FAMILIAS DE DIFERENTES TIPOS DE INTEGRADOS

LINETH SHANID TORRES ORTIZ

11°A

INGENIERO QUEVIN BARRERA

MODALIDAD DE ELECTRÓNICA

INSTITUCIÓN EDUCATIVA BRAULIO GONZALEZ

YOPAL-CASANARE

2015

INTRODUCCIÓN

Un circuito integrado (CI) es un cristal semiconductor de silicio, llamado pastilla, que contiene componentes eléctricos tales como transistores, diodos, resistencias y

capacitores. Los componentes están interconectados dentro de la pastilla para formar un circuito electrónico.

En ingeniería electrónica, se puede referir a uno de dos conceptos relacionados: una familia lógica de dispositivos circuitos integrados digitales monolíticos, es un grupo de puertas lógicas (o compuertas) construidas usando uno de varios diseños

diferentes, usualmente con niveles lógicos compatibles y características de fuente de poder dentro de una familia. Muchas familias lógicas fueron producidas como componentes individuales, cada uno conteniendo una o algunas funciones básicas relacionadas, las cuales podrían ser utilizadas como “construcción de bloques” para crear sistemas o como por así llamarlo “pegamento” para interconectar circuitos

integrados más complejos.

FAMILIAS LOGICAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS

Una familia lógica es el conjunto de circuitos integrados (CI’s) los cuales pueden ser interconectados entre si sin ningún tipo de Interfase o aditamento, es decir, una salida de un CI puede conectarse directamente a la entrada de otro CI de una misma familia. Se dice entonces que son compatibles.

Las familias pueden clasificarse en bipolares y MOS. podemos mencionar algunos ejemplos. Familias bipolares: RTL, DTL, TTL, ECL, HTL, IIL. Familias MOS: PMOS, NMOS, CMOS. Las tecnologías TTL (lógica transistor- transistor) y CMOS (metal oxido-semiconductor complementario) son los más utilizadas en la fabricación de CI’s SSI (baja escala de integración) y MSI (media escala de integración).

CARACTERÍSTICAS GENERALES

NIVELES LÓGICOS

Para que un CI TTL opere adecuadamente, el fabricante especifica que una entrada baja varía de 0 a 0.8V y que una alta varía de 2 a 5V. La región que está comprendida entre 0.8 y 2V se le denomina región prohibida o de incertidumbre y cualquier entrada en este rango daría resultados impredecibles.

Los rangos de salidas esperados varían normalmente entre 0 y 0.4V para una salida

baja y de 2.4 a 5V para una salida alta.

La diferencia entre los niveles de entrada y salida (2-2.4V y 0.8-0.4V) es proporcionarle al dispositivo inmunidad al ruido que se define como la insensibilidad del circuito digital a señales eléctricas no deseadas.

Para los CI CMOS una entrada alta puede variar de 0 a 3V y una alta de 7 a 10V

(dependiendo del tipo de CI CMOS). Para las salidas los CI toman valores muy cercanos a los de VCC Y GND (Alrededor de los 0.05V de diferencia).

Este amplio margen entre los niveles de entrada y salida ofrece una inmunidad al

ruido mucho mayor que la de los CI TTL.

VELOCIDAD DE OPERACIÓN

Cuando se presenta un cambio de estado en la entrada de un dispositivo digital, debido a su circuitería interna, este se demora un cierto tiempo antes de dar u na respuesta a la salida. A este tiempo se le denomina retardo de propagación. Este

retardo puede ser distinto en la transición de alto a bajo (H-L) y de bajo a alto (L-H).

La familia TTL se caracteriza por su alta velocidad (bajo retardo de propagación) mientras que la familia CMOS es de baja velocidad, sin embargo la subfamilia de CI CMOS HC de alta velocidad reduce considerablemente los retardos de propagación.

FAN-OUT O ABANICO DE SALIDA

Al interconectar dos dispositivos TTL (un excitador que proporcio na la señal de entrada a una carga) fluye una corriente convencional entre ellos.

