Resumo

A série CMOS 4000 é uma família de circuitos integrados baseados na tecnologia Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS), introduzida pela primeira vez em 1968. Conhecida pelo seu baixo consumo de energia, elevada imunidade ao ruído e ampla gama de tensões de funcionamento, a série 4000 tem sido uma pedra angular na conceção de circuitos lógicos digitais. Esta série inclui uma variedade de componentes, tais como portas lógicas, flip-flops, contadores e interruptores analógicos, o que a torna altamente versátil e adequada para inúmeras aplicações electrónicas. Em comparação com as suas contrapartes de lógica transístor-transístor (TTL), a tecnologia CMOS oferece vantagens distintas, particularmente em ambientes alimentados por bateria e de elevado ruído. Uma das caraterísticas mais significativas da série CMOS 4000 é a sua ampla gama de tensões de alimentação, tipicamente de 3 a 15V, que permite flexibilidade em várias aplicações sem afetar significativamente o desempenho. A elevada impedância de entrada destes dispositivos assegura uma interferência mínima com os circuitos ligados, embora também seja necessário ligar todas as entradas não utilizadas à tensão de alimentação para evitar um comportamento errático devido ao ruído elétrico. Apesar das limitações na velocidade de funcionamento, com os dispositivos padrão geralmente não concebidos para exceder frequências de 5 MHz, o baixo consumo de corrente em standby torna a série CMOS 4000 particularmente adequada para projectos com eficiência energética. Os recentes avanços na tecnologia de semicondutores melhoraram ainda mais as capacidades dos dispositivos CMOS. Inovações como os transístores de nanofios de Si com porta de entrada e saída (GAA) empilhados verticalmente e a integração de materiais de canal de elevada mobilidade melhoraram o desempenho e a eficiência dos circuitos CMOS modernos. Estes desenvolvimentos alargaram as potenciais aplicações da tecnologia CMOS, estendendo-a a domínios como a computação avançada e a eletrónica flexível. O legado da série CMOS 4000 é profundo, tendo estabelecido um padrão para a miniaturização e integração de componentes electrónicos. Esta série influenciou a evolução dos microcontroladores e microprocessadores, e o seu impacto é evidente nas tecnologias de semicondutores actuais. Apesar das limitações iniciais e da concorrência dos designs baseados em TTL, a série CMOS 4000 continuou a ser um elemento fundamental no avanço da eletrónica digital, contribuindo significativamente para o progresso da computação moderna e dos sistemas electrónicos.

Especificações

A família CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) da série 4000 oferece várias caraterísticas-chave que a distinguem de outras famílias lógicas, como a TTL (Transistor-Transistor Logic). Estas caraterísticas tornam-na adequada para várias aplicações electrónicas, particularmente aquelas que requerem um baixo consumo de energia e uma elevada imunidade ao ruído. A gama de tensões de alimentação para os dispositivos CMOS da série 4000 é bastante ampla, variando tipicamente entre 3 e 15V, o que permite alguma flutuação sem afetar significativamente o desempenho

. A elevada impedância de entrada destes dispositivos garante que não afectam significativamente os circuitos aos quais estão ligados. No entanto, esta elevada impedância também significa que as entradas não ligadas podem facilmente captar ruído elétrico, causando um comportamento errático e um aumento da corrente de alimentação. Para atenuar este fenómeno, todas as entradas não utilizadas devem ser ligadas à tensão de alimentação, quer seja +Vs ou 0V. Uma vantagem notável da tecnologia CMOS é o seu baixo consumo de corrente em standby, que é significativamente inferior ao dos dispositivos TTL. No entanto, à medida que a frequência de funcionamento do dispositivo CMOS aumenta, aumenta também o seu consumo de energia, que pode tornar-se comparável ao dos dispositivos TTL a frequências elevadas. Apesar disso, em média, os dispositivos CMOS consomem menos energia do que os seus homólogos TTL, o que os torna mais adequados para aplicações alimentadas por bateria. A série CMOS 4000 também tem algumas limitações relativamente à velocidade de funcionamento. Os CIs CMOS standard da série 4000 não são geralmente concebidos para funcionar a frequências superiores a 5 MHz. Alguns CIs mais avançados da série podem ter dificuldade em atingir mesmo esta frequência modesta. Em contraste, os dispositivos TTL oferecem normalmente atrasos de propagação mais curtos, tornando-os mais adequados para aplicações que requerem frequências de comutação elevadas. Além disso, a tecnologia CMOS proporciona uma melhor imunidade ao ruído devido à sua conceção complementar. Esta caraterística torna o CMOS preferível em ambientes propensos a interferências electromagnéticas. No entanto, a sensibilidade dos primeiros dispositivos CMOS à radiação gama e a outros factores colocava desafios em determinadas aplicações, como os projectos espaciais, embora estas questões tenham sido resolvidas em concepções mais recentes.

