1

Dispositivos de

Chaveamento

Raul Queiroz Feitosa

2

Objetivo

Ilustrar os conceitos, a estrutura e o

comportamento dos circuitos lógicos que

realizam as funções de chaveamento.

2

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

3

Introdução

Realização de sistemas digitais em 2 níveis:

1. Nível lógico: baseado em componentes primitivos, chamados portas.

2. Nível de circuito: corresponde à realização física.

� independe do nível de circuito� agiliza o projeto (permite abstração dos detalhes do nível de circuito)

� certas características neste nível que determinam se a rede de portas é fisicamente realizável

4

3

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

5

Representação variáveis binárias

Estados 0 e 1 representados por sinais elétricos

(tensões, correntes, carga elétrica, etc):

VHmin

VLmax

VLmin

Região VL

Região VH

Região Proibida

3,3 V

2,0V

0,8 V

0,6 V

Exemplo:

CMOS 3.3V Tensões

6

lógica

positiva

1

0

lógica

negativa

0

1

4

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

7

Chaves tipo n e tipo p

B

A

C

VCA

B

A

C

VBC

resistência entre A e B muito baixa: chave FECHADA (ligada)

resistência entre A e B muito alta: chave ABERTA (desligada)

VCA

VTh

resistência entre A e B muito baixa: chave FECHADA (ligada)

resistência entre A e B muito alta: chave ABERTA (desligada)

VBC

VTp

porta

dreno

fonte

A

B

C

porta

dreno

fonte

A

B

C

porta

dreno

fonte

A

B

C

porta

dreno

fonte

A

B

C

transistor nMOS símbolo lógico transistor pMOS símbolo lógico

chave tipo n chave tipo p

nS pS

8

5

Exemplo

Porta NOT

Vin

vout

VDD

VTn VDD-VTp VTDD

pS fechada

nS aberta

pS aberta

nS fechadaVDD

x

vin

z

Terra (0V)

vout

vin vout

VH

VL

VL

VH

x z

1

0

0

1

x z

9

Exemplos

NAND NOR AND OR

x

y

x

y

x

y

x

y

z

x y z z z z

0 0 1 1 0 0

0 1 1 0 0 1

1 0 1 0 0 1

1 1 0 0 1 1

z z z

10

6

Exemplos

XOR NOTXOR

x y z z

0 0 0 1

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

x

y

x

y

z z

11

Exemplos

Portas complexas

AND-OR-INVERT OR-AND-INVERT

xy

uv

z

xy

uv

z

z = ( uv + xy ) z = ( u+v ) ( x+y )

12

7

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

13

Retardo de propagação

É o tempo entre pontos pré-definidos (normalmente 50%) nos sinais de entrada e seu efeito na saída.

50%

50% 50%

50%

Retardo de propagação de alto para baixo

Retardo de propagação de baixo para alto

ENTRADA

SAÍDA

alto

baixo

alto

baixo

tpHL tpLH

x z

14

8

Tempo de Transição

É o tempo para que um sinal se modifique entre pontos pré-definidos (normalmente 10% e 90%) durante uma transição).

90%

Retardo de subida

alto

baixo

trtf

Retardo de descida

90%

10%10%

15

Efeito da carga

O número de entradas ligadas a uma saída numa rede lógica afetam os níveis (carga estática - Rin) e os tempos do sinal na saída (carga dinâmica - Cin).

vin Cin Rin

Iin porta

Circuito equivalente para a entrada de uma porta

16

9

Efeito da cargaA carga total aplicada a uma saída é a combinação das cargas de todas as

cargas de entrada a ele conectadas.

Para saída alta, quanto maior o número de entradas, menor vout (carga estática) e maior o tempo de propagação tp (carga dinâmica).

Análogo para saída baixa.

Cin Rin

Iin

VDD

x

vin

z

Terra (0V)

vout Cin Rin

Iin

...

17

Efeito da carga sobre propagação

ENTRADA

SAÍDA

alto

baixo

alto

baixo

tpHL para carga A

tpHL para carga B

carga A

carga B

18

10

Cálculo do tempo de propagação

Procedimento:

1. Uma unidade de carga-padrão é definida para a família (normalmente NOT)

2. A carga das entradas de porta é dada em termos desta unidade, é o chamado fator de carga da entrada (I)

3. A carga total de uma saída (L) é a soma dos fatores de carga de todas as entradas conectadas àquela saída.

19

Cálculo do tempo de propagação

Procedimento:

4. As características de tempo da saída de porta são dadas em termos desta carga total. Normalmente os retardos de propagação dependem linearmente desta carga, p.ex.:

tpLH = 0,10 + 0,04 L ns

1

3

1

porta

2

2

porta

3porta

1 porta

4

porta

5

Carga total (L) = 7

20

11

Fanout, fanin

Fator de fanout:

É a carga máxima tolerável a ser aplicada a uma saída lógica demodo que os tempos de propagação sejam aceitáveis. É normalmente definido em termos de números de carga padrão (p.ex., 12).

