Resumo: A proposta dessa pesquisa será discorrer sobre famílias de circuitos lógicos TTL (lógica do transistor e transistor) e CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), abordando individualmente cada uma delas, traçando algumas considerações relativas às semelhanças, principais diferenças e aplicações das duas famílias mais conhecidas de circuitos digitais. Ressalta-se que esses são basicamente circuitos integrados que possuem portas lógicas da álgebra booleana que compõem a maior parte desses circuitos e que podem ser ainda mais avançados, não somente com portas individuais, tais como alguns circuitos mais complexos, dentre eles: multiplex, decodificadores e vários outros dispositivos lógicos digitais implementados dentro do CI tanto da família TTL como a família CMOS.

Palavras-chave: Circuito. TTL. C-MOS.

1 Comparação entre circuitos TTL e CMOS

1.1 Família TTL

A família TTL significa lógica do transistor e transistor. Ela, originalmente, vem como uma descendente de outras linhas mais antigas que já estão obsoletas como, por exemplo, a família RTL e a DTL. São famílias que, tradicionalmente, utilizavam, além de transistores, resistores. Nesta perspectiva, mostraram ser mais eficiente, assim, a família TTL é a utilizada até os dias atuais. Basicamente, ela utiliza transistores bipolares para emular suas portas lógicas.

Esse circuito tem algumas características muito importantes. Ele é tido como um circuito de velocidade consideravelmente boa, ou seja, o circuito TTL trabalha com frequência elevada, tem uma alimentação de 5v, sendo este um ponto crítico do TTL, já que dentro de uma faixa de 0v a 5v, por exemplo, é necessário se delimitar onde se tem o sinal lógico 1 e 0.

Para o TTL, ele considerará qualquer sinal lógico 0, qualquer tensão na faixa de 0,8 v até 0. Para ser 1, ele irá considerar aproximadamente de 2,4v até 5v. Todavia, entre 0,8 e 2,4 é considerada a faixa indeterminada, conforme figura exemplificativa abaixo:

Figura 1 – Circuito integrado da família TTL

“A figura acima (figura 1) mostra as faixas de tensão correspondentes aos níveis lógicos de entrada de um circuito integrado da família TTL. Nela observa-se, que existe uma faixa de tensão entre 0,8V e 2V na qual o componente TTL não reconhece os níveis lógicos 0 e 1, devendo, portanto, ser evitada em projetos de circuitos digitais”.

Ele apresenta ainda consumo relativamente alto (embora tenha subfamílias) em comparação com outros circuitos digitais. Seu preço no mercado é considerado relativamente baixo e esse circuito também apresenta uma característica peculiar conhecida por fan-out, que implica no número de conexões possíveis de serem ligadas à mesma saída do circuito.

Assim, este circuito apresenta um fan-out aproximado de 10 portas, entretanto, esse número varia em função da própria família, subfamília no TTL.

Nesta perspectiva, ressalta-se que existem várias subfamílias no TTL, sendo que as mais conhecidas são as famílias: L, LS, H, S, AS, ALS.

A família TTL é designada pela simbologia 74 xx, para os modelos STD e 54 xx se forem da linha militar. A grande diferença entre eles está na temperatura em que trabalham, sendo que a militar é maior. A linha 74 trabalhará numa faixa que vai de 0 a 75º C e a linha 54, por ter essa característica, irá trabalhar numa faixa muito maior, (-55º C a 125ºC), ou seja, ele trabalha em temperaturas bem mais extremas. Além disso, a linha 54 apresenta uma tolerância de 10% no valor de alimentação e a linha 74, 5% desse valor.

Esse circuito também pertence à linha open colector – OC, o que implica que dentro da construção do TTL a saída dos coletores das respectivas portas não estará em circuito fechado, elas estão abertas com o pino externo do circuito integrado.

Outro ponto importante é o tristate. É sabido que a lógica booleana apresenta o nível 0 e o nível 1. Qualquer coisa entre esses níveis é chamada de indeterminado. Esse circuito tristate coloca as portas que não estão em uso naquele momento num estado chamado de alta impedância, ou seja, é como se ele não estivesse conectado naquela barra de dados e com isso ela não prejudica o circuito, só a que estiver ativa que irá funcionar.

1.2 Família CMOS

O CMOS (Complementary Metal Oxide Semicondutor) é também um circuito de lógica digital similar ao TTL tendo sido desenvolvido depois do TTL com tecnologia MOS, a mesma tecnologia utilizada nos transistores MOSFET, por exemplo. A letra C vem no sentido de complementar. Na realidade o nome completo do CMOS era COSMOS. Ou seja, simetria complementar com a tecnologia MOS.

