FAMÍLIAS DE CIRCUITOS LÓGICOS
Famílias lógicas consistem de um conjunto de circuitos integrados implementados para cobrir um determinado grupo de funções lógicas que possuem características de fabricação e elétricas similares. O desenvolvimento das famílias lógicas é uma conseqüência da evolução das técnicas de fabricação e necessidades de aplicação (velocidade, potência, etc.).
CLASSIFICAÇÃO PELO ELEMENTO CHAVEADOR:
• Transistor Bipolar • Transistor MOS
Tecnologias-Demantova 1 Transistor Bipolar:
Tecnologias-Demantova 2 Transistor MOS:
Tecnologias-Demantova 3 SUB FAMÍLIAS:
• BIPOLAR: -DTL (Diode Transistor Logic, Lógica de Diodos e Transistores); -DCTL (Direct Coupled Transistor Logic, Lógica de Transistores diretamente acoplados); -RTL (Resistor Transistor Logic, Lógica de Transistores e Resistores); -RCTL (Resistor Capacitor Transistor Logic, RTL com Capacitores); -HTL (High Threshold Logic, Lógica de alto Limiar); -TTL (Transistor Transistor Logic, Lógica Transistor-transistor); -ECL (Emitter Coupled Logic, Lógica de Emissores Acoplados);.
• MOS (Metal Oxide Semiconductor Logic, Lógica de MOSFETs): -pMOS (MOSFET canal P); -nMOS (MOSFET canal N); -CMOS (Complementary MOS Logic, Lógica MOS complementar)
Tecnologias-Demantova 4 SUB FAMÍLIAS:
• BICMOS:
-É uma terceira tecnologia que ganha campo hoje em dia mesclando os dois elementos chaveadores em um mesmo componente.
Tecnologias-Demantova 5 Volume x Tempo x Custo:
Tecnologias-Demantova 6 PARÂMETROS ELÉTRICOS E NÍVEIS LÓGICOS:
• IIH: corrente de entrada para nível alto; • IIL: corrente de entrada para nível baixo; • ioh: corrente de saída para nível alto; • IOL: corrente de saída para nível baixo; • VIH: tensão de entrada para nível alto; • VIL: tensão de entrada para nível baixo; • VOH: tensão de saída para nível alto; • VOL: tensão de saída para nível baixo; • TPD: tempo de propagação de uma transição da SAÍDA EM relação a entrada (TPHL, TPLH).
Tecnologias-Demantova 7 PARÂMETROS ELÉTRICOS E NÍVEIS LÓGICOS:
CONDIÇÕES DE COMPATIBILIDADE:
VOH ≥ VIH; VOL ≤ VIL; IOH ≥ N.IIH; IOL ≥ N.IIL;
Tecnologias-Demantova 8 IMUNIDADE À RUÍDO: Representa o maior grau de ruído que pode ser adicionado ao sinal lógico presente em uma interconexão de portas lógicas, sem que acarrete que um nível lógico fornecido na saída seja interpretado erroneamente na entrada em que está conectada.
PARA A DETERMINAÇÃO DA IMUNIDADE AO RUÍDO, DEVE-SE CONSIDERAR O PIOR CASO, OU SEJA, O MENOR VALOR ENTRE
(VOHMÍN - VIH MÍN ) E (VIL MÁX - VOLMÁX).
Tecnologias-Demantova 9 CORRENTES DE ENTRADA E SAÍDA: DETERMINA COM CERTEZA A MÁXIMA CARGA QUE CADA PORTA PODE SUPORTAR RESPEITANDO SUAS CARACTERÍSTICAS DE IMUNIDADE A RUÍDO. SINAIS NEGATIVOS SIGNIFICAM CORRENTES SAINDO DA PORTA LÓGICA.
FAN OUT: CORRESPONDE AO NÚMERO DE ENTRADAS PADRÃO QUE UMA SAÍDA CONSEGUE & EXCITAR COM GARANTIA. É UM NÚMERO ADIMENSIONAL. & &
ex. TTL Standard &
Tecnologias-Demantova 10 TEMPO DE PROPAGAÇÃO:
tPLH – Tempo de atraso do estado lógico “0” para o “1”. tPHL – Tempo de atraso do estado lógico “1” para o “0”.
