UNIVESP - 2021 - Revisao - ELETRÔNICA DIGITAL

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TEXTO DE APOIO
Material de Revisão - Eletrônica Digital
 
Introdução 
No decorrer deste bimestre vocês alunos tiveram contato com conceitos que expandem os vistos em
disciplinas de lógica digital, sendo esses conceitos abraçados pelo termo “Eletrônica Digital”. 
Assim, é possível fazer uma rápida analogia, o avanço dos Circuitos Integrados executando funções
digitais está intimamente ligado ao avanço da Eletrônica Analógica. 
Nas últimas décadas, à medida que diversos avanços foram obtidos nos processos de fabricação de
Circuitos Integrados, a realização de funções digitais também visualizou o surgimento e até o
esquecimento de diversas tecnologias. 
Apesar de muitos aspectos relacionados a Eletrônica Digital poderem soar como tecnologias
ultrapassadas, os passos adiante sempre são dados conhecendo-se bem as vantagens e limitações de
cada tecnologia, bem como, principalmente, o contexto do desenvolvimento daquela tecnologia. 
Outro aspecto importante é o engenheiro saber que em muitas aplicações práticas, especialmente
envolvendo a depuração de erros de funcionamento, é possível se deparar com tecnologias antigas de
fabricação, funcionando em perfeita sincronia com novas tecnologias. 
Por isso é fundamental que, além de conhecer o comportamento lógico esperado para o circuito,
o engenheiro seja capaz de antecipar problemas de interconexão tendo em vista o comportamento
elétrico esperado dos componentes. 
Buscando responder aos principais questionamentos dos fóruns, aproveito para enfatizar que a
aplicabilidade prática, bem como os conceitos matemáticos, de eletrônica, metodologias de cálculos, é
necessário enfoque nas características elétricas e as digitais, serão estratificados como tarefas de
revisão. 
Neste contexto, a seguir, são apresentados por semana, quais seriam os tópicos de maior atenção e que
devem ser reforçados como um roteiro de estudos para a prova. 
 
Semana 1 
Na Semana 1, muitos aspectos históricos e de tecnologias são apresentados. É possível acompanhar
que os maiores avanços em Eletrônica Digital vieram dos avanços nos processos de fabricação de
Circuitos Integrados, e a Década de 1960 foi bastante produtiva nesse sentido. Esses aspectos são
muito importantes de serem assimilados para que os alunos consigam relacionar estes avanços ao
cenário tecnológico e geopolítico da época. 
Nesta semana ainda são relembrados conceitos da lógica digital que precisam estar consolidados ao
aluno, tais como as funções de portas lógicas, Flip-Flop, Mux, Demux, dentre outros dispositivos. 
Seguindo, a tecnologia Bipolar de fabricação de CIs foi a primeira que surgiu e dominou até meados dos
anos 80, principalmente tendo em vista a grande aceitação do seu processo de fabricação. Mas quase
que simultaneamente, a tecnologia MOS também surgiu e aos poucos foi dominando os processos de
fabricação à medida que os consumidores ficavam mais exigentes quanto à performance esperada para
os CIs. 
A tecnologia CMOS emprega tanto transistores NMOS quanto PMOS, em uma mesma pastilha, o que
facilita em muito o projeto de CIs para a execução de funções digitais à medida que estes permitem a
criação da lógica e do complemento da lógica, pela simples utilização desses dois tipos de transistores. 
O surgimento de tantas tecnologias nos períodos da década de 1960 a 1980 também se deve aos
fabricantes. Como muitas empresas surgiram para esse tipo de atividade, ao encontrar seu nicho de
mercado, muitas delas lançavam produtos de acordo com sua expertise ou ainda visando uma nova fatia
de mercado e, com isso, foi preciso padronizar como as informações seriam apresentadas. 
É aqui então que se insere o conceito de Folha de Dados ou “DataSheet”, que agrupam todas as
informações elétricas, temporais e digitais dos CIs. É fundamental que o engenheiro seja capaz de ler e
interpretar um DataSheet, principalmente para saber que dentro de uma mesma linha de funções
digitais, diferentes famílias da mesma tecnologia foram propostas. 
Portanto, as tabelas de dados elétricos das correntes e tensões de entrada, saída, dados de atrasos de
propagação, máxima frequência de operação, dados térmicos e o significado das siglas de identificação
das famílias precisam ser rapidamente identificados. 
São suas tarefas de revisão: 
Estudar DataSheet das principais famílias e tecnologias para os circuitos digitais mais elementares como
as portas lógicas. Isso ajuda a exercitar o encontro informações, siglas, nomes das famílias e o que
esperar para poder classificar um DataSheet como bom ou pobre de informações. Isso também vai
ajudar a interpretar gráficos temporais e elétricos. 
•
Estudar os principais tipos de encapsulamentos envolvendo circuitos digitais. Tente extrapolar os
conhecimentos dos materiais-base para aplicações práticas, principalmente com relação aos tamanhos
dos CIs com base nas mudanças dos encapsulamentos. 
•
Dar especial atenção às simbologias dos transistores para cada tecnologia e
saber, principalmente, identificar rapidamente quando mais de uma tecnologia está sendo combinada. 
•
Relembrar o comportamento básico de transistores Bipolar e MOS, dados de especificação e modos de
operação. 
•
Estudar as metodologias de cálculos de métricas de desempenho: fan-out, atrasos de propagação,
margem de ruído etc. 
•
 
