Aula 16
O inversor TTL
Introdução
Toda família lógica possui o inversor (porta NOT). Como o nome
sugere, um objetivo esta porta apresenta uma saída que é o inverso da
entrada; O transistor bipolar na configuração emissor comum pode
servir de inversor rudimentar, como mostra a figura A.16.1.
VDD
RC
vI
vI
t
t
V0
RS
vI
Figura A.16.1 Um inversor com TBJ rudimentar
Na prática um circuito lógico TTL é um mais elaborado que esse
a fim de conseguirmos as características desejadas em uma porta
digital, como veremos adiante.
Lógica Transistor –Transistor (TTL)
O circuito básico da porta TTL, mostrado na figura A.16.2,
consiste de um transistor com múltiplos emissores de entrada T0 e de
um transistor de saída T1.
O transistor de entrada T0 contém de 2 a 8 emissores e é fabricado
da maneira mostrada na figura A.16.3 a). Verifica-se, na prática, que
este transistor de dois emissores comporta-se de forma muito próxima
com a de dois transistores cujas bases e coletores estejam conectados
como na figura A.16.3 b); entretanto, a configuração de dois emissores
ocupa área muito menor de chip que a ligação em paralelo.
VDD
R
RC
VB0
T0
V0
A
VB1
T1
B
VA
CL
VB
Cb1
Figura A.16.2 Porta TTL básica
Emissor B
Emissor A
N+
N+
Base P
Coletor N
Figura A.16.3 a) Transistor com múltiplo emissores
Coletor
Base
Emissor A
Emissor B
Figura A.16.3 b)equivalente com transistores em paralelo
Funcionamento da porta
Consideremos, inicialmente, que se o sinal de entrada VA estiver
em nível baixo (0,2 V), a junção base emissor de T0 ficará diretamente
polarizada e a corrente fornecida por VDD passará por R, pelar junção
base emissor, e saindo pelo terminal de entrada A. Assim, a tensão de
base do transistor T0 será
VB0 = VBE + VA = 0,7 V + 0,2 V = 0,9 V
Mostraremos que nessa situação T1 está cortado. Se T1 estivesse
conduzindo, a junção base coletor de T0 estaria diretamente polarizada,
de modo que pudesse ser fornecida corrente de base a T1. Para que esta
condição fosse válida seria necessário que a tensão de base fosse VB0 =
VBE1 + VBC0 = 0,7 V + 0,7 V = 1,4 V. Logo, a tensão real de VB0 = 0,9
V não é suficiente para polarizar diretamente as duas junções. Como T0
está saturado devido à sua grande corrente de base, sua tensão de
coletor emissor é de, aproximadamente, 0,2 V. A tensão na base de T1
é, pois, igual à soma da tensão coletor emissor de T0 com a tensão de
emissor VA.
VB1 = VCE0sat + VA = 0,2 V + 0,2 V = 0,4 V
Portanto, T1 está cortado e V0 ≅ VDD; ou seja, V0 está em nível
ALTO. Este resultado permanece válido enquanto qualquer uma das
entradas estiver em nível baixo.
Consideremos, agora, todas as entradas em nível alto (VDD). As
junções base emissor de T0 ficam reversamente polarizada e,
conseqüentemente, não há corrente entrando (ou saindo) no emissor A
nem no emissor B. A junção base coletor de T0, porém fica diretamente
polarizada, o mesmo acontecendo com a junção base emissor de T1.
Nessa situação VDD fornece corrente, através de R, para a base de T1.
Essa corrente é suficiente para saturá-lo, de modo que a tensão de saída
V0 assume o nível baixo (≅ 0,2 V).
A lógica implementada por esta porta é a de um NE (NAND) com
duas entradas, isto e,
V0 = VAVB
(A.16.1)
Outra consideração importante é, quando todas as entradas
passam de nível ALTO para BAIXO, o transistor T1 deve sair da
saturação. Isso é realizado removendo-se as cargas armazenadas na sua
base. A junção base emissor de T0 fica diretamente polarizada e a carga
armazenada na base de T1 flui para o coletor de T0. A remoção dessa
carga é rápida, pois ∆Q / ∆t = I C 0 , e essa corrente de coletor em T0 é
elevada.
Estágio de saída: O elevador ativo de nível
Da seção anterior, vimos que uma vantagem da porta TTL da
figura A.16.2 é a velocidade com que a carga da base do transistor de
saída é removida, quando da comutação da saída de nível BAIXO para
ALTO. Solucionado este problema, a principal limitação restante na
velocidade é o carregamento capacitivo do transistor de saída, indicado,
em linhas tracejadas na figura A.16.2, como CL. Essa capacitância
engloba as capacitâncias das portas alimentadas, a capacitância de saída
de T1 e as capacitância parasita do circuito.
Para reduzir o tempo de carregamento desse circuito substituímos
o resistor RC por uma carga ativa, denominada elevador ativo de nível.
O circuito de uma porta NE de duas entradas, que concretiza isso, está
mostrado na figura A.16.4.
VDD = 5 V
R= 4 kΩ
RC =130 Ω
R1 = 1,64 kΩ
T2
T0
T3
A
D1
B
VA
VB
V0
T1
CL
Cb1
R2 =1 kΩ
Figura A.16.4 Porta NE de duas entradas com estágio de saída totempole.
