Projeto e Verificação de Circuito Básico de Porta NAND com CI 4011

Peças e Materiais

• 4011 quad NAND gate (Radio Shack catálogo # 276‑2411)
• Chave DIP de oito posições (Radio Shack catálogo # 275‑1301)
• Barra de LED de dez segmentos (Radio Shack catálogo # 276‑081)
• Uma bateria de 6 volts
• Dois resistores de 10 kΩ
• Três resistores de 470 Ω

Cuidado! O CI 4011 é CMOS e altamente sensível a descarga estática. Manuseie com precauções antiestáticas.

Leitura Adicional

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, capítulo 3: “Portas Lógicas.”

Objetivos de Aprendizado

• Compreender o papel de um resistor pull-down.
• Determinar a tabela-verdade de uma porta através de experimento.
• Aprender como interconectar portas lógicas.
• Projetar várias funções lógicas usando portas NAND.

Diagrama Esquemático da Função Básica da Porta

Ilustração da Função Básica da Porta

Instruções do Experimento

Comece ligando uma única porta NAND a duas chaves de entrada e um LED, como mostrado no esquemático. A chave de oito posições e a barra de LED de dez segmentos podem parecer excessivas a princípio, mas permitem expansão fácil e mantêm o layout organizado.

Mantenha sempre um datasheet do 4011 à mão. Ler o diagrama de pinagem é essencial para conexões corretas. Abaixo uma referência simplificada de pinagem derivada do datasheet oficial:

Na ilustração da protoboard, usamos a porta NAND inferior esquerda: pinos 1 e 2 são as entradas, pino 3 é a saída. Pinos 14 e 7 alimentam V_DD (tensão positiva) e GND (terra). Alguns datasheets rotulam o trilho negativo como V_SS; é funcionalmente idêntico.

Diferente de amp-ops, CIs de lógica digital usam uma única referência de terra. Um sinal "alto" significa que o pino está em V_DD relativo à terra, enquanto "baixo" está em GND.

Todas as entradas de portas não utilizadas são ligadas a V_DD ou GND. Deixá-las flutuando pode permitir que cargas estáticas forcem os transistores internos a um estado indefinido, potencialmente causando consumo excessivo de corrente ou danos. Aterrar ou puxar para alto é suficiente; a escolha depende de qual trilho está mais acessível na protoboard.

Não ligue saídas de portas não utilizadas a nenhum trilho de alimentação. Forçar uma saída a um nível fixo curto-circuita a porta e pode destruir o chip. Saídas são auto-geradas e devem permanecer livres para oscilar.

Os dois resistores de 10 kΩ servem como dispositivos pull-down. Quando uma chave está aberta, o resistor puxa a entrada para GND, garantindo um estado "baixo" limpo. Quando a chave fecha, a entrada é levada diretamente a V_DD, dando estado "alto". Isso evita que a entrada flutue devido a estática parasitária.

Com o circuito montado, você pode agora mapear a tabela-verdade da porta NAND experimentalmente. Coloque as chaves em todos os estados possíveis e anote se o LED acende. Registre os resultados em uma folha como segue:

As colunas rotuladas "A" e "B" representam as duas chaves de entrada; uma chave fechada indica lógica "1", e uma chave aberta (puxada para baixo) indica lógica "0". O status do LED mostra a saída da porta. Após completar as quatro combinações, compare sua tabela com a tabela-verdade padrão NAND.

Embora este setup seja adaptado para a porta NAND 4011, o mesmo esquema de duas chaves, dois pull-downs e LED funciona para qualquer CI quádruplo lógico, desde que você consulte o diagrama de pinagem correto. Lembre-se que atribuições de pinos diferem entre famílias de CIs.

Melhoria Adicional

Para aumentar a clareza, adicione LEDs para exibir os níveis de entrada reais. Assim, você pode verificar se uma chave está propriamente fechada ou aberta sem inferir pela posição:

PLANILHA RELACIONADA:

• Planilha de Portas Lógicas Básicas