Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital – A Família de Circuitos Integrados CMOS (CUR5004)

Detalhes Publicado: Segunda, 25 Fevereiro 2019 00:00 Escrito por Newton C. Braga

Os circuitos integrados CMOS

CMOS significa "Complementary Metal-Oxide Semiconductor", sigla que corresponde a um tipo de tecnologia que utiliza transistores de efeito de campo, ou "field effect transistor" (FET), em lugar dos transistores bipolares comuns (como nos circuitos TTL), para elaboração dos circuitos integrados digitais.

Existem vantagens e desvantagens no uso de transistores de efeito de campo, mas os fabricantes, com o desenvolvimento de novas tecnologias de fabricação, conseguem pouco a pouco eliminar as diferenças que existem entre as duas famílias, aumentando ainda mais as suas velocidades e reduzindo seu consumo de energia.

Os transistores de efeito de campo usados nos circuitos integrados CMOS ou MOSFETs têm a estrutura básica mostrada na figura 83 onde também aparece seu símbolo.

Figura 83 – Estrutura de um transistor MOS de canal N

Esta estrutura tem passado por alterações a cada geração de novos componentes, no sentido de se obter maior velocidade e menor consumo. No entanto, o princípio de funcionamento que passamos a estudar, se mantém.

Conforme podemos ver, o eletrodo de controle é a comporta ou gate (g), onde se aplica o sinal que deve ser amplificado ou ainda deve ser usado para chavear o circuito.

O transistor é polarizado então de modo a haver uma tensão entre a fonte ou "source" (s) e o dreno ou "drain" (d).

Fazendo uma analogia com o transistor bipolar, podemos dizer que a comporta do MOSFET equivale à base do transistor bipolar, enquanto que o dreno equivale ao coletor, e a fonte ao emissor, conforme mostra a figura 84.

Figura 84 – Equivalência entre o transistor MOS e o bipolar

Observe que entre o eletrodo de comporta, que consiste numa placa de alumínio, e a parte que forma o substrato ou canal por onde passa a corrente, não existe contato elétrico e nem junção de materiais semicondutores, mas sim uma finíssima camada de óxido de alumínio ou óxido metálico, que justamente dá nome ao dispositivo (metal-oxide).

A polaridade do material semicondutor usado no canal, que é a parte do transistor por onde circula a corrente controlada, determina seu tipo e também a polaridade da tensão que a controla.

Assim, encontramos na prática transistores de efeito de campo tipo MOS de canal N, e transistores de efeito de campo tipo MOS de canal P.

É interessante observar que os transistores de canal N são mais rápidos do que os de canal P, pois os portadores negativos de cargas (elétrons) são mais rápidos que as lacunas.

Na verdade, os próprios transistores MOS podem ainda ser divididos em dois tipos: enriquecimento e empobrecimento que levam a dois tipos de representação. Para nosso curso, entretanto, é suficiente lembrar que existem transistores MOS tipo P e tipo N.

Na figura 85 temos os símbolos adotados para representar os dois tipos de transistores.

Figura 85 – Tipos de transistores MOS com seus símbolos (observe a direção da seta)

Podemos dizer de uma forma que não pode ser levada muito longe, que estes transistores são equivalentes aos tipos NPN e PNP bipolares, se considerarmos o sentido de circulação das correntes que eles controlam.

Num transistor de efeito de campo, a corrente que circula entre a fonte e o dreno pode ser controlada pela tensão aplicada à comporta. Isso significa que, diferentemente dos transistores bipolares em que a corrente de coletor depende da corrente de base, no transistor de efeito de campo, a corrente do dreno depende da tensão de comporta.

Assim, no tipo P uma tensão positiva de comporta aumenta sua condução, ou seja, faz com que ele sature enquanto que no tipo N uma tensão negativa de comporta é que o leva à saturação.

Mais uma vez fazendo uma comparação com os tipos bipolares, podemos dizer então que, enquanto os transistores bipolares são típicos amplificadores de corrente, os FETs ou transistores de efeito de campo MOS são típicos amplificadores de tensão.

Esta diferença leva o transistor de efeito de campo CMOS a apresentar características muito interessantes para aplicações tanto em eletrônica digital como analógica.

Uma delas está no fato de que a impedância de entrada do circuito é extremamente elevada, o que significa que precisamos praticamente somente de tensão para controlar os dispositivos CMOS. Assim, é preciso uma potência extremamente baixa para o sinal que vai excitar a entrada de um circuito integrado CMOS, já que praticamente nenhuma corrente circula por este elemento.

Essa característica torna o transistor CMOS um dispositivo capaz de operar com quantidades de energia muito baixas, ou seja, a ter um consumo apropriado para as aplicações que sejam alimentadas por pilhas e baterias.

A outra está no fato de que, diferentemente dos transistores bipolares que só começam a conduzir quando uma tensão da ordem de 0,6 V vence a barreira de potencial de sua junção base-emissor, os FETs não têm esta descontinuidade de características, o que os torna muito mais lineares em qualquer aplicação que envolva amplificação de sinais.

Na figura 86 temos as curvas características de um MOSFET de canal N.

Figura 87 – Característica do transistor MOSFET

No entanto, ao lado das vantagens, os transistores de efeito de campo MOS também têm suas desvantagens. Uma delas é que o eletrodo de comporta (gate) se comporta como a placa de um capacitor. Assim, quando aplicamos ao transistor uma tensão para comutá-lo, antes que ela tenha algum efeito sobre o componente é preciso carregar esse capacitor, o que leva algum tempo.

