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ELECTRÓNICA ANALÓGICA Y DIGITAL UNIDAD Nº III
Electrónica Digital
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Introducción
En una primera parte de esta unidad de electrónica digital se ha expuesto como diseñar
sistemas digitales combinacionales a partir de su tabla de verdad y mediante su expresión
lógica para luego llegar a un circuito que involucra compuertas lógicas y posee un
comportamiento como el deseado, sin embargo, aún no contamos con alguna herramienta
que nos permita validar la funcionalidad de nuestro sistema basad en compuertas o en
circuitos combinacionales notables, es por ello que en esta unidad se revisa cómo simular los
sistemas lógicos diseñados.
Los sistemas digitales combinacionales constituyen la básica de la electrónica digital al ser las
compuertas lógicas por sí mismas, sistemas combinacionales que llevan a cabo las
operaciones lógicas fundamentales. Hemos expuesto todas las compuertas lógicas como
componentes electrónicos que realizan la operación lógica con señales eléctricas digitales, sin
embargo, ¿Qué son realmente las compuertas lógicas? ¿Cómo lucen? ¿Cómo se componen?
¿Cómo se utilizan? Todas estas interrogantes serán respondidas en esta última parte del
curso de electrónica analógica y digital.
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SEMANA 6
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Ideas Fuerza
1. Las compuertas lógicas y circuitos combinacionales notables son circuitos
integrados que poseen líneas de entrada, salida y de alimentación.
Un circuito integrado digital se compone internamente de arreglos de compuertas lógicas, que
poseen entradas, salidas y deben ser también alimentados para funcionar. A su vez, las
compuertas lógicas son también circuitos integrados que requieren de un voltaje para realizar
las operaciones lógicas con señales eléctricas, comúnmente este voltaje es de 5V o 3,3V y las
compuertas lógicas se comercializan en arreglos de 1, 4 o 6 compuertas iguales en un mismo
circuito integrado.
2. El desempeño de las compuertas lógicas y circuitos integrados digitales se mide
básicamente mediante el retardo de propagación y el consumo de potencia
Las compuertas lógicas son elementos electrónicos reales que presentan limitaciones, si bien
en forma teórica los circuitos combinacionales funcionan de forma instantánea, esto no es así
puesto que las compuertas poseen retardos entre que se aplica una nueva entrada y se
produce la nueva salida, adicionalmente las compuertas deben ser también alimentadas y por
tanto consumen energía.
3. Las diferentes tecnologías para fabricar compuertas lógicas se llaman “familias”
y cada una ofrece diferentes características de operación.
Con el fin de reducir los retardos y el consumo de potencia, se han desarrollado diferentes
tecnologías para fabricar los circuitos integrados digitales, existiendo dos grandes tecnologías
o familias: TTL y CMOS, ambas familias a su vez definen series que según su fabricación
ofrecen diferentes características de operación.
4. La simulación de circuitos digitales combinacionales s puede realizar a nivel de
compuertas lógicas o de circuitos integrados mediante diversas herramientas de
software.
Para determinar si un diseño combinacional realiza las funciones que debe se puede simular
mediante software de simulación digital o de señal mixta, existiendo básicamente dos
enfoques para simular un circuito combinacional: como interconexión de compuertas y
bloques funcionales pensados en entradas y salidas o como interconexión de circuitos
integrados pensando en la función de cada uno de sus pines.
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Contenido 1. Circuitos Integrados Combinacionales ............................................................................... 5
1.1. Características de compuertas lógicas ........................................................................ 6
2. Familias lógicas .................................................................................................................. 8
2.1. La familia TTL .............................................................................................................. 9
2.2. La familia CMOS ....................................................................................................... 19
2.3. Interconexión entre familias TTL y CMOS ................................................................. 27
3. Simulación de Circuitos Combinacionales ........................................................................ 30
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1. Circuitos Integrados Combinacionales
Las compuertas lógicas constituyen el corazón de la electrónica digital combinacional y hemos
ya aprendido que son dispositivos electrónicos capaces de desarrollar operaciones lógicas
con señales eléctricas digitales de voltaje. Por si mismas las compuertas lógicas son en
realidad circuitos integrados que permiten desarrollar dichas operaciones y como todo circuito
integrado poseen pines de entrada, salida, líneas de alimentación y por sobretodo un
encapsulado que generalmente contiene no una, sino varias compuertas lógicas del mismo
tipo.
Al ser circuitos integrados, las compuertas lógicas requieren alimentación para funcionar, sin
embargo no se acostumbra a dibujar las líneas de alimentación de cada compuerta lógica al
momento de representar un circuito combinacional por dos razones:
-Simplicidad al dibujar el sistema y que este sea fácilmente entendible.
