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Familias Lógicas

Electrónica Digital

Electrónica Básica

José Ramón Sendra SendraDpto. de Ingeniería Electrónica y AutomáticaULPGC

2Familias lógicas

Basadas en transistores de efecto de campo

CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor

Basadas en transistores bipolares

TTL: Transistor-Transistor logic

ECL: Emiter-coupled logic

El diseño lógico de un circuito combinacional es independiente dela tecnología usada, sin embargo la realización física de este circuitosi debe tenerla en cuenta, por factores como:

-Márgenes de ruido -Entorno de trabajo del circuito-Fanout -Necesidad de:-Velocidad -Salidas en colector abierto-Consumo -Salidas Three-state

-Alimentación disponible

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Familias lógicas: CMOSInversor

Veamos la configuración básica de un inversor (circuito más simple)para analizar sus características

V =+5.0V

V V

DD

IN OUT

Transistor p-MOS cerrado cuando V -V < V -V

Transistor n-MOScerrado cuando V -0>V

IN

IN

DD

Gnd

ILmax

IHmin

DDV <VIN ILmax

G

G

S

D

D

S

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Familias lógicas: CMOS comportamiento eléctrico estático

Niveles lógicos y margen de ruido

Parámetros característicos

V :Es la tensión de salida mínima que se garantiza en nivel alto.

V :Es la mínima tensión de entrada que se garantiza será reconocida como nivel alto.

V :Es la tensión de salida máxima que se garantiza en nivel bajo.

V :Es la máxima tensión de entrada que se garantiza será reconocida como nivel bajo.

OHmin

IHmin

ILmax

OLmax

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Familias lógicas: CMOS

Los elementos lógicos abstractos procesan 0's y 1's.Los circuitos reales procesan señales eléctricas, en este casoniveles de tensión

Niveles lógicospara para puertasCMOS

VDD

VIHmin

VILmax

Gnd

Nivel alto, 1

Nivel bajo, 0

VOHmin

VOLmax

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Familias lógicas: CMOSInversor

V =+5.0VDD V =+5.0VDD

0V 5V

Abierto

AbiertoCerrado

Cerrado

VOH ~ 5V VOL~0V

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Los parámetros relacionados con los niveles lógicos nos dan información acerca de los niveles de ruido que será capaz de aceptar nuestra lógica sin que se corrompa la información.

Estos parámetros pueden venir dados como valores absolutoso como relativos a la alimentación.

Ejemplo: Serie HC atacando puertas CMOS

OHmin

IHmin ILmax

OLmaxV =4.9VV =3.5V V =1.5V

V =0.1V El margen de ruido será:

Niveles lógicos y margen de ruido

Nivel alto 4.9V-3.5V=1.4VNivel bajo 1.5V-0.1V=1.4V

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Comportamiento con cargas resistivas.

1.-En régimen estático cualquier carga es resistiva, por tanto este estudio es totalmente generalizable.

2.-Cualquier carga puede representarse por su equivalente de Thevenin

+

-

VDD

Gnd

VIN

VThev

RThev

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+

-

VDD

Gnd

5V

VThev

RThev

Ejemplo

RnON

RpOFF OUTV

OUTV =V

ThevR + RThev nON

· RnON

Si V >V no podremoscargar nuestro inversorcon ese circuito.

OUT OLmax

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+

-

VDD

Gnd

0V

VThev

RThev

Ejemplo 2

RnOFF

RpON OUTV

Si V <V no podremoscargar nuestro inversorcon ese circuito.

OUT OHmin

OUTV =-V Thev

R + RThev pON· R +Thev

VDD V Thev

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Desafortunadamente no conocemos las impedancias de los transistores, sólo conocemos los siguientes parámetros.

I Máxima corriente que la salida puede absorber en estado bajo manteniendo una tensión de salida inferior a V

I Máxima corriente que la salida puede generar en estado alto manteniendo una tensión de salida superior a V

OLmax

OHmax

OLmax

OHmin

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+

-

VDD

Gnd

0V

VThev

RThev

RnOFF

RpON OUTV

Ejemplo: R =1KΩΩΩΩ , V =3.5VThev Thev

Si consideramos R ≈≈≈≈0ΩΩΩΩ pON

I =OH

5-VThevRThev

=1.5mA

I debe ser < IOH OHmax

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+

-

VDD

Gnd

5V

VThev

RThev

RnON

RpOFF OUTV

Continuación del Ejemplo: R =1KΩΩΩΩ , V =3.5VThev Thev

Si consideramos R ≈≈≈≈0ΩΩΩΩ nON

I =OH

VThevRThev

=3.5mA

Si I < IOL OLmax

Si I < IOH OHmax

yla puerta funcionarácorrectamente con

esta carga

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Fanout

Definición: Es el número máximo de entradas con las que se puede cargar la salida de nuestra puerta lógica.

