circuitos combinacionales
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Interpretar las hojas de características del fabricante de los elementos empleados y utilizarlas para valorar sus condiciones (alimentación del dispositivo, valores típicos de respuesta temporal de una puerta lógica, identificar correctamente los terminales de los componentes integrados).TRANSCRIPT
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CIRCUITOS COMBINACIONALES
I. OBJETIVOS
Interpretar las hojas de características del fabricante de los elementos empleados y
utilizarlas para valorar sus condiciones (alimentación del dispositivo, valores típicos
de respuesta temporal de una puerta lógica, identificar correctamente los terminales
de los componentes integrados).
Determinación del tiempo de retardo de una puerta lógica básica a partir de la
respuesta.
Diseñar, montar y comprobar algunos circuitos combinacionales sencillos realizados
a partir de puertas lógicas.
II. MARCO TEORICO
La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga de sistemas
electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos estados. A
dichos estados se les puede llamar "verdadero" o "falso", o más comúnmente 1 y 0,
refiriéndose a que en un circuito electrónico digital hay dos niveles de tensión.
Electrónicamente se les asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje determinado, a
los que se les denomina niveles lógicos, típicos en toda señal digital. Por lo regular los
valores de voltaje en circuitos electrónicos pueden ir desde 1.5, 3, 5, 9 y 18 voltios
dependiendo de la aplicación, así por ejemplo, en una radio de transistores
convencional las tensiones de voltaje son por lo regular de 5 y 12 voltios al igual que se
utiliza en los discos duros IDE de computadora.
Un circuito combinacional, como su nombre lo sugiere es un circuito cuya salida
depende solamente de la "combinación" de sus entradas en el momento que se está
realizando la medida en la salida.
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Analizando el circuito, con compuertas digitales, que se muestra (ver el diagrama) se
ve que la salida de cada una de las compuertas que se muestran, depende únicamente
de sus entradas.
La salida F variará si alguna de las entradas A o B o las dos a la vez cambian.
Los circuitos de lógica combinacional son hechos a partir de las compuertas básicas
compuerta AND, compuerta OR, compuerta NOT.
También pueden ser construidos con compuertas NAND, compuertas NOR, compuerta
XOR, que son una combinación de las tres compuertas básicas.
La operación de los circuitos combinacionales se entienden escribiendo las ecuaciones
booleanas y sus tablas de verdad.
Tecnología TTL
TTL es la sigla en inglés de transistor-transistor logic, es decir, "lógica transistor a
transistor". Es una familia lógica o lo que es lo mismo, una tecnología de construcción
de circuitos electrónicos digitales. En los componentes fabricados con tecnología TTL
los elementos de entrada y salida del dispositivo son transistores bipolares.
Características
Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75v y los
5,25V (como se ve un rango muy estrecho).
Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,2V
y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto).
La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta
característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por
el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc y
últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco
más de los 250 MHz.
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Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de
circuitos adicionales de transmisión (no pueden viajar más de 2 m por cable sin
graves pérdidas).
TTL trabaja normalmente con 5V; los circuitos de tecnología TTL se prefijan
normalmente con el número 74
Tecnología CMOS
CMOS proviene de la iniciales "Semiconductor Complementario de Óxido Metálico") es
una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados (chips).
Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo
pMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de
energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas.
En la actualidad, la inmensa mayoría de los circuitos integrados que se fabrican son de
tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, DSPs y muchos otros
tipos de chips digitales.
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CMOS y Bipolar
Se emplean circuitos mixtos bipolar y CMOS tanto en circuitos analógicos como
digitales, en un intento de aprovechar lo mejor de ambas tecnologías. En el ámbito
analógico destaca la tecnología BiCMOS, que permite mantener la velocidad y
precisión de los circuitos bipolares, pero con la alta impedancia de entrada y márgenes
de tensión CMOS. En cuanto a las familias digitales, la idea es cortar las líneas de
corriente entre alimentación y masa de un circuito bipolar, colocando transistores MOS.
Esto debido a que un transistor bipolar se controla por corriente, mientras que uno
MOS, por tensión.
COMPUERTAS LOGICAS
Son circuitos electrónicos que operan con una o mas señales de entrada para producir
una señal de salida. Los símbolos gráficos que se utilizan para designar los 3 tipos de
compuertas.
Las compuertas son bloques de Hardware que producen el equivalente de señales de
salida 1 y 0 lógicos, si se satisfacen requisitos de lógica de entrada. Las señales de
entrada X e Y pueden existir en la compuertas AND y OR en uno de 4 estados posibles
00, 01, 10 O 11
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III. DESARROLLO
Materiales y Equipos a Utilizar
1 Protoboard Resistencias de 1k y 330 Pulsadores LED Fuente de Alimentación Osciloscopio Circuitos Integrados 7400
Interpretación de las hojas de características
A partir de las hojas de características del circuito 7400 proporcionados por el
fabricante, conteste a las siguientes preguntas.
a) ¿Cuál es la tecnología utilizada y cuál es el rango de valores de tensión al
que se puede alimentar el circuito?
