Curso de Eletrônica Digital Lição 4

Na lição anterior aprendemos que os circuitos integrados digitais são organizados em famílias para manter uma compatibilidade entre si, que permite sua interligação direta sem a necessidade de componentes adicionais. Vimos que as famílias contam com dezenas ou centenas de funções que atuam como blocos dos quais podemos desenvolver qualquer circuito eletrônico digital.

Os blocos tendem a ser cada vez mais completos, com a disponibilidade de circuitos integrados que podem conter dezenas ou centenas de funções já interligadas, prontos para exercer uma tarefa que seja muito utilizada. É o caso dos circuitos integrados VLSI encontrados nos computadores, em que milhares de funções lógicas já estão interligadas para exercer dezenas ou centenas de funções comuns nestes equipamentos.
Estudamos a família TTL e suas subfamílias muito comuns na maioria dos equipamentos eletrônicos, analisamos as principais funções disponíveis e também suas características elétricas. No entanto, existe outra família largamente utilizada, é a família CMOS.
As duas famílias CMOS e TTL apesar de possuírem características semelhantes, não são incompatíveis entre si. Na verdade, elas podem ser interligadas em determinadas condições.
Estas famílias correspondem praticamente a tudo que pode ser feito em matéria de circuitos digitais, conhece-las nos dará as bases necessárias para trabalhar com este tipo de componente.

Os circuitos integrados CMOS

CMOS significa Complementary Metal-Oxide Semiconductor e se refere a um tipo de tecnologia que utiliza transistores de efeito de campo, em inglês, Field Effect Transistor (FET) em lugar dos transistores bipolares comuns (como nos circuitos TTL) na elaboração dos circuitos integrados digitais. Existem vantagens e desvantagens no uso de transistores de efeito de campo, os fabricantes conseguem cada vez mais eliminar as diferenças existentes entre as duas famílias com o desenvolvimento de novas tecnologias de fabricação, aumentando ainda mais a sua velocidade e reduzindo o consumo de energia. Existem aplicações em que é mais vantajoso usar um tipo e aplicações em que o outro tipo é melhor.
Os transistores de efeito de campo (FET) usados nos circuitos integrados CMOS ou MOSFETs têm a estrutura básica formada por um eletrodo de controle chamado de comporta ou gate (g) onde é aplicado o sinal que deve ser amplificado ou usado para chavear o circuito.
O transistor é polarizado de modo a haver uma tensão entre a fonte ou source (s) e o dreno ou drain (d). Fazendo uma comparação com o transistor bipolar, podemos dizer que a comporta (g) do MOSFET equivale à base do transistor bipolar, enquanto que o dreno (d) equivale ao coletor e o fonte (s) ao emissor do transistor.

 

Construção transistor CMOS canal n

Observe na figura acima que entre o eletrodo do gate, que consiste numa placa de alumínio e a parte que forma o substrato ou canal por onde passa a corrente, não existe contato elétrico e nem junção, mas sim uma finíssima camada de óxido metálico, que dá nome ao dispositivo (metal-oxide). A polaridade do canal, que é a parte do transistor por onde circula a corrente controlada, determina seu tipo e também a polaridade da tensão que a controla.
Na prática encontramos transistores de efeito de campo tipo MOS de canal N e transistores de efeito de campo tipo MOS de canal P.
Para nosso curso é mais importante lembrar que existem transistores MOS tipo P e tipo N. Na figura a seguir temos os símbolos adotados para representar os dois tipos de transistores.

