Portas lógicas

Agora que já entendemos que um transistor pode agir como um switch controlado eletricamente, podemos construir elementos de um circuito que implementam funções lógicas onde as entradas e saídas são tensões baixas ou altas. Esses componentes são chamados de portas lógicas (logic gates).

No circuito AND com transistores, substituímos os switches mecânicos por transistores para que as entradas fossem controladas eletricamente e não dependessem de intervenção humana. Essa qualidade fará cada vez mais sentido conforme avançamos.

Porta AND com transistores

O circuito abaixo implementa uma porta AND usando dois transistores NPN em série. Veja o que cada parte faz logo após a imagem:

• $+5\,\text{V}$ (topo) é o $V_{cc}$ , a alimentação do circuito. A corrente de $4{,}1\,\text{mA}$ desce pelo fio vertical quando o circuito está conduzindo.
• Transistor superior recebe $V_{in} = 5\,\text{V}$ pela esquerda, através do resistor de $1\,\text{k}\Omega$. Esse resistor protege a base de corrente excessiva. Com $5\,\text{V}$ na base, o transistor abre sua comporta interna e permite que a corrente passe do coletor ao emissor.
• Transistor inferior faz o mesmo. Também recebe $5\,\text{V}$ pela base através de um resistor de $1\,\text{k}\Omega$, e também abre sua comporta.
• Resistor de $1\,\text{k}\Omega$ no emissor (antes do GND) limita a corrente total que flui para o que seria a nossa saída.
• GND (símbolo de três linhas no fundo) é o retorno do circuito (o ponto de $0\,\text{V}$).

O ponto de $V_{out}$ seria medido entre os dois transistores. Como ambos estão com $5\,\text{V}$ na base, ambas as comportas estão abertas, a corrente flui do topo ao GND, e $V_{out}$ fica alto, ou seja, saída 1.

Se qualquer uma das entradas fosse $0\,\text{V}$, aquele transistor bloquearia a corrente e $V_{out}$ ficaria baixo - saída 0. Isso é exatamente o comportamento AND:

$V_{in}$ A	$V_{in}$ B	$V_{out}$
Baixo (0)	Baixo (0)	Baixo (0)
Baixo (0)	Alto (1)	Baixo (0)
Alto (1)	Baixo (0)	Baixo (0)
Alto (1)	Alto (1)	Alto (1)

Essa é uma implementação da lógica AND, algo similar poderia ser feito com o OR.

Porta OR com transistores

A lógica é a mesma que vimos com os switches mecânicos, mas a estrutura muda: em vez de colocar os transistores em série como no AND, colocamos em paralelo.

Circuito OR com transistores

Os dois transistores estão lado a lado, cada um com sua própria entrada. Veja o que acontece:

• $+5\,\text{V}$ (topo) é o $V_{cc}$ - alimentação do circuito, como sempre.
• Transistor esquerdo recebe $V_{in} = +0{,}7\,\text{V}$ pela base através do resistor de $1\,\text{k}\Omega$. Essa tensão está no limiar - o transistor conduz muito pouco, praticamente nada ($0{,}7\,\text{pA}$).
• Transistor direito recebe $V_{in} = +5\,\text{V}$ pela base através do resistor de $1\,\text{k}\Omega$. Esse transistor está plenamente ativado e conduz $4{,}3\,\text{mA}$.

Como os dois transistores estão em paralelo, basta um deles estar ativado para que a corrente flua de $V_{cc}$ ao GND e $V_{out}$ fique alto. Isso é exatamente o comportamento OR.

No exemplo da imagem, A = 0 e B = 1, portanto 0 OR 1 = 1 a saída é alta, confirmada pela corrente de $4{,}3\,\text{mA}$ fluindo pelo lado direito.

