CIRCUITO INTEGRADOS DIGITALES

Ing. Wilmer Naranjo

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CARACTERISTICAS BSICAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALESSon una coleccin de resistores, diodos y transistores fabricados sobre una pieza de material semiconductor (generalmente silicio) denominado sustrato y que comnmente recibe el nombre de circuito integrado (CI). El CI se encuentra dentro de un encapsulado plstico o de cermica con terminales que permiten conectarlo con otro dispositivo.

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ENCAPSULADOS DE LOS CIstos difieren en la cantidad de circuitera que contiene el sustrato de silicio. El nmero de conexiones externas que se hacen con el sustrato. Las condiciones del medio ambiente. El mtodo empleado para montar el encapsulado sobre el sustrato del circuito.Ing. Wilmer Naranjo 3

TIPOS DE ENCAPSULADOLos tipos de encapsulado ms comunes son: Encapsulado de doble lnea (DIP, siglas de dual-in-line-package) Encapsulado plano de cermica. Encapsulado para montaje de superficie.Ing. Wilmer Naranjo 4

Encapsulado de doble lnea (DIP)Formado por dos hileras de terminales. Las terminales estn numeradas en sentido opuesto al avance de las manecillas del reloj cuando se ven por arriba, en relacin con una muesca o punto que se encuentra en uno de los extremos del encapsulado y que sirve como identificacin. Se emplean encapsulados con 16, 20, 24, 28, 40 y 64 terminales. Algunos DIP tienen muescas en ambos extremos. En stos casos la ubicacin de la terminal nmero 1 est sealada por un pequeo punto.Ing. Wilmer Naranjo 5

DIBUJO DE UN DIPENCAPSULADO DIP

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ENCAPSULADO PLANO DE CERMICAEsta hecho de una base no conductora. Inmune a los efectos de la humedad. Aplicaciones de tipo militar. Condiciones ambientales extremas.

ENCAPSULADO PARA MONTAJE DE SUPERFICIESus terminales estn dobladas en un ngulo recto. Ms pequeos que los DIP. Las terminales son ms pequeas y menos rgidas.Ing. Wilmer Naranjo 7

CLASIFICACIN DE ACUERDO CON LA COMPLEJIDADSe estima por el nmero de compuertas lgicas equivalentes sobre el sustrato. En la actualidad existen 6 niveles estndar de complejidad.

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CLASIFICACIN DE ACUERDO CON LA COMPLEJIDADCOMPLEJIDAD Integracin en pequea escala (SSI) Integracin en mediana escala (MSI) Integracin en gran escala (LSI) Integracin en muy alta escala (VLSI) Integracin en ultra escala (ULSI) Integracin en giga gran escala (GLSI) # DE TRANSISTORES 10 a 100 100 a 1000 1000 a 10000 10000 a 100000 100000 a 1000000 Mayor a 10000000Ing. Wilmer Naranjo

N DE COMPUERTAS 1 a 10 10 a 100 100 a 1000 1000 a 10000 10000 a 100000 Mayor a 10000009

Clasificacin de acuerdo con el tipo principal de componentes electrnicos utilizados en su circuitera.Se clasifica en: Circuitos Integrados Bipolares Circuitos Integrados Unipolares

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Circuitos Integrados BipolaresSon aquellos que estn fabricados con transistores bipolares de unin (NPN y PNP) como su principal componente de circuito. Ej: La familia lgica TTL y ECL

Circuitos Integrados UnipolaresSon los que emplean transistores unipolares de efecto de campo (MOSFET de canal N P) como elemento principal. Ej: la familia lgica PMOS, NMOS y CMOS.Ing. Wilmer Naranjo 11

PARMETROS DE VOLTAJEVIH(min),Voltaje de entrada de nivel alto: Nivel de voltaje que se requiere para un 1 lgico en una entrada. Cualquier voltaje debajo de ste nivel no ser aceptado como ALTO por el circuito lgico. VIL(max),Voltaje de entrada de nivel bajo: Nivel de voltaje que se requiere para un 0 lgico en una entrada. Cualquier voltaje sobre ste nivel no ser aceptado como BAJO por el circuito lgico. VOH(min),Voltaje de salida de nivel alto: Nivel de voltaje en la salida de un circuito lgico en el estado 1 lgico. Por lo general se especifica el valor mnimo de VOH. VOL(max),Voltaje de salida de nivel bajo: Nivel de voltaje en la salida de un circuito lgico en el estado 0 lgico. Por lo general se especifica el valor mximo de VOL.Ing. Wilmer Naranjo 12

PARMETROS DE VOLTAJE

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PARMETROS DE CORRIENTEIIH, Corriente de entrada de nivel alto: Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de nivel alto especfico a dicha entrada. IIL, Corriente de entrada de nivel bajo: Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de nivel bajo especfico a dicha entrada. IOH, Corriente de salida de nivel alto: Corriente que fluye desde una salida en el estado 1 lgico en condiciones de carga especficas. IOL, Corriente de salida de nivel bajo: Corriente que fluye a partir de una salida en el estado 0 lgico en condiciones de carga especficas.Ing. Wilmer Naranjo 14

Inmunidad al ruidoLa inmunidad al ruido de un circuito lgico se refiere a la capacidad de circuito para tolerar voltajes ruidosos en sus entradas. A una medida cuantitativa de inmunidad, al ruido se le denomina margen de ruido.