-Se sabe que todas las compuertas y circuitos integrados digitales requieren una alimentación
y el intérprete del diseño lo tiene siempre presente.
Generalmente los circuitos integrados digitales poseen líneas de alimentación comunes para
todas las compuertas en su interior (tal como pasaba con los amplificadores operacionales),
ahorrando pines y reduciendo la complejidad al diseñar un circuito real que será montado en
un circuito impreso.
Debido a la gran aplicación de los circuitos digitales desde su inserción, las aplicaciones se
han vuelto cada vez más demandantes en términos de básicamente dos aspectos, la
velocidad y el consumo de energía.
Velocidad de operación:
Pese a que los circuitos combinacionales se definen como instantáneos, es decir, que sus
salidas ocurren en forma paralela al cambio en las entradas, en la realidad esto no es así, si
no que existe por cada compuerta lógica un pequeño retardo entre que se genera una entrada
admisible y se obtiene la salida. A medida que conectamos compuertas lógicas en cascada
dichos retardos se van sumando y pueden resultar en un problema si consideramos que los
circuitos poseen muchas compuertas lógicas. Debido a esto, los investigadores y fabricantes
han puesto y siguen poniendo sus esfuerzos en reducir dichos retardos (llamados
formalmente Tiempo de propagación) de forma de hacer cada vez más rápidos a los
dispositivos digitales y sistemas basados en ellos.
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Consumo de energía
Al tratarse de dispositivos electrónicos basados en semiconductores, estos disipan potencia
que se consume desde las fuentes de alimentación y se vuelve mayor a medida que se
interconectan más compuertas en el sistema y volviéndose no menor cuando un gran número
de ellas son interconectadas. Adicionalmente el calentamiento de los dispositivos produce que
el funcionamiento empeore, requiriéndose ventilar los equipos, lo que conlleva a consumo
energético adicional en ventilación. Es evidente entonces que los fabricantes trabajen en
reducir el consumo energético.
1.1. Características de compuertas lógicas
Existen varios puntos que definen el funcionamiento de un circuito lógico. Las características
de funcionamiento son la velocidad de conmutación medida en términos del retardo de
propagación, la disipación de potencia, el fan-out o capacidad de excitación, el producto
velocidad-potencia, la tensión de alimentación continua y los niveles lógicos de entrada/salida.
Tiempo de retardo de propagación
Como habíamos mencionado en forma preliminar, este parámetro limita la frecuencia o
velocidad de conmutación a la que un circuito lógico puede operar y es una de las principales
variables en que se ha trabajado por mejorar.
En circuitos digitales, los términos baja velocidad y alta velocidad hacen referencia al retardo
de propagación. Cuanto menor sea el tiempo de propagación, mayor será la velocidad del
circuito y mayor será la frecuencia a la que puede operar.
En circuitos digitales, los términos baja velocidad y alta velocidad hacen referencia al retardo
de propagación. Cuanto menor sea el tiempo de propagación, mayor será la velocidad del
circuito y mayor será la frecuencia a la que puede operar.
El tiempo de retardo de propagación, tp, de una puerta lógica corresponde intervalo de
tiempo entre que se aplica un impulso de entrada y aparece el impulso de salida resultante.
Existen dos medidas diferentes del tiempo de retardo de propagación asociado a una
compuerta lógica:
tPHL: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y el
correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel
ALTO (H) al nivel BAJO (L).
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tPLH: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y el
correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel
BAJO (L) al nivel ALTO (H).
Fig. 1.1. Representación de los tiempos TPHL y TPLH
El tiempo de propagación se define realmente en dos tiempos diferentes tPHL y tPLH, estos
tiempos no son necesariamente iguales, pero en la mayoría de los casos sí lo son.
Disipación de potencia
La disipación de potencia, Pd, de una compuerta lógica es el producto de la tensión de
alimentación continua y de la corriente media que esta consume desde la alimentación.
Normalmente, la corriente de alimentación cuando la salida de la compuerta está a nivel
BAJO es mayor que cuando la salida de la compuerta está a nivel ALTO. Generalmente, la
corriente de alimentación para el estado de salida BAJO se denota como ICCL y para el
estado ALTO como ICCH. Ambas se definen mediante la aplicación de una forma de onda
cuadrada don un ciclo de trabajo del 50%, así se define la potencia disipada como:
𝑃𝑑 =𝑉𝐶𝐶(𝐼𝐶𝐶𝐻 + 𝐼𝐶𝐶𝐿)
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Donde Vcc es el voltaje de alimentación. Los voltajes de alimentación comunes son 5V y
3.3V, aunque hay otros valores estándar para dispositivos de ultra alta velocidad de 2,5V y
1,8V. en este curso nos centramos únicamente en aquellos dispositivos digitales que
funcionan con 5V.
