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B. Piropo

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22/08/2005

< Computadores IX: Misturando transistores >


Para quem vem acompanhando esta série: a coluna de hoje trata de circuitos eletrônicos que utilizam transistores em diversas configurações. Para que possamos tirar dela as conclusões almejadas, os conhecimentos nela discutidos deverão ser comparados com os abordados na coluna “Lógica Digital e Álgebra booleana”, a terceira da série. Ocorre que quando eu a escrevi, em benefício da simplicidade, resolvi omitir as chamadas “Tabelas verdade”, que resumem os resultados das operações lógicas. Posteriormente constatei que tal simplificação escondia conceitos importantes, imprescindíveis para o entendimento dos fenômenos que seriam discutidos adiante (mais especificamente nesta coluna que você está lendo). Por essa razão decidi incluir as tabelas verdade na coluna “Lógica Digital e Álgebra booleana”. Para ajudar a distinguir o texto da coluna original daquilo que foi incluído posteriormente, todos os acréscimos (basicamente as tabela verdade e o texto que contém as explicações sobre elas) estão em azul. Portanto, se você já havia lido a coluna “Lógica Digital e Álgebra booleana”, ao retornar a ela para compará-la com os circuitos discutidos nesta coluna, para se atualizar basta ler os trechos em azul, que contêm tudo o que foi acrescentado. Peço desculpas pela alteração de uma coluna já publicada, mas isto foi feito justamente em benefício de uma melhor compreensão dos fenômenos que estamos discutindo. Agora, ao trabalho...

Antes de prosseguir nossa jornada, vejamos em que ponto do caminho nós estamos. Começamos discutindo o que são Dados e Informações. Depois, discorremos um pouco sobre sistemas numéricos posicionais, fixamo-nos no de base dois e examinamos o conceito de Bits e Bytes. Em seguida, discutimos os conceitos fundamentais da Lógica digital e Álgebra booleana. Uma seqüência de colunas que aparentemente pouco tinham a ver umas com as outras. Mas nas quatro colunas seguintes, Digitalização de imagens, Digitalizando sons r finalmente, começamos a juntar as pontas soltas e vimos como dados e informações, ou seja, toda e qualquer grandeza, pode ser codificada sob a forma de números expressos no sistema binário.

Pois bem: na coluna anterior a esta, Válvulas e transistores, aparentemente abandonamos o tema para discutir componentes de um circuito eletrônico. Pois hoje começaremos novamente a “juntar as pontas” e veremos que relação esses componentes mantêm com nosso tema central, os computadores, e como eles se relacionam com a lógica digital.

Para isso, vamos montar um circuito elementar constituído apenas por um transistor, duas lâmpadas, uma bateria para alimentação e resistores para ajuste da tensão e corrente. Veja este circuito na Figura 1.

Figura 1: Circuito 1 – transistor único

O emissor do transistor está ligado à terra (ou ao pólo negativo da bateria o que, para efeitos práticos, dá no mesmo). O coletor está ligado ao pólo positivo da mesma bateria através de um resistor cuja função é limitar a corrente (do contrário, quando o transistor conduzir corrente, sua resistência será tão pequena que formará um curto-circuito entre os pólos da bateria, fazendo com que a corrente se eleve até “queimar” o transistor). A base do transistor é ligada também ao pólo positivo da bateria através de um outro resistor cuja função é reduzir a tensão de modo que a tensão aplicada à base seja bastante inferior à aplicada ao coletor. Essa tensão pode ou não ser aplicada à base simplesmente ligando-se ou desligando-se o interruptor (ou chave) situado entre a base e o resistor. Finalmente, entre o interruptor a base e entre o emissor e a terra (ou pólo negativo) foram instaladas duas lâmpadas apenas para assinalar quando haverá ou não passagem da corrente elétrica. Por exemplo: na situação mostrada pela Figura 1 (chave aberta), a lâmpada A, situada antes da base, está apagada, enquanto a lâmpada S, situada entre o coletor e a terra, está acesa (significando que a corrente flui através dela). Você é capaz de explicar o porquê disso? Examine a figura, use os conceitos adquiridos na coluna anterior e pense.

Não descobriu? Então vamos lá: na situação da figura, com o interruptor desligado, a base do transistor não recebe tensão e por isso não há corrente através dela, o que faz com que a lâmpada A permaneça apagada. Sem tensão aplicada à base o transistor se comporta como um resistor de resistência praticamente infinita, ou seja, não conduz corrente elétrica apesar de haver uma tensão aplicada ao coletor. Mas como este coletor também está ligado à terra através da lâmpada S, a corrente escoará por este caminho, o de menor resistência (não se esqueça que a resistência do transistor, neste estado, é praticamente infinita, portanto a da lâmpada S é menor), acendendo a lâmpada S.

