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Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e MicrocontroladoresNoções elementares de electrónica digital - 1

Noções elementares de electrónica digital• Organização:

– Electrónica digital e electrónica analógica– Principais famílias lógicas– Andares de saída e andares de entrada– Folhas de características dos componentes– Questões básicas de aplicação– Funções lógicas elementares– O projecto com electrónica digital


Electrónica digital e electrónica analógica• Nos sistemas digitais as variáveis estão limitadas a

um número finito de valores (variação discreta)• Nos sistemas analógicos as variáveis podem assumir

um número indefinido de valores (variação contínua)• Em termos simplificados, os transístores

– dos circuitos analógicos funcionam em modo linear– dos circuitos digitais funcionam em modo de comutação


Marcos tecnológicos

• Houve dois marcos tecnológicos principais no progresso para a miniaturização:– A invenção do transístor em 1947, que iniciou a

electrónica do estado sólido– A invenção do circuito integrado em 1958, que iniciou a

microelectrónica– SSI, MSI, LSI, VLSI, ...


Principais famílias lógicas

• Famílias lógicas é uma expressão usada para referir o conjunto de alternativas tecnológicas que existem para o fabrico de circuitos integrados digitais

• As primeiras famílias lógicas diferiam entre si essencialmente pelo facto de os respectivos circuitos integrados serem construídos com base em transístores bipolares (TTL - Transistor-Transistor Logic) ou do tipo MOS (Metal-Óxido-Semicondutor)


Famílias lógicas tipo TTL

• Os transístores bipolares permitem maior rapidez (maior frequência), mas à custa de maior consumo

• A rapidez está relacionada com o tempo necessário para retirar os transístores de condução, o que nos bipolares requer a remoção das cargas armazenadas nas junções base-emissor (o tempo de propagação é imposto pelo somatório dos tempos de comutação dos transístores no percurso do sinal)


Configuração típica de uma porta lógica TTL (NAND)• Função dos transístores:

– T1 impõe que T2 passe ao corte, desde que A ou B estejam em 0

– T2 determina qual dos transístores de saída estará em condução (T3 ou T4)

– T3 permite a aplicação de um 1 na saída, se T2 estiver no corte

T1

T3

T2

VCC

F

VCCVCC

T4

A

B

– T4 permite a aplicação de um 0, se T2 estiver em condução (qual a necessidade do díodo D?)


Configuração típica de uma porta lógica TTL (cont.)• Repare-se ainda que:

– T2 e T3 saem do corte muito mais rapidamente do que T4 (porquê?)

– T3 entra em condução mais depressa do que T4 sai de condução (quais as consequências?)

– A impedância de saída é assimétrica (porquê?), o que faz com que os valores máximos de corrente na saída sejam diferentes conforme a saída esteja em 0 ou em 1

VCC VCC

0,75 V

T2

F

0,2 V

0,2 V

T3

T4


Configuração típica de uma porta lógica TTL (cont.)• Em consequência da configuração apresentada:

– Se a tensão num terminal de entrada não estiver claramente perto de 0 ou de Vcc, T1 pode ficar num estado indefinido, que eventualmente se propagará até à saída

– Correntes na saída demasiado elevadas tenderão a retirar o transístor em condução da saturação e a aproximá-lo da sua zona activa (afastando a tensão de um 0 ou de um 1)

– Existe um limite para o número de entradas que podem ser alimentadas pela mesma saída (maior em 0 ou em 1?)