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𝑆𝑃𝑃 = 𝑡𝑃 ⋅ 𝑃𝐷
Fan-out y carga
El fan-out de una puerta lógica es el número máximo de entradas de la familia de circuitos
integrados de la misma serie que la puerta puede excitar, manteniendo los niveles de salida
dentro de los límites especificados. El fan-out es un parámetro importante en la interconexión
de compuertas lógicas depende de la frecuencia a la que operen los circuitos.
Pese a que el fan-out representa una cantidad de compuertas, este se especifica
generalmente como la corriente máxima que la salida de la compuerta puede drenar, así
también como se especifica para cada compuerta lógica, la corriente que consume cada una
de sus entradas, de esta forma es fácil identificar que el fan-out se obtiene dividiendo al
corriente máxima de salida por la corriente de entrada de las compuertas de la misma familia
o serie.
2. Familias lógicas
El término “familia lógica” hace alusión a la tecnología empleada al fabricar las compuertas
lógica y define a su vez un grupo de circuitos integrados que pueden ser interconectados
entre sí sin ningún tipo de interfaz, es decir, de una de sus salidas se puede conectar una o
más entradas de otros circuitos integrados de la misma familia sin tener que recurrir a algún
circuito adicional para realizar adaptaciones de ningún tipo, ya que al ser de la misma
tecnología, son 100% compatibles.
Existen varias tecnologías de circuitos integrados digitales que se usan para implementar las
puertas lógicas básica, es decir, existen diferentes FAMILIAS LÓGICAS.
Las familias pueden clasificarse según el dispositivo que utilizan como base para construir las
compuertas: transistores bipolares y MOS. Podemos mencionar algunos ejemplos:
Producto velocidad-potencia (SPP).
El parámetro SPP (speed-power product) puede utilizarse como una medida del
funcionamiento de un circuito lógico que tiene en cuenta el retardo de propagación y la
disipación de potencia. Es especialmente útil para comparar las distintas series de puertas
lógicas de las familias lógicas o para comparar una compuerta lógica similar en diferentes
tecnologías.
El producto SPP de un circuito lógico es igual al producto del retardo de propagación por la
disipación de potencia, y se expresa en joules (J), que es una unidad de energía. La fórmula
es:
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Familias basadas en transistores bipolares: RTL, DTL, TTL, ECL, HTL, IIL. Familias basadas
en transistores MOS: PMOS, NMOS, CMOS.
Las tecnologías TTL (lógica transistor- transistor) y CMOS (metal oxido-semiconductor
complementario) son los más utilizadas en la fabricación de CI’s SSI (baja escala de
integración) y MSI (media escala de integración).
Tenga en cuenta que CMOS y TTL sólo difieren en el tipo de componentes de la tecnología y
los valores de los parámetros, y no en las operaciones lógicas básicas. Una puerta AND
CMOS realiza la misma operación lógica que una puerta AND TTL. Esto también es cierto
para todas las operaciones lógicas básicas restantes. La diferencia entre CMOS y TTL se
encuentra en las características de funcionamiento, tal como la velocidad de conmutación
(retardo de propagación), la disipación de potencia, la inmunidad al ruido, fan-out y otros
parámetros.
Fig.2.1. Las diferentes familias lógicas.
2.1. La familia TTL
La tecnología TTL ha sido y es todavía una tecnología de circuitos integrados digitales muy
popular. Una ventaja de esta tecnología es que no es sensible a las descargas electrostáticas
y, por tanto, es práctica en la realización de experimentos de laboratorio y la elaboración de
prototipos, ya que no es necesario preocuparse por los problemas de manipulación.
Al ser las familias TTL y CMOS las más empleadas en circuitos digitales discretos, en esta
parte del curso nos centraremos en las características generales de cada una de dichas
familias.
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Además de estar basadas en transistores bipolares, las compuertas TTL presentan otra
característica particular que las distingue y se refiere a la unidad básica sobre la que se
construyen todas las compuertas: la compuerta NAND.
Gracias a las leyes y propiedades de la lógica binaria (especialmente las leyes de Morgan,
que revisamos someramente la semana anterior) se puede demostrar que todas las
operaciones lógicas básicas se pueden construir en base a compuertas NAND y es por ello y
que con la tecnología TTL la compuerta NAND es la más fácil de fabricar, que todas las
demás compuertas TTL se basan en las compuertas NAND; de hecho, el primer circuito
integrado de la familia, el 7400 corresponde a cuatro compuertas NAND de dos entradas.