Cuando hay una salida baja en el excitador, este absorbe la corriente de la carga y cuando hay una salida alta en el excitador, la suministra. En este caso la corriente de absorción es mucho mayor a la corriente de suministro.

Estas corrientes determinan el fan-out que se puede definir como la cantidad de entradas que se pueden conectar a una sola salida, que para los CI’s TTL es de

aproximadamente de 10. Los CI’s CMOS poseen corrientes de absorción y de suministro muy similares y su fan-out es mucho más amplio que la de los CI’s TTL. Aproximadamente 50.

CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

Estos CI’s se caracterizan por su extremadamente bajo consumo de potencia, ya que se fabrican a partir de transistores MOSFET los cuales por su alta impedancia de entrada su consumo de potencia es mínimo.

Estos CI’s se pueden clasificar en tres subfamilias:

Familia Rango de tensión Consumo potencia Velocidad

estándar (4000) 3 – 15 V 10 mW 20 a 300 ns

serie 74C00 3 – 15 V 10 mW 20 a 300 ns

serie 74HC00 3 – 15 V 10 mW 8 a 12 ns

Tabla 3: Subfamilias CMOS

La serie 74HCT00 se utiliza para realizar interfaces entre TTL y la serie 74HC00.

DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS

Los dispositivos CMOS son muy susceptibles al daño por descargas electrostáticas entre un par de pines.

Estos daños pueden prevenirse:

Almacenando los CI CMOS en espumas conductoras especiales.

Usando soldadores alimentados por batería o conectando a tierra las puntas de los soldadores alimentados por ac.

Desconectando la alimentación cuando se vayan a quitar CI CMOS o se cambien conexiones en un circuito.

Asegurando que las señales de entrada no excedan las tensiones de la fuente de alimentación.

Desconectando las señales de entrada antes de las de alimentación.

No dejar entradas en estado flotante, es decir, conectarlos a la fuente o a tierra según se requiera.

Acrónimo de Complementary Metal Oxide Semiconductor (Semiconductor Complementario de Óxido Metálico). Utilizados por lo general para fabricar memoria RAM y aplicaciones de conmutación, estos dispositivos se caracterizan por una alta velocidad de acceso y un bajo consumo de electricidad. Pueden resultar dañados fácilmente por la electricidad estática. La lógica CMOS ha emprendido un crecimiento constante en el área MSI, mayormente a expensas de TTL, con la cual es de directa competencia. El proceso de fabricación del CMOS es más simple que TTL y tiene una densidad de empaque mayor, permitiendo por consiguiente más circuitería en un área dada y reduciendo el costo por función. CMOS usa sólo una fracción de la potencia que se necesita para la serie TTL de baja potencia (74L00) y es así apropiada idealmente para aplicaciones que usan potencia de batería o potencia con batería de respaldo. La velocidad de operación de CMOS no es comparable aún con las series TTL más rápidas, pero se espera mejorar en este respecto. La serie 4000A es la línea más usada de Circuitos Integrados digitales CMOS. Contiene algunas funciones disponibles en la serie TTL 7400 y está en expansión constante. Algunas características más importantes de esta familia lógica son: -La disipación de potencia de estado estático de los circuitos lógicos CMOS es muy baja. -Los niveles lógicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lógico y + VDD para 1 lógico. El suministro + VDD puede estar en el rango 3 V a 15 V para la serie 4000A, por lo que la

regulación de la fuente no es una consideración seria para CMOS. Cuando se usa CMOS con TTL, el voltaje de la fuente se hace 5 V, siendo los niveles de voltaje de las dos familias los mismos. -La velocidad de conmutación de la familia CMOS 4000A varía con el voltaje de la fuente. -Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algún nivel de voltaje, preferiblemente tierra o VDD. Entradas no usadas no pueden dejarse flotado (desconectadas), porque estas entradas serían susceptibles al ruido. Estas entradas no usadas pueden también ser conectadas a una de las entradas usadas, siempre y cuando no se exceda el fan-out de la fuente de señal. Esto es altamente improbable debido al alto fan-out del CMOS. Diferencias mas importantes:

1. Los voltajes de alimentación son de 5V para los circuitos TTL y de 3 V a 15 V para los circuitos CMOS.

2. En la fabricación de los circuitos integrados se usan transistores bipolares par el TTL y transistores MOSFET para La tecnología CMOS.

