Portas lógicas: teoria e prática!

As portas lógicas são blocos fundamentais da Álgebra Booleana, que é a base matemática da eletrônica digital. Esses componentes são usados para realizar operações lógicas em circuitos digitais, permitindo que as informações sejam processadas de maneira rápida e eficiente através de sinais binários.

Sinais binários são uma representação numérica de dados que utilizam apenas dois valores, nível lógico baixo (0) e nível lógico alto (1). Esses dois valores são chamados de bits, e são a base para a computação digital.

Leia também

• Tiristor: o que é e como usar no seu projeto eletrônico?
• Descubra o que são drivers para motores

Neste artigo, vamos discutir os principais tipos de portas lógicas, como elas são implementadas em circuitos digitais, como determinar o resultado de uma porta lógica a partir de suas entradas e como realizar sua representação gráfica.

Tabelas Verdade

As tabelas verdade são uma forma comum de representar o comportamento de uma porta lógica. Elas mostram todas as possíveis combinações de entrada e a saída correspondente para cada uma dessas combinações.

Por exemplo, na imagem abaixo é possível ver uma tabela verdade para uma porta com duas entradas:

Exemplo de tabela verdade.

Nesta tabela, a primeira coluna representa a entrada A, a segunda coluna representa a entrada B, e a terceira coluna representa a saída para cada combinação de entrada.

O “X” na tabela verdade é usado para representar um estado desconhecido ou indeterminado na lógica booleana. Ele é geralmente utilizado quando não se sabe qual é o valor de uma determinada entrada ou saída do circuito.

O “X” também é conhecido como “desconhecido” ou “não definido”, e não pode ser considerado como um valor válido de 0 ou 1. Em vez disso, ele indica que a entrada ou saída está em um estado incerto ou não determinado.

Na prática, é importante evitar o uso de estados indeterminados em circuitos digitais, já que eles podem levar a resultados inesperados e imprevisíveis. Portanto, em projetos de circuitos digitais, é importante garantir que todas as entradas e saídas sejam devidamente definidas como 0 ou 1.

Diagramas Lógicos

Diagramas lógicos são outra forma comum de representar portas lógicas. Eles utilizam símbolos padronizados para descrever as portas lógicas e as conexões entre elas. Eles são utilizados para projetar, documentar e comunicar projetos de circuitos digitais, permitindo que os engenheiros e técnicos entendam como o circuito funciona.

Os símbolos mais comuns em diagramas lógicos incluem:

• Portas lógicas: cada porta lógica tem um símbolo padrão que representa a sua função, como uma porta AND, OR, NOT, XOR, entre outras
• Linhas de conexão: são utilizadas para conectar as portas lógicas e indicar como as entradas e saídas são interconectadas
• Fontes de alimentação: são usadas para indicar as fontes de energia do circuito, como VCC (tensão positiva) e GND (terra)
• Componentes: outros componentes eletrônicos, como resistores, capacitores e transistores, também podem ser incluídos em diagramas lógicos

Ao criar um diagrama lógico, é importante seguir as convenções de design para garantir a clareza e consistência. Isso inclui usar símbolos padronizados, manter a organização e a legibilidade do diagrama e rotular todas as entradas e saídas de cada porta lógica.

Principais portas lógicas

As portas lógicas são circuitos eletrônicos que realizam operações lógicas em sinais digitais, representados por níveis de tensão elétrica. As portas lógicas mais comuns são:

• Porta lógica AND
• Porta lógica OR
• Porta lógica NOT
• Porta lógica NAND
• Porta lógica NOR
• Porta lógica XOR
• Porta lógica XNOR

Cada uma delas tem uma função específica, que é explicada abaixo.

Porta lógica AND

A porta lógica AND produz uma saída lógica alta (1) somente quando todas as entradas estiverem em nível lógico alto (1). Caso contrário, a saída será lógica baixa (0). Tem bastante semelhança com uma multiplicação, onde se tiver uma lógica baixa (0) sua saída também será lógica baixa (0).

Tabela verdade porta lógica AND.

Porta lógica OR

A porta lógica OR produz uma saída lógica alta (1) quando pelo menos uma das entradas estiver em nível lógico alto (1). A saída será lógica baixa (0) somente se todas as entradas estiverem em nível lógico baixo (0).

Tabela verdade porta lógica OR.

Pela tabela verdade da porta OR tem como perceber que, ela funciona fazendo como se fosse uma “soma”.

Porta lógica NOT

A porta lógica NOT inverte o nível lógico da entrada. Ela possui apenas uma entrada e uma saída. Se a entrada for lógica alta (1), a saída será lógica baixa (0) e vice-versa.

Tabela verdade porta lógica NOT.

Porta lógica NAND

A porta lógica NAND é uma combinação da porta AND com a porta NOT. Ela produz uma saída lógica baixa (0) somente quando todas as entradas estiverem em nível lógico alto (1). Em todos os outros casos, a saída será lógica alta (1).