Fanin:

É o número de entradas de uma porta. Quanto maior, menor a diferença entre as tensões alta e baixa e maiores os tempos de propagação.

Porta AND com fanin = 3

21

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

22

12

Margem de Ruído

Para tolerar ruído é fundamental que as faixas de tensão para entrada e saída difiram.

VHmin

(SAÍDA)

Níveis de saída

Região Proibida

VLmax

(SAÍDA)

VHmin

(ENTRADA)

VLmax

(ENTRADA)

Níveis de entrada

23

Retardo-Potência

Normalmente, o aumento da velocidade (redução dos retardos) vem acompanhado de uma aumento de potência dissipada.

O produto retardo-potência tem sido uma métrica de qualidade de famílias de CIs

Por exemplo, CMOS tem alta resistência nas entradas das portas, e quase toda a potência é dissipada na transição dos sinais; esta vantagem diminui com aumento da freqüência.

24

13

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

25

Barramento

É um sistema de condutores inteiramente passivos que levam sinais para diversos dispositivos de entrada.

O nível de tensão em um condutor do barramento pode ser determinado por “no máximo uma” de um conjunto de saídas.

CPU MEMÓRIA E/S

Barramento

26

14

Buffer de três estados

Se mais de uma saída coloca tensão no barramento, pode ocorrer um curto circuito. Por exemplo,

VDD

x1=1

VDD

x2=0

um condutor dobarramento

off

on off

on

27

Buffer de três estados

No buffer de três estados a saída pode assumir os valores 0, 1 e alta impedância.

x z

e

z=x, se e=1

Z, se e=0

símbolo

função

VDD

off

off

no terceiro estado ambos os transistores de saída

ficam desligados

x0

e0

módulo

0

x1

e1

módulo

1

xn

en

módulo

n

No máximo um tem ei=1

28

15

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

29

Evolução

# transistores períodoNível de

integraçãoFunções típicas

~10

1965-1971

SSI Portas, flip-flops

0-100 MSISomadores, contadores,

registradores

100-10.000 1972-1977 LSIROMs, PLAs,

memórias pequenas

10.000-1.000.000

1978-1991 VLSIMemórias grandes, microprocessadores

>1.000.000 1991-… ULSI

30

16

31

A lei de Moore

“O número de transistores num chip dobrará a cada ano.”

Na realidade, a partir de 1970, o número tem dobrado mais ou menos a cada 18 meses. Gordon Moore- Co-fundador da Intel

32

Crescimento da Densidade

Tran

sist

ores

por

chi

p

1 bilhão

17

Conteúdo

Introdução

Representação de variáveis binárias

Portas CMOS

Efeito da Carga

Margem de Ruído

Barramentos – Drivers de três estados

Evolução

Acondicionamento

33

Acondicionamento

34

pino

Pastilha de silício

Chip encapsuladoFio chip até

o pino

18

35

Placa de Circuito Impresso conector Backplane com

conectores e fiação

Fonte

Gabinete com racks de placas de ciruito impresso e equipamento

auxiliar

Acondicionamento

ventuinhas

Acondicionamento

Pastilha de Silício

36

19

Acondicionamento

Conexão do chip aos pinos

37

Acondicionamento

Circuito encapsulado

38

20

Acondicionamento

Placa de Circuito Impresso

39

Acondicionamento

Backplane

40

21

Acondicionamento

Rack

41

Exercicios

Exercício 1:Determine os retardos de propagação referentes a uma porta NOR que tem os formatos de onda de entra e saída descritos abaixo.

x

y

z

tempo42

22

Exercicios

Exercício 2:Em relação a determinada porta, os retardos de propagação são dados pela expressão

tpHL=0,43 + 0,15 L (ns)

tpLH=0,35 + 0,25 L (ns)

Mostre um par de formas de onda possível para L =1 e para L = 2.

43

Exercicios

Exercício 3:Determine os tempos de subida e descida do diagrama de tempo descrito abaixo.

tempocada marca: 0,25 ns

44

23

Exercicios

Exercício 4:Determine as margens de ruído referentes à porta com as seguintes faixas de tensão:

a < VH(ENTRADA) ≤ b

c < VL(ENTRADA) ≤ d

e < VH(SAÍDA) ≤ f

g < VL(SAÍDA) ≤ h

45

46

Dispositivos de Chaveamento

Fim