trabalho sobre portas lógicas
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TRABALHO DIRECIONADO A DISCIPLINA DE
ELETRONICA
CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA
3° PERÍODO
Londrina
2013
PORTAS LÓGICAS – FAMILIA TTL
CARLOS CESAR DE MELLO - N° 05
Londrina
2013
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO..........................................................................................................3
2 FAMILIA DE CIRCUITOS LÓGICOS.......................................................................3
2.1 INTERFACE ENTRE AS FAMÍLIAS LÓGICAS.....................................................4
2.2 SENCIBILIDADE DE NÍVEIS LÓGICOS DE TENSÃO..........................................4
3 FAMÍLIA TTL............................................................................................................5
3.1 54/74LXXX...................................................................................................5
3.1.1 Série 74.....................................................................................................6
3.1.2 Série 54.....................................................................................................6
4 TIPOS DE BLOCOS DA FAMÍLIA TTL....................................................................9
4.1 SAÍDA OPEN-COLLETOR.....................................................................................9
4.2 SAÍDA TRI-STATE (TRÊS ESTADOS)................................................................11
4.3 ENTRADA SCHIMITT-TRIGGER.........................................................................12
5 VERSÕES DE CIRCUITOS TTL.............................................................................14
6 CIRCUITOS INTEGRADOS TTL............................................................................16
6.1 TTL 7402..............................................................................................................17
6.1 TTL 7404..............................................................................................................18
6.1 TTL 7408..............................................................................................................19
6.1 TTL 7432..............................................................................................................20
7 CONCLUSÃO.........................................................................................................21
REFERÊNCIAS..........................................................................................................22
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Circuito Interno de uma porta NE (TTL) open colletor.................................9
Figura 2: Ligação por uma função E.........................................................................10
Figura 3: Circuito simplificado de uma porta NE (TTL) de duas entradas com saída
tri-state........................................................................................................................11
Figura 4: Inversor TTL schimitt-trigger………………………………………………......13
Figura 5: Características de transferência típica do circuito integrado TTL
7414............................................................................................................................14
Figura 6: Ligação de um diodo schottky em um transistor bipolar (a) e a simbologia
que é utilizada por este (b).........................................................................................15
3
1 INTRODUÇÂO
O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, possibilitando a
Colocação num único invólucro de diversos componentes já interligados, veio
permitir um desenvolvimento muito rápido da eletrônica digital e consequentemente
do projeto de sistemas digitais. Foi criada uma série de circuitos integrados que
continham numa única pastilha as funções lógicas digitais mais usadas e de tal
maneira projetadas que todas eram compatíveis entre si a partir das quais os
projetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montar seus
sistemas digitais. Estas séries de circuitos integrados formaram então as famílias
lógicas ou Famílias digitais que consistem em um grupo de dispositivos compatíveis
com os mesmos níveis lógicos e tensões de alimentação, por isso pode-se conectar
diretamente a saída de um dispositivo na entrada de outro se ambos forem da
mesma família digital. Em virtude da massificação do uso de CIS, torna-se
necessário conhecer as características gerais desses circuitos e de algumas das
famílias lógicas mais populares. Uma vez entendidas tais características, a
preparação dos projetos de circuitos digitais é melhorada. Para se conectar
dispositivos de famílias diferentes, geralmente há a necessidade de uma interface
entre ambas.
2 FAMÍLIA DE CIRCUITOS LÓGICOS.
Entende-se por famílias de circuitos lógicos estruturas internas que nos
permitem a confecção desse bloco em circuitos integrados. Cada família lógica
utiliza determinados componentes em seus blocos e de acordo com este, a família
possuirá determinadas características relacionadas ao seu funcionamento.
4
Dentre as famílias de circuitos lógicos destacam-se:
TTL - (transistor-transistor-logic).
CMOS - (complementary mos).
RDTL - (Resistor Transistor Logic ).
HTL - (high-thershold-logic).
ECL - (emither-coupled-logic)
2.1 INTERFACE ENTRE AS FAMÍLIAS LÓGICAS
As interfaces entre os circuitos integrados muitas vezes não podem ser
feitas de maneira direta, ou seja, a saída de um circuito integrado conectada à
entrada de um circuito integrado de outra família por causa das diferenças entre as
características elétricas do circuito alimentador, ou o circuito que está fornecendo o
sinal de saída, e o circuito que está recebendo o sinal. Para essa finalidade, usa-se
um circuito de interface. O circuito de interface tem a função de compatibilizar as
características do circuito alimentador com as características do circuito alimentado.
