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1 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuitos Digitais Capítulo 3 Estrutura das Portas Lógicas Parte a Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Dispositivos de Chaveamento Chaves correspondem às representações mais simples para sistemas de hardware. Além de fornecer um meio para se representar funções lógicas, existe uma correspondência direta entre as chaves e os transistores e diodos, que são os dispositivos eletrônicos básicos a partir dos quais os sistemas de hardware são construídos. Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Dispositivos de Chaveamento Chaves Representação da Função Lógica AND As duas seções de cada chave se movem simultaneamente BABAf .),( = A = acionamento da chave A B = acionamento da chave B Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Dispositivos de Chaveamento Chaves Em sistemas digitais de lógica positiva o nível lógico "0" está associado ao menor valor de tensão (normalmente 0 Volts) o nível lógico "1" está associado ao maior valor de tensão (normalmente um valor positivo). Em sistemas digitais de lógica negativa o nível lógico "0" está associado ao maior valor de tensão (normalmente um valor positivo) o nível lógico "1" está associado ao menor valor de tensão (normalmente 0 Volts). Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Dispositivos de Chaveamento Chaves Representação da Função Lógica OR (lógica positiva) As duas seções de cada chave se movem simultaneamente BABAf +=),( A = acionamento da chave A B = acionamento da chave B Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Dispositivos de Chaveamento Relés São chaves operadas por eletromagnetos Normally Open (N.O.) Normally Closed (N.C.) I I 2 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Dispositivos de Chaveamento Relés CBACBAf )(),,( += N.O. (Normally Open) N.C. (Normally Closed) B = fluxo de corrente no eletromagneto do relé B C = fluxo de corrente no eletromagneto do relé C A = fluxo de corrente no eletromagneto do relé A f(A,B,C) = lâmpada acesa Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Dispositivos de Chaveamento Por causa do acionamento mecânico, chaves e relés produzem circuitos lentos e pouco confiáveis, e portanto com aplicações limitadas Relés não são utilizados atualmente para construir circuitos lógicos, mas são utilizados em alguns periféricos de computadores (impressora, teclado, etc.) Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodo Utiliza semicondutores em sua fabricação Germânio (menos comum atualmente) Silício Princípios de funcionamento baseados na Física da junção p-n Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Semicondutor tipo-N Adiciona-se à estrutura cristalina do material semicondutor um elemento com excesso de 1 elétron em sua camada de valência Ex: Estrutura cristalina do silício (valência 4) com alguns átomos de Fósforo (valência 5) adicionados Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Semicondutor tipo-N O elétron extra, por não ter papel nas ligações entre os átomos, se comporta como um portador móvel de carga Negativa. Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Semicondutor tipo-P Adiciona-se à estrutura cristalina do material semicondutor um elemento com ausência de 1 elétron em sua camada de valência Ex: Estrutura cristalina do silício (valência 4) com alguns átomos de Boro (valência 3) adicionados 3 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Semicondutor tipo-P O elétron ausente (buraco) se comporta como um portador móvel de carga Positiva (caminhando no sentido oposto ao movimento do elétron que o preencherá) Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodo (http://en.wikipedia.org/wiki/Diode) Junção p-n Símbolo Curva característica (diodo ideal) Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Resistor Componente linear que obedece à Lei de Ohm: V=R.I V I V I Resistência BAIXA Resistência ALTA Inclinação 1/R Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Resistor Resistência nula (curto-circuito) Resistência infinita (circuito aberto) Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodo Ideal Um diodo ideal oferece Resistência nula para correntes fluindo do anodo para o catodo (mesmo sentido que a seta usada no símbolo do elemento) Resistência infinita para correntes fluindo do catodo para o anodo. Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodo Ideal Oferece resistência nula para correntes fluindo anodo para o catodo Oferece resistência infinita para correntes fluindo do catodo para o anodo 4 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodo Real Curva característica de um diodo real: Vf I0 I0 medido em µA Vf ≅ 0,7 V (mA) Tensão de condução Corrente reversa Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodo Real Quando V>0 o diodo está diretamente polarizado Quando V<0 o diodo está reversamente polarizado Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodo Real Modelo de um diodo real: (ex: Rf = 25Ω para o diodo 1N 914) Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Diodos Modelo simplificado para um diodo real Vf I V Vf Vf ≅ 0,7 V Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 5 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 6 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data sheet do diodo 1N914 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuitos com Diodos e Resistores Nos circuitos a seguir ei , e1 , e2 , ... = tensões de entrada eo = tensão de saída e = tensão no diodo I = corrente fluindo no diodo Vf ≅ 0,7 V = tensãode condução do diodo As tensões de entrada podem assumir apenas dois valores: 0 e VH Volts VH > Vf Problema: Qual a tensão de saída que ocorrerá para cada uma das atribuições possíveis de valores às tensões de entrada? e I Vf Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuitos com Diodos e Resistores Circuito com um diodo e um resistor ei eo e I VH 0 VH = ? R Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Equação do Laço 1 ( a soma das tensões em um laço fechado é nula) ei eo e I VH R Laço 1 oi eee =+ 7 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Equação do Laço 2 ei eo e I VH R Laço 2 Ho VRIe =+ Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Equação do Laço 3 ei eo e I VH R Laço 3 Hi VRIee =++ Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Caso 1: ei = VH eo e I VH R Ho Ve = VH A B Como o potencial do ponto A é igual ao potencial do ponto B e = 0 I = 0 Pela equação do Laço 1: Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Caso 2: ei = 0 eo e I VH R ee =0A equação do Laço 1 se transforma em Equação do Laço 3 se transforma em HVRie =+ Reta no plano e x i Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Caso 2: ei = 0 eo e I VH R VH VH R e I Solução gráfica usando a curva real do diodo Equação da Reta: e+RI = VH Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Caso 2: ei = 0 eo e I VH R VH VH R e I Solução gráfica usando o modelo aproximado do diodo Equação da Reta: e+RI = VH Vf VVee f 7,00 ≅== Obs: Note que é necessário que VH > Vf 8 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Circuito com 1 diodo e 1 resistor Resumo dos resultados encontrados ei eo e VH R VHVH Vf0 eoei ≅ 0,7 V Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica AND Um diodo e uma outra entrada foram acrescentados ao circuito e1 eo VH R e2 D1 D2 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica AND Pode-se omitir o símbolo de terra (Ground) para representar o circuito de forma mais simples: e1 eo VH e2 D1 D2 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica AND Caso 1: e1 = VH; e2 = VH Similar ao Caso 1 do circuito com 1 diodo(nenhum diodo conduzirá corrente, e a tensão entre seus terminais será nula): I=0 I=0 eo = VH VH VH VH D1 D2 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica AND Caso 2: e1 = 0; e2 = VH D1 conduz (ver Caso 2 do circuito com 1 diodo) D2 não conduz pois sua tensão é negativa eo = VF ≅ 0,7V VH VH D1 D2 )( fH VV > Hf VV −+- I Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica AND Caso 3: e1 = VH ; e2 = 0 D2 conduz (ver Caso 2 do circuito com 1 diodo) D1 não conduz pois sua tensão é negativa eo = VF ≅ 0,7V VH VH D1 D2 )( fH VV > Hf VV − +- I 9 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica AND Caso 4: e1 = 0; e2 = 0 D1 conduz D2 também conduz eo = VF ≅ 0,7V VH D1 D2 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica AND Resumo dos resultados encontrados: e1 eo VH e2 VfVH0 Vf0VH VH 0 e1 VHVH Vf0 eoe2 Vf ≅ 0,7 V VH > Vf Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica OR e1 eo e2 D1 D2 Note que uma fonte de tensão não é necessária Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica OR Caso 1: e1 = 0; e2 = 0 Os diodos não conduzem corrente A tensão de saída eo = 0 eo = 0 D1 D2 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica OR Caso 2: e1 = 0; e2 = VH Diodo D2 conduz Diodo D1 não conduz, pois a tensão entre seus terminais é negativa VH D1 D2 I Hf VV − + - fH VVe −=0 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica OR Caso 3: e1 = VH; e2 = 0 Diodo D1 conduz Diodo D2 não conduz, pois a tensão entre seus terminais é negativa VH D1 D2 + - Hf VV − fH VVe −=0 I 10 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica OR Caso 4: e1 = VH; e2 = VH Ambos os diodos conduzem corrente VH VH D1 D2 fH VVe −=0 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Porta Lógica OR Resumo dos resultados encontrados e1 eo e2 D1 D2 VH –VfVH0 VH –Vf0VH VH 0 e1 VH –VfVH 00 eoe2 Vf ≅ 0,7 V VH > Vf Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Degradação do sinal – porta AND A porta lógica AND estudada apresenta em sua saída uma versão alterada do nível elétrico correspondente ao “0” lógico apresentado na entrada: VfVH0 Vf0VH VH 0 e1 VHVH Vf0 eoe2 Vf ≅ 0,7 V VH > Vf e1 eo VH e2 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Degradação