Curso de Eletrônica Digital Lição 3

Na lição anterior conhecemos os princípios da Álgebra de Boole que regem o funcionamento dos circuitos digitais e suas funções lógicas. Vimos que com funções simples podemos obter funções muito mais complexas.

Nesta lição vamos conhecer a Família Lógica TTL, a partir das quais os projetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montar seus equipamentos digitais.
Atualmente a Família TTL e a CMOS são as mais usadas, sendo empregadas em uma grande quantidade de equipamentos digitais, nos computadores e seus periféricos.

Família TTL

A família TTL foi originalmente desenvolvida pela Texas Instruments, esta família é reconhecida pelo fato de ter duas séries que começam pelos números 54 para os componentes de uso militar e 74 para os componentes de uso comercial.

A família TTL é alimentada por uma tensão de 5 V. Assim, para os componentes desta família, o nível lógico 0 é sempre a ausência de tensão ou 0 V (LO), enquanto que o nível lógico 1 é sempre uma tensão de +5 V (HI). Para os níveis lógicos serem reconhecidos por uma porta TTL, eles devem estar dentro de faixas bem definidas. Uma porta TTL reconhecerá como nível 0 as tensões que estiverem entre 0 e 0,8 V e como nível 1 as tensões que estiverem entre 2,4 e 5 V. Entre essas duas faixas existe uma região indefinida e deve ser evitada pelo projetista.

A maioria dos circuito integrados encontrados no mercado está em invólucros DIL de 14 e 16 pinos. Outros tipos também poderão ser encontrado, para saber quais são os pinos de entrada e os pinos de saída bem como os pinos de alimentação devemos sempre recorrer ao manual do fabricante. Uma letra pode diferenciar uma família de circuitos integrados e também a posição dos terminais. Veja a figura abaixo.

Circuito integrado TTL

Para usar corretamente os circuitos integrados TTL e saber como testá-los, quando apresentam algum problema de funcionamento, é importante conhecer suas características. Analisemos as principais características lembrando sempre os níveis lógicos de entrada e saída.

Corrente de entrada

Quando a entrada de uma porta lógica TTL está com nível 0, flui uma corrente da ordem de 1,6 mA.

Corrente entrada porta NAND

Esta corrente deve ser levada em conta em qualquer projeto, pois, ela deve ser suprida pelo circuito que excitará a porta. Quando a entrada de uma porta lógica TTL está no nível alto, flui uma corrente no sentido oposto de 40 μA.

Corrente entrada porta NAND hi

Esta corrente vai circular quando a tensão de entrada estiver com um valor superior a 2,0 V.

Corrente de saída

Quando a entrada de um circuito TTL vai ao nível 0 (LO), flui uma corrente de 16 mA, conforme observamos no circuito equivalente da figura acima.

Isso significa que uma saída TTL no nível 0 ou baixo pode drenar de uma carga uma corrente máxima de 16 mA. Por outro lado, quando a saída de uma função TTL está no nível 1 ou alto, ela pode fornecer uma corrente máxima de 400 μA, veja a figura abaixo.

Corrente saída porta NAND hi

Na prática podemos obter maior de excitação de saída de uma porta TTL quando ela é levada ao nível 0. Isso justifica o fato de que em muitos circuitos com led indicadores ou displays alfa-numérico, em que ligamos na saída da porta TTL, fazemos com que sejam acesos quando a saída vai ao nível 0 (a corrente é maior) e não ao nível 1, veja a figura abaixo.

Corrente saída porta NAND lo

Fan IN e Fan OUT

A saída de uma porta não precisa estar obrigatoriamente ligada a uma entrada de outra porta. A mesma saída pode ser usada para excitar diversas portas. Como a entrada de cada porta precisa de uma certa corrente e a saída da porta que irá excitar tem uma capacidade limitada de fornecimento ou de drenar a corrente, é preciso estabelecer um limite para a quantidade de portas que podem ser excitadas.
Assim, levando em conta as correntes nos níveis 1 e 0 das entradas e saídas, definimos o FAN OUT como o número máximo de entradas que podemos ligar a uma saída TTL. Para os componentes da família TTL normal ou Standard que estamos estudando, o FAN OUT é 10. Por outro lado, também pode ocorrer que na entrada de uma função lógica TTL precisemos ligar mais de uma saída TTL. Considerando novamente que circulam correntes nestas ligações e que os circuitos têm capacidades limitadas de condução, precisamos saber até que quantidade de ligações podemos fazer. Desta forma o FAN-IN indica a quantidade máxima de saídas que podemos ligar a uma entrada.

