Curso de Eletrônica Digital – Famílias de Circuitos Lógicos Digitais (CUR5003)

Escrito por Newton C Braga

3.1 - O transistor como chave eletrônica

Um transistor pode funcionar como um interruptor, deixando passar ou não uma corrente, conforme a aplicação de uma tensão de controle em sua entrada.

Assim, na simulação dos circuitos que estudamos, e em que usamos chaves, é possível utilizar transistores com uma série de vantagens.

 

 

No caso das chaves, o operador era responsável pela entrada do sinal, pois ele é que, atuando com suas mãos sobre a chave, deveria estabelecer o nível lógico de entrada, mantendo esta chave aberta ou fechando conforme desejasse 0 ou 1.

 Se usarmos um transistor, teremos uma vantagem importante. O transistor pode operar com a tensão ou nível lógico que seja produzido por outra função, e não necessariamente por uma pessoa que precise acionar uma chave.

 Assim, as funções lógicas implementadas com transistores têm a vantagem de poderem ser interligadas umas nas outras, pois o sinal que aparece na saída de cada uma pode ser usado como entrada para outra. Mais do que isso, podemos ter uma sequência de etapas que funcione automaticamente, processando os níveis lógicos, à medida que passam de uma etapa para outra.

 

Figura 61   O transistor como chave numa função inversor
Figura 61 O transistor como chave numa função inversor

 

 

Na figura 61 damos um exemplo interessante de como podemos obter um inversor usando um transistor.

 Aplicando o nível 1 na base do transistor, ele conduz até o ponto de saturar, o que faz com que a tensão no seu coletor caia a 0. Por outro lado, na ausência de tensão na sua base, que corresponde ao nível 0 de entrada, o transistor se mantém cortado, e a tensão no seu coletor se mantém alta o que corresponde ao nível lógico 1.

 Outras funções podem ser conseguidas com transistores conforme mostra a figura 62.

 

Figura 62 -  Outras funções implementadas com transistores
Figura 62 - Outras funções implementadas com transistores

 

 Em (a) temos uma porta NAND de duas entradas. Será preciso que as duas entradas sejam levadas ao nível alto para que a saída seja baixa. Em qualquer outra combinação de níveis lógicos de entrada, um dos transistores, pelo menos, não conduz e a saída se mantém no nível alto.

 Em (b) temos uma porta NOR com um transistor bipolar apenas. Quando uma ou outra entrada vai ao nível alto, o transistor conduz, e com isso a saída vai ao nível baixo. A saída só estará no nível alto quando as duas entradas estiverem no nível baixo também.

 Por estes exemplos, percebemos que a elaboração de um circuito lógico digital capaz de realizar operações complexas usando transistores é algo que pode ser conseguido com relativa facilidade. É claro que outros dispositivos equivalentes como transistores de efeito de campo também podem ser usados com a mesma finalidade.

 

3.2 - Melhorando o desempenho

 No entanto, usar transistores em circuitos que correspondam a cada função, de uma maneira não padronizada, pode trazer algumas dificuldades.

 Nos primeiros tempos da eletrônica digital, cada função era montada com seus transistores, diodos e resistores na sua plaquinha para depois, todas serem interligadas. No entanto, este procedimento se revelou inconveniente por diversos motivos.

 O primeiro deles era a complexidade que o circuito adquiria se tivesse de realizar muitas funções. Reunir uma grande quantidade de circuitos numa única placa exigia um projeto muito bem elaborado da placa a ser utilizada.

 O segundo era a necessidade de se padronizar o modo como cada circuito ou função deveria funcionar. Seria muito importante estabelecer que todos os circuitos operassem com a mesma tensão de alimentação e também fornecer sinais que os demais pudessem reconhecer como reconhecer os sinais gerados pelos outros.

O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, possibilitando a colocação num único invólucro de diversos componentes já interligados, foi um passo fundamental para possibilitar um desenvolvimento muito rápido da eletrônica digital.

De fato, o que se fez foi criar uma série de circuitos integrados que contivessem numa única pastilha de silício ou "chip" as funções lógicas digitais mais usadas, e de tal maneira projetadas, para que todas fossem compatíveis entre si, ou seja, operassem com as mesmas tensões e reconhecessem os mesmos sinais.

Usando estes chips seria possível projetar equipamentos capazes de realizar operações lógicas complexas, simplesmente escolhendo as funções básicas para sua implementação e depois interligando-as da forma exigida para se obter os efeitos desejados.

