Implementação de Lógica Binária com Componentes Discretos

INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA
Aula 5 – Implementação de Lógica Binária com Componentes
Discretos
Introdução
O Transistor
Circuitos Lógicos Discretos
Tarefa
INTRODUÇÃO
Pode-se dizer que o dispositivo eletrônico precursor dos computadores existentes atualmente é a
denominada “válvula elétrica”. Através do arranjo adequado destes dispositivos eletrônicos foi possível
criar um circuito eletrônico com capacidade de comutar entre dois estados diferentes de forma controlada
e estável, conferindo a estes circuitos o nome de biestável, abrindo o caminho para as memórias
eletrônicas de dados. Os avanços da física do estado sólido permitiram que em 1947, dois cientistas
pertencentes aos laboratórios Bell, Walter Brattain e John Barden, inventassem o transistor. O transistor
viria em breve a substituir a válvula elétrica em quase todas as aplicações proporcionando uma revolução
em todas as áreas de eletrônica. Na área da computação a substituição foi total, agregando aos
computadores da era “pós-válvula elétrica” características de menor tamanho e maior confiabilidade.
Baseados no transistor, também foram construídos circuitos eletrônicos capazes de realizar as funções
lógicas que hoje integram os microprocessadores. Alguns destes circuitos eletrônicos serão apresentados
na seqüência.
O TRANSISTOR
Para simplificar o entendimento do princípio de funcionamento do transistor, pode-se fazer uma
analogia, ainda que limitada, entre este dispositivo eletrônico e uma válvula hidráulica. A válvula
hidráulica colocada em uma tubulação, é utilizada para regular o fluxo do líquido entre pontos adjacentes
da tubulação. A válvula hidráulica, por exemplo uma torneira comum, tem seu funcionamento
caracterizado por três diferentes estados de operação, conforme apresentado na Tabela 5.1.
Estado Fluxo de Líquido
Fechada Nenhum
Aberta Proporcional a Abertura
Totalmente Aberta Máximo
Tabela 5.1: Estados e situações de operação de uma válvula hidráulica.
Ainda, no caso da válvula hidráulica, cada um dos estados de funcionamento é definido pela posição
angular ou linear de uma peça móvel utilizada para regulação do fluxo do líquido, posição esta
normalmente definida pela ação de uma força ou torque externamente aplicado a parte móvel da válvula.
Analogamente, o transistor é um dispositivo eletrônico empregado para regulação da corrente
elétrica em partes adjacentes de um circuito eletrônico. Da família dos transistores, pode-se dizer que o
mais conhecido é o transistor bipolar. De acordo com [1], tais dispositivos consistem em um cristal de
silício (ou germânio) no qual existe uma camada de silício do tipo n entre duas camadas de silício do tipo
p, ou, de uma camada p entre duas camadas n; no primeiro caso tem-se um transistor bipolar chamado de
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pnp e, no segundo um transistor npn. Os dois tipos de transistor estão representados nas Figuras 5.1 (a) e
(b), apresentadas a seguir.
Base
Coletor
Emissor
Coletor
Emissor
Base
(a)
(b)
(c)
Fig. 5.1(a) – Representação de um transistor bipolar pnp, (b) – representação do npn, (c) – Foto de um transistor
Como pode-se observar na Figura 5.1, o transistor bipolar é um dispositivo de três terminais
denominados de Base (B), Coletor (C) e Emissor (E). Observa-se também que os terminais dos emissores
dos transistores pnp e npn são caracterizados por uma seta entrando na base (pnp) e por uma seta saindo
da base (npn). Esta seta é empregada para indicar o sentido das correntes elétricas em cada um dos
terminais dos transistores. Na figura 5.1 c, está apresentado uma foto de um transistor NPN do tipo
BC549, sendo representado os seus terminais.
i. A equação que relaciona as correntes nos terminais de um transistor é a dada a seguir:
I = I + I
(5.1)
E
C
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C
B
I = β ⋅ I
(5.2)
sendo β um parâmetro construtivo que define o ganho de corrente do transistor.
Dado que as correntes de Emissor IE – possuem os sentidos convencionados pelo sentido das
setas nos terminais dos emissores dos transistores bipolares pnp e npn, estabeleça nos transistores
abaixo, os sentidos das correntes de Coletor IC e de Base IB.
ii. Para que os transistores pnp e npn funcionem, o sentido da corrente elétrica convencionado
pelo sentido da seta nos terminais dos emissores deve ser respeitado. Sabendo desta característica
intrínseca aos transistores de uma forma geral, refaça a analogia entre o transistor e a válvula
hidráulica observando as diferenças e o que pode ser feito para melhorar esta analogia.
Os transistores também possuem três regiões distintas de operação, denominadas de região de
corte, região linear e região de saturação. Cada uma destas regiões é estabelecida pela intensidade da
corrente aplicada ao terminal de Base do transistor bipolar. A Tabela 5.2 apresenta as regiões de operação
dos transistores bipolares, relacionando-as com as correntes de Base.
Região Corrente de Base IB
Corte IB = 0
Linear 0 < IB < IBsat
Saturação IB >= IBsat
Tabela 5.2: Regiões de operação relacionadas com as correntes de base dos transistores.
Das três regiões de operação apresentadas na Tabela 5.2, os transistores que compõem os
circuitos dos microprocessadores utilizados em todos os computadores operam apenas nas regiões de
B