Semana 2 
Na Semana 2 começam a ser detalhadas as famílias CMOS, TTL e Schottky-TTL. As famílias CMOS
possuem um baixo consumo de potência, sendo uma excelente alternativa para se utilizar em projetos
embarcados, pois a ordem de grandeza das correntes de entrada / saída, bem como a grande faixa de
aceitação de tensão de alimentação, tornam limitantes apenas questões temporais a utilização dessa
família. Basicamente, se você precisa cascatear muitas portas lógicas, a solução ideal realmente seria a
CMOS. 
O TTL consegue trabalhar em maiores velocidades se comparado ao CMOS, mas há um sacrifício de
consumo de potência tendo em vista que os transistores operam em modo ativo inverso. Essas famílias
também apresentam tipos diferentes de saída que podem ser controladas, tais como as Totem Pole e
Coletor Aberto. Essas saídas especiais são necessárias quando portas são cascateadas, especialmente
em circuitos com barramentos compartilhados, em que níveis impróprios de tensão podem ser obtidos
se nenhuma modificação de circuito for realizada. 
As famílias Schottky-TTL buscam amenizar o problema de consumo excessivo de potência da TTL ao
utilizar um Diodo Schottky entre base-coletor no transistor Bipolar, sendo que ao limitar essa tensão em
0,5V (Diodo Schottky é do tipo metal-semicondutor) o transistor nunca satura, reduzindo
significativamente o consumo de potência. 
São suas tarefas de revisão: 
Estudar os circuitos das portas lógicas elementares com CMOS e TTL, com especial atenção às
características de entrada e saída de correntes, tensões e temporização. 
•
Estudar os circuitos envolvidos com as saídas especiais de coletor aberto, Totem Pole
e tristate, especialmente aos detalhes envolvendo cascateamento de portas lógicas. 
•
Reforçar a prática de leitura de DataSheets para identificação dos parâmetros para diferentes séries de
uma mesma família de CIs ou, ainda, diferentes famílias. Esse tipo de prática será muito utilizada na
carreira do engenheiro, que muitas das vezes, ao especificar componentes, precisará realizar
comparações com diversos CIs candidatos. 
•
Fazer uma listagem das principais séries e famílias CMOS, TTL, e TTL-Schottky, apontando como
identificar pelas siglas dos CIs, começo da série numérica etc., bem como as principais características
elétricas, tal como a tabela abaixo. Este tipo de atividade criará experiência na identificação dessas
informações vindas de DataSheet. 
•
 
