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Circuitos Electrónico s Digitales Clase N°4 1 Familias Lógicas Circuitos Electrónicos Digitales Profesora: Mafalda Carreño M Segundo Semestre 2009

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Circuitos Electrónicos Digitales

Clase N°4 1

Familias Lógicas

Circuitos Electrónicos DigitalesProfesora: Mafalda Carreño M

Segundo Semestre 2009

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Clase N°4 2

Familias Lógicas familias bipolares

Transistor saturado, equivale a un corto circuito

Transistor cortado, equivale a un corto abierto

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Clase N°4 3

Familia TTL Diferentes etapas de salida de la lógica TTL

A continuación se muestran la diferentes configuraciones en la etapa de salida de una compuerta. Se distinguen tres tipos:

• Totem-pole

•Con carga resistiva

•En colector abierto

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Clase N°4 4

Familias LógicasLógica Alambrada

En los dispositivos con salida colector abierto (OC), se pueden conectar sin peligro, sus salidas entre sí. Como se muestra en la figura.

La salida de esta conexión equivale a la operación AND.

Esta configuración AND alambrada:

• elimina la necesidad de una compuerta AND real,

•los dispositivos OC suelen tener una velocidad de conmutación menor que los con salida Tótem.

•Son más sensibles al ruido.

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Clase N°4 5

Familias LógicasLógica Alambrada

¿Son equivalentes?

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Clase N°4 6

Problema con Salida Totem - Pole con Lógica Alambrada

La salida normal en Totem Pole tiene un conflicto potencial en su modo de funcionamiento debido a que la compuerta pull–down podría estar consumiendo corriente, mientras que la compuerta pull–up la suministra. El resultado no está bien definido, y la disipación podría ser excesiva.

Definiciones:PULL-UP: Es el dispositivo que suministra el nivel alto, es decir, conecta la tensión de polarización a la salida.

PULL-DOWN: Es el dispositivo que suministra el nivel bajo, es decir, conecta la tierra a la salida.

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Clase N°4 7

Muchos circuitos lógicos vienen con una Salida de Colector – Abierto. Esto simplemente significa que no existe un transistor de pull–up interno. Cualquier cantidad de estas salidas de colector – abierto pueden ser alambradas juntas con un único resistor externo de pull–up, y la salida estará en estado ALTO sólo cuando todos los transistores de pull – down estén en CORTE.

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Clase N°4 8

Familias LógicasLógica Alambrada

Colector Abierto (open colector):Se usa en el manejo de las “IRQ”, (requerimiento de interrupciones). Cuando no se solicita “IRQ”, la interfaz tiene un “1”(circuito abierto).

Cuando se solicita “IRQ” hay un “0”, así se pueden unir varias tarjetas que demandan la misma “IRQ”

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Clase N°4 9

Configuración con lógica alambrada

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Clase N°4 10

Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel Bajo

Circuito de carga

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Clase N°4 11

Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel Bajo

Para que la tensión en la salida de la unión de varias puertas colector abierto sea un nivel bajo VOL, basta con que una de las salidas sea nivel bajo, es decir, que el transistor de salida de una de las puertas esté saturado (VOL=VCEsat) y la corriente de salida del transistor saturado será: IOLmax y la corriente absorbida por el circuito de carga será M* IILmax. En este caso hay que garantizar que:

La tensión en la resistencia será:

maxmax* OLOHR IIMI

maxOLCCR VVV

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Clase N°4 12

Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel Alto

Circuito de carga

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Clase N°4 13

Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel Alto

maxmax ** IHOHR IMINI

Para que la salida tenga un valor alto, es necesario que todas las puertas tengan un nivel alto, es decir fuercen su transistor de salida al estado de corte. La corriente que circula en cada una de estas compuertas será (en el peor caso) IOHmax, una corriente muy pequeña.

La corriente en la resistencia será:

La tensión en la resistencia será:

minOHCCR VVV

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Clase N°4 14

Familias LógicasTecnología MOS

Uno de los principales usos de un dispositivo MOS (Metal-Oxide Semiconductor) es como conmutador lógico en circuitos digitales.

Las compuertas lógicas MOS frecuentemente son preferidas debido a:

• su baja disipación de potencia y • menor tamaño comparado con un transistor bipolar, es decir, mayor densidad de integración.