PRINCIPAIS CAUSAS: • ATRASOS DE COMUTAÇÃO INTERNA • CAPACITÂNCIAS INTERNAS E PARASITAS • TEMPO DE RECOMBINAÇÃO DE PORTADORES
Tecnologias-Demantova 11 FREQÜÊNCIA MÁXIMA DE OPERAÇÃO:
É a máxima freqüência de um sinal aplicado a entrada de uma porta lógica sendo que esta ainda consegue comutar de maneira correta a sua saída:
1 fmax TPHL TPLH
Tecnologias-Demantova 12 TEMPERATURAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS:
Faixa Militar -55 a +125 °C
Operação Faixa Meio-Militar 0 a +100 °C ao ar livre Faixa Profissional 0 a +75 °C Faixa Industrial 15 a +55 °C Temperatura de armazenamento -65 a +150 °C
Tecnologias-Demantova 13 TEMPERATURAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS:
Faixa Militar -55 a +125 °C
Operação Faixa Meio-Militar 0 a +100 °C ao ar livre Faixa Profissional 0 a +75 °C Faixa Industrial 15 a +55 °C Temperatura de armazenamento -65 a +150 °C
Normalmente o fabricante especifica a potência máxima de dissipação a uma dada temperatura (ex:110mw a 25°c) e um fator de decréscimo ( 1mw/°c).
Tecnologias-Demantova 14 EXIGÊNCIAS DE ALIMENTAÇÃO:
Em geral ICCH e ICCL têm valores diferentes, sendo a potência média consumida pelo integrado calculada como:
PD Média ICCmédia VCC
Tecnologias-Demantova 15 TIPOS DE ENCAPSULAMENTOS:
Tecnologias-Demantova 16 A EVOLUÇÃO DAS FAMÍLIAS LÓGICAS:
LÓGICA COM DIODOS (DIODE LOGIC):
Tecnologias-Demantova 17
FAMÍLIA RTL (RESISTOR TRANSISTOR LOGIC):
Vcc
R
R1 Z
A
B R2
-É de simples confecção e muito utilizada em componentes discretos. -É a primeira família considerada de tecnologia saturada. -Apresenta como limitações: baixa freqüência de corte devido aos resistores (5MHz). resistência de carga => „1‟ ideal é baixa. => „0‟ ideal é alta. -Resistência de entrada reduzem o fan-out para 5. -Uma derivação desta família é a RCTL
Tecnologias-Demantova 18 FAMÍLIA DTL (DIODE TRANSISTOR LOGIC): Vcc Vcc
R R D1 Z D3 & Vx A T1
Vd3 Vbe B D2
-É uma extensão da lógica com diodos. - Aumento da velocidade (baixa resistência em polarização direta). -Aumento de fan-out (alta resistência em polarização inversa). -Entrada em zero => diodo conduzindo => transistor cortado
(Vx=VD1=VD2<(VD3+VBE). - Quando a=b=1, transistor saturado (saída igual a zero). - Pincipais características: bloco lógico básico ne, tempo de atraso da ordem de 30ns, fan-out 8, potência/bloco 10mW, imunidade ao ruído da ordem de 1,4V.
Tecnologias-Demantova 19 FAMÍLIA HTL (HIGH THRESHOLD LOGIC):
- Apresenta maior imunidade ao ruído. qualquer ruído precisa ter energia suficiente para polarizar o diodo zener e a junção base- emissor do transistor antes de causar alteração no estado da porta. - Fan-out típico igual a 10, consumo aproximado de 60 mW/bloco. apresenta o maior tempo de atraso entre as famílias de tecnologia bipolar.
Tecnologias-Demantova 20 FAMÍLIA TTL (TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC):
- Derivada da família DTL. usa transistores multiemissores. - Vantagens: eliminação da rede de diodos e resistores de entrada, maior velocidade de comutação e maior facilidade de construção em escala integrada, tornando-se menor o custo por unidade.
Tecnologias-Demantova 21 FAMÍLIA TTL (TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC):
Para a polarização de uma junção base-emissor, precisa-se de um Vbe=0,6V, então existirá uma corrente de coletor que passará pelo(s) emissor(es) polarizado(s) e que irá drenar corrente da base do transistor de saída, cortando-o e fazendo a saída ficar em nível lógico um. Quando as duas junções base-emissor não estiverem polarizadas, existirá uma corrente de fuga ICBO (corrente base-coletor com emissor em aberto), que será suficiente para polarizar o transistor da saída, levando a mesma para o nível zero.
