Dominando o Projeto de Circuitos Digitais: Seu Guia Completo

Circuitos digitais ou eletrônica digital são eletrônicos que usam sinais digitais. Diferem de circuitos analógicos, pois estes operam em sinais analógicos cuja operação é muito mais suscetível a atenuação de sinal, tolerância de fabricação e ruído. Tipicamente, projetistas usam grandes conjuntos de portas lógicas em circuitos integrados para criar circuitos digitais.

Neste guia amigável, contamos tudo sobre circuitos digitais. Continue lendo para saber mais.

Breve História dos Circuitos Digitais

Em 1705, Gottfried Wilhelm Leibniz refinou o sistema numérico binário. Leibniz estabeleceu que, usando o sistema binário, era possível unir princípios de aritmética e lógica. Em meados do século XIX, George Boole concebeu a filosofia digital como a conhecemos hoje. Mais tarde, em 1886, Charles Sanders Peirce explicou como cientistas poderiam realizar operações lógicas comutando circuitos elétricos de comutação. Então, em vez de relés para operações lógicas, projetistas começaram a usar tubos de vácuo.

Com o desenvolvimento de computadores digitais após a Segunda Guerra Mundial, o cálculo numérico substituiu o analógico. Logo, elementos de circuito puramente eletrônicos substituíram seus equivalentes mecânicos e eletromecânicos.

Em 1959, Mohamed Atalla e Dawon Kahng inventaram o transistor MOSFET, que revolucionou dramaticamente a indústria eletrônica. Desde o final do século XX, o transistor MOSFET desempenhou papel integral na construção de circuitos digitais. Atualmente, é o dispositivo semicondutor mais popular globalmente.

Inicialmente, cada chip de circuito integrado tinha apenas alguns transistores. À medida que a tecnologia avançou, tornou-se possível colocar milhões de transistores MOSFET em um único chip. Hoje, projetistas podem colocar bilhões de transistores MOSFET em um único chip. É evidência de quão longe os circuitos digitais progrediram desde seus primórdios.

2. Propriedades dos Circuitos Digitais

Uma das maiores razões pelas quais circuitos digitais são altamente acessíveis, como mencionamos, é que é fácil representá-los digitalmente sem que o ruído os degrade. Por exemplo, desde que o ruído captado durante a transmissão não seja suficiente para impedir a identificação da rota, sinais de áudio sucessivos podem ser reconstruídos na ordem de 1s e 0s sem erros.

Para obter representação mais precisa em um sistema digital, pode representar o sinal usando mais dígitos binários. Claro, isso requer mais circuitos digitais, mas como o mesmo tipo de hardware lida com cada número, o sistema é facilmente escalável. Coisas são diferentes com sistema analógico que precisa de melhorias fundamentais nas características de ruído e linearidade para produzir nova resolução.

Quando usa sistemas digitais controlados por computador, é possível adicionar muitas mais funções usando revisão de software. Em outras palavras, não precisa de mudanças de hardware. Além disso, pode introduzir melhorias em seu sistema digital fora da fábrica apenas atualizando o software.

Outra propriedade dos circuitos digitais é que permitem armazenamento de informação mais acessível. Isso porque sistemas digitais são imunes a interferência e podem armazenar e recuperar dados sem degradação de desempenho.

Muitos dos últimos sistemas digitais tipicamente traduzem sistemas analógicos contínuos para sinais digitais. Isso pode causar erros de quantização. Para manter esses erros no mínimo, certifique-se de que o sistema digital pode armazenar dados digitais adequados para representar o sinal com grau de fidelidade desejável.

3. Construção de Circuitos Digitais

Engenheiros usam várias maneiras de construir portas lógicas. Investigaremos algumas abaixo.

