circuitos integrados

Curso 63343 Identificación y Análisis de Circuitos Integrados y Compuertas Lógicas.

Aprendiz: Guido Carmona Girón Tutor: Ing. José Leonardo Simancas García

SENA Conocimiento para Todos los Colombianos

Actividad 1: Circuitos Integrados En el módulo Fundamentos de la electrónica has visto una introducción a los conceptos básicos de la electrónica y has examinado varias funciones lógicas. Estas funciones se demostraron mediante el uso de interruptores, transistores y otros componentes electrónicos. Este módulo te presentará otros modos de representar las funciones lógicas que has estudiado: las compuertas lógicas. En este módulo explorarás las compuertas lógicas y los sistemas digitales. Esta actividad incluye los siguientes temas:

Reseña general de los circuitos integrados Niveles de integración de los circuitos integrados Familias de circuitos integrados

OBJETIVOS En esta actividad, realizarás lo siguiente:

Aprender acerca de los circuitos integrados lógicos (CI) y los niveles de integración. Identificar y examinar circuitos de pequeña escala (SSI). Aprender acerca del papel de los distintos factores en el rendimiento del circuito, incluyendo

tensión y corriente de alimentación, tiempo de aumento y disminución y convergencia de salida (fan-out).

Comprender la división de los circuitos integrados en familias lógicas Reseña general de circuitos integrados ¿Qué es un circuito integrado? Los circuitos integrados, también conocidos como chips, comprenden miles, incluso millones de componentes eléctricos, tales como transistores, resistores y condensadores, en una única pieza de silicio, completamente sellada dentro de un contenedor. El contenedor está hecho de plástico u otro material y posee pines especiales de conexión que permiten que el circuito integrado que se encuentra en el interior se conecte al circuito electrónico. Reseña general de circuitos integrados Ventajas de los circuitos integrados Un circuito integrado o chip permite la combinación de varios componentes electrónicos en un espacio muy pequeño. Además de permitir la construcción de productos más pequeños, esto hace que el proceso de ensamble en su conjunto sea más simple y más eficiente.




Los circuitos integrados pueden ser simples o extremadamente complejos, como lo son las unidades de lógica aritmética que se usan en los computadores. Estudio de los circuitos integrados La figura muestra un circuito integrado.

Tales circuitos se arman sobre placas electrónicas. Sobre las placas, los circuitos parecen pequeñas cajas negras. En esta actividad, aprenderás acerca de los circuitos integrados lógicos. Los circuitos integrados lógicos entran en una de dos categorías. En una categoría, los niveles lógicos en la salida se determinan únicamente mediante los niveles lógicos de la entrada del sistema. En otras palabras, en cualquier momento dado, la entrada impacta directamente sobre la salida. Un ejemplo de tal sistema sería un sistema de compuertas lógicas, acerca de las que aprenderás más en actividades posteriores.




En la segunda categoría, la salida del sistema se ve afectada por factores adicionales como la señal del reloj. Niveles de integración Introducción. El término nivel de integración se usa para indicar la cantidad de transistores en un chip de silicio. Cuantos más transistores y otros componentes se ensamblen sobre un chip, más compuertas y sistemas habrá en ese chip. Por lo tanto, podrán lograrse más funciones con menos chips. La imagen muestra ejemplos de distintas calculadoras de las décadas de 1970 y 1980, cada una de las cuales incorpora un nivel de integración diferente Los niveles de integración comúnmente se definen del siguiente modo:

Integración de pequeña escala (SSI) - en el cual existe un pequeño número de compuertas o funciones en un circuito integrado. Las próximas actividades se centrarán en este tipo de circuito.

Integración de mediana escala (MSI) - Un número relativamente grande de circuitos (varias docenas) se ubican en una única pieza de silicio.

Integración de gran escala (LSI) - Varios cientos de compuertas y sistemas ubicados en un chip. Integración de muy gran escala (VLSI) - Decenas de miles o aún millones de compuertas y otros

sistemas se ubican en una pieza de silicio. Ejemplos de tales componentes incluyen chips de memoria, microprocesadores, controladores y más. Como se destacó anteriormente, este módulo tratará únicamente con componentes SSI Circuitos SSI Identificar circuitos SSI Todo circuito integrado (CI) posee un número de identificación otorgado por el fabricante, así como ciertos datos impresos en los componentes. El número de identificación determina el tipo de componente. En otras palabras, el número de identificación del circuito integrado determina el tipo de función (de las funciones que has estudiado en el módulo de Fundamentos de la electrónica). Además, el número de identificación determina la serie a la que pertenece el circuito integrado. Aprenderás más acerca de las distintas series más adelante en este módulo. Ejemplos de series de circuitos SSI

7400 - Cuádruple compuerta NAND con dos entradas Este circuito integrado comprende cuatro compuertas NAND con dos entradas por cada compuerta.