3. El circuito integrado CMOS es de menor consumo de energía pero de menor velocidad que los TTL.

CIRCUITOS INTEGRADOS TTL

Esta familia utiliza elementos que son comparables a los transistores bipolares diodos y resistores discretos, y es probablemente la mas utilizada. A raíz de las mejoras que se han realizado a los CI TTL, se han creado subfamilias las cuales podemos clasificarlas en:

TTL estándar.

TTL de baja potencia (L).

TTL Schottky de baja potencia (LS).

TTL Schottky (S).

TTL Schottky avanzada de baja potencia (ALS).

TTL Schottky avanzada (AS).

Como sus características de voltaje son las mismas (La familia lógica TTL trabaja normalmente a +5V), analizaremos sus velocidades y consumo de potencia.

Velocidad aproximada

Subfamilia TTL

1.5 ns Schottky avanzada

3 ns Schottky

4 ns Schottky avanzada de baja potencia

10 ns Schottky de baja potencia

10 ns estándar

33 ns baja potencia

Tabla 1: Velocidades de las distintas subfamilias TTL

Consumo de potencia por puerta

Subfamilia TTL

1 mW baja potencia

1 mW Schottky avanzada de baja potencia

2 mW Schottky de baja potencia

7 mW Schottky avanzada

10 mW estándar

20 mW Schottky

Tabla 2: Consumo de potencia de las subfamilias TTL

Observemos que las subfamilias Schottky de baja potencia como la Schottky avanzada de baja potencia reúnen excelentes características de alta velocidad y bajo consumo de potencia.

Debido a su configuración interna, las salidas de los dispositivos TTL NO pueden conectarse entre si a menos que estas salidas sean de colector abierto o de tres

estados.

Características Importantes TTL La familia TTL usa transistores del tipo bipolar por lo que está dentro de las familias lógicas bipolares. Las familias TTL estándar.- Texas Instruments (1964) introdujo la primera línea estándar de productos circuitales TTL. La serie 5400/7400 ha sido una de las familias lógicas de Circuitos Integrados más usadas. La diferencia entre las versiones 5400 y 7400 es que la primera es de uso militar, operable sobre rangos mayores de temperatura (de –55 a +125ºC) y suministro de alimentación (cuya variación en el suministro de voltaje va de 4,5 a 5,5 V). La serie 7400 opera sobre el rango de temperatura 0 – 70ºC y con una tensión de alimentación de 4,75 a 5,75 V. Ambas tienen un fan-out típico de 10, por lo que pueden manejar otras 10 entradas.

TTL de baja potencia, serie 74L00: Tienen menor consumo de energía, al costo de mayores retardos en propagación, esta serie es ideal para aplicaciones en las cuales la disipación de potencia es más crítica que la velocidad. Circuitos de baja frecuencia operados por batería tales como calculadoras son apropiados para la serie TTL. TTL de alta velocidad, serie 74H00: Poseen una velocidad de conmutación mucho más rápida con un retardo promedio de propagación de 6ns. Pero la velocidad aumentada se logra a expensas de una disipación mayor de potencia. TTL Schotty, serie 74S00: Tiene la mayor velocidad disponible en la línea TTL. Otras propiedades de los TTL son: -En cualquier Circuito Integrado TTL, todas las entradas son 1 a menos que estén conectadas con alguna señal lógica. -No todas las entradas en un Circuito Integrado TTL se usan en una aplicación particular. -Se presentan situaciones en que una entrada TTL debe mantenerse normalmente BAJA y luego hecha pasar a ALTA por la actuación de un suiche mecánico. -Las señales de entrada que manejan circuitos TTL deben tener transiciones relativamente rápidas para una operación confiable. Si los tiempos de subida o de caída son mayores que 1 µs, hay posibilidad de ocurrencia de oscilaciones en la salida.