2.2 SENSIBILIDADE DE NÍVEIS LÓGICOS DE TENSÃO
Um circuito lógico interpreta como nível 1, uma tensão próxima a da máxima
e, como nível zero, uma tensão próxima ao terra. As famílias lógicas têm uma faixa
de trabalho diferente para as tensões de cada nível. Assim se tivermos, por
exemplo, uma família que interpreta como nível baixo tensões entre 0 e 0.8 V, e
como nível alto entre 2 V e 5 V. Se ela for conectada a saída de outra família que
tenha nível lógico alto com tensões entre 1.4 V e 5 V, essa diferença entre 2 V e 1.4
V pode causar erro de interpretação n entrada da primeira, pois1.4 V está dentro da
faixa indeterminada desta família.
5
3 FAMÍLIA TTL
Esta família é derivada da antiga família DTL, sendo o resultado de
inovações tecnológicas. Como a utilização nos seus circuitos internos de transistores
e bipolares de vários emissores também conhecidos como multiemissores. Esta é
uma família muito utilizada por causa de seu fácil manuseio e a disponibilidade de
uma série de circuitos integrados comerciais e padronizados.
Os circuitos da família TTL podem ser encontrados em duas séries
denominados: 74 (para uso comercial) e 54 (para uso militar).
Primeiramente, os circuitos integrados eram fabricados para o uso militar
onde tamanho, consumo e potência eram preponderantes.
Mas no ano de 1964, surgiu a versão comercial a custo bem inferior.
Respeitando algumas especificações, os dispositivos 54 são compatíveis com a
série 74.
Há também subdivisões da linha nesses dispositivos de acordo com sua
velocidade de comutação.
3.1 54/74LXXX
Baixa potência. Dão o melhor produto velocidade versus potência, entre
todos os dispositivos lógicos. As resistências internas dos transistores do CI são
aumentadas, resultando numa menor dissipação de potência (1 mW por porta, com
retardo de 33nS por porta).
● 54/74HXXX – Alta velocidade. Os tempos de subida e descida de pulsos
são menores. Os transistores internos do CI são feitos em configuração
darlington. O retardo é de 6 ns por porta. A desvantagem é que este tipo de
circuito consome mais corrente que o tipo comum.
+ -
+ -
6
● 54/74SXXX – Componentes com tecnologia schottky*. Ela combina alta
velocidade com baixo consumo.
3.1.1 Série 74
Identifica os dispositivos da família TTL de uso comercial.
Especificações:
Temperatura 0 a 70 ºC
Tensão de Alimentação 4,75 a 5,25V (5V 10%)
Mas é importante lembrar que:
Os circuitos integrados da família AS e ALS de alguns fabricantes, a tensão
de alimentação pode estar compreendida entre 4,5V e 5,5V (5V 10%).
3.1.2 Série 54
Identifica os dispositivos da família TTL de uso militar.
Apesar da série 54 tenha as mesmas portas lógicas da série 74, suas
especificações técnicas são mais rígidas.
+ -
7
Especificações:
Temperatura -55 a 125 ºC
Tensão de Alimentação 4,5 a 5,5V (5V 10%)
Características Gerais e Parâmetros da Família TTL
Veja abaixo os principais parâmetros encontrados nos manuais em nomenclaturas
originais:
1 - Alimentação (Vcc): Na família TTL temos para todos os blocos de uma
alimentação de 5V. Para a série 54 temos Vcc mínimo = 4,5V e Vcc máximo 5,5V
que são os valores dentro da tolerância permitida por esta série. No caso da série
74, o Vcc mínimo = 4,75V e Vcc máximo = 5,25V, sendo os valores máximos e
mínimos da tolerância da série 74.
Veja na tabela a baixo, os níveis de entrada e saída para a versão padrão TTL
Standard:
TTL Standard
Parâmetros Valores Unidade
VIL 0,8 V
VOL 0,4 V
VIH 2,0 V
VOH 2,4 V
IOL 16 mA
IIL 1,6 mA
IOH 400 A
IIH 40 A
8
2 - Fan-out: o Fan-out em sua versão padrão é igual a 10, ou seja, podemos ligar à
saída deste bloco no máximo outros 10 blocos similares. Este valor é generalizado
para toda a família TTL.
3 - Tempo de atraso de propagação: O tempo varia de acordo com a versão que
for utilizada, sendo o valor médio aproximado de ordem de 10ns na versão mais
comum.