7402 - Cuádruple compuerta NOR con dos entradas Este circuito integrado comprende cuatro compuertas NOR con dos entradas por cada compuerta.

7411 - Triple compuerta AND con tres entradas




Este circuito integrado comprende tres compuertas NAND con tres entradas por cada compuerta 4002 - Doble compuerta NOR con cuatro entradas

Este circuito integrado tipo CMOS comprende dos compuertas NOR con cuatro entradas por cada compuerta.

4049 Compuerta inversora (NOT) HAX Este circuito de tipo CMOS comprende seis compuertas NOT. Hojas de datos El fabricante de un circuito integrado provee una hoja de datos que incluye todos los datos necesarios para planificar y utilizar el circuito integrado.

Numeración de los pines Orden de los pines Ciertos datos son comunes a todos los circuitos integrados (CI). Esta sección y las siguientes analizarán algunos de los datos más importantes de los CI. Los CI que estudiarás en este módulo generalmente tendrán de catorce a dieciséis pines de conexión. (Hay circuitos con tan solo cuatro pines). Hay CI con más pines, pero no los estudiarás en este momento.




El orden de los pines es idéntico en todos los circuitos integrados. En cada caso, debe identificarse el pin 1.

Numeración de los pines Identificar el primer pin. Examina los siguientes circuitos integrados:

El pin 1 puede reconocerse de varias formas:

En un extremo del CI hay una muesca semicircular. Cuando la muesca se encuentra del lado izquierdo, el pin debajo de ella (el que está más hacia la izquierda y más cercano a ti) es el Pin 1.

El pin 1 puede estar señalado con un punto blanco (o en el caso de que se trate de un componente de color claro, un punto negro). El pin más cercano al punto es el Pin 1. Raramente, el punto está en el lado inferior del circuito integrado.

Con las marcas identificatorias frente a ti, el Pin 1 es el que se encuentra más hacia la izquierda en el lado más cercano a ti.

Uno de los extremos del componente posee una línea blanca. Cuando la línea está en la izquierda, el pin cercano a la línea en el lado frente a ti es el Pin 1. Numerar los otros pines Todos los otros pines se numeran en relación con el Pin 1. Los otros pines se numeran en sentido inverso a las agujas del reloj desde el pin 1, cuando el circuito se sostiene de forma tal que las marcas identificatorias pueden verse desde arriba.




En los dibujos eléctricos, los pines que suministran corriente y tierra generalmente no están marcados, aunque claramente, deben existir.

Mueve el mouse sobre el circuito integrado que se muestra para ver la numeración de distintos pines.




Tiempo de retardo de propagación Tiempo de retardo de propagación Una entrada o salida de cualquier sistema digital puede tener uno de dos estados en cualquier momento dado: 0 o 1. Cuando hay actividad en el sistema, el estado de una entrada o salida puede variar. El cambio de estado en la entrada o la salida no se refleja de inmediato. Más bien, se requiere un cierto tiempo que el sistema debe considerar. Este período se conoce como tiempo de retardo de propagación o simplemente tiempo de propagación. El cambio en los niveles lógicos normalmente se grafica para permitir el análisis del cambio como una función de tiempo. En ese tipo de gráfico, conocido como diagrama de tiempo, el eje horizontal es en realidad una línea de tiempo. El tiempo de propagación es el tiempo que transcurre desde el momento en que se modifica la entrada hasta el momento en que se modifica la salida. Cuanto más corto es el período, con más rapidez opera el sistema.




Diagrama de tiempo de alto a bajo Examina el gráfico que se muestra. El gráfico refleja una función NOT, que significa que la salida está siempre en posición opuesta a la entrada. El gráfico muestra el cambio en la salida resultante del cambio en la tensión de entrada como una función de tiempo. Cuando la entrada cambia de alta a baja, transcurrido un tiempo ocurre un cambio en la salida. Este lapso se llama . T, por supuesto, es la variable común que se utiliza para representar el tiempo.

Diagrama de tiempo de alto a bajo El subíndice "plh" significa "propagation low to high," (propagación de bajo a alto), o en otras palabras, el tiempo que demora el sistema en pasar de posición baja a posición alta luego de una cambio en la señal de entrada.




Diagrama de tiempo de alto a bajo. Hay un lapso similar cuando un sistema pasa de alto a bajo luego de un cambio en la señal de entrada de bajo a alto. El diagrama que se muestra ilustra este lapso. Observa que el lapso aquí se llama .

Diagrama de tiempo de alto a bajo. El subíndice "phl" significa "propagation from low to high" (propagación de bajo a alto). En otras palabras, es el tiempo que le toma al sistema caer desde la posición alta a la posición baja luego de un cambio en la señal de entrada.

