Noes elementares de electrnica digital Organizao Electrnica digital

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

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 Introdução linear ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 2

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, . . . Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 3

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) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 4

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 5

Configuração típica de uma porta lógica TTL (NAND) • Função dos transístores: – T 1 impõe que T 2 passe ao corte, desde que A ou B estejam em 0 – T 2 determina qual dos transístores de saída estará em condução (T 3 ou T 4) – T 3 T 4 permite a aplicação de um 1 0, se T 2 estiver na se T 2 estiver no emsaída, condução (qual a necessidade do díodo D? ) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores corte Noções elementares de electrónica digital - 6

Configuração típica de uma porta lógica TTL (cont. ) • Repare-se ainda que: – T 2 e T 3 saem do corte muito mais rapidamente do que T 4 (porquê? ) – T 3 entra em condução mais depressa do que T 4 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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores saída esteja em 0 ou em 1 Noções elementares de electrónica digital - 7

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, T 1 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 Introdução (afastando ao Projecto com Sistemasa Digitais e Microcontroladores tensão de um 0 ou de um 1) Noções elementares de electrónica digital - 8

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 9

Configuração típica de uma porta lógica CMOS (NAND) • Função dos transístores: – A controla o estado de funcionamento dos transístores T 1 e T 3, sendo que B controla os transístores T 2 e T 4 – A saída só poderá estar a 0 quando T 3 plena, e T 4 estiverem condução o que obriga A e B a estarem ambos em a 1 – Uma entrada a 0 coloca o respectivo transístor Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores superior em condução e a saída em 1 (e T 3 ou Noções elementares de electrónica digital - 10

Configuração típica de uma porta lógica CMOS (cont. ) • Repare-se ainda que: – Qualquer percurso entre VDD e VSS envolve apenas transístores complementares, pelo que o consumo em regime 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? ) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 11

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 12

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 13 CMOS) e HCT (compatível pino a pino com os

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 14

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. Introdução Transistor ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Logic), DTL (Diode-Transistor Logic), Noções elementares de electrónica digital - 15

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares (3, 3 de. V, electrónica 3 Vdigital ou- 16 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 10 K – ABT, andares de saída bipolares e internos CMOS – HC / HCT, que continuará ainda por muitos anos Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 17 – AHC / AHCT, que resulta da evolução dos HC /

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 Bi. CMOS a 5 V, mas com menor consumo Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções– elementares de electrónica 18 ALVC: 3, 3 digital V, -muito reduzido consumo, -40 a

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 19

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): Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 20

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): Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 21

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): Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 22

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: Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 23

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 24

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 25

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: Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 26

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 27

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores absolutos, as - condições recomendadas de Noções elementares de electrónica digital 28

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 funcionamento em regime Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e de Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 29 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). Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 30

Folhas de características: Condições recomendadas • (recommended operating conditions) Informam-nos sobre os valores nominais necessários para garantir as características funcionais e eléctricas Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 31

Folhas de características: Regime estacionário • (DC electrical characteristics) Indicam-nos os valores máximos, mínimos e típicos para tensões e correntes Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 32

Folhas de características: Regime dinâmico • (AC electrical characteristics) informam-nos sobre os parâmetros de carácter temporal Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 33

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 34

Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont. ) • A facilidade com que estes factores se manifestam pode ser observada pela análise dasvizinhas formas de onda em barras uma base de montagem (uma das quais contém a saída de um oscilador): Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 35

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores dimensão, alto Noções elementares de electrónica digital - 36 valor de capacidade,

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 74 ALS 00, quanto valem 0 e 1? Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 37

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? Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 38

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 74 ALS 00 Introdução corresponde ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores a. . . Noções elementares de electrónica digital - 39

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 74 ALS 00, e recorrendo à folha de características de um componente semelhante da família CMOS, será possível a Introdução ligação ao Projecto com Sistemas Digitais eentre Microcontroladores directa ambos? Noções elementares de electrónica digital - 40

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 41

Funções lógicas elementares (cont. ) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 42

Funções lógicas elementares (cont. ) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 43

Funções lógicas elementares (cont. ) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 44

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? ) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 45

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? ) Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 46

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 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Noções elementares de electrónica digital - 47

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 electrónica digital - 48