Essa capacitância de comporta é, portanto, o principal responsável pela baixa velocidade desses componentes.

Aplicações digitais

Da mesma forma que podemos elaborar funções lógicas básicas usando transistores bipolares comuns, também podemos fazer o mesmo tomando por base nos transistores de efeito de campo MOS. A tecnologia CMOS (Complementary MOS) permite que os dispositivos tenham características excelentes para aplicações digitais.

CMOS significa que em cada função temos configurações em que transistores de canal N e de canal P são usados ao mesmo tempo, ou seja, usamos pares complementares conforme mostra o diagrama do inversor lógico mostrado na figura 88. (O C de complementar significa o uso dos dois tipos de transistores)

Figura 88 – Um inversor CMOS

Conforme explicamos no item anterior, a polaridade da tensão que controla a corrente principal nos transistores de efeito de campo MOS depende justamente do tipo de material usado no canal, que pode ser tanto do tipo P quando do tipo N.

Assim, se levarmos em conta que nos circuitos digitais temos dois níveis de sinal possíveis podemos perceber que, dependendo do nível deste sinal aplicado à comporta dos dois transistores ao mesmo tempo, quando um deles estiver polarizado no sentido de conduzir plenamente a corrente (saturado), o outro estará obrigatoriamente polarizado no sentido de cortar esta corrente (corte).

No circuito indicado na figura 88, quando a entrada A estiver no nível baixo (0), o transistor Q2 conduz enquanto que Q1 permanece no corte. Isso significa que Vdd que é a tensão de alimentação positiva é colocada na saída o que corresponde ao nível alto ou 1.

Por outro lado, quando na entrada aplicamos o nível alto, que corresponde ao Vdd (tensão de alimentação), é o transistor Q1 que conduz e, com isso, o nível baixo ou 0 V (também indicado por Vss)‚ que será colocado na saída.

Conforme sabemos, essas características correspondem justamente a função inversora.

Um inversor CMOS é, portanto, uma configuração muito simples de se implementar, pois usa apenas dois transistores complementares.

A partir dessa configuração, uma grande quantidade de funções pode ser implementada com base em transistores CMOS.

Consumo e velocidade

Analisando o circuito inversor tomado como base para nossas explicações, vemos que ele apresenta duas características importantes.

A primeira é que sempre um dos transistores estará cortado, qualquer que seja o sinal de entrada (alto ou baixo), o que significa que praticamente não circula corrente alguma entre o Vdd e o ponto de terra (0 V). A única corrente que circulará é eventualmente de um circuito externo excitado pela saída, conforme mostra a figura 89.

Figura 89 – A única corrente é a que passa pelo circuito externo

Isso significa um consumo extremamente baixo para este par de transistores em condições normais, já que na entrada do bloco seguinte, que também será um circuito CMOS, teremos uma impedância elevadíssima e praticamente nenhuma corrente circula. Este consumo é da ordem de apenas 10 nW (nW = nanowatt = 0,000 000 001 watt).

A corrente maior circula justamente no momento em que os transistores comutam, pois conforme vimos para excitar a etapa seguinte que é a entrada de um CMOS, deve ser carregado o capacitor que corresponde ao eletrodo de comporta, conforme explicaremos em detalhes mais adiante.

É fácil perceber que, se integrarmos 1 milhão de funções destas num circuito integrado, ele vai consumir apenas 1 mW! É claro que na prática temos fatores que tornam maior este consumo como, por exemplo, eventuais fugas, a necessidade de um ou outro componente especial de excitação que exija maior corrente, e a própria velocidade de operação que determina a velocidade com que o capacitor virtual de entrada deve ser carregado e descarregado.

Conforme vimos, ao lado das boas características ele também tem seus problemas, e justamente um deles está no fato de que o eletrodo de controle (comporta) que é uma placa de metal fixada no material semicondutor e isolada por uma camada de óxido, que funciona como a armadura ou placa de um capacitor, conforme mostra a figura 90.

Figura 90 – Um transistor MOS se comporta como um capacitor

Isso significa que, ao aplicarmos um sinal de controle a uma função deste tipo, a tensão não sobe imediatamente até o valor desejado, mas precisa de certo tempo, tempo necessário para carregar o "capacitor" representado pelo eletrodo de comporta.

Se bem que o eletrodo tenha dimensões extremamente pequenas, se levarmos em conta as impedâncias envolvidas no processo de carga e também a própria disponibilidade de corrente dos circuitos excitadores, o tempo envolvido no processo não é desprezível e certo atraso na propagação do sinal ocorre.

O atraso nada mais é do que a diferença de tempo entre o instante em que aplicamos o sinal na entrada e o instante em que obtemos um sinal na saída.

Nos circuitos integrados CMOS típicos como os usados nas aplicações digitais, para um inversor como o tomado como exemplo, este atraso é da ordem de 3 nanossegundos (3 ns).

Isso pode parecer pouco nas aplicações comuns, mas se um sinal tiver de passar por centenas de portas antes de chegar a certo ponto em que ele seja necessário, a soma dos atrasos pode causar diversos problemas de funcionamento, se não for prevista.

Veja, entretanto ainda, que a carga de um capacitor num circuito de tempo, como o mostrado na figura 91 até um determinado nível de tensão depende também da tensão de alimentação.

