Lab 1: Transistores / CI

Sugestão de como trabalhar

  1. Realizar individualmente as simulações online
  2. Realizar em grupo a montagem no protoboard

Esse laboratório tem como objetivo trabalhar com os conceitos básicos de portas lógicas realizadas a base de transistores e também trabalhar com componentes integrados (CI).

Existem basicamente três níveis de simulação de componentes eletrônicos: a primeira, puramente lógica utiliza de portas lógicas "ideais" (https://simulator.io/board). Um simulador mais preciso irá utilizar transistores para a implementação dessas portas lógicas porém não leva em consideração todos os fatores físicos-eletrônicos dos componentes (http://falstad.com/circuit/). Já um simulador que leva em consideração as propriedades dos componentes é chamado de SPICE e irá gerar uma simulação mais precisa em termos físicos do circuito original (http://circuitlab.com).

Parte 1 - Circuito misterioso

Vamos usar o simulador do site falstad para implementar um circuito feito com transistores que implementa uma equação booleana.

  1. Abra o site: http://www.falstad.com/circuit/
  2. ➡️ Arquivo ➡️ Importar Arquivo Texto ➡️ Copiar e colar o texto a seguir
$ 1 0.000005 10.20027730826997 52 5 50 5e-11
R 368 64 320 64 0 0 40 6 0 0 0.5
g 368 432 368 496 0 0
t 320 208 368 208 0 1 -5.999999987759469 -1.926578083306543 100 default
w 368 160 368 192 0
t 320 256 368 256 0 1 -1.9265780914939181 -1.2199999820401186e-8 100 default
w 368 224 368 240 0
w 368 272 368 288 0
w 368 368 368 384 0
r 320 208 240 208 0 2000
r 240 256 320 256 0 2000
L 240 208 208 208 0 0 false 5 0
L 240 256 208 256 0 0 false 5 0
r 368 288 368 368 0 2000
r 368 288 448 288 0 2000
t 448 288 496 288 0 1 -5.999999971546844 1.625315590685889e-8 100 default
t 448 368 496 368 0 1 -5.9999999878 -6.362935157139823e-17 100 default
w 448 368 320 368 0
r 320 368 224 368 0 2000
w 496 272 496 160 0
w 496 160 368 160 0
w 368 160 368 64 0
w 496 352 544 352 0
w 544 352 544 160 0
w 544 160 496 160 0
w 496 304 576 304 0
w 496 384 576 384 0
w 576 384 576 304 0
r 576 400 576 464 0 1000
w 368 432 368 384 0
g 576 464 576 512 0 0
M 576 384 640 384 0 2.5
L 224 368 208 368 0 0 false 5 0
w 576 400 576 384 0

Vocês devem obter o seguinte diagrama:

Exercise 1

Com o circuito carregado no site, encontre:

  1. Encontre a tabela verdade do circuito.
    • Faça todas as combinações possíveis de entradas (H/L) e verifique o valor da saída (H/L)
  2. A partir da tabela verdade encontre a equação lógica.
  3. Desenhar o diagrama da equação (simplificado).

Outro circuito misterioso

Implementar o outro circuito feito com transistores que implementa uma equação booleana no simulador do site falstad.

  1. Abra o site: http://www.falstad.com/circuit/
  2. ➡️ Arquivo ➡️ Importar Arquivo Texto ➡️ Copiar e colar o texto a seguir
$ 1 0.000005 10.20027730826997 52 5 50 5e-11
R 368 64 320 64 0 0 40 5 0 0 0.5
L 240 208 208 208 0 0 false 3.6 0
L 240 256 208 256 0 0 false 3.6 0
w 368 192 368 64 0
g 368 528 368 576 0 0
M 576 336 640 336 0 2.5
L 240 304 208 304 0 0 false 5 0
f 240 208 368 208 33 1.5 0.02
w 464 192 464 64 0
w 368 64 464 64 0
f 336 480 368 480 32 1.5 0.02
w 464 224 464 272 0
w 416 272 464 272 0
w 368 224 368 240 0
w 368 240 416 240 0
w 416 240 416 272 0
w 368 384 368 336 0
w 368 336 416 336 0
w 416 304 416 336 0
w 416 336 464 336 0
w 464 336 464 384 0
w 464 336 576 336 0
w 368 416 368 464 0
w 368 496 368 528 0
w 464 416 464 528 0
w 464 528 368 528 0
w 240 304 240 352 0
w 240 352 400 352 0
w 400 352 400 400 0
f 400 400 464 400 32 1.5 0.02
w 336 480 272 480 0
w 272 480 272 256 0
w 272 256 240 256 0
w 272 256 272 144 0
w 272 144 416 144 0
w 416 144 416 208 0
f 416 208 464 208 33 1.5 0.02
f 320 288 416 288 33 1.5 0.02
f 336 400 368 400 32 1.5 0.02
w 336 400 288 400 0
w 288 400 288 224 0
w 288 224 240 224 0
w 240 224 240 208 0
w 320 288 320 304 0
w 320 304 240 304 0

