TTL (ALM364)

Os circuitos lógicos digitais são parte integrante de uma grande quantidade de projetos.

Estes circuitos se baseiam totalmente em duas grandes famílias de circuitos integrados que são compatíveis entre si.

Estas famílias possuem os blocos básicos para a realização da maioria dos projetos o que facilita bastante sua utilização prática.

Uma das famílias de maior importância, por sua compatibilidade também com os circuitos dos computadores é a família TTL.

A família TTL foi originalmente desenvolvida pela Texas Instruments mas hoje muitos fabricantes de semicondutores produzem seus principais circuitos.

Esta família é principalmente reconhecida pelo fato de ter duas séries que começam pelos números 54 para os componentes de uso militar e 74 para os componentes de uso comercial.

Assim, podemos rapidamente associar qualquer componente que comece pelo número "74"à família TTL. Na figura 1 mostramos uma porta típica TTL.

 

Trata-se de uma porta NAND de duas entradas que logo chama a atenção pelo fato de usar um transistor de dois emissores.

A característica mais importante desta família está no fato de que ela é alimentada com uma tensão de 5 Volts.

Assim, para os componentes desta família o nível lógico 0 é sempre a ausência de tensão ou 0 V enquanto que o nível lógico 1 é sempre uma tensão de +5 V.

Os níveis lógicos para serem reconhecidos devem estar dentro de faixas bem definidas.

Conforme mostra a figura 2, uma porta TTL reconhecerá como nível 0 as tensões que estiverem entre 0 e 0,8 V e como 1 os que estiverem numa outra faixa entre 2,4 e 5 V.

 

Existem centenas de circuitos integrados TTL disponíveis no mercado para a realização dos projetos. A maioria deles está em invólucros DIL de 14 e 16 pinos, conforme mostra a figura 3.

 

As funções mais simples são as portas que são disponíveis numa certa quantidade em cada integrado usam circuitos integrados de poucos pinos.

No entanto, à medida que novas tecnologias foram sendo desenvolvidas permitindo a integração de uma grande quantidade de componentes surgiu a possibilidade de se colocar num circuito integrado não apenas umas poucas portas e funções adicionais como flip-flops, decodificadores e outros mas já interligados de uma determinada forma que seja muito usada ou que tenha uma aplicação específica.

Diversas etapas no aumento da integração foram obtidas recebendo nomes que hoje são comuns quando falamos de equipamentos digitais e computadores em geral como:

SSI - Small Scale Integration ou Integração em Pequena Escala que corresponde a série normal dos primeiros TTL que contém de 1 a 12 portas lógicas num mesmo componente ou circuito integrado.

MSI - Medium Scale Integration ou Integração de Média Escala em que temos num único circuito integrado de 13 a 99 portas ou funções lógicas.

LSI - Large Scale Integration ou Integração em Grande Escala e que corresponde a circuitos integrados contendo de 100 a 999 portas ou funções lógicas.

VLSI - Very large Scale Integration ou Integração em Escala Muito grande que corresponde aos circuitos integrados que contenham mais de 1000 portas ou funções lógicas.

ULSI - Ultra Large Scale Integration que reune centenas ou milhares de funções lógicas interligadas.

Outras Características da Família TTL

* Correntes de entrada:

Quando uma entrada de uma função lógica TTL está no nível 0 flui uma corrente da base para o emissor do transistor multiemissor da ordem de 1,6 mA, conforme mostra a figura 4.

 

Quando a entrada de uma porta lógica TTL está no nível alto flui uma corrente no sentido oposto da ordem de 40 uA, conforme mostra a figura 5.

 

Esta corrente vai circular quando a tensão de entrada estiver com um valor superior a 2,0 V.

* Correntes de saída

Quando a saída de um circuito TTL vai ao nível 0 (ou baixo) flui uma corrente da ordem de 16 mA conforme mostra o circuito equivalente da figura 6.

 

Isso significa que uma saída TTL no nível 0 ou baixo pode drenar de uma carga uma corrente máxima de 16 mA, ou seja, pode "absorver" uma corrente máxima desta ordem.

