FAMILIAS DE DIFERENTES TIPOS DE INTEGRADOS

GABRIEL ALEJANDRO BARRERA TORRES

ONCE A

INGENIEROQUEVIN BARRERA

MODALIDAD DE ELECTRONICA

INSTITUCION EDUCATIVA BRAULIO GONZALEZ

YOPAL-CASANARE

2015

¿CUÁLES SON LAS FAMILIAS FABRICANTES DE CIRCUITOS INTEGRADOS?

FAMILIAS LÓGICAS Una familias lógica, es un conjunto de CI s compatibles entre sí,

que se alimentan con el mismo voltaje, entienden los mismos niveles lógicos. Como

consecuencia, las salidas de las puertas pueden conectarse directamente a las entradas de

otras puertas de la misma familia sin problema alguno de adaptación o comunicación entre sí”.

Como se describe en este concepto una familia lógica va a estar determinada por el tipo de

componente con que está construido y la estructura básica con que se construyen las puertas

lógicas , así como sus valores (ya que si cambiamos estos valores, pasaremos a otra familia

diferente).

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.

Una familia lógica tiene una serie de características comunes además de la tensión de

trabajo y los niveles de entrada como son:

Velocidad de propagación. Es el tiempo que tarda en activarse una puerta lógica.

Frecuencia de propagación. Es la frecuencia máxima a la que es capaz de oscilar un

flip-flop de esa familia.

Potencia de disipación por puerta.

Fan-in: Es el numero máximo de puertas de la misma familia que se pueden conectar a la

entrada de una puerta lógica de la familia.

fan-out: Es el número máximo de puertas de la misma familia que se pueden conectar a

la salida de una puerta lógica de la familia.

 

TIPOS DE FAMILIAS LÓGICAS:Dependiendo del diseño y el montaje del sistema digital, el tipo de transistor u otro componente electrónico utilizado, se tienen dos tipos de familias lógicas, generalmente el tipo de componente utilizado en la construcción del circuito lleva el nombre de la tecnología utilizada, y cada familia está formada por subfamilias, entre estas tenemos:

Familias bipolares.- Emplean transistores bipolares (BJT), resistencias y diodos, es decir, dispositivos de unión. Las familias bipolares más representativas son las familias TTL y ECL.

Familias MOSFET.- Emplean transistores MOSFET, es decir, transistores de efecto campo. La familias MOS más representativas son las familias NMOS, PMOS y CMOS.

 Para hacernos una idea de las distintas familias lógicas y tecnologías empleadas nos valdremos del siguiente gráfico:

  TTL. Lógica Transistor-Transistor. RTL. Lógica Resistencia Transistor.  DTL. Lógica Diodo Transistor.  ECL. Lógica de Emisores aCoplados.

Familia Lógica TTL

Familia lógica TTL es la sigla en inglés de transistor-transistor lógica, es decir, "lógica transistor a transistor", esta fue la primera familia de éxito comercial, se utilizó entre 1965 y 1985. Los circuitos TTL utilizan transistores bipolares y algunas resistencias de polarización. La tensión nominal de alimentación de los circuitos TTL son 5 V DC. Están fabricadas a partir de BJT npn y resistencias, son las más antiguas en uso y aun a si siguen siendo populares en sistemas digitales que utilizan circuitos integrados a escala pequeña, media y gran escala de integración, a pesar de ser sustituidos por las familias lógicas CMOS y BICMOS en la mayor parte de las aplicaciones, TTL sigue construyendo un estándar de referencia de la electrónica digital.

Características. La familia lógica transistor-transistor ha sido una de las familias de CI más utilizadas. Los CI de la serie 74 estándar ofrecen una combinación de velocidad y disipación de potencia adecuada a muchas aplicaciones. Los CI de esta serie incluyen una amplia variedad de compuertas, flip-flops y multivibradores monoestables así como registros de corrimiento, contadores, decodificadores, memorias y circuitos aritméticos. La familia 74 cuenta con varias series de dispositivos lógicos TTL(74, 74LS, 74S, etc.). Estas series utilizan una fuente de alimentación (Vcc) con voltaje nominal de 5V. Funcionan de manera adecuada en temperaturas ambientales que van de 0° a 70°C.[2] - Estructura y funcionamiento.

Niveles Lógicos TTL

En el estudio de los circuitos lógicos, existen cuatro especificaciones lógicos diferentes: VIL, VIH, VOL y VOH.

