Tutorial de portas lógicas digitais-portas lógicas básicas

portas lógicas digitais podem ter mais de uma entrada, por exemplo, entradas A, B, C, D etc., mas geralmente têm apenas uma saída digital, (Q). Portas lógicas individuais podem ser conectadas ou em cascata juntas para formar uma função de porta lógica com qualquer número desejado de entradas, ou para formar circuitos de tipo combinacional e sequencial, ou para produzir funções de porta lógica diferentes de portas padrão.,

portas lógicas digitais padrão comercialmente disponíveis estão disponíveis em duas famílias ou formas básicas, TTL que significa lógica Transistor-Transistor, como a série 7400, e CMOS que significa complementar metal-óxido-Silício, que é a série 4000 de chips. Esta notação de TTL ou CMOS refere-se à tecnologia lógica usada para fabricar o circuito integrado, (IC) ou um “chip” como é mais comumente chamado.,

Digital Logic Gate

Geralmente falando, o uso da lógica TTL IC é NPN e do tipo PNP transistores de junção bipolares enquanto a CMOS logic IC usa transistores de Efeito de campo complementares MOSFET ou JFET para ambos os seus circuitos de entrada e saída.,

assim Como TTL e CMOS, de tecnologia simples de lógica digital gates também pode ser feito por conexão em conjunto diodos, transistores e resistores para produzir RTL, Resistor-Transistor logic gates, DTL, Diode-Transistor logic gates ou ECL, Emitter-Coupled logic gates, mas estes são menos comuns agora, em comparação ao popular CMOS família.os Circuitos integrados ou CI, como são mais comumente chamados, podem ser agrupados em famílias de acordo com o número de transistores ou “portas” que eles contêm., Por exemplo, um simples e portal Meu contém apenas alguns transistores individuais, como um microprocessador mais complexo pode conter muitos milhares de portas transistoras individuais. Circuitos integrados são classificados de acordo com o número de portas lógicas ou a complexidade dos circuitos dentro de um único chip, com a classificação geral para o número de portas dada como:

Classificação dos Circuitos Integrados

Pequena Escala de Integração (SSI) – Conter até 10 de transistores, ou algumas portas dentro de um único pacote, tais como E, OU, NÃO portões.,
integração de média escala ou (MSI)-entre 10 e 100 transístores ou dezenas de portas dentro de um único pacote e realizar operações digitais, tais como adders, decodificadores, contadores, flip-flops e multiplexadores.integração em larga escala ou (LSI) – entre 100 e 1000 transístores ou centenas de portões e realizar operações digitais específicas, tais como chips I/O, memória, aritmética e unidades lógicas.,
integração em grande escala ou (VLSI) – entre 1.000 e 10.000 transístores ou milhares de portas e realizar operações computacionais, tais como processadores, grandes matrizes de memória e dispositivos lógicos programáveis.
integração em grande escala ou (SLSI)-entre 10.000 e 100.000 transistores dentro de um único pacote e realizar operações computacionais, tais como chips de microprocessador, Micro-Controladores, pics básicos e calculadoras.,integração Ultra-Larga ou (ULSI) – mais de 1 milhão de transístores – os big boys que são usados em computadores CPUs, GPUs, processadores de vídeo, Micro-Controladores, FPGAs e pics complexos.

enquanto a classificação ULSI de “ultra grande escala” é menos bem utilizada, outro nível de integração que representa a complexidade do circuito integrado é conhecido como o sistema-on-Chip ou (SOC) para curto-circuito., Aqui os componentes individuais, tais como o microprocessador, memória, periféricos de e/S lógica, etc., são todos produzidos em uma única peça de silício, e que representa todo um sistema eletrônico dentro de um único chip, literalmente, colocar a palavra “integrado” em circuito integrado.estes chips integrais completos que podem conter até 100 milhões de portas transistoras de silício-CMOS individuais dentro de um único pacote são geralmente usados em telefones celulares, câmeras digitais, micro-controladores, PIC’s e aplicações robóticas.,

Lei de Moore

em 1965, Gordon Moore co-fundador da Intel corporation previu que” o número de transistores e resistências em um único chip irá dobrar a cada 18 meses ” em relação ao desenvolvimento da tecnologia de porta de semicondutores. Quando Gordon Moore fez seu famoso comentário em 1965, havia aproximadamente 60 portões de transistor individuais em um único chip de silício ou morrer.

o primeiro microprocessador do mundo em 1971 foi o Intel 4004 que tinha um barramento de dados de 4 bits e continha cerca de 2.300 transistores em um único chip, operando em cerca de 600kHz., Hoje, a Intel Corporation colocou um incrível 1,2 bilhão de portas de transistores individuais em seu novo Quad-core i7-2700K Sandy Bridge chip microprocessador 64-bit operando em quase 4GHz, e a contagem de transistores on-chip ainda está subindo, à medida que novos microprocessadores e micro-controladores mais rápidos são desenvolvidos.