Figura 91- Carga do capacitor em função da tensão

Assim, com mais tensão a carga é mais rápida e isso nos leva a uma característica muito importante dos circuitos CMOS digitais que deve ser levada em conta em qualquer aplicação: com maior tensão de alimentação os circuitos integrados CMOS são mais rápidos.

Desta forma, enquanto que nos manuais de circuitos integrados TTL encontramos uma velocidade máxima única de operação para cada tipo (mesmo porque sua tensão de alimentação é fixa de 5 volts), nos manuais CMOS encontramos as velocidades associadas às tensões de alimentação (já que os circuitos integrados CMOS podem ser alimentados por uma ampla faixa de tensões).

Um exemplo disso pode ser observado nas características de um circuito integrado CMOS formado por seis inversores (hex inverters) onde temos as seguintes frequências máximas de operação:

4049 - Seis inversores

O circuito integrado CMOS 4049 é formado por seis inversores, com a pinagem do invólucro DIL de 14 pinos mostrada na figura 92.

Figura 92 – O circuito integrado 4049

Frequência máxima de operação:

Com Vdd = 5 V - 1,66 MHz (típico)

Vdd = 10 V - 4,00 MHz (típico)

Vdd = 15 V - 5,00 MHz (típico)

Veja então que o circuito é muito mais rápido quando o alimentamos com uma tensão de 15 V do que quando o alimentamos com uma tensão de apenas 5 volts. Este fato é muito importante quando, por exemplo, devemos elaborar um oscilador com circuito integrado CMOS que opere no seu limite de velocidade ou quando vamos utilizar circuitos CMOS com outros de tecnologias mais rápidas.

Na figura 93 temos um gráfico que relaciona a velocidade de comutação com a corrente consumida.

Figura 93 – Corrente consumida x velocidade de comutação

Na verdade, tecnologias especiais têm conseguido reduzir a capacitância de entrada dos circuitos CMOS a valores muito baixos.

Hoje são disponíveis famílias de integrados CMOS que podem operar com baixas tensões e com velocidades que se aproximam daquelas obtidas com algumas famílias TTL.

A grande vantagem está na manutenção do baixo consumo, mesmo em velocidades elevadas de operação.

Famílias e Subfamílias CMOS

As famílias CMOS Standards começam com o 4000. Da mesma forma que no caso das famílias TTL temos também sufixos que indicam as subfamílias.

Também é importante notar que os números 4000 indicativos do tipo são acompanhados de um prefixo (conjuntos de letras) que indicam oi fabricante, por exemplo, CD4001, etc.

Da mesma forma que no caso da família dos circuitos integrados TTL, também nos CMOS foram criadas sub-famílias com características especiais, algumas até com a mesma pinagem dos equivalentes TTL, seguindo, portanto a mesma nomenclatura.

Estas famílias criadas a partir de 1972, visavam a substituição direta dos circuitos TTL por CMOS equivalentes, sem a necessidade de se modificar um layout de placa, pois a pinagem era a mesma.

Temos então as seguintes subfamílias CMOS com nomenclatura TTL, com suas características:

Standard 74C00 – esta é a família normal CMOS com nomenclatura TTL, mas que se encontra atualmente obsoleta. Observe a presença do “C” entre o 74 e o número do componente, para indicar que se trata de CMOS.

High Speed 74HC00 (High Speed significa alta velocidade) – Esta subfamília apareceu em 1980. Com os dispositivos desta família temos a mesma velocidade dos dispositivos TTL standard, mas com as características de consumo dos dispositivos CMOS.

High Speed 74HCT00 (alta velocidade) – esta subfamília se caracteriza pelo fato dos dispositivos terem entradas serem compatíveis com as saídas TTL.

Advanced High Speed 74AC00 (alta velocidade avançada) – com tempos de propagação típicos de apenas 5 ns

Advanced High Speed 74ACT00 (alta velocidade avançada) – com entradas compatíveis com TTL e tempos de propagação de 7 ns.

A tabela abaixo da as principais características destas subfamílias quando comparadas com as CMOS convencionais da série 4000.

Faixa de tensões Corrente quiescente por porta Tempo de propagação por porta Frequência máxima de operação Fan-out para entradas TTL LS 4000B 3 – 15 V 0,01 uA 125 ns (5V) 50 ns (10 V) 40 ns (15 V) 2 MHz ( 5 V) 5 MHz (10 V) 9 MHz (15 V) 1 4000UB 3 – 15 V 0,01 uA 90 ns (5 V) 50 ns (10 V) 40 ns (15 V) 3 MHz (5 V) 5 MHz (10 V) 8 MHz (15 V) 1 74HC00 2 – 6 V 0,02 uA 8 ns 40 MHz 10 74HCT00 4,5 – 5,5 V 0,02 uA 10 ns - 10 74AC00 2 – 6 V 0,02 uA 6 ns 100 MHz 10 74ACT 4,5 – 5,5 V 0,02 uA 7 ns - 60 TTL LS 4,75 – 5,25 V 0,5 mA 9 ns 40 MHz 20

Sensibilidade ao manuseio

A presença de uma finíssima camada de óxido isolando a comporta do substrato, extremamente sensível a descargas elétricas, torna os dispositivos que usam transistores MOS muito delicados.

De fato, a própria carga elétrica acumulada em ferramentas ou no nosso corpo, quando caminhamos num tapete num dia seco, ou ainda atritamos objetos em nossa roupa, pode ser suficiente para danificar de modo irreversível dispositivos MOS. Para que o leitor tenha uma ideia, caminhando num carpete num dia seco, seu corpo pode acumular uma carga estática que atinge potenciais de até mais de 10 000 volts.