3.1 Construção Usando Portas Lógicas

Fabricantes de circuitos digitais tipicamente usam pequenos circuitos eletrônicos conhecidos como portas lógicas para criar circuitos digitais. Com essas portas lógicas, é possível criar lógica combinacional. Cada porta lógica age sobre sinais lógicos para realizar uma função de lógica Booleana. Geralmente, projetistas usam chaves controladas eletronicamente para criar portas lógicas. Geralmente, esses interruptores são transistores. Válvulas termiônicas também podem ajudar a fazer o mesmo trabalho. A saída de uma porta lógica pode alimentar outras portas lógicas ou controlá-las.

3.2 Construção Usando Tabelas de Consulta

O segundo tipo de circuitos digitais apresenta construção a partir de tabelas de consulta. Tipicamente, tabelas de consulta realizam funções semelhantes a circuitos digitais baseados em portas lógicas. Um benefício significativo de canais digitais baseados em tabelas de consulta é que projetistas podem facilmente reprogramá-los sem fazer alterações na fiação. Em outras palavras, é fácil reparar erros de projeto sem precisar mudar a disposição dos fios. Ao lidar com produtos de pequeno volume, projetistas preferem dispositivos lógicos programáveis a outros tipos de circuitos digitais. No projeto desses dispositivos lógicos programáveis, engenheiros tipicamente usam software de automação de projeto.

3.3 Circuitos Integrados

Na construção de circuitos integrados, engenheiros usam múltiplos transistores em um chip de silício. Esta é a forma mais acessível de criar grande volume de portas lógicas interconectadas. Geralmente, projetistas interconectam circuitos integrados em uma placa de circuito impresso (PCI), que é uma placa que mantém vários componentes elétricos e os conecta com trilhas de cobre.

4. Projeto de Circuitos Digitais

No projeto de circuitos digitais, engenheiros usam várias maneiras de reduzir redundância lógica, mantendo a complexidade do circuito no mínimo. Mas por que é essencial manter a complexidade baixa? Bem, complexidade mínima reduz contagem de componentes e evita erros potenciais, o que por sua vez mantém custos baixos. Algumas das técnicas mais comuns de redução de redundância lógica incluem álgebra Booleana, diagramas de decisão binária, algoritmo Quine–McCluskey, mapas de Karnaugh e método heurístico de computador. Engenheiros de software tipicamente usam métodos heurísticos de computador para realizar essas operações.

4.1 Representação

Representação é parte essencial no projeto de circuitos digitais. A forma clássica de representar circuitos digitais é usando um conjunto equivalente de portas lógicas onde projetistas usam forma diferente para representar cada símbolo lógico. Engenheiros também podem construir um sistema equivalente de chaves eletrônicas para representar circuitos digitais. Representações geralmente têm formatos de arquivo numéricos para análise automatizada.

4.1.1 Combinacional vs. Sequencial

Na escolha de imagens, projetistas tipicamente consideram vários tipos de sistemas digitais. Dois grupos comuns são sistemas combinacionais e sequenciais. Sistemas combinacionais apresentam mesmas saídas para mesmas entradas. Sistemas sequenciais são sistemas combinacionais que realimentam algumas saídas como entradas.

Existem duas subcategorias de sistemas sequenciais: sistemas sequenciais síncronos que mudam de estado todos de uma vez e sistemas sequenciais assíncronos que mudam toda vez que as entradas mudam.

4.1.2 Projeto de Computador

Um computador é o equipamento de lógica de transferência de registrador de propósito geral mais comum. A máquina é um ábaco binário automático. Um microsequenciador executa a unidade de controle da rede, que é ela mesma um microprograma. A grande maioria dos computadores é síncrona, embora também tenham existido computadores assíncronos no mercado.

4.2 Preocupações de Projeto em Circuitos Digitais

Como engenheiros usam componentes analógicos em circuitos eletrônicos digitais, a natureza analógica de tais componentes pode interferir no comportamento digital desejado. O projeto de canais digitais precisa gerenciar tópicos como margens de tempo, ruído, capacitância e indutâncias parasitas.