Estados lógicos digitais

a porta lógica Digital é o bloco básico a partir do qual todos os circuitos electrónicos digitais e sistemas baseados em microprocessadores são construídos. Portas lógicas digitais básicas realizam operações lógicas de e, ou não em números binários.,

no design lógico digital apenas dois níveis de tensão ou estados são permitidos e estes estados são geralmente referidos como Lógica “1” e lógica “0”, ou alta e baixa, ou verdadeiro e falso. Estes dois estados são representados na álgebra booleana e tabelas de verdade padrão pelos dígitos binários de “1” e “0”, respectivamente.um bom exemplo de um estado digital é um simples interruptor de luz. O interruptor pode ser “ligado” ou “desligado”, um estado ou outro, mas não ambos ao mesmo tempo.,UE (T) ALTA (H) “0”Lógico FALSO (F) , BAIXO (L)

a Maioria das digitais portas lógicas e lógica digital sistemas de usar a “lógica Positiva”, em que um nível lógico “0” ou “BAIXO” é representada por um zero de tensão, 0v ou terra e um nível lógico “1” ou “de ALTO” é representado por uma tensão mais alta, tais como a +5 volts, com a mudança de um nível de tensão para o outro, a partir de um nível lógico “0” para “1” ou um “1” para “0” a ser feita tão rapidamente quanto possível, para evitar qualquer mal-funcionamento do circuito de lógica.,

Existe também um sistema complementar de ” lógica negativa “no qual os valores e as regras de uma lógica” 0 “e uma lógica” 1 ” são invertidos, mas nesta seção tutorial sobre portas lógicas digitais nós só nos referiremos à Convenção lógica positiva como é a mais comumente usada.

No padrão TTL (transistor-transistor logic) de IC há uma pré-definidos faixa de tensão de entrada e tensão de saída níveis que definem exatamente o que é uma lógica “1” e o que é uma lógica de nível “0” e estas são mostradas abaixo.,

Entrada TTL & Níveis de Tensão de Saída

Há uma grande variedade de porta lógica tipos em bipolar 7400 e o CMOS de 4000 famílias de digitais portas lógicas, tais como 74Lxx, 74LSxx, 74ALSxx, 74HCxx, 74HCTxx, 74ACTxx etc, com cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens em relação ao outro. A tensão de comutação exata necessária para produzir uma lógica ” 0 “ou uma lógica” 1 ” depende do grupo lógico específico ou família.,

no entanto, ao usar uma fonte de alimentação padrão +5 volts qualquer entrada de tensão TTL entre 2.0 v e 5v é considerada uma lógica “1” ou “alta”, enquanto qualquer entrada de tensão abaixo de 0.8 V é reconhecida como uma lógica “0”ou ” baixa”. A região de tensão entre estes dois níveis de tensão tanto como uma entrada ou como uma saída é chamada de Região indeterminada e operando dentro desta região pode fazer com que a porta lógica produza uma saída falsa.

a família lógica CMOS 4000 utiliza diferentes níveis de voltagens em comparação com os tipos TTL como eles são projetados usando transístores de efeito de campo, ou FET’s., Na tecnologia CMOS, um nível de Lógica “1” opera entre 3.0 e 18 volts e um nível de lógica “0” é inferior a 1,5 volts. Em seguida, a tabela seguinte mostra a diferença entre os níveis lógicos de TTL tradicional e portas lógicas CMOS.