T1

T3

T2

VCC

F

VCCVCC

T4

A

B


Famílias lógicas tipo CMOS

• A tecnologia MOS é normalmente a preferida para a implementação de circuitos mais complexos, quer por apresentar menores requisitos de área por transístor, quer por apresentar menor consumo

• O uso de transístores complementares (canal N e canal P), em cada percurso possível entre VDD e a massa, explica o C do acrónimo CMOS e tem por objectivo reduzir ainda mais o consumo


Configuração típica de uma porta lógica CMOS (NAND)

VDD

T3

T1

A

F

BT4

T2

condução plena, o que obriga A e B a estarem ambos a 1– Uma entrada a 0 coloca o respectivo transístor superior em

condução e a saída em 1 (e T3 ou T4 no corte)

• Função dos transístores:– A controla o estado de funcionamento

dos transístores T1 e T3, sendo que B controla os transístores T2 e T4

– A saída só poderá estar a 0 quando T3 e T4 estiverem ambos em


Configuração típica de uma porta lógica CMOS (cont.)• Repare-se ainda que:

– Qualquer percurso entre VDD e VSSenvolve apenas transístores comple-mentares, pelo que o consumo emregime estacionário é muito baixo

– O consumo aumenta em proporção directa com a frequência de funcionamento (porquê?)

– A tensão de alimentação dos CMOS não tem limites tão exigentes como a dos TTL (porquê?)

VDD

T3

T1

A

F

BT4

T2


Configuração típica de uma porta lógica CMOS (cont.)• Ainda dois aspectos a concluir:

– Também para a configuração apresentada a impedância de saída não é constante (quantos valores poderia ter, neste caso?)

– Para permitir uma impedância de saída fixa, cedo os fabricantes introduziram a família CMOS da série B (buffered), na qual o andar de saída tem apenas um transístor para cada terminal de alimentação

VDD

T3

T1

A

F

BT4

T2


Variantes tecnológicas

• TTL e CMOS constituíram as alternativas principais durante muitos anos, mas a evolução tecnológica permitiu o aparecimento regular de outras soluções de compromisso entre a velocidade e o consumo:– Em TTL temos as variantes L (low power), S (Schottky),

LS (low-power Schottky), etc.– Em CMOS, temos as variantes HC (high-speed CMOS) e

HCT (compatível pino a pino com os TTL)


Outras famílias lógicas

• Sendo as frequências máximas de funcionamento (em TTL ou CMOS) impostas pelo tempo necessário para tirar os transístores de condução plena, desde cedo surgiu a ideia de estabelecer o funcionamento com base na comutação entre o corte e a zona activa

• É este o princípio de funcionamento da família ECL (Emitter-Coupled Logic), que consegue maior frequência à custa de maior consumo


Outras famílias lógicas (cont.)• De entre as restantes alternativas, bastará

acrescentar o seguinte:– Existem outras tecnologias comuns em circuitos digitais,

mas que não se enquadram bem na designação famílias lógicas (e.g. certos tipos de dispositivos programáveis)

– Existiram ao longo dos anos outras alternativas, mas que com a evolução tecnológica acabaram por ficar obsoletas (e.g. RTL - Resistor-Transistor Logic), DTL (Diode-Transistor Logic), etc.


Famílias lógicas: Gerações mais recentes• Considerando por exemplo a gama fabricada pela

Philips, temos duas variantes principais nos circuitos SSI / MSI actualmente disponíveis:– Componentes que retêm as características principais dos

TTL e CMOS, mas com características mais avançadas– Componentes para tensões de alimentação reduzidas

(3,3 V, 3 V ou mesmo inferior)


Famílias lógicas: Gerações mais recentes (cont.)• Componentes que mantêm as características

principais:– ALS - mais rápidos, consumos 2 / 3 vezes inferiores– FAST, com velocidade semelhante a ECL 10K– ABT, andares de saída bipolares e internos CMOS– HC / HCT, que continuará ainda por muitos anos– AHC / AHCT, que resulta da evolução dos HC / HCT– Por fim, continuam os “antigos” CMOS


Famílias lógicas: Gerações mais recentes (cont.)• Componentes para tensões de alimentação < 5 V:

– LV: para tensões de alimentação entre 1 e 5,5 V, mas mantendo as características da família HC a 5 V

– LVC: CMOS a 3,3 V, com elevada rapidez e corrente– LVT, que a 3,3 V atingem a mesma velocidade que

BiCMOS a 5 V, mas com menor consumo– ALVC: 3,3 V, muito reduzido consumo, -40 a +85 º– ALVT: para 3,3 ou 2,5 V, compatíveis com ABT e LVT


Andares de saída

• Existem fundamentalmente quatro tipos de pinos aptos a funcionar como saídas em circuitos digitais:– Colector / dreno aberto– Andar activo para VCC

– Alta impedância– Bidireccionais


Andares de saída: Colector / dreno aberto• Não possuem um componente activo entre o pino de

saída e VCC / VDD, o que nos permite interligar vários pinos directamente entre si (formando uma ligação a que se dá a designação de wired-AND):

F

VCC

F

VDD

VCC


Andares de saída: Andar activo para VCC / VDD• Estes pinos são os mais

comuns e tanto são capazes de absorver (sink) como de fornecer (drive) corrente (são também designados por pinos de saída do tipo totem-pole):

VCC VDD


Andares de saída: Alta impedância• Usam-se quando é

necessário ligar saídas entre si, sendo ao mesmo tempo requerida a capacidade de absorver e ceder corrente (designam-se também por tristate, terceiro estado ou controlo de estado):

Controlo deestado

Controlo deestado

VCCVCCVCC

T1

F

T3

T4

T2A

B

Controlo deestado


Andares de saída: Bidireccionais• Sobretudo no caso dos circuitos baseados em

microprocessadores, é comum que os pinos interligados entre si funcionem umas vezes como entradas e outras vezes como saídas, o que corresponde basicamente a associar uma entrada e uma saída com controlo de estado: Controlo de

direccao

Pinobidireccional

Entrada

Saída


Andares de entrada

• As entradas digitais requerem normalmente que os sinais que lhes são aplicados apresentem tempos de transição curtos (subida ou descida)

• A aplicação de um sinal lento às entradas 8 (e.g. o sinal proveniente da carga / descarga de um condensador) pode provocar oscilação ou indefinição na saída, quando o valor aplicado se encontra fora da gama que corresponde claramente a um 0 ou a um 1


Andares de entrada: Entradas de Schmitt• Estas entradas apresentam uma característica de

transferência com histerese, sendo as indicadas para os casos em que os sinais a aplicar não garantem tempos de transição suficientemente rápidos

1 2

1

2

3

1

0 Entrada

Saída


Andares de entrada: Entradas de Schmitt (cont.)• A melhor resposta de uma

entrada de Schmitt, face a uma entrada sem histerese, pode ser observada pela resposta a um sinal proveniente da carga (em cima) e da descarga (em baixo) de um condensador:


Folhas de características dos componentes• Mesmo para os projectistas experimentados, a

consulta à folha de características de um componente é necessária, nomeadamente para:– Obter a configuração de pinos– Consultar a descrição funcional do circuito– Verificar o valor de parâmetros de consulta menos

frequente


Folhas de características dos componentes (cont.)• Em termos gerais, a folha de características de um

componente compreende duas partes principais:– Uma descrição sumária dos aspectos de consulta mais

frequente (configuração de pinos, descrição funcional sumária e características técnicas principais)

– Uma descrição detalhada das características eléctricas, incluindo os valores máximos absolutos, as condições recomendadas de operação e as características de funcionamento estacionárias e dinâmicas


Folhas de características dos componentes (cont.)• No que respeita à segunda parte (descrição

detalhada das características eléctricas), iremos analisar com maior pormenor os seguintes aspectos:– Valores máximos absolutos– Condições recomendadas de funcionamento– Características de funcionamento em regime estacionário– Características de funcionamento em regime dinâmico


Folhas de características:Valores máximos absolutos• (absolute maximum ratings) Descrevem as condições

limite que não provocam dano (não é garantido que o componente funcione nessas circunstâncias).

VALORES MÁXIMOS ABSOLUTOS

Símbolo Parâmetro Gama de valores Unid.