Fig. 2.2. Formando las funciones lógicas mediante compuertas NAND
Series TTL
Existen disponibles varias series de compuertas puertas lógicas TTL, las cuales operan todas
ellas con 5 V de alimentación de continua. Estas series pertenecientes a la familia TTL
difieren en sus características de funcionamiento y se denominan mediante los prefijos 74 o
54 seguidos por una letra o letras que indican la serie y un número que indica el tipo de
dispositivo lógico de la serie. Como ejemplos podemos citar los 7404, 74S86 y 74ALS161.
Las series básicas TTL y sus denominaciones son las siguientes (todas se alimentan con 5V):
74: TTL estándar (sin letra).
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74H: TTL de alta velocidad.
74S: TTL Schottky.
74AS: TTL Schottky avanzada.
74LS: TTL Schottky de baja potencia.
74ALS: TTL Schottky de baja potencia avanzada.
74F: TTL rápida.
Según sea la serie de compuertas TTL, estas ofrecen diferentes características que permiten
ajustarse a un amplio rango de aplicaciones, la tabla siguiente resume las diferentes
características generales para las compuertas de la familia TTL.
Observemos que las subfamilias Schottky de baja potencia como la Schottky avanzada de
baja potencia reúnen excelentes características de alta velocidad y bajo consumo de potencia.
Las diferencias entre las características de las diferentes series TTL se deben a la forma en
que se construye la compuerta NAND básica:
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Fig. 2.3. Compuerta NAND TTL estándar
Fig. 2.4. Compuerta NAND TTL de baja potencia
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Fig. 2.5. Compuerta NAND TTL Schottky
La compuerta TTL estándar fue la primera versión de la familia TTL. Luego, esta compuerta
básica se diseñó con diferentes valores de resistor para producir compuertas con menor
disipación de potencia o más rápidas.
En la compuerta TTL de baja potencia, los valores de los resistores son más altos que en la
compuerta estándar, a fin de reducir la disipación de potencia, pero el retardo de propagación
es mayor. En la compuerta TTL de alta velocidad, se reducen los valores de los resistores
para acortar el retardo de propagación, pero aumenta la disipación de potencia. La compuerta
TTL Schottky fue la siguiente mejora en la tecnología. El efecto del transistor Schottky es
eliminar el retardo de tiempo de almacenamiento impidiendo al transistor entrar en saturación.
Esta serie aumenta su rapidez de operación sin un aumento excesivo en la disipación de
potencia
Niveles Lógicos
Los niveles lógicos corresponden a los rangos de voltaje que una familia lógica considera
como niveles altos y bajos en las entradas de las compuertas lógicas y los que puede generar
como niveles altos y bajos a la salida de las compuertas lógicas, naturalmente que dichos
voltajes deben ser compatibles para garantizar la interconexión de la entrada de una
compuerta con la salida de otra de la misma familia.
Para que un CI TTL opere adecuadamente, el fabricante especifica que una entrada baja
varíe de 0V a 0.8V y un alta varíe de 2V a 5V. La región que está comprendida entre 0.8 y
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2V se le denomina región prohibida o de incertidumbre y cualquier entrada en este rango
daría resultados impredecibles.
Los rangos de salidas esperados varían normalmente entre 0 y 0.4V para una salida baja y de
2,4V a 5V para una salida alta.
La diferencia entre los niveles de entrada y salida es proporcionarle al dispositivo inmunidad al
ruido que se define como la insensibilidad del circuito digital a señales eléctricas no deseadas.
Fig. 2.6. Niveles lógicos para compuertas TTL
Compuertas y circuitos integrados TTL
Como la línea estándar TTL fue la primera de esta tecnología en introducirse, el prefijo 74 fue
conservándose a medida que las nuevas series fueron desarrolladas. Originalmente los chips
de la familia 74 sólo eran circuitos TTL, sin embargo debido a la comodidad en su uso y a la
compatibilidad pin a pin (mayoritariamente para reemplazos en reparaciones) los chips de
otras familias lógicas como los CMOS incluyeron también dicho prefijo a modo de explicitar
que dichos integrados tenían la misma distribución de pines y funciones que el chip de la línea
74 original, pero que sólo cambia la tecnología.
Es común escuchar que TODOS los chips 74 son TTL sin embargo, ya sabemos que esto es
falso y que prácticamente todos los circuitos integrados 74 TTL tienen su versión 74 en otras
tecnologías.
