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Circuitos Integrados e Famlias LgicasFamlias Lgicas
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Parte funcional do componente discreto
Os componentes discretos so maiores do que precisavam de ser. O corpo normal do componente, que nos parece pequeno, , na verdade um autntico exagero, se nos restringirmos, eletricamente, ao que realmente faz o trabalho no componente, ou seja, a sua parte funcional.Por exemplo num diodo:Por exemplo num diodo:
(parte funcional)
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O que so os circuitos integrados?Os circuitos integrados so circuitos eletrnicos funcionais, constitudos por um conjunto de transistores, diodos, resistncias e condensadores, fabricados num mesmo processo, sobre uma substncia comum semicondutora de silcio que se
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substncia comum semicondutora de silcio que se designa vulgarmente por chip.
Chip
Terminais do CI
Fios finssimosde ligao do chipaos terminais do CI
Circuito integrado (CI)visto por dentro e por cima. Chip
Terminais do CI
Fios finssimosde ligao do chipaos terminais do CI
Circuito integrado (CI)visto por dentro e por cima.
O circuito integrado propriamente dito chama-se pastilha (chip, em ingls) e muito pequeno. A maior parte do tamanho externo do circuito integrado deve-se caixa e s ligaes da pastilha aos terminais externos.
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Vantagens dos C.I. em relao aos circuitos com componentes discretos
- Reduo de custos, peso e tamanho.- Aumento da confiabilidade.- Maior velocidade de trabalho.- Maior velocidade de trabalho.- Reduo das capacidades parasitas.- Menor consumo de energia.- Melhor manuteno.- Reduo de stocks.- Reduo dos erros de montagem.- Melhoria das caractersticas tcnicas do circuito.- Simplifica ao mximo a produo industrial.
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Limitaes dos C.I.
- Limitao nos valores das resistncias e condensadores a integrar.- Reduzida potncia de dissipao.- Reduzida potncia de dissipao.- Limitaes nas tenses de funcionamento.- Impossibilidade de integrar num chip bobinas ou indutncias (salvo se forem de valores muitssimo pequenos).
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Classificao dos C.I.
Classificao dos circuitos integrados quanto ao processo de fabrico:
Circuito integrado monoltico(o seu processo de fabrico baseia-se na tcnica planar)(o seu processo de fabrico baseia-se na tcnica planar)
Circuito integrado pelicular(pelcula delgada thin-film - ou pelcula grossa thick-film)
Circuito integrado multiplaca
Circuito integrado hbrido(combinao das tcnicas de integrao monoltica e pelicular)
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Classificao dos C.I.Classificao dos circuitos integrados quanto ao tipo de transstores utilizados: Bipolar e Mos-Fet.Os circuitos integrados digitais esto agrupados em famlias lgicas.Famlias lgicas bipolares:RTL Resistor Transistor Logic Lgica de transstor e resistncia.DTL Dode Transistor Logic Lgica de transstor e dodo.
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DTL Dode Transistor Logic Lgica de transstor e dodo.TTL Transistor Transistor Logic Lgica transstor-transstor.HTL High Threshold Logic Lgica de transstor com alto limiar.ECL Emitter Coupled Logic Lgica de emissores ligados.I2L Integrated-Injection Logic Lgica de injeco integrada.
Famlias lgicas MOS:CMOS Complemantary MOS MOS de pares complementares NMOS/PMOSNMOS Utiliza s transstores MOS-FET canal N.PMOS - Utiliza s transstores MOS-FET canal P.
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Classificao dos C.I.Classificao dos circuitos integrados quanto sua aplicao:Lineares ou analgicosDigitaisOs primeiros, so CIs que produzem sinais contnuos em funo dos sinais que lhe so aplicados nas suas entradas. A funo principal do CI analgico a amplificao. Podem destacar-se neste grupo de circuitos integrados os amplificadores operacionais (AmpOp).integrados os amplificadores operacionais (AmpOp).Os segundos so circuitos que s funcionam com um determinado nmero de valores ou estados lgicos, que geralmente so dois (0 e 1).
Nvel lgico 1
Nvel lgico 0t
Sinal analgico: sinal que tem uma variao contnua ao longo do tempo.
Sinal digital: sinal que tem uma variao por saltos de uma forma descontnua.
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Tipos de cpsulas do C.I.