TTL e CMOS Níveis lógicos

Tipo de Dispositivo	Lógica 0	Lógica 1
TTL	0 a 0,8 v	2.0 5v (VCC)
CMOS	0 a 1,5 v	3.,0 a 18 v (VDD)

em Seguida, a partir de observações acima, podemos definir o ideal TTL porta lógica digital como aquele que tem um “BAIXO” nível lógico “0”, 0 volts (terra) e um nível “ELEVADO” lógica “1” de +5 volts, e isso pode ser demonstrado como:

Ideal TTL Porta Lógica Digital Níveis de Tensão

a abertura ou fechamento da chave produz um nível lógico “1” ou um nível lógico “0” com o resistor R a ser conhecido como um “pull-up” resistor.,

a Lógica Digital de Ruído

no Entanto, entre estes definidos valores ALTOS e BAIXOS está o que geralmente é chamado de uma “terra de ninguém” (área azul acima) e se aplicarmos um sinal de tensão para um valor nesta terra de ninguém, área de nós não sabemos se a porta lógica vai responder a ele como um nível “0” ou nível “1”, e a saída será a tornar-se imprevisível.,

ruído é o nome dado a uma tensão aleatória e indesejada que é induzida em circuitos eletrônicos por interferência externa, tais como a partir de interruptores próximos, flutuações de alimentação de energia ou de fios e outros condutores que captam radiação eletromagnética perdida. Então, para que uma porta lógica não seja influenciada pelo ruído Em deve ter uma certa quantidade de margem de ruído ou imunidade de ruído.,

Porta Lógica Digital Imunidade a Ruído

No exemplo acima, o ruído do sinal é sobreposto para o Vcc tensão de alimentação e enquanto ele permanece acima do nível mínimo (VON(min)) a entrada de um correspondente de saída da porta lógica não são afetados. Mas quando o nível de ruído se torna grande o suficiente e um pico de ruído faz com que o nível de alta tensão caia abaixo deste nível mínimo, a porta lógica pode interpretar este pico como uma entrada de baixo nível e mudar a saída de acordo, produzindo uma comutação de saída falsa., Então, para que a porta lógica não seja afetada pelo ruído, ela deve ser capaz de tolerar uma certa quantidade de ruído indesejado em sua entrada sem alterar o estado de sua saída.

Portas Lógicas Digitais Simples

portas lógicas digitais simples podem ser feitas combinando transístores, díodos e resistores com um exemplo simples de uma lógica de diodo-Resistor (DRL) e porta e uma lógica de Diodo-Transistor (DTL) n e porta dada abaixo.,

Diode-Resistor Circuit

Diode-Transistor circuit

2-input AND Gate

2-input NAND Gate

The simple 2-input Diode-Resistor AND gate can be converted into a NAND gate by the addition of a single transistor inverting (NOT) stage., O uso de componentes discretos como díodos, resistências e transístores para fazer circuitos de portas lógicas digitais não são usados na lógica lógica comercialmente disponível, já que estes circuitos sofrem de atraso de propagação ou atraso de porta e também perda de energia devido às resistências pull-up.

outra desvantagem da lógica diodo-resistor é que não há nenhuma facilidade “Fan-out” que é a capacidade de uma única saída para conduzir muitas entradas das Próximas etapas. Também este tipo de projeto não se desliga completamente como uma lógica “0” produz uma tensão de saída de 0.,6v( queda de tensão do díodo), então os seguintes projetos de circuitos TTL e CMOS são usados em vez disso.

Basic TTL Logic Gates

The simple Diode-Resistor AND gate above uses separate diodes for its inputs, one for each input., Como um transistor bipolar, efetivamente, dois diodo cruzamentos ligados entre si, representando um NPN (Negativo-Positivo-Negativo) de dispositivo ou PNP (Positivo-Negativo-Positivo) dispositivo de entrada, o número de díodos de diode-transistor logic (DTL) de circuito pode ser substituído por um único transistor NPN com vários emissor entradas para formar um outro tipo de circuito de lógica chamada lógica transistor-transistor ou TTL, como mostrado.,

2-input NAND Gate

Este circuito simplificado de NAND gate consiste num transistor de entrada, TR1 que tem dois (ou mais) terminais emissores e um único circuito de comutação de NPN de comutação de TR2.