4.3 Ferramentas de Projeto de Circuitos Digitais

Ao longo dos anos, engenheiros projetaram grandes máquinas lógicas que visam minimizar esforço de engenharia custoso. Atualmente, existem programas de computador conhecidos como ferramentas de automação de projeto eletrônico (EDA) para esse propósito. Por exemplo, há software de fabricabilidade que fornece excelente assistência a projetistas de circuitos digitais.

4.4 Testando um Circuito Lógico

A principal razão pela qual engenheiros testam um circuito lógico é verificar se o projeto atende às especificações de tempo e funcionais. É crucial examinar cada cópia do canal digital para assegurar que o processo de fabricação não introduziu falhas.

5. Considerações de Projeto de Circuitos Digitais

A progressão do projeto de circuitos digitais tem sido lenta mas constante. Traçamos esta jornada observando as várias famílias lógicas abaixo.

5.1 Relés

O primeiro projeto de canais digitais apresentou lógica de relé. Este projeto era confiável e barato. No entanto, era lento, e havia falhas mecânicas ocasionais. Tipicamente, dez fanouts que faziam arco nos contatos.

5.2 Vácuos

Lógica de vácuo seguiu imediatamente a lógica de relé. O principal benefício dos vácuos era que eram rápidos. No entanto, geravam muito calor, e os filamentos queimavam frequentemente. O desenvolvimento de tubos de computador nos anos 1950 foi melhoria significativa nos vazios, pois esses tubos podiam rodar por centenas de milhares de horas.

5.3 Lógica Resistor-Transistor

Esta foi a primeira família lógica semicondutora. A lógica resistor-transistor era milhares de vezes mais confiável que tubos. Usava muito menos energia e funcionava mais frio. No entanto, seu fan-out era muito baixo: 3 no total. Mais tarde, a lógica diodo-transistor aumentou o fan-out para 7 e reduziu ainda mais a potência.

5.4 Lógica Transistor-Transistor

Uma melhoria dramática sobre lógicas anteriores, a lógica transistor-transistor tinha fan-out de 10. Mais tarde, melhorou para 20. Esta lógica também era notavelmente rápida. Ainda está em uso hoje em projetos específicos de circuitos digitais.

5.5 Lógica Acoplada por Emissor

O modelo acoplado por emissor é incrivelmente rápido. No entanto, esta lógica usa muita potência. Computadores de alto desempenho com componentes de média escala usam extensivamente esta lógica.

5.6 Lógica CMOS

Lógica CMOS é de longe a mais popular para circuitos integrados hoje. A lógica é rápida, fornece alta densidade de circuito e baixa potência por porta lógica. Até computadores grandes e rápidos usam esta lógica.

Últimos Desenvolvimentos no Campo de Circuitos Digitais

Pesquisadores na área de circuitos digitais fizeram recentemente progressos significativos. Abaixo alguns exemplos:

6.1 Uso de Memristores

Em 2009, por exemplo, pesquisadores descobriram que memristores podem ajudar a implementar armazenamento de estado Booleano. Isso fornece uma família lógica completa que apresenta pequenas quantidades de potência e espaço com uso de processos CMOS simples.

6.2 Descoberta de RSFQ

Pesquisadores também descobriram supercondutividade. Esta descoberta torna possível para engenheiros desenvolver tecnologia de circuito de fluxo quântico único rápido (RSFQ) que usa junções de Josephson em vez de transistores. Engenheiros têm tentado mais recentemente construir sistemas de computação puramente ópticos que podem processar informação digital usando elementos visuais não lineares.

Resumo

Circuitos digitais estão no centro da eletrônica digital e processamento de computadores atuais. Com sua baixa suscetibilidade a ruído e degradação de qualidade, esses circuitos são muito mais preferíveis a circuitos analógicos. E com engenheiros e pesquisadores dedicados ao progresso do campo de canais digitais, o projeto e desempenho desses dispositivos só melhorarão.

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