VCC Supply voltage -0,5 a +7,0 V

VIN Input voltage -0,5 a +7,0 V

Tamb Operating free air temperature range 0 a +70 ºC


Folhas de características:Condições recomendadas• (recommended operating conditions) Informam-nos

sobre os valores nominais necessários para garantir as características funcionais e eléctricas

CONDIÇÕES RECOMENDADAS DE FUNCIONAMENTO

Símbolo Parâmetro Mín. Típ. Máx. Unid.

VCC Supply voltage 4,5 5,0 5,5 V

VIH High-level input voltage 2,0 V

VIL Low-level input voltage 0,8 V

IOH High-level output current - 0,4 mA

IOL Low-level output current 8 mA


Folhas de características:Regime estacionário• (DC electrical characteristics) Indicam-nos os valores

máximos, mínimos e típicos para tensões e correntesCARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS EM REGIME ESTACIONÁRIO

Símbolo Parâmetro Mín. Típ. Máx. Unid.

VOH High-level output voltage VCC - 2 V

VOL Low-level output voltage 0,35 0,50 V

I IH High-level input current 20 A

I IL Low-level input current - 0,1 mA

ICC Supply current (VI=GND)

Supply current (VI=4,5 V)

0,5

1,5

0,85

3,0

mA


Folhas de características:Regime dinâmico• (AC electrical characteristics) informam-nos sobre os

parâmetros de carácter temporal

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS EM REGIME DINÂMICO

Símbolo Parâmetro Mín. Máx. Unid.

tPLH Propagation delay (output L to H) 2,0 11,0 ns

tPHL Propagation delay (output H to L) 2,0 8,0 ns


Questões básicas: Imunidade ao ruído • São várias as fontes possíveis de interferência:

– Por acoplamento capacitivo entre pistas vizinhas de uma carta de circuito impresso, ou barras de ligações numa base de montagem

– Por acoplamento através da tensão de alimentação, ou por efeito de uma tensão de alimentação mal filtrada

• Um dos principais problemas daqui decorrentes é a eventual ocorrência de defeitos intermitentes


Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont.)• A facilidade com que estes factores se manifestam

pode ser observada pela análise das formas de ondaem barras vizinhas de uma base de montagem (uma das quais contém a saída de um oscilador):


Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont.)• Alumas regras para maximizar a imunidade ao ruído:

– Evitar longos percursos paralelos muito próximos– Distribuir pela carta condensadores de desacoplamento

(pequenas dimensões, reduzido valor de capacidade)– Usar condensadores de desacoplamento entre os

terminais de alimentação da carta (maior dimensão, alto valor de capacidade, normalmente do tipo electrolítico)

– Ligar a valores lógicos fixos todas as entradas não usadas


Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont.)• A margem de ruído dá-nos também uma indicação

sobre a “robustez” de um circuito em condições anormais de funcionamento:– A margem de ruído no estado 0 é dada por 0 = VIL-VOL,

sendo a margem de ruído no estado 1 dada por 1 = VOH-VIH

– A título de exemplo, e considerando os parâmetros apresentados anteriormente para o 74ALS00, quanto valem 0 e 1?


Questões básicas: Interliga-ção de componentes• Existem duas situações principais para as quais é

preciso atenção, quando se interligam saídas e entradas digitais:– Não excedemos a máxima capacidade de fornecimento de

corrente pela saída?– No caso de os componentes serem de diferentes famílias

lógicas, existe completa compatibilidade entre os parâmetros de tensão e corrente?


Questões básicas: Interligação (cont.)• No que respeita à capacidade de corrente, temos

que:– O máximo valor de corrente nas entradas, multiplicado

pelo número de entradas, não pode exceder a capacidade de corrente (fornecer ou absorver) das saídas

– Isto significa que teremos que tomar o minorante de (IOH/IIH, IOL/IIL), que no caso dos valores apresentados para o 74ALS00 corresponde a...