El fabricante especifica generalmente el circuito integrado de la siguiente manera:
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Los siguientes integrados de la familia 74xx corresponden a las compuertas lógicas básicas:
74XX00: 4 NAND de dos entradas
74XX02: 4 NOR de dos entradas
74XX04: 6 NOT
74XX04: 4 AND de dos entradas
74XX32: 4 OR de dos entradas
74XX86: 4 XOR de dos entradas
74XX266: 4 XNOR de dos entradas
En la siguiente imagen se muestra la distribución de pines de cada uno:
Las dos primeras letras corresponden a un sufijo que identifica al fabricante.
La inscripción entre 74 y el siguiente número indica la serie TTL, (L,H,S,LS,AS,ALS,F).
El número de 2 a 5 cifras luego de la serie indica la función del IC.
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NAND: 74XX00 NAND: 74XX00
NOR:74XX02 NOT: 74XX04
AND: 74XX08 OR: 74XX32
XOR:74XX86 XNOR:74XX266
Fig. 2.7. Distribución de pines de los circuitos integrados TTL correspondientes a compuertas lógicas.
Los siguientes integrados de la familia 74xx corresponden a circuitos integrados
combinacionales de aplicación específica:
74XX42: Decodificador BCD a decimal
74XX47: Decodificador BCD a 7 segmentos
74XX283: Sumador completo de 4 bits
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Cabe destacar que la familia 74 posee más de 200 miembros diferentes entre circuitos
combinacionales, secuenciales, de propósito especial y memorias.
74XX42 74XX47
74XX283
Fig. 2.8. Distribución de pines de algunos CI TTL de aplicación específica.
A continuación se presenta un ejemplo de aplicación de circuitos integrados TTL,
correspondiendo a un decodificador de BCD a decimal.
El decodificador de BCD a decimal PONE EN ESTADO BAJO una única salida cuando se
detecta una combinación BCD en la entradas. En este circuito la combinación de entrada se
ingresa mediante SW1 a SW4 y la salida está representada por diodos LEDS, el led que
corresponda a la salida decodificada se APAGARÁ cuando se detecte la combinación.
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Fig. 2.9. Circuito del decodificador BCD a decimal.
Recuerde que en este circuito, el pin 16 del circuito integrado está conectado a +5V y el pin 8
a GND.
Por otra parte, para el caso de las entradas binarias, la letra A siempre indicará el bit menos
significativo y la letra Del bit más significativo. Existen también otras nomenclaturas
equivalentes:
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2.2. La familia CMOS
CMOS es la tecnología dominante hoy en día en los circuitos digitales, ya que ha logrado
desplazar a la tecnología TTL. Esto es especialmente cierto en el caso de los circuitos de gran
escala de integración y en los microprocesadores, todos los cuales se implementan con
tecnología MOS. Aunque TTL dominó durante muchos años, principalmente debido a sus
altas velocidades de conmutación y a una enorme variedad de tipos de dispositivos, la
tecnología CMOS siempre ha tenido la ventaja de ofrecer una mucho menor disipación de
potencia. Las velocidades de conmutación de CMOS han mejorado extremadamente y ahora
pueden competir con TTL, a la vez que la baja disipación de potencia y otros factores
deseables se han mantenido a medida que la tecnología avanzaba.
Ca tecnología CMOS se basa su estructura en transistores de efecto de campo a diferencia
de la familia TTL que lo hace en base a transistores bipolares. Esta principal característica es
la responsable del excesivamente bajo consumo que presentan los circuitos integrados
CMOS.
Así como la familia TTL basa sus compuertas lógicas en una compuerta NAND base, la
familia CMOS construye las compuertas a partir de una compuerta base de tipo NOR.
Al igual que con la compuerta NAND, se pueden construir todas las operaciones lógicas
básicas sólo utilizando compuertas NOR. La tecnología CMOS hace uso de ello para fabricar
sus componentes puesto que con dicha tecnología, la compuerta NOR y la compuerta NAND
son las más fáciles de fabricar.
Fig. 2.10. Generación de las funciones lógicas utilizando sólo puertas NOR.
La tecnología CMOS hace uso de transistores tanto de canal N como de canal P para formar
los dispositivos lógicos, el uso de ambas polaridades de transistor permite formar las
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compuertas utilizando pocos transistores en espacio muy reducido, de hecho se requieren
sólo 4 transistores para formar las compuertas NAND y NOR y sólo dos para formar un
inversor.
Fig. 2.11. Compuerta NOT, NAND y NOR básicas basadas en transistores de efecto de campo.
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Series CMOS
En la familia CMOS existen también series de compuertas lógicas que se han ido
desarrollando para sobrellevar las debilidades de las compuertas tipo CMOS.