FAMILIA TTL C-MOS

Alimentación + (voltios) +5 +3 a +15 FAN-OUT 10 50

Inmunidad al ruido (v) 0,4 1

Máx. Frecuencia (MHz) 35 10

CIRCUITOS LÓGICOS SSI, MSI Y LSI

El esfuerzo de la industria electrónica en la miniaturización de sus equipos se ha visto compensado ampliamente con el descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se ha conseguido construir miles de componentes dentro de la misma cápsula, cuyas dimensiones son similares a las de un simple -transistor. Pero la enorme reducción de volumen no ha sido la única ventaja por la que los circuitos integrados se han hecho indispensables en muchas industrias de vanguardia (militar, aeroespacial, medicina, etc.), sino que las que se reseñan a continuación tienen tanta o mayor importancia:

Reducción de coste: Pues aunque el proyecto y los utillajes necesarios para fabricar un Cl son mucho más costosos que los de un elemento clásico, como consecuencia del alto número de unidades que se hacen de cada tipo, el bajo

precio del material base y la automatización del proceso, se tiene que algunos modelos de Cl resultan de un precio inferior al de un solo transistor.

Aumento considerable de la fiabilidad: Un circuito integrado tiene una fiabilidad, en cuanto a funcionamiento y duración, mucho mayor que otro circuito similar implementado con componentes discretos, no sólo porque en este último caso la fiabilidad depende de cada uno de los componentes que lo forman, sino también debido a:

o El esmerado estudio que exige el proyecto de un circuitos integrados. o Las modernas técnicas de fabricación. o La reducción de longitud en las interconexiones. o La menor influencia de la temperatura sobre los diversos componentes,

por estar todos contenidos en una mínima superficie y afectarles por igual

o El encapsulado total de los componentes, que aumenta su protección. o La respuesta de un circuito integrado es mucho más rápida, pues el paso

de la corriente depende de las longitudes de las interconexiones, que son mínimas.

o Reducción importante de las capacidades parásitas que existen entre los componentes, a causa de su proximidad

o Reducción de tiempo en la localización de averías, puesto que el sistema que ha de usarse es el de la sustitución de los. circuitos integrados defectuosos, ya que es imposible su reparación.

o Esta característica lleva aparejada una formación más completa y teórica de técnicos electrónicos, así corno el uso de instrumental más complejo.

o Reducción de stocks para las reparaciones y montajes. o Eliminación de los posibles errores en el montaje e interconexión de

componentes. o Dado el bajo coste que en un circuitos integrados supone la fabricación

de transistores y diodos, éstos se pueden utilizar con gran profusión, mejorando las especificaciones técnicas de los circuitos.

También hay que tener en cuenta al emplear los circuitos integrados que existen ciertas limitaciones e inconvenientes, entre los que se citan:

o Los valores de las resistencias y condensadores integrados no pueden superar ciertos máximos y, además, con tolerancias importantes y coeficientes de temperatura pequeños; por este motivo, este tipo de componentes suelen quedar en el exterior del circuito integrado, aunque con las mejoras en los procesos de fabricación constantemente se están superando estas limitaciones.

o Dadas sus dimensiones, la potencia máxima que pueden disipar los circuitos integrados es reducida.

o Las grandes dificultades en la construcción de bobinas e inductancias en el circuitos integrados hacen que no sean integradas en la mayoría de los casos.

o No es conveniente, dado el bajo -rendimiento, integrar en el mismo chip los dos tipos de transistores: PNP y NPN.