Transistor CMOS fet

Podemos dizer, de maneira geral, que estes transistores são equivalentes aos transistores tipos NPN e PNP bipolares.
A corrente que circula entre a fonte (s) e o dreno (d) pode ser controlada pela tensão aplicada no gate (g). Isso significa que, diferentemente dos transistores bipolares em que a corrente de coletor depende da corrente de base, no transistor de efeito de campo, a corrente do dreno depende da tensão do gate.
Assim, no tipo P uma tensão positiva do gate aumenta sua condução, ou seja, faz com que ele sature e no tipo N, uma tensão negativa do gate é que o leva à saturação. Mais uma vez fazendo uma comparação com os tipos bipolares, podemos dizer então que enquanto os transistores bipolares são típicos amplificadores de corrente, os FETs ou transistores de efeito de campo MOS são típicos amplificadores de tensão.
Esta diferença leva o transistor de efeito de campo MOS a apresentar características muito interessantes para aplicações em Eletrônica Digital ou Analógica. Uma delas está no fato de que a impedância de entrada do circuito é extremamente elevada, o que significa que precisamos praticamente só de tensão para controlar os dispositivos CMOS. Assim, é preciso uma potência extremamente baixa para o sinal que vai excitar a entrada de um circuito integrado CMOS, já que praticamente nenhuma corrente circula por este elemento. A outra está no fato de que, diferentemente dos transistores bipolares que só começam a conduzir quando uma tensão da ordem de 0,6 V vence a barreira de potencial de sua junção base-emissor, os FETs não têm esta descontinuidade de características, o que os torna muito mais lineares em qualquer aplicação que envolva amplificação de sinais.

Aplicações digitais com CMOS

Da mesma forma que podemos elaborar funções lógicas básicas usando transistores bipolares comuns, também podemos fazer o mesmo com base nos transistores de efeito de campo MOS. A tecnologia CMOS (Complementary MOS) permite que os dispositivos tenham características excelentes para aplicações digitais.
CMOS significa que em cada função temos configurações em que transistores de canal N e de canal P são usados ao mesmo tempo, ou seja, usamos pares complementares, conforme diagrama do inversor lógico mostrado na figura abaixo.

Inversor Transistor CMOS fet

Conforme explicamos no item anterior, a polaridade da tensão que controla a corrente principal nos transistores de efeito de campo MOS depende justamente do tipo de material usado no canal, que pode ser do tipo P ou do tipo N. Assim, se levarmos em conta que nos circuitos digitais temos dois níveis de sinal possíveis, podemos perceber que dependendo do nível deste sinal é aplicado ao gate dos dois transistores ao mesmo tempo, quando um deles estiver polarizado no sentido de conduzir plenamente a corrente (saturado), o outro estará polarizado no sentido de cortar esta corrente (corte).

No circuito indicado, quando a Entrada estiver no nível baixo (0) o transistor Q1 conduz, enquanto Q2 permanece no corte. Isso significa que Vdd, que é a tensão de alimentação positiva, é colocada na saída, o que corresponde ao nível alto ou 1.
Quando na Entrada aplicamos o nível alto, que corresponde ao Vdd (tensão de alimentação), é o transistor Q1 que corta e o Q2 conduz, com isso o nível baixo ou 0 V é que será colocado na saída. Conforme sabemos, estas características correspondem justamente a função inversora. Veja a figura a seguir.

Corrente porta CMOS fet

Consumo

Analisando o circuito inversor, vemos que ele apresenta duas características importantes. A primeira é que sempre um dos transistores estará cortado (não conduzindo), qualquer que seja o sinal de entrada (alto ou baixo), praticamente não circula nenhuma corrente entre o Vdd e o ponto de terra (0 V). A única corrente que irá circular será eventualmente a de um circuito externo (carga) excitado pela saída, veja novamente a figura acima.
Isso significa um consumo extremamente baixo para este par de transistores em condições normais, já que na entrada a impedância é elevadíssima e praticamente nenhuma corrente circula. Este consumo é da ordem de apenas 10 nW (nW = nanowatt = 0,000 000 001 watt). É fácil perceber que se integrarmos 1 milhão de funções destas num circuito integrado, ele irá consumir apenas 1 mW. Na prática temos fatores que tornam maior este consumo, como por exemplo, eventuais fugas internas, a necessidade de um ou outro componente especial de excitação que exija maior corrente, etc.

