s02 - familias logicas.pdf
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Familias de Circuitos Integrados
Lgicos
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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.
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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)
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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
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Comentarios
La familia TTL tiene una lista extensa de funciones digitales y es comnmente la familia lgica ms popular.
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.
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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:
fan-out
disipacin de potencia
tiempo de propagacin
margen de ruido
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Fan-out
Especifica el nmero de cargos normales que puede accionar la salida de la compuerta
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.
Es el nmero mximo de entradas que pueden conectarse a la salida de la compuerta y se expresa con
un nmero.
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Disipacin de potencia
Es la potencia suministrada necesaria para operar la compuerta. Este parmetro se expresa en milivatios (mW) y representa la potencia real designada por la compuerta.
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.
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Retardo de Propagacin
Es el tiempo promedio de demora en la transicin depropagacin 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 circuitodigital 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.
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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
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Familia TTL
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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.
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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
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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 puntode vista Lgico es correcto pero no es recomendable en la practica, sobre todo en diseo puesto que unaentrada no conectada puede captar seales de ruido que pueden afectar de manera adversa elfuncionamiento del dispositivo.Una entrada TTL no conectada o flotante tiene un nivel de continua entre 1.4 y 1.8v cuando uno lo mide conel multimetro. Ese se encuentre en la regin de indeterminacin del TTL, pero produce la misma respuestaque un 1 lgico.
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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.
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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
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Niveles de voltaje en TTL
Salida
altaEntrada
alta
Ent. bajaEntrada
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
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Caractersticas de la familia
TTL Margen de ruido
0 y 1, son los mrgenes de ruido para el nivel bajo y alto respectivamente, este margen se establece para prevenir
respuestas falsas que podran ser causada por el ruido
introducido en el sistema.
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Entradas sin conectar en TTL
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 alnivel lgico H. De desde un punto de vista Lgico es correcto pero no esrecomendable 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 entre1.4 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.
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Consideraciones prcticas para
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
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Consideraciones prcticas para
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 cuandohay un cambio de estado en una salida TTL / LS. (de Alto abajo y viceversa)
Estos condensadores deben tener terminales lo ms cortosposible y conectarse entre Vcc y tierra, lo mas cercaposible al circuito integrado.
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Familia CMOS
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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.
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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 laserie 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.
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Comparativo entre familias
logicas
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)
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Compuerta NAND en tecnologa
CMOS estndar
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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.
Entradas sin conectar en TTLEntradas sin conectar en
CMOS
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FAN OUT:
Los CMOS tienen una resistencia de entrada extremadamentegrande 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 retardopermisible en la propagacin. Comnmente este factor de carga es
de 50 para bajas frecuencias (
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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.
.
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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
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Links y bibliografa de ayuda
http://www.kpsec.freeuk.com/components/74series.htm
http://www.ti.com
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