Os principais tipos de cpsulas utilizadas para envolver e proteger os chips so basicamente quatro:
Cpsulas com dupla fila de pinos (DIL ou DIP Dual In Line)Cpsulas planas (Flat-pack)
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Cpsulas planas (Flat-pack)Cpsulas metlicas TO-5 (cilndricas)Cpsulas especiais
Enquanto as cpsulas TO-5 so de material metlico, as restantes podem utilizar materiais plsticos ou cermicos.
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Cpsula com dupla fila de pinos
Para os CI de baixa potncia DIL ou DIPAs cpsulas de dupla fila de pinos so as mais utilizadas, podendo conter vrios chips interligados.
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Nos integrados de encapsulamento DIL a numerao dos terminais feita a partir do terminal 1 (identificado pela marca), vai por essa linha de terminais e volta pela outra (em sentido anti-horrio).Durante essa identificao dos terminais o CI deve ser sempre observado por cima.
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Cpsula com quatro filas de pinosQIL Quad In LinePara c.i. de mdia potncia, por exemplo, amplificadores de udio.A principal razo da linha qudrupla
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A principal razo da linha qudrupla de pinos o de permitir um maior afastamento das respectivas ilhas de ligao no circuito impresso, de forma que pistas mais largas (portanto para correntes maiores) possam ser ligadas a tais ilhas.
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Cpsula com linha nica de pinos
SIL Single In LineAlguns integrados pr-amlificadores, e mesmo alguns amplificadores de
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e mesmo alguns amplificadores de certa potncia, para udio, apresentam esta configurao.
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Cpsulas planas (Flat-pack)
As cpsulas planas tm reduzido volume e espessura e so formadas por terminais dispostos horizontalmente. Pelo fato de se disporem sobre o circuito impresso a sua instalao ocupa pouco
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circuito impresso a sua instalao ocupa pouco espao.
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Cpsulas metlicas TO-5
Tm um corpo cilndrico metlico, com os terminais dispostos em linha circular, na sua base.A contagem dos terminais inicia-se pela pequena marca, em sentido horrio, com o componente visto por baixo.
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por baixo.
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Cpsulas especiaisAs cpsulas especiais so as que dispem de numerosos terminais para interligarem a enorme integrao de componentes que determinados chips dispem (por exemplo, CI contendo microprocessadores).
15Encapsulamento QUAD PACK
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Circuitos Integrados de potncia
Alguns integrados de potncia tm uma cpsula extremamente parecida com a dos transstores de potncia.Algumas observaes importantes a respeito das aletas de acoplamento aos dissipadores de calor:
Aleta metlica
Dissipador
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dissipadores de calor: Dissipador de calorAs aletas podem ser fixadas a dissipadores de alumnio em mtodo idntico ao utilizado nos transstores de potncia.Acoplar-se as aletas prpria caixa (se for metlica) que contm o circuito.
As aletas podem ser soldadas a uma das faces de cobre do circuito impresso (no caso de uma dupla face).As aletas, quase sempre esto ligadas electricamente por dentro do c.i., ao pino correspondente ao negativo da alimentao (massa).
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Cpsulas de C.I. em SMTExistem trs tipos bsicos de cpsulas de circuitos integrados em SMT (Surface Mount Technology):
SOIC Small-Outline Integrated Circuit semelhante a um 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 no tem pinos. No seu lugar existem uns contactos metlicos moldados na cpsula cermica.
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Bases para os C.I.A base ou soquete, em termos prticos, alm de facilitar a eventual manuteno do circuito, evita o aquecimento do circuito integrado quando se solda.
Lucnio Preza de Arajo
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Encapsulamento
THT (Through Hole Technology);SIP (Single In-line Package)DIP (Dual In-Line Package)ZIP (Zig-Zag In-Line Package)ZIP (Zig-Zag In-Line Package)
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Encapsulamento DIP
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Pinagem
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Encapsulamento
SMT (Surface Mount Technology)SMD (Surface Mount Device)
PGA (Pin Grid Array)SOIC (Small Outline Integrated Circuit)SOIC (Small Outline Integrated Circuit)PLCC (Plastic Leadless Chip Carrier)LCCC (Leadless Ceramic Chip Carrier)
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Nveis de integraoReferem-se ao nmero de portas lgicas que o CI contm.
