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Famılias LogicasPedroni – Capıtulo 10
Prof. Odilson Tadeu Valle
Instituto Federal de Santa Catarina – IFSCCampus Sao Jose
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
4 Famılias logicas baseadas em MOSFET
5 Logica CMOS
6 Circuitos de I/O Modernos
7 Curiosidades/Atualidades
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
4 Famılias logicas baseadas em MOSFET
5 Logica CMOS
6 Circuitos de I/O Modernos
7 Curiosidades/Atualidades
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Famılias Logicas
O desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados, possibilitandoa colocacao num unico involucro de diversos componentes jainterligados, veio permitir um desenvolvimento muito rapido daEletronica Digital e consequentemente do projeto de sistemas digitais.
Foi criada entao uma serie de circuitos integrados que continham numaunica pastilha as funcoes logicas digitais mais usadas e de tal maneiraprojetadas que todas eram compatıveis entre si. Estas series de circuitosintegrados formaram entao as Famılias Logicas, a partir das quais osprojetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montarseus sistemas digitais.
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
4 Famılias logicas baseadas em MOSFET
5 Logica CMOS
6 Circuitos de I/O Modernos
7 Curiosidades/Atualidades
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Logica Diodo-Transistor (DTL)A famılia DTL (diode-transistor logic) de 1950, foi derivada da famıliaDL (diode logic).
Sao lentos.Exigem resistores de valores altos, portanto, muito espaco de silıcio.Dissipam consideravel potencia estatica.
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
4 Famılias logicas baseadas em MOSFET
5 Logica CMOS
6 Circuitos de I/O Modernos
7 Curiosidades/Atualidades
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Logica Transistor-Transistor (TTL)A famılia TTL (transistor-transistor logic) de 1960.Foi a primeira construıda com circuitos integrados e obteve enormesucesso comercial.
Tem um 0 relativamente bom: 0,2VTem um 1 pobre: < 3,6 (VCC − VR2 − 2Vj . Vj = Vjuncao = 0,7 V)
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Logica Transistor-Transistor (TTL)
A famılia TTL deu origem a popular serie 74 de CIs digitais.
Dois exemplos, com 14 pinos e encapsulamento DIP (dual in-linepackage):
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Faixas de temperatura e versoes TTL
Faixas de temperatura
testeComercial: 0�a 70�, serie 74Industrial: -40�a 85�, serie 74Militar: -55�a 125�, serie 54
Versoes
74: TTL Comum74S: TTL Schottky74AS: TTL Schottky avancado74ALS: TTL Schottky de baixa potencia avancado74F: TTL rapido
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Comp. entre versoes TTL, tensoes e margens de ruıdo
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Fan-In e Fan-OutFan-Out ou Fator de Carga de Saıda: e o numero maximo de entradasde portas similares que uma saıda de porta pode acionar, permanecendodentro das especificacoes.
Fan − OutL =IOL(max)
IIL(max)Fan − OutH =
IOH(max)
IIH(max)
Fan-In ou Fator de Carga de Entrada: indica o numero de entradas deuma porta.
Nesse exemplo (TTL convencional) o Fan-Out e 10.
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Recordando: valores logicos e fısicos
http://e2e.ti.com/cfs-file/ key/communityserver-discussions-components-files/138/6320.Voltages.jpg
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
4 Famılias logicas baseadas em MOSFET
5 Logica CMOS
6 Circuitos de I/O Modernos
7 Curiosidades/Atualidades
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MOSFETs
Circuitos logicos baseados em MOSFET ocupam muito menos espaco doque circuitos baseados em transistores bipolares.
Podem funcionar com praticamente nenhum consumo de potenciaestatica (CMOS).
A agressiva reducao de seu tamanho vem melhorando continuamente oseu desempenho.
A tecnologia MOS e descrita com base na menor dimensao do transistor(comprimento do canal) que pode ser fabricada com ela:
8 µm em 19710,18 µm em 20000,13 µm em 200290 nm em 200465 nm em 200640 nm em 200814 nm atuais5-7 nm em desenvolvimento.
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
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7 Curiosidades/Atualidades
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Circuitos CMOS
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Famılias CMOS HC e HCTA famılia HC e equivalente a famılia TTL em termos de tensao dealimentacao: 5V. Embora trabalhe na faixa de 2 a 6V. Todavia nemtodas as tensoes de entrada sao compatıveis com TTL. Nao podem sermisturadas.HCT e completamente compatıvel com TTL
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Famılias CMOS HC e HCT
Comparadas com a TTL, essas famılias exibem praticamente a mesmavelocidade,
Consumo de potencia mais baixo,
Tensoes de saıda mais amplas,
A corrente de entrada e praticamente zero, o que permite que muitasportas CMOS sejam acionadas por uma unica porta.
A logica 5 V esta quase obsoleta ==> LVCMOS (low voltage CMOS :3,3 V, 2,5 V, 1,8 V, 1,5 V, 1,2 V, 1 V e, atualmente, nucleos em ate 0,8V. Qual a consequencia disso?
