6 Dispositivos integrados

Copyright diciembre de 2014 por TECSUP

Circuitos Electrnicos Integrados

Sesin n6

1

Circuitos Integrados digitales

Lgica digital

OBJETIVOS:

Reconocer los diferentes tipos de compuertas lgicas mas usados.

Analizar y simplificar los circuitos lgicos. Diferenciar los TTL de los CMOS. Comprender el funcionamiento de las compuertas lgicas.

2

ELECTRONICA DIGITAL

Tipos de Seales DISCRETA

No lleva informacin en su valor.

Representa dos estados posibles:

Abierto/Cerrado

Si/No

O/1

Positivo/Negativo

Presente/Ausente

...

0: 0-2.5 Voltios

1: 3 - 5 Voltios

ANALOGICA

Si lleva informacin de la variable medida en

su valor.

Representa infinitos estados posibles:

Temperaturas: 0-100 C

Presin: 1 a 10 psi.

Corriente: 4mA a 20mA.

Apertura: 0-100%

Seales Discreta

Seal Elctrica

Informacin

0 1 0 1 0 1 0 0

0-

1-

0-

5-

Seales Analgicas

0-

5-

Seal Elctrica

Informacin

V: 0.0 2.6 4.0 2.2 4.1 5.8 3.5 3.0 2.2

C: 0 52 80 44 81 116 70 60 44

1-

2-

3-

4-

ING.CIP.Dennis Izquierdo L. [email protected]

Electrnica Digital

EL SISTEMA BINARIO

Emplea los dgitos 0 y 1 para representar cualquier magnitud.

Es sencillo de implementar con dispositivos que operen en lgica on-off.

Cada dgito adopta un peso de derecha a izquierda.

El dgito de la derecha adopta el peso 1, luego avanzando hacia la izquierda adoptan los pesos 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, ........

Cada peso corresponde a una potencia de 2, tales como 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, ....

ING.CIP.Dennis Izquierdo L. [email protected]

CONVERSIONES Conversin de Binario a Decimal: Multiplicar los dgitos binarios por el peso respectivo y

sumar. Conversin de Decimal a Binario: Dividir en forma sucesiva el nmero decimal entre dos

hasta donde sea posible. El nmero binario ser formado tomando el ltimo cociente y los residuos desde el ltimo hasta el primero.

Otra forma es conformando el nmero sumando nmeros que sean potencias de dos.

Para pasar a sistema binario la parte fraccionaria de un nmero decimal, se multiplica sucesivamente por 2 dicha parte, indicando el peso correspondiente la cifra significativa (1 0) que queda delante de la coma, hasta que se anule completamente la parte fraccionaria.

ARITMETICA BINARIA

SUMA RESTA PRODUCTO DIVISIN

0 + 0 = 0 0 - 0 = 0 0 * 0 = 0 0 : 0 = 0

0 + 1 = 1 0 - 1 = 1(debe 1)

0 * 1 = 0 0 : 1 = 0

1 + 0 = 1 1 - 0 = 1 1 * 0 = 0 1 : 0 =

1 + 1 = 0(carry 1)

1 - 1 = 0 1 * 1 = 1 1 : 1 = 1

FORMACIN DE BITS DE PARIDAD PAR E IMPAR

DECIMAL BCD PARIDAD PAR PARIDAD IMPAR

0 0000 0 1

1 0001 1 0

2 0010 1 0

3 0011 0 1

4 0100 1 0

5 0101 0 1

6 0110 0 1

7 0111 1 0

8 1000 1 0

9 1001 0 1

CIRCUITOS INTEGRADOS LINEALES

Los circuitos integrados lineales son aquellos que pueden recibir seales analgicas y pueden entregar como respuesta seales analgicas tambin. Ejm:

Amplificadores Operacionales (741) PLL (565), Timer (555), etc.

CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

Son aquellos que operan con seales de entrada digitales y entregan tambin seales digitales de salida.

Operan bajo la influencia de una familia de lgica, adoptando todas las caractersticas que la familia de integrados determine.(TTL y CMOS)

Se rigen bajo las leyes del lgebra de Boole y operan en el sistema binario.

TIPOS DE ENCAPSULADO

Cpsula cilndrica: De metal y de forma similar a los transistores. Inconveniente, sus pines no pueden superar los 10, limitando sus aplicaciones.

Cpsula plana o flat-pack: De volumen muy reducido y suele ser de material cermico, su soldado es dificultoso.

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TIPOS DE ENCAPSULADO

FAMILIA TTL - CMOS


Familias de Circuitos Integrados Lgicos

TTL y CMOS

Introduccin

Casi la totalidad de los circuitos integrados lgicos que fabrican en la actualidad se clasifican en familias lgicas. Esta clasificacin atiende a la tcnica o medios utilizados para la construccin de los operadores lgicos: puertas, inversores, etc.