o En países como España, en los que se fabrican pocos circuitos integrados, y están en la fase inicial de producción (la mayoría deben ser importados), es preciso escoger con cuidado los modelos con que se ha de trabajar, procurando que existan diferentes fuentes de suministro.

o La manipulación de circuitos integrados exige instrumental y herramientas adecuadas. Así, los soldadores especiales de punta fina, las pinzas extractoras, los desoldadores, los zócalos, las placas específicas de circuito impreso, osciloscopio de doble trazo, polímetro digital, generador de funciones y sondas lógicas, deben ser, entre otros, los nuevos elementos que han de incorporarse al taller electrónico.

La familia DTL

Con este tipo de familia se construyen, principalmente, las puertas NAND y NOR.

Recordemos que ambas son una combinación entre una puerta NOT y una puerta AND

o OR. La familia DTL se construye con una puerta de diodos y otra RTL.

(Diodo-Transistor-Logic)

Analicemos, en primer lugar, cómo se construye una puerta NOT o inversora. El

circuito transistor de la ilustración siguiente presenta un inversor para lógica positiva,

donde consideraremos un nivel bajo de 0,2 V. correspondiente a la tensión colector -

emisor del transistor utilizado y un nivel alto igual a la tensión de alimentación Vcc. Si

en la entrada hay un 0 lógico, es decir, su tensión es de 0,2 V, el transistor se

encontrará a corte, y en la salida tendremos un 1. Si por el contrario, la tensión e n la

variable de entrada es Vcc, el transistor pasará a saturación y en la salida tendremos

un 0 lógico.

Aquí el diseño básico está centralizado en torno a un transistor bipolar en cuya

entrada se han añadido varios diodos, como lo muestra el siguiente diagrama

esquemático:

FAMILIA LÓGICA HTL

HTL (High Treshold-Logic, Lógica de alto umbral) es una tecnología desarrollada a partir de la tecnología DTL (Diode-Transistor Logic, lógica diodo-transistor), pertenece a la familia de circuitos integrados bipolares.

DESCRIPCIÓN

Es una variante de la tecnología DTL llamada "Lógica de alto umbral" que incorpora diodos zener para crear un gran desplazamiento entre los estados de voltaje lógicos 1 y 0. Estos dispositivos operan con una fuente de tensión de 15 Voltios y los encontramos controles industriales en donde la intensión el minimizar los efectos del ruido.

Fan Out = 10

Potencia disipada = 55mW

Tiempo de propagación = 150nS

Vcc = 14-15 V

VoH max = 15V

VoH min = 8.5V

VoL max = 6.5V

VoL min = oV

La forma en la que trabaja este circuito es la siguiente: supóngase que todas las tres

entradas A, B y C están conectadas al nivel de voltaje alto (en este caso, Vcc), que

identificaremos aquí de la manera usual como un "1" lógico. Siendo así, habrá una

señal de entrada en la base del transistor que ocasionará que dicho transistor

conduzca corriente eléctrica, lo cual hará que la salida del transistor caiga

prácticamente al nivel de "0". Ahora bien, si cualquiera de las tres entradas A, B y C

recibe una señal de "0", o sea si cualquiera de los diodos a la entrada es "aterrizado" a

tierra eléctrica con una señal de "cero", el voltaje a la entrada de la base del transistor

será prácticamente de cero, con lo cual el transistor no conducirá corriente eléctrica

alguna y por lo tanto el voltaje de salida del mismo será igual a Vcc o a "1". Este

comportamiento lo podemos resumir de la manera siguiente: si cualquiera de las

entradas A, B ó C toma un valor de "0", la salida será "1". Únicamente cuando todas las

entradas tienen un valor de "0" podremos tener una salida de "0". Si recordamos bien

lo que vimos en los capítulos anteriores, esta es precisamente la función NAND, como

lo indica la función Booleana puesta a la derecha a la salida del colector del transistor.