el4002 circuitos integrados y tecnologia

EL-4002

Sistemas Digitales

Circuitos Integrados y Tecnología

Niveles de Integración y Tecnología CMOS

Circuitos Integrados (“Integrated Circuits”)

El Circuito Integrado (informalmente, un “chip”) es

un cristal semiconductor (normalmente silicio) que

contiene las componentes electrónicas para las

compuertas digitales y elementos de memoria los

cuales están interconectados en el chip

Terminología – Niveles de integración del chip

SSI (Small-Scale Integrated) – menos de 10 compuertas

MSI (Medium-Scale Integrated) - 10 a 100 compuertas

LSI (Large-Scale Integrated) - 100 a miles de compuertas

VLSI (Very Large-Scale Integrated) – miles a centenas de

millones de compuertas

Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales

Niveles Lógicos

Driver ReceiverZona

Prohibida

NML

NMH

Características EntradaCaracterísticas Salida

VO H

VDD

VO L

GND

VIH

VIL

Rango EntradaNivel Alto

Rango EntradaNivel Bajo

Rango SalidaNivel Alto

Rango SalidaNivelBajo

Ejemplo de Familias Lógicas

Logic Family VDD VIL VIH VOL VOH

TTL 5 (4.75 - 5.25) 0.8 2.0 0.4 2.4

CMOS 5 (4.5 - 6) 1.35 3.15 0.33 3.84

LVTTL 3.3 (3 - 3.6) 0.8 2.0 0.4 2.4

LVCMOS 3.3 (3 - 3.6) 0.9 1.8 0.36 2.7

Transistores

g

s

d

g = 0

s

d

g = 1

s

d

OFF ON

Compuertas Lógicas construidas de

Transistores

Switch de 3 puertos controlados por voltaje

2 puertos conectados dependiendo del voltaje del

tercero

d y s están conectados (ON) cuando g es 1

Apodado el “Alcalde de

Silicon Valley”

Co-fundador de Fairchild

Semiconductor en 1957

Co-fundador de Intel in

1968

Co-inventor del Circuito

Integrado

Robert Noyce, 1927 - 1990

Silicio

Cuadrícula de Silicio

Si SiSi

Si SiSi

Si SiSi

As SiSi

Si SiSi

Si SiSi

B SiSi

Si SiSi

Si SiSi

-

+

+

-

Electrón libre Hueco libre

Tipo n Tipo p

Transistores construidos en silicio, un

semiconductor

Silicio puro es un mal conductor (no hay cargas

libres)

Silicio dopado es un buen conductor (cargas

libres)

Tipo n (cargas libres negativas, electrones)

Tipo p (cargas libres positivas, huecos)

Transistor MOS

n

p

gatesource drain

substrate

SiO2

nMOS

Polysilicon

n

gate

source drain

Metal Oxide Silicon (MOS) Transistors: Compuerta “Polysilicon” (solía ser metal)

Aislador Oxide (dióxido de silicio)

Silicon dopado

Transistor nMOS

n

p

gate

source drain

substrate

n n

p

gatesource drain

substrate

n

GND

GND

VDD

GND

+++++++

- - - - - - -

channel

Gate = 0

OFF (no hay conexión

entre la fuente (“source”)

y el drenaje (“drain”)

Gate = 1

ON (canal entre fuente

y drenaje)

Transistor pMOS

SiO2

n

gatesource drain

Polysilicon

p p

gate

source drain

substrate

Transistor pMOS es opuesto al nMOS

ON cuando Gate = 0

OFF cuando Gate = 1

Funciones del Transistor

g

s

d

g = 0

s

d

g = 1

s

d

g

d

s

d

s

d

s

nMOS

pMOS

OFFON

ONOFF

Funciones del Transistor

nMOS: pasa buenos 0’s, por lo tanto conecta la

fuente (“source”) a GND

pMOS: pasa buenos 1’s, por lo tanto conecta la

fuente a VDD

pMOSpull-up

network

salida

entradas

nMOS pull-down network

Compuertas CMOS: Compuerta NOT

NOT

Y = A

A Y0 1

1 0

A Y

A P1 N1 Y

0 ON OFF 1

1 OFF ON 0

VDD

A Y

GND

N1

P1

Modelo de “Switches” para Inversor CMOS


Compuertas CMOS: Compuerta NAND

A

B

Y

N2

N1

P2 P1NAND

Y = AB

A B Y0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

AB

Y

A B P1 P2 N1 N2 Y

0 0 ON ON OFF OFF 1

0 1 ON OFF OFF ON 1

1 0 OFF ON ON OFF 1

1 1 OFF OFF ON ON 0

Modelo de “Switches” para Compuerta

NAND de 2 Entradas CMOS


Compuerta NOR de 2 Entradas CMOS


Compuerta NAND de 3 Entradas CMOS


Buffer CMOS


Compuerta AND de 2 Entradas CMOS


Compuerta “AND-OR-INVERT” CMOS


Compuerta “OR-AND-INVERT” CMOS


“Data Sheet” Compuerta NAND 54/74HC00


Circuitos de Prueba y Formas de Onda Lógica

Serie HC


Función de Transferencia E/S Inversor CMOS


Co-fundador de Intel en

1968 con Robert Noyce.

Ley de Moore: el número

de transistores en un chip

de un computador se

duplica cada año

(observado en 1965)

Desde 1975, la cantidad

de transistores se ha

duplicado cada dos años

Gordon Moore, 1929 -

Parámetros de la Tecnología Las tecnologías de implementación específicas de

compuertas están caracterizadas por los siguientes

parámetros: Fan-in – el número de entradas disponible en la compuerta

Fan-out – el número de cargas estándares capaz de manejar la

salida de una compuerta

Niveles Lógicos – los rangos de valores de la señal para el 1 y el 0

en las entradas y el 1 y el 0 en las salidas

Margen de Ruido – el voltaje de ruido externo máximo

sobreimpuesto en el valor de la entrada normal que no producirá un

cambio indeseado en la salida del circuito

Costo para una compuerta – una medida de la contribución de la

compuerta al costo del circuito integrado

Retardo de Propagación – el tiempo requerido por un cambio en el

valor de una señal para propagarse desde una entrada hacia una

salida

Disipación de Energía – la cantidad de energía obtenida de una

fuente de poder y consumida por la compuerta Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales

Fan-out

El Fan-out puede ser definido en términos de

cargas estándares

Ejemplo: 1 carga estándar es igual a la carga

impuesta por la entrada de un inversor

Tiempo de Transición (“Transition time”) – el tiempo

requerido por la salida de la compuerta para cambiar

de H a L, tHL, o de L a H, tLH

El máximo fan-out que puede ser manejado por una

compuerta es el número de cargas estándares que la

compuerta puede entregar sin exceder su tiempo de

transición máximo especificado


Costo En un Circuito Integrado:

El costo de una compuerta es proporcional al área

del chip ocupada por la compuerta

El área de la compuerta es, a grandes rasgos,

proporcional al número y tamaño de los transistores y

a la cantidad de alambrado que los conectan

Ignorando el área del alambrado, el área de la

compuerta es, a grandes rasgos, proporcional a la

cantidad de entradas de la compuerta

Por lo tanto, la cantidad de entradas es una medida

aproximada del costo de la compuerta

Si el área de diseño real del chip ocupada por la

compuerta es conocida, es una medida más precisa

del costo de la compuerta Semestre Primavera 2012 EL-4002 Sistemas Digitales

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