Velocidade

Assim como a família TTL, a família CMOS também tem uns incovenientes, um deles está no fato de que o eletrodo de controle (gate) que é uma placa de metal fixada no material semicondutor e isolada por meio de uma camada de óxido, funciona como a armadura ou placa de um capacitor, veja a figura abaixo.

Capacitância transistor CMOS

Ao aplicar um sinal de controle a uma função deste tipo, a tensão não sobe imediatamente até o valor desejado, mas precisa de um certo tempo necessário para carregar o capacitor parasita representado pelo terminal gate. Mesmo que o eletrodo tenha dimensões extremamente pequenas, se levarmos em conta as impedâncias envolvidas no processo de carga e também a própria disponibilidade de corrente dos circuitos excitadores, o tempo envolvido no processo não pode se desprezado e um certo atraso na propagação do sinal ocorre. O atraso nada mais é do que a diferença de tempo entre o instante em que aplicamos o sinal na entrada e o instante em que obtemos um sinal na saída. Nos circuitos integrados CMOS típicos como os usados nas aplicações digitais, para um inversor como o do exemplo, este atraso é da ordem de 3 nanossegundos (3 ns). Isso pode parecer pouco nas aplicações comuns, mas se um sinal tiver de passar por centenas de portas antes de chegar a um certo ponto em que ele seja necessário, e a soma dos atrasos não for prevista poderá surgir diversos problemas de funcionamento no circuito.
Veja, entretanto, que a carga de um capacitor num circuito de tempo, até um determinado nível de tensão depende também da tensão de alimentação. Assim, com mais tensão, a carga é mais rápida e isso nos leva a uma característica muito importante dos circuitos CMOS digitais que deve ser levada em conta em qualquer aplicação; com maior tensão de alimentação, os circuitos integrados CMOS são mais rápidos.
Assim, enquanto que nos manuais de circuitos integrados TTL encontramos uma velocidade máxima única de operação para cada tipo (mesmo porque sua tensão de alimentação é fixa de 5 V), nos manuais CMOS encontramos as velocidades associadas às tensões de alimentação (já que os circuitos integrados CMOS podem ser alimentados por uma ampla faixa de tensões). Um exemplo disso pode ser observado nas características de um circuito integrado CMOS, o CD4049, formado por seis inversores (hex inverter) onde temos as seguintes frequências máximas de operação:

Tabela tensão alimentação CMOS

Veja então que o circuito integrado é muito mais rápido quando o alimentamos com uma tensão de 15 V do que quando o alimentamos com uma tensão de apenas 5 V. Este fato é muito importante na elaboração de um oscilador com circuito integrado CMOS que opere no seu limite de velocidade.

Sensibilidade e cuidado no manuseio

O fato de que existe uma finíssima camada de óxido isolando o gate do substrato e esta camada é extremamente sensível a descargas elétricas torna os dispositivos que usam transistores MOS muito delicados.

Descarga eletricidade estática

A própria carga elétrica (eletricidade estática) acumulada em ferramentas ou em nosso corpo quando caminhamos num tapete num dia seco ou ainda quando atritamos objetos em nossa roupa pode ser suficiente para danificar os dispositivos CMOS. Para que você tenha uma idéia, ao caminhar num carpete num dia seco, o seu corpo pode acumular uma carga estática que atinge potenciais de até 10 000 V. Se você tocar num objeto metálico aterrado, a descarga de seu corpo neste percurso de terra pode lhe causar um forte choque.
Do mesmo modo se, você tocar num terminal de um dispositivo CMOS, a carga do seu corpo que escoa por este dispositivo pode facilmente destruir a finíssima camada de óxido que separa o gate do substrato e o componente estará inutilizado. Em outras palavras, os dispositivos que usam transistores CMOS são extremamente sensíveis a descargas elétricas estáticas.
Assim, a primeira preocupação no uso e manuseio destes componentes é evitar de qualquer modo que apareçam tensões perigosas capazes de causar danos entre os terminais dos componentes. Para os transistores MOS existe a possibilidade de colocar um pequeno anel de metal que curto-circuita seus terminais, e que somente é retirado depois que o componente é soldado na placa de circuito impresso.
Existem diversas formas de fazer transporte ou guardar os circuitos integrados CMOS sem o perigo de que cargas estáticas acumuladas em objetos possam lhes causar danos. Uma delas consiste no uso de uma esponja condutora onde os terminais dos circuitos integrados são enfiados e assim mantidos em curto constantemente, veja a figura a seguir.

