Existem circuitos integrados de certas famílias lógicas que possuem funções muito úteis e que por isso podem ser usados numa infinidade de projetos. Um desses circuitos é o 4013, da família CMOS, que consiste num Flip-Flop tipo D. Neste artigo analisamos este componente dando ao leitor os elementos necessários ao seu uso em projetos.
O circuito integrado 4013 é um duplo flip-flop tipo D com Preset e Clear (Dual D Flip-Flop with Preset and Clear). Na figura 1 temos a pinagem deste componente, que é encontrado em invólucro DIL (Dual in Line) de 14 pinos.
Suas principais características são:
* Tensão de alimentação: 3 a 18 V
* Frequência máxima de clock: 10 MHz (10 V)
4 MHz (5 V)
* Corrente total: 0,8 mA (1 MHz x 5 V)
1,6 mA (1 MHz x 10 V)
Cada um dos dois flop-flops pode ser usado de modo independente em duas modalidades de funcionamento: disparado por clock e direto.
DESCRIÇÃO DO COMPONENTE
O invólucro Dual In Line (DIL) de 14 pinos permite acessar diversos pontos do circuito dos flip-flops, destacando-se as seguintes funções:
a) Entrada CLOCK (CL) através da qual podemos comandar as mudanças de estado do circuito.
b) Entrada DATA (D) onde se aplica o nível de referência, que é transferido para a saída na mudança de estado do flip-flop.
c) Entrada SET (S) que permite o estabelecimento de uma condição definida para o flip-flop.
d) Entrada RESET (R) que permite o estabelecimento de um estado inicial de saída 0 ao flip-flop.
e) Saídas complementares Q e Q/, que estão sempre com níveis lógicos opostos.
f) Pinos de alimentação VDD e GND (ou VSS), que correspondem ao pino +V e ao terra.
COMO FUNCIONA O 4013
Quando as entradas SET e RESET se encontram no nível lógico baixo, a saída Q adquire o estado lógico que está presente na entrada DATA no momento exato em que é aplicado o sinal de CLOCK. É claro que a saída complementar Q/ neste mesmo instante vai adquirir o nível lógico oposto.
As saídas Q e Q/ vão manter o nível registrado até que ocorra uma transição positiva do clock, que permita a leitura do novo estado da entrada DATA.
Se o nível lógico aplicada à entrada DATA se mantiver, não haverá mudança de estado do flip-flop e as saídas(Q e Q/) ficam no mesmo estado.
Veja que as transições negativas da entrada CLOCK não têm nenhuma influência sobre o circuito, que mantém os níveis das suas saídas.
Se a entrada RESET for levada a um nível lógico alto e a entrada SET se mantiver no nível baixo, a saída Q passará ao nível baixo e a saída Q/ passará ao nível alto, qualquer que seja o nível das entradas CLOCK e DATA.
Se agora submetermos a entrada SET a um nível alto e mantivermos a entrada RESET no nível baixo, a saída Q passa ao estado alto e Q/ ao estado baixo, independentemente dos níveis das entradas CLOCK e DATA.
A conclusão que temos é que os comandos que fazemos pelas entradas SET e RESET são prioritários em relação aos comandos aplicados à entrada de CLOCK.
E, finalmente, se submetermos as entradas SET e RESET simultaneamente a um nível alto, as duas saídas vão ao nível alto, independentemente do que ocorre nas entradas CLOCK e DATA.
Podemos descrever melhor este comportamento pela seguinte tabela verdade:
Na figura 2 temos um diagrama de tempos que ocorrem nas transições deste circuito integrado, valendo as seguintes definições:
tWH - largura mínima do pulso de CLOCK no estado lógico 1.
tWL - largura mínima do pulso de CLOCK no estado lógico 0.
tSLH - tempo de Set-up para a transição positiva de saída (0 para 1)
tSHL - tempo de Set-up para a transição negativa da saída (1 para 0)
tpLH - atraso na transição positiva de saída
tpHL - atraso na transição negativa de saída
tTLH - tempo de transição positiva ou tempo de subida
tTHL - tempo de transição negativa ou tempo de descida
Para os circuitos integrados 4013 com alimentação de 10 V os valores típicos são:
tPHL(tip) = 75 ns
tTHL(tip) = 50 ns
tWH(tip) = 50 ns
tSHL(tip) = 10 ns
fmax = 10 MHz
APLICAÇÕES
O circuito integrado 4013 pode ser utilizado de duas formas:
a) No modo com CLOCK, as entradas SET e RESET devem ser aterradas. A entrada D determina então o que o flip-flop vai fazer. A verdadeira operação só vai ocorrer na transição positiva da entrada de CLOCK.
Se D for positiva (nível alto), o pulso de CLOCK faz com que Q vá ao nível alto e Q/ vá ao nível baixo. Se D for aterrada, o pulso de CLOCK faz com que Q vá ao nível baixo e Q/ ao nível alto.
b) No modo direto, um pulso positivo em SET (alto) força a saída para o nível alto e sua complementar ao nível baixo. Um pulso positivo de entrada de RESET (alto) força a saída Q ao nível baixo e a complementar ao nível alto.