Surgiram então "séries" de circuitos integrados digitais que se popularizaram justamente pela facilidade com que se tornou possível desenvolver qualquer projeto de eletrônica digital.

Estas séries de circuitos integrados eram conhecidas por "Famílias Lógicas".

Elas funcionavam como "blocos básicos", a partir das quais os projetistas teriam facilidade em encontrar todos os elementos para montar seus circuitos digitais, desde os mais simples até alguns de grande complexidade.

Na verdade, os blocos foram se tornando cada vez mais complexos, possibilitando a elaboração de circuitos de grande complexidade que só foram substituídos pelo aparecimento de blocos de uma geração superior, já contendo funções completas como os microprocessadores e microcontroladores e DSPs.

Assim, conforme mostra a figura 63, precisando montar um circuito que usasse uma porta AND duas NOR e inversores, o projetista teria disponíveis componentes prontos, ou seja, circuitos integrados (chips) compatíveis entre si, contendo estas funções, e de tal forma que poderiam ser interligadas sem a necessidade de componentes intermediários.

 

Figura 63 – Circuitos integrados com funções independentes prontas para uso
Figura 63 – Circuitos integrados com funções independentes prontas para uso

 

 

O sucesso do advento dessas famílias foi enorme, pois além do menor tamanho dos circuitos e menor consumo de energia, havia ainda a vantagem do menor custo e obtenção de maiores velocidades de operação, assim como confiabilidade.

Diversas famílias foram criadas desde o advento dos circuitos integrados, recebendo cada uma delas uma denominação, conforme a tecnologia empregada.

As principais famílias lógicas desenvolvidas foram:

 

RTL ou Resistor Transistor Logic

RCTL ou Resistor Capacitor Transistor Logic

DTL ou Diode Transistor Logic

TTL ou Transistor Transistor Logic

C-MOS ou Complementary Metal Oxide Semiconductor

ECL ou Emitter Coupled Logic

 

Atualmente as mais usadas são as Famílias TTL e CMOS que aparecem numa grande quantidade de equipamentos digitais que vão dos circuitos mais simples até computadores aos robôs, equipamentos de telecomunicações e de controles de máquinas industriais.

 

3.3 - A família TTL

A família TTL foi originalmente desenvolvida pela Texas Instruments, mas hoje, muitos fabricantes de semicondutores produzem seus principais circuitos.

Esta família é principalmente reconhecida pelo fato de ter duas séries que começam pelos números 54, para os componentes de uso militar, e 74 para os componentes de uso comercial. Assim, podemos rapidamente associar qualquer componente que comece pelo número "74" ou "54" à família TTL.

Na figura 64 mostramos uma porta típica TTL. Trata-se de uma porta NAND de duas entradas que logo chama a atenção pelo fato de usar um transistor de dois emissores.

 

Figura 64 – Porta NAND (Não-E) TTL
Figura 64 – Porta NAND (Não-E) TTL

 

 

A característica mais importante desta família está no fato de que ela é alimentada com uma tensão de 5 Volts.

 Assim, para os componentes desta família o nível lógico 0 é sempre a ausência de tensão ou 0 V, enquanto que o nível lógico 1 é sempre uma tensão de +5 V.

 Na prática, entretanto, deve-se considerar a resistência interna dos próprios circuitos, o que nos leva a considerar, de uma forma mais apropriada, nível 0, uma tensão "próxima" de 0 V e nível alto, uma tensão "próxima" de 5 V.

 Isso significa que os níveis lógicos, para serem reconhecidos, devem estar dentro de faixas bem definidas.

 Conforme mostra a figura 65, uma porta TTL, ou qualquer outra função dessa família, reconhecerá como nível 0 as tensões que estiverem entre 0 e 0,8 V, e como 1 as que estiverem numa outra faixa, entre 2,4 e 5 V.

 

Figura 65 – Faixas de operação da lógica TTL d 5 V
Figura 65 – Faixas de operação da lógica TTL d 5 V

 

 

Entre essas duas faixas existe uma região indefinida ou que deve ser evitada. Não se pode prever de que modo vai ser reconhecido um sinal que esteja nessa faixa.

 Existem centenas de circuitos integrados TTL disponíveis no mercado para a realização dos projetos. A maioria deles está em invólucros DIL de 14, 16 e 20 pinos, conforme mostra a figura 66.