Questões básicas: Interligação (cont.)• No que respeita a componentes de diferentes

famílias lógicas, temos que:– É necessário verificar que são verificadas as seguintes

quatro desigualdades: VOH>VIH, VOL<VIL, IOH>IIH e IOL>IIL

– Considerando uma vez mais os parâmetros apresentados para o 74ALS00, e recorrendo à folha de características de um componente semelhante da família CMOS, será possível a ligação directa entre ambos?


Funções lógicas elementares• Esta designação abrange o conjunto de funções

lógicas mais comuns, que por essa razão estão normalmente disponíveis como componentes SSI nos catálogos dos vários fabricantes (quantas funções lógicas existem, com uma saída e duas entradas?)

• Apesar da progressiva preferência pelos dispositivos programáveis, em substituição de componentes do tipo SSI, o seu uso continua ainda a ser frequente


Funções lógicas elementares (cont.)

D esignação D escr ição Símbolo C I disponíveis C omentár ios

N Ã O

(N O T )

Z = /A

A Z

0 1

1 0A Z

1 274x04 (normal)

74x14 (Schmitt)

C omplementa aentrada

E

(A N D )

Z = A * B

A B Z

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

A

BZ

1

2

3

74x08 Saída em 1apenas quandoambas asentradasestiverem em 1

O U

(O R )

Z = A + B

A B Z

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

A

BZ

1

2

3

74x32 Saída em 1desde que pelomenos uma dasentradas estejaem 1



Designação Descrição Símbolo CI disponíveis Comentários

NÃO-E

(NAND)

Z = /(A * B)

A B Z

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

A

BZ

1

2

3

74x00 (normal)

74x24 (Schmitt)

Saída em 1desde que pelomenos uma dasentradas estejaem 0

NÃO-OU

(NOR)

Z = /(A + B)

A B Z

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

A

BZ

2

3

1

74x02 Saída em 1apenas quandoambas asentradasestiverem em 0



Designação Descrição Símbolo CI disponíveis Comentários

OU-EXCLUSIVO

(X-OR)

Z = A B

A B Z

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

A

BZ

1

2

3

74x86 Saída em 1apenas quandoas entradastiverem valoreslógicosdiferentes

NÃO-OU-EXCLUSIVO

(X-NOR)

Z = /(A B)

A B Z

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 1

A

BZ

1

23

74x266 Saída em 1apenas quandoas entradastiverem omesmo valorlógico


O projecto com electrónica digital• Em termos gerais, podemos descrever a actividade

de projecto com electrónica digital através da seguinte sequência de etapas:– Construção de uma representação formal– Obtenção de um circuito mínimo (síntese)– Verificação de projecto (satisfaz a especificação?)– Validação do projecto (satisfaz os utilizadores?)


O projecto com electrónica digital (cont.)• O processo descrito é iterativo e pode ilustrar-se

como se apresenta nesta transparência (que diferenças ocorreriam se estivéssemos antes a considerar a electrónica analógica?)

Represen-taçãoformal

SínteseVerifica-ção deprojecto

Validaçãodeprojecto

Especifi-caçãoinicial

Especifi-caçãoformal

Circuitomínimo Protótipo

Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4

Produto


O projecto com electrónica digital (cont.)• A concluir, é importante chamar a atenção para a

diferença entre duas actividades muito frequentes no projecto com electrónica digital (e analógica): A síntese e a análise

Síntese

Especificaçãoformal

Circuitomínimo

Etapa 2

Análise

Especificaçãoformal

Circuito

Etapa 2


Conclusão

• Objectivo principal do capítulo: Recordar os aspectos tecnológicos subjacentes ao projecto de sistemas digitais

• Pistas para a continuação do estudo:– Projecto VLSI (microelectrónica e projecto de ASICs)– Tecnologias específicas (e.g. memórias e dispositivos

lógicos programáveis)

introdução ao projecto com sistemas digitais e microcontroladores noções elementares de...

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