Avanços recentes

Os recentes avanços na tecnologia dos semicondutores permitiram melhorias significativas no fabrico e na integração de transístores, em especial no contexto dos transístores de nanofios de silício (Si) com porta de entrada e saída empilhados verticalmente e dos transístores de efeito de campo com aletas (FinFET).

Transístores de Si de nanofios com porta de entrada e saída empilhados verticalmente

Uma das principais inovações é o desenvolvimento de transístores de nanofios de Si empilhados verticalmente (GAA). Esta arquitetura oferece um melhor controlo do processo e um melhor desempenho do dispositivo. Os investigadores concentraram-se nas principais optimizações do processo e demonstraram a eficácia destes transístores em aplicações de osciladores em anel

. A utilização de nanofios e nanofolhas verticais em transístores de efeito de campo (FET) demonstrou ter potencial para circuitos mais rápidos e mais eficientes do ponto de vista energético.

Materiais de canal de alta mobilidade

Para melhorar o desempenho dos FinFET, tem havido uma investigação significativa no sentido de substituir os canais de silício tradicionais por materiais de elevada mobilidade, como o silício-germânio (SiGe), o germânio (Ge) e o germânio-estanho (GeSn). Estes materiais são depositados seletivamente em estruturas de transístores, e os defeitos formados durante o crescimento epitaxial são confinados perto das paredes laterais das aletas

. Este processo permite a criação de materiais de alta qualidade no interior das trincheiras verticais dos dispositivos.

Crescimento a baixa temperatura e integração de materiais 2D

Um desenvolvimento inovador dos investigadores do MIT foi o processo de crescimento a baixa temperatura para a integração de materiais 2D diretamente em chips de silício. Esta nova tecnologia resolve as limitações dos processos a alta temperatura que poderiam danificar os circuitos de silício, permitindo a integração perfeita de materiais 2D de dicalcogenetos metálicos de transição (TMD) em chips de silício totalmente fabricados

. Esta abordagem não só evita as imperfeições associadas à transferência de materiais 2D, como também reduz significativamente o tempo de crescimento, permitindo a deposição de camadas uniformes em bolachas maiores de 8 polegadas.

Aplicações potenciais

Os avanços na tecnologia de crescimento a baixa temperatura abrem novas possibilidades para o empilhamento de várias camadas de transístores 2D, criando chips mais densos e mais potentes. Além disso, este processo pode ser adaptado a superfícies flexíveis, como polímeros, têxteis ou mesmo papel, permitindo a integração de dispositivos semicondutores em objectos do quotidiano, como vestuário ou computadores portáteis

.

Famílias comuns

A série CMOS 4000 está categorizada em várias subfamílias, cada uma concebida para satisfazer necessidades operacionais e requisitos de aplicação específicos. Entre estas, as famílias mais notáveis são as subfamílias 4000B, 74HC e 74AC.

Série 4000B

A série 4000B, também conhecida como série tamponada, foi introduzida por volta de 1975 como uma melhoria em relação à série 4000A original devido aos seus graves defeitos

. A principal melhoria na série 4000B é a inclusão de três inversores básicos ligados em série, que proporcionam um ganho de tensão linear típico de 70 a 90 dB. As caraterísticas de transferência de tensão destes inversores asseguram que qualquer entrada abaixo de um terço da tensão de alimentação (VDD) é reconhecida como lógica-0, enquanto qualquer entrada acima de dois terços de VDD é reconhecida como lógica-1. A série 4000B pode funcionar numa gama de tensões de alimentação de 3V a 15V e lidar com frequências máximas até 2 MHz a 5V ou 6 MHz a 15V.