Se você tocar numa torneira ou uma maçaneta de porta a descarga de seu corpo neste percurso de terra pode lhe causar um forte choque.

Se, da mesma forma, você tocar num terminal de um dispositivo CMOS, a carga de seu corpo que escoa por este dispositivo pode facilmente destruir a finíssima camada de óxido que separa a comporta do substrato e, com isso, o componente estará inutilizado.

Em outras palavras, os dispositivos que usam transistores CMOS são extremamente sensíveis à descargas estáticas, conforme mostra a figura 94.

Figura 94 – Como cargas estáticas destroem componentes CMOS

Assim, a primeira preocupação no uso e manuseio destes componentes é evitar que, de qualquer modo, apareçam as tensões perigosas capazes de causar danos entre os terminais dos componentes.

Para os transistores CMOS, e outros componentes que usam terminais axiais, existe a possibilidade de dotá-los de um pequeno anel de metal que curto-circuita seus terminais, conforme mostra a figura 95, e que somente é retirado depois que o componente é soldado na placa de circuito impresso.

Figura 95 – Protegendo um transistor (FET ou MOSFET) sensível contra descargas estáticas

Este anel coloca em curto os terminais do componente, mantendo-os todos no mesmo potencial, evitando assim que apareçam as tensões capazes de danificar a pastilha sensível interna.

Para os circuitos integrados com invólucros DIL, e de outros tipos, existem diversas formas de se fazer seu transporte sem o perigo de cargas estáticas acumuladas em objetos possam lhe causar danos.

Uma delas consiste no uso de uma esponja condutora na qual seus terminais são enfiados e assim mantidos em curto, conforme mostra a figura 96.

Figura 96 – Usando uma esponja condutora

Os circuitos integrados CMOS devem ser mantidos nestas esponjas até o momento de serem usados, sob pena de que algum toque acidental com o dedo carregado de estática provoque danos.

Outra possibilidade consiste em se transportar os circuitos integrados CMOS em embalagens de plásticos anti-estáticos conforme mostra a figura 97.

Figura 97 – Embalagem anti-estática para circuitos integrados

De qualquer forma, a regra geral é: NUNCA toque com os dedos nos terminais de componentes CMOS, sejam eles circuitos integrados os transistores.

O laboratório ou oficina em que se trabalha com circuitos integrados CMOS deve tomar precauções especiais para que em nenhum ponto ocorram acúmulos de cargas estáticas. As bancadas de trabalhos com componentes desta tecnologia devem ter partes metálicas aterradas e os próprios profissionais devem usar recursos que permitam descarregar cargas de seu corpo.

Em empresas de trabalhos com circuitos CMOS é comum o uso de pulseiras de metálicas pelos profissionais, sendo estas pulseiras ligadas a um fio terra. (Veja o volume 2 – Eletrônica Analógica, lição que trata dos FETs).

Para o leitor, que apenas eventualmente se vê diante de tais componentes, é necessário apenas lembrar que não se deve tocar nos terminais dos componentes e com isso já se tem uma boa garantia para sua integridade.

Outro ponto importante que deve ser levado em conta é que se recomenda não deixar nenhuma entrada de um circuito integrado CMOS desligada, principalmente nas aplicações mais sensíveis.

O que ocorre é que a sensibilidade destas entradas é suficientemente alta para que tensões induzidas no próprio circuito sejam captadas levando os dois transistores a um estado intermediário entre o corte e a saturação ou ainda entrem em oscilação na frequência do sinal captado.

Isso, além de elevar o consumo do circuito integrado, pode causar instabilidades que afetam o funcionamento geral do circuito.

Uma regra prática consiste em se levar as entradas das funções não usadas num integrado a níveis definidos de tensão, ou seja, ligar ao Vdd ou ainda ao ponto de 0 V.

O nível que deve ser estabelecido nas entradas não usadas depende da função considerada. Deve-se tomar cuidado para que, em se fazendo isso, as saídas não usadas não sejam ligadas a níveis opostos ao estabelecidos pela ligação. Recomenda-se, portanto, manter as saídas desligadas. Na figura 98 temos exemplos que dependem da porta.

Figura 98 – Como conectar as entradas não usadas

Outro ponto importante a ser considerado é que tensões negativas abaixo de Vss (0 V) não devem ser aplicadas aos circuitos de tecnologia MOS, pois elas podem danificá-los de modo irreversível.

As Configurações CMOS

Elaborar funções lógicas a partir de transistores CMOS é muito mais simples do que fazer o mesmo com transistores bipolares.

De fato, se analisarmos o circuito de uma função lógica TTL, veremos que são usados, além dos transistores bipolares, diversos outros componentes passivos como resistores (em boa quantidade), diodos e até mesmo capacitores em alguns poucos casos.

Com o uso dos transistores CMOS, a elaborações de funções é muito mais simples, pois só precisamos de um tipo de componente praticamente: os transistores.

Podemos começar tomando como exemplo a figura 99 em que temos a configuração usada para uma porta NOR de 2 entradas CMOS na qual são usados quatro transistores.

Figura 99 – Porta NOR CMOS

Observe a simplicidade desta função CMOS, quando comparada a funções equivalentes TTL. Com os circuitos CMOS precisamos apenas de transistores para ter a função desejada, enquanto que na equivalente TTL precisamos de muito mais do que transistores.