Semana 3 
Na Semana 3, são apresentados os conceitos das famílias NMOS, Pseudo-NMOS, BiCMOS e ECL,
sendo que já é esperado do aluno uma relativa experiência em buscar as informações técnicas sobre
os CIs nas folhas de dados dos fabricantes. Além dos dados já citados, os DataSheetsapresentam em
sua maioria a constituição interna do CI, o que permite uma análise mais aprofundada da função lógica. 
Conforme visto até o momento, o CMOS apresenta algumas vantagens, porém, ao se criar a lógica
complementar em uma mesma pastilha, também se utiliza mais área de CI no processo de fabricação. O
impacto desse fato está no aumento das capacitâncias parasitas, o que realmente limita o fan-out da
tecnologia CMOS, tendo em vista que as ordens de grandeza de correntes de entrada e saída das
portas é realmente muito grande. 
Dessa forma, o NMOS e o Pseudo-NMOS buscam justamente contornar as limitações
de cascateamento, sobretudo quando estaticamente os circuitos tendem a ficar a maior parte do tempo
em nível alto, pois isso minimiza razoavelmente a dissipação de potência. 
Os BiCMOS buscam em uma mesma pastilha unir as melhores características das famílias TTL e
CMOS, que seriam alta velocidade e baixo consumo de potência. De fato, na prática é muito comum que
em um mesmo projeto de circuitos digitais seja necessária a utilização de famílias TTL e CMOS,
principalmente devido à heterogeneidade das funções em um mesmo circuito. 
Basicamente: onde eu preciso de velocidade, utilizo TTL; onde eu preciso de baixo consumo, pois vou
cascatear muitos elementos, utilizo CMOS. Assim, a área do seu projeto vai crescendo e o BiCMOS veio
justamente para que, com um único CI, seja possível a utilização das duas tecnologias. 
Acontece que os diversos lançamentos de séries para essa família também criaram uma infinidade de
possibilidades de combinação de tecnologias, tendo em vista que o CMOS aceita muitos níveis
diferentes de alimentação. 
Por fim, a família ECL vem suprimir um problema bastante sério da família TTL que é o de trabalhar com
os transistores saturados. Utiliza também tecnologia bipolar e por trabalhar sem a saturação dos
transistores, ela permite níveis elevados de chaveamento e um baixo consumo de potência. Sua
configuração básica é a de um amplificador diferencial, assim, a fonte de alimentação possui uma
corrente fixa, não apresentando flutuações de correntes durante as transições, fato que ocorre com a
tecnologia CMOS e diminui sua velocidade de operação. 
São suas tarefas de revisão: 
Fazer uma listagem das principais famílias de ECL e BiCMOS, analisando os aspectos dos diferentes
níveis de tensão e operação, sempre comparando com TTL e CMOS. Fazer também um breve
comparativo envolvendo os tempos de operação. 
•
Estudar as famílias citadas nesta semana em relação às portas lógicas elementares e verificar quais
delas apresentam vantagens construtivas, tais como a diminuição da quantidade de transistores para
implementação. 
•
Relembrar as demais famílias vistas até o momento e buscar compreender em um projeto maior qual
seria a função de cada família, se esse projeto poderia ser feito com uma única família de CIs ou se, de
fato, a combinação de famílias é uma boa solução. 
•
 
Semana 4 
Na Semana 4 são apresentados os conceitos de circuitos CMOS especiais, nos quais se destacam as
portas de transmissão, que são muito empregadas em circuitos de comunicação. Além disso, são
apresentados os conceitos de Lógica Sequencial do ponto de vista da Eletrônica Digital, em que os
circuitos com Flip-Flops são detalhados para ficar claro ao aluno a necessidade de um sinal de
sincronismo para a produção da função digital. 
A apresentação do funcionamento dos Flip-Flops JK e SR são fundamentais para a compreensão das
diferenças entre os acionamentos ocorrendo por borda e por patamar. Nesse caso, busca-se primeiro o
relacionamento com Latches, pois, nestes, apesar de utilizarem sinais de sincronismo em alguns casos,
seu funcionamento é por patamar, diferentemente dos Flip-Flops propriamente ditos, nos quais o
acionamento é por borda. Assim, a construção de um Flip-Flop começa pela construção de
seu Latch equivalente. 
A partir do Flip-Flop JK é possível se construir outros Flip-Flops, combinando-se as opções das
entradas. Assim, é importante que o aluno relembre os modos de operação dessas
estruturas, principalmente em termos de suas tabelas verdades e mudanças de estados. 
Tanto os Latches quanto os Flip-Flops quando implementados por circuitos CMOS especiais, permitem
uma redução no número de portas lógicas necessárias à sua implementação, isso porque tais
estruturas, como as portas comandadas por transistores, apresentam a função lógica e seu
complemento na mesma pastilha. 
São suas tarefas de revisão: 
Fazer as tabelas verdades dos principais Flip-Flops e Latches apresentados na semana, bem como
estudar suas funções de acordo com o Clock para saber diferenciar um Latch de um Flip-Flop. 
•
Investigar os circuitos dessas estruturas implementadas com portas comandadas por transistores. •
Relacionar os tipos de Flip-Flops com as velocidades de operação, tendo em vista a utilização das
estruturas de circuitos CMOS especiais. 
•
 
