03 - Circuitos Integrados

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Circuitos Integrados
Circuitos Integrados (CIs)
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C.I.: Introdução
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� Conhecido comumente por chip
� Coleção de resistores, diodos e transistores fabricados em um 
pedaço de material semicondutor (geralmente silício) 
denominado substrato
� CIs digitais frequentemente são classificados de acordo com a 
complexidade de seus circuitos, de acordo com o número de 
portas lógicas no substrato
Chip
Terminais do CI
Fios finíssimos
de ligação do chip
aos terminais do CI
Circuito integrado (CI)
visto por dentro e por cima. Chip
Terminais do CI
Fios finíssimos
de ligação do chip
aos terminais do CI
Circuito integrado (CI)
visto por dentro e por cima.
Surgiram na década de 1970 com interesse de miniaturização dos circuitos
C.I.: Vantagens
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� Vantagens dos C.I.s em relação aos circuitos com 
componentes discretos
� Redução de custos, peso e tamanho
� Aumento da fiabilidade
� Maior velocidade de trabalho
� Menor consumo de energia
� Redução dos erros de montagem
� Simplifica a produção industrial
A maior parte do tamanho 
externo do CI deve-se à caixa 
e às ligações do chip aos 
terminais externos
Operações em circuitos de baixa potência denominados processamento de informação
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C.I.: Terminologia / Tensão
� VIH(mín) – Tensão de entrada (input) de nível alto (high-level)
� Nível de tensão mínimo requerido para valor lógico 1 na entrada
� VIL(máx) – Tensão de entrada (input) de nível baixo (low-level)
� Nível de tensão máximo requerido para um valor lógico 0 na entrada
� VOH(mín) – Tensão de saída (output) de nível alto (high-level)
� Nível mínimo de tensão na saída no estado lógico 1
� VOL(máx) - Tensão de Saída (output) de Nível Baixo (low-level)
� Nível máximo de tensão na saída no estado lógico 0
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C.I.: Terminologia / Corrente
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� IIH – Corrente de Entrada (input) de Nível Alto (high-level)
� Corrente que flui para uma entrada ao aplicar uma tensão de nível alto
� IIL – Corrente de Entrada (input) de Nível Baixo (low-level)
� Corrente que flui para uma entrada ao aplicar uma tensão de nível baixo
� IOH – Corrente de Saída (output) de Nível Alto (high-level)
� Corrente que flui da saída no estado lógico 1
� IOL – Corrente de Saída (output) de Nível Baixo (low-level)
� Corrente que flui da saída no estado lógico 0
C.I.: Fan-out (Fator de carga)
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� Geralmente, a saída de um circuito lógico precisa acionar várias entradas 
lógicas
� Às vezes todos os CIs em um sistema digital pertencem a uma mesma família 
lógica, porém muitos sistemas fazem uso de diversas famílias
� Fan-out (fator de acionamento de carga)
� Definido como o número máximo de entradas lógicas que uma saída pode 
acionar com segurança
� Uma porta lógica especificada com fan-out de 10 pode acionar 10 entradas 
lógicas
� Se esse número for excedido, a tensão de nível lógico de saída não pode mais 
ser garantida
� Depende da natureza das entradas dos dispositivos conectados a uma 
saída
� A menos que uma família lógica diferente seja especificada como dispositivo de 
carga, o fan-out é relativo a dispositivos de carga da mesma família do 
dispositivo acionador
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C.I.: Atraso de propagação
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� O sinal lógico sempre sofre atraso quando atravessa o circuito
� Os dois tempos de atraso de propagação são definidos como:
� tPLH: tempo de atraso de ida do estado lógico 0 para 1 (baixo para alto)
� tPHL: tempo de atraso de ida do estado lógico 1 para 0 (alto para baixo)
Exemplo de atraso de propagação para um inversor
C.I.: Data sheets (especificações técnicas)
� Folha de dados para o CI TTL porta NAND 74ALS00
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C.I.: Tipos de cápsulas
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� Utilizados para envolver e proteger os chips
� Cápsulas com fila de pinos
� Cápsulas planas (Flat-pack)
� Cápsulas metálicas TO-5 (cilíndricas)
� Cápsulas especiais
Enquanto TO-5 são de material metálico, as demais podem ser plásticos ou cerâmico
QIL – Quad In Line
SIL – Single In Line
Cápsulas especiais
TO-5
DIL – Dual In Line (DIP)
Flat-pack
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C.I.: Tipos de cápsulas em SMT
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� Existem três tipos básicos de cápsulas de circuitos 
integrados em SMT (Surface Mount Technology)
� SOIC – Small-Outline Integrated Circuit
� Semelhante ao DIP em miniatura e com os pinos dobrados
� PLCC – Plastic-Leaded Chip Carrier
� Tem os terminais dobrados para debaixo do corpo
� LCCC – Leadless Ceramic Chip Carrier
� Não tem pinos, no lugar existem contatos metálicos moldados na 
cápsula cerâmica
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C.I.: Encapsulamento GA
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� Grid Array (GA)
� Ball Grid Array (BGA)
� Esferas de contato em grade
� Pin Grid Array (PGA)
� Pinos no local de esferas
� Land Grid Array (LGA)
� BGA sem esferas de soldas
LGA
BGA
C.I.: Encapsulamento / Exemplos
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DIP
PLCC LGAPGA
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C.I.: Bases para os chips
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� A base ou soquete, em termos práticos, além de facilitar 
a eventual manutenção do circuito, evita o aquecimento 
do circuito integrado quando se solda
C.I.: Classificação / Aplicação
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� Lineares ou analógicos
� Produzem sinais contínuos em função dos sinais que lhe são 
aplicados nas suas entradas.
