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Introdução à eletrônica: 2 - Portas lógicas

Fernando

Por Fernando

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Níveis lógicos

Em eletrônica, existem apenas dois estados possíveis: verdadeiro ou falso, sim ou não, 1 e 0. Para converter essas informações em impulsos elétricos, cada um desses níveis lógicos ou estados deve receber um valor de tensão elétrica. Isso significa que dois tipos de lógica podem ser aplicados:

  • Lógica positiva : nesta lógica, "1" é atribuído a um valor de alta tensão ( H igh) enquanto "0" é atribuído a um valor baixo ( L ow).

  • Lógica negativa : neste caso, "1" é igual a um valor de tensão baixo ( L ow), enquanto "0" é igual a um valor alto ( H igh).

Atribuição de níveis lógicos em uma lógica positiva

Atribuição de níveis lógicos em uma lógica positiva

O tipo de lógica utilizada em cada caso dependerá da que melhor se adapta ao projeto do circuito. A representação gráfica dos dois níveis lógicos é a onda quadrada típica, tão frequentemente utilizada em veículos automotores, para comunicação entre unidades, transmissão de informações por determinados sensores e controle de alguns atuadores pela unidade de controle.

Representação gráfica dos dois níveis lógicos

Representação gráfica dos dois níveis lógicos

Circuitos lógicos

Os circuitos lógicos surgiram da necessidade de criar CLPs, antes mesmo da eletrônica digital integrada. Uma das primeiras aplicações foi em centrais telefônicas. Eles substituíram relés eletromagnéticos por portas lógicas integradas em um chip, evitando a necessidade de manutenção e reduzindo o espaço necessário.

Componentes básicos, chamados portas lógicas, são utilizados para executar as diferentes funções fundamentais. Essas funções são possíveis graças a circuitos integrados e consistem em diferentes entradas, gerando uma única saída. Um de dois estados possíveis é aplicado às diferentes entradas, obtendo-se um estado de saída que depende do tipo de porta utilizada.

Diferentes estados de saída podem ser obtidos a partir do mesmo estado de entrada se uma porta lógica diferente for usada, com as combinações possíveis de cada porta lógica representadas em uma tabela verdade .

Exemplo de tabela verdade de uma porta lógica

Exemplo de tabela verdade de uma porta lógica

Utilizando portas lógicas, é possível criar circuitos lógicos. Existem dois tipos:

  • Circuitos combinacionais : são circuitos onde as saídas dependem exclusivamente dos níveis lógicos de entrada, sendo que estes valores variam em função das portas lógicas que os compõem.

  • Circuitos sequenciais : são circuitos que não apenas variam suas saídas com base nos valores de entrada, mas também no estado do sistema, que também depende dos valores de entrada anteriores. Isso significa que esses circuitos possuem memória e podem armazenar os valores anteriores.

Símbolo

Dois sistemas diferentes de símbolos são usados para representar portas lógicas. Embora os símbolos tradicionais tenham sido usados por muito tempo e ainda estejam em uso, um novo padrão foi criado em 1984, utilizando símbolos ANSI . Como ambos os símbolos são usados para representar portas lógicas, cada porta lógica será mostrada com ambos os símbolos abaixo.

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    Comentários Recomendados

    Fernando Experienced

    Fernando

    Administrators
    Postado

    Portão OU

    A porta lógica OU é uma porta com múltiplas entradas. Se duas entradas forem utilizadas, a saída obtida será alta (1) quando qualquer uma de suas entradas também for alta, e a saída será baixa (0) somente quando ambas as entradas forem baixas. A tabela verdade de uma porta lógica com duas entradas possui 4 (2 2 ) combinações possíveis, e uma com três entradas possui 8 (2 3 ) combinações, e assim por diante.

    Cada porta lógica, também conhecida como porta de adição , é expressa da seguinte forma:

    S=A+B

    Representação da porta OU junto com sua tabela verdade

    Representação da porta OU junto com sua tabela verdade

    A interpretação desta porta lógica é que a saída S será verdadeira (1) quando qualquer uma das entradas A ou B for verdadeira. Esta interpretação pode ser extrapolada para um circuito elétrico que utiliza botões normalmente abertos, em que um botão aberto corresponde a um nível baixo e um botão fechado corresponde a um nível alto.

