Sinais e portas digitais

Embora o sistema de numeração binária seja uma abstração matemática interessante, ainda não vimos sua aplicação prática à eletrônica. Este capítulo é dedicado exatamente a isso:a aplicação prática do conceito de bits binários aos circuitos.

O que torna a numeração binária tão importante para a aplicação da eletrônica digital é a facilidade com que os bits podem ser representados em termos físicos. Como um bit binário só pode ter um de dois valores diferentes, 0 ou 1, qualquer meio físico capaz de alternar entre dois estados saturados pode ser usado para representar um bit.

Conseqüentemente, qualquer sistema físico capaz de representar bits binários é capaz de representar quantidades numéricas e, potencialmente, tem a capacidade de manipular esses números. Este é o conceito básico da computação digital.

Circuitos Binários e Eletrônicos

Operação binária do transistor

Os circuitos eletrônicos são sistemas físicos que se prestam bem à representação de números binários. Os transistores, quando operados em seus limites de polarização, podem estar em um de dois estados diferentes:desligado (sem corrente controlada) ou saturação (corrente máxima controlada). Se um circuito de transistor for projetado para maximizar a probabilidade de cair em qualquer um desses estados (e não operar no modo linear ou ativo), ele pode servir como uma representação física de um bit binário.

Entrada do transistor em “alta”

Um sinal de tensão medido na saída de tal circuito também pode servir como uma representação de um único bit, uma baixa tensão representando um binário "0" e uma (relativamente) alta tensão representando um binário "1". Observe o seguinte circuito de transistor:






Neste circuito, o transistor está em um estado de saturação em virtude da tensão de entrada aplicada (5 volts) através da chave de duas posições. Por estar saturado, o transistor cai muito pouca tensão entre o coletor e o emissor, resultando em uma tensão de saída de (praticamente) 0 volts.

Se estivéssemos usando este circuito para representar bits binários, diríamos que o sinal de entrada é um binário “1” e que o sinal de saída é um binário “0”. Qualquer tensão próxima à tensão de alimentação total (medida em relação ao aterramento, é claro) é considerada “1” e uma falta de tensão é considerada “0”.

Os termos alternativos para esses níveis de tensão são alto (igual a um binário “1”) e baixo (igual a um “0” binário). Um termo geral para a representação de um bit binário por uma tensão de circuito é lógica nível.

Entrada do transistor em “baixo”

Movendo a chave para a outra posição, aplicamos um “0” binário à entrada e recebemos um “1” binário na saída:







O que são portas lógicas?

O que criamos aqui com um único transistor é um circuito geralmente conhecido como porta lógica ou simplesmente porta . Uma porta é um tipo especial de circuito amplificador projetado para aceitar e gerar sinais de tensão correspondentes aos binários 1 e 0.

Como tal, as portas não devem ser usadas para amplificar sinais analógicos (sinais de tensão entre 0 e tensão total). Usados ​​juntos, portas múltiplas podem ser aplicadas à tarefa de armazenamento de número binário (circuitos de memória) ou manipulação (circuitos de computação), cada saída de porta representando um bit de um número binário de vários bits.

Exatamente como isso é feito, é um assunto para um capítulo posterior. No momento, é importante focar na operação de portões individuais.

Inversor ou NÃO porta

A porta mostrada aqui com o único transistor é conhecida como um inversor , ou NÃO porque ele produz o sinal digital exatamente oposto ao que é de entrada. Por conveniência, os circuitos de porta são geralmente representados por seus próprios símbolos, em vez de seus transistores e resistores constituintes. O seguinte é o símbolo de um inversor:






Um símbolo alternativo para um inversor é mostrado aqui:







NÃO símbolo esquemático de portão

Observe a forma triangular do símbolo do portão, muito parecido com o de um amplificador operacional. Como foi dito antes, os circuitos de gate são, na verdade, amplificadores.

O pequeno círculo ou “bolha” mostrado no terminal de entrada ou saída é padrão para representar a função de inversão. Como você pode suspeitar, se removêssemos a bolha do símbolo do portão, deixando apenas um triângulo, o símbolo resultante não indicaria mais inversão, mas apenas amplificação direta.