Por outro lado quando a saída de uma função TTL está no nível 1 ou alto, ela pode fornecer uma corrente máxima de 400 uA conforme mostra a figura 7.

 

Veja então que podemos obter uma capacidade muito maior de excitação de saída de uma porta TTL quando ela é levada ao nível 0 do que ao nível 1.

* Fan In e Fan Out

Estes são termos técnicos que especificam duas características de extrema importância para os projetos que usam circuitos integrados da família TTL.

O que ocorre é que a saída de uma função não precisa estar obrigatoriamente ligada à uma única entrada de outra função. A mesma saída pode ser usada para excitar diversas funções.

Como a entrada de cada função precisa de uma certa corrente e a saída da função que vai excitar tem uma capacidade limitada de fornecimento ou de drenar corrente é preciso estabelecer um limite para a quantidade de entradas que podem ser excitadas, conforme mostra a figura 8.

 

Assim, levando em conta as correntes nos níveis 1 e 0 das entradas e saídas definimos o FAN OUT como o número máximo de entradas que podemos ligar a uma saída TTL.

Para os componentes da família TTL normal ou Standard que é a que estamos estudando o FAN OUT é 10.

Por outro lado, também pode ocorrer que na entrada de uma função lógica TTL precisemos ligar mais de uma saída TTL. O FAN-IN indica a quantidade máxima de saídas que podemos ligar a uma entrada, conforme mostra a figura 9.

 

* Velocidade

Os circuitos eletrônicos possuem uma velocidade limitada de operação que depende de diversos fatores. No caso específico dos circuitos TTL temos de considerar a própria configuração das portas que apresentam indutâncias e capacitâncias parasitas que influem na sua velocidade de operação.

À medida que o sinal vai passando pelas diversas etapas do circuito temos de considerar os tempos que os componentes demoram para comutar justamente em função das capacitâncias e indutâncias parasitas existentes, além de outros fatores que entram em jogo.

O resultado disso é que para os circuitos integrados TTL existe um retardo entre o instante em que o sinal passa do nível 0 para o 1 na entrada e o instante em que o sinal na saída responde a este sinal passando do nível 1 para o 0 no caso de um inversor.

Da mesma forma, existe um retardo entre o instante em que o sinal de entrada passa do nível 1 para o 0 e o instante em que o sinal de saída passa do nível 0 para o 1, no caso de um inversor.

Subfamílias TTL

Os primeiros circuitos TTL que foram desenvolvidos logo se mostraram inapropriados para certas aplicações como, por exemplo quando se desejava maior velocidade, menor consumo de energia ou ainda os dois fatores reunidos. Isso fez com que, mantendo as características originais de compatibilidade entre os circuitos e mantendo as mesmas funções básicas fossem criadas sub-famílias que tivessem uma característica adicional diferenciada.

A partir então da família original que foi denominada "Standard" surgiram diversas sub-famílias. Para diferenciar essas subfamílias foram adicionadas no número que identifica o componente, depois do 54 ou 74 com que todos começam uma letra ou duas letras.

A versão standard ou normal é a que apresenta os componentes com o custo mais baixo e que também dispõe da maior quantidade de funções.

No entanto a versão LS é a que se adapta mais aos circuitos de computadores pois tem a mesma velocidade dos componentes da família standard com muito menor consumo. Algumas características podem ser comparadas para que os leitores tenham uma idéia das diferenças:

* Velocidade

A velocidade de operação de uma função TTL normalmente é especificada pelo tempo que o sinal demora para se propagar através do circuito.

Em uma linguagem mais simples trata-se do tempo que demora entre o instante que aplicamos os níveis lógicos na entrada e o instante em que obtemos a resposta.

Para os circuitos da família TTL é comum especificar estes tempos em nano segundos ou bilionésimos de segundo.

Assim, temos:

* Dissipação

Quando usamos uma grande quantidade de funções esta característica se torna importante tanto para o dimensionamento da fonte como para o próprio projeto da placa e do aparelho que deve ter meios de dissipar o calor gerado.