CIRCUITO 1
Na figura 3 temos um circuito divisor por 2 usando um dos flip-flops do 4013.
A saída complementar (Q/) é ligada à entrada D, de modo a realimentar o circuito dividindo por 2 a frequência do sinal de entrada.
CIRCUITO 2
A ligação em cascata de dois flip-flops faz a divisão da frequência de entrada por 4, conforme mostra a figura 4.
Observe que a saída para o segundo flip-flop não é retirada da saída Q, mas sim de sua complementar.
CIRCUITO 3
Com 3 flip-flops (que correspondem a um circuito integrado e meio) podemos fazer um divisor por 8, conforme mostra a figura 5.
No terceiro flip-flop, a cada 8 pulsos de entrada teremos um pulso de saída.
Observamos que na utilização de um dos flip-flops apenas do 4013 as entradas não usadas devem ser aterradas para se evitar instabilidades.
CIRCUITO 4
A ativação de um relé a partir de pulsos (vindos de um monoestável, por exemplo) pode ser útil em diversos tipos de controle. Na figura 6 damos uma configuração que usamos com frequência em nossos projetos pela sua funcionalidade e simplicidade.
A cada pulso produzido pelo 555 que é obtido de um sensor de entrada, o flip-flop muda de estado e, consequentemente, o relé também. O tempo de duração do pulso de saída do monoestável (555) é calculado de modo a se evitar a ativação do sensor por mais de um instante produzindo diversos pulsos de saída e com isso o acionamento errático do circuito.
CIRCUITO 5
Damos na figura 7 uma aplicação diferente do 4013, que também pode ser usado como monoestável.
Nos multivibradores monoestáveis comuns existe uma realimentação interna que determina o final do pulso produzido quando então ocorre a comutação. A ligação da saída Q a um resistor que carrega um capacitor C faz com que o RESET seja retardado, obtendo-se com isso um comportamento monoestável.
Na figura 8 temos um tipo de monoestável usando o 4013 em que o disparo é feito nas transições negativas do pulso de entrada.
Nos dois circuitos o diodo serve para descarregar o capacitor quando ocorre a comutação.
CIRCUITO 6
A possibilidade de utilizar o 4013 na configuração monoestável, somada à sensibilidade de entrada dos circuitos CMOS nos leva a circuitos de interruptores de toque muito eficientes, como o exemplo mostrado na figura 9.
Na figura 10 temos um circuito que pode ser redisparado, e em ambos os casos a escolha de uma constante de tempo apropriada é importante para eliminar os repiques.
CIRCUITO 7
Um dos circuitos aplicativos que demos no início desta sequência foi uma chave biestável em que o 555 era utilizado como monoestável no acionamento de um 4013. Pois bem, se vamos utilizar apenas um flip-flop no acionamento de um relé, o outro pode perfeitamente ser usado como monoestável, como mostra a configuração da figura 11 que funciona como uma excelente chave de toque.
Nesta chave, a cada toque no sensor, o relé muda de estado, comutando assim uma carga externa.
CIRCUITO 8
Temos na figura 12 como monoestável ainda, uma chave de proximidade em que a capacitância do nosso corpo (estimada em 200 pF) pode ser usada para dar passagem a um sinal que consegue disparar o circuito integrado 4013.
O 4001 (ou 4011) é ligado como inversor e usado como um disparador (trigger) para fornecer um sinal retangular de 60 Hz para o 4013. O sinal retangular é proveniente do ruído da rede de energia captado pelo nosso corpo e transferido ao sensor quando nos aproximamos dele.
Um controle de sensibilidade para este circuito pode ser elaborado com a colocação de um potenciômetro ligado ao sensor como divisor de tensão. O resistor de 44 M? pode ser obtido com a ligação de dois resistores de 22 M? em série ou quatro de 10 M?.
CIRCUITO 9
Apresentamos agora na figura 13, o 4013 em sua configuração biestável, onde utilizamos 3 flip-flops (1 e meio 4013) como um sequenciador do tipo "brigada de baldes" ou linha de retardo.
O comportamento deste circuito fica mais claro pela observação dos pulsos de saída em função dos pulsos de entrada, conforme ilustra a figura 14.
Ativando diretamente uma entrada de TRIAC ou SCR, esta configuração pode levar a um efeito sequencial de 3 canais muito interessante. A velocidade do corrimento ou do efeito vai depender exclusivamente da frequência do clock. O 555 pode ser usado neste tipo de projeto como um eficiente clock.
CONCLUSÃO
O circuito integrado CMOS 4013 é mais do que um simples par de flip-flops permitindo a elaboração de centenas de projetos com as mais variadas configurações e modalidade de funcionamento. As que vimos são apenas algumas, mas o leitor imaginoso pode criar facilmente outras, e quem sabe até participar de nossa Edição Fora de Série apresentando a todos sua capacidade de invenção.