 

Figura 66 – Uma boa parte dos circuitos integrados TTL está disponível nestes invólucros
Figura 66 – Uma boa parte dos circuitos integrados TTL está disponível nestes invólucros

 

 

Também podemos encontrar funções TTL em invólucros SMD (para montagem em superfície) que são indicados para a produção em massa, feita por máquinas automáticas, conforme mostrado na mesma figura.

 Assim, as funções mais simples que constam das portas, e que são disponíveis numa certa quantidade em cada integrado, são as que utilizam circuitos integrados de poucos pinos.

 No entanto, à medida que novas tecnologias foram sendo desenvolvidas, permitindo a integração de uma grande quantidade de componentes, surgiu a possibilidade de se colocar num circuito integrado, não apenas umas poucas portas e funções adicionais que serão  estudadas futuramente, como também flip-flops, decodificadores e outros mas já interligados de uma determinada forma que seja muito usada ou que tenha uma aplicação específica.

 Diversas etapas no aumento da integração foram obtidas recebendo nomes que hoje são comuns quando falamos de equipamentos digitais e computadores em geral.

 Temos então as seguintes classificações para os graus de integração dos circuitos digitais:

 SSI - Small Scale Integration ou Integração em Pequena Escala que corresponde a série normal dos primeiros TTL. Esta série contém de 1 a 12 portas lógicas num mesmo componente ou circuito integrado.

 MSI - Medium Scale Integration ou Integração de Média Escala em que temos num único circuito integrado de 13 a 99 portas ou funções lógicas.

 LSI - Large Scale Integration ou Integração em Grande Escala e que corresponde a circuitos integrados contendo de 100 a 999 portas ou funções lógicas.

 VLSI - Very large Scale Integration ou Integração em Escala Muito grande que corresponde aos circuitos integrados que contenham mais de 1000 portas ou funções lógicas.

 ULSI - Ultra Large Scale of Integration ou Integração em Escala Extremamente Grande que corresponde a circuitos que contenham centenas de milhares ou mesmo milhões de portas ou funções lógicas, tais como DSPs, microcontroladores, microprocessadores e outros.

 

3.3.1. - Consumo & Velocidade

 Quanto maior for a velocidade de um circuito lógico digital, maior é o seu consumo de energia. Da mesma forma, quanto maior for a quantidade de funções integradas num chip, maior é o seu consumo.

 Para os projetistas dos chips digitais é, portanto, de fundamental importância pensar nesses dois fatores principalmente quando se trata de um chip que vai ser usado em equipamento alimentado por bateria.

 Assim, uma tendência atual é que os dispositivos que tenham escalas muito altas de integração como os microprocessadores e DSPs usem tecnologias que não sejam a TTL, como a CMOS (que veremos mais adiante nesse curso) que se caracteriza por ter um consumo de energia muito mais baixo.

 No começo, havia uma restrição ao uso do CMOS dada sua velocidade muito menor do que os chips de tecnologia TTL, mas atualmente, dispositivos CMOS já operam em velocidades muito altas, nada deixando a dever aos dispositivos de tecnologia TTL.

 

3.4 - Outras Características da Família TTL

Para usar corretamente os circuitos integrados TTL, e mesmo saber testá-los, quando apresentam algum problema de funcionamento, é importante conhecer algumas de suas características adicionais.

Analisemos as principais características, lembrando os níveis lógicos de entrada e saída que são admitidos:

 

3.4.1 - Correntes de entrada:

 Quando uma entrada de uma função lógica TTL está  no nível 0, flui uma corrente da base para o emissor do transistor multi-emissor da ordem de 1,6 mA, conforme mostra a figura 67.

 

Figura 67 – Corrente de entrada com o nível baixo (0 V)
Figura 67 – Corrente de entrada com o nível baixo (0 V)

 

 

Esta corrente deve ser levada em conta em qualquer projeto, pois ela deve ser suprida pelo circuito que vai excitar a porta.

 Quando a entrada de uma porta lógica TTL está no nível alto flui uma corrente no sentido oposto da ordem de 40 uA, conforme mostra a figura 68.

 

Figura 68 – Corrente de entrada no nível alto (5 V).
Figura 68 – Corrente de entrada no nível alto (5 V).