Séries 74HC e 74AC

Para aplicações que requerem frequências de funcionamento mais elevadas e gamas de tensão diferentes, as subfamílias 74HC e 74AC são frequentemente preferidas. A série 74HC é adequada para tensões de alimentação entre 2V e 6V, com capacidades operacionais até 40 MHz a 5V

. Em contrapartida, a série 74AC pode gerir frequências tão elevadas como 100 MHz a 5V. Estas famílias oferecem um melhor desempenho do que a série 4000B, mas exigem condições de alimentação mais rigorosas.

Capacidades de interface

A escolha de uma família CMOS também depende dos requisitos específicos de entrada e saída da aplicação. Por exemplo, a série 4000B pode acionar apenas uma entrada LS TTL padrão, enquanto as séries 74HC e HCT podem acionar até 10 entradas e as séries 74AC e ACT podem acionar até 60 entradas LS TTL

. Esta versatilidade faz com que a série 74 seja uma escolha popular nos circuitos digitais modernos, combinando as tecnologias TTL e CMOS para alargar a gama de aplicações possíveis.

Famílias especializadas

As subfamílias especializadas, como a 74HCT e a 74ACT, foram concebidas para serem acionadas diretamente a partir de saídas TTL e são utilizadas em aplicações específicas em que esta compatibilidade é crucial

. A sub-família 4000UB, uma variante da série 4000B, está disponível sob a forma de ICs simples de buffer e inversor.

Aplicações

Os circuitos integrados CMOS da série 4000 são utilizados numa grande variedade de aplicações devido à sua versatilidade, baixo consumo de energia e elevada imunidade ao ruído. Estes dispositivos são fundamentais na construção de uma vasta gama de circuitos lógicos digitais, desde portas simples a sistemas complexos.

Circuitos lógicos digitais

Os CIs CMOS da série 4000 são fundamentais para a criação de circuitos lógicos digitais. Eles incluem componentes básicos como inversores, buffers, portas AND, portas OR e flip-flops, que são essenciais na construção de circuitos maiores e mais complexos. Por exemplo, o CD4016 é um CI de comutação analógica quádrupla da série CMOS 4000 que pode controlar sinais analógicos em ambas as direcções, tornando-o adequado para aplicações que requerem encaminhamento e comutação de sinais

. Outro dispositivo notável é o CD4066, um interrutor analógico quádruplo semelhante com baixa resistência "ON", frequentemente utilizado como alternativa ao CD4016 .

Contadores e temporizadores

Os contadores e temporizadores são cruciais em muitas aplicações electrónicas, e a série CMOS 4000 oferece várias opções para estes fins. Estes CIs são utilizados para contar ocorrências de eventos, gerar sinais de temporização e gerir a sequência de operações em sistemas digitais. Por exemplo, os contadores da série CMOS 4000 podem armazenar e apresentar o número de impulsos de relógio recebidos, o que os torna inestimáveis em aplicações de temporização

.

Microcontroladores e microprocessadores

A tecnologia CMOS é também predominante no desenvolvimento de microcontroladores e microprocessadores, com dispositivos como a série PIC da Microchip e os processadores Ryzen da AMD a exemplificarem a eficiência energética e a flexibilidade dos circuitos CMOS

. Estes microcontroladores e processadores avançados fazem parte integrante dos sistemas informáticos e electrónicos modernos, oferecendo um melhor desempenho e um consumo de energia reduzido.

Tecnologias CMOS avançadas

O avanço contínuo das tecnologias CMOS conduziu ao desenvolvimento de aplicações mais sofisticadas. Por exemplo, os nanofios de silício verticais e os transístores de efeito de campo gate-all-around (GAAFET) estão a ser investigados para uma melhor escalabilidade do CMOS, prometendo um desempenho superior e dimensões de dispositivo mais reduzidas

. Estas inovações alargam as capacidades dos dispositivos CMOS a novos domínios da computação e da eletrónica.