É importante observar que a não utilização de resistores traz enormes vantagens quando se pensa em termos de potência dissipada. Resistores convertem energia elétrica em calor e a sua ausência num circuito significa que não temos tanta geração de calor e, portanto, desperdício de energia.

Na figura 100 temos a configuração usada para uma porta NAND de duas entradas CMOS em que também usamos apenas 4 transistores.

Figura 100 – Porta NAND CMOS

Neste circuito, quando ambas as entradas, ou uma delas estiver no nível baixo (0), um ou os dois transistores de canal P estarão em condução e a saída ficará no nível alto.

Quando as duas entradas estiverem no nível 1, entretanto, então os dois transistores de canal N vão conduzir ao mesmo tempo levando a saída para o nível baixo.

Para as outras funções lógicas temos configurações do mesmo tipo, mudando apenas a disposição e a quantidade de transistores usados.

Tomando estas duas funções como exemplo, achamos que o leitor já pode ter uma ideia de como elas são feitas como funcionam.

Mais informações sobre todas as funções lógicas normalmente podem ser encontradas nos manuais dos fabricantes.

Esses manuais normalmente podem ser "baixados" a partir dos sites dos fabricantes na Internet, ou ainda do site do autor deste livro.

Também podem ser obtidas informações com a digitação diretamente do tipo de componente em mecanismos de buscas como o Google,

Especificações

A principal família de circuitos integrados CMOS é a 4000 onde a maioria dos componentes são designados por números que começam por 4, como 4001, 4011, 4017, 4096, etc. As exceções existem para os componentes mais avançados da linha, mas é fácil saber que eles são compatíveis pois normalmente são incluídos nos mesmos manuais dos demais.

Os circuitos integrados CMOS comuns funcionam com tensões de alimentação de 3 a 15 volts. Lembramos que existem séries CMOS mais antigas com o sufixo A em que a tensão de alimentação fica na faixa de 3 a 12 volts e algumas séries que vão até 18 V.

Também devemos observar que existem as subfamílias que já estudamos em itens anteriores.

De qualquer forma, em dúvida sobre qualquer característica de um circuito integrado CMOS que tenha algum sufixo que possa indicar variações nas especificações normais, é sempre bom consultar seu manual ou ainda a Internet.

A maioria dos fabricantes coloca databooks disponíveis com dados de todos os seus componentes na própria Internet, bastando digitar o tipo no seu "search" (procura).

No final da página você encontra um mecanismo de busca para datasheet em que basta digitar o tipo do componente, para se acessar o documento.

Da mesma forma que no caso dos circuitos integrados TTL ‚ preciso saber interpretar algumas das principais especificações que são:

a) Tensão de saída - no nível lógico baixo (0) a tensão de saída se aproxima de 0 V sendo no máximo de 0,01 volt para os tipos comuns com alimentação na faixa de 5 a 10 V. No nível lógico alto, a tensão de saída é praticamente a tensão de alimentação Vdd ou no máximo 0,01 volt menor.

b) Corrente de saída - diferentemente dos circuitos integrados TTL, em que temos uma capacidade maior de drenar corrente na saída do que de fornecer, para os circuitos integrados CMOS a capacidade de drenar e de fornecer corrente de saída é praticamente a mesma. Assim, para uma alimentação de 5 volts as saídas podem fornecer (quando no nível alto) ou drenar (quando no nível baixo) uma corrente de até 0,88 mA, e essa corrente sobe para 2,25 mA quando a alimentação passa para 10 V. Para uma tensão de 15 V a corrente máxima drenada ou fornecida tem um valor típico de 8,8 mA. Estas correntes, conforme mostra a figura 101 são designadas por IOL e IOH nas folhas de especificações dos circuitos integrados CMOS. Lembramos que existem algumas funções especiais em que, além dessas correntes terem valores diferentes dos indicados, também podem ser diferentes quando a saída está no nível alto ou no nível baixo. São algumas funções especiais são indicadas especificamente para excitar uma carga drenando ou fornecendo uma corrente.

Figura 101 – As correntes de saída dos circuitos integrados CMOS

c) Corrente de fuga na entrada - se bem que a comporta esteja isolada do circuito dreno-fonte, com uma resistência que teoricamente seria infinita, na prática pode ocorrer uma pequena fuga. Esta, da ordem de 10 pA (1 picoampère = 0,000 000 000 001 ampère) para uma alimentação de 10 V deve ser considerada quando precisamos calcular a corrente de entrada de um circuito CMOS numa aplicação mais crítica.

d) Potência - os circuitos integrados CMOS consomem muito menos energia que os circuitos integrados TTL. Para os tipos comuns a corrente de alimentação, especificada por Idd, é normalmente da ordem de 1 nA tipicamente com um máximo de 0,05 uA para alimentação de 5 V o que corresponde a uma dissipação de 5 nW em média para alimentação de 5 V e 10 nW para alimentação de 10 V.

e) Velocidade - os tipos comuns CMOS são muito mais lentos que os TTL, mas famílias especiais estão aparecendo com velocidades cada vez maiores e em muitos casos estas se aproximam dos mais rápidos TTLs. As frequências máximas, conforme já explicamos dependem das tensões de alimentação e das funções, já que maior número de componentes para atravessar significa um atraso maior do sinal. Assim, nos manuais encontramos a especificação de velocidade dada tanto em termos de frequência quanto em termos de atraso do sinal. Para o caso do atraso do sinal, observamos que ele pode estar especificado tanto para uma transição do nível alto para o nível baixo como vive-versa e em alguns circuitos ou tensões de alimentação podem ocorrer diferenças. De qualquer forma, as famílias normais de circuitos integrados CMOS possuem velocidades que no máximo alcançam 10 MHz diferentemente de algumas subfamílias TTL que podem alcançar mais de 100 MHz.