SSI (Small Scale Integration)Integrao em pequena escala: So os CI com menos de 12 portas lgicas.
MSI (Medium Scale Integration)Integrao em mdia escala: Corresponde aos CI que tm entre 12 a 99 portas lgicas
LSI (Large Scale Integration)Integrao em grande escala: Corresponde aos CI que tm entre 100 a 9 999 portas lgicas.
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Nveis de integrao
VLSI (Very Large Scale Integration)Integrao em muito larga escala: Corresponde aos CI que tm entre 10 000 a 99 999 portas lgicas.
ULSI (Ultra Large Scale Integration)ULSI (Ultra Large Scale Integration)Integrao em escala ultra larga: Corresponde aos CI que tm 100 000 ou mais portas lgicas.
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Soquetes
Permitir e facilitar troca de componentesProteger contra aquecimento durante
processo de solda
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Soquetes
ZIF (Zero Insertion Force)
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Placas
PCB (Printed Circuit Board)
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CIs de Portas Lgicas
TTL (Transistor-Transistor Logic)Utiliza transistor bipolar de juno (TBJ) para
implementar as portas lgicas
CMOS (Complementary Metal-Oxide semiconductor)Utiliza transistor de efeito de campo (MOSFET)
para implementar as portas lgicas
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Transistores
H 2 tipos principais de dispositivos de 3 terminais com semicondutores
Transistor bipolar de juno (TBJ) Transistor bipolar de juno (TBJ) Transistor de efeito de campo (FET)
Field Efect Transistor
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Transistores
O TBJ constitui-se de 3 regies semicondutoras: o emissor (E), a base (B) e o coletor (C) e podem ser do tipoNPNNPNPNP
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Porta NOTTransistor em Saturao
C
B
E
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Porta NOTTransistor em Corte
C
B
E
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Transistores
FETO nome efeito de campo deriva-se do fato de que
a corrente no dispositivo controlada pelo ajuste da tenso aplicada externamenteda tenso aplicada externamente
Dreno (drain, D), Fonte (source, S) e o "controle do porto" (gate, G)
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Propriedades Operacionaisdos CIs
Nveis de Tenso Imunidade a RudoDissipao de PotnciaDissipao de PotnciaTempo de AtrasoFan-Out
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Tenso de alimentao-CC
TTL+5V
CMOSCMOS+5V+3,3V+2,5V+1,2V
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Nveis de Tenso
Especificaes de nveis lgicosVIL Faixa de tenso de ENTRADA que
representa nvel BAIXOVIH Faixa de tenso de ENTRADA que
representa nvel ALTOVOL Faixa de tenso de SADA que representa
nvel BAIXOVOH Faixa de tenso de SAIDA que representa
nvel ALTO
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Nveis de TensoTTL +5V
VIL 0 a 0,8VVIH 2 a 5VV 0 a 0,4VVOL 0 a 0,4VVOH 2,4 a 5V
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Nveis de TensoCMOS +5V
VIL 0 a 1,5VVIH 3,3 a 5VV 0 a 0,33VVOL 0 a 0,33VVOH 4,4 a 5V
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Imunidade a Rudo
Capacidade do circuito de tolerar flutuaes indesejadas na tenso de entrada sem alterar seu valor na sadaalterar seu valor na sada
Margem de Rudo (noise) [V]VNH Margem de rudo de nvel ALTOVNL Margem de rudo de nvel BAIXO
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Margem de Ruido
Fontes de rudo Interferncias eletro-magnticas em geral Emendas e conectores de m qualidade Emendas e conectores de m qualidade Emendas e conectores expostos a condies
irregulares (gua, etc) Queda de tenso no canal e capacitncia da
linha
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Margem de Rudo
TTL CMOS
Min Max Min Max
VIL 0 0,8 0 1,5
V 2 5 3,3 5VIH 2 5 3,3 5
VOL 0 0,4 0 0,33
VOH 2,4 5 4,4 5
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Dissipao de Potncia
PD Potncia dissipadaPD = VCC * ICC
ICCH Corrente drenada da fonte quandoem nvel ALTO
ICCL Corrente drenada da fonte quandoem nvel BAIXOValores da ordem de 1 a 20mA
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Dissipao de PotnciaCMOS vs. TTL
TTL Constante para faixa de frequncia de operao
CMOS Varia de acordo com frequncia CMOS Varia de acordo com frequncia de operao. Dissipao muito baixa em condies estticas
e aumenta conforme a frequncia aumenta
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Dissipao de PotnciaCMOS vs. TTL
TTLDa ordem de 2,2miliW
CMOSCMOS2,75microW (esttica)170microW (a 100KHz)
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Tempo de Atraso de Propagao
Atraso entre variao da sada em funo da entradatPHL = Tempo quando a sada comuta de ALTO tPHL = Tempo quando a sada comuta de ALTO
para BAIXOtPLH = Tempo quando a sada comuta de
BAIXO para ALTO
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Tempo de Atraso de Propagao
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Tempo de Atraso de Propagao
Quanto maior o tempo de atraso menor a frequncia mxima que um circuito pode operar.operar.