Espuma anti-estática

Os circuitos integrados CMOS devem ser mantidos nestas esponjas até o momento de serem usados, sob pena de que algum toque acidental com o dedo carregado de estática provoque danos. Outra possibilidade consiste em transportar os circuitos integrados CMOS em pequenas caixas ou embalagens de plástico anti-estático, veja a seguir.

Caixa anti-estática

Embalagem anti-estática

De qualquer forma, NUNCA toque com os dedos nos terminais de componentes CMOS sejam eles circuitos integrados ou transistores. Num laboratório onde são efetuados trabalhos com circuitos integrados CMOS é importante observar precauções especiais para que em nenhum ponto ocorram acúmulos de cargas estáticas. As bancadas de trabalhos devem ter as partes metálicas aterradas e os técnicos devem usar recursos que permitam descarregar cargas do seu corpo.

Pulseira anti-estática

Em empresas de trabalhos com circuitos CMOS é comum os técnicos usarem pulseiras anti-estáticas, sendo estas pulseiras ligadas a um fio terra. Para o técnico comum é apenas necessário lembrar-se de que não deve tocar nos terminais dos componentes e com isso já haverá uma boa garantia da integridade dos circuitos.
Um ponto importante é nunca deixar nenhuma entrada de um circuito integrado CMOS desligada (portas sem uso). A sensibilidade destas entradas é suficientemente alta para que tensões induzidas no próprio circuito sejam captadas, levando os transistores internos a um estado intermediário entre o corte e a saturação ou ainda fazendo com que entrem em oscilação na frequência do sinal captado. Isso, além de elevar o consumo do circuito integrado, pode causar instabilidades que pode afetar o funcionamento geral do circuito. Uma regra prática consiste em ligar as entradas das funções não usadas no circuito integrado ao VDD ou ainda ao ponto de GND 0V.

As configurações CMOS

Porta NOR CMOS

Na figura ao lado temos a configuração usada para uma porta NOR de 2 entradas CMOS em que temos quatro transistores. Observe a simplicidade dos circuitos CMOS quando comparados a funções equivalentes TTL. Com os circuitos CMOS precisamos apenas de transistores para obter a função desejada, enquanto que na equivalente TTL precisamos de transistores e muitos resistores e em alguns casos até vários diodos.

Na figura abaixo temos a configuração usada para uma porta NAND de duas entradas CMOS onde também usamos apenas 4 transistores. Neste circuito, quando as entradas ou uma delas estiver no nível baixo (0) um ou os dois transistores de canal P estarão em condução e a saída ficará no nível alto.

Porta NAND CMOS

Quando as duas entradas estiverem no nível 1, entretanto, os dois transistores de canal N irão conduzir ao mesmo tempo, levando a saída para o nível baixo. Para as outras funções lógicas temos configurações do mesmo tipo, mudando apenas a disposição e a quantidade de transistores usados. Tomando estas duas funções como exemplo, achamos que o leitor terá uma idéia de como elas são feitas e como funcionam.

Especificações

A principal família de circuitos integrados CMOS é a 4000, onde todos os componentes são designados por números como 4001, 4011, 4017, 4096, etc. Os circuitos integrados CMOS comuns funcionam com tensões de alimentação de 3 a 15 V. Lembramos que existem séries CMOS mais antigas com o sufixo A em que a tensão de alimentação fica na faixa de 3 a 12 V. De qualquer forma, em caso de dúvida sobre qualquer característica de um circuito integrado CMOS que tenha algum sufixo que possa indicar variações nas especificações normais, é sempre bom consultar o datasheet do fabricante. Da mesma forma que no caso dos circuitos integrados TTL, é preciso saber interpretar algumas das principais especificações que são:

a) Tensão de saída – no nível lógico baixo (0) a tensão de saída se aproxima de 0 V sendo no máximo de 0,01 V para os tipos comuns com alimentação na faixa de 5 a 10 V. No nível lógico alto, a tensão de saída é praticamente a tensão de alimentação Vdd ou no máximo 0,01 V menor.

b) Corrente de saída – diferentemente dos circuitos integrados TTL em que temos uma capacidade maior de drenar corrente na saída do que de fornecer, para os circuitos integrados CMOS a capacidade de drenar e de fornecer corrente de saída é praticamente a mesma. Assim, para uma alimentação de 5 V as saídas podem fornecer (quando no nível alto) ou drenar (quando no nível baixo) uma corrente de até 1 mA e essa corrente sobe para 2,5 mA quando a alimentação é de 10 V. Estas correntes, são designadas por IOL e IOH nos datasheet de especificações dos circuitos integrados CMOS.

c) Corrente de fuga na entrada – se bem que o gate esteja isolada do circuito dreno-fonte, com uma resistência que teoricamente seria infinita, na prática pode ocorrer uma pequena fuga pois ainda não temos um isolador perfeito que funcione em condições normais. Esta fuga, da ordem de 10 pA (1 picoampère = 0,000 000 000 001 ampère) para uma alimentação de 10 V deve ser considerada quando precisamos calcular a corrente de entrada de um circuito CMOS numa aplicação mais crítica.

d) Potência – os circuitos integrados CMOS consomem muito menos energia que os circuitos integrados TTL. Para os tipos comuns a corrente de alimentação Idd é normalmente da ordem de 1 nA tipicamente com um máximo de 0,05 μA para alimentação de 5 V, o que corresponde a uma dissipação de 5 nW em média para alimentação de 5 V e 10 nW para alimentação de 10 V.

e) Velocidade – os tipos comuns CMOS são muito mais lentos que os TTL, mas famílias especiais estão aparecendo com velocidades cada vez maiores e em muitos casos estas se aproximam dos mais rápidos TTLs. As frequências máximas, conforme já relatamos, dependem das tensões de alimentação e das funções, já que maior número de componentes para atravessar significa um atraso maior do sinal. Assim, nos manuais e datasheet encontramos a especificação de velocidade dada tanto em termos de frequência quanto em termos de atraso do sinal. Para o caso do atraso do sinal, observamos que ele pode estar especificado para uma transição do nível alto para o nível baixo ou viceversa e em alguns circuitos ou tensões de alimentação podem ocorrer diferenças.

Circuitos combinados

Conforme explicamos, mesmo tendo uma faixa de tensões ampla e características diferentes dos circuitos integrados TTL, existe a possibilidade de combinar circuitos TTL e CMOS. Há duas possibilidades de interfaceamento entre circuitos digitais TTL e circuitos digitais CMOS.

a) A saída TTL deve excitar a entrada CMOS. Se os dois circuitos operarem com uma tensão de alimentação de 5 V não há problema e a interligação pode ser direta. Como as entradas CMOS têm uma impedância muito alta (não exigindo praticamente corrente alguma) da saída TTL, não existe perigo do circuito CMOS “carregar” a saída TTL. No entanto, existe um problema a ser considerado: as entradas CMOS só reconhecem como nível 1 uma tensão de pelo menos 3,5 V, enquanto que no nível alto, a tensão mínima que o TTL pode fornecer nestas condições é de 3,3 V. Isso significa que é preciso assegurar que a entrada CMOS reconheça o nível alto TTL, o que é conseguido com a adição de um resistor externo chamado de pull-up, observe a figura abaixo.