Todas essas características são importantes quando se realiza qualquer projeto que utilize circuitos integrados CMOS.

Também é preciso considerar que as faixas de tensões de entrada reconhecidas como nível e nível baixo dependem da tensão de alimentação, o que nos leva à curva de transferência mostrada na figura 102.

Figura 102 – Curva de transferência de um inversor CMOS com entrada A e saída X

Diferentemente dos circuitos integrados TTL, em que temos uma tensão fixa de alimentação, quando trabalhamos com circuitos integrados CMOS é preciso estar atento ao que acontece com a velocidade, correntes de saída e níveis lógicos quando usamos diferentes tensões de alimentação.

Também é preciso observar que são muitos os fabricantes de circuitos integrados CMOS atualmente. Assim, um determinado componente de um fabricante pode ter características levemente diferentes do mesmo componente feito por outro fabricante.

Na maioria dos casos, as diferenças são pequenas demais para que ocorra alguma anormalidade de funcionamento num projeto, mas se na substituição de um componente por outro alguma coisa acontecer, o profissional deve atentar para esse detalhe.

Desacoplamento

As transições rápidas dos níveis de sinais que ocorrem num circuito integrado CMOS, como em qualquer outro, causam picos de corrente que podem se propagar pelo circuito.

O resultado desta propagação é uma instabilidade dos demais circuitos integrados do equipamento que podem ser levados indevidamente a uma mudança de estado.

Para se evitar este problema, o que se faz normalmente é desacoplar a alimentação do circuito integrado com a ajuda de um capacitor cerâmico, normalmente de 100 nF. Este capacitor, conforme mostra a figura 103, deve ser ligado entre o positivo e o negativo (GND) da alimentação.

Figura 103 – Desacoplando a alimentação do circuito integrado CMOS

Interfaceando

Interfacear é interligar dois circuitos de modo que um possa transferir sinais para o outro. Nas aplicações que envolvam circuitos eletrônicos digitais, o interfaceamento não é apenas um procedimento comum, mas necessário principalmente quando se deseja transmitir dados de um equipamento para outro.

No entanto, o problema principal que pode ocorrer num caso de interfaceamento é que os equipamentos interligados operem com tecnologias diferentes. Mesmo dentro de um equipamento podemos encontrar setores com tecnologias diferentes.

Como as duas principais tecnologias encontradas nos equipamentos digitais são a CMOS e TTL é importante que o leitor saiba como proceder quando tiver de interfaceá-las.

Assim, mesmo tendo uma faixa de tensões ampla e características diferentes dos circuitos integrados TTL, existe a possibilidade de se interfacear os circuitos CMOS com os TTL tanto para enviar sinais como para receber sinais.

Por este motivo, existem diversas possibilidades de interfaceamento entre circuitos digitais TTL e circuitos digitais CMOS que analisaremos a seguir.

O leitor deve estar atento para essas técnicas de interfaceamento, pois elas consistem num ponto bastante crítico dos projetos que envolvam as duas tecnologias e mesmo circuitos analógicos como os que fazem uso de amplificadores operacionais.

Analisemos os diversos casos:

a) A saída TTL deve excitar a entrada CMOS (alimentação de 5 V para os dois).

Se os dois circuitos operarem com uma tensão de alimentação de 5 Volts não há problema e a interligação pode ser direta.

Como as entradas CMOS têm uma impedância muito alta (não exigindo praticamente corrente alguma) da saída TTL não existe perigo do circuito CMOS "carregar" a saída TTL.

No entanto, existe um problema a ser considerado: as entradas CMOS só reconhecem como nível 1 uma tensão de pelo menos 3,5 volts enquanto que no nível alto, a tensão mínima que o TTL pode fornecer nestas condições é de 3,3 volts.

Isso significa que é preciso assegurar que a entrada CMOS reconheça o nível alto TTL o que é conseguido com a adição de um resistor externo de pull-up, conforme mostra a figura 104.

Figura 104 – Interfaceando TTL com CMOS

Este resistor de 2,2 k ohms é ligado ao positivo da alimentação de 5 volts.

b) TTL para CMOS com Tensões Diferentes

Se o circuito CMOS a ser excitado por um TTL for alimentado com tensão maior que 5 volts, por exemplo, 12 volts, deve ser usado um circuito intermediário de casamento de características.

Na figura 105 mostramos o circuito a ser usado com um transistor 2N2222.

Figura 105- Interfaceando TTL com CMOS de tensão diferente

Lembramos que o transistor, na configuração de emissor comum, atua como um inversor de nível lógico. Assim, o nível lógico aplicado na entrada do circuito integrado CMOS é o inverso da saída TTL.

c) TTL (coletor aberto para CMOS) - tensões iguais.

Devemos usar um transistor driver de comutação, como o 2N222 e dois resistores, sendo o de 10k, pull-up, conforme mostra a figura 106.

Figura 106 – TTL coletor aberto para CMOS

A tensão de alimentação do CMOS deve ser maior do que 5 V.

d) TTL coletor aberto para CMOS com tensões diferentes

Nesse caso, basta colocar um resistor de pull-up de 10 k ohms no circuito de saída do TTL com coletor aberto, conforme mostra a figura 107.