En los circuitos TTL, VIL es la tensión de entrada válida para el rango 0 a 0.8 V que representa un nivel lógico 0 (BAJO). El rango de tensión VIH representa la tensiones válidas de un 1 lógico entre 2 y 5 V. El rango de valores 0.8 a 2 V determinan un funcionamiento no predecible, por la tanto estos valores no son permitidos. El rango de tensiones de salida VOL, VOH 

Figura 1. La familia TTL estándar es una familia saturan-te, porque la mayor parte de los transistores trabajan en corte y saturación, En la figura 1 se muestra una puerta inversora TTL estándar a +5V, dividida en tres partes:

Etapa de entrada: El transistor Q1 tiene por objeto producir la conmutación rápida de Q2.

Etapa Excitadora: La etapa extendida asocia al transistor Q2, tiene por objeto generar las dos señales complementarias necesarias para excitar el circuito de salida.

Etapa de salida TTL: La etapa de salida contiene los transistores Q3 y Q4 en conexión tipo tótem (tótem – pole). Esta etapa de salida requiere para ser excitada dos corrientes IB3 e IB4 producidas por la etapa excitadora mencionada anteriormente, las cuales tienen las características de estar una activa y la otra en inversa. La R4 tiene como función limitar la corriente de salida en caso de cortocircuito en la salida y en las transiciones.

FAMILIA RTL

Una familia de simples resistor-transistor circuitos integrados lógicos fue desarrollado enFairchild Semiconductor para el ordenador Orientación Apollo en 1962 - Texas Instruments pronto introdujo su propia familia de RTL. Una variante con condensadores integrado, RCTL se había aumentado la velocidad, pero menor inmunidad al ruido que RTL.

Fue la primera familia lógica en aparecer antes de la tecnología de integración. Pertenece a la categoría de familias lógicas bipolares, o que implican la existencia de dos tipos de portadores: electrones y huecos.

Este tipo de red, presenta el fenómeno denominado acaparamiento de corriente que se produce cuando varios transistores se acoplan directamente y sus características de entrada difieren ligeramente entre sí. En ese caso uno de ellos conducirá antes que los demás colocados en paralelo (acaparará la corriente), impidiendo el correcto funcionamiento del resto.

Familia lógica RTL

RTL son las iniciales de las palabras inglesas Resistor, Transistor, Logic. Es decir es una familia cuyas puertas se construyen con resistencias y transistores. Fue la primera familia lógica en aparecer antes de la tecnología de integración. Pertenece a la categoría de familias lógicas bipolares. El esquema básico de una puerta NOR es el siguiente:

Características de esta familia

- Puerta básica. NOR - Frecuencia de utilización típica 8MHz - Inmunidad al ruido BAJA - Potencia típica disipada 12 mW - Número de funciones realizables ALTO - Intervalo de temperatura de funcionamiento -55ºC a 125ºC ó 0ºC a 75ºC - Tensión de alimentación 3v - Cargabilidad de salida (fan-out) BAJA

Es posible mejorar el tiempo de propagación añadiendo un condensador en paralelo con cada una de las resistencias Rc, con lo que obtendríamos una nueva familia lógica, que se denominaría RCTL. Sin embargo, el elevado número de resistencias y condensadores dificulta la integración por lo que tanto esta técnica, como la RTL, no se utiliza en los modernos diseños aunque pueda aún encontrarse en equipos muy antiguos. La aparición de los circuitos DTL, con su mayor velocidad e inmunidad al ruido significó el fin de los circuitos RTL.

FAMILIA LOGICA DTL

Las siglas DTL vienen de las iniciales de las palabras inglesas Diode Transistor Logic. Es decir estamos tratando con una familia compuesta básicamente por diodos y transistores (sin olvidar a las resistencias). Los diodos se encargan de realizar la parte lógica y el transistor actúa como amplificador inversor. Esta separación de funciones nos permite empezar a estudiar esta familia viendo cómo se construye la lógica con los diodos.

En las DTL se observa que la impedancia de salida a nivel alto es tres veces mayor que en RTL. Si consideramos que una puerta DTL va a excitar a una serie de puertas de su misma familia conectadas a su salida, y que cada una de ellas tiene una capacidad parásita a masa, veremos que las capacidades de las puertas de carga aparecen en paralelo y de la que nos resultará una constante de tiempo de valor igual al producto del número de puertas por la capacidad parásita y por la resistencia de salida de la puerta que soporta la carga. De donde resultará, como principal consecuencia o característica, que nos disminuirá considerablemente la velocidad de conmutación en las transiciones de un nivel a otro.