Entrada em aberto: Quando deixamos uma entrada em aberto, teremos a respectiva junção base-emissor não polarizada. Isto tem o mesmo efeito de se colocar o nível lógico um na entrada. Na prática, onde problemas de acoplamento de ruído de HF são bem conhecidos, sempre devemos garantir o nível um ligando-o fisicamente a Vcc, i.e., não devemos confiar no expediente de deixar entradas em aberto, geralmente aparecerão problemas.
Tecnologias-Demantova 22 ESPECIFICAÇÕES DA FAMÍLIA TTL
SÉRIES 74/54 SIMBOLOGIA:
ZZ 74 AC XXX NT
- ZZ é geralmente o código do fabricante (ex. SN da Texas Inst.). - Faixa de Temperatura: 74[0..75C] e 54 [-55..125C]. - As letras que aparecem após o 74/54 especificam a subfamília: - Os números XXX especificam a função do CI. - NT identifica o tipo de encapsulamento. Ex: N=300mil DIP Dual in Pine; NT é 300 mil DIP para 24/28 pinos; D=150 mil SO; DW 300 mil SO 20/24/28 pinos; DL 300 mil SSOP (Shrink Small Outline Package) 48/56 pinos 300 mil cerâmico DIL.
Tecnologias-Demantova 23 ESPECIFICAÇÕES DA FAMÍLIA TTL
ALIMENTAÇÃO:
- A versão comercial tem tolerância de 5% na alimentação [de 4,75 a 5,25V].
NÍVEIS DE ENTRADA E SAÍDA:
Tecnologias-Demantova 24 ESPECIFICAÇÕES DA FAMÍLIA TTL
SAÍDAS PADRÃO:
Tecnologias-Demantova 25 ESPECIFICAÇÕES DA FAMÍLIA TTL
PORTA NE TTL PADRÃO:
- R3 caracteriza o active pull-up resistor. - Q3 e Q4 a saída toten-pole.
- A e/ou B em nível zero, Q2 corta, levando Q4 ao corte. - Q3 conduz, aparecendo na saída s um, igual a +Vcc. - Com A e B em nível um, por R1 fluirá
uma corrente (ICBO) que irá saturar Q2 e consequentemente Q4. - Devido queda de tensão em D, o transistor Q3 cortará e teremos na saída
a tensão VCESAT de Q4, ou seja, 0,2V.
Tecnologias-Demantova 26 ESPECIFICAÇÕES DA FAMÍLIA TTL COLETOR ABERTO:
Tecnologias-Demantova 27 FUNÇÃO ENABLE, TRI-STATE / ESTADO DE ALTA IMPEDÂNCIA:
Este tipo de porta apresenta 3 estados de saída: o estado zero (Q4 saturado e Q3 cortado), o estado um (Q4 cortado e Q3 saturado) e um terceiro estado de alta impedância (Q4 e Q3 cortados), conhecido como terceiro estado. Diz-se que esta saída é do tipo tri-state (3S ou 3z). Se aplicarmos um nível zero (0V) na entrada E no enable (entrada de habilitação), Q5 será cortado e o circuito funcionará normalmente como uma porta NE. Se aplicarmos nível um (Vcc), o transistor Q5 saturará e o potencial no ponto X cairá para um valor baixo, levando Q3 e Q4 para a situação de corte. O terminal de saída S, neste caso, estará praticamente desconectado do circuito e ocasionará o estado de alta impedância. Na prática, as aplicações das saídas tri-state são muitas, principalmente em sistemas com micro-processadores, onde vários circuitos integrados compartilham um mesmo conjunto de, formando o que se denomina barramento de dados (Data Bus). Nesta situação, enquanto um dispositivo utiliza os dados do barramento, todos os outros dispositivos ligados ao mesmo barramento permanecem em estado de alta impedância.