Semana 5 
A Semana 5 apresenta os conceitos envolvendo memórias e circuitos geradores de pulso. As memórias
nada mais são que arranjos de registradores que, por sua vez, são formados por arranjos de Flip-Flops.
Como essas estruturas pertencem à Lógica Sequencial, elas necessitam de um circuito de sincronismo
para poder funcionar. 
Acontece que, na maioria das vezes, esse circuito de sincronismo precisa ser projetado, pois, na
prática, o que ocorre é que em uma mesma placa de circuito impresso, sinais de sincronismo com
diferentes frequências precisam ser criados. 
Na execução dessa função, destaca-se o CI 555 como sendo o mais empregado para este fato. Ainda, é
possível a utilização de osciladores a cristal de Quartzo que, quando alimentados por uma tensão
constante, apresentam na saída um sinal pulsado. Os osciladores a cristal geralmente precisam de
elementos extras para acomodar melhor o sinal. 
Já o 555 pode ter sua frequência de oscilação controlada, apresentando um sinal na saída muito
próximo de uma onda quadrada. Dessa forma, destaca-se neste capítulo como
essencial à compreensão do circuito básico de acionamento do 555 que, além de ser muito difundido
nos livros, é encontrado no DataSheet desse componente. 
As memórias, por sua vez, neste curso, precisam ser compreendidas em termos de arranjos de
registradores, possuindo sinais de controle, barramento de dados e de endereços. Na prática, pode
ocorrer de uma memória compartilhar diversos barramentos, sendo imprescindível uma lógica de
controle de saída do tipo tristate para evitar danos às memórias. 
As diversas famílias de memórias, bem como suas características de operação são fundamentais para a
compreensão de qual dispositivo especificar em um projeto, especialmente quando relacionadas
aos modos de gravação / leitura / apagamento. 
São suas tarefas de revisão: 
Estudar os principais arranjos de memórias com seus pinos de controle, barramentos de dados e
endereços. Crie memórias fictícias e faça rascunhos das quantidades desses pinos citados. 
•
Faça listas de memórias com suas respectivas interpretações mudando a quantidade de endereço e
tamanho de palavras armazenadas. 
•
Estudar as principais tecnologias de memórias quanto ao processo de gravação. •
Estudar o circuito-base do 555 e seus modos de funcionamento, como o multivibrador, principalmente
nos aspectos de projetos e os relacionamentos dos elementos externos necessários ao controle da
frequência. 
•
 
