circuitos integrados digitais

Circuitos integrados digitais

Prof. Tony Alexander HildLgica Digital 1 CC Unicentro 2013

Caractersticas Bsicas dos Circuitos Integrados Digitais

Coleo de resistores, diodos e transistores;

Fabricados em uma nica pea de material semicondutor;Geralmente silcio;

Tambm chamado de chip;

Encapsulado em uma embalagem protetora de plstico ou cermica;DIP (dual-inline package) um dos tipos de encapsulamento mais comuns.

Pinos para ligao do CI com outros dispositivos.


Encapsulamento DIP


Podem ser classificados com o tipo de componente eletrnico que utilizam:Bipolares: Transistor Bipolar de Juno. Ex.: Famlia TTL;

Unipolares: MOSFETS. Ex.: Famlia CMOS.

Principais diferenas entre as famlias so as caractersticas eltricas:Dissipao de potncia, tempo de propagao e velocidade de comutao.

Terminologia - Escala de Integrao

SSI (Small Scale Integration) Integrao em pequena escala;

MSI (Medium Scale Integration) Integrao em mdia escala;

LSI (Large Scale Integration) Integrao em larga escala.Sistemas digitais de grande complexidade;

Milhares de transstores (p.e. memrias de elevada capacidade de armazenamento, microprocessadores, etc.);

VLSI (Very Large Scale Integration) Integrao em muito larga escala.

A tecnologia associada ao fabrico dos circuitos integrados (CIs) digitais tem vindo a desenvolver-se a partir da dcada de 60, possibilitando a implementao de um nmero cada vez maior de componentes numa pastilha de silcio.Os primeiros CIs foram lanados no mercado em 1958 e a famlia lgica TTL surgiu em 1964 como produto standard.O nmero de elementos activos que possvel integrar num nico circuito tem decuplicado de cinco em cinco anos.Definem-se presentemente quatro escalas de integrao:

SSI (Small Scale Integration) Integrao em pequena escala. Envolve um nmero de transstores na ordem da dezena e integra entre uma e dez portas por invlucro.

MSI (Medium Scale Integration) Integrao em mdia escala. Integra numa nica pastilha de silcio, circuitos digitais envolvendo entre 10 e 200 portas lgicas.

LSI (Large Scale Integration) Integrao em larga escala. A este nvel integram-se, numa nica pastilha, sistemas digitais de grande complexidade, envolvendo muitos milhares de transstores (p.e. memrias de elevada capacidade de armazenamento, microprocessadores, etc.).

VLSI (Very Large Scale Integration) Integrao em muito larga escala. Tornam-se muito comuns hoje em dia circuitos VLSI, que integram numa nica pastilha estruturas de computadores envolvendo vrias centenas de milhar de transstores.

Abrev.DenominaoPortas por CI

SSISmall Scale IntegrationMenos de 12

MSIMedium Scale IntegrationEntre 12 e 99

LSILarge Scale IntegrationEntre 100 e 9.999

VLSIVery Large Scale IntegrationEntre 10.000 e 99.999

ULSIUltra Large Scale IntegrationEntre 100.000 e 999.999

GSIGiga Scale Integration1.000.000 ou mais

Terminologia - Escala de Integrao

Terminologia - Parmetros de corrente e tenso

VIH (min) Tenso de Entrada em Nvel Alto (high-level input voltage): O nvel mnimo de tenso necessrio para 1 na entrada. Qualquer tenso abaixo dessa tenso no ser aceita como nvel ALTO pelo circuito lgico;VIL(max) Tenso de Entrada em Nvel Baixo (low-level input voltage): O nvel mximo de tenso permitido para 0 na entrada. Qualquer tenso acima deste nvel no ser aceita como nvel BAIXO pelo circuito lgico;VOH(min) Tenso de Sada em Nvel Alto (high-level output voltage): O nvel mnimo de tenso na sada de um circuito lgico, no estado lgico 1, sob determinadas condies de carga;VOL(max) Tenso de Sada em Nvel Baixo (low-level output voltage): O nvel mximo de tenso na sada de um circuito lgico, no estado lgico 0, sob determinadas condies de carga;IIH Corrente de Entrada em Nvel Alto (high-level input current): A corrente que flui para uma entrada quando uma tenso de nvel alto especificada aplicada naquela entrada;IIL Corrente de Entrada em Nvel Baixo (low-level input current): A corrente que flui para uma entrada quando uma tenso de nvel baixo especificada aplicada naquela entrada;IOH Corrente de Sada em Nvel Alto (high-level output current): A corrente que flui de uma sada no estado lgico 1 sob condies de carga especificadas;IOL Corrente de Sada em Nvel Baixo (low-level output current): A corrente que flui de uma sada no estado lgico 0 sob condies de carga especificadas.

Terminologia - Nveis Lgicos de Entrada

Terminologia - Fan-Out (Fator de acionamento de carga)

Na maioria dos designs, portas lgicas so ligadas de modo a formar circuitos mais complexos;

comum uma sada de um circuito lgico acionar vrias entradas;

O fan-out definido como o nmero mximo de entradas lgicas padronizadas que uma sada pode acionar com segurana;

Se FO for excedido, os nveis lgicos da sada no podem ser garantidos;

Em eletrnica digital, o fan-out de sada de uma porta lgica o nmero de portas de entradas que podem alimentadas ou conectadas.