O transistor multiemissor T0 é o transistor de entrada. T3 atua
como separador de fase, T2 e T1 formam um amplificador totem-pole,
que além de possuir baixa resistência de saída age como préamplificador de potência ou como estágio separador (isolador) de saída.
A função de RC nesse circuito é limitar o pico transitório de
corrente, o qual ocorre quando V0 muda de estado, de BAIXO para
ALTO. Observe que, quando V0 está em nível BAIXO, T2 está cortado
e a corrente em RC é nula. Quando V0 está em nível ALTO, T2 conduz,
mas a corrente é suficiente apenas para alimentar uma carga de saída
típica de cerca de 0,5 mA. No entanto, V0 demora aproximadamente 0,5
a 0,9 ns para mudar de estado e, durante este tempo, a corrente atinge
um valor de pico de 30 mA.
O diodo D1 possibilita a margem de tensão necessária para
garantir que T2 estará cortado quando T3 e T1 estiverem conduzindo.
Os diodos ligados entre os terminais de entrada e o terra não
influem nas condições DC, mas minimizam os indesejáveis transitórios
negativos de ruído.
Exercício:
Para o circuito da figura A.16.4 determine a máxima corrente de
pico quando a saída passa do nível lógico BAIXO para ALTO.
Encontre também o nível lógico alto (VOH).
Lógica E por fio
Se a saída de duas ou mais portas TTL forem interligadas como
mostra a figura A.16.5, é possível implementar a função E (AND) por
fio.
A
X = AB
B
A
C
A
V0 = XY
Y = CD
D
A
Figura A.16.5 Porta E por fio.
Existem portas TTL com saídas em coletor aberto e que são
adequadas para este tipo de ligação. A figura A.16.6 mostra uma porta
NE de duas entradas e saída em coletor aberto. Na prática, todas as
saídas em coletor aberto são interligadas e compartilham um mesmo
resistor elevador RL, como indicado, em linhas tracejadas. O valor deste
resistor depende do número de coletores abertos, da margem de ruído
necessárias, etc.
VDD = 5 V
R= 4 kΩ
RL
R1 = 1,64 kΩ
T2
T0
T3
A
D1
B
VA
VB
T1
Cb1
R2 =1 kΩ
Figura A.16.6 Porta NE de duas entradas com saída em coletor aberto.
Característica de transferência da TTL
A característica de transferência típica da porta TTL da figura
A.16.3 está mostrada na figura A.16.7. A forma da curva é determinada
pela característica da saída em totem-pole e elevador ativo de nível.
Consideraremos, em primeiro lugar, que a entrada VB esteja em 5 V e
que a entrada VA seja menor que a tensão de entrada representada pelo
ponto a na característica, isto é, VA < 0,7 V. Nesse caso os transistores
T3 e T1 estão cortados, T2 conduzindo e a saída esta no nível lógico alto.
A tensão de saída é, aproximadamente, (desprezando-se a pequena
queda em R1)
VOH ≅ VDD – VBE2 – VD1 = 5,0 – 0,7 – 0,7 = 3,6 V
(A.16.2)
Para esta faixa de saída ALTA, há corrente saindo do emissor A
de T0, sendo seu valor determinado essencialmente por VDD e R. Em
nosso exemplo, com VA = 0,2 V,
IA =
VDD − VBE 0 − VA 5 − 0,7 − 0,2
=
≅ 1mA
R
4 x103
A saída da porta conectada ao emissor de A deve ser capaz de
absorver este nível de corrente.
A partir do ponto a começa a região de transição entre a saída alta
e a saída baixa, podendo-se perceber que há dois segmentos de reta com
declividades diferentes. Isso ocorre pelo seguinte motivo: quando VA <
0,7 V, IC = 0 e o transistor T0 está saturado; portanto, VCE0 ≅ 0,2 V.
Deste modo a tensão de base de T3 é VB3 ≅ VA + 0,2 V. Quando VA
cresce para cerca de 0,5 V, a tensão de base de T3 passa para VB3 ≅ 0,7
V e ele começa a conduzir, operando na região linear, com ganho de
base para coletor da ordem de AV ≅ -R1/R2 . T1 ainda está cortado e o
seguindo de emissor T2, conduzindo. Assim, a característica acompanha
a curva de ganho de T3 e apresenta uma declividade de R1/R2 = 1,6 até
atingir o ponto b. Neste ponto a tensão de entrada é VA ≅ 1,4 V, de
modo que há injeção de corrente na base de T1, colocando-o em
condução. Ao mesmo tempo, o coletor de T3 desce, cortando T2. À
medida que a corrente de coletor deste transistor decresce
simultaneamente com o aumento da corrente de base de T1, este é
levado rapidamente à saturação. No ponto c, VA ≅ 1,5 V, T2 está cortado
e a saída, baixa, isto é, na tensão de saturação de T1 (≅ 0,2 V). Além
disso, T0 opera agora no seu modo invertido, já que seu coletor está
grampeado em 1,4 V, enquanto sua tensão de emissor está em um
potencial mais positivo (1,5 V).
V0(V)
4
a
3,6
Declividade = -1,6
3,0
b
2,5
2,0
1,0
c
0,7
1,4 1,5
2,0
VI(V)= VA
Figura A.16.7 Característica de transferência da TTL