Circuitos Electrónicos DigitalesClase N°21 Familias Lógicas Circuitos Electrónicos Digitales Profesora: Mafalda Carreño M Segundo Semestre 2009

Circuitos Electrónicos Digitales

Clase N°2 1

Familias Lógicas

Circuitos Electrónicos DigitalesProfesora: Mafalda Carreño M

Segundo Semestre 2009


Clase N°2 2

Familias Lógicas

Introducción:La electrónica digital está ligada al uso de circuitos integrados (CI), prácticamente todos los circuitos digitales usan estos dispositivos.Algunas de las principales razones son:

Los CI contienen gran cantidad de circuitos en un reducido espacio,

Se minimiza el número de conexiones entre los dispositivos,

Se aumenta la confiabilidad del sistema, Se reduce el consumo de energía y el costo de

los sistemas.


Clase N°2 3

Clasificación de los CI: según Complejidad

En función del número de puertas lógicas o transistores que contienen se tienen los siguientes tipos:

SSI (integración a pequeña escala) menos de 12 puertas.

MSI ( integración a mediana escala) de 12 a 99. LSI (integración a gran escala) de 100 a 9999. VLSI ( integración a escala muy grande) de 10.000

a 99.999. ULSI (integración a escala ultra grande) de

100.000 a 999.999. GSI (integración a giga-escala) de 1.000.000 o

más.


Clase N°2 4

Clasificación de los CI: según tecnologíaLos CI llevan el nombre de la tecnología usada. Algunas de las familias que se han comercializado son las siguientes:

RTL Resistor - Transistor LogicDTL Diode - Transistor LogicTTL Transistor - Transistor LogicECL Emitter –Coupled LogicMOS Metal - Oxide SemiconductorCMOS Complementary Metal – Oxide

SemiconductorBiCMOS Bipolar Complementary Metal- Oxide Semiconductor.

Las familias RTL y DTL fueron las primeras desarrolladas y actualmente son obsoletas.


Clase N°2 5

Clasificación de los CI: según tecnología

Familias Lógicas

Tecnología Bipolar

Tecnología MOS

ECL TTL LVCMOS CMOS NMOS

AHCMOS

CMOS

HCMOS

STTL

LSTTL

ASTTL

ALSTTL

BiCMOS


Clase N°2 6

Tecnología Bipolar, familia ECLLa tecnología ECL, (Emitter Coupled Logic), pertenece a la tecnología, su principal ventaja es su velocidad.

Algunas características: Niveles de tensión altos y bajos cercanos, lo que le

proporciona alta velocidad,

Incompatibilidad con otras familias lógicas,

Disposición de salidas diferenciales, es decir, tanto para salida complementada como sin complementar.

Su uso era en aquellas aplicaciones que requieren muy alta velocidad de funcionamiento. Actualmente ha sido sustituida por la tecnología CMOS.


Clase N°2 7

Tecnología Bipolar, familia TTLDentro de la tecnología bipolar, la familia de circuitos lógicos más conocida es la TTL (Transistor-Transistor Logic), fue la primera familia de circuitos lógicos y la más usada durante décadas.

Serie TTL Prefijo CI (ejemplo)

TTL estándar 74 7400

TTL Schottky 74S 74S00

TTL Schottky de baja potencia 74LS 74LS00

TTL Schottky avanzada 74AS 74AS00

TTL Schottky avanzada de baja potencia

74ALS 74ALS00


Clase N°2 8

Tecnología Unipolar, familia MOS

La tecnología MOS se utiliza en sistemas que requieren gran densidad de componentes.

CMOS forma parte de esta tecnología y se usa en sistemas que requieren poco consumo de energía y se ha convertido en una de las más utilizadas.

Dentro de la familia CMOS reconocemos 6 series. La primera de ellas cuenta prácticamente con las mismas funciones lógicas que la familia TTL, pero los terminales de los circuitos no se encuentran en el mismo orden.

A continuación se muestra un cuadro con las series de la familia CMOS.


Clase N°2 9

Series de la Familia CMOS

Series CMOS Prefijo Númeración

Compuerta de Metal CMOS 40 4001

Compuerta de Metal CMOS con terminales TTL

74C 74C02

Compuerta de Silicio CMOS con terminales TTL, alta velocidad

74HC 74HC02

Compuerta de Silicio CMOS, alta velocidad, terminales y eléctricamente compatible TTL

74HCT 74HCT02

CMOS de desempeño avanzado 74AC 74AC02

CMOS de desempeño avanzado, eléctricamente compatible con TTL

74ACT 74ACT02


Clase N°2 10

Características de los circuitos digitales

Los circuitos digitales (de conmutación) están compuestos por compuertas lógicas, las cuales se encuentran interconectadas entre sí, tal como se observa en la figura.

