Saber como utilizar as portas lógicas no mundo real é um importante passo para a criação dos sistemas digitais. Portanto, nesta aula, veremos como elas aparecem na realidade e quais são suas características práticas.

Na aula anterior, aprendemos sobre o circuito por trás das portas lógicas.


Informações básicas

Onde encontrar portas lógicas

Na aula anterior, vimos possíveis circuitos para as portas lógicas, mas será que, na hora de criar um sistema digital, é necessário montar esse circuito todo para uma única porta lógica?

Felizmente não, pois todo aquele circuito pode ser encontrado já pronto em um Circuito Integrado (CI). Um CI nada mais é que uma “caixinha” que pode possuir inúmeros tipos de circuitos diferentes internamente. E, claro, ele possui pinos para que seja possível interagir com o circuito que fica dentro dele.

A “caixinha” pode ser bem compacta, pois existem CIs hoje em dia que são do tamanho de um grao de arroz. Entretanto, um tipo mais comum de ser encontrado é o encapsulamento “Dual in-line”, com dimensões próximas a uma pilha pequena. A primeira imagem abaixo é de um CI de 18 pinos e a segunda de CIs de 14 pinos.

Fonte: Wikipedia
Fonte: Wikipedia

O CI da primeira imagem é um microcontrolador, e o microcontrolador permite programar a lógica do circuito interno dele. Portanto, o CI pode possuir circuitos bem complexos.

Pinos do CI

Antes de falar sobre os CIs das portas lógicas, é importante explicar a numeração de seus pinos.

A referência da numeração é o chanfro que existe em uma das extremidades do CI. Na segunda imagem do tópico anterior é possível ver nitidamente o chanfro do CI que está mais a frente na foto.

O primeiro passo para saber a numeração é justamente localizar o chanfro. Depois disso, vendo a placa de cima, oriente o CI de modo que o chanfro fique virado para cima, de acordo com a imagem abaixo:

Fonte: Wikipedia

Agora basta começar a contagem dos pinos, sendo que: o pino 1 é o primeiro pino à esquerda do chanfro; e a numeração é feita no sentido anti-horário, conforme a imagem acima mostra.

Portanto, o pino abaixo do pino 1 é o pino 2 e assim em diante. Quando chegar no último pino da parte esquerda, basta passar para a parte direita no último pino. E continuar a contagem subindo pela direita.

CIs de portas lógicas

No caso das portas lógicas, os circuitos são bem simples. Sendo assim, não tem muito mistério em utilizá-los. As imagens abaixo mostram o CI 7404, que é um CI que possui 6 portas NOT.

Porta NOT CI 7404
Fonte: Wikipedia

Para utilizar o circuito acima é bem tranquilo:

  • Basta alimentar o CI por meio dos pinos 7 (GND) e 14 (Vcc).
    • Sendo que é comum alimentar o Vcc com 5v, mas ele tem uma tolerância, que deve ser consultada no datasheet (4.75 – 5.25 V).
  • Por fim, é só utilizar os demais pinos para criar seu circuito.
    • Ex: ligar um botão (ligado ao 5v) no pino 1. Toda vez que o botão for apertado, o pino 2 irá para nível lógico 0, caso contrário o pino 2 fica em nível lógico 1.

Portanto, na hora de desenvolver os sistemas digitais, faremos uso destes CIs. E, para escolher o CI  correto, é importante conhecer as opções existentes. Nos tópicos adiantes, analisaremos as características de duas famílias de CIs de portas lógicas: a família TTL e a família CMOS.


Família TTL

Essa família de circuitos utiliza transistores bipolares para fazer os circuitos das portas lógicas. Sendo que o transistor do circuito de entrada possui vários emissores (multiemissor). Veja um circuito similar ao circuito de uma porta NAND da família TTL:

Fonte: Wikipedia

Na parte esquerda do circuito, há um transistor multicoletor, mas, como disse, a familia TTL trabalha com transistor multiemissor. Sendo que I1 e I2 são as duas entradas da porta NAND.

A parte direita da imagem (dois transistores em série) é chamada de  saída “totem pole”. Esse tipo de circuito garante que o fornecimento (sourcing) e a drenagem da corrente (sinking) sejam feitos de maneira mais eficiente.