 

 

Veja que esta corrente corresponde à polarização inversa (fuga) da junção base-emissor do transistor multi-emissor de entrada.

 Esta corrente vai circular quando a tensão de entrada estiver com um valor superior a 2,0 V.

 Se o dispositivo que vai excitar uma entrada de uma função lógica for outro circuito TTL, não precisamos nos preocupar muito com isso, pois ele já é projetado para fornecer as correntes necessárias. O problema é maior quando o dispositivo que deve excitar a entrada é um circuito de outra tecnologia como, por exemplo, uma etapa transistorizada que use um sensor, ou mesmo diretamente um sensor.

 

3.4.2 - Correntes de saída

Quando a saída de um circuito TTL vai ao nível 0 (ou baixo) flui uma corrente da ordem de 16 mA, conforme mostra o circuito equivalente da figura 69.

 

Figura 69 – A corrente de saída no nível baixo
Figura 69 – A corrente de saída no nível baixo

 

 

Isso significa que uma saída TTL no nível 0, ou baixo, pode drenar de uma carga uma corrente máxima de 16 mA, ou seja, pode "absorver" uma corrente máxima desta ordem.

 Por outro lado quando a saída de uma função TTL está no nível 1, ou alto, ela pode fornecer uma corrente máxima de 400 uA, conforme mostra a figura 70.

 

Figura 70 – Corrente de saída no nível alto
Figura 70 – Corrente de saída no nível alto

 

 

Veja então que podemos obter uma capacidade muito maior de excitação de saída de uma porta TTL quando ela é levada ao nível 0 do que no nível 1. Isso justifica o fato de que em muitas funções indicadoras, em que ligamos um LED na saída, por exemplo, fazemos com que ele seja aceso quando a saída vai ao nível 0 (e portanto a corrente é maior), e não ao nível 1 conforme mostra a figura 71.

 

Figura 71 – Acionamento no nível alto e no nível baixo
Figura 71 – Acionamento no nível alto e no nível baixo

 

 

Também damos preferência ao acionamento no nível baixo quando a carga que exige uma corrente maior é um transistor excitador, ou outro dispositivo que precise de mais corrente.

 Se o acionamento precisa ser feito no nível alto, precisaremos usar uma etapa adicional que tenha um ganho maior de corrente.

 

3.4.3 - Fan In e Fan Out

Fan In e Fan Out são termos técnicos que especificam duas características de extrema importância para os projetos que usam circuitos integrados da família TTL. Eles dizem de uma forma técnica, tudo o que podemos ligar na entrada ou na saída de uma função lógica TTL.

O que ocorre é que a saída de uma função não precisa estar obrigatoriamente ligada a uma única entrada de outra função. A mesma saída pode ser usada para excitar diversas funções ao mesmo tempo.

Como a entrada de cada função precisa de certa corrente, e a saída da função que vai excitar tem uma capacidade limitada de fornecimento ou de drenar corrente, é preciso estabelecer um limite para a quantidade de entradas que podem ser excitadas, conforme mostra a figura 72.

 

Figura 72 – Uma saída pode excitar várias entradas
Figura 72 – Uma saída pode excitar várias entradas

 

 

Assim, levando em conta as correntes nos níveis 1 e 0 das entradas e saídas, definimos o FAN OUT como o número máximo de entradas TTL que podemos ligar a uma saída TTL.

 Para os componentes da família TTL Normal ou Standard que é a que estamos estudando o FAN OUT é 10.

 Isso significa que uma única saída de um circuito integrado TTL pode excitar até 10 entradas TTL ao mesmo tempo.

 Por outro lado, também pode ocorrer que na entrada de uma função lógica TTL seja preciso ligar mais de uma saída TTL. Considerando novamente que circulam correntes nestas ligações, e que os circuitos têm capacidades limitadas de condução, precisamos saber até que quantidade de ligações pode ser feita em cada entrada.

 Usamos então o termo FAN IN para indicar a quantidade máxima de saídas que podemos ligar a uma entrada, conforme mostra a figura 73.

 

Figura 73 – O Fan IN nas portas TTL
Figura 73 – O Fan IN nas portas TTL

 

 

Na prática, por problemas que podem ocorrer se uma saída vai ao nível baixo quando outra está no nível alto, não se recomenda que em nenhum projeto tenhamos FAN IN de mais de 1, a não ser que recursos de proteção sejam usados como, por exemplo, diodos, cuja finalidade, é evitar que as saídas das funções excitadoras possam ser colocadas em curto.

