Como funcionam as portas eletrônicas

Introdução

Se você leu o artigo sobre a lógica booleana, então sabe que os dispositivos digitais dependem de portas booleanas. Você também leu no artigo que uma maneira de implementar portas envolve o uso de relés. No entanto, nenhum computador moderno usa relés, eles usam "chips".

Que tal fazer experiências com portas booleanas e chips? E se você quisesse construir seus próprios dispositivos digitais? Isso não é tão difícil. Neste artigo, você verá como é possível experimentar todas as portas analisadas no artigo de lógica booleana. Vamos falar sobre onde obter componentes, como você pode fazer sua conexão e como ver o que eles estão fazendo. No processo, você abrirá as portas para todo um novo universo de tecnologia.

Preparando o cenário

No artigo Como funciona a lógica booleana, vimos as sete portas fundamentais. Essas portas são os blocos de montar de todos os dispositivos digitais. Também vimos como combinar essas portas em funções de nível cada vez mais elevado, como adicionadores completos. Se você quiser fazer experiências com essas portas, a maneira mais fácil é adquirir algo chamado chips TTL e fazer rapidamente a fiação de circuitos em um dispositivo chamado placa de montagem sem solda. Vamos falar um pouco sobre a tecnologia e o processo, para que você possa conhecer o assunto.

Se você analisar a história da tecnologia de computadores, descobrirá que todos eles são projetados ao redor de portas booleanas. Entretanto, as tecnologias usadas para implementar essas portas mudaram drasticamente ao longo dos anos. As primeiras portas eletrônicas foram criadas usando relés. Essas portas eram lentas e volumosas. Em pouco tempo, as válvulas a vácuo substituíram os relés. As válvulas eram muito mais rápidas, mas também eram volumosas e, além disso, eram perseguidas pelo problema da queima (parecido com o das lâmpadas). Assim que os transistores foram aperfeiçoados (eles foram inventados em 1947), os computadores começaram a usar portas feitas de transistores discretos. Os transistores possuíam muitas vantagens: alta confiabilidade, baixo consumo de energia e tamanho pequeno comparado às válvulas ou relés. Esses transistores eram componentes discretos, o que significa que cada transistor era um dispositivo independente. Cada um era montado em uma pequena cápsula metálica com, aproximadamente, o tamanho de uma ervilha com três fios presos a ela. Poderiam ser necessários três ou quatro transistores, diversos resistores e diodos para criar uma porta.

No início dos anos 60 foram inventados os circuitos integrados (CIs). Transistores, resistores e diodos podiam ser fabricados juntos com "chips" (pastilhas) de silício. Essa descoberta deu origem aos CIs SSI (de small scale integration, integração em pequena escala). Um CI SSI consiste de uma pastilha de 3 milímetros quadrados de silício onde talvez 20 transistores e vários outros componentes foram gravados. Um chip comum poderia conter de quatro a seis portas individuais. Esses chips encolheram o tamanho dos computadores por um fator aproximado de 100 e tornou sua fabricação muito mais fácil.

À medida que as técnicas de fabricação das pastilhas melhorava, mais e mais transistores podiam ser gravados em um único chip. Isso levou aos chips MSI (de integração de média escala) que contêm componentes simples, como adicionadores, feitos de múltiplas portas. Então a LSI (integração em larga escala) permitiu que os projetistas encaixassem todos os componentes de um microprocessador simples em um único chip. O processador 8080, lançado pela Intel em 1974, foi o primeiro microprocessador montado em um único chip bem sucedido comercialmente. Ele era um chip LSI que continha 4.800 transistores. Desde então, a tecnologia VLSI tem aumentado constantemente o número de transistores. O primeiro processador Pentium foi lançado em 1993 com 3,2 milhões de transistores. Chips atuais como o Intel Core2 Duo tem quase 300 milhões de transistores.

Para fazer experimentos com as portas, vamos voltar um pouco no tempo e usar CIs SSI. Esses chips ainda são amplamente disponíveis, extremamente confiáveis e baratos. Os CIs específicos que usaremos são de uma família chamada TTL (de Transistor Transistor Logic, lógica de transistor a transistor, que recebeu este nome devido à fiação específica das portas no CI). Os chips que usaremos são da série TTL mais comum, chamada série 7400 . Há talvez cerca de 100 diferentes chips SSI e MSI na série, que abrangem desde portas AND simples até completas ULAs (unidades lógicas aritméticas).

Os chips da série 7400 são alojados em DIPs (de dual inline packages, cápsulas duplas em linha). Como ilustrado à direita, um DIP é uma pequena cápsula plástica com 14, 16, 20 ou 24 pequenas pontas metálicas protuberantes para possibilitar as conexões até portas em seu interior. A maneira mais fácil de construir algo a partir dessas portas é colocar os chips em uma placa de montagem sem solda. A placa de montagem permite que você faça a fiação dos componentes simplesmente encaixando pedaços de fios nos orifícios de conexão existentes na placa.

Uma placa de montagem sem solda

Todas as portas eletrônicas necessitam de uma fonte de energia elétrica. As portas TTL usam 5 volts para sua operação. Os chips são bastante exigentes quanto a essa voltagem, então, é recomendável usar uma fonte de alimentação de 5 volts regulada e sem ruídos sempre que trabalhar com chips TTL. Outros modelos de chips, como a série 4000 de chips CMOS, são bem menos específicos quanto às voltagens utilizadas. Os chips CMOS possuem a vantagem adicional de usar muito menos energia. No entanto, eles são muito sensíveis à eletricidade estática e isso os torna menos confiáveis, a menos que você possua um ambiente de trabalho livre de estática. Assim, ficaremos com o TTL para esta aplicação.