Um guia completo para construir circuitos digitais

Circuitos digitais ou eletrônica digital são eletrônicos que usam sinais digitais. Eles são diferentes dos circuitos analógicos, pois os circuitos analógicos operam em sinais analógicos cuja operação está muito mais sujeita à atenuação do sinal, tolerância de fabricação e ruído. Normalmente, os projetistas usam grandes conjuntos de portas lógicas em circuitos integrados para fazer circuitos digitais.

Neste guia amigável, informamos tudo sobre circuitos digitais. Leia para saber mais.

Uma 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 os princípios da aritmética e da 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 os cientistas podiam realizar operações lógicas comutando circuitos elétricos de comutação. Então, em vez de relés para operações lógicas, os projetistas começaram a usar tubos de vácuo.

Com o desenvolvimento dos computadores digitais após a Segunda Guerra Mundial, o cálculo numérico substituiu o analógico. Logo, elementos de circuitos puramente eletrônicos substituíram suas contrapartes mecânicas e eletromecânicas.

Em 1959, Mohamed Atalla e Dawon Kahng inventaram o transistor MOSFET, que revolucionou drasticamente a indústria eletrônica. A partir do final do século 20, o transistor MOSFET desempenhou um papel fundamental na construção de circuitos digitais. Atualmente, é o dispositivo semicondutor mais popular em todo o mundo.

Inicialmente, cada chip de circuito integrado tinha apenas alguns transistores. Com o avanço da tecnologia, tornou-se possível colocar milhões de transistores MOSFET em um único chip. Hoje, os designers podem colocar bilhões de transistores MOSFET em um único chip. É uma evidência de quão longe os circuitos digitais progrediram desde seus primeiros dias.

2. Propriedades dos circuitos digitais

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

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

Onde você estiver usando sistemas digitais controlados por computador, é possível adicionar muito mais funções usando revisão de software. Em outras palavras, você não precisa de nenhuma alteração de hardware. Além disso, você pode introduzir melhorias em seu sistema digital fora da fábrica, apenas atualizando o software.

Outra propriedade dos circuitos digitais é que eles permitem um armazenamento de informações mais acessível. Isso ocorre porque os sistemas digitais são imunes a interferências e podem armazenar e recuperar dados sem prejudicar o desempenho.

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

3. Construção de Circuitos Digitais

Os engenheiros usam várias maneiras de construir portas lógicas. Investigaremos alguns deles a seguir.

3.1 Construção usando portas lógicas

Os fabricantes de circuitos digitais normalmente usam pequenos circuitos eletrônicos conhecidos como portas lógicas para criar cursos digitais. Com essas portas lógicas, é possível criar lógica combinacional. Cada porta lógica atua em sinais lógicos para realizar uma função da lógica booleana. Geralmente, os projetistas usam interruptores controlados eletronicamente para criar portas lógicas. Normalmente, esses interruptores são transistores. As 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 pesquisa

O segundo tipo de circuitos digitais apresenta construção a partir de tabelas de consulta. Normalmente, as tabelas de pesquisa executam funções semelhantes às dos circuitos digitais baseados em portas lógicas. Um benefício significativo dos canais digitais baseados em tabelas de pesquisa é que os projetistas podem reprogramá-los facilmente sem fazer nenhuma alteração na fiação. Em outras palavras, é fácil reparar erros de projeto sem a necessidade de alterar a disposição dos fios. Ao lidar com produtos de pequeno volume, os projetistas preferem dispositivos lógicos programáveis ​​a outros tipos de circuitos digitais. Ao projetar esses dispositivos lógicos programáveis, os engenheiros normalmente usam software de automação de projeto.

3.3 Circuitos Integrados

Na construção de circuitos integrados, os engenheiros usam vários transistores em um chip de silício. Esta é a maneira mais acessível de criar um grande volume de portas lógicas interconectadas. Normalmente, os projetistas interligam circuitos integrados em uma placa de circuito impresso (PCB), que é uma placa que contém vários componentes elétricos e os conecta com traços de cobre.

