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EL-4002
Sistemas Digitales
Circuitos Integrados y Tecnología
Niveles de Integración y Tecnología CMOS
Circuitos Integrados (“Integrated Circuits”)
El Circuito Integrado (informalmente, un “chip”) es
un cristal semiconductor (normalmente silicio) que
contiene las componentes electrónicas para las
compuertas digitales y elementos de memoria los
cuales están interconectados en el chip
Terminología – Niveles de integración del chip
SSI (Small-Scale Integrated) – menos de 10 compuertas
MSI (Medium-Scale Integrated) - 10 a 100 compuertas
LSI (Large-Scale Integrated) - 100 a miles de compuertas
VLSI (Very Large-Scale Integrated) – miles a centenas de
millones de compuertas
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Niveles Lógicos
Driver ReceiverZona
Prohibida
NML
NMH
Características EntradaCaracterísticas Salida
VO H
VDD
VO L
GND
VIH
VIL
Rango EntradaNivel Alto
Rango EntradaNivel Bajo
Rango SalidaNivel Alto
Rango SalidaNivelBajo
Ejemplo de Familias Lógicas
Logic Family VDD VIL VIH VOL VOH
TTL 5 (4.75 - 5.25) 0.8 2.0 0.4 2.4
CMOS 5 (4.5 - 6) 1.35 3.15 0.33 3.84
LVTTL 3.3 (3 - 3.6) 0.8 2.0 0.4 2.4
LVCMOS 3.3 (3 - 3.6) 0.9 1.8 0.36 2.7
Transistores
g
s
d
g = 0
s
d
g = 1
s
d
OFF ON
Compuertas Lógicas construidas de
Transistores
Switch de 3 puertos controlados por voltaje
2 puertos conectados dependiendo del voltaje del
tercero
d y s están conectados (ON) cuando g es 1
Apodado el “Alcalde de
Silicon Valley”
Co-fundador de Fairchild
Semiconductor en 1957
Co-fundador de Intel in
1968
Co-inventor del Circuito
Integrado
Robert Noyce, 1927 - 1990
Silicio
Cuadrícula de Silicio
Si SiSi
Si SiSi
Si SiSi
As SiSi
Si SiSi
Si SiSi
B SiSi
Si SiSi
Si SiSi
-
+
+
-
Electrón libre Hueco libre
Tipo n Tipo p
Transistores construidos en silicio, un
semiconductor
Silicio puro es un mal conductor (no hay cargas
libres)
Silicio dopado es un buen conductor (cargas
libres)
Tipo n (cargas libres negativas, electrones)
Tipo p (cargas libres positivas, huecos)
Transistor MOS
n
p
gatesource drain
substrate
SiO2
nMOS
Polysilicon
n
gate
source drain
Metal Oxide Silicon (MOS) Transistors: Compuerta “Polysilicon” (solía ser metal)
Aislador Oxide (dióxido de silicio)
Silicon dopado
Transistor nMOS
n
p
gate
source drain
substrate
n n
p
gatesource drain
substrate
n
GND
GND
VDD
GND
+++++++
- - - - - - -
channel
Gate = 0
OFF (no hay conexión
entre la fuente (“source”)
y el drenaje (“drain”)
Gate = 1
ON (canal entre fuente
y drenaje)
Transistor pMOS
SiO2
n
gatesource drain
Polysilicon
p p
gate
source drain
substrate
Transistor pMOS es opuesto al nMOS
ON cuando Gate = 0
OFF cuando Gate = 1
Funciones del Transistor
g
s
d
g = 0
s
d
g = 1
s
d
g
d
s
d
s
d
s
nMOS
pMOS
OFFON
ONOFF
Funciones del Transistor
nMOS: pasa buenos 0’s, por lo tanto conecta la
fuente (“source”) a GND
pMOS: pasa buenos 1’s, por lo tanto conecta la
fuente a VDD
pMOSpull-up
network
salida
entradas
nMOS pull-down network
Compuertas CMOS: Compuerta NOT
NOT
Y = A
A Y0 1
1 0
A Y
A P1 N1 Y
0 ON OFF 1
1 OFF ON 0
VDD
A Y
GND
N1
P1
Modelo de “Switches” para Inversor CMOS
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Compuertas CMOS: Compuerta NAND
A
B
Y
N2
N1
P2 P1NAND
Y = AB
A B Y0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
AB
Y
A B P1 P2 N1 N2 Y
0 0 ON ON OFF OFF 1
0 1 ON OFF OFF ON 1
1 0 OFF ON ON OFF 1
1 1 OFF OFF ON ON 0
Modelo de “Switches” para Compuerta
NAND de 2 Entradas CMOS
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Compuerta NOR de 2 Entradas CMOS
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Compuerta NAND de 3 Entradas CMOS
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Buffer CMOS
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Compuerta AND de 2 Entradas CMOS
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Compuerta “AND-OR-INVERT” CMOS
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Compuerta “OR-AND-INVERT” CMOS
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
“Data Sheet” Compuerta NAND 54/74HC00
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Circuitos de Prueba y Formas de Onda Lógica
Serie HC
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Función de Transferencia E/S Inversor CMOS
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Co-fundador de Intel en
1968 con Robert Noyce.
Ley de Moore: el número
de transistores en un chip
de un computador se
duplica cada año
(observado en 1965)
Desde 1975, la cantidad
de transistores se ha
duplicado cada dos años
Gordon Moore, 1929 -
Parámetros de la Tecnología Las tecnologías de implementación específicas de
compuertas están caracterizadas por los siguientes
parámetros: Fan-in – el número de entradas disponible en la compuerta
Fan-out – el número de cargas estándares capaz de manejar la
salida de una compuerta
Niveles Lógicos – los rangos de valores de la señal para el 1 y el 0
en las entradas y el 1 y el 0 en las salidas
Margen de Ruido – el voltaje de ruido externo máximo
sobreimpuesto en el valor de la entrada normal que no producirá un
cambio indeseado en la salida del circuito
Costo para una compuerta – una medida de la contribución de la
compuerta al costo del circuito integrado
Retardo de Propagación – el tiempo requerido por un cambio en el
valor de una señal para propagarse desde una entrada hacia una
salida
Disipación de Energía – la cantidad de energía obtenida de una
fuente de poder y consumida por la compuerta Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Fan-out
El Fan-out puede ser definido en términos de
cargas estándares
Ejemplo: 1 carga estándar es igual a la carga
impuesta por la entrada de un inversor
Tiempo de Transición (“Transition time”) – el tiempo
requerido por la salida de la compuerta para cambiar
de H a L, tHL, o de L a H, tLH
El máximo fan-out que puede ser manejado por una
compuerta es el número de cargas estándares que la
compuerta puede entregar sin exceder su tiempo de
transición máximo especificado
Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales
Costo En un Circuito Integrado:
El costo de una compuerta es proporcional al área
del chip ocupada por la compuerta
El área de la compuerta es, a grandes rasgos,
proporcional al número y tamaño de los transistores y
a la cantidad de alambrado que los conectan
Ignorando el área del alambrado, el área de la
compuerta es, a grandes rasgos, proporcional a la
cantidad de entradas de la compuerta
Por lo tanto, la cantidad de entradas es una medida
aproximada del costo de la compuerta
Si el área de diseño real del chip ocupada por la
compuerta es conocida, es una medida más precisa
del costo de la compuerta Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales