Noções elementares de electrónica digital

1. 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

2. 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 linear • dos circuitos digitais funcionam em modo de comutação

3. 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, ...

4. 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) ou do tipo MOS (Metal-Óxido-Semicondutor)

5. 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 tempos de comutação dos transístores no percurso do sinal)

6. Configuração típica de uma porta lógica TTL (NAND) • Função dos transístores: • T1 impõe que T2 passe ao corte, desde que A ou B estejam em 0 • T2 determina qual dos transístores de saída estará em condução (T3 ou T4) • T3 permite a aplicação de um 1 na saída, se T2 estiver no corte • T4 permite a aplicação de um 0, se T2 estiver em condução (qual a necessidade do díodo D?)

7. Configuração típica de uma porta lógica TTL (cont.) • Repare-se ainda que: • T2 e T3 saem do corte muito mais rapidamente do que T4 (porquê?) • T3 entra em condução mais depressa do que T4 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 saída esteja em 0 ou em 1

8. 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, T1 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 (afastando a tensão de um 0 ou de um 1) • Existe um limite para o número de entradas que podem ser alimentadas pela mesma saída (maior em 0 ou em 1?)

9. 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 reduzir ainda mais o consumo

10. Configuração típica de uma porta lógica CMOS (NAND) condução plena, o que obriga A e B a estarem ambos a 1 • Uma entrada a 0 coloca o respectivo transístor superior em condução e a saída em 1 (e T3 ou T4 no corte) • Função dos transístores: • A controla o estado de funcionamento dos transístores T1 e T3, sendo que B controla os transístores T2 e T4 • A saída só poderá estar a 0 quando T3 e T4 estiverem ambos em

11. Configuração típica de uma porta lógica CMOS (cont.) • Repare-se ainda que: • Qualquer percurso entre VDD e VSS envolve apenas transístores comple- mentares, 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?)

12. 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

13. 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 CMOS) e HCT (compatível pino a pino com os TTL)

14. 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 consegue maior frequência à custa de maior consumo

15. 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-Transistor Logic), DTL (Diode-Transistor Logic), etc.

16. 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 (3,3 V, 3 V ou mesmo inferior)

17. 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 10K • ABT, andares de saída bipolares e internos CMOS • HC / HCT, que continuará ainda por muitos anos • AHC / AHCT, que resulta da evolução dos HC / HCT • Por fim, continuam os “antigos” CMOS

18. 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 BiCMOS a 5 V, mas com menor consumo • ALVC: 3,3 V, muito reduzido consumo, -40 a +85 º • ALVT: para 3,3 ou 2,5 V, compatíveis com ABT e LVT

19. 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

20. 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):

21. 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):

22. 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):

23. 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:

24. 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 gama que corresponde claramente a um 0 ou a um 1

25. 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

26. 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:

27. 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

28. 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 absolutos, as condições recomendadas de operação e as características de funcionamento estacionárias e dinâmicas

29. 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 de funcionamento em regime dinâmico

30. 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).

31. Folhas de características:Condições recomendadas • (recommended operating conditions) Informam-nos sobre os valores nominais necessários para garantir as características funcionais e eléctricas

32. Folhas de características:Regime estacionário • (DC electrical characteristics) Indicam-nos os valores máximos, mínimos e típicos para tensões e correntes

33. Folhas de características:Regime dinâmico • (AC electrical characteristics) informam-nos sobre os parâmetros de carácter temporal

34. 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 defeitos intermitentes

35. Questões básicas: Imunidade ao ruído (cont.) • A facilidade com que estes factores se manifestam pode ser observada pela análise das formas de onda em barras vizinhas de uma base de montagem (uma das quais contém a saída de um oscilador):

36. 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 dimensão, alto valor de capacidade, normalmente do tipo electrolítico) • Ligar a valores lógicos fixos todas as entradas não usadas

37. 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 74ALS00, quanto valem 0 e 1?

38. 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?

39. 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 74ALS00 corresponde a...

40. 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 74ALS00, e recorrendo à folha de características de um componente semelhante da família CMOS, será possível a ligação directa entre ambos?

41. 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 continua ainda a ser frequente

42. Funções lógicas elementares (cont.)

43. Funções lógicas elementares (cont.)

44. Funções lógicas elementares (cont.)

45. 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?)

46. 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?)

47. 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

48. 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)