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Lab 4: Transistores / CI

Esse laboratório tem como objetivo trabalhar com os conceitos básicos de portas lógicas do tipo RTL realizadas a base de transistores discretos do tipo BJT e também trabalhar com componentes integrados (CI) da família CMOS.

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.

Exercise

  1. Abra o site: http://www.falstad.com/circuit/
  2. ➡️ Arquivo ➡️ Importar Arquivo Texto ➡️ Copiar e colar o texto a seguir: code.txt

Vocês devem obter o seguinte diagrama:

Tarefa

Com o circuito carreado no site:

  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

Exercise

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: circuito

Exercise

  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

Iremos implementar portas lógicas e equações booleanas com transistores BJT. Para isso vamos utilizar o TinkerCad, que irá permitir realizarmos uma montagem similar a que seria feito no laboratório.

Material

Cada grupo receberá:

  • Duas protoboards
  • Duas baterias 9V
  • Jumpers macho-macho
  • 12 transistores BJT-N BC337
  • 24 resistores de 2k
  • 6 LEDs coloridos (Vermelho, amarelo e verde)

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

Info

Cada grupo deve realizar duas implementações do circuito a seguir que representa uma NOT:

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

RTL Not

Para isso vocês deverão:

Exercise

Passos:

  1. Entrar no site TinkerCad
  2. Logar (com google) e criar conta pessoal
  3. Circuis ➡️ Criar novo Circuito
  4. Fazer a implementação a seguir

Protoboard

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.

Exercise

Levante a tabela verdade do circuito recém montado e verifique se é mesmo uma NOT.

Tip

  • Utilize o datasheet do transistor para entender a montagem

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

Solução

https://www.tinkercad.com/things/bnWLvsuRvp6-neat-lappi-snicket/editel?sharecode=QlWtWTyxH18eCaVwphNPVTpzdXW9IlssdNUmgLUOtAU

Tip

O fio 'rosa' da imagem anterior representa a entrada do seu circuito, você deve colocar ela em GND para simular uma entrada 0 e em VCC para simular uma entrada 1.

1b - NOT NOT

Agora que as duas NOT foram implementadas, testadas e estão funcionado, conecte a saída de uma na entrada da outra. Isso vai fazer com que a saída siga o valor de referência da entrada.

not not A

Exercise

Levante a tabela verdade do circuito recém montado

Exercise

  1. Levante a tabela verdade do circuito recém montado.
  2. Qual porta lógica é essa?

b - OR

Exercise

Implemente uma porta lógica do tipo OR usando transistores BJT. Essa porta terá duas entradas e uma saída, cada entrada deve ser uma chave e a saída um LED.

Utilize a página a seguir para ter ideias de como implementar as portas lógicas em RTL:

c - Equação

Exercise

Implemente a equação lógica a seguir em um circuito do tipo RTL, faca no simulador e se sobrar tempo implemente com transistores na protoboars. 

Q = A.(A.(A+B)+A.C)
  1. Implemente a equação no TinkerCad
  2. Para validar valide com tabela verdade do circuito
    • As duas tabelas precisam ser idênticas!

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 TTL 7400. Exemplos de componentes dessa famílias:

  • 7400: Quatro portas NAND de duas entradas
  • 7401: Quatro portas NAND de duas entradas com coletor aberto
  • 7402: Quatro portas NOR de duas entradas
  • 7403: Quatro portas NAND de duas entradas com coletor aberto
  • 7404: Seis inversores (porta NOT)

Para a lista completa acesse: https://pt.wikipedia.org/wiki/Lista_dos_circuitos_integrados_da_s%C3%A9rie_7400

Vamos continuar no TinkerCad.

a - NOT

Vamos usar o componente 7404 que possui 6 NOTs para fazer a mesma coisa que fizemos com os transistor discreto:

7404

Para mais informações, acesse: https://pt.wikipedia.org/wiki/TTL_7404

Solução

b - Equação

Implemente a equação a seguir com CIs da família 74xx.

Q = (A xor B) or not(C)

Tip

  1. Identifique os componentes
  2. Procure na lista qual o seu nome
  3. Analise os pinos desse componente
  4. Faça a ligação e teste por parte