Características de esta familia - Puerta básica. NAND - Frecuencia de utilización típica Entre 12MHz y 30MHz - Inmunidad al ruido BUENA - Potencia típica disipada 8mW a 12mW - Número de funciones realizables ALTO - Intervalo de temperatura de funcionamiento -55ºC a 125ºC ó 0ºC a 75ºC - Tensión de alimentación 5v - Cargabilidad de salida (fan-out) Limitada a 8 por el fabricante - la velocidad de conmutación, en el caso que estamos considerando viene fijada por: la velocidad de los dispositivos que la componen y Las constantes de tiempo de los circuitos.

Factor de cargaEsta limitado por el transistor a la salida, que este no puede exceder su corriente de colector un cierto valor máximo. El valor máximo dado por el fabricante es N= 8.

Inmunidad al ruidoEs afectada básicamente por las interferencias producidas por el ambiente exterior al circuito y a la alta impedancia que suelen ofrecer estas puertas. Para evitar esto último se crearon las puertas HTL, de funcionamiento análogo a las DTL, introduciendo un diodo zener en lugar del diodo convencional utilizado para las puertas DTL.Ventajas de las DTL-Buena flexibilidad lógica-Compatibilidad de niveles lógicos con TTL-Baja generación de ruidos-Buen fan-out-Disipación media de potencia 12 mW

Desventajas de las DTLRelativamente baja velocidad por su alta impedancia de salida a nivel alto entre 30 y 50 ns. Umbrales dependientes de la temperatura en mayor grado que en otras familias. Alta impedancia de salida a nivel alto y en consecuencia baja inmunidad al ruido.

FAMILIA ECL

Familia Lógica ECL (Lógica Emisor Acoplado)La primera familia lógica ECL para estar disponible en los circuitos integrados se introdujo por Motorola como MECL en 1962.La familia ECL, lo que quiere decir Lógica de Emisores Acoplados (emmiter-coupled logic) son unos circuitos integrados digitales los cuales usan transistores bipolares, pero a diferencia de los TTL en los ECL se evita la saturación de los transistores, esto da lugar a un incremento en la velocidad total de conmutación.

La familia ECL opera bajo el principio de la conmutación de corriente, por el cual una corriente de polarización fija menor que la corriente del colector de saturación es conmutada del colector de un transistor al otro. Este tipo de configuraciones se les conoce también como la lógica de modo de corriente.El circuito básico para los ECL es principalmente la configuración de amplificador diferencial. El funcionamiento de este amplificador es muy simple, se tiene una corriente fija IE que es producida por la fuente VEE, esta corriente que pasa a través de la resistencia de 1k_ permanece alrededor de 3 mA durante la operación normal de la compuerta. Ahora bien, depende del nivel de voltaje en la base de los transistores de entrada para definir que transistor debe conducir, esto significa que la corriente cambiará entre el colector de Q1 y Q2 y el de Q3. Los niveles lógicos para la familia ECL son los siguientes:

0 lógico -1.7 V

1 lógico -0.8 V

Compuesto por un amplificador diferencial y dos seguidores de emisor. Un nivel lógico “1” de entrada provoca la conducción de T1, pero a medida que T1 empieza a conducir provoca que T2 se vaya cortando, lo que provoca que T1 conduzca más. Este efecto provoca que la transición se produzca en un tiempo inferior, consiguiendo con ello menores tiempos de transición en la familia.

Características - Los transistores nunca se saturan, esto hace que la velocidad de conmutación sea muy alta.

- El tiempo común de retardo es de 2ns.

- Los márgenes de ruido en el peor de los casos son de 250 mV.

- La disipación de potencia de una compuerta es de 40 mW.

- Su voltaje de alimentación negativo y niveles lógicos, que no son compatibles con las demás familias y esto dificulta el uso de las ECL en conjunción con los circuitos TTL y MOS.

- El flujo de corriente total en el circuito ECL permanece constante, no importa su estado lógico.

FAMILIA IIL

Familia Lógica IIL o I2L (Lógica de Inyección Integrada)La lógica de inyección integrada utiliza transistores bipolares en una especie de arreglo actual de dirección para formar los circuitos integrados. IIL es un poco más fácil de construir en un circuito integrado, y así fue popular para los primeros circuitos VLSI.

La lógica de inyección integrada es una familia de circuitos digitales construidos con transistores de juntura bipolar de colector múltiple (BJT). Cuando se introdujo su velocidad era comparable a los TTL además de que casi eran de tan baja potencia como los CMOS, Volviéndose ideal para su uso en circuitos integrados VLSI. Aunque los niveles lógicos son muy cercanos entre sí (Alto: 0.7 V, Bajo: 0.2 V), I2L tenía una alta inmunidad al ruido debido a que operaba por corriente en vez de voltaje.