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MARGEN DE RUIDO1 lgico VOH (min) 1 lgico VIH(min) Intervalo VIL(max) VOL (max) 0 lgico Intervalos de voltaje de salida Requerimientos de voltaje de entrada Indeterminado 0 lgico

Voltaje

Intervalo No permitido

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Margen de Ruido de Estado Alto VNHVNH = VOH (min) VIH (min)

Margen de Ruido de Estado Bajo VNLVNL = VIL (mx) VOL(max)

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Ejemplo:VNH = VOH (min) VIH (min) = 2.4V 2.0V = 0.4V

VNL = VIL (mx) VOL(max) = 0.8V 0.4V = 0.4VIng. Wilmer Naranjo 18

REQUERIMIENTOS DE POTENCIATodos los CI requieren de cierta cantidad de potencia elctrica para poder funcionar. Esta potencia es suministrada por uno o ms fuentes voltajes de conectados a las terminales de polarizacin del CI. La cantidad de potencia que necesita un circuito integrado se especifica por lo general en trminos de la corriente Icc, que consume de la fuente de alimentacin Vcc, y la potencia real es el producto de Icc x Vcc. En trminos generales ICCH e ICCL sern valores diferentes.Ing. Wilmer Naranjo 19

La corriente promedio es: ICC (prom) = (ICCH + ICCL)/2

sta corriente se puede emplear para calcular el consumo promedio de potencia: PD (prom) = ICC(prom) x VCC

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RETARDOS EN LA PROPAGACINUna seal lgica siempre experimenta un retardo al recorrer un circuito. Los dos tiempos de retardo de propagacin se definen como: TPLH y TPHL. TPLH: Tiempo de retardo al pasar del estado lgico 0 al 1 lgico (de BAJO a ALTO) TPHL: Tiempo de retardo al pasar del estado lgico 1 al 0 lgico (de ALTO a BAJO)Ing. Wilmer Naranjo 21

FACTOR DE CARGA DE SALIDA(Fan - out)Se define como el nmero mximo de entradas lgicas estndar que una salida puede manejar confiablemente. Para esto es necesario conocer la capacidad de corriente de la salida, esto es, IOL(max) e IOH(max) junto con los requerimientos de corriente de cada entrada, esto es, IIL e IIH. Entonces tenemos: Factor de carga de salida (BAJO) = IOL(max) / IIL(max) Factor de carga de salida (ALTO) = IOH(max) / IIH(max)Ing. Wilmer Naranjo 22

Ejemplo Fan OUT:Fan Out = 20mA / 2mA m = 10 Fan In = 10mA / 1,5mA n =6

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Circuitos Integrados RTLRTL son las iniciales de las palabras inglesas Resistor, Transistor, Logic. Es decir es una familia cuyas puertas se construyen con resistencias y transistores (bipolares). El esquema bsico de una puerta NOR es el siguiente:Suponiendo que las dos entradas en nivel alto (H-H), sea de 3v. Tanto Q1 como Q2 estn saturados. Por qu?, pues porque tienen sus uniones BE bien polarizadas (la base ms positiva que el emisor) y se les suministra suficiente intensidad de base:

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Circuitos Integrados RTLVcc

A

B

C

Compuerta NOR de 3 entradas

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Circuitos Integrados DTLLas siglas DTL vienen de las iniciales de las palabras inglesas Diode Transistor Logic. Es decir estamos tratando con una familia compuesta bsicamente por diodos y transistores (sin olvidar a las resistencias). Los diodos se encargan de realizar la parte lgica y el transistor acta como amplificador inversor. El esquema bsico de una puerta AND con diodos:

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LA FAMILIA LGICA TTLLa familia lgica transistor-transistor (TTL) El circuito lgico TTL bsico es la compuerta NAND.

CARACTERSTICAS DE LA SERIE TTL ESTNDAREn 1964 Texas Instruments Corporation introdujo la primera lnea de CI estndar TTL. En la actualidad muchos fabricantes producen CI TTL. Todos ellos utilizan el mismo sistema de numeracin.Ing. Wilmer Naranjo 27

SERIE 74Los CI de la serie 74 estndar ofrecen una combinacin de velocidades y disipacin de potencia adecuada a muchas aplicaciones.