 

3.4.4 - Velocidade

 

Os circuitos eletrônicos possuem uma velocidade limitada de operação a qual depende de diversos fatores.

 Esses fatores incluem o tempo de trânsito dos portadores de carga nos materiais semicondutores de que é formato o chip, da capacitância que, com a resistência de entrada dos circuitos, forma um circuito de tempo, além das indutâncias parasitas.

 No caso específico dos circuitos TTL, temos principalmente de considerar a própria configuração das portas que apresentam indutâncias e capacitâncias parasitas as quais influem na sua velocidade de operação de uma forma bastante acentuada.

 Assim se levarmos em conta a configuração típica de uma porta, conforme mostra o circuito da figura 74, vemos que se for estabelecida uma transição muito rápida da tensão de entrada, as tensões nos diversos pontos do circuito não se alteram com a mesma velocidade.

 

Figura 74 – As capacitâncias parasitas de uma entrada TTL
Figura 74 – As capacitâncias parasitas de uma entrada TTL

 

 

Este sinal tem antes de carregar as capacitâncias parasitas existentes, de modo que a tensão de entrada suba gradualmente, demorando certo tempo que deve ser considerado em qualquer projeto de alta velocidade no qual está o dispositivo.

 Da mesma forma, à medida que o sinal vai passando pelas diversas etapas do circuito, temos de considerar os tempos que os componentes levam para comutar, justamente em função das capacitâncias e indutâncias parasitas existentes, a

 O resultado disso é que para os circuitos integrados TTL, há um retardo, não desprezível, entre o instante em que o sinal passa do nível 0 para o 1 na entrada, e o instante em que o sinal na saída responde a este sinal, passando do nível 1 para o 0, no caso de um inversor tomado como exemplo.

 Da mesma forma, existe um retardo entre o instante em que o sinal de entrada passa do nível 1 para o 0, e o instante em que o sinal de saída passa do nível 0 para o 1, no caso do mesmo inversor tomado como exemplo.

 Esses dois tempos são mostrados na figura 75 e são muito importantes nas especificações dos circuitos TTL, principalmente quando trabalhamos com o projeto de dispositivos muito rápidos.

 

Figura 75 – Os tempos de transição dos sinais numa porta TTL
Figura 75 – Os tempos de transição dos sinais numa porta TTL

 

 

Esses tempos são ainda mais prolongados se o dispositivo reunir muitas funções lógicas.

 O problema principal que esses sinais causam, e que podemos adiantar para o leitor, é que, se dois sinais que devam chegar ao mesmo tempo a um certo ponto do circuito, não o fizerem porque um se retarda mais do que o outro, ao passar por determinadas funções, isso pode gerar interpretações erradas do próprio circuito que funcionará de modo anormal.

 O circuito estará ainda com um 0 numa entrada (a), aguardando a chegada de um 1, quando a (b) já recebeu o 1 de outro circuito, fornecendo então uma saída que corresponde a 0 e 1 de entrada, e não 1 e 1. Isso pode mudar todo o comportamento do circuito levando-o a resultados que não são os esperados.

 


Mais informações sobre assunto:

 

 


 

3.5 - Subfamílias TTL

 Os primeiros circuitos integrados TTL que foram desenvolvidos, logo se mostraram impróprios para certas aplicações como, por exemplo, quando se desejava maior velocidade, menor consumo de energia ou ainda os dois fatores reunidos. Naquela época, as outras tecnologias que poderiam substituir os circuitos integrados TTL ainda eram pouco desenvolvidas.

 Isso fez com que, mantendo as características originais de compatibilidade entre os circuitos, e mantendo as mesmas funções básicas, fossem criadas subfamílias, agregando uma característica adicional diferenciada.

 Assim, a partir da família original, que foi denominada "Standard" ou "Normal", surgiram diversas subfamílias. Para diferenciar essas subfamílias foram adicionadas no número que identifica o componente, depois do 54 ou 74 com que todos começam, uma letra ou duas letras.