Todos los elementos pertenecientes a una misma familia son compatibles entre si, es decir que todos los operadores lgicos del mismo grupo funcionan con los mismos niveles lgicos, se alimentan con las mismas tensiones, etc., de tal manera que la salida de uno se puede activar la entrada de otro.

Tambin se puede decir que los operadores lgicos de una familia raramente son compatibles con los pertenecientes a otra, o bien compatibilizan ciertas caractersticas pero otras no.

Familias

Existen muchas familias lgicas entre las cuales:

TTL: Lgicas de transistores (Transistor-transistor logic)

CMOS: Semiconductor de oxido de metal complementario (Complementary metal-oxide semiconductor)

MOS: Semiconductor de xido de metal (Metal-

oxide semiconductor) I2L: Lgica de inyeccin integrada (Integrated-

injection logic) ECL: Lgica de acoplamiento de emisor (emitter-

coupled logic)

Tabla de familias

Tecnologa Serie

Familia de circuitos lgicos

integrados con transistores

bipolares

TTL

TTL estndar

TTL de baja potencia

TTL shoottky

TTL shoottky de baja potencia

TTL shoottky avanzada

ECL

Familia de circuitos lgicos

integrados con transistores

MOSFET

CMOS

CMOS estndar

CMOS HC

CMOS HCT

NMOS

PMOS

BiCMOS Combina transistores bipolares con transistores MOSFET

Comentarios

La familia TTL tiene una lista extensa de funciones digitales y es comnmente la familia lgica ms popular.

Entre las funciones tenemos: Contadores, registros,

decodificadores, codificadores, multiplexores,

demultiplexores, FlipFlops, etc.

La ECL se usa en sistemas que requieren operaciones de alta velocidad.

Los MOS e I2L se usan en circuitos que requieren alta densidad de componentes

La CMOS se usa para sistemas que requieren bajo consumo de energa.

Caractersticas especiales Las caractersticas de las familias de CIs

lgicos se comparan analizando el circuitos de la compuerta bsica de cada familia, los parmetros ms importantes que son evaluados y comparados son:

CARACTERISTICAS: Fan-out: Es el nmero mximo de entradas que

pueden conectarse a la salida de la compuerta y se expresa con un nmero.

Disipacin de potencia: La potencia suministrada necesaria para operar la compuerta. Este parmetro se expresa en milivatios (mW) y representa la potencia real designada por la compuerta.

Caractersticas especiales CARACTERISTICAS: Un CI con cuatro compuertas exigir de la fuente cuatro veces la potencia disipada por cada compuerta. En un sistema dado puede haber muchos circuitos integrados y sus potencias deben tenerse en cuenta. El poder total disipado en un sistemas es la suma total del poder disipado de todos los CIs. La salida de la compuerta suministra una cantidad limitada de corriente por encima de la cual no opera correctamente y en este caso se dice que est sobrecargada.

Fan-out

CARACTERISTICAS:

tiempo de propagacin: Es el tiempo promedio de demora en la transicin de propagacin de una seal de la entrada a la salida, cuando las seales binarias cambian de valor. Se expresa en nanosegundos (ns).

Las seales que viajan de las entradas de un circuito digital a las salidas pasan por una serie de compuertas. La suma de las demoras de propagacin a travs de las compuertas es la demora total de la propagacin del circuito.

El CI especifica el nmero de cargas normales que puede accionar la salida de la compuerta.

Disipacin de potencia

Margen de ruido: Es el mximo voltaje de ruido

agregado a la seal de entrada de un circuito digital que no cause un cambio indeseable, a la salida del circuito. Se expresa en voltios (V).

Hay dos tipos de ruido que deben de considerarse: Ruido DC, causado por la desviacin en los niveles de

voltaje de la seal. Ruido AC, es el pulso aleatorio que puede ser creado

por otras seales conmutadas.

De esta forma el ruido es el termino usado para denotar una seal indeseable sobrepuesta a una seal de operacin normal.


Familia TTL

Introduccin

En 1964, Texas Instruments, introdujo la lgica transistor-transistor (TTL), una familia de dispositivos ampliamente usada, por su rapidez, costo y facilidad de uso.

El circuito bsico de la familia TTL es la compuerta NAND

La familia TTL se identifica por su numeracin en dos series, la serie 74 y la 54, siendo la primera de uso comercial y la segunda de uso militar.

Versiones de la familia TTL

Debido al balance entre velocidad y potencia, la familia TTL existe en cinco series distintas, la serie ms popular

es la LS por el balance entre rapidez y consumo.