� A função principal é a amplificação. Podem destacar-se neste 
grupo de CIs os amplificadores operacionais (AmpOp)
� Digitais
� Só funcionam com um determinado número de valores ou 
estados lógicos, que geralmente são dois (0 e 1)
Sinal analógico: sinal que tem uma 
variação contínua ao longo do tempo.
Nível lógico 1
Nível lógico 0
t
Sinal digital: sinal que tem uma variação 
por saltos de uma forma descontínua.
C.I.: Classificação / Integração
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� SSI - Small Scale Integration (Integração em pequena escala)
� Possui menos componentes, menos de 12 portas lógicas por CI
� MSI - Medium Scale Integration (Integração em média escala)
� Podem possuir de 12 a 99 portas por CI (decodificadores, contadores, etc)
� LSI - Large Scale Integration (Integração em grande escala)
� Entre 100 e 9.999 portas lógicas por CI (funções lógicas complexas, parte 
aritmética da calculadora, relógio digital, etc.)
� VLSI - Very Large Scale Integration (Integração em muito larga escala)
� Número de portas lógicas por CI compreendido entre 10.000 e 99.999 
(microprocessadores)
� ULSI - Ultra Large Scale Integration (Integração em escala ultra larga)
� Podem possuir entre 100.000 e 999.999 portas lógicas por CI
� GSI - Giga Scale Integration (Integração em escala giga)
� CIs com mais de 1 milhão de portas lógicas por CI
Os níveis de integração refere-se ao número de portas lógicas que o CI contém
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C.I.: Classificação / Família
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� Os C.Is. estão agrupados em famílias lógicas
� Quanto ao tipo de transistores utilizados : bipolar e MOSFET
� Famílias lógicas bipolares
� TTL: Transistor Transistor Logic (Lógica transístor-transístor)
� RTL: Resistor Transistor Logic (Lógica de transístor e resistência)
� DTL: Díode Transistor Logic (Lógica de transístor e díodo)
� HTL: High Threshold Logic (Lógica de transístor com alto limiar)
� ECL: Emitter Coupled Logic (Lógica de emissores ligados)
� I2L: Integrated-Injection Logic (Lógica de injecção integrada)
� Famílias lógicas MOS
� CMOS: Complementary MOS (par complementar NMOS/PMOS)
� NMOS: Utiliza só transístores MOS-FET canal N
� PMOS: Utiliza só transístores MOS-FET canal P
As famílias mais utilizadas são a TTL e CMOS
C.I.: Família TTL
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� Subfamílias
� Limitam-se a características elétricas, tais como a dissipação 
de energia e a velocidade de comutação
� Pinagem e operações lógicas são as mesmas
Velocidade das portas TTL padrão é limitada pois os TJB saturados tem tempo de desligamento 
considerável. Inclusão do diodo Schottky evita a saturação, aumentando a velocidade
C.I.: Família CMOS
18� Consiste de várias séries
� Executam a mesma função, mas não são necessariamente 
compatíveis pino a pino com dispositivos TTL
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C.I.: Características
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CMOSCMOSCMOSCMOS
TTLTTLTTLTTL
Devido a alta resistência e a capacitância de entrada, o fan-out do CMOS é limitado
C.I.: Alimentação e terra
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� Níveis lógicos para dispositivos TTL e CMOS
� Tensões na faixa indeterminada fornecem resultados 
imprevisíveis e devem ser evitadas
CC (corrente contínua) é Vcc em TTL e Vdd no CMOS. O terra é chamado de GND
* Mais utilizado quando 
junto ao TTL, mas faixa 
Vdd varia entre 3 e 18V
C.I.: Inversor TTL
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INVERSOR TTL
Alimentação (VCC) e conexões 
de aterramento são necessárias 
para a operação de chip.
VCC para dispositivos TTL normalmente é +5 
V.
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C.I.: Inversor CMOS
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Alimentação (VDD) e conexões 
de aterramento são necessárias 
para a operação de chip.
VDD para dispositivos 
CMOS podem ser +3 até 
+18 V.
INVERSOR CMOS
C.I.: Entradas flutuantes (não conectadas)
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� As entradas TTL flutuantes funcionam como uma lógica 1
� A medição da tensão pode parecer indeterminada, mas o 
dispositivo se comporta como se houvesse um na entrada 
flutuante
� Entradas flutuantes CMOS podem causar 
superaquecimento e danos ao aparelho
� Alguns CIs têm circuitos de proteção construídos dentro de si
� A melhor prática é “amarrar” todas as entradas não utilizadas 
em nível alto ou baixo
C.I.: Diagrama de conexão de circuitos
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� Um diagrama de ligação mostra
� Todas as conexões elétricas, os números de pinos, os 
números de Cis, os valores dos componentes, os nomes de 
sinais e as tensões de alimentação
Esse circuito usa portas lógicas de dois Cis diferentes
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Resumo
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