Terminologia - Atrasos de propagao

Um sinal lgico sempre sofre um atraso ao atravessar um circuito;

Os dois tempos de atraso de progagao so:tPLH Tempo de atraso do estado 0 para 1;

tPHL Tempo de atraso do estado 1 para 0.

Terminologia - Requisitos de potncia

Todo CI necessita de uma certa quantidade de potncia eltrica para operar;

Essa potncia fornecida pela fonte de alimentao (geralmente VCC para TTL e VDD para CMOS);

A potncia definida pelo produto ICC x VCC;

Para muitos CIs esse produto varia de acordo com os nveis lgicos das sadas.

Terminologia - Imunidade ao rudo

Campos eltricos e magnticos podem induzir tenses nos fios de conexo entre os circuitos lgicos;

Estes sinais indesejveis so chamados de rudo e podem alterar o nvel de tenso do sinal fazendo que o mesmo entre na regio de indeterminao, o que produzir uma operao imprevisvel;

Imunidade ao rudo a capacidade do circuito tolerar rudos sem provocar alteraes esprias na tenso de sada;

Uma medida quantitativa para a imunidade ao rudo denominada de margem de rudo (VNH) e definida como:Margem de rudo para o estado alto: VNH = VOH VIH;

Margem de rudo para o estado baixo: VNL = VIL VOL.

Terminologia Nveis de tenso

Para operar adequadamente, os nveis de tenso de entrada de um circuito lgico devem ser mantidos fora da faixa indeterminada mostrada ao lado:

Entradas no-conectadas

O que acontece quando as entradas de um CI no esto conectadas a nenhum nvel lgico?

Entrada em flutuao;

Resposta diferente para TTL e CMOS;

Na famlia TTL, funcionam como nvel 1;

Na famlia CMOS, pode danificar o CI devido a rudos.

Tecnologia Bipolar Transistor Bipolar de Juno

NPN ou PNP;

Alto consumo de potncia;

Alta velocidade;

Imune a rudos.

Tecnologia unipolar - MOSFET

MOS (Metal Oxide Semiconductor):Eletrodo de metal conectado a uma camada de xido isolante que, por sua vez, depositada sobre um substrato de silcio;

Os transistores construdos na tcnica MOS so transistores de efeito de campo (field-effect transistor) denominados de MOSFETs.Relativamente simples;

Pequenos:50 vezes menos que o TTL (bipolares);

Alta densidade

Baixo custo de fabricao;

Baixo consumo de potncia;

Dominam integrao em larga escala (LSI-GSI);Processadores, memrias

Vulnervel a esttica.

Diferenas entre os transistores

TBJ NPN

TBJ PNP

MOSFET - PNP

Famlias Lgicas

As famlias lgicas mais comuns podem ser classificadas como:RTL - Lgica resistor-transistor (obsoleta);

DTL - Lgica diodo-transistor (obsoleta);

DCTL - Lgica transistor acoplamento direto;

TTL - Lgica transistor-transistor (mais popular);

ECL - Lgica emissor-acoplado;

MOS - Metal Oxide Semiconductor:

PMOS - Lgica MOSFETs de canal-p (obsoleta);

NMOS - Lgica MOSFETs de canal-n

CMOS - Lgica MOSFETs Complementares;

A tecnologia atualmente dominante a CMOS devido ao baixo consumo de potncia e a grande capacidade de integrao.

Famlia TTL

O Transistor-Transistor Logic (TTL) uma designao para circuitos digitais que trabalham em 5V e utilizam transistores bipolares (TJB) em sua construo;

derivada de uma famlia mais antiga: DTL, Lgica Transistor Diodo;

Principais caractersticas:Imunidade ao Rudo;

Menor consumo de potncia a altas frequncias.

Famlia TTL

Srie 54xxx:Uso militar

Temperatura de operao: -55 a 125 C.

Srie 74xxx:Uso comercial;

Temperatura de operao: 0 a 70 C.

Famlia TTL

54/74LXXX:Baixa potncia;

Melhor relao velocidade versus potncia entre todos os dispositivos lgicos;

As resistncias internas dos transistores do CI so aumentadas, resultando numa menor dissipao de potncia (1 mW por porta, com retardo de 33nS por porta).

54/74HXXX:Alta velocidade. Os tempos de subida e descida de pulsos so menores;

Os transistores internos do CI so feitos em configurao darlington;

Atraso de propagao de 6ns por porta;

A desvantagem que este tipo de circuito consome mais corrente que o tipo comum.

54/74SXXX:Componentes com tecnologia schottky (tipo de diodo de alta performance);

Combina alta velocidade com baixo consumo.

Os CIs 74AS00, 74ALS00, 74F00, 74H00, 7400 so todos constitudos por 4 portas NAND de 2 entradas cada.

