Aula 14 - Circuitos integrados lógicos CMOS série 4000

A RCA Semiconductor desenvolveu uma família lógica com tecnologia C-MOS, que ficou conhecida como 4000-Series ou 4000-Family. Ela é caracterizada por consumo de energia muito baixo e uma ampla faixa de tensões operacionais.

A série C-MOS 4000 opera com uma tensão de alimentação de 3 V a 15 V. Isso os torna particularmente interessantes para seus experimentos, pois você não precisa de regulação de tensão. A tensão de 9 V de uma bateria é boa o suficiente.

Mas como a Série 4000 reconhece os sinais para um "0" ou "1" lógico ? Para isso, você deve aderir a certas faixas de voltagem ...

• "0" : Tensão de entrada < 20% da tensão de alimentação.
• "1" : Tensão de entrada > 80% da tensão de alimentação.

Na região entre 20% e 80% , você não pode prever a resposta do circuito. Essa área você tem que evitar o tempo todo.

Características gerais dos CIs CMOS da série 4000

1. Alimentação: 3 a 15 V, pequenas flutuações são toleradas.
2. As entradas têm impedância (resistência) muito alta, o que é bom porque significa que elas não afetarão a parte do circuito onde estão conectadas. No entanto, isso também significa que entradas não conectadas podem facilmente captar ruído elétrico e mudar rapidamente entre estados alto e baixo de forma imprevisível. Isso provavelmente fará com que o CI se comporte de forma errática e aumentará significativamente a corrente de alimentação. Para evitar problemas, todas as entradas não utilizadas DEVEM ser conectadas à alimentação (+Vs ou 0V) , isso se aplica mesmo se essa parte do CI não estiver sendo usada no circuito!
3. As saídas podem drenar e fornecer apenas cerca de 1 mA se você desejar manter a tensão de saída correta para acionar entradas CMOS. Se não houver necessidade de acionar nenhuma entrada, a corrente máxima é de cerca de 5 mA com uma alimentação de 6 V, ou 10 mA com uma alimentação de 9 V (apenas o suficiente para acender um LED). Para alternar correntes maiores, você pode conectar um transistor .
4. Fan-out: uma saída pode acionar até 50 entradas.
5. Tempo de propagação do gate : normalmente, 30 ns para um sinal viajar através de um gate com uma alimentação de 9 V; leva mais tempo em tensões de alimentação mais baixas.
6. Frequência : até 1 MHz, acima disso a série 74 é uma escolha melhor.
7. O consumo de energia (do próprio CI) é muito baixo, alguns µW. É muito maior em altas frequências, alguns mW a 1MHz, por exemplo.

Circuitos integrados lógicos CMOS série 4000

Há muitos CIs na série 4000 e esta página cobre apenas uma seleção, concentrando-se nas portas lógicas, contadores , decodificadores e drivers de aplicações úteis. Para cada CI, há um diagrama mostrando o arranjo dos pinos e breves notas explicam a função dos pinos quando necessário. As notas também explicam se as propriedades do CI diferem substancialmente das características padrão.

• 4081 - AND - quatro portas lógicas (E) de duas entradas.
• 4077 - XNOR - quatro portas lógicas (Não-OU-Exclusivo) de duas entradas.
• 4071 - OR - quatro portas lógicas (OU) de duas entradas.
• 4070 - XOR - quatro portas lógicas (OU-Exclusivo) de duas entradas.
• 4050 - YES - seis portas lógicas (Buffers) de uma entradas.
• 4049 - NOT - seis portas lógicas (Inversora) de uma entradas.
• 4011 - NAND - quatro portas lógicas (Não-E) de duas entradas.
• 4001 - NOR - quatro portas lógicas (Não-OU) de duas entradas.

Portas lógicas estão disponíveis em CIs (chips) que geralmente contêm várias portas do mesmo tipo, por exemplo: Quatro portas lógicas de 2 entradas.

• CI 4001 contém quatro portas NOR de 2 entradas. 

