ELETRÔNICA DIGITAL
Conceitos Introdutórios
Grandezas Analógicas e Digitais
Grandezas
analógicas são aquelas que podem variar em um intervalo contínuo de valores.
Por exemplo, a velocidade de um veículo pode assumir qualquer valor de 0 a 200 Km/h .
Grandezas
digitais são aquelas que variam em passos discretos. Por exemplo, o tempo varia
continuamente, mas a sua medição através de um relógio digital é feita a cada
minuto.
Sistemas Analógicos e Digitais
Um
sistema analógico contém dispositivos que podem manipular quantidades físicas
analógicas. Por exemplo, a saída de um amplificador pode variar continuamente
dentro de um certo intervalo.
Um
sistema digital contém dispositivos capazes de manipular informações lógicas
(representadas na forma digital). Um exemplo seria um computador.
As
vantagens das técnicas digitais são várias:
- Sistemas digitais são mais fáceis de projetar;
- Fácil armazenamento de informação;
- Maior exatidão e precisão;
- A operação do sistema pode ser programada;
- Circuitos digitais são menos afetados pelo ruído;
- Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado em um
circuito integrado.
Sistemas de Numeração Digital
Sistema decimal – contém 10 algarismos (0 a 9).
Representação:
273,4110
= (2 x 102) + (7 x 101) + (3 x 100) + (4 x 10-1) + (1 x 10-2)
Sistema binário – contém 2
algarismos (0 e 1).
Representação:
101,012 = (1 x 22) + (0 x
21) + (1 x 20) + (0 x 2-1) + (1 x 2-2) = 5,2510
Sistema octal – contém 8
algarismos (0 a
7).
Representação:
157,28 = (1 x 82) + (5 x
81) + (7 x 80) + (2 x 8-1) = 111,2510
Sistema hexadecimal – contém 16
algarismos (0 a
F).
Representação:
15A,216 = (1 x 162) + (5 x
161) + (10 x 160) + (2 x 16-1) = 346,12510
Representação de Quantidades Binárias
Em sistemas
digitais, a informação geralmente apresenta a forma binária. Essas quantidades
binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente dois
estados de operação.
Uma chave, por
exemplo, pode estar aberta ou fechada. Podemos dizer que a chave aberta
corresponde ao dígito binário “0”
e a chave fechada corresponde ao dígito binário “1” . Outros exemplos: uma lâmpada
(acesa ou apagada), um diodo (conduzindo ou não), um transistor (conduzindo ou
não) etc.
Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por
níveis de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volts poderia representar o
valor binário “0”
e +5 volts poderia representar o valor binário “1”. Mas, devido a variações nos
circuitos, os valores binários são representados por intervalos de tensões: o “0” digital corresponde a uma tensão
entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1”
digital corresponde a uma tensão entre 2 e 5 volts. Com isso percebemos uma
diferença significativa entre um sistema analógico e um sistema digital. Nos
sistemas digitais, o valor exato da tensão não é importante.
Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos
Circuitos digitais são projetados para produzir
tensões de saída e responder a tensões de entrada que estejam dentro do
intervalo determinado para os binários 0 e 1. A fig. mostra isso:
Praticamente
todos os circuitos digitais existentes são circuitos integrados (CIs), o que
tornou possível a construção de sistemas digitais complexos menores e mais
confiáveis do que aqueles construídos com circuitos lógicos discretos.
Sistemas de Numeração e Códigos
O sistema binário de numeração é o mais
importante em sistemas digitais. O sistema decimal também é importante porque é
usado por todos nós para representar quantidades. Já os sistemas octal e
hexadecimal são usados para representar números binários grandes de maneira
eficiente.
Conversões
Binário-Decimal – Cada dígito
tem um peso correspondente à sua posição.
110112 = (1 x 24) + (1 x 23) + (0 x 22) + (1 x 21) + (1 x 20) = 2710
Conversões
Decimal-Binário – O método
usado é o das divisões sucessivas:
Conversão
Octal-Decimal – Cada dígito
tem um peso correspondente à sua posição.
3728 = (3 x 82) + (7 x 81)
+ (2 x 80) = 25010
Conversão
Decimal-Octal – O método
usado é o das divisões sucessivas:
Conversão Octal-Binário – Cada dígito
octal é convertido para o seu correspondente em binário.