 Temos então a seguinte tabela que identifica as subfamílias da família TTL standard:

 

Indicação: 54/74

Família/Subfamília: Normal ou Standard

Características: baixo custo, média velocidade

 

Indicação: 54L/74L

Família/Subfamília: Low Power

Característica: baixo consumo

 

Indicação: 574H/74H

Família/Subfamília: High Speed

Característica: alta velocidade

 

Indicação: 54S/74S

Família/Subfamília: Schottky

Característica: alta velocidade

 

Indicação: 54LS/74LS

Família/Subfamília: Low Power Schottky

Característica: alta velocidade e baixo consumo

 

A versão standard ou normal é a que apresenta os componentes com o custo mais baixo e que também dispõe da maior quantidade de funções.

 No entanto, a versão LS é a que se adapta mais aos circuitos de computadores e instrumentação rápida e equipamentos portáteis, pois tem a mesma velocidade dos componentes da família standard com muito menor consumo.

 Algumas características podem ser comparadas para que os leitores tenham uma ideia das diferenças:

 

 

Velocidade

 A velocidade de operação de uma função TTL normalmente é especificada pelo tempo que o sinal leva para se propagar através do circuito. Em uma linguagem mais simples, trata-se do tempo que ocorre entre o instante que aplicamos os níveis lógicos na entrada e o instante em que obtemos a resposta, conforme mostra a forma de onda que vimos na figura 75.

 Para os circuitos da família TTL é comum especificar estes tempos em nanossegundos ou bilionésimos de segundo.

 

Assim, temos:

 Família/Sub-Família = Tempo de propagação (ns)

TTL Standard = 10

Low Power = 33

Low Power Schottky = 10

High Speed = 6

Schottky = 3

 

Em muitos manuais de componentes TTL, entretanto, em lugar do tempo de propagação em nanossegundos, podemos encontrar a velocidade ou frequência máxima de operação do dispositivo, a qual será dada em Megahertz.

 Assim, uma porta TTL comum que tenha um tempo de propagação de 10 ns, quando convertemos esse valor para termos de frequência, obtemos uma frequência máxima de operação da ordem de 100 MHz.

 

 

Dissipação

 Outro ponto importante no projeto de circuitos digitais é a quantidade de energia ou a potência consumida e, portanto, dissipada na forma de calor.

 Em especial, a potência consumida se torna muito importante quando pensamos em dispositivos alimentados por baterias.

 Na prática, em nossos dias, como os dispositivos de tecnologia CMOS têm muito menor consumo que os equivalentes TTL, eles têm sido preferidos quando se trata de projetos alimentados por pilhas e baterias.

 Outra vantagem desses dispositivos é que eles podem operar com tensões muito mais baixas do que as usadas pelos circuitos de tecnologia TTL.

 Também devemos levar em conta os casos em que devemos usar uma grande quantidade de funções num circuito.

 Quando usamos uma grande quantidade de funções esta característica se torna importante tanto para o dimensionamento da fonte como para o próprio projeto da placa e do aparelho que deve ter meios de dissipar o calor gerado.

 Podemos então comparar as dissipações das diversas famílias, tomando como base uma porta ou "gate":

 

Família/Subfamília = Dissipação por Porta (mW)

Standard = 10

Low Power = 1

Low Power Schottky = 2

High Speed = 22

Schottky = 20

 

O leitor já deve ter percebido que um problema importante que se manifesta é que, quando aumentamos a velocidade o consumo também aumenta. O projetista deve, portanto, ser cuidadoso em escolher a subfamília que una as duas características na medida certa de sua precisão, incluindo nisso o preço dos componentes.

 Também deve estar atento sobre a possibilidade de se utilizar outras tecnologias, com vantagem, como por exemplo, a CMOS que estudaremos mais adiante.

  

Imunidade ao ruído

 Outra característica importante que deve ser observada ao se utilizar uma certa família de circuitos integrados TTL é a sua imunidade ao ruído.

 Ambientes ruidosos, como dentro de um veículo, uma fábrica ou ainda na rua, podem exigir que os circuitos utilizados sejam imunes a presença de ruídos. Picos de ruídos podem ser interpretados como sinais e causar um processamento errôneo.

 A imunidade ao ruído é expressa em milivolts (mV) ou volts (V), indicando qual é a amplitude máxima do ruído que pode ser sobreposta ao sinal lógico, sem que isso cause uma interpretação errônea da função.

 

 

3.6 - Compatibilidade entre as subfamílias

 Um ponto importante que deve ser levado em conta quando trabalhamos com a família Standard e as sub-famílias TTL é a possibilidade de interligarmos os diversos tipos.