do sinal – porta AND Caso conectemos uma saída de porta lógica AND na entrada de outra porta lógica AND, a degradação do sinal elétrico associado ao nível lógico “0” é ainda maior: VHVH 0 V ≅ 0,7 V ≅1,4 V Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Degradação do sinal – porta AND Existe portanto um limite no número de portas AND (com essa estrutura...) que podem ser conectadas em série. AND1 AND2 ANDn 0 V ≅ 0,7 V ≅1,4 V Vn 7,0×≅ VHVH VH Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Degradação do sinal – porta OR A porta lógica OR estudada apresenta em sua saída uma versão alterada do nível elétrico correspondente ao “1” lógico apresentado na entrada: VH –VfVH0 VH –Vf0VH VH 0 e1 VH –VfVH 00 eoe2 Vf ≅ 0,7 V VH > Vf e1 VH e2 eo 11 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Degradação do sinal – porta OR Caso conectemos uma saída de porta lógica OR na entrada de outra porta lógica OR, a degradação do sinal elétrico associado ao nível lógico “1” é ainda maior: VH 7,0−≅ HV 4,1−≅ HV Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Degradação do sinal – porta OR Existe portanto um limite no número de portas OR (com essa estrutura...) que podem ser conectadas em série. VH 7,0−≅ HV 4,1−≅ HV 7,0×−≅ nVH OR1 OR2 ORn Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Transistores bipolares Apresentam duas junções p-n em uma única pastilha de semicondutor Uma pequenacorrente de base IB controla o fluxo de corrente entre os outros dois terminais (IE = IC + IB) Coletor Base Emissor IB IC IE Símbolo: C E B Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Transistor Bipolar Note que, de uma maneira geral, dois diodos com anodos em comum não se comportam como uma única pastilha de semicondutor com duas junções p-n: ≠ IB IC IE Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Transistor Bipolar npn Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Transistor Bipolar Curva característica IC x VCE C E B IB IC VCE + _ IE Região Ativa (IC = β.IB) VCE (sat) ≅ 0,2 Volts Região de Saturação 12 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Característica IC x VCE Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Transistor Bipolar Curva característica IB x VBE C E B IB IC VCE + _ IE Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 BC 546/547/548 (KEC Semiconductor) Epitaxial Planar NPN Transistor Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 = 13 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Data Sheet do transistor BC 547 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Configuração Emissor Comum Como a junção base-coletor se comporta como um diodo Para ei<0,7V não há corrente IB Para ei>0,7V : ei eo VCC B i B R eI 7,0−≅ IB 14 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Configuração Emissor Comum Pela lei das malhas Considerando que IC = β.IB (transistor na região ativa): Como B i B R eI 7,0−≅ CCCCCE IRVV −= BCCCCE IRVV β−= ( )7,0−−= i B C CCCE eR RVV β ei eo VCC IC VCE + -IB Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Configuração Emissor Comum Como eo = VCE VCE não pode ser menor do que VCE (sat). Nesse limite: ( )7,0−−== i B C CCCEo eR RVVe β ei eo VCC IC VCE + - ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −= )( )( satRR satVVI CEC CECC C onde RCE (sat) ≅ 50Ω Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Configuração Emissor Comum eo x ei ei eo VCC ei “0” “1” indeterminado Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Configuração Emissor Comum No plano IC x VCE ei eo VCC CCCCCE IRVV −= Reta de carga Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Configuração Emissor Comum No plano IC x VCE 0 Vcc VCC Transistor cortado Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Configuração Emissor Comum No plano IC x VCE VCE(sat) VCC Vcc VCE (sat) ≅ 0,2 Volts Transistor Saturado 15 Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Inversor Lógico a Transistor É o próprio circuito da configuração emissor comum para um transistor NPN: ei eo VCC eo ei “0” “1” indeterminado 0,2Vcc Vcc0 eoei Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Inversor Lógico a Transistor Modelo simplificado do transistor, adequado às situações de corte e de saturação ei eo VCC eo VCC Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Modelo Simplificado do Inversor Duas situações para a saída: eo VCC ei = 0 ⇒ Transistor cortado (chave aberta) = Vcc eo VCC = 0,2 V ei = VCC ⇒ Transistor saturado (chave fechada) Márcio Brandão – CIC/UnB – Circuitos Digitais Capítulo 3 – Estrutura das Portas Lógicas Referências Katz, Randy H. (1993), Contemporary Logic Design, Benjamin Cummings/ Addison Wesley. Hill, F. & Peterson, G. (1981), Introduction to Switching Theory and Logical Design, John Wiley & Sons. Wakerly, John F., Digital Design Principles and Practices Scientific American, Volume 237, Number 3, September 1977.
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