Tecnologias-Demantova 28 FAMÍLIAS TTL (Exemplos):
Tp Pd/ Versão Identif. Obs. I I I I /porta porta OH OL IH IL 10 Standard 54/74 10 ns padrão mW Low power 54L /74L 33 ns 1 mW baixo consumo -200μA 3.6mA 10μA -0.18mA 22 High speed 54H /74H 6 ns alta velocidade mW 20 Schottky 54S / 74S 3 ns alta velocidade -1mA 20mA 50μA -2mA mW Low power 54LS / 74LS 10 ns 2 mW baixo consumo -400μA 8mA 20μA -0.36mA Schottky
Advanced Motorola 54ALS/74ALS 4ns 1mW -400μA 4mA 20μA -0.2mA Low power F(Fairchild)
Advanced Características 54AS/74AS 2ns 15mW -2mA 20mA 200μA -2mA Schottky Construtivas
Tecnologias-Demantova 29 CIRCUITOS INTERNOS DAS DIVERSAS SUB-FAMÍLIAS TTL:
Tecnologias-Demantova 30 CIRCUITOS INTERNOS DAS DIVERSAS SUB-FAMÍLIAS TTL:
Tecnologias-Demantova 31 FAMÍLIA ECL (EMITTER-COUPLED LOGIC):
A família ECL utiliza o acoplamento direto entre emissores. Esse fato faz com que os transistores não trabalhem na região de saturação, possibilitando um menor tempo de resposta, ou seja, uma velocidade de trabalho alta. Dentre as famílias lógicas aqui estudadas, possui a maior velocidade de comutação (1,55 ns). Tem desvantagem de um alto consumo, fabricação complicada e baixa densidade de integração.
Tecnologias-Demantova 32 Família MOS (Metal-Oxide Semiconductor) São circuitos formados a partir de transistores MOSFETs. Estes transistores de efeito de campo são construídos a partir da tecnologia MOS (semicondutor de óxido metálico). Canal n Canal p D D -MOS canal n (nMOS): VGS 0V e 0 transistor está cortado. n p -V ≈ 1,5 V começa a formação G G GS do canal entre o dreno e a S S fonte.
- Quanto maior o valor de VGS maior o canal de condução -Resistências de corte de 10 G e de saturação de 1 k. -Transistor pMOS (canal p) funciona de maneira complementar. -nMOS=>2 vezes mais rápido; pMOS=> maior nível de integração. -tecnologia MOS=> maior densidade de integração (memórias e microprocessadores); baixo custo de fabricação; menor consumo; desvantagem: menor velocidade de operação.
Tecnologias-Demantova 33 Portas utilizando nMOS:
O gate de Q1 => +5 V. q1 faz a função de um resistor de 100 k. -Q2 é o transistor de comutação, condição de corte (G) ou saturação (k).
Tecnologias-Demantova 34 Família CMOS (Complementary MOS):
-Nesta família CMOS sempre haverá um transistor pMOS trabalhando com um outro nMOS em simetria complementar. -Possui grande escala de integração, consumindo uma baixa potência e tendo um grande Fan-out devido a alta impedância de entrada.
Tecnologias-Demantova 35 Características de tensão das entradas e saídas:
-Alimentação: desde 3V até 15V (série 40XX) ou de 3V até 18V (série 40XXB).
Tecnologias-Demantova 36 Porta Lógicas Básicas CMOS:
Tecnologias-Demantova 37 Características Principais da Família CMOS:
- Fan-out maior que 50. - Potência dissipada por bloco da ordem de 10 mW: 2 Pt=Pq + CV f. (Pq ≈ nW e PDN = 10mW a 10MHz) - Alta imunidade a ruído: 45% Vdd (típica) e 30% Vdd (garantida). - Desvantagem: tempo de atraso que é da ordem de (30-100ns). - Cuidados com o manuseio, devido à eletricidade estática.