Figura 107 – TTL coletor aberto para CMOS com 5 V

d) CMOS excitando uma entrada TTL - alimentação de 5 V para os dois.

Neste caso, devemos considerar que uma saída CMOS no nível baixo pode drenar uma corrente de aproximadamente 0,5 mA e no estado alto, a mesma intensidade.

Para polarizar a entrada TTL usamos um resistor de 1 k à terra conforme mostra a figura 108.

Figura 108 – CMOS excitando TTL, ambos com 5 V

f) CMOS para TTL - tensões diferentes

Neste caso, é preciso usar uma etapa de adaptação intermediária com um transistor que funciona como inversor. Qualquer transistor de comutação pode ser usado com essa finalidade, conforme mostra a figura 109.

Figura 109 – CMOS para TTL com tensões diferentes

g) CMOS para TTL com um Buffer - Tensões diferentes.

Na figura 110 mostramos o modo de se fazer o interfaceamento de uma saída CMOS com alimentação maior do que 5 V com uma entrada TTL. Para essa finalidade usamos um "buffer" CMOS alimentado por 5 V. O buffer recomendado é o 4049.

Figura 110 – CMOS para TTL com buffer

h) Amplificador Operacional Para CMOS - mesma tensão

Na figura 111 mostramos o modo de se acoplar uma saída de amplificador operacional à entrada de uma função CMOS. Observe que, nesse circuito, o amplificador operacional não está usando fonte simétrica.

Figura 111 – Operacional para CMOS

i) TTL a CMOS com Acoplador Óptico

Quando são usadas tecnologias diferentes num projeto, como CMOS e TTL, pode ser importante garantir a passagem do sinal de uma etapa a outra, mas com o mais completo isolamento. Isso pode ser conseguido com facilidade através de um acoplador óptico.

Na figura 112 mostramos como isso pode ser feito, para transferência de sinais TTL para uma entrada CMOS de qualquer tensão de alimentação.

Figura 112 – Usando acoplador óptico

Fontes de alimentação

Os circuitos integrados TTL precisam de uma tensão contínua na faixa de 4,5 a 5,5 V para poderem funcionar e são bastante sensíveis a flutuações da tensão de alimentação. Basta que a tensão saia dessa faixa que, de um lado teremos o perigo do não funcionamento e do outro a queima do dispositivo.

Já os circuitos CMOS são muito menos sensíveis a isso, pois podem operar numa faixa mais larga de tensões, conforme vimos. Os circuitos integrados CMOS podem operar satisfatoriamente com tensões de 3 a 15 V.

Isto facilita bastante o projeto das fontes e até permite a alimentação direta a partir de pilhas ou baterias, sem a necessidade de circuitos reguladores críticos e estáveis, que podem significar não só encarecimento de um projeto, como também contribuir com uma boa parcela do consumo de energia.

Desta forma, as fontes de alimentação dos circuitos que usam tecnologia CMOS podem ser muito mais simples não sendo raros os casos em que os circuitos reguladores de tensão são omitidos, ou mesmo tipos simplificados escolhidos.

Damos a seguir uma série de circuitos de fontes, que também servem para TTL, se programadas para 5 V, e que podem ter diversas tensões, todas baseadas nos CIs da série 7800 de 1 A.

A série de circuitos integrados 78XX onde o XX é substituído por um número que indica a tensão de saída, consiste em reguladores de tensão positiva com corrente de até 1 ampère de saída e que são apresentados em invólucro TO-220 conforme mostra a figura 113.

Figura 113 – Os circuitos integrados 78xx

Diversos são os fabricantes que possuem os circuitos integrados desta série em sua linha de produtos e as tensões de saída podem variar sensivelmente de um para outros. No entanto, os valores básicos para estas tensões, que são dados pelos dois últimos algarismos do tipo do componente são:

7805 = 5 volts

7806 = 6 volts

7808 = 8 volts

7885 = 8,5 volts

7812 = 12 volts

7815 = 15 volts

7818 = 18 volts

7824 = 24 volts

A tensão máxima de entrada para os tipos de 5 a 18 volts é de 35 volts. Para o tipo de 24 volts a tensão de entrada máxima é de 40 volts.

De qualquer modo, para um bom funcionamento a tensão de entrada deve ser no mínimo 2 volts mais alta que a tensão que se deseja na saída.

Os circuitos integrados da série 78XX possuem proteção interna contra curto-circuito na saída e não necessitam de qualquer componente externo.

Damos a seguir as principais características do 7805 que serve de base para avaliação dos demais tipos da série:

7805 - Características

min. tip. max.

Tensão de saída 4,8 min. / 5,0 tip. / 5,2max. volts

Regulagem de linha - / 3 tip. / 50 max. mV

Regulagem de carga - 15 tip. / 50 max. / mV

Corrente quiescente - 4,2 tip. / 6,0 max. mA

Rejeição de ripple 60 min. / 70 tip dB

Resistência de saída 17 tip. mOhms

Observe que o radiador de calor deve ser dimensionado em função da diferença que existe entre a tensão de entrada e a tensão de saída, já que, quanto maior ela for mais calor o componente deve dissipar.

Damos, a seguir, diversos circuitos práticos envolvendo os circuitos integrados da série 78XX. O XX depois do 78 indica que o mesmo circuito pode ser usado para qualquer tensão na faixa de 5 a 18 volts com a escolha do componente apropriado.