Famlia TTL

Famlia TTL Schottky:

Tempo de Propag. (ns)

Potncia por porta (mW)

Fan-Out

S: Schottky 74Sxx

3

19

57

LS: Low Power Schottky 74LSxx

9

2

18

AS: Advanced Schottky 74ASxx

1,7

8

13,6

ALS: Advanced Low Power Schottky 74ALSxx

4

1,2

4,8

F: Fast 74Fxx

3

4

12

Famlia CMOS

Principais caractersticas:Maior facilidade de construo;

Compactos;


Imunidade ao rudo pior que TTL:Todas as entradas devem sempre estar conectadas.

Famlia CMOS

Sries CMOS:CMOS Srie 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).

Famlia CMOS

Srie CMOS 4000A/4000B:Introduzida no mercado na dcada de 60;

A corrente de sada no a mesma para todos os circuitos;

Os tempos de propagao dependem da capacidade de carga;

A srie 4000B est preparada para fornecer maior corrente de sada;

Hoje ainda existem funes nesta srie que no dispem de equivalentes nas mais recentes;


Lentos.

Srie 74C:Compatvel pino a pino e funo a funo com os circuitos TTL, desde que disponham dos mesmos nmeros de marcao. Desta forma torna-se possvel substituir os circuitos TTL por equivalentes CMOS;

As sadas destes circuitos so bufferizadas.

Famlia CMOS

Srie 74HC (High Speed CMOS):Permitem uma gama de alimentao entre os 2 (menor consumo de potncia) e 6V (maior velocidade de comutao);

Compatveis com os circuitos TTL 74LS, mas no na totalidade;

Bem adaptadas em sistemas que usem exclusivamente circuitos CMOS.

Srie 74HCT (High Speed CMOSTTL Compatible):Elevada velocidade de comutao;

Menor consumo de portncia e total compatibilidade de nveis com circuitos TTL;

Uma nica sada poder alimentar, pelo menos, 10 cargas TTL LS.

Sries 74VHC e 74VHCT (Very High Speed CMOS e TTL Compatible):Duas vezes mais rpidas que as verso predecessoras (sries HC e HCTP);

Mantm a compatibilidade com todas as sries anteriores da mesma famlia;

Uma em relao outra diferem unicamente nos nveis de entrada que reconhecem, sendo as suas caractersticas de sada iguais;

Permitem uma gama de alimentao entre 2 e 5,5V;

Com estes circuitos j se conseguem obter tempos de propagao na ordem dos 3ns, comparvel aos tempos da srie TTL 74 ALS.

Famlia CMOS

Srie 74FCT e 74FCT-T (Fast CMOS TTL Compatible e Fast CMOS-TTL Compatible With TTL VOHmx)Surgiram no incio dos anos 90;

Compatveis com TTL;

Velocidade comparvel com TTL com menor consumo de potncia.

CMOS

TTL

Parmetro

4000B

74HC

74HCT

74

74LS

74AS

74ALS

VIH(min) (V)

3,5

3,5

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

VIL(mx) (V)

1,5

1,0

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

VOH(min) (V)

4,95

4,9

4,9

2,4

2,4

2,7

2,7

VOL(mx) (V)

0,05

0,1

0,1

0,4

0,5

0,5

0,4

IIH(mx) (A)

1

1

1

40

20

200

20

IIL(mx) (A)

1

1

1

1600

400

2000

100

IOH(mx) (mA)

0,4

4

4

0,4

0,4

2

0,4

IOL(mx) (mA)

0,4

4

4

16

8

20

8

Ligaes entre famlias lgicas

Valores tpicos de entrada e sada para as famlias TTL e CMOS (casos extremos de Funcionamento).

Quando os circuitos de duas famlias lgicas forem ligados, os nveis alto e baixo do circuito driver (fornece) devem estar contidos nos nveis alto e baixo do circuito, que funciona como carga (recebe); se tal no acontecer so necessrios deslocadores de nvel.Se as correntes mximas fornecidadas pelo circuito driver (fornece) excederem as correntes do circuito que funciona como carga (recebe), as duas famlias podem ser ligadas; se tal no suceder, so necessrios buffers para se obter a necessria amplificao de corrente.

Ligao CMOS-TTL

No estado alto, este tipo de ligao no necessita de qualquer cuidado;

Pode-se verificar que, segundo os valores tpicos de tenso de sada do CMOS (VOH), satisfaz os nveis de tenso tpicos requeridos pela entrada TTL no estado alto VIH;;

Verifica-se tambm que a famlia CMOS fornece uma corrente IOH superior ao valor exigido IIH pela entrada TTL.

Ligao TTL-CMOS

No que diz respeito tenso, todos os circuitos da srie TTL fornecem uma tenso VOHmin demasiado baixa face ao valor VIHmin exigido pelas entradas dos circuitos CMOS;

Neste caso necessrio elevar os nveis TTL para poderem ser aceitos pelos circuitos CMOS, como tambm necessria a utilizao de uma resistncia de pull-up.

O valor dessa resistncia de pull-up dever ser tal que:

Principais Portas Lgicas em CIs



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