Conheça a família TTL (MEC082)

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 que justamente o assunto deste nosso artigo.

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.

 

NAND TTL
NAND 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.

Veja então que, 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.

 

Tensão baixa, nível 0, tensão alta, nível 1.
Tensão baixa, nível 0, tensão alta, nível 1.

 

Entre essas duas faixas existe uma região indefinida ou que deve ser evitada.

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.

 

Cis TTLs em diversos invólucros.
Cis TTLs em diversos invólucros.

 

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

Para usar corretamente os circuitos integrados TTL e mesmo saber testá-los sabendo quando apresentam algum problema de funcionamento é importante conhecer algumas de suas características adicionais.

Analisemos as principais características lembrando os níveis lógicos de entrada e saída que são admitidos:

 

* 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.

 

Nível 0, corrente da base para o emissor = 1,6 mA.
Nível 0, corrente da base para o emissor = 1,6 mA.

 

Esta corrente deve ser levada em conta em qualquer projeto pois ela deve ser suprida pelo circuito que vai excitar a porta.

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.

 

Porta em nível alto, 40 uA passa do emissor para a base.
Porta em nível alto, 40 uA passa do emissor para a base.

 

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.

 

Nível baixo, corrente de saída de 16 mA.
Nível baixo, corrente de saída de 16 mA.

 

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.

 

Corrente máxima de 400 uA quando a função TTL está no nível alto.
Corrente máxima de 400 uA quando a função TTL está no nível alto.

 

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.

Isso justifica o fato de que em muitas funções indicadoras em que ligamos um LED na saída, por exemplo, fazemos com que ele seja aceso quando a saída vai ao nível 0 (e portanto a corrente é maior) e não ao nível 1 conforme mostra a figura 8.

 

A configuração B é mais aconselhável ao acender um LED.
A configuração B é mais aconselhável ao acender um LED.

 

 

* 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 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 9.

 

Uma saída pode estar ligada a várias entradas, mas com limites.
Uma saída pode estar ligada a várias entradas, mas com limites.

 

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.

Considerando novamente que circulam correntes nestas ligações e que os circuitos têm capacidades limitadas de condução precisamos saber até que quantidade de ligações podemos fazer.

Desta forma o FAN-IN indica a quantidade máxima de saídas que podemos ligar a uma entrada, conforme mostra a figura 10.

 

Várias saídas a uma única entrada.
Várias saídas a uma única entrada.

 

* 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.

Se levarmos em conta a configuração típica de uma porta conforme mostra o circuito da figura 11 vemos que se for estabelecida uma transição muito rápida da tensão de entrada, a tensão no circuito não sobe com a mesma velocidade.

 

Cx - Capacitâncias parasitas.
Cx - Capacitâncias parasitas.

 

Este sinal tem antes de carregar as capacitâncias parasitas existentes de modo que a tensão de entrada sobe gradualmente demorando certo tempo que deve ser considerado.

Da mesma forma, à medida que o sinal vai passando pelas diversas etapas do circuito temos de considerar os tempos que os componentes demoram em 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.

Esses dois tempos são mostrados na figura 12 e são muito importantes nas especificações dos circuitos TTL principalmente quando trabalhamos com o projeto de dispositivos muito rápidos.

 

Medição dos tempos de retardo nas funções TTL.
Medição dos tempos de retardo nas funções TTL.

 

Basicamente podemos adiantar para o leitor que se dois sinais que devam chegar ao mesmo tempo a certo ponto do circuito não o fizerem porque um se retarda mais do que o outro ao passar por determinadas funções, isso pode gerar interpretações erradas do próprio circuito que funcionará de modo anormal.

 

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.

Temos então a seguinte tabela que identifica as sub-famílias da família TTL standard:

 

Indicaçãofamília/subfamília Característica
54/74 Standard -
54L/74L Low Power Baixo consumo
54H/74H High Speed Alta velocidade
54S/74S Schottky -
54LS/74LS Low Power Shottky -

 

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, conforme mostra a forma de onda que vimos na figura 12.

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

 

Assim, temos:

Família/Sub-Família

Tempo de propagação (ns)
TTL Standard 10
Low Power 33
Low Power Schottky 10
High Speed 6
Schottky 3

 

* Dissipação

Outro ponto importante no projeto de circuitos digitais é a quantidade de energia ou a potência consumida e portanto dissipada na forma de calor.

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.

