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Circuitos Integrados Digitais
 

Circuitos Integrados Digitais

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Tecnologias para circuitos Integrados digitais

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  • A tecnologia associada ao fabrico dos circuitos integrados (CI’s) digitais tem vindo a desenvolver-se a partir da década de 60, possibilitando a implementação de um número cada vez maior de componentes numa pastilha de silício. <br /> Os primeiros CI’s foram lançados no mercado em 1958 e a família lógica TTL surgiu em 1964 como produto standard. <br /> O número de elementos activos que é possível integrar num único circuito tem decuplicado de cinco em cinco anos. <br /> Definem-se presentemente quatro escalas de integração: <br /> SSI (Small Scale Integration) – Integração em pequena escala. Envolve um número de transístores na ordem da dezena e integra entre uma e dez portas por invólucro. <br /> MSI (Medium Scale Integration) – Integração em média escala. Integra numa única pastilha de silício, circuitos digitais envolvendo entre 10 e 200 portas lógicas. <br /> LSI (Large Scale Integration) – Integração em larga escala. A este nível integram-se, numa única pastilha, sistemas digitais de grande complexidade, envolvendo muitos milhares de transístores (p.e. memórias de elevada capacidade de armazenamento, microprocessadores, etc.). <br /> VLSI (Very Large Scale Integration) – Integração em muito larga escala. Tornam-se muito comuns hoje em dia circuitos VLSI, que integram numa única pastilha estruturas de computadores envolvendo várias centenas de milhar de transístores. <br />
  • Quando os circuitos de duas famílias lógicas forem ligados, os níveis alto e baixo do circuito driver (fornece) devem estar contidos nos níveis alto e baixo do circuito, que funciona como carga (recebe); se tal não acontecer são necessários deslocadores de nível. <br /> Se as correntes máximas fornecidadas pelo circuito driver (fornece) excederem as correntes do circuito que funciona como carga (recebe), as duas famílias podem ser ligadas; se tal não suceder, são necessários buffers para se obter a necessária amplificação de corrente. <br />

Circuitos Integrados Digitais Circuitos Integrados Digitais Presentation Transcript

  • Circuitos integrados digitais Prof. Tony Alexander Hild Lógica Digital – 1 CC – Unicentro – 2013
  • Características Básicas dos Circuitos Integrados Digitais ● ● Coleção de resistores, diodos e transistores; Fabricados em uma única peça de material semicondutor; – ● ● Também chamado de chip; Encapsulado em uma embalagem protetora de plástico ou cerâmica; – ● Geralmente silício; DIP (dual-inline package) é um dos tipos de encapsulamento mais comuns. Pinos para ligação do CI com outros dispositivos.
  • Características Básicas dos Circuitos Integrados Digitais Encapsulamento DIP
  • Características Básicas dos Circuitos Integrados Digitais ● Podem ser classificados com o tipo de componente eletrônico que utilizam: – – ● Bipolares: Transistor Bipolar de Junção. Ex.: Família TTL; Unipolares: MOSFETS. Ex.: Família CMOS. Principais diferenças entre as famílias são as características elétricas: – Dissipação de potência, tempo de propagação e velocidade de comutação.
  • Terminologia - Escala de Integração ● SSI (Small Scale Integration) – Integração em pequena escala; ● MSI (Medium Scale Integration) – Integração em média escala; ● LSI (Large Scale Integration) – Integração em larga escala. – – ● Sistemas digitais de grande complexidade; Milhares de transístores (p.e. memórias de elevada capacidade de armazenamento, microprocessadores, etc.); VLSI (Very Large Scale Integration) – Integração em muito larga escala.