 Isso realmente ocorre já que todos os circuitos integrados da família TTL, e também das subfamílias são alimentados com 5 volts.

 O que devemos observar, e com muito cuidado, é que as correntes que circulam nas entradas e saídas dos componentes das diversas subfamílias são completamente diferentes, o que quer dizer que, quando passamos de uma para outra tentando interligar os seus componentes, as regras de Fan In e Fan Out mudam completamente.

 Na verdade não podemos falar de Fan-in e Fan-out quando interligamos circuitos de famílias diferentes. O que existe é a possibilidade de se elaborar uma tabela, a partir das características dos componentes, em que a quantidade máxima de entradas de determinada subfamília pode ser ligada na saída de outra subfamília.

 Esta tabela ‚ dada a seguir:

 

Saída 74L 74 74LS 74H 74S
74L 20 40 40 50 100
74LS 2,5 10 5 12,5 12,5
Entrada 74L 74 74LS 74H 74S
74 10 20 20 25 50
74H 2 8 4 10 10
74S 2 8 4 10 10

 

Observamos, por esta tabela, que uma saída 74 (Standard ou Normal) pode excitar convenientemente 10 entradas 74LS (low Power Schottky).

 Na figura 76 mostramos como isso pode ser feito.

 

Figura 76 – Interfaceamento entre funções
Figura 76 – Interfaceamento entre funções

 

 

3.7 - Open Collector e Totem-Pole

 Os circuitos comuns TTL que estudamos até agora, e que tem a configuração mostrada na figura 54 desta lição, são denominados Totem Pole.

 Nestes circuitos temos uma configuração em que um ou outro transistor conduz a corrente conforme o nível estabelecido na saída seja 0 ou 1.

 Este tipo de circuito apresenta um inconveniente se ligarmos duas portas em paralelo, conforme mostra a figura 77.

 

Figura 77 – Conflito de níveis na saída de uma porta
Figura 77 – Conflito de níveis na saída de uma porta

 

 Se uma das portas tiver sua saída indo ao nível alto (1) ao mesmo tempo em que a outra vai ao nível baixo (0), estabelece-se um curto-circuito na saída que pode causar sua queima. A corrente intensa que passa a circular pelo circuito, sem qualquer limitação é a causa do problema.

 Isso significa que os circuitos integrados TTL com esta configuração nunca podem ter suas saídas interligadas da forma indicada.

 Esse é um dos problemas que impede que uma entrada seja excitada por diversas saídas TTL "totem pole" ligadas em paralelo.

 Em algumas aplicações, entretanto, é preciso ligar diversas saídas a uma entrada para excitação, não ao mesmo tempo, mas em instantes diferentes. Para isso, existe a possibilidade de se elaborar circuito em que as saídas de portas sejam interligadas com transistores internos numa configuração diferente. Isso é conseguido com a configuração denominada Open Collector ou Coletor Aberto que é mostrada na figura 78.

 

  Figura 78 – Saída Open-Collector ou coletor aberto
Figura 78 – Saída Open-Collector ou coletor aberto

 

 

Os circuitos integrados TTL que possuem esta configuração, são indicados como "open collector" e quando são usados, exigem a ligação de um resistor externo denominado "pull-up", normalmente de 2000 ohms ou próximo disso.

Como o nome em inglês diz, o transistor interno está com o "coletor aberto" (open collector) e para funcionar precisa de um resistor de polarização. O valor 2 000 ohms ou 2 200 ohms é padronizado para fornecer a polarização que o circuito precisa para funcionar, sem problemas.

 A vantagem desta configuração está na possibilidade de interligarmos portas diferentes num mesmo ponto, conforme mostra a figura 79.

 

Figura 79 – O resistor pull-up
Figura 79 – O resistor pull-up

 

 

No entanto, a desvantagem está na redução da velocidade de operação do circuito que se torna mais lento, com a presença do resistor, pois ele tem uma certa impedância que afeta o desempenho do circuito, "atrasando" o sinal lógico que atravessa a função.

  

3.8 - Tri-State

 Tri-state significa "terceiro estado" ou "três estados" e é uma configuração que também pode ser encontrada em alguns circuitos integrados TTL, principalmente de uso em informática e controles industriais que envolvem o uso de microcontroladores, microprocessadores e DSPs.