- Conversão Binário-Octal – O número binário é dividido em grupos de 3 dígitos
iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente
octal.
1001110102 = (100) (111)
(010) = 4728
- Conversão Hexadecimal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua
posição.
2AF16 = (2 x 162) + (10 x
161) + (15 x 160) = 68710
- Conversão
Decimal-Hexadecimal – O método
usado é o das divisões sucessivas:
Conversão Hexadecimal-Binário – Cada
dígito hexadecimal é convertido para o seu correspondente em binário.
9F216 = (1001) (1111) (0010) = 1001111100102
Conversão Binário-Hexadecimal – O
número binário é dividido em grupos de 4 dígitos iniciando-se a partir do
dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente
hexadecimal.
11101001102 = (0011) (1010) (0110) = 3A616
Código BCD – O código BCD não
constitui um sistema de numeração. Ele apenas relaciona cada dígito do sistema
decimal com um grupo de 4 dígitos do sistema binário.
87410 = (1000) (0111) (0100) = 100001110100 (BCD)
1.5- Portas Lógicas e Álgebra Booleana
A álgebra booleana é a ferramenta fundamental para descrever a relação
entre as saídas de um circuito lógico e suas entradas através de uma equação
(expressão booleana). Existem três operações básicas: OR (OU), AND (E) e NOT
(NÃO).
Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente
Qualquer circuito lógico
pode ser descrito usando as portas AND, OR e NOT. Essas três portas são os
blocos básicos na construção de qualquer sistema digital.
Implementando
Circuitos Lógicos a partir de Expressões Booleanas. Podemos usar a expressão booleana para gerar o
circuito lógico. Por exemplo:
Portas NOR e NAND
Outros tipos de portas lógicas existentes são as portas NOR e NAND, que
na verdade são combinações das portas OR, AND e NOT.
Teoremas da Álgebra de Boole
Esses teoremas, aplicados na prática, visam simplificar as expressões booleanas
e conseqüentemente os circuitos gerados por estas expressões.
Teoremas Booleanos
Universalidade das Portas NAND e NOR
Qualquer expressão lógica pode ser implementada usando apenas portas
NAND ou portas NOR. Isso porque podemos representar portas OR, AND ou NOT
usando apenas portas NAND ou NOR.
Simplificação de Circuitos Lógicos
Depois de encontrada a expressão de um circuito
lógico, podemos reduzi-la para uma forma mais simples. A intenção é diminuir o
número de variáveis nessa expressão, o que significa diminuir o número de
portas lógicas e conexões em um circuito lógico.
Simplificação Algébrica
A simplificação algébrica é feita com o uso dos teoremas da álgebra booleana
e de Morgan.
Exemplo:
Projetando Circuitos Lógicos
Passos para o projeto completo de um circuito lógico:
b) Analisar a saída:
Quando qualquer entrada de uma porta OR for “1” então a saída será “1”. Então
podemos deduzir que a saída x é uma operação OR de todos os casos em que a
saída x é “1” .
Cada caso corresponde a uma operação lógica AND com todas as variáveis de
entrada.
C) Simplificar a expressão lógica obtida:
A expressão pode ser reduzida a um número menor de termos se aplicarmos
os teoremas booleanos e de DeMorgan.
Método
do Mapa de Karnaugh para Simplificação
Circuitos Lógicos
Outros:
- 7400 – Quatro portas NAND
- 7402 – Quatro portas NOR
- 7486 – Quatro portas XOR
- 74266 – Quatro portas XNOR
Famílias Lógicas de Circuitos Integrados
Introdução
Circuitos
integrados são amplamente usados na construção de sistemas digitais. Isso
porque eles têm muito mais circuitos em um pequeno encapsulamento e são mais
confiáveis.
Terminologia de Circuitos Integrados Digitais
Os fabricantes de circuitos integrados digitais
seguem praticamente o mesmo padrão de nomenclatura e terminologia:
a) Tensão e Corrente:
- VIH(min) – Mínima Tensão de Entrada em Nível Alto.
- VIL(max) – Máxima Tensão de Entrada em Nível Baixo.
- VOH(min) – Mínima Tensão de Saída em Nível Alto.
- VOL(max) – Máxima Tensão de Saída em Nível Baixo.
- IIH – Corrente de Entrada em
Nível Alto.
- IIL – Corrente de Entrada em
Nível Baixo.