O circuito integrado 4001 consiste em 4 portas NOR de duas entradas. A velocidade máxima de operação depende da tensão de alimentação e está em torno de 10 MHz. Na figura abaixo temos a sua pinagem e a tabela verdade. Baixe no site o datasheet desse componente para obter mais informações.

Porta NOR: NOR = N ot OR . Esta é uma porta OR com a saída invertida, como mostrado pelo 'o' no símbolo output. Uma porta NOR pode ter duas ou mais entradas, sua saída é verdadeira se nenhuma entrada for verdadeira. A saída Q é verdadeira se as entradas NOT A OR B forem verdadeiras: Q = NOT (A OR B).

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado NOR C-Mos Gate CD4001B, CD4002B,CD4025B: 24_01_01 NOR_GATE-SRG .

• CI 4011 contém quatro portas NAND de 2 entradas. 

O circuito integrado CMOS 4011 consiste em 4 portas NAND de duas entradas, as quais podem ser usadas de forma independente, mas com alimentação comum de 5 a 15 V. A velocidade máxima destas portas depende da alimentação mas está em torno de 10 MHz. Na figura abaixo temos a pinagem do 4011 e tabela verdade para uma das portas. Interligando-se as duas entradas podemos usar cada porta como um inversor.

Porta NAND: Esta é uma porta AND com a saída invertida, como mostrado pelo 'o' no símbolo de saída. Uma porta NAND pode ter duas ou mais entradas, sua saída é verdadeira se NÃO todas as entradas forem verdadeiras. A saída Q é verdadeira se a entrada A e a entrada B NÃO forem ambas verdadeiras: Q = NOT (A AND B).

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado NAND C-Mos Gate CD4011B, CD4012B,CD4023B: 24_01_02 NAND_GATE-SRG .

• CI 4070 contém quatro portas EX-OR de 2 entradas. 

O circuito integrado CMOS 4070 consiste em quatro portas Exclusive OR ou Ou-Exclusivo. Essas portas podem ser utilizadas de forma independente com alimentação comum de 5 a 15 V. Na figura abaixo temos a pinagem deste circuito integrado que é encontrado em invólucro DIL de 14 pinos.

Porta EX-OR: EX-clusive-OR . Isto é como uma porta OR , mas excluindo ambas as entradas sendo verdadeiras. A saída é verdadeira se as entradas A e B forem DIFERENTES. Portas EX-OR podem ter apenas 2 entradas. A saída Q é verdadeira se qualquer entrada A for verdadeira OU a entrada B for verdadeira, mas não quando ambas forem verdadeiras : Q = (A AND NOT B) OR (B AND NOT A).

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado EX-OR C-Mos Gate CD4070B: 24_01_03 EX-OR_GATE-SRG .

• CI 4071 contém quatro portas OR de 2 entradas. 

O circuito integrado CMOS 4071 consiste em quatro portas OR ou Ou. Essas portas podem ser utilizadas de forma independente com alimentação comum de 5 a 15 V. Na figura abaixo temos a pinagem deste circuito integrado que é encontrado em invólucro DIL de 14 pinos.

Porta OU - Uma porta OR pode ter duas ou mais entradas, sua saída é verdadeira se pelo menos uma entrada for verdadeira. A saída Q é verdadeira se a entrada A OU a entrada B for verdadeira (ou ambas forem verdadeiras): Q = A OU B.

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado OR C-Mos Gate CD4071B: 24_01_04 OR_GATE-SRG .

• CI 4077 contém quatro portas EX-NOR de 2 entradas. 

O circuito integrado CMOS 4077 consiste em quatro portas Exclusive NOR ou Não-Ou-Exclusivo. Essas portas podem ser utilizadas de forma independente com alimentação comum de 5 a 15 V. Na figura abaixo temos a pinagem deste circuito integrado que é encontrado em invólucro DIL de 14 pinos.