  • Terminologia - Escala de Integração Abrev. Denominação Portas por CI SSI Small Scale Integration Menos de 12 MSI Medium Scale Integration Entre 12 e 99 LSI Large Scale Integration Entre 100 e 9.999 VLSI Very Large Scale Integration Entre 10.000 e 99.999 ULSI Ultra Large Scale Integration Entre 100.000 e 999.999 GSI Giga Scale Integration 1.000.000 ou mais
  • Terminologia - Parâmetros de corrente e tensão VIH (min) – Tensão de Entrada em Nível Alto (high-level input voltage): O nível mínimo de tensão necessário para 1 na entrada. Qualquer tensão abaixo dessa tensão não será aceita como nível ALTO pelo circuito lógico; VIL(max) – Tensão de Entrada em Nível Baixo (low-level input voltage): O nível máximo de tensão permitido para 0 na entrada. Qualquer tensão acima deste nível não será aceita como nível BAIXO pelo circuito lógico; VOH(min) – Tensão de Saída em Nível Alto (high-level output voltage): O nível mínimo de tensão na saída de um circuito lógico, no estado lógico 1, sob determinadas condições de carga; VOL(max) – Tensão de Saída em Nível Baixo (low-level output voltage): O nível máximo de tensão na saída de um circuito lógico, no estado lógico 0, sob determinadas condições de carga; IIH – Corrente de Entrada em Nível Alto (high-level input current): A corrente que flui para uma entrada quando uma tensão de nível alto especificada é aplicada naquela entrada; IIL – Corrente de Entrada em Nível Baixo (low-level input current): A corrente que flui para uma entrada quando uma tensão de nível baixo especificada é aplicada naquela entrada; IOH – Corrente de Saída em Nível Alto (high-level output current): A corrente que flui de uma saída no estado lógico 1 sob condições de carga especificadas; IOL – Corrente de Saída em Nível Baixo (low-level output current): A corrente que flui de uma saída no estado lógico 0 sob condições de carga especificadas.
  • Terminologia - Níveis Lógicos de Entrada
  • Terminologia - Fan-Out (Fator de acionamento de carga) ● ● ● ● ● Na maioria dos designs, portas lógicas são ligadas de modo a formar circuitos mais complexos; É comum uma saída de um circuito lógico acionar várias entradas; O fan-out é definido como o número máximo de entradas lógicas padronizadas que uma saída pode acionar com segurança; Se FO for excedido, os níveis lógicos da saída não podem ser garantidos; Em eletrônica digital, o fan-out de saída de uma porta lógica é o número de portas de entradas que podem alimentadas ou conectadas.
  • Terminologia - Atrasos de propagação ● ● Um sinal lógico sempre sofre um atraso ao atravessar um circuito; Os dois tempos de atraso de progagação são: – tPLH – Tempo de atraso do estado 0 para 1; – tPHL – Tempo de atraso do estado 1 para 0.
  • Terminologia - Requisitos de potência ● ● ● ● Todo CI necessita de uma certa quantidade de potência elétrica para operar; Essa potência é fornecida pela fonte de alimentação (geralmente VCC para TTL e VDD para CMOS); A potência é definida pelo produto ICC x VCC; Para muitos CIs esse produto varia de acordo com os níveis lógicos das saídas.
  • Terminologia - Imunidade ao ruído ● ● ● ● Campos elétricos e magnéticos podem induzir tensões nos fios de conexão entre os circuitos lógicos; Estes sinais indesejáveis são chamados de ruído e podem alterar o nível de tensão do sinal fazendo que o mesmo entre na região de indeterminação, o que produzirá uma operação imprevisível; Imunidade ao ruído é a capacidade do circuito tolerar ruídos sem provocar alterações espúrias na tensão de saída; Uma medida quantitativa para a imunidade ao ruído é denominada de margem de ruído (VNH) e é definida como: – Margem de ruído para o estado alto: VNH = VOH – VIH; – Margem de ruído para o estado baixo: VNL = VIL – VOL.
  • Terminologia – Níveis de tensão ● Para operar adequadamente, os níveis de tensão de entrada de um circuito lógico devem ser mantidos fora da faixa indeterminada mostrada ao lado:
  • Entradas não-conectadas ● O que acontece quando as entradas de um CI não estão conectadas a nenhum nível lógico? ● Entrada em flutuação; ● Resposta diferente para TTL e CMOS; ● Na família TTL, funcionam como nível 1; ● Na família CMOS, pode danificar o CI devido a ruídos.