Estos dos factores permiten la construcción de circuitos más densos, lo cual es importante desde un punto de vista económico.

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Clase N°4 15

Familias LógicasTecnología MOS

Las familias MOS basan su funcionamiento en los transistores de efecto de campo o MOSFET, los cuales se clasifican en NMOS o PMOS según el canal utilizado. La figura muestra su estructura y sus símbolos.

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Clase N°4 16

Familias LógicasMOS Canal N

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Clase N°4 17

Familias LógicasMOS Canal P

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Clase N°4 18

Familias LógicasInversor MOS

Cuando la entrada se encuentra en nivel bajo, el transistor estará en corte. Por lo tanto la corriente será nula y en la salida se encontrará la tensión de polarización, es decir un nivel alto.

Cuando la entrada está en un nivel alto, el transistor estará condiciendo y se comportará como un interruptor, por lo tanto la salida será un nivel bajo.

La resistencia actúa como “pull-up” de la estructura.

0ON 1

1OFF 0

FT1 A

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Clase N°4 19

Diferentes tipos de pull-up de la familia NMOS

Existen diferentes tipos de “pull-up”: puede ser la resistencia, transistores de deplexión o transistores saturados.

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Clase N°4 20

Familias LógicasInversor MOS

T1 se comporta como una resistencia de polarización

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Clase N°4 21

Familias LógicasCompuertas NMOS

Ejemplos de compuertas en base a tecnología NMOS.

Tarea N°2:

Deduzca la tablas de verdad de cada una de las compuertas.

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Clase N°4 22

Familias LógicasFamilia CMOS

La familia CMOS utiliza los transistores NMOS y PMOS, funcionando como interruptores, de tal forma que los transistores NMOS suministran el nivel bajo y los transistores PMOS suministran el nivel alto.

Inversor CMOS

Cuando la entrada tiene un valor bajo, T1 estará cortado, mientras que T2 estará conduciendo. Por lo tanto, T2 colocará un nivel alto en la salida.

Cuando la entrada tiene un valor alto, T2 estará cortado, mientras que T1 estará conduciendo. Por lo tanto, T2 evitará el paso de corriente por lo que no consume potencia.

0OFFON1

1ONOFF0

FT2T1A

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Clase N°4 23

Familias LógicasInversor CMOS

a) Si VI = 0 V,

Q1 conduce, Q2 se corta.

V0 = VDD.

b) Si VI = VDD, Q1

se corta, Q2 conduce. V0 = 0 V.

VI

-

+

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Clase N°4 24

Familias LógicasInversor CMOS

1) Los transistores MOS usados están en modo enhancement (mejorado), es decir, no conducen con VGS = 0 y conducen cuando se aplica una tensión adecuada VGS.

2) La carga y descarga de las capacidades parásitas a la salida es rápida y toma el mismo tiempo, porque se realiza a través de la resistencia Rc de los transistores.

3) El inversor CMOS tienen bajo consumo estático, sólo un transistor conduce a la vez.

4) El inversor CMOS tiene alta impedancia de entrada.

5) Posee alto nivel de integración, ya que no se requiere resistencia RD externa. VDD es flexible.

6) Los niveles lógicos dependen de la fuente VDD.

7) El fan – out tiende a infinito.

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Clase N°4 25

Familias LógicasCompuerta NOR CMOS

011

001

010

100

YBA

Si las entradas A y B son 1 lógico positivas y cercanas a VDD, se cortan los transistores p y los transistores n conducen haciendo que V0 sea igual a 0.Si A y B están en 0, los transistores p conducen y los n se cortan, la salida es igual a VDD. En el caso de que A o B sea 0 lógico, esto hará conducir al respectivo transistor n, la salida es igual a 0.

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Clase N°4 26

Familias LógicasCompuerta NOR CMOS

La etapa de salida puede entregar y absorber corriente, pero la capacidad no es la misma. Para entregar corriente hay 2 transistores en serie y para absorber corriente hay 2 transistores en paralelo. Para igualar la capacidad de corriente y aumentar la “ganancia” de la compuerta, se colocan 2 transistores en cascada a la salida.

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Clase N°4 27

Familias LógicasCompuertas CMOS

Ejemplos de compuertas lógicas CMOS.