    Representação elétrica da porta lógica OU

    Representação elétrica da porta lógica OU

    E Portão

    Assim como a porta OU, esta porta lógica possui várias entradas. Neste caso, a porta lógica E só terá uma saída alta (1) quando todas as suas entradas também forem altas. Se qualquer uma das entradas for baixa (0), independentemente das demais entradas, a saída será baixa. Esta porta lógica, também conhecida como porta de produto , é expressa da seguinte forma:

    S=A×B

    Representação da porta AND junto com sua tabela verdade

    Representação da porta AND junto com sua tabela verdade

    A interpretação desta porta lógica é que a saída S será verdadeira (1) quando ambas as entradas A e B forem verdadeiras. Se representarmos esta lógica como um circuito com botões, o circuito seria:

    Representação elétrica da porta lógica AND

    Representação elétrica da porta lógica AND

    Porta inversora (NÃO)

    Ao contrário das portas lógicas descritas até agora, a porta inversora possui apenas uma entrada. A saída obtida nesta porta será sempre o estado oposto ao estado da entrada, de modo que se a entrada for alta (1), a saída será baixa (0), e vice-versa. A equação, a representação e a tabela-verdade para esta porta lógica são as seguintes:

    S=Ā

    Representação da porta do inversor junto com sua tabela verdade

    Representação da porta do inversor junto com sua tabela verdade

    A interpretação desta porta lógica é que a saída S será verdadeira (1) quando a entrada A for falsa (0), possibilitando a conversão de "0" para "1" e de "1" para "0". Ela pode ser usada em conjunto com outras portas lógicas para inverter suas funções. Em um circuito elétrico, esta porta lógica se comportaria como um botão normalmente fechado, agindo da seguinte forma:

    Representação elétrica da porta lógica do inversor

    Representação elétrica da porta lógica do inversor

    Fernando Experienced

    Fernando

    Administrators
    Postado

    Portão NOR

    O funcionamento desta porta lógica é o oposto do da porta OU , portanto, do ponto de vista funcional, ela é composta pela combinação de uma porta OU e uma porta inversora. Esta porta lógica possui múltiplas entradas para uma única saída e sua função pode ser expressa da seguinte forma:

    S=A+B¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

    Representação da porta lógica NOR e sua tabela verdade

    Representação da porta lógica NOR e sua tabela verdade

    Supondo que existam duas entradas, a saída será "1" somente quando as entradas forem "0". Caso contrário, a saída permanecerá "0". Isso pode ser representado eletricamente da seguinte forma:

    Representação elétrica da porta NOR

    Representação elétrica da porta NOR

    Porta NAND

    É composto pela combinação de uma porta AND e uma porta inversora, produzindo um funcionamento inverso ao da porta AND . Esta porta possui múltiplas entradas e uma saída, e sua função é expressa da seguinte forma:

    S=A×B¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

    Representação da porta lógica NAND e sua tabela verdade

    Representação da porta lógica NAND e sua tabela verdade

    Se o portão tiver duas entradas, a saída será "1" enquanto uma das entradas for "0". Se todas as entradas forem "1", o valor de saída desta função será "0". Esta função, representada como um circuito elétrico, é:

    Representação elétrica da porta NAND

    Representação elétrica da porta NAND

    Porta OU exclusiva (XOR)

    Esta é uma porta lógica com múltiplas entradas e uma saída, na qual o valor de saída será alto somente se uma de suas entradas for alta. Se mais de uma entrada for alta, ou todas as entradas forem baixas, a saída também será baixa. A função que expressa esta função é:

    S=A⊕B

    No caso em que esta porta possui duas entradas, somente se uma delas for "1" a saída também será "1". Caso contrário, se ambos os valores de entrada forem "1" ou "0", o valor de saída será "0". A equação, a representação e a tabela-verdade para a porta OU exclusiva são as seguintes:

    Representação da porta lógica XOR e sua tabela verdade

    Representação da porta lógica XOR e sua tabela verdade

    Porta NOR exclusiva (XNOR)

    Formada pela combinação de uma porta OU exclusiva e uma porta invertida, a porta XNOR funciona de forma inversa à da porta lógica XOR . A função desta porta lógica é a seguinte:

    S=A⊕B¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

    Se a porta XNOR tiver duas entradas, somente quando ambas tiverem o mesmo valor ("0" ou "1") a saída resultante será "1". Caso contrário, se um dos valores de entrada for diferente do outro, o valor de saída será "0". A equação, a representação e a tabela-verdade para a porta OU exclusiva são as seguintes:

    Representação da porta lógica XNOR e sua tabela verdade

    Representação da porta lógica XNOR e sua tabela verdade

    Fernando Experienced

    Fernando

    Administrators
    Postado

    Circuito integrado

    Como mencionado anteriormente, circuitos integrados são usados para fabricar portas lógicas e são formados por um conjunto de componentes eletrônicos, como resistores, diodos, transistores, etc. Esses componentes são integrados em uma única peça de material semicondutor e são encapsulados.

    Com o passar do tempo e a evolução desses dispositivos, os circuitos integrados são equipados com um número cada vez maior de portas lógicas, permitindo-lhes executar funções cada vez mais complexas. Dependendo das necessidades, os circuitos integrados são fabricados em diferentes encapsulamentos para permitir a conexão ao circuito ao qual se destinam.