Velocidade

Os circuitos eletrônicos possuem uma velocidade limitada de operação que depende de diversos fatores. No caso específico dos circuitos TTL, temos de considerar a própria configuração das portas que apresentam indutâncias e capacitâncias parasitas que influenciam na sua velocidade de operação.  Veremos que se for estabelecida uma transição muito rápida da tensão de entrada, a tensão no circuito não subirá com a mesma velocidade. Este sinal terá antes de carregar as capacitâncias parasitas existentes de modo que a tensão de entrada suba gradualmente, demorando um certo tempo que deve ser considerado.
À medida que o sinal vai passando pelas diversas etapas do circuito, temos de considerar os tempos que os componentes demoram para comutar justamente em função das capacitâncias e indutâncias parasitas existentes. O resultado disso é que para os circuitos integrados TTL existe um retardo entre o instante em que o sinal passa do nível 0 para o 1 na entrada e o instante em que o sinal na saída responde a este sinal, passando do nível 1 para o 0 no caso de um inversor.

Da mesma forma, existe um retardo entre o instante em que o sinal de entrada passa do nível 1 para o 0 e o instante em que o sinal de saída passa do nível 0 para o 1, no caso de um inversor.
Mostramos esses dois tempos na figura a seguir, eles são muito importantes nas especificações dos circuitos TTL, principalmente quando trabalhamos com o projeto de dispositivos muito rápidos.

Delay time TTL

Basicamente podemos adiantar para o leitor que se dois sinais que devam chegar ao mesmo tempo a um certo ponto do circuito não o fizerem, porque um se retarda mais do que o outro ao passar por determinadas funções, isso pode gerar interpretações erradas do próprio circuito que funcionará de modo anormal.

Velocidade TTL

Dissipação

Um ponto importante no projeto de circuitos digitais é a potência consumida, dissipada na forma de calor. Quando usamos uma grande quantidade de funções, esta característica se torna importante tanto para o dimensionamento da fonte como para o próprio projeto da placa e do aparelho que deve ter meios de dissipar o calor gerado. Comparemos as dissipações das diversas famílias, tomando como base uma porta.

Dissipação TTL

Percebemos que quando aumentamos a velocidade, o consumo também aumenta. O projetista deve escolher a sub- família que una as duas características na medida certa para o projeto.

Sub famílias TTL

Os primeiros circuitos TTL se mostraram inapropriados para certas aplicações, quando é necessária maior velocidade, ou menor consumo de energia ou ainda os dois fatores num só projeto. Isso fez com que, mantendo as características originais de compatibilidade entre os circuitos e mantendo as mesmas funções básicas, fossem criadas sub-famílias TTL que tivessem uma característica adicional diferenciada.
A partir da família original “Standard” surgiram diversas subfamílias. Para diferenciar essas subfamílias, foram adicionadas ao número que identifica o componente (depois do 54 ou 74), uma ou duas letras.

Tabela de subfamílias da família TTL standard:

Sub famílias TTL

Compatibilidade entre as famílias

Um ponto importante que deve ser levado em conta quando trabalhamos com a família TTL Standard e suas subfamílias é a possibilidade de interligarmos os diversos tipos. Isso é possível porque todos os circuitos integrados da família TTL e também das subfamílias são alimentados com 5 V.
O que devemos observar com muito cuidado, é que as correntes que circulam nas entradas e saídas dos componentes das diversas subfamílias TTL são completamente diferentes, logo, quando passamos de uma para outra, tentando interligar os seus componentes, as regras de Fan-IN e Fan-OUT mudam completamente. Para facilitar, elaboramos uma tabela, a partir das características dos componentes, em que a quantidade máxima de entradas de determinada subfamília possa ser ligada na saída de outra subfamília.

Compatibilidade família TTL

Exemplo : Observamos pela tabela acima que uma saída 74 (Standard) pode excitar convenientemente até 10 entradas 74LS (Low Power Schottky).