Podemos então comparar as dissipações das diversas famílias, tomando como base uma porta ou "gate":

 

Família/Subfamília

Dissipação por Porta (mW)
Standard 10
Low Power 1
Low Power Schottky 2
High Speed 22
Schottky 20

 

O leitor já deve ter percebido que um problema importante que se manifesta é que, quando aumentamos a velocidade o consumo também aumenta.

O projetista deve, portanto ser cuidadoso em escolher a subfamília que una as duas características na medida certa de sua precisão incluindo nisso o preço dos componentes.

 

Compatibilidade entre as subfamílias

Um ponto importante que deve ser levado em conta quando trabalhamos com a família Standard e as sub-famílias TTL é a possibilidade de interligarmos os diversos tipos.

Isso realmente ocorre já que todos os circuitos integrados da família TTL e também das subfamílias são alimentados com 5 volts.

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.

Na verdade não podemos falar de Fan-in e Fan-out quando interligamos circuitos de famílias diferentes.

O que existe é a possibilidade de se elaborar uma tabela, a partir das características dos componentes, em que a quantidade máxima de entradas de determinada subfamília pode ser ligada na saída de outra subfamília.

Esta tabela ‚ dada a seguir:

 

Saída
74L 74 74LS 74H 74S
Entrada 74L 20 40 40 50 100
74LS 2,5 10 5 12,5 12,5
74 10 20 20 25 50
74H 2 8 4 10 10
74S 2 8 4 10 10

 

Observamos por esta tabela que uma saída 74 (Standard) pode excitar convenientemente 10 entradas 74LS (Low Power Schottky).

Na figura 13 mostramos como isso pode ser feito.

 

Uma saída standar pode excitar 10 entradas LS.
Uma saída standar pode excitar 10 entradas LS.

 

Open Collector e Totem-Pole

Os circuitos comuns TTL que estudamos até agora e que tem a configuração mostrada na figura 1 deste artigo são denominados Totem Pole.

Nestes circuitos temos uma configuração em que um ou outro transistor conduz a corrente conforme o nível estabelecido na saída seja 0 ou 1.

Este tipo de circuito apresenta um inconveniente se ligarmos duas portas em paralelo, conforme mostra a figura 14.

 

Conflitos de níveis em saídas interliagadas.
Conflitos de níveis em saídas interliagadas.

 

Se uma das portas tiver sua saída indo ao nível alto (1) ao mesmo tempo que a outra vai ao nível baixo (0) estabelece-se um curto-circuito na saída que pode causar sua queima.

Isso significa que os circuitos integrados TTL com esta configuração nunca podem ter suas saídas interligadas da forma indicada.

No entanto, existe uma possibilidade de se elaborar circuito em que as saídas de portas sejam interligadas.

Isso é conseguido com a configuração denominada Open Collector ou Coletor Aberto que é mostrada na figura 15.

 

Porta NAND com saída em coletor aberto.
Porta NAND com saída em coletor aberto.

 

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 ? 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.

A vantagem desta configuração está na possibilidade de interligarmos portas diferentes num mesmo ponto, conforme mostra a figura 16.

 

O resistor
O resistor "pull up" é para polarização dos transistores internos.

 

No entanto, a desvantagem está na redução da velocidade de operação do circuito que se torna mais lento com a presença do resistor pois ele tem uma certa impedância que afeta o desempenho do circuito, "atrasando" o sinal lógico que atravessa a função.

 

Tri-State

Tri-state significa terceiro estado ou três estados e é uma configuração 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 17 temos um circuito típico de uma porta NAND tri-state que vai nos servir como exemplo.

 

Porta NAND TTL
Porta NAND TTL "tri-state".

 

O que ocorre é que podem existir aplicações em que duas portas tenham suas saídas ligadas num mesmo circuito, conforme mostra a figura 18.

 

Quando A envia sinais para C, B deve estar desativado.
Quando A envia sinais para C, B deve estar desativado.

 

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 17, 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.

Podemos então concluir que 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.

O circuito que está funcionando deve estar habilitado e os que não estão funcionando, para que suas saídas não influenciem nos demais devem ser levadas sempre ao terceiro estado.

Na figura 19 temos um exemplo de aplicação em que são usados circuitos tri-state.

 

Na troca de dados entre interfaces deve-se usar componentes com saídas
Na troca de dados entre interfaces deve-se usar componentes com saídas "tri-state".

 

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.

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