Circuitos Integrados: Conceitos e Terminologia

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Circuitos Integrados (CIs)
Sistemas Digitais
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
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
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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Intel 4004
DIP
PLCC LGAPGA
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
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: DíodeTransistor 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
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} Consiste de várias séries
} Executama mesma função, mas não são necessariamente compatíveis 
pino a pino com dispositivos TTL
C.I.: Características
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CMOS
TTL
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.
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