O que acontece quando a chave é fechada? Verifique, abrindo-a e fechando-a à vontade na Animação 1 com um clique sobre o botão “Fechar” ou “Abrir”, sempre lembrando que quando se aplica tensão à base de um transistor, a resistência entre seu coletor e emissor torna-se praticamente nula, oferecendo um caminho preferencial para a passagem da corrente. E analise cada situação reparando nas setas vermelhas que indicam onde a corrente elétrica está circulando.

Clique no botão Fechar/Abrir para ver a animação 1

Agora que sabemos qual o comportamento de ambas as lâmpadas, poderemos construir uma tabela combinando todas as situações possíveis. Veja-a na Figura 2.

Figura 2: Estado das lâmpadas no Circuito 1

Isso, definitivamente, não é uma coisa complicada. Para entender o funcionamento do Circuito 1 basta juntar o que aprendemos sobre transistores na coluna anterior com alguns conhecimentos elementares de eletricidade. O raciocínio usado é igualmente elementar. Portanto, não há dúvida que se trata de um fenômeno singelo.

Pois bem: por menos crível que pareça, todos os circuitos ativos de um computador são baseados neste fenômeno singelo. Por mais complexos que sejam, mesmo aqueles que compõem os microprocessadores de última geração, estes circuitos serão sempre constituídos a partir de combinações desta simples configuração.

Por exemplo: examinemos a Figura 3 que mostra o Circuito 2, bastante semelhante ao Circuito 1, porém no qual dois transistores estão ligados em série de tal forma que o coletor de um está conectado ao emissor do outro (o resistor adicional situado entre a lâmpada A e a terra tem por função drenar a corrente quando o transistor de baixo não conduz; se isso lhe parece complicado, simplesmente esqueça dele, já que, para a lógica do circuito, sua importância é nula). Analisemos o funcionamento do Circuito 2, particularmente no que toca ao estado das lâmpadas A, B e S, inseridas nas posições mostradas na figura.

Figura 3: Circuito 2 – Dois transistores em série

Na situação da Figura 3, com ambos os interruptores desligados, as lâmpadas A e B permanecerão apagadas. Além disso, não haverá tensão em nenhuma das bases dos transistores. Portanto não haverá corrente entre bases e coletores. Ora, sem tensão na base a resistência interna entre coletor e emissor em ambos os transistores é elevada e nenhum deles se deixará atravessar pela corrente. Como existe uma tensão aplicada ao coletor do transistor de cima, ligado à terra através da lâmpada S, haverá uma corrente atravessando esta lâmpada, que corresponde ao trajeto de menor resistência. A lâmpada S, portanto, permanecerá acesa.

O que acontecerá ao se ligar um dos dois ou ambos os interruptores? Verifique, ligando-os e desligando-os à vontade na Animação 2 com um clique sobre os botões “Fechar” ou “Abrir” de cada interruptor, ainda lembrando que quando se aplica tensão à base de um transistor a resistência entre seu coletor e emissor torna-se praticamente nula, oferecendo um caminho preferencial para a passagem da corrente. E analise cada situação das animações reparando nas setas vermelhas que indicam onde a corrente elétrica está circulando e, portanto, que lâmpadas permanecerão acesas e que lâmpadas permanecerão apagadas em cada situação.

Clique nos botões Fechar/Abrir para ver a animação 2

Agora que sabemos qual o comportamento de cada lâmpada no Circuito 2, poderemos construir uma tabela combinando todas as situações possíveis. Veja-a na Figura 4.

Figura 4: Estado das lâmpadas no Circuito 2

Agora, sempre tendo em mente o estado das lâmpadas A, B e S, investiguemos o que acontece com um circuito formado por dois transistores ligados em paralelo, como o Circuito 3 exibido na Figura 5.

Figura 5: Circuito 3 – Dois transistores em paralelo

Na situação da figura, com ambos os interruptores abertos, as lâmpadas A e B mantêm-se apagadas. Além disso, não há tensão em nenhuma das bases dos dois transistores. Portanto a resistência entre seus coletores e emissores é elevadíssima, fazendo com que a corrente não flua através deles. Nestas condições, a corrente busca o caminho de menor resistência, no caso aquele que atravessa a lâmpada S, que se acende. Portanto, nas condições exibidas na Figura 5, as lâmpadas A e B permanecem apagadas e a lâmpada S acesa.

O que acontecerá ao se ligar um dos dois ou ambos os interruptores? Verifique, ligando-os e desligando-os à vontade na Animação 3 com um clique sobre os botões “Fechar” ou “Abrir” de cada interruptor, sem esquecer que quando se aplica tensão à base de um transistor a resistência entre seu coletor e emissor torna-se praticamente nula, oferecendo um caminho preferencial para a passagem da corrente. E analise cada situação das animações reparando nas setas vermelhas que indicam onde a corrente elétrica está circulando e, portanto, que lâmpadas permanecerão acesas e que lâmpadas permanecerão apagadas em cada situação.