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Fan-Out
Existe um limite no nmero de cargas (portas acionadas) que uma porta pode acionar.
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Fan-Out
CMOS Fan-Out depedente da frequncia de operaoQuanto menos portas maior a frequncia de Quanto menos portas maior a frequncia de
operaoTTL (LS) em mdia 20 portas
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Valores Tpicos TTL
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Precaues no ManuseioTTL e CMOS
Entradas no usadas devem ser aterradas Entradas no usadas devem ser aterradas ou ligadas ao Vcc caso contrrio o CI pode ter comportamentos estranhos
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ExemploErro simulado no proteus
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ExemploErro simulado no proteus
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Precaues no ManuseioCMOS
Transportar circuitos em espuma condutiva para evitar formao de cargas eletrostticas.
Pinos no devem ser tocados Trabalhar com pulseira anti-esttica
Todas as ferramentas devem ser aterradas Pinos devem ser colocados para baixo sobre
uma superfcie aterrada No manuseie CIs energizados
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Pulseira Anti-esttica
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CRDITOS
Victory Fernandes E-mail: [email protected] Site: www.tkssoftware.com/victory
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Referncias Bsicas Sistemas digitais: fundamentos e aplicaes - 9. ed. / 2007 - Livros -
FLOYD, Thomas L. Porto Alegre: Bookman, 2007. 888 p. ISBN 9788560031931 (enc.)
Sistemas digitais : princpios e aplicaes - 10 ed. / 2007 - Livros - TOCCI, Ronald J.; WIDMER, Neal S.; MOSS, Gregory L. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007. 804 p. ISBN 978-85-7605-095-7 (broch.)Hall, 2007. 804 p. ISBN 978-85-7605-095-7 (broch.)
Elementos de eletrnica digital - 40. ed / 2008 - Livros - CAPUANO, Francisco Gabriel; IDOETA, Ivan V. (Ivan Valeije). So Paulo: rica, 2008. 524 p. ISBN 9788571940192 (broch.)
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REFERNCIAS COMPLEMENTARES: Eletronica digital: curso prtico e exerccios / 2004 - Livros - MENDONA,
Alexandre; ZELENOVSKY, Ricardo. Rio de Janeiro: MZ, c2004. (569 p.) Introduo aos sistemas digitais / 2000 - Livros - ERCEGOVAC, Milos D.;
LANG, Tomas; MORENO, Jaime H. Porto Alegre, RS: Bookman, 2000. 453 p. ISBN 85-7307-698-4
Verilog HDL: Digital design and modeling / 2007 - Livros - CAVANAGH, Verilog HDL: Digital design and modeling / 2007 - Livros - CAVANAGH, Joseph. Flrida: CRC Press, 2007. 900 p. ISBN 9781420051544 (enc.)
Advanced digital design with the verlog HDL / 2002 - Livros - CILETTI, Michael D. New Jersey: Prentice - Hall, 2002. 982 p. ISBN 0130891614 (enc.)
Eletronica digital / 1988 - Livros - Acervo 16196 SZAJNBERG, Mordka. Rio de Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos, 1988. 397p.
Eletronica digital : principios e aplicaes / 1988 - Livros - MALVINO, Albert Paul. So Paulo: McGraw-Hill, c1988. v.1 (355 p.)
Eletrnica digital / 1982 - Livros - Acervo 53607 TAUB, Herbert; SCHILLING, Donald. So Paulo: McGraw-Hill, 1982. 582 p.