Porta EX-NOR - EX-clusive-NOR . Esta é uma porta EX-OR com a saída invertida, como mostrado pelo 'o' na saída do símbolo. Portas EX-NOR podem ter apenas 2 entradas. A saída Q é verdadeira se as entradas A e B forem as MESMAS (ambas verdadeiras ou ambas falsas): Q = (A E B) OU (NÃO A E NÃO B).

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado XNOR C-Mos Gate CD4077B: 24_01_03 XNOR_GATE-SRG .

• CI 4081 contém quatro portas AND de 2 entradas. 

O circuito integrado CMOS 4081 consiste em quatro portas AND ou E. Essas portas podem ser utilizadas de forma independente com alimentação comum de 5 a 15 V. Na figura abaixo temos a pinagem deste circuito integrado que é encontrado em invólucro DIL de 14 pinos.

Porta AND - Uma porta AND pode ter duas ou mais entradas, sua saída é verdadeira se todas as entradas forem verdadeiras. A saída Q é verdadeira se a entrada A e a entrada B forem ambas verdadeiras: Q = A AND B.

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado AND C-Mos Gate CD4073B, CD4081B, CD4082B: 24_01_05 AND_GATE-SRG .

• CI 4049 contém seis portas NOT de 1 entrada. 

O circuito integrado CMOS 4049 é formado por seis portas NOT (inversores), com a pinagem do invólucro DIL de 14 pinos.

Porta NOT: Uma porta NOT pode ter apenas uma entrada e a saída é o inverso da entrada. Uma porta NOT também é chamada de inversor. A saída Q é verdadeira quando a entrada A NÃO é verdadeira: Q = NÃO A.

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado NOT C-Mos Gate CD4049: 24_01_06 NOT_GATE-SRG .

• CI 4050 contém seis portas YES de 1 entrada. 

Buffers (YES) digitais podem ser considerados como portas Idempotentes aplicando a Lei Idempotente de Boole porque quando uma entrada passa por esse dispositivo seu valor não é alterado. Então, o buffer digital é um dispositivo “não inversor” e, nos dará a expressão Booleana de:   Q = A .

Buffers: Podemos então definir a operação lógica de um único buffer digital de entrada como sendo: “Q é verdadeiro somente quando A é verdadeiro”.

No link a seguir há a folha de dados do circuito integrado YES C-Mos Gate CD4050: 24_01_07 YES_GATE-SRG .

Existem várias famílias de CIs lógicos e eles podem ser divididos em dois grupos: a série 4000 e a série 74. As famílias 4000 e 74HC são as melhores para projetos alimentados por bateria porque elas funcionam com uma boa variedade de tensões de alimentação e usam muito pouca energia. No entanto, se você estiver usando-as para projetar circuitos e investigar portas lógicas, lembre-se de que todas as entradas não utilizadas DEVEM ser conectadas à fonte de alimentação (+Vs ou 0V) , isso se aplica mesmo se essa parte do CI não estiver sendo usada no circuito!

Família CMOS (complementary metal-oxidesemiconductor)

Em geral, a série CMOS normal (série 4000) tem velocidade menor que a dos TTLs, e a série H-CMOS apresenta velocidade equivalente à da série TTL normal.

• A tensão de alimentação da série 4000 e 74C é de 3 V a 15 V e faixa de
• temperatura de –40 a +85 oC.
• 4000/14000 (foram as primeiras séries da família CMOS)
• 74C (compatível, pino a pino e função por função, com os dispositivos TTL)
• 74HC (CMOS de Alta Velocidade)
• 74HCT (os dispositivos 74HCT - CMOS de Alta Velocidade - podem ser alimentados directamente por saídas de dispositivos TTL)
• Faixa de alimentação que se estende de 3V a 15V ou 18V, dependendo do modelo.

A família CMOS possui também, uma determinada faixa de tensão para representar os níveis lógicos de entrada e de saída, porém estes valores dependem da tensão de alimentação e da temperatura ambiente.

Circuitos integrados lógicos CMOS série 4000 está disponível em: 25_01_03 Circuitos integrados lógicos CMOS série 4000 SRG. 

© Direitos de autor. 2023: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/05/2023