  • Tecnologia Bipolar – Transistor Bipolar de Junção ● NPN ou PNP; ● Alto consumo de potência; ● Alta velocidade; ● Imune a ruídos.
  • Tecnologia unipolar - MOSFET ● MOS (Metal Oxide Semiconductor): – ● Eletrodo de metal conectado a uma camada de óxido isolante que, por sua vez, é depositada sobre um substrato de silício; Os transistores construídos na técnica MOS são transistores de efeito de campo (field-effect transistor) denominados de MOSFETs. – Relativamente simples; – Pequenos: ● ● 50 vezes menos que o TTL (bipolares); Alta densidade – Baixo custo de fabricação; – Baixo consumo de potência; – Dominam integração em larga escala (LSI-GSI); ● – Processadores, memórias Vulnerável a estática.
  • Diferenças entre os transistores TBJ – NPN TBJ – PNP MOSFET - PNP
  • Famílias Lógicas ● As famílias lógicas mais comuns podem ser classificadas como: – – DTL - Lógica diodo-transistor (obsoleta); – DCTL - Lógica transistor acoplamento direto; – TTL - Lógica transistor-transistor (mais popular); – ECL - Lógica emissor-acoplado; – MOS - Metal Oxide Semiconductor: – PMOS - Lógica MOSFETs de canal-p (obsoleta); – NMOS - Lógica MOSFETs de canal-n – ● RTL - Lógica resistor-transistor (obsoleta); CMOS - Lógica MOSFETs Complementares; A tecnologia atualmente dominante é a CMOS devido ao baixo consumo de potência e a grande capacidade de integração.
  • Família TTL ● ● ● O Transistor-Transistor Logic (TTL) é uma designação para circuitos digitais que trabalham em 5V e utilizam transistores bipolares (TJB) em sua construção; É derivada de uma família mais antiga: DTL, Lógica Transistor Diodo; Principais características: – Imunidade ao Ruído; – Menor consumo de potência a altas frequências.
  • Família TTL ● Série 54xxx: – – ● Uso militar Temperatura de operação: -55 a 125 ºC. Série 74xxx: – Uso comercial; – Temperatura de operação: 0 a 70 ºC.
  • Família TTL ● 54/74LXXX: – – Melhor relação velocidade versus potência entre todos os dispositivos lógicos; – ● Baixa potência; As resistências internas dos transistores do CI são aumentadas, resultando numa menor dissipação de potência (1 mW por porta, com retardo de 33nS por porta). 54/74HXXX: – – Os transistores internos do CI são feitos em configuração darlington; – Atraso de propagação de 6ns por porta; – ● Alta velocidade. Os tempos de subida e descida de pulsos são menores; A desvantagem é que este tipo de circuito consome mais corrente que o tipo comum. 54/74SXXX: – – ● Componentes com tecnologia schottky (tipo de diodo de alta performance); Combina alta velocidade com baixo consumo. Os CIs 74AS00, 74ALS00, 74F00, 74H00, 7400 são todos constituídos por 4 portas NAND de 2 entradas cada.
  • Família TTL ● Família TTL Schottky: Tempo de Propag. (ns) Potência por porta (mW) Fan-Out S: Schottky – 74Sxx 3 19 57 LS: Low Power Schottky – 74LSxx 9 2 18 AS: Advanced Schottky – 74ASxx 1,7 8 13,6 ALS: Advanced Low Power Schottky – 74ALSxx 4 1,2 4,8 F: Fast – 74Fxx 3 4 12
  • Família CMOS ● Principais características: – Maior facilidade de construção; – Compactos; – Baixo consumo de potência; – Imunidade ao ruído pior que TTL: ● Todas as entradas devem sempre estar conectadas.
  • Família CMOS ● Séries CMOS: – CMOS Série 4000; – 74C (C – CMOS); – 74 HC (High Speed CMOS); – 74 HCT (High Speed CMOS – TTL compatible); – 74 VHC (Very High Speed CMOS); – 74 VHCT (Very High Speed CMOS – TTL compatible); – 74 FCT (Fast CMOS – TTL compatible); – 74 FCT-T (Fast CMOS – TTL compatible with TTL VOH).