Serie 74L, TTL de bajo consumo de potenciaTiene valores mayores de resistencia. Reduce los requerimientos de potencia, de retardos ms largos en la propagacin.

Serie 74H, TTL de alta velocidadLa serie 74H es una serie TTL de gran velocidad. Tiene valores menores de resistencia. Remplaza el transistor seguidor de emisor Q1, por un par Darlington. Velocidad de conmutacin mucho mayor Mayor disipacin de potencia. Naranjo Ing. Wilmer 28

Serie 74S, TTL SchottkyLa serie 74S reduce el retardo de tiempo. Usa transistores Schottky. Dos veces ms rpida que la 74H, con igual requerimiento de potencia.

Serie 74LS, TTL Schottky de bajo consumo de potenciaEsta serie es una versin de la 74S. Con un menor consumo de potencia y velocidad. Usa transistor Schottky. Valores ms grande de resistencia que la 74S.

Serie 74AS (AS -T T L), TTL Schottky avanzadaEsta serie tiene bajo consumo de potencia. Usa transistor Schottky.Ing. Wilmer Naranjo

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PARMETROS DE FUNCIONAMIENTO74 Retardo de propagacin (ns) Disipacin de potencia (mW) Producto velocidad-potencia (pJ) Mxima frecuencia de reloj (MHz)Factor de carga de la salida

74L 33 1 33 3 20

74H 6 23 138 50 10

74S 74LS 3 20 60 125 20 9.5 2 19 45 20

74AS 1.7 8 13.6 200 40

74ALS

9 10 90 35 10

4 1 4.8 70 20

(para misma serie)

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PARMETROS DE VOLTAJE74 74L 2.4 0.4 2.0 0.7 74H 2.4 0.4 2.0 0.8 74S 2.7 0.5 2.0 0.8 74LS 2.7 0.5 2.0 0.8 74AS 2.5 0.5 2.0 0.8 74ALS 2.5 0.4 2.0 0.8

VOH (min) VOL (mx) VIH (min) VIL (mx)

2.4 0.4 2.0 0.8

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COMPUERTA DE TRES ESTADOSLas compuertas de tres estados tienen una entrada de control que puede colocar a la compuerta en un estado de alta impedancia. Dicho estado se identifica con ZENTRADA SALIDA ENTRADA SALIDA

CONTROL

CONTROL

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MOSEl Transistor de Efecto de Campo (FET, field effect transistor) es un transistor unipolar, ya que su funcionamiento depende del flujo de slo un tipo de portador. Existen de dos tiposJFET (Junction FET se utiliza en circuitos lineales) MOS (Metal-Oxido-Semiconductor, se utiliza en circuitos digitales)

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Metal xido semiconductor (Canal P y Canal N) MOS DG CANAL P S D G CANAL N S

Este tipo de transistor MOS es de canal N de enriquecimiento (existe tambin de canal P), las patilla Surtidor (S), Drenador (D) y Puerta (G), son equivalentes a las patillas emisor, colector y base del BJT. La flecha indica el tipo de sustrato. (Flecha hacia adentro es canal P, flecha hacia afuera es de canal N)Ing. Wilmer Naranjo 34

MOSLa constitucin fsica se basa en un sustrato de silicio tipo P en el que se difunden dos zonas de tipo N correspondiente al drenador y surtidor. Sobre la zona de sustrato situada entre el surtidor y el drenador se hace un recubrimiento de xido de silicio (aislante). Haciendo una metalizacin de aluminio sobre la superficie de xido de silicio se obtiene el terminal G o puerta.Ing. Wilmer Naranjo 35

POLARIZACION MOSLa polarizacin es como se muestra en la grfica:Si VGG < VTH (3V) La resistencia entre D y S (RDS) es muy elevada. Es decir el transistor no conduce (corte) el MOS se comporta como un circuito abierto. Si VGG VTH El circuito empieza a conducir. Al aumentar VGG disminuye RDS. Si RDS es muy pequea el transistor llega a la saturacin, circuito cerrado36

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Metal xido semiconductorVCCD G S D G S

VCCD

Y=A AG

Y = A.B

D

A

G S S D

BIng. Wilmer Naranjo

G S

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CMOSSemiconductor de metal xido complementario Cuando el circuito CMOS se encuentra en estado esttico, su disipacin de es muy baja.Esttico (0.01 mW) 1 Mhz (1mW) 5 Mhz (5mW)

Intervalo de fuente de poder (3 a 18 Vdc) Buena Inmunidad al ruido Bajo retardo

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