- IOH – Corrente de Saída em
Nível Alto.
- IOL – Corrente de Saída em
Nível Baixo.
b)
Fan-Out
O Fan-Out
corresponde ao número máximo de entradas lógicas que uma saída de um circuito
lógico pode acionar. Se esse número for excedido, os níveis de tensão e
corrente não serão garantidos.
c)
Atrasos de Propagação
Um sinal lógico, ao
atravessar um circuito, sofre um atraso. Existem dois tipos de atraso:
- tPLH – Tempo de atraso do estado lógico “0” para o “1” .
- tPHL – Tempo de atraso do estado lógico “1” para o “0” .
Os valores dos
tempos de atrasos de propagação são usados para medição de velocidade em
circuitos lógicos.
d)
Potência
Como todo
circuito elétrico, um circuito lógico consome uma certa quantidade de potência.
Essa potência é fornecida por fontes de alimentação e esse consumo deve ser
levado em consideração em um sistema digital.
Se um circuito integrado
consome menos potência poderemos ter uma fonte de menor capacidade e com isso
reduziremos os custos do projeto.
e)
Velocidade x Potência
Um circuito
digital ideal é aquele que possui o menor consumo de potência e o menor atraso
de propagação. Em outras palavras, o produto de velocidade e potência deve ser
o menor possível.
f)
Imunidade ao Ruído
Ruídos são
sinais indesejáveis gerados por campos eletromagnéticos podem afetar o
funcionamento de um circuito lógico. Esses sinais podem fazer com que a tensão
de entrada de um circuito lógico caia abaixo de VIH(min) ou aumente além de
VIL(max), gerando falsos sinais.
A imunidade ao ruído se
refere à capacidade de um circuito lógico de rejeitar esse ruído.
g)
Níveis de Tensão Inválidos
Circuitos
lógicos só trabalharão confiavelmente com níveis de tensão especificados pelos
fabricantes, ou seja, as tensões devem ser menores que VIL(max) e maiores que
VIH(min) – fora da faixa de indeterminação – e com alimentação adequada.
h)
Fornecimento de Corrente e de Absorção de Corrente
O fornecimento
de corrente é mostrado na fig. 2-4. Quando a saída da porta lógica 1 está em
ALTO, ela fornece uma corrente IIH para a entrada da porta lógica 2.
A absorção de corrente é mostrada na fig. 2-5.
Quando a saída da porta lógica 1 está em BAIXO, ela absorve uma corrente IIL
para a entrada da porta lógica 2.
Encapsulamentos de Circuitos Integrados
Alguns tipos de encapsulamentos de circuitos
integrados são mostrados na fig.
Família Lógica TTL
Um circuito básico utilizado na
lógica-transistor-transistor é mostrado na fig.
Porta NAND básica TTL e equivalente a diodo para
Q1
Esse circuito
representa uma porta NAND TTL. Uma das principais características desse circuito
são os dois emissores do transistor Q1. Na mesma figura está o circuito
equivalente a diodo de Q1.
Outra
característica construtiva importante desse circuito é sua saída totem-pole,
que impede que os dois transistores (Q3 e Q4) conduzam ao mesmo tempo.
-
Operação do Circuito – Saída em Nível Baixo
A saída em
nível baixo é conseqüência de entradas A e B em nível alto (+ 5 V). Nesse caso,
Q1 ficará cortado e Q2 conduzirá (ver circuito equivalente). A corrente fluirá
do emissor de Q2 para a base de Q4 e o faz conduzir.
A tensão no
coletor de Q2 é insuficiente para Q3 conduzir. Essa tensão está em torno de 0,8
V (0,7 V da junção B-E de Q4 + 0,1 V de Vce (sat) de Q2).
Para o
transistor Q3 conduzir é necessário que sua junção B-E e o diodo D1 esteja diretamente
polarizado.
Com Q4
conduzindo, a tensão de saída é muito baixa (< 0,4 V), ou nível baixo (“0” ).
-
Operação do Circuito – Saída em Nível Alto
Para que a
saída de uma porta NAND fique em alto, pelo menos uma das entradas A ou B
deverá ser zero. Nessa condição haverá condução de Q1 por um de seus emissores,
ou pelos dois (ver circuito equivalente), fazendo com que Q2 fique cortado.