  • Família CMOS ● Série CMOS 4000A/4000B: – – A corrente de saída não é a mesma para todos os circuitos; – Os tempos de propagação dependem da capacidade de carga; – A série 4000B está preparada para fornecer maior corrente de saída; – Hoje ainda existem funções nesta série que não dispõem de equivalentes nas mais recentes; – Baixo consumo de potência; – ● Introduzida no mercado na década de 60; Lentos. Série 74C: – Compatível pino a pino e função a função com os circuitos TTL, desde que disponham dos mesmos números de marcação. Desta forma torna-se possível substituir os circuitos TTL por equivalentes CMOS; – As saídas destes circuitos são “bufferizadas”.
  • Família CMOS ● Série 74HC (High Speed CMOS): – – Compatíveis com os circuitos TTL 74LS, mas não na totalidade; – ● Permitem uma gama de alimentação entre os 2 (menor consumo de potência) e 6V (maior velocidade de comutação); Bem adaptadas em sistemas que usem exclusivamente circuitos CMOS. Série 74HCT (High Speed CMOS–TTL Compatible): – – Menor consumo de portência e total compatibilidade de níveis com circuitos TTL; – ● Elevada velocidade de comutação; Uma única saída poder alimentar, pelo menos, 10 cargas TTL LS. Séries 74VHC e 74VHCT (Very High Speed CMOS e TTL Compatible): – Duas vezes mais rápidas que as versão predecessoras (séries HC e HCTP); – Mantém a compatibilidade com todas as séries anteriores da mesma família; – Uma em relação à outra diferem unicamente nos níveis de entrada que reconhecem, sendo as suas características de saída iguais; – Permitem uma gama de alimentação entre 2 e 5,5V; – Com estes circuitos já se conseguem obter tempos de propagação na ordem dos 3ns, comparável aos tempos da série TTL 74 ALS.
  • Família CMOS ● Série 74FCT e 74FCT-T (Fast CMOS TTL Compatible e Fast CMOS-TTL Compatible With TTL VOHmáx) – Surgiram no início dos anos 90; – Compatíveis com TTL; – Velocidade comparável com TTL com menor consumo de potência.
  • Ligações entre famílias lógicas CMOS Parâmetro TTL 4000B 74HC 74HCT 74 74LS 74AS 74ALS VIH(min) (V) 3,5 3,5 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 VIL(máx) (V) 1,5 1,0 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 VOH(min) (V) 4,95 4,9 4,9 2,4 2,4 2,7 2,7 VOL(máx) (V) 0,05 0,1 0,1 0,4 0,5 0,5 0,4 IIH(máx) (µA) 1 1 1 40 20 200 20 IIL(máx) (µA) 1 1 1 1600 400 2000 100 IOH(máx) (mA) 0,4 4 4 0,4 0,4 2 0,4 IOL(máx) (mA) 0,4 4 4 16 8 20 8 Valores típicos de entrada e saída para as famílias TTL e CMOS (casos extremos de Funcionamento).
  • Ligação CMOS-TTL ● ● ● No estado alto, este tipo de ligação não necessita de qualquer cuidado; Pode-se verificar que, segundo os valores típicos de tensão de saída do CMOS (V OH), satisfaz os níveis de tensão típicos requeridos pela entrada TTL no estado alto V IH;; Verifica-se também que a família CMOS fornece uma corrente I OH superior ao valor exigido IIH pela entrada TTL. D C 74HC00 74AS00 A 74AS00 B
  • Ligação TTL-CMOS ● ● ● 5V No que diz respeito à tensão, todos os circuitos da série TTL fornecem uma tensão VOHmin demasiado baixa face ao valor VIHmin exigido pelas entradas dos circuitos CMOS; Neste caso é necessário elevar os níveis TTL para poderem ser aceitos pelos circuitos CMOS, como também é necessária a utilização de uma resistência de “pull-up”. O valor dessa resistência de “pull-up” deverá ser tal que: TTL RP CMOS 5V Rp = VCC − VOL ( máx ) I OL (TTL ) − nI IL (CMOS ) TTL RP IOL IRP IIL CMOS 1 IIL 2 IIL n
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