La tecnología empleada es TTL que es la sigla en inglés de transistor-transistor
logic, es decir, "lógica transistor a transistor". Es una familia lógica o lo que es lo
mismo, una tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales. En los
componentes fabricados con tecnología TTL los elementos de entrada y salida del
dispositivo son transistores bipolares.
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b) ¿Cuáles son los limites garantizados de las tensiones de entrada y salida
para VCC=2 y VCC=4.5?
Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre
0,2V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto).
La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien
esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo.
Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S,
etc y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede
alcanzar poco más de los 250 MHz.
Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través
de circuitos adicionales de transmisión
c) A partir de los distintos datos de la hoja de especificaciones estimar el fan-
out de los integrados utilizados. Indíquese el significado de este parámetro.
El fan-out de una puerta es el número máximo de entradas a puertas (de la misma
familia que la puerta en cuestión) que es posible conectar. Si este número se
supera, podemos salirnos de los niveles lógicos y por tanto, el circuito no
funcionaría.
En el caso de TTL que una compuerta podrá accionar en su salida otras
compuertas de la misma serie, la capacidad de salida será de 10 para la serie
común y de alta potencia, y de 20 para la serie de baja potencia.
Cuando hay conexión entre TTL y otras familias lógicas, será necesario ir a la
literatura del fabricante para determinar la necesidad de la corriente de entrada y
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la disponibilidad de la corriente de salida y asegurarse de que no hay sobrecarga
para la salida de la compuerta.
d) ¿Cuáles son los tiempos típicos de transición a la salida y el retardo
de propagación típico?
Debido al balance entre velocidad y potencia, la familia TTL existe en cinco series
distintas, la serie más popular es la LS por el balance entre rapidez y consumo.
Funcionamiento de una puerta NAND como puerta inversora
Se elegirá una de las cuatro puertas que contiene el circuito integrado y se
conectara en configuración de inversor (NOT). Para ello hay dos posibilidades:
Conectar las dos entradas entre sí.
Conectar permanentemente una entrada a 1 lógico.
En esta práctica utilizaremos esta última opción.
Para proceder a conectar el diodo LED, notese que una configuración
universalmente utilizada es anadir una resistencia en serie para limitar el paso
de corriente cuando el diodo este en conducción. Se consultara en las hojas
de características cual es la máxima corriente que la puerta puede entregar y
se impondrá un valor claramente menor. Suele establecerse 1-5mA.
¿Es correcto este rango en nuestro caso?
A continuación se comprobara el comportamiento del inversor resultante. Para
ello se conectara un interruptor a la entrada de la puerta (interruptor en GND o
lógico; interruptor en VDD=1 lógico) y un diodo LED a la salida de las misma,
como se indica en el siguiente esquema
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Medida de las tensiones de entrada y salida
Medida del tiempo de Retardo
Para apreciar mejor el tiempo de retardo, se conectaran en serie cuatro puertas
NAND del circuito integrado, pero utilizadas como inversoras. Se introducirá
una onda cuadrada (de la amplitud y frecuencia que se indicaran en los
apartados posteriores)a la entrada de la primera puerta y se observara la
tensión de salida en la última. Se visualizaran en el osciloscopio las ondas de
entrada y salida simultáneamente (Modo DUAL) para la realización de las
medidas.
Alimentar el circuito con una tensión VDD = 2V. Introducir una senal cuadrada
de valor lógico 1 de 2V y de una frecuencia comprendida entre 10 y 100 KHz.
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La señal de entrada se medirá por el CH1 del osciloscopio y la de salida por el
CH2, pudiéndose observar esta última invertida o sin invertir, si ellos facilita la
medida. Medir el tiempo de retardo según se indica en la figura adjunta y
anotar sus valores
Alimentar el circuito con una tensión de VDD= 5V. Modificar el valor de la
amplitud y frecuencia de la tensión de entrada y observar el retardo. Anotar los
valores medidos
¿Para cual de las tensiones de alimentación se obtiene un menor retardo?
Explique las razones
A partir del retardo global medido anteriormente, calcúlese el retardo individual
de cada puerta ¿Coincide con el especificado por el fabricante de las hojas de
características?
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Medida del tiempo de subida o bajada para la tensión de alimentación de 2V
medir el tiempo de subida entre el 10/0 y 9/0 y el tiempo de bajada entre el 90%
y 10% de la señal de salida según se indica a continuación.
Implementar y comprobar
Para implementar el siguiente circuito se necesitaron
2 Circuitos Integrados 7400
Un LED
Cables
IV. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
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Los circuitos integrados de la tecnología TTL presentan varios tipos, los cuales a
su vez tienen su propia zona neutra que varía de las demás, en algunos esta zona no
está bien definida.
Para poder observar el tiempo de propagación es necesario calibrar el osciloscopio
para tales efectos.
Mientras se está dando transferencia de datos, en caso se produzca cambios en la
energía, ya sea alta o baja de tensión, este podría ocasionar que la señal caiga en
la zona neutral y se pierdan algunos datos.
Se recomienda constantemente estar revisando las conexiones y cableado, para
evitar cualquier accidente y dañar los elementos de trabajo.
También es muy importante que el estudiante lea acerca del tema previamente,
para saber lo que se ira a realizar y de este modo evitar cualquier tipo de conexión
que pudiese ocasionar algún accidente.