Generalmente y no son idénticos para un componente dado. Sin embargo, el más largo de los dos es el que generalmente se usa como tiempo de propagación típica para un componente. A veces se representa como . El subíndice "pd" se refiere a "propagation delay" (retardo de propagación). Por supuesto, si hay una serie de compuertas, el tiempo de retardo en la propagación aumentará en proporción a la cantidad y a los tipos de compuerta.




Tiempo de ascenso y descenso ¿Qué es el tiempo de ascenso/descenso? En los diagramas de tiempo que has analizado hasta ahora, la transición entre estados era instantánea. Luego del retardo de propagación, la salida cambiaba directamente de baja a alta y viceversa. En la realidad, esto no ocurre. Los niveles lógicos, representados por distintas tensiones, requieren un cierto tiempo para estabilizarse. Estudia el diagrama que se muestra. Este diagrama ilustra el tiempo necesario para pasar de una tensión alta a una tensión baja. El tiempo necesario para cambiar de tensión baja a tensión alta se llama tiempo de ascenso y se representa . El tiempo necesario para cambiar de tensión alta a tensión baja se llama tiempo de descenso y se representa . Los tiempos de ascenso y descenso son generalmente insignificantes y no se tienen en cuenta en la planificación del sistema.

Tensiones y corrientes Tensión y corriente de alimentación La tensión suministrada a un CI se llama tensión de alimentación y se representa como . La corriente de alimentación de un CI se representa como . Cada grupo o familia de CI tiene tensiones y corrientes de alimentación típicas. Normalmente, los esquemas electrónicos no señalan las tensiones de alimentación, pero asumen que existen. Como ya has aprendido, los niveles lógicos en la entrada y la salida están representados por dos niveles de tensión. En las hojas de datos del componente, el fabricante anota los valores de las tensiones que reflejan los diferentes estados. Esto es aplicable en CI de TTL.




Notación estándar para la tensión de alimentación Las notaciones estándar son las siguientes:

- Tensión de entrada en la posición lógica 1. - Tensión de entrada en la posición lógica 0. - Tensión de salida en la posición lógica 1. - Tensión de salida en la posición lógica 0.

El principio que se aplica aquí ya lo has aprendido: hay una diferencia (según la tensión de entrada) entre el nivel lógico 1 y el nivel lógico 0. Entre los dos hay un rango indefinido.

La figura que se muestra ilustra las tensiones en la compuerta que opera a una tensión de alimentación de 5V. Cualquier tensión por debajo de 0,8 voltios se define como 0 lógico. Cualquier tensión por encima de 3,5 voltios se define como 1 lógico. Las tensiones entre 0,8 y 3,5 no están definidas y no existirán en un sistema que funcione correctamente. Estos números son correctos sólo para una fuente de alimentación de 5 voltios. Una tensión diferente tendrá otros niveles altos y bajos.




Notación estándar para la corriente de alimentación La corriente de alimentación se define de manera similar a la tensión de alimentación:

- Corriente de entrada en la posición lógica 1. - Corriente de entrada en la posición lógica 0. - Corriente de salida en la posición lógica 1. - Corriente de salida en la posición lógica 0.

Convergencia de salida Convergencia de salida máxima En los sistemas reales (en oposición a los sistemas teóricos) una única compuerta de salida está conectada usualmente a varias compuertas de entrada. (En próximas actividades analizarás tales circuitos). Cada entrada - ya sea para una compuerta o para otros componentes - necesita de algún tipo de corriente de entrada. La salida de una compuerta se limita a la corriente que puede suministrar la compuerta. Si la compuerta está sobrecargada, existe cierto riesgo de que la corriente no se suficiente para todas las entradas y que por lo tanto los niveles lógicos sean incorrectos. El mayor número de entradas que pueden conectarse a una única salida sin afectar el funcionamiento del sistema se llama convergencia de salida máxima o simplemente convergencia de salida. La convergencia de salida no siempre es idéntica para el 1 lógico y para el 0 lógico. Por lo tanto, al planificar un sistema, debe tenerse en cuenta el menor (peor) de los dos casos. La convergencia de salida para un componente puede consultarse en la hoja de datos del componente. Si se conectan varios componentes, debe considerarse cada uno en forma individual. Familias lógicas Repaso general Existen varias tecnologías para fabricar circuitos integrados. Un grupo de circuitos integrados que se fabrica con la misma tecnología se llama una familia de dispositivos lógicos o simplemente una familia lógica. Cada una de estas familias posee varias características distintivas. Dentro de los componentes lógicos existen en realidad dos familias principales que se subdividen en subfamilias.




Familia lógica transistor-transistor TTL. Notación para la familia lógica transistor-transistor La familia lógica transistor-transistor (TTL) es una de las familias lógicas más comunes. El número del fabricante estampado en los componentes de esta familia siempre comienza con uno de dos números:

74 - representa una familia lógica para uso civil.

