Sinais digitais: quando uma tensão representa 0 ou 1

O que você deve conseguir construir neste curso

Este curso apresenta, em ritmo ágil, o projeto de lógica digital em nível universitário introdutório, com verificação direta em circuitos. Álgebra do ensino médio basta para começar; programação básica ajuda nas práticas de RTL. Primeiro conectaremos portas → circuitos combinacionais → elementos de armazenamento → máquinas de estados. Os aprofundamentos opcionais seguintes acrescentam caminhos de dados e interfaces.

Memorizar «tensão alta significa 1» não basta: você deve explicar em qual intervalo e a partir de qual instante um valor lógico correto é garantido.

O valor lógico é uma interpretação da tensão

Circuitos lógicos calculam com $0$ e $1$, mas os fios apresentam tensões contínuas. Uma entrada de no máximo $V_{IL}$ é interpretada como 0; uma de no mínimo $V_{IH}$, como 1. Entre os dois limites, nenhuma interpretação é garantida. A folha de dados do dispositivo define os limites e o intervalo de tensão permitido.

Considere um circuito didático de 3.3 V. Os valores abaixo não são a especificação de um produto concreto.

1.4 V não é um «terceiro valor lógico». A entrada está fora das condições em que o modelo digital garante o resultado. Toda transição de 0 para 1 atravessa essa região; por isso, o instante de observação da saída também importa.

Margem entre a saída garantida e os limites da entrada

Suponha uma saída baixa máxima do transmissor $V_{OL}=0.2\,\mathrm V$ e uma saída alta mínima $V_{OH}=2.8\,\mathrm V$. As margens de ruído^{iMargem de ruído Diferença entre as tensões de saída garantidas pelo transmissor e os limites de entrada do receptor. É calculada a partir das especificações estáticas de tensão.} são:

Mesmo com +0.4 V de ruído na saída baixa, a entrada fica em 0.6 V, ainda no intervalo baixo. São margens estáticas, pressupondo o cumprimento das especificações de tensão e carga. Esse número, sozinho, não avalia pulsos curtos nem reflexões na fiação.

Confira função e tempo em conjunto

Com entradas 11, AND produz 1, mas isso não é garantido no exato instante da mudança. Some os atrasos máximos das portas de cada caminho e use o maior total. Duas portas em série, com máximos de 2 ns e 3 ns, exigem, nesse modelo, esperar até 5 ns depois de as entradas se estabilizarem.

Uma entrada desconectada também não equivale a aplicar 0. No simulador, X representa um valor desconhecido e Z, um estado de alta impedância; nenhum corresponde de forma unívoca a uma tensão física. Os botões deste curso usam um modelo de valores 0/1 estáveis.

Leitura adicional: MIT OpenCourseWare — The Digital Abstraction

Prática · Cruze o limite da margem de ruído

1. Selecione transmitir 0. A saída fica no pior caso do nível baixo, 0.20 V. Com +0.60 V de ruído, o receptor recebe 0.80 V e ainda garante 0.
2. Pressione a seta para a direita para acrescentar 10 mV. Em 0.81 V, o resultado passa a «sem garantia». Isso não significa que vire imediatamente 1.
3. Ao transmitir 1, subtraia ruído da saída de 2.80 V. Com −0.80 V, receber 1 ainda é garantido; com −0.81 V, deixa de ser.
4. Um ruído maior pode levar a tensão à região válida oposta. Mesmo que o receptor reconheça um valor lógico válido, o dado transmitido pode ter sido alterado. Tensão válida e dado correto são condições diferentes.

A prática não recorta entradas fora de 0–VDD para torná-las válidas. Confira separadamente na folha de dados o intervalo de entrada permitido, a corrente de proteção e as condições dos pulsos transitórios. Este modelo não prevê danos nem a resposta dinâmica de um dispositivo concreto.