Exercise 2

Assim como no circuito anterior, encontre:

  1. Encontre a tabela verdade do circuito.
    • Faça todas as combinações possíveis de entradas (H/L) e verifique o valor da saída (H/L)
  2. A partir da tabela verdade encontre a equação lógica.
  3. Desenhar o diagrama da equação (simplificado).

Parte 2 - RTL e CMOS

Material

Cada grupo receberá:

  • 2 protoboards
  • 2 baterias 9V
  • Jumpers macho-macho
  • 10 transistores NPN
  • 20 resistores de 330
  • 2 CIs CD4007
  • 10 LEDs coloridos (Vermelho e amarelo)

Trabalhando

O grupo deve se organizar e executar da melhor forma possível (com todos participando) os módulos a seguir, utilizando:

  • Entradas: Utilizar como entrada do sistema (A,B,C,...) jumpers que estarão hora conectados em GND (0) ou VCC (1).
  • Saídas: A saída final do sistema deve ser representada com um LED, sendo aceso indicando lógica 1 e apagado lógica 0.
  • Validação: Uma tabela verdade do circuito deve ser apresentada e em aula demonstrado que o circuito representa a tabela.

a - NOT

Iremos implementar uma porta lógica do tipo NOT usando transistores BJT.

RTL Not

Warning

Se você perceber que algum transistor está aquecendo, desconecte a bateria e verifique novamente a montagem. Isso é um sinal que alguma coisa está errada.

Tarefa

Levante a tabela verdade do circuito recém montado, é uma not?

Tip 1

  • Utilize o datasheet do transistor para entender a montagem

  • Mexa na chave para aplicar 0 ou 1 na entrada do circuito.

Implementação CMOS

Implemente agora uma porta lógica do tipo NOT usando transistores MOS utilizando o CD4007.

Circuitos Integrados - CI

Circuitos integrados são componentes eletrônicos que possuem internamente dezenas a milhares de transistores que implementam circuitos eletrônicos, facilitando e possibilitando o desenvolvimento de projetos de hardware mais complexos.

Existem várias 'famílias' de CI que implementam portas lógicas, iremos trabalhar com uma versão chamada de série CD 4000. Exemplos de componentes dessa famílias:

  • 4001: Quatro portas NOR de duas entradas
  • 4011: Quatro portas NAND de duas entradas
  • 4071: Quatro portas OR de duas entradas

Para a lista completa acesse: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_4000-series_integrated_circuits

NOT

Implemente agora uma porta lógica do tipo NOT usando o CD4001.

Praticando no papel

Questão extraída do EXAME NACIONAL DE DESEMPENHO DOS ESTUDANTES 2014

Um processo monitora três parâmetros para controle de qualidade: A, B, C. Cada parâmetro possui um valor na decisão final da qualidade. A existência do parâmetro A pesa 30% na decisão final, enquanto os parâmetros B e C pesam 30% e 40%, respectivamente. O grau de aprovação do processo é dado pela soma dos percentuais desses três parâmetros. O produto gerado pelo processo é considerado aprovado, caso o grau de qualidade seja superior ou igual a 60%, e reprovado, se o grau de qualidade for inferior ou igual a 30%.

Caso o grau de qualidade esteja entre 30% e 60%, a decisão de aprovação ou reprovação é indiferente. Por exemplo, se um produto apresentar os parâmetros A e B, terá grau de qualidade de 30%+30% = 60%, levando à sua aprovação.

Com base na situação descrita, projete um circuito lógico com o menor número possível de portas lógicas, para determinar a aprovação ou não do produto de acordo com a presença de seus parâmetros. As entradas do circuito serão os sinais A, B,C, e a saída será um sinal Z. Para atingir esse objetivo, faça o que se pede nos itens a seguir.

  1. Monte uma tabela verdade do sistema com a formação A, B, C. (valor: 4,0 pontos)
  2. Desenhe o circuito final otimizado utilizando portas lógicas. (valor: 6,0 pontos)
  3. (extra, não tinha no enade) Implemente a lógica encontrada com CIs da família 74xx