TTL Standard
Parâmetros V. Típico Unidade
TPLH 11 ns
tPHL 7 ns
4 - Imunidade ao ruído: A margem correta de imunidade ao ruído específica para a
família TTL é obtida supondo a ligação da saída de um bloco para a entrada de
outro, sendo definida pela margem de segurança colocada pelo fabricante entre os
parâmetros de entrada e saída. É calculada pela diferença de parâmetros relativos a
esses níveis de tensão (margem de imunidade ao ruído DC). Então, temos:
No nível 1: VRH = VOH(mínimo) – VIH(mínimo) = 2,4 – 2,0 = 0,4V
No nível 0: VRL = VIL(máximo) – VOL(máximo) = 0,8 – 0,4 = 0,4V
VR = 0,4V
Portanto, a margem de imunidade ao ruído para a família TTL é igual a 0,4V, sendo
considerada baixa em relação a família CMOS.
Rexterno
+Vcc
R2R1
T1
T2
R3
S
9
5 - Potência Dissipada: A família TTL tem um consumo médio de potência de
10mW por porta na sua versão mais comum.
4 - TIPOS DE BLOCOS DA FAMÍLIA TTL
Esta é uma das características da família TTL, que através de suas séries
possui blocos que estão disponíveis no mercado de componentes, com uma vasta
variação. Vamos destacar alguns deles como os blocos open-colletor, tri-state e
schimitt-trigger.
4.1 SAÍDA OPEN-COLLETOR
Na família TTL há alguns blocos lógicos montados em open-colletor (coletor
aberto). Os circuitos destes tem semelhança aos convencionais, mas com uma
única diferença de não Ter em seu interior o resistor de coletor ligado ao +Vcc. Ele
deve ser ligado externamente quando este bloco for utilizado. Abaixo, a figura 03,
mostra um circuito interno de uma porta NE (TTL) open-colletor:
Figura 1 – Circuito interno de uma porta NE (TTL) open colletor.
Rexterno
S
Bloco 1
Bloco 2
E por fio
+Vcc
10
Esta configuração possibilita o controle externo da corrente do coletor de
saída e, proporcionando o aumento do fan-out, além de poder habilitar saídas
diferentes interligadas entre si (num mesmo resistor coletor), podendo assumir níveis
lógicos opostos sem provocar danos.
A grande desvantagem deste tipo de saída é sua baixa velocidade de
chaveamento (mudança de nível lógico).
A figura 04 na próxima página mostra a ligação por uma função E, contendo
ao lado a tabela da verdade e a simbologia utilizadas para se obter uma função E
através de blocos open-colletor.
Tabela da Verdade
Figura 2 – Ligação por uma função E.
Podemos notar que, o nível 0 é obtido pela saturação de cada transistor ou
por ambos, conforme a função lógica de cada bloco, sendo respectiva corrente de
coletor fornecida pelo mesmo resistor colocado na extremidade. O nível 1 é obtido
pelo corte de ambos.
Podemos citar como outro tipo de aplicação, o uso muito comum de saídas
de open-colletor para ativar displays de 7 segmentos a led, possibilitando o controle
de luminosidade pelo resistor de coletor calculado e colocado na externamente.
S1 S2 S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
R1 R2 R4
+Vcc
T3
T2
T4
T1
X2
R3
D3D2
D1
S
X1
11
4.2 SAÍDA TRI-STATE (TRÊS ESTADOS)
Podemos dizer também three-state ou 3-state, que estes modos também
estão corretos.
A configuração que pode fazer com que ela apresente uma alta impedância
(terceiro estado) em relação a linha na qual ela está conectada, ou seja, para ativar
o tri-state, o bloco específico possui um terminal que, conforme o nível lógico
assumido, faz a saída permanecer ou não em alta impedância. Para entendermos
melhor, observe na figura 05 abaixo, o circuito simplificado de uma porta NE (TTL)
de duas entradas com saída tri-state.
Figura 3 - Circuito simplificado de uma porta NE (TTL) de duas entradas com saída tri-state.
No circuito da figura 05, da página anterior, se aplicarmos nível 1 ao terminal
de entrada de controle de saída (G) ou o deixarmos em aberto, o circuito funcionará
normalmente como uma porta NE, pois D2 e D3, estarão cortados. Se, no entanto,
aplicarmos nível 0, devido à respectiva condução de corrente pelos mesmos diodos,
os pontos X1 e X2 cairão para baixos potenciais, levando T2, T3 e T4 para a situação
A
B
G
12
de corte. O terminal de saída, neste caso, será desligado do circuito ocasionando o
estado de alta impedância.