ICs populares

A série CMOS 4000 inclui uma grande variedade de circuitos integrados que servem diferentes funções na eletrónica digital. Estes circuitos integrados são altamente versáteis e são normalmente utilizados em várias aplicações devido às suas caraterísticas robustas e facilidade de utilização.

ICs comuns e suas funções

Vários CIs da série CMOS 4000 são frequentemente utilizados em projectos de circuitos digitais.

• CD4011: Este circuito integrado é composto por quatro portas NAND independentes, cada uma com duas entradas. A porta NAND fornece uma saída BAIXA apenas quando todas as entradas são ALTAS; caso contrário, a saída é ALTA. É amplamente utilizado para projetar SR Latches e D Flip-Flops e pode ser encontrado sob várias marcas, como CD4011, NTE4011, MC14011, HCF4011, TC4011 ou HEF4011, dependendo do fabricante.
• 40106: Conhecido como um Inversor Hexagonal com entradas de disparo Schmitt, este IC é compatível com o 4069. Fornece seis portas inversoras independentes com entradas de disparo Schmitt, que são utilizadas para o condicionamento do sinal e para evitar que o ruído provoque falsos disparos.
• 4572: Este IC é um Quad Inverter, que inclui uma porta NOR de 2 entradas e uma porta NAND de 2 entradas. As portas NOR e NAND podem ser convertidas em inversores, oferecendo flexibilidade em várias funções lógicas.
• 4093: O 4093 é uma porta NAND quádrupla de 2 entradas com entradas de disparo Schmitt. Este IC é particularmente útil em aplicações que requerem imunidade ao ruído e estabilidade de sinal devido às entradas de disparo Schmitt.
• 40107: Esta porta NAND dupla de 2 entradas possui saídas de dreno aberto capazes de conduzir até 32 cargas CMOS. Está disponível numa embalagem DIP-8 e é utilizada em aplicações de alta corrente de acionamento.

ICs especializados

Para além das portas lógicas de uso geral, a série CMOS 4000 inclui CIs especializados concebidos para aplicações específicas:

• 4511: Este CI funciona como um trinco/descodificador/driver de BCD para sete segmentos com uma entrada de teste de lâmpada. É utilizado para acionar ecrãs de sete segmentos em leituras numéricas.
• 4516: Um contador binário ascendente/descendente, o 4516 é utilizado em aplicações de contagem em que é necessário incrementar e decrementar a contagem.
• 4521: Este divisor de frequência e oscilador IC de 24 fases é utilizado em aplicações de temporização em que é necessária uma divisão de frequência precisa.

Fabricantes

Os circuitos integrados CMOS da série 4000 são produzidos por vários fabricantes, cada um com versões ligeiramente diferentes, mas mantendo a funcionalidade principal. Alguns dos actuais fabricantes incluem a Nexperia, a ON Semiconductor e a Texas Instruments. Antigos fabricantes, como a Hitachi, a RCA e vários fabricantes da antiga União Soviética, também contribuíram significativamente para o desenvolvimento e a proliferação destes circuitos integrados

. Estes circuitos integrados constituem a espinha dorsal de muitos sistemas digitais e continuam a ser fundamentais na conceção e implementação da eletrónica moderna.

Vantagens

A série CMOS 4000, desenvolvida em 1969, trouxe avanços significativos à eletrónica digital com a sua tecnologia Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS). Uma das principais vantagens da tecnologia CMOS é o seu baixo consumo de energia. Os circuitos CMOS consomem energia apenas durante as transições de estado, o que os torna altamente eficientes em termos energéticos em comparação com os circuitos TTL (Transistor-Transistor Logic) que têm um fluxo contínuo de corrente através dos transístores, mesmo quando estão num estado estático