Operación

El corazón de un circuito I2L es el inversor de colector abierto y emisor común. Típicamente, un inversor consiste en un transistor NPN con el emisor conectado a tierra y la base alimentada por una corriente entrante. La entrada se suple por la base ya sea por una corriente aplicada (nivel

lógico bajo) o una condición de alta impedancia (alto nivel lógico). La salida de un inversor es el colector. Además, el colector puede ser un puente que podría ir a tierra (nivel lógico bajo) o una condición de alta impedancia (nivel lógico alto)

Para entender cómo opera el inversor, es necesario entender el flujo de corriente, Si la corriente que alimenta es desviada a tierra (nivel lógico bajo), el transistor se apaga y el colector se queda abierto (nivel lógico alto). Si la corriente aplicada no está desviada a tierra debido a que la entrada está en alta impedancia (nivel lógico alto), la corriente aplicada fluye a través del transistor al emisor, conmutando al transistor, y permitiendo entrar a la corriente por la salida del inversor (nivel lógico bajo), esto hace que la salida del inversor únicamente deje entrar la corriente o ponerse en alta impedancia pero no será una fuente de corriente. Esto vuelve seguro conectar las salidas de inversores múltiples juntos para formar una compuerta AND. Cuando las salidas de dos inversores están alambradas, el resultado es un compuerta NOR de dos entradas debido a que la configuración (NOT A) AND (NOT B) es equivalente a NOT (A OR B).

FAMILIA CMOS

Familia CMOS (Complementary MOS) Esta familia basa su operación en la utilización de los transistores NMOS y PMOS funcionando como interruptores, de tal forma que los transistores NMOS suministran el nivel bajo (ya que no se degrada con la tensión umbral) y los transistores PMOS suministran el nivel alto (ya que no se degrada con la tensión umbral).

Una puerta construida con la familia CMOS solamente estará formada por transistores.

En el caso de la familia CMOS, al igual que en la NMOS, se puede construir cualquier fórmula compleja. En el caso de los transistores NMOS, se construyen igual que en la familia NMOS, pero en los transistores PMOS es la función inversa. Es decir:

La conexión en paralelo forma una operación AND.

Mientras que la conexión en serie forma una operación OR.

Se tiene que verificar que ambas ramas (de transistores NMOS y PMOS) generan la misma función lógica. Este hecho implicara que el nodo de salida siempre estará conectado a un solo nivel lógico, es decir, al nodo de polarización (nivel alto) o al nodo de tierra (nivel bajo). En el caso de que no se cumpla dicha restricción, podemos encontrarnos en dos situaciones diferentes:

Que el nodo de salida esté conectado a la tensión de polarización y al nodo de tierra de forma simultánea. Esta situación no se debe permitir nunca, ya que el valor lógico de salida será indeterminado.

Que el nodo de salida no esté conectado a ningún nodo, ni a tensión de polarización nia tierra. Esta situación es problemática porque dejáramos la salida en alta impedanciay cualquier dispositivo parasito podría alterar el valor lógico.

Puertas lógicas CMOS utilizan medidas complementarias de N-canal y canal P transistor de efecto de campo. Dado que los dispositivos iniciales utilizadas puertas de metal óxido aisladas, se les llamaba CMOS. En contraste con TTL, CMOS utiliza casi ningún poder en el estado estático. Una puerta CMOS no consume corriente distinta fugas cuando en un constante estado de 1 ó 0. Cuando la puerta cambia los estados, la corriente se extrae de la fuente de alimentación para cargar la capacitancia en la salida de la puerta. Esto significa que el consumo de corriente de los dispositivos CMOS aumenta con la velocidad de conmutación.

La primera familia CMOS de circuitos integrados de lógica fue introducido por RCA como CD4000 COS/MOS, la serie 4000, en 1968, - Inicialmente lógica CMOS fue más lento que LS-TTL. Sin embargo, debido a que los umbrales de lógica CMOS eran proporcionales a la tensión de alimentación, dispositivos CMOS estaban bien adaptados a los sistemas que funcionan con baterías con fuentes de alimentación simples. Puertas CMOS también puede tolerar rangos de tensión mucho más amplias que las compuertas TTL porque los umbrales lógicos son proporcionales a la tensión de alimentación, y no a los niveles fijos requeridos por circuitos bipolares.

El área de silicio necesaria para la aplicación de dichas funciones CMOS digitales se ha reducido rápidamente. La incorporación de la tecnología VLSI millones de operaciones lógicas básicas en un solo chip, utiliza casi exclusivamente CMOS. El extremadamente pequeña capacitancia de los cables en el chip, causó un aumento del rendimiento en varios órdenes de magnitud. Velocidades de reloj en el chip de hasta 4 GHz se han convertido en común aproximadamente 1.000 veces más rápido que la tecnología en 1970.