Inicialmente existió una única serie CMOS, los integrados 40XX que ofrecían variadas
funciones que en los integrados TTL no existían, pero con distribuciones de pines diferentes a
los equivalentes TTL. La familia 40XX aún es comercializada por diversos fabricantes como
Texas instruments, ON semiconductor, Intersil, ST y Nexperia, contando con más de 200
circuitos integrados diferentes.
Debido a la gran penetración de la tecnología TTL y de la comodidad al usar los circuitos
integrados de dicha familia, las series CMOS venideras se hicieron pin a pin compatibles con
los circuitos integrados TTL de forma que los fabricantes de sistemas lógicos migraran a la
tecnología CMOS sin mayores cambios en sus diseños, de esta forma nacieron tres familias
CMOS con distribuciones de pines iguales a las TTL, manteniendo la nomenclatura y
funcionalidades de la familia 74XX pero con tecnología CMOS.
Las series CMOS son:
40: estándar (no compatible pin a pin con series 74)
74HC: CMOS de alta velocidad
74HCT: CMOS de alta velocidad (eléctricamente compatible con TTL)
74AC: CMOS avanzada
74ACT: CMOS avanzada (eléctricamente compatible con TTL)
74AHC: CMOS avanzada de alta velocidad
74AHCT: CMOS avanzada de alta velocidad (eléctricamente compatible con TTL)
No existe mayor variación en la topología de los circuitos internos de las diferentes
tecnologías CMOS, siendo el avance debido prácticamente al desarrollo constante de la
tecnología MOS por sí misma para la fabricación de los transistores. Las características
eléctricas de las compuertas de lógica CMOS son:
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Niveles lógicos
Los circuitos integrados CMOS poseen niveles lógicos diferentes a los de la familia TTL:
Los dispositivos CMOS de 5V aceptan una tensión entre 0V y 1,5V para el cero lógico en las
entradas (VIL) y una tensión entre 3,5V y 5V para el “1” lógico en las entradas (VIH.)
El valor máximo de voltaje para el “0” lógico en las salidas es de 0,33V (VOL) y el valor
mínimo para el “1” lógico de salida (VOH) es de 4,4V.
Fig. 2.12. Niveles lógicos para compuertas CMOS
Compuertas y circuitos integrados CMOS
Como ya hemos mencionado, existe básicamente dos series diferente de circuitos integrados
CMOS, la serie 40 estándar y los que comparten funciones y compatibilidad de pines con la
familia TTL, las series 74. Ambas series poseen su propia nomenclatura que permiten
identificar al circuito integrado, su función y al fabricante:
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AA 74XXX000 ZZ
Identificador del fabricante:CD, SN: Texas instrumentsHD: Hitachi, RenesasIN: Integral SemiconductorM: STMC: ON Semiconductor, MotorolaMM: Fairchild, National Semi.TC: Toshiba
Sufijo dado por el fabricante para indicar encapsulado o variante
Familia CMOS:HC: CMOS de alta velocidadHCT: CMOS de alta velocidad (TTL-comp)74AC: CMOS avanzada74ACT: CMOS avanzada (TTL-comp)74AHC: CMOS avanzada de alta velocidad74AHCT: CMOS avanzada de alta velocidad(TTL-comp)
AAA 4000 ZZ
Identificador del fabricante:CD: Texas instruments, IntersilHEF: Nexperia HCF: STMC: ON Semiconductor, MotorolaTC: Toshiba
Sufijo dado por el fabricante para indicar encapsulado o variante
Identificador de la función
Los circuitos integrados CMOS de la serie 74 presentan las mismas funciones de su
homónimo en las series 74 TTL, así, por ejemplo los 74HC08, 74LS08, 74AHCT08, 7408 y
74ALS08, cumplen la misma función con la misma distribución de pines: 4 compuertas AND,
aunque algunos sean CMOS y otros TTL
Para la serie estándar, es primero más fácil de identificar que se trata de un circuito CMOS y
la función básica del IC es también más fácil de identificar puesto que los números no están
“cortados” intercalando letras:
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En el caso de la serie 40, las funcionalidades cambian y las distribuciones de pines también,
por ejemplo, los circuitos integrados 74XX00 y AAA4011 son ambos chips que contienen 4
compuertas NAND de dos entradas, sin embargo su distribución de pines no es la misma:
Fig.2.13. Los circuitos integrados de la serie 74 y estándar 40 que cumplen la misma función poseen diferentes
distribuciones de pines.
Los circuitos integrados de la serie 40 que corresponden a compuertas lógicas básicas son
los siguientes:
4001: 4 NOR de dos entradas.