Tipos de saída das portas TTL

Coletor fechado – Totem pole

Os circuitos TTL estudados até agora são denominados saídas lógicas de coletor fechado. Nestes circuitos temos uma configuração em que uma porta o nível estabelecido na saída seja 0 ou 1. Este tipo de circuito apresenta um inconveniente se ligarmos duas portas em paralelo. Se uma das portas tiver sua saída nível alto (1) ao mesmo tempo a outra nível baixo (0), um curto-circuito é estabelecido na saída e pode causar sua queima.
Isso significa que os circuitos integrados TTL com esta configuração nunca podem ter suas saídas interligadas da forma indicada. Veja a figura a abaixo.

Porta TTL coletor fechado

Diagrama porta TTL coletor fechado

Coletor aberto

Existe a possibilidade de elaborar circuitos em que as saídas de portas TTL sejam interligadas. Isso é conseguido com a configuração denominada Open Collector. Os circuitos integrados TTL que possuem esta configuração são indicados como “open collector” e quando são usados, exigem a ligação de um resistor externo denominado “pull up” normalmente de 2k2 Ω ou próximo disso. Como o transistor interno está com o “coletor aberto” (open collector), para funcionar precisa do resistor de polarização.
A vantagem desta configuração está na possibilidade de interligarmos portas diferentes num mesmo ponto. A desvantagem está na redução da velocidade de operação do circuito que se torna mais lento com a presença do resistor, pois ele afeta o desempenho do circuito. Veja a figura abaixo.

Porta TTL coletor aberto

Diagrama porta TTL coletor aberto

Na prática circuito funciona da seguinte forma. Quando a porta está com o coletor aberto, digamos que ela está nível logico 1, este nível lógico é proporcionado pelo resistor de polarização ligado ao +5V da alimentação e é aplicado as porta seguintes.
A saída da porta estará com nível 0 quando internamente o circuito lógico chaveia a saída para o terra. Neste caso ocorre a anulação da polarização HI proveniente do resistor de polarização, a partir deste momento o nível 0 será aplicado as portas seguintes do circuito. Neste tipo de circuito não temos nenhum inconveniente de curto-circuito se uma ou ambas saídas forem para o nível 0 porque o resistor de polarização será a carga para o circuito e não mais a porta como no circuito de coletor fechado visto acima.

Tri-state

Tri-state significa terceiro estado, é uma configuração que pode ser encontrada em alguns circuitos integrados TTL, principalmente usados em informática. A seguir temos um circuito típico de uma porta NAND tri-state.

Simples porta TTL tri-state

Podem existir aplicações em que duas portas tenham suas saídas ligadas num mesmo circuito. Uma porta está associada a um primeiro circuito e a outra porta a um segundo circuito. Quando um circuito envia seus sinais para a porta seguinte, o outro deve ficar em espera. Se o circuito que está em espera ficar no nível 0 ou no nível 1, estes níveis serão interpretados pela porta seguinte como informação e isso não deve ocorrer. O que deve ocorrer é que quando uma porta estiver enviando seus sinais, a outra porta deve estar numa situação em que na sua saída não tenhamos nem 0 e nem 1, ou seja, ela deve ficar num estado de circuito desligado, circuito aberto ou terceiro estado. Isso é conseguido através de uma entrada de controle denominada “habilitação” em inglês “enable” abreviada por EN. Assim, quando EN está no nível 0, no circuito, a porta funciona normalmente. No entanto, se EN for levada ao nível 1, a porta comporta-se como um circuito aberto, independentemente dos sinais de entrada. Na saída teremos então um estado podemos dizer, de alta impedância.

Porta TTL tri-state

Podemos então concluir que a função tri-state apresenta três estados possíveis na sua saída:
Nível lógico 0
Nível lógico 1
Alta Impedância

As funções tri-state são muito usadas nos circuitos de computadores, nos barramentos de dados ou “data bus”, onde diversos circuitos devem aplicar seus sinais ao mesmo ponto ou devem compartilhar a mesma linha de transferência desses dados. O circuito que está funcionando deve estar habilitado e os que não estão funcionando desabilitado, para que suas saídas não influenciem nos demais.

Existe ainda uma vasta gama de circuitos lógicos combinados com funções especiais que podem ser encontrados nos sites de fabricantes de circuitos integrados, bem como informações detalhadas de cada componente. A Texas Instruments, a Fairchildsemi possuem datasheets completos para consulta.

Continua na próxima lição.

 

 

Autor: Olair Marcos

"De nada vale o conhecimento adquirido se não compartilharmos com os outros."