Com Q2 cortado
não haverá corrente na base de Q4 e ele ficará cortado também. Sem corrente no
coletor de Q2, a tensão na base de Q3 é suficiente para que ele entre em
condução.
Com Q3
conduzindo, a tensão na saída ficará em torno de 3,4 V a 3,8 V (sem carga),
devido às quedas na junção B-E de Q3 e ao diodo D1. Com carga essa tensão
deverá diminuir.
-
Absorção de Corrente
Uma saída TTL
em nível baixo age como um absorvedor de corrente, pois ela recebe a corrente
da entrada da porta que está acionando.
-
Fornecimento de Corrente
Uma saída TTL
em nível alto age como fornecedora de corrente. Na verdade essa corrente tem um
valor muito baixo, causada pela fuga de polarização reversa do “diodo” (junção
B-E) de Q1.
-
Outras Portas TTL
Praticamente
todas as outras portas lógicas possuem o mesmo circuito básico da porta NAND
TTL. Outros circuitos internos são colocados apenas para implementar a lógica
desejada.
Características
da Série TTL Padrão
Faixas
de Tensão de Alimentação e de Temperatura
Existem duas
séries de TTL padrão diferenciadas pela faixa de tensão de alimentação e
temperatura: a série 74 e a série 54.
A série 74 utiliza
alimentação entre 4,75 V e 5,25 V e opera entre 0º a 70º C. A série 54 utiliza
alimentação entre 4,5 V e 5,5 V e opera entre -55º a 125º C.
Níveis
de Tensão
VIL(max) – 0,8
V
VOL(max) – 0,4
V
Existe uma
margem de segurança de uma saída para a entrada, chamada de margem de ruído, de
0,4 V (0,8 V – 0,4 V).
VIH(min) – 2,0 V
VOH(min) – 2,4 V
A margem de
ruído também é de 0,4 V (2,4 V – 2,0 V).
Faixas
Máximas de Tensão
As tensões
máximas de trabalho de um TTL padrão não devem ultrapassar 5,5 V. Uma tensão
maior de 5,5 V aplicada a um emissor de entrada pode causar dano na junção B-E
de Q1. Tensões menores que –0,5 V também podem danificar o componente.
-
Dissipação de Potência
Uma porta NAND
TTL padrão consome, em média, 10 mW.
-
Atrasos de Propagação
A porta AND
TTL padrão tem atrasos de propagação típicos de tPLH = 11 ns e tPHL = 7 ns,
resultando num atraso de propagação médio tPD(med) de 9 ns.
-
Fan-Out
Uma saída TTL
padrão pode acionar 10 entradas TTL padrão.
Séries
TTL Aperfeiçoadas
Séries
74L e 74H
Estas séries
são versões TTL para baixa potência (74L) e alta velocidade (74H). A primeira
consumia 1 mW e tinha um tempo de atraso de propagação de 33 ns e a segunda
consumia 23 mW, com um tempo de atraso de propagação de 6 ns. Não são mais
fabricadas atualmente.
TTL
Schottky, Série 74S
Esta série
utiliza diodos Schottky entre a base e o coletor dos seus transistores,
evitando que eles trabalhem saturados. Com isso o tempo de resposta do circuito
é mais rápido. Por exemplo, a porta NAND 74S00 tem um atraso médio de 3 ns, mas
um consumo de potência de 20 mW.
TTL
Schottky de Baixa Potência, Série 74LS (LS-TTL)
A série 74LS é
uma versão de menor potência e menor velocidade da série 74S. Ela utiliza a
combinação transistor/diodo Schottky, mas com valores maiores de resistores de
polarização, o que diminui o consumo.
Uma porta NAND
74LS tem um atraso típico de propagação de 9,5 ns e dissipação média de
potência de 2 mW.
TTL
Schottky Avançada, Série 74AS (AS-TTL)
A série 74AS
surgiu como uma melhoria da série 74S. Possui velocidade e fan-out maiores e um
menor consumo se comparado com a série 74S.
TTL
Schottky Avançada de Baixa Potência, Série 74ALS
Esta série
surgiu como uma melhoria da série 74SL.
TTL
Fast – 74F
Esta é a série
TTL mais nova. Ela utiliza uma técnica de fabricação de circuitos integrados
que reduz as capacitâncias entre os dispositivos internos visando reduzir os
atrasos de propagação.