Idealmente no se considera la interacción entre las compuertas, sin embargo en la realidad las características de cada familia definen el comportamiento de las entradas y las salidas de las diferentes compuertas.

BC

D

A

Z


Clase N°2 11


El diseño lógico de un circuito combinacional es independiente de la tecnología usada. Sin embargo en la realización física del circuito deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

•Márgennes de Ruido

•Fan Out

•Velocidad

•Consumo

• Alimentación

• Entorno de trabajo

•Tipos de salidas a usar:

•Colector abierto

•Tercer estado


Clase N°2 12

Generalidades de un CI


Clase N°2 13


Las entradas y salidas no pasan inmediatamente de un valor a otro.

Las tolerancias de fabricación, los cambios en la temperatura y otros factores medioambientales pueden hacer que los niveles en tensión cambien.

Las entradas de una compuerta provienen de la salida de o de las salidas de otras compuertas de cada circuito lógico, convirtiéndose en carga de las etapas anteriores. Estos efectos de carga puede degradar los niveles lógicos.

Toda desviación del caso ideal impone límites en la actuación de los circuitos lógicos.

Un circuito digital está representado por las siguientes características:Margen de ruido, retardo en la propagación, fan-out, disipación de potencia.


Clase N°2 14

Características de las compuertas

En términos generales veremos las siguientes características:

Características eléctricas De voltaje de alimentación, De voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi) Márgenes de Ruido Corrientes de entrada y salida Fan out Fan in Disipación de potencia

Características temporales


Clase N°2 15

Características eléctricas

Algunas de las características que los fabricantes incorporan en la documentación técnica son las especificaciones eléctricas y temporales. A continuación vemos las características del inversor 74AS04


Clase N°2 16


Clase N°2 17

Características eléctricas, de voltaje de alimentación

La tensión de alimentación de la familia 74 ASXX que se necesita para que el CI funciones es de 5V, aunque los fabricantes dan un margen de valores de Vcc que aseguran el buen funcionamiento del circuito. En este caso el rango es de 4,5 V a 5,5 V.


Clase N°2 18

Características eléctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)

La tensión de salida para diferentes tensiones de entrada de una compuerta, en este caso 74AS04, nos da un gráfico como en que se muestra a continuación:


Clase N°2 19


En la figura se observan los rangos (valores) que se consideran como “0” y “1” lógicos a la entrada y la salida del circuito. Estos rangos se obtienen de la gráfica Vo-Vi, en los puntos que la curva tiene pendiente (-1). Las coordenadas de estos puntos definen los siguientes parámetros:

VOH es la tensión mínima de salida que se considera un “1” lógico.VOL es la máxima tensión de salida que se considera un

“0” lógico.VIH es la mínima tensión de entrada que se considera un “1” lógico.

VIL es la máxima tensión de entrada que se considera un “0” lógico


Clase N°2 20


Los niveles de tensión para los valores lógicos “0” y “1”varían de la entrada a la salida.

A continuación los niveles para el 74 AS04.


Clase N°2 21


Valores típicos para familias CMOS y TTL:


Clase N°2 22


Valores típicos para familias CMOS y TTL:


Clase N°2 23

La existencia de los diferentes rangos para los niveles lógicos en las entradas y en las salidas se puede entender con la necesidad de asegurar un buen funcionamiento en ambientes ruidosos.

Características eléctricas, márgenes de ruido


Clase N°2 24



Clase N°2 25


A continuación se muestra en la figura, el margen existente para el “0” y el “1” a la entada y a la salida del 74AS04


Clase N°2 26


Existen dos márgenes de ruido: Margen de ruido superior, y Margen de ruido inferior

Se define como la máxima tensión de entrada que se puede superponer al nivel “1” de salida para que la entrada de la siguiente compuerta sea considerada también un “1”. Es decir VIH debe ser menor que VOH para asegurar que la señal sea considerada “1” lógico

HM

LM

IHOHH VVM


Clase N°2 27


Se define como la máxima tensión de entrada que se puede superponer al nivel “0” de salida para que la entrada de la siguiente compuerta sea considerada también un “0”. De este modo VIL debe ser mayor que VOL para asegurar que el nivel sea interpretado como un “0”

Para el CI 74AS04, =1 V y =0,45V.