4. Projeto de Circuitos Digitais

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

4.1 Representação

A representação é uma parte essencial quando se trata do projeto de circuitos digitais. Os engenheiros clássicos representam circuitos digitais usando um conjunto equivalente de portas lógicas onde os designers usam uma forma diferente para representar cada símbolo lógico. Os engenheiros também podem construir um sistema equivalente de chaves eletrônicas para representar circuitos digitais. As representações geralmente têm formatos de arquivo numéricos para análise automatizada.

4.1.1 Combinacional vs. Sequencial

Ao escolher as imagens, os designers normalmente consideram vários tipos de sistemas digitais. Os dois grupos comuns de sistemas digitais são os sistemas combinacionais e os sistemas sequenciais. Os sistemas combinacionais apresentam as mesmas saídas para as mesmas entradas. Os sistemas sequenciais, por outro lado, são sistemas combinacionais que realimentam algumas das saídas como entradas.

Existem mais duas subcategorias de sistemas sequenciais:sistemas sequenciais síncronos que mudam de estado de uma só vez e sistemas sequenciais assíncronos que mudam sempre que as entradas mudam.

4.1.2 Projeto de computador

Um computador é o equipamento lógico de transferência de registradores de propósito geral mais comum. A máquina é um ábaco binário automático. Um micro-sequenciador executa a unidade de controle da rede, que é um microprograma. A grande maioria dos computadores são síncronos, embora também existam computadores assíncronos no mercado.

4.2 Preocupações de projeto em circuitos digitais

Como os 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, portanto, precisa gerenciar tópicos como margens de tempo, ruído, capacitância e indutâncias parasitas.

4.3 Ferramentas de projeto de circuitos digitais

Ao longo dos anos, os engenheiros projetaram máquinas lógicas consideráveis ​​que visam minimizar o dispendioso esforço de engenharia. Atualmente, existem programas de computador conhecidos como ferramentas de automação de projeto eletrônico (EDA) que existem para esse fim. Por exemplo, existe um software de manufaturabilidade que oferece excelente assistência aos projetistas de circuitos digitais.

4.4 Testando um circuito lógico

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

5. Considerações sobre o projeto de circuitos digitais

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

5.1 Relés

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

5.2 Aspiradores

A lógica do vácuo seguiu imediatamente a lógica do relé. O principal benefício dos aspiradores era que eles eram rápidos. No entanto, os aspiradores geravam muito calor e os filamentos frequentemente queimavam. O desenvolvimento de tubos de computador na década de 1950 foi uma melhoria significativa nos vazios, pois esses tubos de computador podiam funcionar por centenas de milhares de horas.

5.3 Lógica resistor-transistor

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

5.4 Lógica transistor-transistor

Uma melhoria dramática em relação às lógicas anteriores, a lógica transistor-transistor tinha um fan-out de 10. Mais tarde, esse fan-out melhorou para 20. Essa lógica também era notavelmente rápida. A lógica ainda está em uso hoje em projetos de circuitos digitais específicos.

5.5 Lógica Acoplada ao Emissor

O modelo acoplado ao emissor é incrivelmente rápido. No entanto, essa lógica usa muito poder. Computadores de alto desempenho com componentes de médio porte usam amplamente essa lógica.

5.6 Lógica CMOS

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

Os mais recentes desenvolvimentos no campo de circuitos digitais

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

6.1 Uso de Memristores

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

6.2 A descoberta do RSFQ

Os pesquisadores também descobriram a supercondutividade. Essa descoberta possibilita que os engenheiros desenvolvam a tecnologia de circuito quântico de fluxo único rápido (RSFQ) que faz uso de junções Josephson em vez de transistores. Mais recentemente, os engenheiros têm tentado construir sistemas de computação puramente ópticos que podem processar informações digitais usando elementos visuais não lineares.

Resumo

Os circuitos digitais estão no centro da eletrônica digital e do processamento computacional de hoje. Com sua baixa suscetibilidade ao ruído e degradação da qualidade, esses circuitos são muito mais preferíveis aos circuitos analógicos. E com engenheiros e pesquisadores se dedicando ao avanço da área de canais digitais, o design e o desempenho desses dispositivos só vão melhorar.

Você está procurando circuitos digitais que atendam perfeitamente às suas necessidades exclusivas? Na WellPCB, nos dedicamos a fornecer soluções de circuitos digitais de alta qualidade para nossos clientes em todo o mundo. Visite nosso site hoje mesmo para saber mais sobre nossos serviços.