Compatibilidade entre as subfamílias

O que devemos observar, e com muito cuidado, é que as correntes que circulam nas entradas e saídas dos componentes das diversas subfamílias são completamente diferentes, o que quer dizer que, quando passamos de uma para outra tentando interligar os seus componentes, as regras de Fan-In e Fan-Out mudam completamente.

Open Collector e Totem-Pole

Os circuitos comuns TTL (figura 1) têm uma configuração em que um ou outro transistor conduz a corrente conforme o nível estabelecido na saída seja 0 ou 1.

Imprópria para certas aplicações, como a ligação paralela de portas, existe uma alternativa que é a configuração denominada Open Collector ou Coletor Aberto que é mostrada na figura 10.

 

Os circuitos integrados TTL que possuem esta configuração são indicados como "open collector" e quando são usados exigem a ligação de um resistor externo denominado "pull-up" normalmente de 2000 Ω ou próximo disso.

Como o nome em inglês diz, o transistor interno está com o "coletor aberto" (open collector) e para funcionar precisa de um resistor de polarização, ligado conforme mostra a figura 11.

 

Tri-State

Tri-state significa terceiro estado ou três estados e é uma condiguração que também pode ser encontrada em alguns circuitos integrados TTL, principalmente de uso em informática e controles industriais que envolvem o uso de microcontroladores, microprocessadores e DSPs.

Na figura 12 temos um circuito típico de uma porta NAND tri-state que vai nos servir como exemplo.

 

O que ocorre é que podem existir aplicações em que duas portas tenham suas saídas ligadas num mesmo circuito, conforme mostra a figura 13.

 

Uma porta está associada a um primeiro circuito e a outra porta a um segundo circuito.

Quando um circuito envia seus sinais para a porta o outro deve ficar em espera.

Ora, se o circuito que está em espera ficar no nível 0 ou no nível 1, estes níveis serão interpretados pela porta seguinte como informação e isso não pode ocorrer.

O que deve ocorrer é que quando uma porta estiver enviando seus sinais a outra porta deve estar numa situação em que na sua saída não tenhamos nem 0 e nem 1, ou seja ela deve ficar num estado de circuito desligado, circuito aberto ou terceiro estado (tri-state).

Isso é conseguido através de uma entrada de controle denominada "habilitação" que em inglês é dito "enable" e abreviada por EN.

Quando EN está no nível, no circuito da figura 19 0 o transistor Q5 não conduz e nada acontece no circuito que funciona normalmente.

No entanto se EN for levada ao nível 1 o transistor Q5 satura levando tanto Q3 como Q4 ao corte, ou seja, os dois passam a se comportar como circuitos abertos, independentemente dos sinais de entrada.

Na saída Y o que temos é então um estado de alta impedância ou circuito aberto. Uma função tri-state apresenta três estados possíveis na sua saída:

Nível lógico 0

Nível lógico 1

Alta Impedância

As funções tri-state são muito usadas nos circuitos de computadores, nos denominados barramentos de dados ou "data bus" onde diversos circuitos devem aplicar seus sinais ao mesmo ponto ou devem compartilhar a mesma linha de transferência desses dados.

Em muitas máquinas industriais que devem coletar informações de diversos circuitos sensores ao mesmo tempo e portanto ligados ao mesmo ponto este tipo de lógica também é muito usada, ocorrendo o mesmo com robôs e outros equipamentos mecatrônicos.

Uma unidade de processamento de um computador envia e recebe dados para/de diversos periféricos usando uma única linha ou barramento (bus). Todos os circuitos ligados a estas linhas devem ter suas saídas do tipo tri-state.

Temas Incluídos:

* Tri-state

* Transistor-Transistor Logic

* Open Collector

* SSI

* MSI

* LSI

* VLSI

* ULSI

* Subfamílias TTL

* Standard

* Low Power

* Low Power Schottky

* High Speed

* Schottky

* Totem Pole

Ver Também:

* CMOS

* Digital

* Algebra Booleana