El margen de ruido , M, se define el menor de y

OLILL VVM

HM LM

HM LM


Clase N°2 28


Observación:

Cuanto mayor sean los márgenes de ruido de un dispositivo o circuito, estos circuitos serán menos sensibles a las perturbaciones y por lo tanto, serán mas adecuados para trabajar en entornos con mayores índices de ruido.


Clase N°2 29

Características eléctricas, corrientes de entrada y salida

Los terminales de entrada y salida de los circuitos integrados presentan corrientes que a su vez pueden ser de entrada hacia el interior del circuito, en este caso se consideran positivas, o de salida del circuito, en este caso corrientes negativas.

iI OI


Clase N°2 30

Características eléctricas, corrientes de entrada y salida


Clase N°2 31

Fan OutFan Out: es el número máximo de compuertas que pueden conectarse a la salida de una compuerta. Es un valor constante que indica el número máximo de puertas que puede conectarse a una puerta para que el conjunto funcione adecuadamente.

ILOLIHOH IIIIoutFan /,/min

El menor de los dos valores de N es el “fan out” de la compuerta


Clase N°2 32

Fan Out

100202 AmAN

OHI

IHI

Si la puerta A genera un “1” en su salida, la intensidad de corriente máxima que esta compuerta puede suministrar es de (-2mA), el signo negativo indica que es una corriente de salida.

En cambio las compuertas 1,2,….,N tienen un “1” lógico en sus entradas y en esta situación la corriente máxima está dada por =20 micro A .

OHI


Clase N°2 33

Fan Out

405,0205,0 mAmANmANIOL

OLI

Supongamos ahora que la compuerta “A” tiene un “0” en su salida, la intensidad máxima que la puerta “A” es capaz de recibir es de =20mA.

Las compuertas 1,2,3,…;N tienen un “0” en sus entradas, son capaces de suministrar un máximo de :

El menor de los dos valores de N es el “fan out” de la compuerta. Para la familia 74AS es de 40.

ILIN

OLI


Clase N°2 34

Fan Out

La tecnología TTL debe proveer de corriente a las entradas de las compuertas. La corriente que puede entregar es limitada, por lo que el número de compuertas que se puede conectar también es limitado.

En cambio en la tecnología CMOS no requiere entregar corriente a las entradas de la siguiente compuerta , por lo que CMOS tiene un FAN OUT ilimitado. Sin embargo, el Fan Out en la tecnología CMOS tiene un impacto importante en el retraso que ocurre en las compuertas.


Clase N°2 35

Fan In

Fan In es el número de puertas que se pueden conectar a la entrada sin que se degrade la operación de una compuerta .

Otros autores lo definen como el número de entradas de una compuerta

Aunque no existe una limitante en cuanto al Fan In de una compuerta, sólo se tienen compuertas con determinado número de entradas.

Si se requiere utilizar una compuerta con un Fan In que no se encuentra en el mercado se deben usar varias compuertas para construirlo.

En la familia TTL, no existe restricción en esto, pero en el caso de la familia CMOS existen limitantes en retraso y velocidad.


Clase N°2 36

Fan IN- Fan Out


Clase N°2 37

Disipación de Potencia

Es la potencia disipada por el CI y s mide en (mW)

Icc es la corriente que consume el CI por el pin conectado a Vcc.

Normalmente el fabricante especifica dos valores de Icc. Tomando el valor medio de estos valores se puede obtener buena aproximación del consumo del CI.

La potencia será:

CCCC IVPotencia

2/)( cclcchCC IIVPotencia


Clase N°2 38

Características Temporales de las Compuertas Lógicas


Clase N°2 39

Características Temporales de las Compuertas LógicasLa capacidad de respuesta de los CI digitales son los tiempos de propagación o tiempos de retraso.


Clase N°2 40



Clase N°2 41


Para el 74AS04, el fabricante especifica los siguientes valores:

Switching Characteristics:

En la mayoría de las situaciones no es necesario diferenciar entre estos dos valores, por lo que se da solo un valor de propagación :

2/)( phlplhp ttt


Clase N°2 42

Producto Potencia Disipada- Retardo de Propagación


Clase N°2 43

Características de Familias Lógicas


Clase N°2 44

Comparación de Familias Lógicas

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