Circuitos Integrados (Famílias Lógicas TTL e CMOS)

Basicamente, circuitos integrados são um amontoado complexo de componentes eletrônicos que conseguem fazer diversas operações lógicas de acordo com os valores de tensões de entrada, resultando em valores de saída.

Com os CIs, descobertos no século passado, os circuitos eletrônicos simplesmente ganharam um universo infinito de possibilidades e, atualmente, em qualquer equipamento eletrônico simples você provavelmente vai encontrar algum CI.

No blog victorvision.com.br, encontrei uma comparação que fez sentido, ao menos em relação a aparência dos CIs: “Esses circuitos são como pequenas cidades muito poderosas e, atualmente, presentes em quase todos os equipamentos eletrônicos.” (link)

O que são famílias lógicas e quais são as mais utilizadas?

Famílias lógicas são agrupamentos — no sentido de categorização — de CIs, conforme as características comuns de projeto e implementação de operações lógicas. Algumas das características importantes para a categorização dos CIs em suas respectivas famílias são:

• Componentes utilizados;
• Portas lógicas utilizadas (AND, OR, NOT, etc.);
• Tensões de alimentação;
• Velocidade de comutação;
• Consumo de energia;
• Níveis lógicos;
• Sensibilidade ao ruído…

Bom, existem uma série de famílias lógicas de CIs para serem exploradas. No entanto, a abordagem deste artigo tem o intuito de dar ênfase a duas delas: Famílias Lógicas TTL e CMOS. Estas são algumas das mais utilizadas do mercado.

Família Lógica TTL

A família TTL (Transistor-Transistor Logic) é uma categoria de CIs desenvolvida para trabalhar em circuitos de 5V e que utilizam transistores bipolares em sua construção.

Contexto histórico

A família TTL é uma evolução de uma família de CIs mais antiga, denominada DTL (Lógica Transistor Diodo).

A TTL é uma das primeiras tecnologias de circuitos integrados e foi muito importante no desenvolvimento da eletrônica, tornando-se tornando algo icônico.

Foi durante a década de 60 que esta tecnologia começou a se popularizar e abriu inúmeras portas para o mundo da eletrônica digital. As empresas pioneiras neste sentido são a Sylvania Electric Products e Texas Instruments.

A utilização destes componentes começou a se difundir rapidamente devido a alta velocidade de comutação e a variedade de aplicações. Entretanto, o alto consumo de energia e geração de calor foi determinante para que as empresas procurassem por novas soluções mais modernas, principalmente a partir da década de 90.

Vantagens da família TTL

• Alta velocidade: os circuitos da família TTL podem ser muito rápidos se comparados com outras tecnologias concorrentes e podem ser ideais para projetos que necessitam de alta velocidade de comutação;
  
• Facilidade de implementação: estes circuitos são mais antigos e podem ser mais fáceis de compreender e aplicar em processos, devido a sua simplicidade;
  
• Maior imunidade a ruídos: os TTLs tem uma boa resistência a ruídos elétricos e isso pode ser ideal para aplicações mais robustas, onde a interferência elétrica pode ser um problema.

Desvantagens da Família TTL

• Alto consumo de energia e geração de calor: uma das principais desvantagens destes CIs é o alto consumo de energia, que, além disso, acaba resultando em uma dissipação de calor elevada e o super-aquecimento pode ser um problema;
  
• Sensibilidade à variação de tensão: os TTLs podem ser muito sensíveis à variações de tensão, o que pode ser um grande problema se forem aplicados em projetos de pouca estabilidade elétrica.
  
• Compatibilidade com Níveis de Tensão: a saída de um circuito TTL geralmente tem níveis de tensão relativamente altos para representar “1” e relativamente baixos para representar “0”. Isso pode causar incompatibilidade com dispositivos que operam em faixas de níveis de tensão diferentes.

