8 blocos de circuitos para interligar as tecnologias TTL e CMOS, com diferenças entre elas.

Existem diferenças importantes entre as famílias TTL e CMOS. As técnicas para interfacear estes circuitos são uma parte crítica em muitos projetos.

Em circuitos TTL temos uma tensão temos uma tensão fixa de alimentação. Em CMOS precisamos prestar atenção na velocidade, nas correntes de saída e nos níveis lógicos em diferentes tensões de alimentação.

Existem muitos fabricantes e por isso as características de um CI pode variar ligeiramente para outro. Geralmente as diferenças são pequenas.

Mesmo assim é boa prática prestar atenção no comportamento do circuito ao efetuarmos a troca de CIs.

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TTL e CMOS: diferenças e especificações

Algumas diferenças básicas

Lógica CMOS:

  1. Tem baixa dissipação de energia. Esta dissipação dependente da frequência, da tensão de alimentação, do tempo de subida da entrada e da carga de saída. Em 1 MHz e carga de 50 pF a dissipação é comumente de 10 nW por porta.
  2. Tem baixa propagação de atraso, a qual normalmente varia de 25ns a 50ns, em função da fonte de alimentação.
  3. Existe controle dos tempos de subida e descida. Subida e a descida comumente são rampas, em vez de funções degrau.
  4. Como a impedância de entrada é muito alta, os níveis de sinais lógicos serão praticamente iguais ao nível da fonte de alimentação.

Lógica TTL:

  1. Dissipação de energia em torno de 10 mW por porta.
  2. A propagação de atraso é cerca de 10 ns ao conduzir uma carga de 15 pF e 400 ohms.
  3. Vcc está comumente entre 4.75 V e 5.25 V. Um intervalo de tensão entre 0 V e 0.8 V gera o nível lógico “0”; um intervalo de tensão entre 2 V e Vcc gera o nível lógico “1”.

Comparando TTL e CMOS

  1. Os componentes CMOS costumam ser mais caros do que o equivalente TTL. Porém, a tecnologia CMOS costuma ser menos cara em um nível de sistema, em função desta ser menor e exigir menos regulação.
  2. Os circuitos CMOS não consomem tanta energia quanto circuitos TTL. Como o baixo consumo exige menos capacidade da fonte, conseguimos um projeto mais simples e mais barato. Porém, este consumo no circuito CMOS cresce em frequências altas quando comparado ao TTL.
  3. Em função de longos tempos de subida e descida, a transmissão de sinais digitais fica mais simples e barata com CMOS.
  4. Os componentes CMOS são mais propensos a sofrer dano por descarga eletrostática do que os componentes TTL. 

Algumas das principais especificações

CMOS:

Os CIs mais comuns funcionam com tensões de alimentação de 3 a 15 V. Uma família muito conhecida é a 4000, que você pode ver aqui neste link (possui descrição e links para datasheets).

  • Tensão de saída: para o nível lógico baixo (0) e alimentação de 5 a 10 V, a tensão de saída é muito baixa, algo como 0,01 V. No nível lógico alto (1), temos na saída uma tensão praticamente igual à tensão de alimentação (Vdd).
  • Corrente de saída: em situações gerais, com alimentação de 5 V, as saídas podem fornecer (quando em “1”) ou drenar (quando em “0”), uma corrente de até 0,88 mA. Em alimentação de 10 V esta corrente sobe para uns 2,25 mA. E em 15 V a corrente máxima é tipicamente de uns 8,8 mA. Existem funções especiais que requerem valores diferentes.
  • Corrente de fuga na entrada: considerada para aplicações mais críticas, em cálculos da corrente de entrada. É da ordem de 10 pA (1 pA é igual e 10 elevado a 12).
  • Potência: A corrente de alimentação (Idd) é tipicamente da ordem de 1 nA. Em alimentação de 5 V esta corrente atinge um máximo de 0,05 μA – dissipação média de 5 mW.
  • Velocidade: as frequências maiores dependem das funções do CI e das tensões de alimentação. A especificação de velocidade é encontrada em função da frequência e do atraso do sinal (pode ser especificado em função da borda de descida ou de subida do sinal).

Blocos de circuitos TTL e CMOS para interface

Quando queremos transferir sinais de um circuito para outro, através da interligação de ambos, dizemos que vamos interfacear os circuitos. Por exemplo, quando transmitimos dados entre equipamentos.

Mas e se os equipamentos utilizarem tecnologias diferentes? É aí que teremos problemas. Dentro um equipamento podemos encontrar etapas com tecnologias diferentes.

Assim, como as tecnologias TTL e CMOS são amplamente utilizadas, é importante conhecer formas de interligar (interfacear) estas tecnologias. Veja abaixo alguns blocos de circuitos:

⇒ Quando a saída TTL for excitar entrada CMOS (ambas com alimentação de 5 V): neste caso, a interligação direta pode ser feita sem problemas.

Mas em alguns casos precisamos garantir que a entrada CMOS reconheça o nível alto TTL. Para isso, conectamos um resistor de pull-up (abaixo, o de 2,2 k) ao terminal positivo da fonte de alimentação:

circuito para interface ttl e cmos
Correção: à direita NÃO é CMC. O correto é CMOS.

⇒ De TTL para CMOS, com tensões diferentes: como o transistor (em emissor-comum) funcionam como um inversor de nível lógico (NL), o NL aplicado na entrada do CI CMOS é o inverso da saída TTL.

Circuito TTL e CMOS para tensões diferentes.⇒ De TTL (coletor aberto) para CMOS, com tensões diferentes: inserir um resistor de pull-up de 10 kΩ no circuito de saída TTL com coletor aberto.

Circuito TTL e CMOS com TTL em coletor aberto

⇒ Quando utilizar CMOS para excitar uma entrada TTL (ambas com alimentação de 5 V): o resistor de 1k polariza entrada CMOS. Corrente em torno de 5 mA drenada na saída, com esta saída em “0” ou “1” (níveis lógicos baixo ou alto).

Interface entre TTL e CMOS com 5 V

⇒ De CMOS para TTL, com tensões diferentes: a etapa intermediária com um transistor, o qual atua como um inversor. Basta utilizar um transistor de uso geral.

Com tensões diferentes, de TTL e CMOS

⇒ De CMOS para TTL com buffer (com tensões diferentes):

Bufffer em circuito TTL e CMOS

⇒ Amplificador para CMOS (mesma tensão): saída de Amp-op acoplada à entrada CMOS. Amp-op está sem fonte simétrica.

Circuito de acoplamento com Amp-op para TTL e CMOS⇒ De TTL para CMOS, com acoplador ótico: aqui queremos assegurar que o sinal passe de uma etapa a outra através de um circuito de isolamento. Por exemplo, com o acoplador óptico 4N25 – clique aqui para ver o datasheet dele e de outros da série.

Circuito TTL e CMOS com acoplador óptico
Correção em erro no texto: isolado óptico com foto-transistor

É isso! Vimos vários conceitos relacionados às tecnologias TTL e CMOS, com blocos de circuitos.