Interface TTL CMOS

O resistor de 22 kΩ é ligado ao positivo da alimentação de 5 V. Se o circuito CMOS a ser excitado por um TTL for alimentado com tensão maior que 5 V, por exemplo 12 V, deve ser usado um circuito intermediário para casamento de características. Este circuito intermediário deve manter o sinal, ou seja, deve ser simplesmente um buffer não inversor, como por exemplo, o de coletor aberto 7406 ou 7407 com um resistor de pull-up externo, conforme a figura abaixo.

Buffer TTL CMOS

O valor do resistor pull-up dependerá da tensão de alimentação utilizada.

b) CMOS excitando uma entrada TTL Neste caso, devemos considerar que uma saída CMOS no nível baixo pode drenar uma corrente de aproximadamente 0,5 mA e no estado alto, a mesma intensidade. No entanto, uma entrada TTL fornece uma corrente de 1,6 mA no nível baixo, o que não pode ser absorvido pela saída CMOS. Isso significa que entre as duas devemos intercalar um buffer CMOS, como por exemplo, os 4049 e 4050 que permitem a excitação de até duas entradas TTL a partir de uma saída CMOS.

Fontes de alimentação

Os circuitos integrados TTL precisam de uma tensão contínua na faixa de 4,5 a 5,5 V, mais precisamente 5V para poderem funcionar adequadamente, são bastante sensíveis a alterações que saiam desta faixa. Já os circuitos CMOS são muito menos sensíveis e podem operar numa faixa mais ampla de tensões. Isso facilita bastante o projeto das fontes e até permite a alimentação direta a partir de pilhas ou baterias. Veja que os circuitos integrados CMOS funcionam perfeitamente com tensões como 3, 6 , 9 e 12 V, que são facilmente obtidas de pilhas e bateria, que os torna ideais para aplicações em que este tipo de fonte é usada.
Para circuitos com tecnologia TTL, geralmente as fontes são reguladas e estabilizadas com circuitos integrados reguladores de tensão, o tradicional 7805 geralmente é utilizado para fornecer a tensão necessária de 5V para correntes de até 1A.
Para circuitos que utilizam tecnologia CMOS podemos utilizar reguradores de 5, 6, 8, 9, 10, 12 ou 15V. Geralmente utilizamos estes circuitos reguladores em projetos onde variações de tensão podem influenciar no funcionamento do circuito. Desta forma a fonte se manterá regulada e estabilizada na tensão escolhida para o projeto.
A seguir temos um circuito simples de uma fonte de alimentação utilizando reguladores de tensão da linha 78XX. Selecione a tensão de saída para o seu projeto de acordo com a tabela.

Tabela tensão 78XX

Esquema da fonte regulada

Esquema fonte regulada 5V

Lista de material:

1 transformador entrada 110 ou 220V ( ver a tensão da rede elétrica) saída 2X15V ou 2X18V
2 diodos retificadores 1N4007 ou equivalente
1 capacitor eletrolítico de 1000uF/35V
1 capacitor cerâmico de 100nF/50V
1 regulador 78XX com dissipador de calor
1 capacitor eletrolítico de 1uF/25V
1 capacitor cerâmico de 33nF/50V

Para obter na saída outras tensões, basta trocar apenas o circuito integrado 7805.
Exemplo: Para obter uma fonte de 9V na saída, troque o circuito integrado 7805 pelo 7809 e pronto. Agora você terá na saída da fonte uma tensão de 9V regulada e estabilizada. Os demais componentes continuam inalterados.

 

Atenção: O circuito integrado 78XX deverá se montado num dissipador de calor de alumínio facilmente encontrado em sucatas de monitores ou fontes de PC.
A posição dos terminais 1, 2 e 3 do circuito integrado 78XX deve ser observado no manual do fabricante.

Circuito integrado 78xx

Mais informações sobre o circuito integrado 7805.

Pesquise por Circuito Integrado 7805.

Continua na próxima lição, bom trabalho.

 

 

Autor: Olair Marcos

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