4011: 4 NAND de dos entradas.
4071: 4 OR de dos entradas.
4081: 4 AND de dos entradas.
4070: 4 XOR de dos entradas.
4077: 4 XNOR de dos entradas.
4049: 6 NOT.
4069: 6 NOT.
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Fig. 2.14. Disposición de pines de algunas compuertas lógicas de la serie CMOS estándar
Los siguientes integrados de la familia 40XX corresponden a circuitos integrados
combinacionales de aplicación específica:
4028: Decodificador BCD a decimal
4511: Decodificador BCD a 7 segmentos
4008: Sumador completo de 4 bits
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ENTR
AD
AS B
CD
SALID
AS D
ECIM
AL
45
11
40
28
40
08
VCC
BIT 3 NÚMERO B
CARRY OUT
BIT 3 SUMA
BIT 2 SUMA
BIT 1 SUMA
BIT 0 SUMA
CARRY IN
BIT 3 NÚMERO A
BIT 2 NÚMERO B
BIT 2 NÚMERO A
BIT 0 NÚMERO B
BIT 0 NÚMERO A
GND
BIT 1 NÚMERO B
BIT 1 NÚMERO A
Fig. 2.15. Disposición de pines de algunos circuitos combinacionales de la serie CMOS estándar.
Descargas electrostáticas
Los dispositivos CMOS son muy susceptibles al daño por descargas electrostáticas entre un
par de pines.
Estos daños pueden prevenirse:
1. Almacenando los CI CMOS en espumas conductoras especiales.
2. Usando soldadores alimentados por batería o conectando a tierra las puntas de los
soldadores alimentados por AC.
3. Desconectando la alimentación cuando se vayan a quitar CI CMOS o se cambien
conexiones en un circuito.
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4. Asegurando que las señales de entrada no excedan las tensiones de la fuente de
alimentación.
5. Desconectando las señales de entrada antes de las de alimentación.
6. No dejar entradas en estado flotante, es decir, conectarlos a la fuente o a tierra según se
requiera.
2.3. Interconexión entre familias TTL y CMOS
A menudo es necesario interconectar elementos de lógica TTL con otros de tecnología
CMOS, sin embargo, como ya hemos visto, estas familias no son 100% compatibles salvo por
las series CMOS HCT, ACT y AHCT que son fabricadas exclusivamente para ser compatibles
tanto con CMOS como con TTL, sirviendo como INTERFAZ entre las dos familias.
Las interconexiones que puede darse son:
- Salida CMOS a entrada TTL
- Salida TTL a Entrada CMOS
Como los niveles lógicos que ambas familias manejan son diferentes, se requiere la
adaptación de la seña del elemento que hace de salida para estar dentro de los niveles
lógicos que el segundo acepta por entrada.
Conexión TTL a CMOS
Cuando se desea conectar la salida de un circuito TTL a la entrada de un circuito CMOS, se
puede incorporar una resistencia de PULL-UP que mantenga por defecto el estado de la
conexión en estado alto, de esta forma la compuerta TTL tendrá 5V en su salida cuando esté
en estado alto y 0,4V máximo cuando esté en estado bajo, lo cual es suficiente puesto que la
entrada CMOS considera como estado bajo hasta 1,5V. Esta configuración se muestra a
continuación:
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Fig. 2.16. Interfaz estándar TTL a CMOS utilizando una resistencia de “pull-up”.
Sin embargo, para las familias de baja potencia TTL se debe utilizar una resistencia mayor de
forma de no exigir demasiada corriente de las salidas.
Fig. 2.17. Interfaz estándar Schottky TTL de baja potencia a CMOS utilizando una resistencia de “pull-up” de mayor
valor.
La solución universal para una interconexión entre una salida TTL y una entrada CMOS es
utilizar una compuerta cuya serie termine en “T” (HCT, ACT y AHCT).
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Fig. 2.18. Interfaz TTL y CMOS usando un buffer de CI CMOS.
Conexión CMOS a TTL
Como los niveles de tensión que maneja CMOS son más estrechos que los que se manejan
en TTL, generalmente no se requiere interfaz para conectar una salida CMOS a una entrada
TTL de baja potencia. Para las series TTL que no son de baja potencia, se recomienda
emplear un inversor CMOS (o dos para evitar la inversión de la lógica) con mayor capacidad
de corriente, como lo son los 4049.
Fig. 2.19. Interfaz CMOS a TTL Schottky de baja potencia.
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Fig. 2.20. Interfaz CMOS a TTL Schottky de baja potencia.