Tabela verdade porta lógica NAND.

Porta lógica NOR

A porta lógica NOR é uma combinação da porta OR com a porta NOT. Ela produz uma saída lógica alta (1) somente quando todas as entradas estiverem em nível lógico baixo (0). Em todos os outros casos, a saída será lógica baixa (0).

Tabela verdade porta lógica NOR.

Porta lógica XOR

A porta lógica XOR, também conhecida como OR exclusivo, produz uma saída lógica alta (1) somente quando uma das entradas estiver em nível lógico alto (1), mas não todas as entradas. Caso contrário, a saída será lógica baixa (0).

Tabela verdade porta lógica XOR.

Porta lógica XNOR

Já a porta lógica XNOR é uma operação lógica que produz uma saída lógica alta (1) quando ambas as entradas são iguais (ou ambos 0 ou ambos 1). Caso contrário, a saída será lógica baixa (0).

Tabela verdade porta lógica XNOR.

Essas portas lógicas são a base para a construção de circuitos digitais e são amplamente usadas na eletrônica digital para realizar operações aritméticas, lógicas e de controle.

Expressão booleana

A expressão booleana é uma expressão matemática que representa uma função booleana, que pode ter valores de verdadeiro (1) ou falso (0). Essas expressões são compostas por variáveis booleanas, operadores booleanos e constantes booleanas.

Expressões booleanas das portas lógicas.

As expressões booleanas são frequentemente usadas em circuitos digitais, programação de computadores e lógica booleana. A tabela verdade é usada para mostrar os valores de saída para cada combinação possível de entradas para uma expressão booleana.

Circuitos lógicos e simbologia

Circuitos lógicos são sistemas eletrônicos que realizam operações lógicas com base em sinais elétricos digitais. Esses circuitos são compostos por componentes eletrônicos, tais como transistores, diodos, resistores, capacitores, entre outros, que são interconectados de forma a criar uma rede de dispositivos capaz de processar informações em formato digital.

Os circuitos lógicos são usados em uma ampla variedade de dispositivos eletrônicos, desde simples relógios digitais até complexos computadores e sistemas de controle industrial. Eles são construídos com base em portas lógicas, que são dispositivos que realizam operações booleanas, tais como AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR e XNOR.

As portas lógicas podem ser interconectadas de forma a criar circuitos mais complexos, como flip-flops, registradores, contadores, decodificadores, multiplexadores, entre outros. Cada tipo de circuito tem uma aplicação específica e pode ser projetado para executar funções lógicas complexas, tais como operações matemáticas, memória e armazenamento de dados, comunicação serial, controle de processos, entre outros.

Os circuitos lógicos são baseados em princípios matemáticos e de lógica booleana, e podem ser analisados e projetados usando ferramentas de simulação e software de design. A compreensão dos princípios básicos dos circuitos lógicos é essencial para a compreensão de eletrônica digital e sistemas embarcados.

Simbologia

As portas lógicas são representadas por símbolos gráficos que indicam a função booleana realizada pela porta. Abaixo está a simbologia das portas lógicas mais comuns.

Símbolos lógicos para portas lógicas.

Esses são os símbolos gráficos mais comuns utilizados para representar as portas lógicas. Eles são usados em circuitos digitais para representar as operações booleanas que são realizadas em uma série de bits ou dados. Cada porta lógica possui um comportamento específico e é importante entender seus símbolos e funções para projetar e construir circuitos digitais eficientes. Na imagem abaixo tem um exemplo de circuito lógico digital.

Circuito lógico de portas lógicas.

Neste circuito lógico estamos utilizando três botões ligados em algumas portas lógicas (OR, NAND e AND), que estão ligadas em um motor. Analisando a lógica deste circuito, o motor será acionado se atender as seguintes condições:

• O botão liga/desliga estiver acionado
• Se nenhum dos dois botões de emergência estiverem acionados

Caso contrário o motor não será ligado. Veja através dessa tabela verdade do circuito acima.

Tabela verdade do circuito lógico.

Como implementar portas lógicas em circuitos digitais?

As portas lógicas são implementadas em circuitos digitais como microchips. Cada tipo de porta lógica requer um circuito específico, mas todas elas usam transistores para implementar a lógica digital. O transistor é um componente eletrônico que pode ser usado como um interruptor controlado eletricamente. Um transistor pode estar em dois estados: ligado (conduzindo eletricidade) ou desligado (não conduzindo eletricidade).

Um microchip de porta lógica é um circuito integrado que contém várias portas lógicas, que permitem a realização de operações lógicas em sinais elétricos binários (0 e 1) de entrada, produzindo um sinal de saída correspondente.

Esses microchips são utilizados em sistemas digitais para implementar funções lógicas mais complexas, como a construção de registradores, memórias, contadores, decodificadores, entre outros.