54 - representa una familia lógica para uso militar. Existen ligeras diferencias entre los componentes fabricados para uso civil y los componentes para uso militar. Generalmente, aquellos fabricados para uso militar son más resistentes a los cambios de temperatura y se empacan en cajas cerámicas y no plásticas. Sub-familias TTL El número de identificación del fabricante para los componentes de una familia TTL será el siguiente: 54 XX YYY O 74 XX YYY XX representa la sub-familia del componente. La siguiente es una lista parcial de varias subfamilias:

La ausencia de letras indica un componente TTL común. S indica un componente TTL de tipo Schotty. LS indica un componente TTL de tipo Schotty de baja potencia. AS o ALS indica un componente TTL avanzado tipo S- o LS-. F indica un componente más rápido que los mencionados anteriormente.




Tipos de componentes YYY en el número de identificación indica el tipo de circuito, según lo determina el fabricante. Este número se usa para identificar el circuito particular. Ejemplos de estos números son los tipos de "series" que has estudiado anteriormente: 7400, 7402, 7411, y así sucesivamente. Un componente que posee el número de serie 7400, por ejemplo, es una compuerta NAND cuádruple con 2 entradas. Familia MOS (Semiconductor de óxido metálico) Características particulares de la familia MOS La familia MOS (semiconductor de óxido metálico) es un sistema relativamente nuevo que se está expandiendo rápidamente por el mercado de los CI. Al igual que la familia TTL, la familia MOS posee varias subfamilias. La más común de estas es la sub-familia MOS Complementario (CMOS). La familia MOS posee varias ventajas por sobre la familia TTL:

Un amplio rango de tensiones de alimentación. Los componentes TTL funcionan únicamente con una tensión de alimentación de 5 voltios. Los componentes CMOS funcionan con una variedad de tensiones que van de los 3 a los 18 voltios. (Por supuesto, el 0 y el 1 lógicos variarán de acuerdo con ello).

La energía que requieren estos componentes es significativamente más baja que la tensión que necesitan los componentes TTL.




Componentes CMOS El número de fabricante para esta familia es: [1] 40 YYY

[1] es la identificación internacional para Motorola. 40 indica que el CI es del tipo CMOS. YY es el número de serie que le otorga el fabricante (para indicar la serie).

Los circuitos integrados de esta familia no tienen los mismos números de serie que los CI de la familia TTL con la misma función. El orden de los pines en el componente tampoco es igual. La mayor desventaja de los componentes CMOS es sus tiempos de retardo de propagación más largos.

Componentes con rasgos de varias familias Uniformidad en la numeración de componentes




Para lograr cierta uniformidad, se desarrolló otra familia de CI. El número de fabricante de esta familia se ve del siguiente modo: 54CYY O 74CYY Esta familia lógica posee los rasgos de la familia CMOS, pero el nombre del componente y el orden de los pines es idéntico al de la familia TTL.

Otras familias "híbridas" Se ha desarrollado otra familia con rasgos tanto de la familia CMOS como de la familia TTL. Los CI de esta familia se identifican como: 54HCYY O 74HCYY En esta familia los nombres de los componentes y el orden de los pines son los mismos que para la familia TTL. Esta familia combina las ventajas de los componentes TTL con las ventajas de los componentes CMOS. Los componentes de esta familia tienen un consumo de energía reducido, una amplia gama de tensiones de alimentación y tiempos de propagación cortos. Combinación de familias Dadas las diferentes características eléctricas de los distintos componentes (incluso dentro de las sub-familias), es preferible no combinar los componentes de diferentes familias en un mismo circuito. Si es necesario hacer tal tipo de combinación, deben usarse componentes adaptadores adecuados. En esta actividad Conclusión




En esta actividad se han presentado los circuitos integrados. El siguiente es un resumen de los datos sobre los CI que has estudiado en esta actividad:

El tiempo de retardo de propagación (o tiempo de propagación) es el tiempo que transcurre desde el momento en que se produce un cambio en el nivel lógico de entrada hasta que el cambio se refleja en la salida.

Los tiempos de ascenso y descenso son el tiempo que le toma a la tensión pasar de baja a alta o viceversa.

Los niveles lógicos de entrada y salida se representan mediante tensiones altas o bajas según el nivel necesario. Estas tensiones deben estar dentro del rango definido por el fabricante.

La convergencia de salida define el grado hasta el cual puede cargarse una compuerta y otro componente lógico. En otras palabras, esto indica el número de entradas que pueden conectarse a la salida sin afectar negativamente su funcionamiento correcto.

Cada uno de los tipos de datos posee tres valores: mínimo, máximo y típico. Usualmente los tres valores figuran en las hojas de datos de los componentes, pero con frecuencia, es suficiente con tener uno sólo de los valores.

Hay dos familias principales de CI: TTL y MOS. Cada una tiene sub-familias.

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