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Corte e de Saturação, replicando as condições de “Fechada” ou de “Totalmente Aberta” da válvula
hidráulica, que é a mesma condição de “Desligado” e “Ligado” em um transistor ou, respectivamente,
estados de “0s” e de “1s”. A reprodução destes dois estados com transistores, tornou possível a
representação eletrônica de qualquer arranjo numérico com “0s” e “1s” e, da mesma forma, realizar
operações lógicas e aritméticas com estes números.
Circuitos Lógicos Discretos
Inversor Lógico
Pela simplicidade construtiva e de compreensão de funcionamento, o primeiro circuito lógico
discreto a ser apresentado é o inversor lógico. A Tabela 5.2 apresenta a relação entre os sinais de entrada
e saída no inversor lógico no circuito eletrônico da Figura 5.2.
Nível de Tensão - A Nível Lógico -A Nível de Tensão - S Nível Lógico - S
VCC 1 0 0
0 0 VCC 1
Tabela 5.3: Relação os sinais de entrada (A) e saída (S) em um inversor lógico.
A
R23
10k
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2
Vcc
1
3
0
R22
1k
BC549C
Figura 5.2: Circuito eletrônico do inversor lógico com transistor npn.
i. Explicar, empregando as relações apresentadas na Tabela 5.3, o funcionamento elétrico
do inversor lógico apresentado na Figura 5.2;
ii. Supondo que o transistor acima apresenta um ganho de corrente β (equação 5.2), igual a
200. Dado que a tensão VCEsat (Tensão Coletor Emissor de Saturação), é igual a 0,2 volts,
que VCC = 5.0 volts e R22 = 4700 Ω, determine qual é o menor valor para a resistência
R23 que deve ser utilizado para possibilitar a saturação do transistor;
iii. Refaça este circuito eletrônico, utilizando um transistor pnp, explicando seu
funcionamento.
Operação Lógica NAND
A operação lógica “NAND” será exemplificada na Tabela 5.4, considerando duas entradas “A” e
“B” e a saída “S”. Esta tabela estabelece a relação entre os sinais de entrada e saída do circuito “NAND”
lógico apresentado no circuito eletrônico da Figura 5.3. Esta porta terá em sua saída o valor lógico 0
(zero) somente quando em suas entradas estiver presente o valor lógico 1 (um).
S

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Tarefa:
A
B
R2 10k
R3 10k
2
BC549C
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1
3
Vcc
R1
1k
0
1
3
BC549C
2
Figura 5.4: Circuito eletrônico que implementa a operação lógica “NOR”.
vii. Explicar, empregando as relações apresentadas na Tabela 5.5, o funcionamento elétrico
do circuito apresentado na Figura 5.4;
viii. Transforme, utilizando o inversor lógico da Figura 5.2, o circuito apresentado na Figura
5.4 em um circuito que implemente a operação lógica OR;
ix. Refaça o circuito eletrônico da Figura 5.4, utilizando transistores pnp e explique seu
funcionamento.
Montar em laboratório, cada um dos circuitos lógicos apresentados nas Figuras 5.2, 5.3 e 5.4,
avaliando o funcionamento de cada um deles e comprovando os resultados apresentados nas tabelas.
BIBLIOGRAFIA
[1] Millman, J. e Halkias, C.C., Eletrônica, Dispositivos e Circuitos, Vol. 1, MAKRON Books do Brasil
Editora Ltda.
http://www.geocities.com/SiliconValley/Haven/8692/comput.htm
S