. Outra vantagem notável é a elevada impedância de entrada e a baixa impedância de saída das portas lógicas CMOS, que proporcionam uma excelente imunidade ao ruído. Esta caraterística permite que os circuitos CMOS mantenham a integridade do sinal em ambientes ruidosos, tornando-os ideais para aplicações que exigem um desempenho robusto em condições de perturbação electromagnética. A tecnologia CMOS também oferece uma gama de tensão de funcionamento flexível, normalmente de 3V a 15V, o que permite a adaptabilidade a várias aplicações electrónicas com diferentes requisitos de tensão. Esta versatilidade contrasta com a dos circuitos TTL, que funcionam numa gama de tensões mais estreita, normalmente à volta de 5V. Além disso, a capacidade de os circuitos CMOS comutarem totalmente as tensões de saída entre os valores das barras de alimentação sem perdas potenciais por saturação ou tensões de junção com polarização direta aumenta a sua eficiência e fiabilidade operacional. Em termos de capacidade de acionamento de saída, os dispositivos CMOS podem fornecer ou absorver correntes de saída substanciais, mantendo um baixo consumo de corrente quiescente, que é tipicamente próximo de zero (cerca de 0,01 µA) com uma entrada lógica-0 ou lógica-1. Isto torna a tecnologia CMOS não só eficiente, mas também suficientemente potente para conduzir cargas significativas, contribuindo para a sua utilização generalizada em várias aplicações electrónicas. Além disso, a série CMOS 4000 incorpora extensas redes de fixação de díodos-resistores para proteger os seus MOSFETs de cargas estáticas, melhorando assim a durabilidade e a fiabilidade. A simetria de saída melhorada e a imunidade aos efeitos da radiação gama são vantagens adicionais que fazem da tecnologia CMOS uma escolha fiável para uma vasta gama de sistemas electrónicos.

Limitações

A série CMOS 4000 enfrentou inicialmente desafios significativos devido às suas velocidades de comutação comparativamente mais baixas em relação aos projectos baseados na lógica TTL (Transistor-Transistor Logic). A adoção inicial foi lenta devido a estas limitações de velocidade, que acabaram por ser atenuadas pelos avanços nos métodos de fabrico, como a implementação de portas auto-alinhadas de polissilício em vez de metal

. Apesar destas melhorias, os modelos CMOS da série 4000 ainda apresentavam atrasos de propagação ligeiramente mais longos do que os TTL, o que poderia afetar as aplicações que exigem um desempenho de alta velocidade. Outra limitação notável da tecnologia CMOS é a sua sensibilidade às descargas electrostáticas (ESD). Os circuitos integrados CMOS são vulneráveis a danos causados por eletricidade estática, o que exige testes rigorosos e mecanismos de proteção para garantir a fiabilidade. Os ensaios envolvem normalmente a simulação de descargas estáticas utilizando circuitos que emulam a capacitância e a resistência do corpo humano para avaliar a robustez dos circuitos integrados CMOS em condições ESD. Espera-se que os CI CMOS modernos sobrevivam a tensões de ensaio até 2,5 kV em vários modos de ensaio para garantir a sua durabilidade em aplicações reais. Para além das preocupações com a velocidade e a ESD, o processo de fabrico de circuitos integrados CMOS pode ser mais complexo e dispendioso em comparação com outras tecnologias. Esta complexidade resulta das técnicas sofisticadas necessárias para atingir o elevado nível de integração e eficiência energética que a tecnologia CMOS oferece. Consequentemente, o custo de fabrico pode ser mais elevado, afectando potencialmente a competitividade dos preços dos dispositivos baseados em CMOS, apesar das suas vantagens em termos de consumo de energia e imunidade ao ruído. Por último, os circuitos CMOS têm requisitos específicos em termos de gama de tensões para funcionarem de forma óptima, o que pode exigir considerações de conceção adicionais aquando da sua integração em diversas aplicações electrónicas. Embora a flexibilidade do CMOS para funcionar a vários níveis de tensão seja uma vantagem, significa também que os projectistas devem gerir cuidadosamente estes requisitos para evitar problemas de desempenho.

