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Elementos lógicos

Elementos lógicos, ou ainda portas lógicas, constituem os blocos fundamentais para a implementação de circuitos e sistemas digitais. Esses elementos operam essencialmente sob os princípios da lógica binária, o que significa que suas entradas e saídas podem assumir apenas um de dois estados discretos: 0 ou 1. Em termos físicos e elétricos, o nível lógico 0 representa a ausência de tensão ou um estado de não-condução, enquanto o nível lógico 1 representa a presença de tensão ou condução.

As funções lógicas primárias que regem esses sistemas são AND (E), OR (OU) e NOT (NÃO), sendo que todos os outros blocos lógicos complexos são derivações ou combinações dessas três funções básicas. Cada porta executa uma operação específica:

  • AND (E): Produz uma saída de nível lógico 1 apenas quando todas as suas entradas forem nível lógico 1.

and

  • OR (OU): Resulta em nível lógico alto se pelo menos uma de suas entradas apresentar nível lógico alto.

or

  • NOT (NÃO): Também conhecida como inversora, esta porta complementa o estado lógico da variável de entrada, transformando 0 em 1 e vice-versa.

not

Além das funções básicas, a eletrônica digital utiliza portas derivadas, como a NAND (Não-E), NOR (Não-OU), XOR (OU-Exclusivo) e XNOR (Coincidência). Portas como NAND e NOR são tecnicamente classificadas como portas universais, pois são capazes de, sozinhas ou em combinação, implementar a funcionalidade de qualquer outra porta lógica ou circuito digital.

nand

nor

xor

xnor

Na prática, esses elementos são fabricados sob a forma de circuitos integrados (CI), que utilizam tecnologias como TTL (Lógica Transistor-Transistor) ou CMOS (Semicondutor de Óxido Metálico Complementar) para agrupar múltiplas portas lógicos em um único dispositivo físico. Quando essas portas são interconectadas, elas formam circuitos combinacionais, onde a saída resultante é uma função direta das variáveis de entrada atuais, podendo ser descrita matematicamente através de expressões booleanas e tabelas-verdade.

Figura: Tecnologia de portas lógicas com Diodos, Resistores e Transistores
Portas_RTL
Fonte: Controle E Automação Industrial III - Prof. Sinésio Gomes - 2012

A tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor ou Semicondutor de Óxido Metálico Complementar) é um dos pilares da eletrônica digital moderna, sendo amplamente utilizada na fabricação de circuitos integrados.

A tecnologia CMOS baseia-se no uso de transistores MOS, que permitem a implementação de funções lógicas complexas e estruturas específicas, como as portas de passagem (transmission gates). Essas portas operam de maneira bidirecional, funcionando como chaves eletrônicas que transmitem informações de forma eficiente em circuitos de tecnologia MOS.

MOS

Embora o CMOS seja a tecnologia predominante em larga escala, ele apresenta características distintas em relação ao seu principal concorrente histórico, o TTL (Transistor-Transistor Logic):

  • Ruído Eletrostático: Dispositivos CMOS tendem a ser menos robustos ao ruído eletrostático do que os dispositivos TTL, motivo pelo qual estes últimos ainda são muito comuns em ambientes educacionais e laboratoriais.

  • Margem de Ruído: O projeto de CIs digitais busca reduzir a interferência de ruído, e a diferença entre as faixas de tensão de entrada e saída (margem de ruído) é um parâmetro crítico que a tecnologia CMOS gerencia para garantir a integridade do sinal lógico.

Para que um circuito CMOS opere de forma confiável, ele deve respeitar parâmetros rigorosos de temporização, que variam conforme a subfamília:

  • Tempo de Setup (\(t_s\)): O intervalo mínimo que o dado deve estar estável antes da transição do clock.
  • Tempo de Hold (\(t_H\)): O intervalo que o dado deve permanecer estável após a transição do clock.
  • Frequência Máxima (\(f_{MAX}\)): A maior frequência de clock que pode ser aplicada mantendo o disparo confiável, variando de 5 MHz (em séries como 74C) até patamares superiores em séries de alta velocidade.

A tecnologia CMOS é fundamental para a implementação de unidades de memória RAM e ROM. Em dispositivos lógicos programáveis (como FPGAs), a existência de unidades de memória CMOS integradas permite economizar recursos de lógica combinacional e registradores, otimizando o custo e a área do chip. Além disso, o CMOS é essencial para o modelamento de estados de alta impedância (estado Z), facilitando a criação de barramentos de comunicação onde múltiplos controladores compartilham o mesmo nó.

CMOS

Referências e complementos

  • TOCCI, Ronald J.; WIDMER, Neal S. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. 8. ed. Pearson, 2015.
  • PALANIAPPAN, Ramaswamy. Digital Systems Design. bookboon.com, 2011.
  • TRINDADE JUNIOR, Rosumiro; JULIÃO, Jodelson Moreira. Circuitos Digitais. Manaus: Centro de Educação Tecnológica do Amazonas (CETAM), 2012.
  • D’AMORE, Roberto. VHDL: Descrição e Síntese de Circuitos Digitais. LTC.