Semana 6 
A Semana 6 apresenta os conceitos de conversão de domínio, seja ele analógico para digital ou digital
para analógico. O aluno pode perceber que desde a Semana 4 passaram a ser investigados circuitos
sequenciais, os dispositivos que realizam conversão são certamente os mais importantes dessa família. 
As conversões analógica/digital ou digital/analógica podem ser realizadas com circuitos discretos,
utilizando-se de dispositivos elementares vistos até o momento. Porém, na prática, os mais empregados
são CIs capazes de realizar tais tarefas. Isso porque os projetos práticos lidando com variáveisdo
mundo real, que são essencialmente analógicas, precisam lidar com uma quantidade de informação que
facilmente satura a capacidade dos dispositivos computacionais, fazendo com que o nível de integração
necessite, de fato, ser muito elevado. 
Assim, o engenheiro irá lidar basicamente com as questões de especificação desses dispositivos,
conhecendo os principais erros de conversão para cada tecnologia, bem como as especificações de taxa
de aquisição e resolução do conversor. 
A taxa de aquisição precisa seguir o critério mínimo de Nyquist, em que após estudar a máxima
frequência presente no sinal de interesse, deve-se especificar um conversor capaz de realizar a
aquisição de no Mínimo o Dobro dessa frequência. Acontece que o dobro muitas das vezes não é o
suficiente para representar o sinal sem distorções e, como existem várias métricas de distorção para
avaliar a qualidade de um sinal, a especificação de um conversor passa pelo estudo do sinal. 
Se por um lado a taxa de aquisição permite cobrir quais seriam as distorções indesejadas no sinal, a
resolução do conversor ou taxa de bits também é capaz de poluir de maneira substancial o sinal que
será convertido. Assim, é preciso o conhecimento da resolução do conversor para inibir eventuais
problemas de conversão indesejados. 
São suas tarefas de revisão: 
Estudar os processos envolvendo a determinação da resolução de um conversor em termos de taxa de
bits. Relembrar o Teorema dos Segmentos Proporcionais de Thales para isso. 
•
Estudar os processos de quantificação e os principais termos associados. •
Investigar as dependências da relação sinal/ruído com os processos de conversão. •
Estudar os circuitos-base de amostragem e retenção para compreensão de aspectos de velocidade e
armazenamento. 
•
Estudar os principais tipos de erro de conversão, sobretudo as análises gráficas. •
 
Semana 7 
A Semana 7 encerra esta disciplina apresentando os dispositivos lógico programáveis, que nada mais
são que arranjos lógicos com elementos simples, escalados a um nível que permite uma quantidade
muito grande de entradas e saídas. 
Nessa família de dispositivos podem ser combinados tanto lógica combinacional quanto sequencial, pois
eles foram desenvolvidos com o intuito de representarem soluções completas para os projetistas. 
Assim como em outras funções vistas até o momento, várias famílias já foram propostas e entraram em
desuso, sendo que suas evoluções tecnológicas acabaram por tornar a FPGA como sendo dos CIs mais
empregados para resolver problemas digitais atualmente. 
A principal característica, portanto, desses dispositivos, é trabalhar com uma elevada escala de
integração, em que muitos componentes podem ser encapsulados, diminuindo, assim, a área necessária
na Placa de Circuito Impresso. Em alguns casos a escala de integração é tão grande que até mesmo
processadores inteiros podem ser encapsulados. Esse processo é conhecido por Incorporação de IPs,
ou Propriedades Intelectuais patenteadas. 
São suas tarefas de revisão: 
Fazer uma tabela comparativa apontando as principais famílias de dispositivos lógicos programáveis,
suas características, vantagens, desvantagens etc. 
•
Estudar o enquadramento desses dispositivos nas escalas de integração, nas quais pode-se comparar
sua capacidade como quantidade de entradas/saídas, portas lógicas ou Flip-Flops encapsulados. 
•
Estudar os processos de organização interna dos dispositivos lógicos programáveis, especialmente
as PAls, PLAs e FPGAs. Procure relacionar essas organizações com as estruturas que já foram vistas
na disciplina, tais como memórias, multiplexadores, Flip-Flops etc. 
•
 
Conclusões 
A disciplina de Eletrônica Digital certamente fornece ao engenheiro um novo olhar sobre o
funcionamento de funções digitais, agora do ponto de vista das estruturas internas eletrônicas. 
Esse tipo conhecimento vai exigir um aprofundamento em conceitos já vistos, porém, principalmente, vai
demandar que o aluno passe a relacionar as estruturas necessárias à resolução de um projeto, que vai
precisar das funções lógicas, de memória, circuitos de sincronismo e barramentos, que na maioria das
vezes são compartilhados pelas estruturas anteriormente citadas. 
Dessa forma, a aplicação prática da Eletrônica Digital é vinculada ao grau de sofisticação que o projeto
demanda, podendo-se utilizar circuitos com encapsulamentos que apresentam poucas portas lógicas, ou
mesmo circuitos capazes de desempenhar funções mais sofisticadas como processadores. 
E como os projetos precisam interagir com o mundo real, seja adquirindo sinais ou devolvendo sinais
processados, a conversão de domínios também é fundamental para o avanço de qualquer Projeto
Digital.