Na família TTL, as saídas tri-state são encontradas fazendo parte de vários
dispositivos, porém, isoladamente como portas, estão disponíveis apenas como
buffers comuns e inversores.
Os dispositivos com saídas de tri-state tem várias aplicações, sendo
principalmente em sistemas com microprocessadores, onde vários circuitos
integrados usam o mesmo conjunto de fios de forma compartilhada, assim,
formando a via de dados do sistema.
4.3 ENTRADA SCHIMITT-TRIGGER
Estes dispositivos também são encontrados na família TTL. Este tipo de
bloco possibilita tornar rápidas as variações lentas dos níveis de tensão de
determinados sinais a serem aplicados à sua entrada, causando na saída o
aparecimento de uma onda quadrada bem definida. Ou seja, este tipo de bloco,
além de realizar sua função lógica, quadra o sinal aplicado a entrada, desde que
sejam respeitados os parâmetros mínimos e máximos de tensão especificados para
cada bloco. O bloco irá considerar iguais a 0, os valores dde entrada abaixo do
especificado por VT - (Negative-Going Thershould Voltage) ou limiar negativo de
tensão, e irá considerar iguais a 1, os valores acima de VT - (Positive-Going
Thershould Voltage) ou limiarr positivo de tensão.
Podemos dizer em outras palavras que, este bloco recebe o sinal da forma
como ele é gerado(pulso distorcido, com ruídos, etc.) e isto pode causar vários
problemas durante o chaveamento dos dispositivos, tais como:
Dispositivos sensíveis à borda de subida podem não operar;
E S VT-
VT+
S
4,0
3,0
2,0
1,0
00,4 0,8 1,2 1,6 2,0
0,4
VT+VT-
V0 (V)
V1 (V)
Entrada
13
Dispositivos polarizados na região ativa por longo tempo podem
tornar-se instáveis;
Atrasos de propagação tornam-se de difícil previsão.
Abaixo, na figura 06, podemos observar um inversor TTL schimitt-trigger (a) e a
ação sobre um sinal de variação lenta aplicado à sua entrada (b)
(a) (b)
Figura 4 - Inversor TTL schimitt-trigger
O símbolo (histerese) presente no interior do inversor (ver figura 06 (a))
é utilizado em manuais de fabricantes para identificar as portas que executam a
função de schimitt-trigger, sendo atribuído devido a aparência da característica de
transferência do bloco. Veja esta curva e os valores práticos dos parâmetros VT- e
VT++, a figura 04 mostra a característica de transferência típica do circuito integrado
TTL 7414 (6 inversores schimitt-trigger).
14
Figura 05 - Característica de transferência típica do circuito integrado TTL 7414.
Por este gráfico podemos notar que, para a saída assumir nível 0 (VOL =
0,2V) é necessário que a variação de entrada atinja aproximadamente VT+ = 1,7V, e
para assumir nível 1 (VOH = 3,4V), é necessário que a variação de entrada caia
abaixo de VT- = 0,9V aproximadamente.
5 VERSÕES DE CIRCUITOS TTL
Existem outros tipos de blocos TTL além dos blocos mais comuns
(Standard), com outras versões de circuitos com finalidade de atender a solicitações
de ordem prática nos parâmetros relativos à velocidade e consumo de potência.
Veja a tabela na próxima página, que mostra um quadro comparativo com as
versões, identificações, vantagens e desvantagens desses blocos:
Estes valores são válidos para circuitos integrados de portas NE e servem
apenas para comparações entre as versões, sendo estimados a partir de faixas
disponíveis nos manuais comerciais de diversos fabricantes.
Os dados do quadro nos possibilita a comparação em termos de velocidade
e consumo de potência, tomando como ponto de referência a versão comum, em
seguida da versão de baixo consumo (L), e de alta velocidade (H). Essas versões
são diferentes entre si devido a alterações introduzidas nos circuitos e nos valores
de seus componentes internos. A partir deste passo, as versões do quadro como
podemos ver, os circuitos apresentam variações sobre a tecnologia Schottky.
Nesta versão, é utilizado em seus circuitos o diodo Schottky, que é um
elemeto semicondutor construído em metal com um lado da junção internapara
aumentar a velocidade de comutação, que está devidamente colocado entre base e
coletor de um transistor, formando um conjunto denominado Transistor Schottky.