Especificações técnicas

Alimentação (Vcc): 5V

Níveis de entrada e saída: V_IL → 0,8V |  V_IH → 2V | I_OL → 400uA | I_OH →16mA |

V_OL → 0,4V | V_OH 2,4V | I_IL → 40uA | I_IH → 1,6mA 

Fan-out: 10

Atraso de propagação: t_PHL– 11ns (Low to High) | t_PLH – 7ns (High to Low)

Potência Dissipada: 10mW

Níveis de tensão inválidos para a família TTL: geralmente, a tensão deve ser menor que 0,8V ou maior que 2V. Caso contrário, estará numa faixa de tensão inválida e produzirá uma resposta imprevisível e, portanto, isso deve ser evitado.

Séries comerciais

Os CIs TTL são normalmente encontrados em duas séries comerciais. A primeira é de uso padrão e inicia com o número 74xxx. A segunda é de uso militar e inicia com os números 54xxx e pode trabalhar em largas faixas de temperatura.

Os dígitos seguintes, aqui representados por “xxx” podem ser uma combinação de números e letras.

Família Lógica CMOS

Outra família  de CIs muito difundida na eletrônica atual é a CMOS, que tem seus circuitos construídos através de transistores MOSFET complementares de canal tipo N  e P.

Sua construção básica traz muitas vantagens, como alto Fan-out, alta imunidade ao ruído e baixo consumo de energia.

Contexto histórico

No início da década de 60 começava-se a combinar duas tecnologias emergentes: PMOS e  NMOS. A tecnologia MOS foi muito comercializada durante a década de 60. No entanto, ao final da década, alguns problemas técnicos começaram a incomodar, o que levou à busca por uma nova tecnologia. Neste contexto, a tecnologia CMOS surgiu para complementar a tecnologia MOS (por isso, a letra C).

Séries comerciais

A família CMOS tem CIs disponíveis nas séries 4000 e 74C. A série 74C se assemelha à TTL — com relação à pinagem e à função dos blocos disponíveis.

Além destas séries, esta família também possui outras versões de alta velocidade e desempenho: 74HC/74HCT (High-speed CMOS). E há outras versões para trabalhar em casos de baixa tensão de alimentação: 74HC/74HCT (High-speed CMOS).

Vantagens da família CMOS

• Baixo consumo de energia: os CMOS consomem muito menos energia em comparação com outras famílias de CIs;
  
• Resistência ao ruído: os CMOS são menos suscetíveis à instabilidade elétrica do que outras famílias de CIs;
  
• Âmpla faixa de tensão de alimentação: os CIs desta família podem operar em diversas faixas de tensão;
  
• Alta densidade de integração: os CIs CMOS podem ser integrados em densidades muito maiores do que os CIs de outras famílias, o que os torna mais econômicos e compactos.

Desvantagens da família CMOS

• Atraso de propagação: os CMOS têm alto atraso de propagação, o que pode afetar a eficiência em processos que necessitam de maior velocidade;
  
• Sensibilidade à eletricidade estática: os CIs CMOS são mais sensíveis à eletricidade estática do que os CIs de outras famílias, o que requer cuidados especiais ao manuseá-los;
  
• Ruído de chaveamento: os CIs CMOS podem gerar ruído de chaveamento, que pode interferir em outros circuitos eletrônicos.

Especificações técnicas

Tensões de entrada: para as séries 4000 e 74C, há tensões na faixa de 3V a 15V; para a versão HC, há tensões de 2V a 6V; para a versão HCT, há tensões de 4,5V a 5,5V.

Para as séries de baixa tensão temos a faixa de 1V a 3,6V para a LV e 1,2V a 3,6V para a LVC.

Níveis de entrada e saída: 

• Entradas: V_IL → 30% do V_DD | V_IH → 70% do V_DD
• Saídas: a família CMOS consome muito pouca corrente, portanto os valores de saída são muito pequenos. V_OL → próximo a 0V | V_OH → próximo a V_DD

Atraso de propagação: esse valor pode variar de acordo com o fabricante e o modelo, mas geralmente fica na ordem de 90ns.

Potência dissipada: os valores de potência podem variar de acordo com o fabricante e o modelo. Mas podemos destacar aqueles que trabalham com V_DD de 5V, que têm cerca de 1nW de potência estática e 10µW de potência dinâmica.

Fan-out: 50.