Principais Características das Sub-famílias:
HC High Speed CMOS CMOS de Alta Velocidade
HCT High Speed CMOS with TTL inputs CMOS de Alta Velocidade com entradas TTL
AC Advanced CMOS CMOS de Alta Velocidade-versão avançada
ACT Advanced CMOS com TTL inputs CMOS com entradas TTL - versão avançada
BCT BiCMOS Technology Tecnologia BiCMOS (Bipolar/CMOS)
ABT Advanced BiCMOS Technology Tecnologia BiCMOS Avançada
LVT Low Voltage Technology Tecnologia de Baixa Tensão
Tecnologias-Demantova 38 FAMÍLIAS CMOSxTTL (Exemplos):
Parâmetros CMOS TTL 4000B 74HC 74HCT 74 74LS 74AS 74ALS VIH(min) 3,5V 3,5V 2,0V 2,0V 2,0V 2,0V 2,0V VIL(máx) 1,5V 1,0V 0,8V 0,8V 0,8V 0,8V 0,8V VOH(min) 4,95V 4,9V 4,9V 2,4V 2,7V 2,7V 2,7V VOL(máx) 0,05V 0,1V 0,1V 0,4V 0,5V 0,5V 0,4V Alimentação de 5V IIH(máx) 1uA 1uA 1uA 40uA 20uA 200uA 20uA IIL(máx) 1uA 1uA 1uA 1,6mA 0,4mA 2mA 100uA IOH(máx) 0,4mA 4mA 4mA 0,4mA 0,4mA 2mA 400uA IOL(máx) 0,4mA 4mA 4mA 16mA 8mA 20mA 8mA
Tecnologias-Demantova 39 Familia BiCMOS:
BiCMOS combina as vantagens das tecnologias Bipolar (Alta velocidade) e CMOS (Baixo Consumo). Esta tecnologia de alto desempenho tem uma maior facilidade de projeto, uma vez que a minimização dos problemas de ruído intrínseco, ruídos de chaveamento e consumo em altas freqüências, juntamente com outras características desta tecnologia híbrida, reduz os esforços de projeto. Algumas das vantagens desta tecnologia são: alta velocidade; consumo reduzido tanto em operação dinâmica quanto estática; saídas bipolares que provêem 48-64 mA; ruído de chaveamento menor; saída puramente bipolar e estágios de entrada e funcional usam tecnologia CMOS.
Tecnologias-Demantova 40 Aplicações básicas para as diversas famílias:
BICMOS BIPOLAR-COMPLEMENTARY METAL OXIDE SEMICONDUCTOR ABT ALTA VELOCIDADE, ALTAS CORRENTES DE SAÍDA, BAIXO RUÍDO ALTA VELOCIDADE E ALTAS CORRENTES DE SAÍDA PARA LVT APLICAÇÕES DE 3,3 VOLTS. CMOS COMPLEMENTARY METAL OXIDE SEMICONDUCTOR ALTA VELOCIDADE POSSIBILITANDO INTEROPERACIONALIDADE LCX ENTRE SISTEMAS DE 5 E 3,3V COM SAÍDAS TOLERANTES A 5 V LVX TRANSLAÇÃO DE DE NÍVEIS DE TENSÃO (5/3,3) LVQ IDEAL PARA APLICAÇÕES EXCLUSIVAMENTE DE 3,3V. PROPÓSITOS GERAIS (VERSÃO MILITAR DISPONÍVEL COM ALTA AC RESISTÊNCIA À RADIAÇÃO) ACQ PROJETADA PARA APLICAÇÕES SENSÍVEIS A RUÍDOS ACT IDEM AC ACTQ IDEM ACQ SUBSTITUTA DA HCMOS. ALÉM DE TER BAIXA POTÊNCIA, BAIXO VHC RUÍDO E BAIXA CORRENTE DE SAÍDA, É MAIS VELOZ. VHCT IDEM VHC
Tecnologias-Demantova 41 BICMOS BIPOLAR-COMPLEMENTARY METAL OXIDE SEMICONDUCTOR HC SUBSTITUÍDA PELAS VHC/VHCT, VELOCIDADE MODERADA. HCT IDEM HC 74C INDICADA PARA TENSÕES ALTAS (NÍVEL CMOS) E ALTOS RUIDOS. CD4K ALTAS VOLTAGENS E ALTOS RUÍDOS. CMOS PADRÃO.
BIPOLAR TECNOLOGIA BIPOLAR FASTR A MAIS RÁPIDA COM TECNOLOGIA TTL. MELHORADA DA FAST. FAST MELHOR RAZÃO VELOC./CONS. DENTRE TTL-SCHOTTKY. AS TECN. TTL DE ALTA VELOCIDADE E ALTAS CORRENTES DE SAÍDA. BAIXO RUÍDO DE SAÍDA E O MENOR CONSUMO DENTRE AS SUB- ALS FAMÍLIAS AVANÇADAS TTL. LS SUPORTE EM EXTINÇÃO. S IDEM LS, MAS NÃO RECOMENDADA PARA NOVOS PROJETOS. N (TTL) IDEM LS, MAS NÃO RECOMENDADA PARA NOVOS PROJETOS.
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