Serie Tipo de transistor Retardo de

propagacin (ns)

Disipacin de

potencia (mW)

54LS/74LS Schottky, baja potencia 9.5 2

54L/74L Comn, baja potencia 33 1

54S/74S Schottky, potencia

normal

3 19

54/74 Comn, potencia normal 10 10

54H/74H Comn, alta potencia 6 22

Compuerta NAND en tecnologa

TTL estndar (N)

Entradas sin conectar : Una entrada sin conectar en los TTL acta como un nivel lgico 1. Esta caracterstica se emplea con frecuencia cuando uno prueba un circuito TTL. Uno puede dejar sin conectar ciertas entradas en lugar de conectarlas al nivel lgico H. De desde un punto de vista Lgico es correcto pero no es recomendable en la practica, sobre todo en diseo puesto que una entrada no conectada puede captar seales de ruido que pueden afectar de manera adversa el funcionamiento del dispositivo. Una entrada TTL no conectada o flotante tiene un nivel de continua entre 1.4 y 1.8v cuando uno lo mide con el multimetro. Ese se encuentre en la regin de indeterminacin del TTL, pero produce la misma respuesta que un 1 lgico.

Caractersticas de la familia TTL

Fan-out:

En el caso de TTL que una compuerta podr accionar en su salida otras compuertas de la misma serie, la capacidad de salida ser de 10 para la serie comn y de alta potencia, y de 20 para la serie de baja potencia.

Cuando hay conexin entre TTL y otras familias lgicas, ser necesario ir a la literatura del fabricante para determinar la necesidad de la corriente de entrada y la disponibilidad de la corriente de salida y asegurarse de que no hay sobrecarga para la salida de la compuerta.

Niveles de voltaje Los siguientes son las definiciones de niveles de

voltaje que define el fabricante como mnimos y mximos para los niveles altos y bajos de una compuerta

VOH : Voltaje de salida mnimo que una compuerta entrega cuando su salida est en el nivel alto.

VOL : Voltaje de salida mximo que una compuerta entrega cuando su salida est en el nivel bajo.

VIH : Voltaje mnimo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel alto.

VIL : Voltaje mximo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel bajo.

Caractersticas de la familia TTL

Niveles de voltaje en TTL

Salida

alta Entrada

alta

Ent. baja Entrada

baja

V salida V entrada

VOH = 2.4

V

VOL = 0.4 V

VIH = 2.0 V

VIL = 0.8 V

0.2 V

1

0

Niveles de voltaje TTL

Consideraciones prcticas para

Tomar en cuenta al trabajar con circuitos TTL

Las seales de entrada nunca deben de ser mayores a la tensin de alimentacin ni inferiores al nivel de tierra.

Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel alto, conectarla a Vcc (tensin de alimentacin)

Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel bajo, conectarla a tierra

Si hay entradas no utilizadas, en compuertas NAND, OR, AND, no se dejan sin conectar.

Es mejor que las salidas no utilizadas de las compuertas estn a nivel alto pues as consumen menos corriente

Tomar en cuenta al trabajar con circuitos TTL

Evitar los cables largos dentro de los circuitos.

Utilizar por lo menos un condensador de desacople (0.01 uF a 0.1 uF) por cada 5 o 10 paquetes de compuertas

Uno por cada 2 a 5 contadores y registros, uno por cada flip flop.

Estos condensadores de desacople eliminan los picos de voltaje de la fuente de alimentacin que aparecen cuando

hay un cambio de estado en una salida TTL / LS. (de Alto

a bajo y viceversa)

Estos condensadores deben tener terminales lo ms cortos posible y conectarse entre Vcc y tierra, lo mas cerca

posible al circuito integrado.


Familia CMOS

Introduccin

Las primeras series CMOS fueron la serie 4000, que fue introducida por RCA y la serie14000 por Motorola.

La serie 4000A es la lnea ms usada de Circuitos Integrados digitales CMOS, contiene algunas funciones disponibles en la serie TTL 7400 y est en expansin constante.

Caracteristicas de los CMOS

La disipacin de potencia de estado esttico de los circuitos lgicos CMOS es muy baja.

Los niveles lgicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lgico y VDD para 1 lgico.

El suministro VDD puede estar en el rango 3 V a 15 V para la serie 4000. La velocidad de conmutacin de la familia CMOS

4000A vara con el voltaje de la fuente.(consultar el

apartado de los niveles de voltaje).

Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algn nivel de voltaje.

Compuerta NAND en tecnologa

CMOS estndar

En este caso a diferencia del TTL, si se deja una entrada sin conectar, los resultados pueden ser desastrosos para el componente.

Las entradas CMOS nunca deben dejarse desconectadas, ya que son muy sensibles a la electricidad.

esttica y al ruido, los cuales pueden fcilmente activar los canales MOSFET P y N en el estado conductor, produciendo una mayor disipacin de potencia y posible sobrecalentamiento. Tienen que estar conectadas a un nivel fijo de voltaje alto o bajo (0 V o VDD) o bien a otra entrada. Esta regla se aplica an a las entradas de otras compuertas lgicas que no se utilizan en el mismo encapsulado.

Tomar en cuenta: Entradas sin conectar en CMOS

FAN OUT:

Los CMOS tienen una resistencia de entrada extremadamente grande que casi no consume corriente de la fuente de seales, cada entrada CMOS representa comnmente una carga a tierra de 5 pF. Debido a esta capacidad se limita el nmero de entradas CMOS que se pueden manejar con una sola salida CMOS.

As pues, el factor de carga de CMOS depende del mximo retardo permisible en la propagacin. Comnmente este factor de carga es de 50 para bajas frecuencias (

Comparativo entre familias lgicas

PARAMETRO TTL

estndar

TTL

74L

TTL Schottky de

baja potencia (LS)

Fairchild 4000B

CMOS (con

Vcc=5V)

Fairchild 4000B

CMOS (con

Vcc=10V)

Tiempo de

propagacin

de puerta

10 ns 33 ns 5 ns 40 ns 20 ns

Frecuencia mxima de

funcionamiento

35 MHz 3 MHz 45 MHz 8 MHz 16 MHz

Potencia disipada por

puerta

10 mW 1 mW 2 mW 10 nW 10 nW

Margen de ruido

admisible

1V 1V 0'8 V 2V 4V

Fan out 10 10 20 50(*) 50(*)

Cuadro comparativo entre familias lgicas.

((*) o lo que permita el tiempo de propagacin admisible)

Diferencias entre las familias CMOS y TTL

Las diferencias ms importantes entre ambas familias son:

a) En la fabricacin de los circuitos integrados se usan transistores bipolares par el TTL y transistores

MOSFET para la tecnologa CMOS

b) Los CMOS requieren de mucho menos espacio (rea en el CI) debido a lo compacto de los

transistores MOSFET. Adems debido a su alta densidad de integracin, los CMOS estn superando a

los CI bipolares en el rea de integracin a gran escala, en LSI - memorias grandes, CI de calculadora,

microprocesadores-, as como VLSI.

Los circuitos integrados CMOS es de menor consumo de potencia que los TTL.

Los CMOS son ms lentos en cuanto a velocidad de operacin que los TTL.

Los CMOS tienen una mayor inmunidad al ruido que los TTL.

Los CMOS presenta un mayor intervalo de voltaje y un factor de carga ms elevado que los TTL.

En resumen podemos decir que:

TTL: diseada para una alta velocidad.

CMOS: diseada para un bajo consumo

Diferencias entre las familias CMOS y TTL

PUERTA LGICA

Dispositivo electrnico que recibe seales digitales de entrada y cuya salida obedece a una tabla lgica.

Se le puede representar por una ecuacin.

Se le representa con un smbolo.

En circuito integrado pertenecen a una familia ( TTL CMOS)

FUNCION AND:7408

FUNCION OR:7432

FUNCION NOT: 7404

FUNCION NAND: 7400

FUNCION NOR: 7402

FUNCION OREX

FUNCION NOREX

74266

Representaciones: diagrama temporal Un diagrama temporal es una representacin de las

formas de las ondas de entradas y salidas de los circuitos.

Los bordes no se alinean exactamente (toma tiempo para que una compuerta cambie de output).

Representaciones: diagrama temporal Las seales de ondas se pueden apreciar usando varias herramientas como: un simulador, usando un analizador lgico o un osciloscopio. Retardos de propagacin en compuertas, pueden causar que las seales de entrada de otras compuertas en cascada se retarden. Los tiempos de propagacin son acumulativos para compuertas en cascada.

2: Funciones booleanas 16

Representaciones: diagrama temporal Existe un retardo entre la salida y la entrada de una compuerta, que se denomina retardo de propagacin.

Los retardos de propagacin han sido definidos como cotas superiores de retardos entre entradas vlidas y salidas vlidas.

Representaciones: diagrama temporal Tambin pueden definirse los mnimos retardos de propagacin o tiempos de contaminacin como las cotas mnimas entre entradas invlidas y salidas invlidas.

Representaciones: diagrama temporal Ejemplo: y = x + x X X Y

Cmo sera la perturbacin?

X

X

Y

t

perturbacin

ALGEBRA DE BOOLE

6 Dispositivos integrados

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