3. Simulación de Circuitos Combinacionales
Existen muchas herramientas de simulación de circuitos digitales y la mayoría de los
simuladores convencionales incorporan al menos la posibilidad de simular compuertas lógicas
a nivel de circuitos integrados, es decir, diferenciando las compuertas lógicas según su familia
y serie. Sin embargo, para validar un diseño lógico debemos pasar por alto la tecnología a
usar puesto que de esta forma cualquier imperfección debido a tiempos de propagación o
niveles lógicos queda eliminada y se verifica solo la funcionalidad de que lógicamente el
circuito funcione.
Que el circuito funcione eléctricamente bien es preocupación en una etapa posterior, donde
se deberá escoger la familia y serie lógica a utilizar.
Para simular circuitos con compuertas lógicas y diseños combinacionales consideraremos dos
niveles:
-Simulación a nivel de compuertas lógicas genéricas
-Simulación a nivel de circuitos integrados en un protoboard virtual
Para ello utilizaremos dos herramientas de uso gratuito, respectivamente:
-Digital Logic Design
-Constructor virtual sobre protoboard.
Representación de las entradas digitales
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La mayoría de los simuladores comerciales proveen elementos dedicados a la simulación de
entradas digitales y generalmente les llaman de dicha forma y consisten en un elemento
interactivo que permite cambiar el estado lógico de su terminal al hacer click sobre él.
Algunos simuladores no presentan esta característica (como CircuitLAB o Proteus -ISIS) y se
debe realizar un arreglo para poder representar el estado lógico de una entrada, para ello se
utiliza un Switch de dos posiciones (Switch SPDT) donde una se conecta a 5V para
representar un “1” lógico y la otra posición se conecta a 0V para representar el “0” lógico.
Fig. 3.1. Algunas representaciones de entradas lógicas y Circuito de entrada lógica con Switch SPDT.
Representación de las salidas digitales
La mayoría de los simuladores comerciales proveen elementos dedicados a la simulación de
salidas digitales y generalmente les llaman de dicha forma o LED y consisten en un elemento
interactivo que cambia de color cuando su entrada cambia de estado.
Algunos simuladores no presentan esta característica (como CircuitLAB o Proteus -ISIS) y se
deben utilizar diodos LED para representar el estado lógico de una salida, para ello se
conecta la salida lógica a una resistencia de 330Ohms y un LED entre dicha resistencia y
GND.
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Fig. 3.2. Algunas representaciones de salidas lógicas y uso de un LED como elemento salida lógica.
Estas dos disposiciones son generales y válidas para cualquier simulador de circuitos
digitales, sin embargo, para representar los circuitos electrónicos digitales cada simulador
posee su forma de trabajo y representación, por lo que debe ser aprendido en forma
individual, tal como lo es con los software que hemos revisado.
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Conclusión En esta sexta lección hemos estudiado como las compuertas lógicas se caracterizan por circuitos integrados con diferentes características eléctricas de velocidad, consumo de energía y capacidades de interconexión, características que dependerán siempre de la familia lógica y serie a la que corresponda un circuito integrado en particular. En general, para el uso de las compuertas lógicas se prefieren dos familias de circuitos integrados, que refieren a la tecnología y prestaciones con las que se fabrican las compuertas lógicas contenidas en ellos: las familias TTL y CMOS, por su parte cada una de ellas define un conjunto de circuitos integrados digitales que poseen funciones específicas, dichos conjuntos son los circuitos integrados de la serie 74, que pueden ser TTL o CMOS y los circuitos integrados de la serie 40, que sólo existen en TTL. El uso de los circuitos de dichas familias difiere básicamente en dos aspectos: la configuración de pines de dos circuitos integrados que cumplan la misma función y a si la lógica asociada a las entradas y salidas es positiva o negativa. Si bien en los circuitos digitales combinacionales se prefiere siempre emplear dispositivos de una misma familia lógica, a veces esto no es posible se requiere interconectar dispositivos TTL con CMOS o viceversa, para ello, se requiere de interfaces de conexión como resistencias de pull-up o compuertas híbridas. El poder conectar diferentes familias de dispositivos lógicos permite que diferentes dispositivos digitales de diferentes fabricantes y funcionalidades puedan interactuar y dar origen a sistemas digitales más complejos y obtener más aplicaciones tecnológicas que simplifiquen ciertas tareas a nivel doméstico e industrial.
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Bibliografía Morris Mano, M. (2003). Diseño digital. Pearson Educación.
Malvino, A. P. (1999). Principios de electrónica. Madrid: McGraw-Hill.
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Tocci, Ronald J. (2012). Sistemas digitales principios y aplicaciones. Prentice Hall.
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