    Diferentes tipos de encapsulamentos de circuitos integrados

    Diferentes tipos de encapsulamentos de circuitos integrados

    Os circuitos integrados podem ser classificados de acordo com sua escala de integração, sendo essa escala o número de portas lógicas que compõem o circuito em questão. Essa classificação é a seguinte:

    • SSI : Integração em pequena escala, tem pelo menos 12 portas lógicas.

    • MSI : Integração de média escala, tem entre 12 e 99 portas lógicas.

    • LSI : Integração em larga escala, tem entre 100 e 999 portas lógicas.

    • VLSI : Integração em larga escala, tem entre 1.000 e 9.999 portas lógicas.

    • ULSI : Integração em ultra larga escala, tem entre 10.000 e 99.999 portas lógicas.

    • GSI : Integração Gigascale, possui mais de 100.000 portas lógicas.

    Um circuito MSI, por exemplo, permite executar tarefas simples específicas, enquanto um circuito integrado GSI pode executar um grande número de tarefas, como no caso do processador de um computador.

    Parâmetros principais de um circuito integrado

    Os parâmetros mostrados abaixo são os mais importantes em um circuito integrado. Esses parâmetros especificam as características dos circuitos e permitem determinar seus valores funcionais. Os parâmetros mais relevantes são:

    Tensão de alimentação

    Para que os circuitos funcionem, é necessária uma fonte de corrente contínua que garanta a corrente mais estável possível. O positivo é normalmente fornecido ao pino rotulado V DC, enquanto o negativo é fornecido ao pino GND .

    Níveis de tensão de entrada e saída

    A tensão de entrada indica o valor de tensão necessário na entrada de uma porta lógica para que ela a reconheça como nível lógico alto (1) ou nível lógico baixo (0). Os níveis de tensão de entrada são:

    • V IL(máx.) : Este é o valor máximo de tensão de entrada (I) que o gate interpretará como nível baixo (L) ou "0".

    • V IH(min) : Este é o valor mínimo de tensão de entrada (I) que o gate interpretará como nível alto (H) ou "1".

    Da mesma forma, como as portas lógicas estão interconectadas, a tensão de saída fornecida por uma porta para cada um dos níveis lógicos deve ser conhecida, a fim de garantir a capacidade de ativação das portas lógicas conectadas atrás dela. Os níveis de tensão de saída são:

    • VOL (máx.) : Este é o valor máximo de tensão de saída (O) que o gate interpretará como nível baixo (L) ou "0".

    • V OH(min) : Este é o valor mínimo de tensão de saída (O) que o gate interpretará como nível alto (H) ou "1".

    Gráficos dos níveis de tensão de um circuito integrado

    Gráficos dos níveis de tensão de um circuito integrado

    Imunidade ao ruído

    O termo ruído refere-se a interferências ou variações indesejadas de tensão, que podem ser causadas por grandes flutuações de tensão ou campos eletromagnéticos induzidos na instalação elétrica. A imunidade a ruídos é a capacidade de tolerar ruídos sem alterar os valores lógicos de saída, e quanto maior a tolerância de um circuito, melhor. As margens para níveis alto e baixo podem ser calculadas da seguinte forma:

    • Margem de ruído para alto nível:

    VNH=VOH(min)−VIH(min)

    • Margem de ruído para nível baixo:

    VNL=VIL(max)−VOL(max)

    Dissipação de energia

    Durante a operação, um circuito lógico consome uma certa quantidade de energia elétrica. Isso faz com que os circuitos aqueçam devido ao efeito Joule, podendo danificar os dispositivos eletrônicos se a temperatura for excessiva. Uma das características de um circuito é essa dissipação de potência (mW) por cada porta lógica do circuito, com circuitos melhores dissipando menos potência e transformando-a em calor.

    Capacidade de carga (fan-out)

    Um circuito lógico normalmente possui várias entradas de portas lógicas conectadas às saídas de outras. Como a tensão de saída fornecida é limitada, o uso de mais portas lógicas conectadas a uma saída de sinal do que o suportado pode causar a falha de algumas delas. A capacidade de carga, ou fan-out, indica o número máximo permitido de portas que podem ser conectadas a cada saída, sendo que circuitos integrados de melhor qualidade têm maior capacidade.

    Fan-out de 6 para a saída de uma porta inversora

    Fan-out de 6 para a saída de uma porta inversora

    Atraso de propagação

    Este é o tempo decorrido quando uma porta lógica altera o nível de saída devido a um sinal de entrada. Esse atraso, medido em nanossegundos (ns), limita o funcionamento da porta lógica. Isso modifica a frequência máxima do sinal que o circuito integrado pode suportar. Quanto menor o atraso de propagação, maior a frequência de operação que o circuito pode suportar e melhor será sua resposta.

    Atraso de propagação de uma porta lógica OR

    Atraso de propagação de uma porta lógica OR