Os microchips de porta lógica são circuitos integrados que contém milhões de transistores, resistores e capacitores integrados em um único componente eletrônico. Possuem vários benefícios em relação às portas lógicas discretas, como menor consumo de energia, menor espaço físico ocupado, maior velocidade de operação, maior confiabilidade e menor custo de produção.

Graças a esses benefícios, os microchips de porta lógica são amplamente utilizados na indústria eletrônica, desde aplicações simples até sistemas complexos de alta tecnologia

As implementações específicas de portas lógicas podem variar dependendo do fabricante, do tipo de circuito e das especificações de design. No entanto, todas as implementações de portas lógicas são baseadas em transistores e na lógica digital.

Aplicação de portas lógicas em sistemas digitais

As portas lógicas são fundamentais para o funcionamento dos sistemas digitais, que são usados em uma ampla variedade de aplicações práticas. Aqui estão alguns exemplos.

Computadores

Portas lógicas são usadas para construir os circuitos digitais que formam o coração de todos os computadores modernos, desde smartphones até servidores de alta performance. As portas lógicas são usadas para realizar operações lógicas, como adição binária, comparação de números e operações de controle de fluxo.

Eletrônica automotiva

A eletrônica automotiva moderna é baseada em sistemas digitais que utilizam portas lógicas para controlar funções críticas do veículo, como sistemas de frenagem, ignição e transmissão. Além disso, portas lógicas são usadas para implementar sistemas de segurança, como airbags e sensores de colisão.

Redes de computadores

As portas lógicas são usadas para implementar protocolos de comunicação em redes de computadores, incluindo o protocolo TCP/IP, que é a base da Internet. Portas lógicas são usadas para rotear pacotes de dados, controlar a comunicação entre dispositivos e implementar sistemas de segurança, como firewalls.

Sistemas de controle industrial

As portas lógicas são usadas para construir sistemas de controle industrial, que são usados em uma ampla variedade de aplicações, desde linhas de produção automatizadas até sistemas de controle de tráfego aéreo. As portas lógicas são usadas para controlar motores, sensores, válvulas e outros componentes críticos.

Esses são apenas alguns exemplos das muitas aplicações práticas das portas lógicas em sistemas digitais. De fato, qualquer dispositivo eletrônico moderno que tenha alguma capacidade computacional ou de controle é construído em torno de portas lógicas e outros circuitos digitais.

Como escolher a porta lógica adequada para uma determinada aplicação?

A escolha da porta lógica adequada para uma determinada aplicação depende principalmente dos requisitos da aplicação em termos de desempenho, funcionalidade e custo. Aqui estão alguns passos a seguir para escolher a porta lógica adequada:

• Identifique os requisitos da aplicação: determine quais são as entradas e saídas necessárias para a sua aplicação e qual é a lógica que deve ser implementada
• Escolha o tipo de porta lógica: existem vários tipos de portas lógicas, incluindo AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, entre outras. Escolha a porta lógica que melhor atenda aos requisitos da sua aplicação
• Considere o número de entradas: portas lógicas podem ter diferentes números de entradas. Escolha uma porta lógica que tenha o número correto de entradas para sua aplicação
• Considere o desempenho: se a velocidade de operação for um requisito crítico para sua aplicação, escolha uma porta lógica com uma velocidade de comutação rápida
• Considere a voltagem de alimentação: as portas lógicas podem operar com diferentes níveis de tensão. Verifique se a tensão de alimentação é compatível com os requisitos da sua aplicação
• Considere o custo: escolha a porta lógica mais econômica que atenda aos requisitos da sua aplicação

Em geral, a escolha da porta lógica adequada envolve um equilíbrio entre desempenho, funcionalidade e custo. Além disso, é importante ter em mente que muitas vezes é necessário combinar diferentes portas lógicas para implementar uma função lógica mais complexa.

Para aprender mais e ter mais dicas, te convidamos a ver o vídeo abaixo do canal Mundo da Elétrica!

Gostou desse artigo? Compartilhe com os seus amigos! Caso tenha dúvidas ou sugestões, deixe abaixo nos comentários e te responderemos.

Sobre o autor

Eletricista desde 2006, Henrique Mattede também é autor, professor, técnico em eletrotécnica e engenheiro eletricista em formação. É educador renomado na área de eletricidade e um dos precursores do ensino de eletricidade na internet brasileira. Já produziu mais de 1000 videoaulas no canal Mundo da Elétrica no Youtube, cursos profissionalizantes e centenas de artigos técnicos. O conteúdo produzido por Henrique é referência em escolas, faculdades e universidades e já recebeu mais de 120 milhões de acessos na internet.

Veja a biografia completa

Veja também

Aprenda como utilizar um arduino!

Circuito Elétrico Simples: 10 exemplos com suas funções

Tensão de alimentação: selecionando a tensão correta para dispositivos eletrônicos

Circuitos lógicos: como funcionam e como usar?