Na figura 114 temos a aplicação imediata num regulador positivo de 1 ampère para tensões de 5 a 24 volts com corrente de saída de até 1 ampère.

Figura 114 – Circuito básico com o regulador 78xx

O capacitor de 330 nF desacopla a entrada do estabilizador enquanto que o de 100 nF, que deve ser cerâmico de boa qualidade, tem por finalidade evitar oscilações em altas frequências e também desacopla a saída.

Utilizando um amplificador operacional 741 podemos tornar variável a tensão de saída de um regulador 7805, obtendo com isso uma fonte de 7 a 30 volts. A tensão de entrada deve ser de 35 volts e o potenciômetro de 10 k ohms deve ser linear. Os capacitores de desacoplamento devem ser cerâmicos de boa qualidade.

Este circuito é mostrado na figura 115, e na sua entrada devemos aplicar uma tensão contínua não regulada, porém com boa filtragem.

Figura 115 – Fonte de 7 a 30 V com operacional 741

Lembre-se de que a tensão máxima dos circuitos integrados CMOS é de 15 V.

Para se obter corrente maior do que 1 ampère, podemos usar um booster, conforme o mostrado na figura 116. O transistor pode ser substituído por equivalentes com correntes de coletor na faixa de 5 a 10 ampères para se obter uma fonte de 2 a 5 ampères de corrente de saída.

Figura 116 – Para obter correntes maiores do que 1 A pode ser usado este circuito.

As fórmulas que permitem dimensionar os diversos elementos do circuito são dadas junto ao diagrama.

Temos na figura 117 basicamente a mesma configuração do circuito anterior mas com o acréscimo de um sistema de proteção contra curto-circuitos na saída.

Figura 117 – Fonte de alta corrente com proteção contra curto-circuitos

O transistor Q1 deve conduzir quando a queda de tensão em RSe for maior do que 0,6 volts ocorrendo então o corte da polarização de base do transistor de potência. Os valores dos componentes são dados pelas fórmulas junto ao próprio diagrama.

O circuito integrado fixará o valor da tensão de saída, observando-se que existe uma queda de tensão da ordem de 0,6 volts no transistor e que deve ser considerada.

O circuito mostrado na figura 118 consiste num regulador positivo que funciona aqui como regulador negativo. Temos então uma fonte de tensão negativa.

Figura 118 – Fonte com regulagem negativa usando o 78xx

O capacitor de filtro deve ser dimensionado de acordo com a tensão e a corrente de saída assim como o nível de ripple exigida para a aplicação.

Os diodos e transformador devem também ser dimensionados de modo a fornecer na entrada do circuito integrado, pelo menos 5 volts a mais do que o valor da tensão exigida na saída.

Se a tensão de entrada for superior a 35 ou 40 volts, máximos admitidos pelo circuito integrado regulador podemos fazer uma redução inicial com a ajuda de uma etapa como a mostrada na figura 119.

Figura 119 – Circuito para tensões de entrada elevadas

O transistor deve ser capaz de suportar a corrente máxima de 1 ampère de coletor exigida pelo integrado, e ter uma especificação de tensão máxima entre coletor e emissor de acordo com a queda de tensão que deve proporcionar no circuito.

O diodo zener, por outro lado, precisa ter uma potência de acordo com a exigida pelo circuito. O resistor R estabiliza a corrente do diodo zener de modo que, no mínimo, não ocorram variações da tensão aplicada ao integrado.

O processo mais simples de se obter uma queda de tensão de entrada para um regulador da série 78CC quando a corrente de carga deve ser constante é o mostrado na figura 120.

Figura 120 – Obtendo uma queda de tensão na entrada com a ajuda de um resistor

O resistor é calculado de modo a fornecer a queda de tensão exigida conforme os máximos admitidos pelo integrado. Podemos calculá-lo por:

R = (Vi - Vx)/I

Onde:

Vi é a tensão de entrada do circuito (volt)

Vx é a tensão de entrada do circuito integrado (máximo de 40 V para os de 24 V e 35 V para os de 5 a 18 V)

I é a intensidade da corrente de carga (A)

Veja que, desprezamos a corrente exigida pelo próprio circuito integrado regulador de tensão, já que ela é bastante baixa.

A dissipação do resistor será dada por:

P = (Vi - Vx) x I

Onde as grandezas são as mesmas da fórmula anterior exceto:

P é a potência que deve ser expressa em watts.

Índice

Curso de Eletrônica Digital – Analógica e Digital – Sistemas de Numeração (CUR5001)

Curso de Eletrônica Digital – A Álgebra de Boole (CUR5002)

Curso de Eletrônica Digital – Famílias de Circuitos Lógicos Digitais (CUR5003)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital – A Família de Circuitos Integrados CMOS (CUR5004)

Curso de Eletrônica Digital – Combinando Funções Lógicas - (Lógica Combinacional) (CUR5005)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Os Elementos Biestáveis (CUR5006)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Flip-Flops e Funções Integradas em CIs (CUR5007)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Os Multivibradores Astáveis e Monoestáveis (CUR5008)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Os Contadores Digitais (CUR5009)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Aplicações para os contadores digitais e decodificadores (CUR5010)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Como Funcionam os Registradores de Deslocamento (Shift-Registers) (CUR5011)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Multiplexadores, Demultiplexadores, Decodificadores e Displays (CUR5012)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Memórias, ADCs e DACs (CUR5013)

Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Microprocessadores, Microcontroladores, DSPs e FPGAs (CUR5014)