Portas Logicas

Portas lógicas – Circuitos integrados

A concretização da idéia de se miniaturizar componentes eletrônicos (transístores, diodos, capacitores e resistores), criando circuitos inteiros em uma pequena área de material semicondutor, tornou-se possível em 1958 com a criação do CI (circuito integrado), patenteado por Jack Kilby (1923 – 2005), físico e engenheiro eletricista americano, na Texas Instruments. Paralelo a isto, Robert Noyce (1927 – 1990), físico, também americano, apresentou no mesmo ano, pela Fairchild semiconductor, a sua versão para o circuito integrado. Feito de silício e não de germânio, como no projeto de Kilby, ele melhorou seu desempenho.

Até hoje o silício é material mais utilizado na fabricação de integrados, isto porque suas propriedades físicas favorecem a fabricação de dispositivos ativos com boas características elétricas. O silício pode ser facilmente oxidado, formando camadas de isolação que serão utilizadas posteriormente para se fazer capacitores, por exemplo. Essa isolação atua também como uma barreira contra impurezas que possam se disseminar pelo substrato.

Nos dias de hoje, a indústria de semicondutores utiliza como matéria-prima o “wafer” ou disco de silício, medindo entre 75 mm e 150 mm de diâmetro e menos de 1 mm de espessura. Os “wafers” são obtidos por um processo conhecido como método de “Czochralsky”, onde, a partir de tarugos de silício, são cortadas finas fatias de 0,25mm a 1mm de espessura. Com o silício ainda em seu estado líquido, é feita a adição controlada de impurezas (dopagem), a fim de se obter o cristal com as propriedades elétricas desejadas. O silício é fundido e mantido em um cadinho de quartzo, envolvido por um radiador de grafite, que por sua vez é aquecido por indução de radiofrequência e sua temperatura é mantida acima da temperatura de fusão do silício, aproximadamente 1425°C, em uma atmosfera de Hélio e Argônio.

Os “wafers”, então são polidos em uma das faces até que se obtenha um acabamento espelhado e sem imperfeições.

Famílias Lógicas TTL e CMOS

A lógica transistor-transistor (TTL), é uma nomenclatura dada a circuitos digitais que trabalham em 5V, utilizam transistores de junção bipolar (BJT) e resistores em sua fabricação. É derivado de uma família mais antiga a DTL (Lógica Transistor Diodo). Os TTL’s são circuitos integrados de14 pinos ou mais, conforme a complexidade da função lógica, suas configurações de pinagens estão disponíveis nos manuais (datasheat) dos fabricantes, possuem encapsulamento DIP (Dual-in-Line Package).

Os BJT’s utilizados em um TTL possuem vários emissores chamados de multiemissores. Dessa maneira diminui-se o número de transistores necessários para se fazer uma determinada porta lógica.

O circuito abaixo é um exemplo de porta NAND em tecnologia TTL.

Os TTL’s podem ser encontrados em duas séries comerciais:

• 74xxx, onde o x pode ser uma soma de letras e números, os componentes dessa série são de uso padrão.

E os da série:

• 54xxx, os componentes desta série trabalham em uma ampla faixa de temperatura, de -55°C a 125°C e, são de uso militar. Já os da série 74xxx, trabalham numa faixa mais estreita, que vai de 0°C a 70°C.

A família TTL possui algumas características especiais em suas entradas e saídas, onde destacamos: open-collector, tri-state, schimitt-trigger.

Características gerais da família TTL.

• Alimentação em (VCC) 5v.

• Níveis de entrada e saída:

VIL 0,8v VIH 2,0v IOL 400 µA IOH 16 mA

VOL 0,4v VOH 2,4v IIL 40 µA IIH 1,6 mA

• Fan-out: 10

Fan-out ou fator de carregamento é definido como o número máximo de entradas lógicas padronizadas que uma saída pode acionar. Caso seja excedido o valor de fan-out, os níveis lógicos na saída não poderão ser garantidos.

• Atraso de propagação:

tphl -11ns (low to high)

tplh -7ns (high to low).

• Potência dissipada: 10 mW.

Open Collector

Os circuitos TTL com essa característica não possuem resistor de coletor. Dessa maneira deve-se dimensionar, de acordo com suas especificações nominais de corrente e tensão, um resistor na parte externa do circuito limitando os valores de corrente e tensão.

Tri-state

São TTL’s que operam em três estados (nível baixo, alto e alta impedância). Quando sua saída é colocada em alta impedância o circuito não fornece nem absorve corrente, mantendo assim sua saída desconectada.

Schimitt-trigger

São TTL’s mais imunes a ruídos, isto quando operam abaixo da tensão de limiar (positivo ou negativo), acima desse limite ocorrem alterações no sinal de saída.

Família CMOS

O CMOS (semicondutor metal óxido complementar), faz parte de uma família de CI’s construídos por transistores MOSFET (transistor de efeito de campo metal óxido semicondutor), complementares do tipo NP. Tem como características um alto Fan-out,