Clique nos botões Fechar/Abrir para ver a animação 3

E, repetindo o que fizemos antes, vamos transportar o comportamento de cada lâmpada no Circuito 3 para uma tabela que combine todas as situações possíveis. Veja-a na Figura 6.

Figura 6: Estado das lâmpadas no Circuito 3

Neste ponto já podemos sofisticar um pouco mais nossos circuitos, combinando-os. Por exemplo: podemos combinar os Circuitos 1 e 2 colocando um transistor na configuração do Circuito 1 na saída (ou seja, no lugar da lâmpada S) do Circuito 2. O resultado será o Circuito 4, mostrado na Figura 7.

 

Figura 7: Circuito 4 – Combinação dos Circuitos 1 e 2

Na situação mostrada na figura, tanto as lâmpadas A e B quanto a lâmpada C estão apagadas. Estou certo que com os conhecimentos adquiridos até agora na análise dos circuitos anteriores você poderá facilmente entender a razão disso. Mesmo porque poderá experimentar à vontade ligando e desligando os interruptores da Animação 4 com um clique sobre os botões “Fechar” ou “Abrir” de cada um deles, tendo em mente que quando se aplica tensão à base de um transistor a resistência entre seu coletor e emissor torna-se praticamente nula, oferecendo um caminho preferencial para a passagem da corrente. Quando estiver em dúvida, repare nas setas vermelhas que indicam onde a corrente elétrica está circulando e, portanto, que lâmpadas permanecerão acesas e que lâmpadas permanecerão apagadas em cada situação.

Clique nos botões Fechar/Abrir para ver a animação 4

Depois, transporte o comportamento de cada lâmpada no Circuito 4 para uma tabela que combine todas as situações possíveis. O resultado é o exibido na Figura 8.

Figura 8: Estado das lâmpadas no Circuito 4

Finalmente nos resta combinar os Circuitos 1 e 3 colocando um transistor na configuração do Circuito 1 na saída (ou seja, no lugar da lâmpada S) do Circuito 3. O resultado será o Circuito 5, mostrado na Figura 9.

Figura 9: Circuito 5 – Combinação dos Circuitos 1 e 3

Também aqui, com os conhecimentos que já adquirimos, é fácil analisar o comportamento do circuito no que diz respeito ao estado de suas lâmpadas e dos interruptores que alimentam as bases dos transistores. Qualquer dúvida poderá ser dirimida com a ajuda da Animação 5.

Clique nos botões Fechar/Abrir para ver a animação 5

O resultado da análise pode ser sumarizado na Figura 10 que exibe uma tabela com a combinação de todas as situações possíveis do Circuito 5.

Figura 10: Estado das lâmpadas no Circuito 5

Neste ponto já podemos fazer um resumo das análises dos Circuitos 1 a 5. Representando uma lâmpada acesa por 1 e uma lâmpada apagada por 0, as tabelas até aqui obtidas podem ser resumidas em uma única tabela, exibida na Figura 11.

Figura 11: Estado das lâmpadas nos Circuitos 1 a 5

Veja que esta tabela foi construída exclusivamente a partir da análise do comportamento de circuitos eletrônicos. Cada “zero” e cada “um” corresponde a uma lâmpada apagada ou acesa em um circuito que pode perfeitamente ser montado por qualquer um de nós, uma coisa concreta, possível de ser construída. Trata-se, portanto, do resultado da observação do comportamento de entidades físicas, não abstratas.

Na coluna “Lógica Digital e Álgebra booleana”, a terceira desta série, analisamos as operações lógicas, conceitos absolutamente abstratos. E, em sua Figura 6, apresentamos uma Tabela Verdade que resumia o resultado de todas as operações lógicas discutidas naquela coluna. Que, incidentalmente, foi encerrada com o seguinte parágrafo:

“ Com os conhecimentos da álgebra booleana podemos analisar todos os fenômenos relativos à lógica digital que rege as operações internas dos computadores. O que nos falta agora é um meio físico de implementar os circuitos eletrônicos baseados nessa lógica”.

Pois bem, acho que neste ponto torna-se imperioso comparar a tabela mostrada na Figura 11 desta coluna (obtida através da análise de circuitos eletrônicos) com a tabela exibida na Figura 6 da coluna “Lógica Digital e Álgebra booleana” (obtida exclusivamente da análise lógica de conceitos puramente abstratos).

Compare-as e tire suas conclusões que voltemos a discutir o assunto na próxima coluna.

 

B. Piropo