Tarea N° 3: A) Deduzca la tablas de verdad de cada una de las compuertas.B) Dibuje el circuito de una compuerta AND CMOS de 2 entradas.

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Clase N°4 28

Familias Lógicas

En condiciones estáticas el consumo es muy pequeño. Existen 3 causas importantes de consumo.

1. Corrientes de fuga entre Source y Drain (diodos inversamente polarizados, miles o millones en LSI o VLSI).

2. Potencias transientes debidas a las capacidades de carga.

3. Potencias transientes debidas a las capacidades internas.

Consumo de Potencia (O Corriente) CMOS

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Clase N°4 29

Familias Lógicas

DDfugaD VIP 1

AóAaI fuga __

Aumenta con la Temperatura

Potencia Disipada por Fuga

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Clase N°4 30

Familias LógicasPotencia Transiente Debida a la Capacidad de Carga CL

2CLL 2

1E recibe C ciclo cadaEn DDLVC

0Vc

Vdd

Icarga

Idescarga

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Clase N°4 31

Familias Lógicas

La energía entregada por la fuente se puede calcular mediante:

0

2

LRC

t

LDD

f eRCR

VE

Potencia Transiente Debida a la Capacidad de Carga CL

102 LDDf CVE

dtteR

VVE LRC

t

DDDDf

0

LDDf CVE 2

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Clase N°4 32

Familias Lógicas

La potencia disipada por el circuito es:

Potencia Transiente Debida a la Capacidad de Carga CL

FT

1 Donde

Siendo F la frecuencia de conmutación.

T

VCP DDL

D

2

2

FVCP DDLD 22

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Clase N°4 33

Familias Lógicas

Depende de y F, igual que la anterior. 2DDV

Potencia Transiente Debida a la Capacidades Internas CI

Siendo F la frecuencia de conmutación.

FVCP DDID 23

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Clase N°4 34

Familias Lógicas

La potencia total es la suma de cada una de las, contribuciones , es decir:

Potencia Total Consumida en CMOS

Donde CPD : Capacidad Equivalente

231321 DDDDDTotal PPPPPP

FVCPPP DDPDDDD 23223

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Clase N°4 35

Los aspectos más importantes son:

a) Muchos componentes se dañan por electricidad estática con potenciales menores a los que percibe una persona.

b) Algunos componentes se dañan parcialmente.

c) El riesgo aumenta al disminuir la humedad relativa del aire.

d) En algunos circuitos CMOS, se produce un fenómeno denominado “latch up” (enganche, disparo) cuando está polarizado. El dispositivo cortocircuita la fuente y se puede quemar por temperatura.

Efecto de la Electricidad Estática en los Componentes Electrónicos

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Clase N°4 36

Familias Lógicas

Esta situación ocurre que cuando el voltaje de entrada pasa por el rango intermedio entre 0 y VDD (o viceversa). En este caso ambos transistores conducen, lo que crea un camino directo de la fuente a tierra. La potencia disipada es de naturaleza resistiva y también depende de y de F.

Potencia Consumida Durante la Conmutación

2DDV

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Clase N°4 37

Familias Lógicas

Supongamos una compuerta lógica capaz de entregar un peak de corriente de 40 mA en Cortocircuito. Al conmutar Vo de 0 a 5 V circula un pulso de corriente Ic.

Consumo Durante la Conmutación

La inductancia del cableado de fuente introduce una fluctuación del voltaje de fuente en la compuerta.

icVDD

40 mA5.8 V

4.2 V5 V

t [ns]55

Ic

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Clase N°4 38

Familias LógicasConsumo Durante la Conmutación

9

36

105

1040101.0

LV

μH0.1L Sea

dt

diLV L

L

V 0.8VL

Estas variaciones de tensión pueden alterar datos almacenados en flip – flops, memorias, etc.

Solución: Capacitor de Desacoplo Local.

idtC

Vd

C

1

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Clase N°4 39

Familias Lógicas

Suponiendo que el capacitor Cd entrega 40 mA constantes durante el intervalo de 10 nseg.

Consumo Durante la Conmutación

kpFV

tiCd 4

1.0

10101040 93

tiC

Vd

C 1

kpFCd 4