família TTL. Ou seja, os dispositivos 74HCTpodem ser alimentados diretamente por saídas de dispositivos TTL.

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Compatibilidade: Ao contrário da família TTL, que é produzida com asmesmas características elétricas por todos os fabricantes, a CMOS, emborapadronizada em sua numeração, apresenta grandes variações na capacidadede saída e velocidade de operação, de um fabricante para outro. Algumasvezes, até as funções são diferentes e incompatíveis, com o que deve-se termuito cuidado.

Características das séries CMOS

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muito cuidado.

O quadro a seguir compara as características típicas das principais séries de circuitos integrados das famílias CMOS e TTL.

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“Interfaceando”: Mesmo tendo uma faixa de tensões ampla ecaracterísticas diferentes dos circuitos integrados, existe apossibilidade de “interfacear” circuitos TTL e CMOS, desde quesejam tomados cuidados no que se refere a compatibilidade.

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A partir do exposto, verifica-se que existem vantagens edesvantagens no uso dos circuitos CMOS em lugar dos TTL, mas osfabricantes conseguem pouco a pouco eliminar as diferençasexistentes entre as duas famílias com o desenvolvimento detecnologias de fabricação, aumentando ainda mais a velocidade ereduzindo o consumo. De uma forma geral, podemos dizer queexistem aplicações em que é mais vantajoso usar um tipo eaplicações em que o outro tipo é melhor.