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Tensao de alimentacao, Tensoes de sinal e Margem deruıdo
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
4 Famılias logicas baseadas em MOSFET
5 Logica CMOS
6 Circuitos de I/O Modernos
7 Curiosidades/Atualidades
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Circuitos de I/O Modernos
Um conjunto de regras que especificam como os acessos deentrada/saıda podem ser feitos e denominado um padrao de I/O(Input/output)
Para velocidades relativamente baixas: TTL, LVTTL, CMOS, LVCMOS.
Para velocidades mais altas e aplicacoes mais especıficas, existempadroes mais complexos: SSTL, HSTL, LVPECL e LVDS
E importante nao confundir padroes de I/O com famılias logicas:Famılia logica refere-se aos circuitos fısicos internosPadrao de I/O refere-se ao modo de acessar tais circuitos
Um chip pode conter qualquer uma das arquiteturas logicas,independente do padrao de I/O escolhido para acessa-las.
Num FPGA pode-se setar o padrao de I/O por porta ou blocos de portasde entrada e saıda.
Exemplo: USB 1.1 de 1,5 Mbps ate 12 Mbps; USB 2.0 ate 480 Mbps;USB 3.0 ate 4.8 Gbps.
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Padroes de I/O modernos
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Padroes de I/O modernos
Padroes com um terminal unico: uma entrada ou saıda, sem tensao dereferencia ou resistores de terminacao.
Padroes com um unico terminal, com tensao de referencia e resistores determinacao: uma entrada ou saıda, com resistores de terminacao parareduzir reflexoes quando operando em alta velocidade decorrentes dodescasamento de impedancia entre o CI e as trilhas da placa de circuitoimpresso (= linhas de transmissao).
Padroes diferenciais: um par de entradas ou saıdas, com resistores determinacao. A saıda desse circuito nao e determinada pelo valorabsoluto, mas sim pela diferenca entre duas entradas. Se a entradapositiva for mais alta, entao a saıda sera alta, caso contrario sera baixa==> Maior imunidade a ruıdos externos.
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Padroes de I/O modernos
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Principais Parametros dos Padroes TTL/CMOS e LVTTLTTL < 100 MHz, LVTTL < 200 MHz
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Padrao LVCMOS 3,3 V
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Padrao LVCMOS 2,5 V
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Padrao LVCMOS 1,8 V
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Padrao LVCMOS 1,5 V
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Padrao LVCMOS 1,2 V
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Padrao LVCMOS 1 V
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Padroes SSTL
SSTL (stub series terminated logic) e um I/O independente datecnologia
indicado para padroes de alta velocidade (400 Mbps a 1,6 Gbps)
Usado principalmente em CIs de memoria (DDR, DDR2, DDR3)
Inclui resistores de terminacao para reduzir reflexoes nas trilhas da PCB,o que melhora o funcionamento em altas velocidades.
Ha a possibilidade de saıda diferencial.
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Padroes SSTL
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Padrao SSTL 3
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Padrao SSTL 2Chips de memoria SDRAM DDR, 200 MHz, 400 MTps, (Tps = Transferper second), transfere dados nas duas bordas do clock.
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Padrao SSTL 18
Chips de memoria SDRAM DDR2, 400 MHz, 800 MTps.
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Padrao SSTL 15
Chips de memoria SDRAM DDR3, 800 MHz, 1,6 GTps
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Padroes HSTLHSTL - high-speed transceiver logic.Originalmente somente o HSTL-15 (VDDO = 1,5 V), mas ja estao emuso o HSTL-18 (VDDO = 1,8 V) e HSTL-12 (VDDO = 1,2 V).E focado para aplicacoes de alta frequencia, acima de 200 MHz.Como o SSTL, emprega resistores de terminacao para reduzir reflexoesnas trilhas da PCB.
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Padrao LVDSLVDS - low-voltage differential signaling.Aplicacoes de alta velocidade em ate 10 m.
Figura mostra um par driver-receptor em modo diferencial.Como a excursao da tensao e pequena (0,35 V), o driver e rapido eproduz um campo eletromagnetico desprezıvel (baixa EMI).Por ser diferencial e mais imune a ruıdo.E um dos I/O com menor consumo de potencia de sua categoria.Utilizado em barramento PCI Express, 2,5 Gbps (2007) full-duplex, 5Gbps atuais.Cada link PCIe e composto por 1, 4, 8, 16 ou 32 vias ==> taxa lıquidade ate 128 Gbps.
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Conteudo programatico
1 Introducao
2 Logica Diodo-Transistor (DTL)
3 Logica Transistor-Transistor (TTL)
4 Famılias logicas baseadas em MOSFET
5 Logica CMOS
6 Circuitos de I/O Modernos
7 Curiosidades/Atualidades
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Lei de MooreGordom Moore, 1975. Previsoes:
A dimensao dos dispositivos MOSFET cairia pela metade a cada 3 anos.Numero de transistores por chip dobraria a cada 1-2 anos.
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Tensao versus velocidade em CMOS
http://www.ti.com/lit/sg/sdyu001aa/sdyu001aa.pdf
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Ciclo de Vida
http://www.ti.com/lit/sg/sdyu001aa/sdyu001aa.pdf
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Compatibilidade entre I/O
http://www.ti.com/lit/sg/sdyu001aa/sdyu001aa.pdf
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