Quando um ou ambos os emissores de TR1 que representam as entradas ” A “E” B “estão ligados ao nível lógico” 0 ” (baixo), a corrente de base de TR1 passa através da sua junção base/emissor até ao solo (0V), o TR1 satura e o seu terminal colector segue., Esta ação resulta na base de TR2 se conectando ao solo (0V), portanto TR2 é “OFF” e a saída em Q é alta.

com ambas as entradas “A” E “B” Alto no nível lógico “1”, transistor de entrada TR1 desliga”, a base de comutação transistor TR2 torna-se alta e a liga” para que a saída em Q seja baixa devido à ação de comutação do transistor. Os múltiplos emissores de TR1 são conectados como entradas, produzindo assim uma função de porta NAND.,

porta lógica digital acoplada ao emissor

emissor lógica acoplada ou simplesmente ECL, é outro tipo de porta lógica digital que usa lógica transistor bipolar onde os transistores não são operados na região de saturação, como eles são com a porta lógica digital TTL padrão. Em vez disso, os circuitos de entrada e saída são transístores conectados por impulso com a tensão de alimentação negativa em relação ao solo.,

isto tem o efeito de aumentar a velocidade de operação das portas lógicas acopladas ao emissor até a gama Gigahertz em comparação com os tipos de TTL padrão, mas o ruído tem um maior efeito na lógica ECL, porque os transistores insaturados operam dentro de sua região ativa e amplificam, bem como sinais de switch.,

A “74” Sub-famílias de Circuitos Integrados

Com melhorias no projeto do circuito para tomar conta de atrasos de propagação, consumo de corrente, de fan-in e fan-out requisitos, etc., este tipo de TTL transistor bipolar tecnologia constitui a base do prefixo “74” família de lógica digital IC, como o “7400” Quad 2-entrada de porta NAND, ou o “7402” Quad 2-entrada NEM portão, etc.,

Sub-famílias da série 74xxx estão disponíveis relacionadas com as diferentes tecnologias utilizadas para fabricar os portões e são denotadas pelas letras entre a designação 74 e o número do dispositivo. Há uma série de sub-famílias TTL disponíveis que fornecem uma ampla gama de velocidades de comutação e consumo de energia, como o 74L00 ou 74ALS00 porta NAND, foram o “L” significa “TTL de baixa potência” e o “ALS” significa “Schottky TTL de baixa potência avançada” e estes são listados abaixo.,

• 74xx ou 74Nxx: Padrão TTL – Estes dispositivos são a família TTL de portas lógicas, introduzida no início da década de 70. Eles têm um atraso de propagação de cerca de 10ns e um consumo de energia de cerca de 10mW. Gama de tensão de alimentação: 4,75 a 5,25 volts
• 74lx: O consumo de energia TTL de baixa potência foi melhorado sobre os tipos padrão, aumentando o número de resistências internas, mas ao custo de uma redução na velocidade de comutação. Tensão de alimentação: 4,75 a 5,25 volts
• 74hx: alta velocidade TTL-velocidade de comutação foi melhorada através da redução do número de resistências internas., Isto também aumentou o consumo de energia. Gama de tensão de alimentação: 4,75 a 5,25 volts
• 74Sxx: a tecnologia Schottky TTL-Schottky é usada para melhorar a impedância de entrada, a velocidade de comutação e o consumo de energia (2mW) em comparação com os tipos 74lx e 74Hxx. Gama de tensão de alimentação: 4,75 a 5,25 volts
• 74lsx: Schottky TTL de baixa potência-igual aos tipos 74sx, mas com maior resistência interna para melhorar o consumo de energia. Gama de tensões de alimentação: 4.75 a 5.,25 volts
• 74ASxx: Advanced Schottky TTL-Improved design over 74Sxx Schottky types optimised to increase switching speed at the expense of power consumption of about 22mW. Gama de tensão de alimentação: 4.5 a 5.5 volts
• 74ALSxx: Schottky TTL de baixa potência avançada – menor consumo de energia de cerca de 1mW e maior velocidade de comutação de 4nS em comparação com os tipos 74lsx. Gama de tensão de alimentação: 4,5 a 5,5 volts
• 74hcx: tecnologia CMOS – CMOS de alta velocidade e transístores para reduzir o consumo de energia inferior a 1uA com entradas compatíveis com CMOS. Gama de tensões de alimentação: 4,5 a 5.,5 volts
• 74HCTxx: tecnologia CMOS – CMOS de alta velocidade e transistores para reduzir o consumo de energia inferior a 1uA, mas aumentou o atraso de propagação de cerca de 16nS devido às entradas compatíveis com TTL. Faixa de tensão de alimentação: de 4,5 a 5,5 volts