“Sua tecnologia de construção utiliza em cada bloco dois mosfet´s complementares, em que apenas um conduz de cada vez. Desta forma consegui-se construir Circuitos Integrados com alta impedância de entrada e baixa dissipação de potência, se comparados ao padrão TTL”.

Nele se tem os circuitos utilizando transistores mosfétes complementares da IOC. Um é canal M, outro canal C. Basicamente o diagrama de inversos lógico de um circuito CMOS é o apresentado abaixo:

Figura 2 – Diagrama de inversor lógico CMOS

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Ele trabalha com as linhas 40 xx e 45 xx, por exemplo. São os típicos números dos circuitos integrados CMOS. E tem algumas características muito interessantes.

Primeiramente, ele tem um consumo extremamente mais baixo do que o TTL, até porque trabalha com as altas impedâncias dos seus circuitos MOSFET que garantem que eles consumam uma potência muito baixa.

Em compensação, tem um problema similar dos transtornos MOSFET, principalmente os primeiros, o que implica numa maior sensibilidade à eletricidade estática, então se exige muito cuidado ao manusear circuitos integrados da linha CMOS devido ao fato deles serem mais sensíveis à eletricidade estática, podendo ser danificados com alguma facilidade. O preço dele era relativamente mais alto e agora, obviamente, já caiu sensivelmente, estando praticamente equilibrado com os valores dos circuitos TTL.

“Numa primeira análise o transistor MOS pode ser considerado como um interruptor controlado pela tensão presente no terminal designado como porta (terminal G da figura 4); sempre que esta tensão ultrapassa um dado valor (a tensão de limiar VT ) estabelece-se um canal condutor entre fonte e dreno, o que permite o surgimento de uma corrente elétrica entre estes terminais (desde que exista também uma diferença de tensão entre fonte e dreno)”.

Com relação à velocidade, eles são tipicamente mais lentos do que a linha TTL devido à sua capacitância intrínseca dos transistores que acaba causando um atraso na propagação do sinal e esse atraso se refletirá na frequência máxima dele que será menor do que a dos TTL’s. Eles têm uma dependência também da atenção de alimentação.

O C-MOS tem algumas famílias bastante interessantes. Ele tem as principais famílias: C, HS, HCT. Tem ainda outras famílias menos usadas ou usadas em projetos diferenciados.

Uma informação importante é de que as entradas do circuito C-MOS que não estiverem sendo utilizadas precisam estar desconectadas, por ter uma característica de alta impedância, para que não capte o ruído.

1.3 Comparações entre circuitos TTL e CMOS

Quando são comparadas as principais características dos circuitos TTL e C-MOS (STD) é possível perceber que o C-MOS apresenta menor velocidade do que o TTL. Tem-se ainda um consumo menor no C-MOS. Quanto à margem de ruído tem-se uma margem menor no C-MOS. O fan-out do C-MOS é maior do que o do TTL. Já com relação à área de construção do chip, tem-se uma área menor no C-MOS.

Portanto, resumi-se que “as famílias lógicas diferem basicamente pelo componente principal utilizado por cada uma em seus circuitos. As famílias TTL (Transistor-Transistor Logic) usa transistor bipolar como seu principal componente, enquanto a família CMOS usam os transistores unipolares MOSFET (transistor de efeito de campo construído segundo a técnica MOS - Metal Oxide Semicondutor) como seu elemento principal de circuito. Atualmente a Família TTL e a CMOS são as mais usadas, sendo empregadas em uma grande quantidade de equipamentos digitais e também nos computadores e periféricos.”

“As famílias TTL (Lógica Transistor-Transistor) e CMOS (Lógica com MOSFETs de Simetria Complementar) estão sendo dadas mais ênfases no desenvolvimento do software por serem amplamente usadas nos projetos de circuitos digitais. Mas faz-se necessário ressaltar o uso de famílias para usos específicos, como por exemplo, a família HTL (Lógica de alto Limiar), onde é empregada em equipamentos industriais por apresentar uma grande imunidade ao ruído, e a família ECL (Lógica Acoplada pelo Emissor) usada em projetos em que se precisa alta velocidade de comutação pelo fato de apresentar um tempo de atraso de somente 3 ns, característica típica dessa família, sendo porém seu emprego a aplicações específicas, não se caracterizando mais em série comercial”.

É interessante que essas linhas existem desde a década de 1960, sendo que até os anos 80 foi o boom das linhas de lógica digital, tanto o C-MOS quanto TTL, sendo a C-MOS mais nova. Logo que foram sendo implantados os dispositivos eletrônicos foram criadas essas linhas para se trabalhar exclusivamente com sinais digitais.