 Os circuitos lógicos com saídas tri-state possuem características que se adaptam a sua ligação a circuitos externos, que tanto podem ser saídas como entradas de sinais.

 Na figura 80 temos um circuito típico de uma porta NAND tri-state que vai nos servir como exemplo.

 

Figura 80 – Uma porta NAND Tri-state
Figura 80 – Uma porta NAND Tri-state

 

 

O que ocorre é que podem existir aplicações em que duas portas tenham suas saídas ligadas num mesmo circuito, conforme mostra a figura 81.

 

Figura 81- Quando A estiver enviando sinais para C, B deve estar desativada
Figura 81- Quando A estiver enviando sinais para C, B deve estar desativada

 

 

Uma porta está associada a um primeiro circuito e a outra porta a um segundo circuito. Quando um circuito envia seus sinais para a porta o outro deve ficar em espera.

 Ora, se o circuito que está em espera ficar no nível 0 ou no nível 1, estes níveis serão interpretados pela porta seguinte como informação e isso não pode ocorrer.

 O que deve ocorrer é que quando uma porta estiver enviando seus sinais a outra porta, ela deve estar numa situação em que na sua saída não tenhamos nem 0 e nem 1, ou seja ela deve ficar num estado de circuito desligado, circuito aberto ou terceiro estado (tri-state).

 Isso é conseguido através de uma entrada de controle denominada "habilitação", que em inglês é dito "enable", e abreviada por EN.

 Assim, quando EN está no nível de habilitação 0, no circuito da figura 80, o transistor Q5 não conduz, e nada acontece no circuito que funciona normalmente.

 No entanto, se EN for levada ao nível 1, o transistor Q5 satura levando tanto Q3 como Q4 ao corte, ou seja, os dois passam a se comportar como circuitos abertos, independentemente dos sinais de entrada. Na saída Y o que temos é então um estado de alta impedância ou circuito aberto.

 Podemos então concluir que uma função tri-state apresenta três estados possíveis na sua saída:

 

Nível lógico 0

Nível lógico 1

Alta Impedância

 

As funções tri-state são muito usadas nos circuitos de computadores, nos denominados barramentos de dados ou "data bus", onde diversos circuitos devem aplicar seus sinais ao mesmo ponto ou devem compartilhar a mesma linha de transferência desses dados.

 Com o uso de saídas tri-state ligadas a esses barramentos não ocorrem problemas tanto quando dados devem entrar como devem sair.

 Em muitas máquinas industriais, que devem coletar informações de diversos circuitos sensores ao mesmo tempo e, portanto, ligados ao mesmo ponto, este tipo de lógica também é muito usada, ocorrendo o mesmo com robôs e outros equipamentos mecatrônicos.

 O circuito que está funcionando deve estar habilitado e os que não estão funcionando, para que suas saídas não influenciem nos demais, devem ser levadas sempre ao terceiro estado.

 Na figura 82 temos um exemplo de aplicação em que são usados circuitos tri-state.

 

Figura 82 – Circuito de interface com componentes tri-state
Figura 82 – Circuito de interface com componentes tri-state

 

 

Uma unidade de processamento de um computador envia e recebe dados para/de diversos periféricos, usando uma única linha ou barramento (bus). Todos os circuitos ligados a estas linhas devem ter suas saídas do tipo tri-state.

 

 

Índice

Curso de Eletrônica Digital – Analógica e Digital – Sistemas de Numeração (CUR5001)

Curso de Eletrônica Digital – A Álgebra de Boole (CUR5002)

Curso de Eletrônica Digital – Famílias de Circuitos Lógicos Digitais (CUR5003)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital – A Família de Circuitos Integrados CMOS (CUR5004)

Curso de Eletrônica Digital – Combinando Funções Lógicas - (Lógica Combinacional) (CUR5005)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Os Elementos Biestáveis (CUR5006)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Flip-Flops e Funções Integradas em CIs (CUR5007)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Os Multivibradores Astáveis e Monoestáveis (CUR5008)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Os Contadores Digitais (CUR5009)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Aplicações para os contadores digitais e decodificadores (CUR5010)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Como Funcionam os Registradores de Deslocamento (Shift-Registers) (CUR5011)

 Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Multiplexadores, Demultiplexadores, Decodificadores e Displays (CUR5012)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Memórias, ADCs e DACs (CUR5013)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Microprocessadores, Microcontroladores, DSPs e FPGAs (CUR5014)