Basic CMOS Porta Lógica Digital

Uma das principais desvantagens com o TTL porta lógica digital série é que as portas lógicas são baseados em transistor bipolar lógica da tecnologia e de como os transistores são atuais dispositivos operados, eles consomem grandes quantidades de energia a partir de um fixo +5 volts da fonte de alimentação.,

também, as portas transistoras bipolares TTL têm uma velocidade de operação limitada quando mudam de um estado” desligado “para um estado” ligado “e vice-versa chamado de” porta “ou”atraso de propagação”. Para superar essas limitações, foram desenvolvidas portas lógicas complementares de MOS chamadas “CMOS” (Complementary Metal Oxide Semiconductor) que usam “transístores de Efeito de campo” ou FET’s.,como estas portas usam tanto o canal P Como o MOSFET do canal N como seu dispositivo de entrada, em condições Quiescentes sem comutação, O consumo de energia das portas CMOS é quase zero, (1 a 2µA) tornando-as ideais para uso em circuitos de bateria de baixa potência e com velocidades de comutação superiores a 100MHz para uso em tempos de alta frequência e circuitos de computador.,

2-entrada de Porta NAND

Este CMOS portão de exemplo contém três canal N-normalmente-off do realce do MOSFET, um para cada entrada consiste de FET1 e FET2, e um adicional de comutação MOSFET, FET3 que é tendenciosa permantly “ON” através da sua porta.

Quando uma ou ambas as entradas “a” e “B” são ligadas ao nível lógico “0”, a entrada correspondente MOSFET, FET1 ou FET2 são desligadas produzindo uma condição de saída Lógica “1” (alta) do terminal fonte de FET3.,

apenas quando ambas as entradas ” a “e” B “são mantidas no nível lógico” 1″, a corrente flui através da MOSFET correspondente ligando-a” produzindo um estado de saída em Q equivalente a um nível lógico “0” como ambos MOSFETS, FET1 e FET2 estão conduzindo. Por conseguinte, produzindo a acção de comutação representativa de uma função de porta NAND.

melhorias no design do circuito no que diz respeito à velocidade de Comutação, Baixo consumo de energia e atrasos de propagação melhorados resultou no padrão CMOS 4000 “CD” família de logic IC está sendo desenvolvido que complementam a gama TTL.,

tal como acontece com as portas lógicas digitais padrão TTL, todas as portas e dispositivos principais de lógica digital estão disponíveis no Pacote CMOS, como o CD4011, uma porta NAND de entrada Quad 2, ou o CD4001, uma porta de entrada Quad 2, juntamente com todas as suas sub-famílias.

Como a lógica TTL, os circuitos MOS complementares (CMOS) aproveitam o fato de que ambos os dispositivos de canal N e canal P podem ser fabricados juntos no mesmo material substrato para formar várias funções lógicas.,uma das principais desvantagens com a gama de CMOS de IC em comparação com os seus tipos de TTL equivalentes é que eles são facilmente danificados pela eletricidade estática. Também diferentemente de portas lógicas TTL que operam em voltagens únicas de + 5V para seus níveis de entrada e saída, portas lógicas digitais CMOS operam em uma única tensão de alimentação entre +3 e +18 volts.

as Sub-famílias comuns de CMOS incluem:

• série 4000B: CMOS – padrão-estes dispositivos são a família original de portas lógicas tamponadas introduzidas no início dos anos 70 e operam a partir de uma tensão de alimentação de 3.0 a 18v D. C.,
• 74C Series: 5v CMOS-These devices are pin-compatible with standard 5v TTL devices as their logic switching is implemented in CMOS but with TTL-compatible inputs. Eles operam a partir de uma tensão de alimentação de 3.0 18v d.c.

Note que o CMOS de portas lógicas e dispositivos são sensíveis a electricidade estática, por isso sempre tome as devidas precauções de trabalhar em antiestático esteiras ou aterrado bancadas, usando uma pulseira antiestática e não a remoção de uma parte de sua embalagem antiestática até que seja necessário.,

no próximo tutorial sobre portas lógicas digitais, vamos olhar para a lógica digital e função de porta como usado em circuitos lógicos TTL e CMOS, bem como sua definição de álgebra booleana e tabelas verdade.