Abaixo veremos as características das portas lógicas desta família.

Características

Séries

Existem duas séries de CIs da família TTL: a série 74XXX e a série 54XXX. A diferença das duas é que a 54XXX é feita para o meio militar, e faixa de temperatura de trabalho é mais ampla.

A 74XXX é uma série comercial, feita para atender a demanda geral, portanto ela é a mais recomendada para o desenvolvimento de projetos simples.

E, neste link, é possível encontrar uma lista com todas as portas lógicas  da série 7400. Com isto, basta procurar qual o número da porta lógica você deseja e comprá-la.

Tensão de alimentação

A faixa de tensão de alimentação do CI é: 5V +- 10%. Sendo assim, é uma faixa bem estreita.

Faixa de tensão do sinal lógico

É a mesma faixa que mostrei na aula 2:

faixas de tensão sinal binário

Faixas de corrente

  • Corrente de entrada em nível alto: 0.04mA.
  • Corrente de entrada em nível baixo: 1.6mA.
  • Corrente de saída em nível alto: 0.4mA.
  • Corrente de saída em nível baixo: 16mA.

Fan-Out

Fan-out é a quantidade máxima de portas lógicas que podem ser conectadas no CI. Isto porque, em um circuito digital, a saída de uma porta lógica vai para a entrada de outra e assim em diante.

E é importante observar este limite, pois, caso ele não seja respeitado, a faixa de tensão para os níveis lógicos pode ser alterada. Ou, então, a corrente limite de saída pode ser ultrapassada.

No caso da família TTL, o Fan-Out é 10. É possível descobri-lo dividindo a corrente de saída pela corrente de entrada (para um mesmo nível lógico). Ex.: 0.4/0.04 = 10.

Potência dissipada

A potência dissipada é cerca de 20mW por porta.

Tempo de propagação

Tempo gasto para o sinal de entrada ser percebido pela porta lógica e ela gerar um sinal de saída correspondente.

No caso da família TTL, este tempo é cerca de 11nS.


CMOS

Ao contrário da família TTL, a família CMOS utilizar transistores do tipo MOSFET para a criação das portas lógicas.

Basicamente, o MOSFET regula a corrente coletor-emissor por meio da tensão na base, e não pela corrente como ocorre no transistor bipolar. Veja aqui um simulador que explicar o funcionamento do MOSFET.

Características

Séries

O CMOS é encontrado em duas principais séries: série 4000 e série 74C.

Tensão de alimentação

A faixa de tensão de alimentação vai de 3 a 15V para as séries mencionadas anteriormente.

Faixa de tensão do sinal lógico

De modo geral, a família CMOS possui o seguinte padrão para as faixas de tensão de ENTRADA:

A máxima tensão que identifica o sinal como nível baixo é 30% de Vcc (a mínima é 0). E a mínima tensão que identifica o sinal como nível alto é 70% de Vcc (a máxima é o próprio Vcc). Ou seja, entre 0V e 0,3Vcc é nível lógico 0 e entre 0,7Vcc e Vcc é nível lógico alto.

Em relação a tensão de SAÍDA, a variação é bem pequena, sendo praticamente 0V em nível baixo e Vcc em nível alto.

Potência dissipada

Para a série 4000, a potência dissipada é de 1nW por porta. Ou seja, o consumo de potência é extremamente baixo comparado com a família TTL. Sendo assim, a família CMOS tem a grande vantagem de ser econômica em termos de consumo de energia.

Fan-out

O Fan-Out é 50 para a utilização com as próprias portas lógicas da família CMOS. Se for utilizado com uma porta lógica da família TTL é recomendável considerar o Fan-Out igual a 10.

Tempo de propagação

Cerca de 90nS.


Considerações finais

Com uma visão mais técnica das portas lógicas, já é possível entender como dar vida aos circuitos digitais que iremos aprender a projetar nas em aulas futuras.

Quando formos projetar o primeiro sistema digital voltaremos neste assunto e mostrarei, na prática, como utilizar os CIs de portas lógicas.

Na aula seguinte veremos como trabalhar com a lógica digital de maneira mais “matemática” por meio da algebra booleana.

 

Referências deste post: 1,  2 e 3.