Comparações

Os circuitos integrados CMOS da série 4000 são frequentemente comparados com os seus homólogos TTL (Transistor-Transistor Logic), nomeadamente em termos de consumo de energia, velocidade, imunidade ao ruído e utilidade geral. CMOS, que significa Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, utiliza transístores NMOS (N-channel Metal-Oxide-Semiconductor) e PMOS (P-channel Metal-Oxide-Semiconductor). Esta configuração permite que os circuitos CMOS atinjam um baixo consumo de energia e uma elevada imunidade ao ruído, funcionando eficazmente numa gama de tensões mais ampla e oferecendo uma impedância de entrada mais elevada em comparação com os circuitos TTL

. Em contrapartida, os circuitos TTL utilizam transístores bipolares de junção (BJT) para realizar funções lógicas e são conhecidos pelas suas rápidas velocidades de comutação e elevada capacidade de corrente de saída. No entanto, os TTL funcionam numa gama de tensões mais estreita e têm uma impedância de entrada inferior à dos CMOS, o que limita a sua utilidade em determinadas aplicações. A escolha entre CMOS e TTL depende em grande parte dos requisitos específicos da aplicação. Por exemplo, o CMOS é preferido em dispositivos alimentados por bateria devido ao seu baixo consumo de energia e elevadas margens de ruído. Por outro lado, o desempenho de alta velocidade do TTL torna-o adequado para aplicações que requerem comutação rápida. Apesar das velocidades de comutação rápidas do TTL, o CMOS é geralmente considerado mais vantajoso em projectos modernos. Os circuitos CMOS têm melhor imunidade ao ruído e consomem menos energia. Oferecem também uma maior potência de saída e são mais económicos, com dimensões mais pequenas e maiores capacidades de fan-out, permitindo a ligação de mais cargas no terminal de saída. Além disso, os circuitos CMOS podem utilizar portas NAND e NOR, proporcionando maior versatilidade no design.

Legado e impacto

A série de circuitos integrados CMOS 4000, introduzida na década de 1960, marcou uma transformação significativa no panorama da eletrónica, particularmente no domínio da lógica digital e do processamento de sinais. Numa altura em que o desenvolvimento das tecnologias de semicondutores estava a acelerar rapidamente, a série forneceu uma plataforma versátil e fiável para uma vasta gama de aplicações, desde a eletrónica de consumo aos sistemas militares. A série CMOS 4000 inclui uma variedade de portas lógicas, flip-flops, contadores e outros blocos de construção fundamentais que facilitaram a conceção de sistemas mais complexos com maior fiabilidade e menor consumo de energia em comparação com as anteriores tecnologias de lógica transístor-transístor (TTL). O impacto da série CMOS 4000 foi muito além do seu sucesso comercial inicial. Estabeleceu um padrão para a integração e miniaturização de componentes electrónicos, catalisando os avanços na conceção de microcontroladores e microprocessadores que se seguiram nas décadas seguintes

. A versatilidade destes circuitos integrados permitiu a sua inclusão em numerosos produtos, promovendo a inovação em vários sectores. Além disso, a adoção da tecnologia CMOS influenciou significativamente a evolução da indústria de semicondutores, provocando mudanças nos processos de fabrico e a adoção de novos materiais e técnicas. No entanto, na União Soviética e nos países aliados, a trajetória do desenvolvimento dos semicondutores seguiu um caminho único devido a factores geopolíticos. Os rigorosos embargos à exportação de equipamento de fabrico de semicondutores e de saber-fazer para a URSS conduziram a uma progressão tecnológica paralela, mas divergente. A falta de acesso às tecnologias ocidentais de ponta no domínio dos semicondutores levou a que os engenheiros soviéticos tivessem de recorrer a circuitos integrados mais antigos e menos avançados, sendo grande parte da produção interna direcionada para aplicações militares. Este atraso tecnológico manteve-se até à queda da União Soviética, após a qual o mercado foi inundado com bens de consumo contendo CIs ocidentais avançados, o que levou a uma rápida obsolescência dos fabricantes locais de eletrónica, como a Checoslovaca Tesla. Apesar destes desafios, o impacto global da série CMOS 4000 foi inegável. Abriu o caminho para a miniaturização e a integração que são caraterísticas da eletrónica moderna. Inovações como a litografia de ultravioletas extremos (EUV) da Intel e a procura contínua de reduzir o tamanho dos nós e aumentar a densidade dos transístores são descendentes diretos do trabalho de base estabelecido pelas primeiras tecnologias CMOS. A investigação em curso sobre materiais e processos avançados, com o objetivo de atingir marcos como o chip com um trilião de transístores, reflecte o legado duradouro da série CMOS 4000 ao alargar os limites do que é possível na tecnologia de semicondutores.