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Quando este conjunto é utilizado para chaveamento, não atinge a saturação
por completo, devido à ligação, apresentando um tempo de comutação
extremamente baixo e consequentemente uma altíssima velocidade de trabalho. A
figura 05 na próxima página, nos mostra a ligação de um diodo Schottky em um
transistor bipolar para formar o referido conjunto (a) e a simbologia que é utilizada
por este (b).
(a) (b)
Figura 6 - Ligação de um diodo Schottky em um transistor bipolar (a) e a simbologia que é
utilizada por este (b).
As alterações feitas nos circuitos e nos valores dos componentes, produziam
em relação à versão Schottky (S), uma variação de menor consumo (LS), e nas
versões Schottky Avançadas (AS e ALS), com uma grande melhora no desempenho
total, principalmente no produto velocidade-consumo, constituindo-se nos menores
entre todas as versões existentes.
6 CIRCUITOS INTEGRADOS TTL
Esta família possui uma vasta variação de circuitos integrados padronizados
com configurações de pinagens disponíveis nos manuais dos fabricantes. São
circuitos integrados que possuem 14 pinos ou mais, conforme a complexidade do
circuito agregado, com encapsulamentos denominados DIP (Dual-In-Line
Package), cuja identificação da disposição dos terminais se faz através da vista
16
superior, em sentido antí-horário a partir de uma marca de referência no
encapsulamento do circuito integrado.
Veja abaixo as marcas de referência dos circuitos integrados:
No caso do circuito integrado acima, podemos verificar que a sua alimentação é feita
através do pino 14: +Vcc e do pino 7: terra ou GND (ground).
Alguns tipos de circuitos integrados TTL:
6.1 TTL 7402
O circuito TTL 7402 é um dispositivo TTL que possui quatro portas lógicas NOR de duas entradas cada porta. O consumo é de 12mA e o invólucro é DIL.
7402 - 04 portas NOR de 02 entradas
TABELA VERDADE
A (entrada) B (entrada) Y (saída)
Marca de
Referência
Marca de
Referência
17
L L L
L H L
H L L
H H H
L L L
L H L
H L L
H H H
H (nível lógico alto)
L (nível lógico baixo)
6.2 TTL 7404
O circuito lógico TTL 7404 é um circuito integrado que possui seis portas
lógicas inversoras (NOT).
7404 - 06 portas INVERSORAS
com saídas
TABELA VERDADE
Y = ĀA (entrada) Y (saída)
18
L H
H L
H (nível lógico alto)
L (nível lógico baixo)
6.3 TTL 7408
O circuito lógico TTL 7408 é um dispositivo TTL que possui quatro portas
lógicas AND de duas entradas cada porta. Ele é usado , principalmente, em circuitos
eletrônicos lógicos. O princípio de funcionamento dele é de uma porta lógica AND,
que por sua vez é, é uma operação lógica em dois operados que resulta em um
valor lógico verdadeiro se e somente se todos os operados tem um valor verdadeiro.
7408 - 04 portas AND de 02 entradas
19
TABELA VERDADE
Y = A x BA (entrada) B (entrada) Y (saída)
L L L
L H L
H L L
H H H
H (nível lógico alto)
L (nível lógico baixo)
6.4 TTL 7432
O circuito TTL 7432 é um dispositivo TTL encapsulado em um
invólucro DIP de 14 pinos que contém quatro portas OR de duas entradas.
7432 - 04 portas OR de 02 entradas
TABELA VERDADE
A (entrada) B (entrada) Y (saída)
20
L L L
L H H
H L H
H H H
H (nível lógico alto)
L (nível lógico baixo)
7 CONCLUSÃO
A linguagem lógica está presente em toda e qualquer tomada de decisão.
Estes dispositivos práticos executam funções booleanas básicas, isto é, as
operações fundamentais como OU, E, NAO e algumas delas derivadas. Na
atualidade, a sua implementação é praticamente em circuitos eletrônicos integrados,
mas podem ser componentes discretos, circuitos elétricos com relés, dispositivos
óticos, circuitos hidráulicos ou mesmo mecanismos.
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REFERÊNCIAS
TORRES, Gabriel; LIMA, Cássio – Introdução às Portas Lógicas
http://www.clubedohardware.com.br/artigos/Introducao-as-Portas-Logicas/1139/7
http://www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano/EE610/PDF/2_e_2%20TTL%20Portas%20L%F3gicas.pdf
http://pt.wikipedia.org/wiki/TTL_7402
http://pt.wikipedia.org/wiki/TTL_7404
http://pt.wikipedia.org/wiki/TTL_7408
http://pt.wikipedia.org/wiki/TTL_7432
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