Tal símbolo e tal portão realmente existem e é chamado de buffer , o assunto da próxima seção.

Como um símbolo de amplificador operacional, as conexões de entrada e saída são mostradas como fios simples, o ponto de referência implícito para cada sinal de tensão sendo "terra". Em circuitos de porta digital, o aterramento é quase sempre a conexão negativa de uma única fonte de tensão (fonte de alimentação).

Fontes de alimentação duplas ou “divididas” raramente são usadas em circuitos de portas. Como os circuitos de gate são amplificadores, eles requerem uma fonte de energia para operar. Como amplificadores operacionais, as conexões de fonte de alimentação para portas digitais são frequentemente omitidas do símbolo para simplificar.

NOT Gate em Circuitos

Se tivéssemos de mostrar todos as conexões necessárias para operar este portão, o esquema seria mais ou menos assim:






Os condutores da fonte de alimentação raramente são mostrados nos esquemas do circuito da porta, mesmo que as conexões da fonte de alimentação em cada porta sejam. Minimizando as linhas em nosso esquema, obtemos o seguinte:






“Vcc” representa a tensão constante fornecida ao coletor de um circuito de transistor de junção bipolar, em referência ao aterramento. Esses pontos em um circuito de porta marcados com a etiqueta “Vcc” estão todos conectados ao mesmo ponto, e esse ponto é o terminal positivo de uma fonte de tensão CC, geralmente 5 volts.

Como veremos em outras seções deste capítulo, existem alguns tipos diferentes de portas lógicas, a maioria das quais possui vários terminais de entrada para aceitar mais de um sinal. A saída de qualquer porta depende do estado de sua (s) entrada (s) e de sua função lógica.

Expressando funções de circuito de portão com tabelas da verdade

Uma maneira comum de expressar a função particular de um circuito de porta é chamada de tabela verdade. As tabelas de verdade mostram todas as combinações de condições de entrada em termos de estados de nível lógico ("alto" ou "baixo", "1" ou "0", para cada terminal de entrada da porta), junto com o nível lógico de saída correspondente, "Alto ou baixo." Para o circuito inversor, ou NÃO, que acabamos de ilustrar, a tabela verdade é muito simples:






As tabelas da verdade para portas mais complexas são, é claro, maiores do que a mostrada para a porta NOT. A tabela de verdade de um portão deve ter tantas linhas quantas forem as possibilidades para combinações de entrada únicas.

Para uma porta de entrada única como a porta NOT, há apenas duas possibilidades, 0 e 1. Para uma porta de duas entradas, há quatro possibilidades (00, 01, 10 e 11) e, portanto, quatro linhas para a verdade correspondente tabela.

Para uma porta de três entradas, há oito possibilidades (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 e 111) e, portanto, uma tabela verdade com oito linhas é necessária. Os inclinados à matemática perceberão que o número de linhas da tabela verdade necessárias para uma porta é igual a 2 elevado à potência do número de terminais de entrada.



REVER:

• Em circuitos digitais, os valores de bits binários de 0 e 1 são representados por sinais de tensão medidos em referência a um ponto de circuito comum chamado terra. A ausência de tensão representa um “0” binário e a presença de tensão de alimentação DC completa representa um “1” binário.
• Uma porta lógica, ou simplesmente porta, é uma forma especial de circuito amplificador projetado para entradas e saídas de tensões de nível lógico (tensões destinadas a representar bits binários). Os circuitos de porta são mais comumente representados em um esquema por seus próprios símbolos exclusivos, em vez de seus transistores e resistores constituintes.
• Assim como acontece com os amplificadores operacionais, as conexões da fonte de alimentação aos portões são frequentemente omitidas nos diagramas esquemáticos por uma questão de simplicidade.
• Uma tabela verdade é uma forma padrão de representar as relações de entrada / saída de um circuito de porta, listando todas as combinações possíveis de nível lógico de entrada com seus respectivos níveis lógicos de saída.

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• Planilha de sinais de lógica digital
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  Planilha de portas lógicas básicas
  
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  Planilha de Álgebra Booleana