$V_{in}$ A	$V_{in}$ B	$V_{out}$
Baixo (0)	Baixo (0)	Baixo (0)
Baixo (0)	Alto (1)	Alto (1)
Alto (1)	Baixo (0)	Alto (1)
Alto (1)	Alto (1)	Alto (1)

Diferença estrutural entre AND e OR

	AND	OR
Transistores	Em série	Em paralelo
Condição para saída alta	Os dois ativados	Qualquer um ativado
Analogia	Duas torneiras no mesmo cano - ambas precisam estar abertas	Dois canos distintos - basta um estar aberto

Acabamos então de entender como uma porta lógica, um circuito que implementa funções lógicas, pode ser construída com transistores e resistores. Deste ponto em diante, vamos esconder um pouco os detalhes de como portas lógicas são implementadas e tratá-las como componentes únicos.

Isso não é um capricho meu nem uma simplificação acadêmica. Portas lógicas estão disponíveis para compra já montadas e empacotadas fisicamente como um componente único, então não existe a necessidade de construir uma por meio de transistores, exceto para fins de aprendizado, como fizemos aqui.

Existem símbolos padrões para cada porta lógica. Veja alguns exemplos:

Você pode ter percebido alguns círculos adicionados aos símbolos. Eles servem para representar NOT, ou seja, inversão. A porta NOT é o exemplo mais simples disso, pois a saída é sempre o inverso da entrada. Se a entrada for 1, a saída é 0, e vice-versa. A porta NAND é simplesmente um NOT AND, onde os resultados que seriam 1 passam a ser 0, e os que seriam 0 passam a ser 1.

Vale introduzir aqui o conceito de encapsulamento, uma escolha de design que esconde os detalhes internos de um componente e documenta apenas como interagir com ele.

Dessa forma quando os criadores de um componente querem que outras pessoas possam usá-lo sem precisar entender cada detalhe da implementação, eles encapsulam. É exatamente o que estamos fazendo ao tratar uma porta lógica como uma caixinha preta com entradas e saída, sem precisar pensar nos transistores por baixo.

Projetando com portas lógicas

Nos capítulos anteriores vimos como combinar diferentes operações lógicas com o exemplo da praia. Uma vez que a tabela verdade está escrita, a lógica pode ser implementada fisicamente no hardware usando portas lógicas.

Se eu estiver de férias (entrada A) e se o clima estiver quente (entrada B)

Ou se for meu aniversário (entrada C)

Então eu vou para praia (Saída)

em outras palavras (A AND B) OR C

Usando portas lógicas, essa operação pode ser descrita da seguinte forma:

Se ambos, A e B, forem 1, então a saída da porta lógica AND será 1. A saída dessa mesma porta AND se conecta a primeira entrada da porta OR, juntamente com a entrada C. Se ou a saída de AND ou C for 1, então o resultado será 1.

Quando combinamos portas lógicas de forma que a saída depende apenas das entradas presentes, o circuito é chamado de circuito combinacional (combinational logic circuit). Um conjunto de entradas sempre produz a mesma saída, sem precisar de memória. Um AND ou um OR são combinacionais: não importa o histórico, se você colocar A=1 e B=1, a saída é sempre 1.

Isso contrasta com a lógica sequencial (sequential logic), onde a saída depende tanto das entradas presentes quanto das passadas. É o que permite que um circuito "lembre" de algo, sendo a base de registradores, contadores e flip-flops, que são os blocos construtivos da memória RAM e do processador. O circuito responde diferente dependendo do que aconteceu antes, não só do que está acontecendo agora. Mas isso é assunto para depois.

Resumindo:

• Combinacional: a saída depende apenas das entradas presentes. Mesmas entradas resultaria sempre na mesma saída.
• Sequencial: a saída depende das entradas presentes e das passadas. O circuito tem memória.

Circuitos integrados (ICs)

Fabricantes vendem portas lógicas prontas, já montadas em um único componente chamado circuito integrado (integrated circuit - IC), também chamado de chip.

Um IC contém múltiplos componentes em uma única peça de silício, com pinos externos para conexão. O formato mais comum é o DIP (dual in-line package), um formato retangular com duas fileiras de pinos, compatível com breadboard.

Os transistores dentro de um IC são muito menores que transistores discretos, o que resulta em circuitos mais rápidos e mais baratos.

informação

Um componente discreto é um dispositivo eletrônico contendo um único elemento, como um resistor ou um transistor.