IImax Es la máxima corriente de entrada que se necesita en la puerta de los transistores que forman la puerta lógica.

Fanout=Min( , )IIOLmax OHmaxI I

Para puertas CMOS I = I

ILmax

ILmax

IHmax

IHmax

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Comportamiento con entradas no ideales

Si las entradas no son cercanasa las tensiones de alimentacióny tierra, los transistores no están ni completamente abiertos, ni totalmente cerrados, de forma que los transistores en ON presentan una resistencia mayor de la ideal y los transistores en OFF menor.

La potencia consumida es no nula, incluso sin carga y la salidano es la ideal

VDD

Gnd

VIN

RnVIN

Rp(VIN-VDD) OUTV =

RnVIN

RnVIN +Rp(VIN-VDD)·VDD

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Familias lógicas: CMOSPuertas NAND, NOR

A

A

A

A

B

B

B

B

NOR

NAND

SalidaSalida

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Familias lógicas: CMOSPuertas NAND, NOR

Entradas sin usar.

Ejemplo: Puerta AND de cuatro entradas, sólo tenemos tres literales.

ABC

F

F=A·B·C=1·A·B·C

1ABC

F

VDD

1KΩΩΩΩ

Nunca dejar una entrada sin conectar. (al aire)

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Familias lógicas: CMOS comportamiento eléctrico dinámico

Tiempo de transición: Es el tiempo que un circuito tarda encambiar de estado. Es debido a que un cambio de estado requierela carga de una serie de capacidades, entre las que cabe incluir:

-La puerta de los transistores a la salida-Las capacidades del cableado-Los circuitos de entrada, el encapsulado,etc....

Transición ideal Transición real

Nivel bajoNivel alto

t tr fLos tiempos tanto de subida como de bajada dependerán de la capacidad de cargaasí como de la resistencia en ON de los transistores y del cableado.

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VDD

Gnd

VIN

Rn

Rp

Análisis de los tiempos de transición

VL

+

-

RL

CL

Circuito equivalentede carga

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VDD

Gnd

VIN

Rn

Rp


VL

+

-

RL

CL

Circuito equivalentede carga

Carga de otra puertaCMOSR =∞ ,∞ ,∞ ,∞ ,V =0VL L

→→→→

VDD

Gnd

VIN

Rn

Rp

CL

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VDD

Gnd

VIN

Rn

Rp

CL

Tiempo de subida

V V eout DDt R CpON L= −

−• 1

Ejemplo numéricoDatos: V =1.5V

V =3.5VR =200ΩΩΩΩC =100pF

OLmax

OHminnON

( ) ( )( )t t t nsr V V= − = − − =−3 5 1 5

920 10 3 5 5 15 5 17. . • • ln . ln .

L

OUTV

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VDD

Gnd

VIN

Rn

Rp

CL

Tiempo de bajada

V V eout DDt R CnON L= −•

Ejemplo numéricoDatos: V =1.5V

V =3.5VR =100ΩΩΩΩC =100pF

OLmaxOHmin

nON

( ) ( )( )t t t nsf V V= − = − − =−1 5 3 5

910 10 3 5 5 15 5 8 5. . • • ln . / ln . .

L

OUTV

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Retardo de propagación

Se define como el tiempo que transcurre desde que seproduce un cambio en la señal de entrada hasta que éstese refleja en la salida

Se suele dar desde el punto medio del flanco de subida o bajada de forma que se eliminan en lo posible los tiemposde transición

En caso de que se cargue una puerta en exceso los tiemposde transición harán incrementar el retardo de propagación.

t Retardo de propagación cuando la salida pasa de nivel alto a nivel bajopHL

pLHt Retardo de propagación cuando la salida pasa de nivel bajo a nivel alto

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Retardo de propagación

tpHL

tpHL

tpLH

tpLH

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1.-Se consume potencia cuando hay paso de corriente desde alimentación a tierra cuando la tensión de entrada está lejos de la alimentación y la tierra, es decir en las transiciones.

P C V fT PD DD= • •2

Frecuencia de las transicionesTensión de

alimentaciónTiene magnitud de capacidad aunqueno lo es. Viene dadopor el fabricante

Esta fórmula deja de ser correcta cuando las transiciones son muy lentas. Los fabricantes dan un tiempo máximo para estasde forma que si se excede, el valor de C no es correctoPD

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2.-Se consume potencia cuando cargamos la carga capacitiva a la salida. Esta capacidad es debida a las conexiones y a la impedancia de carga.

P C V fL L DD= • •2

Frecuencia de las transicionesTensión de

alimentaciónCapacidad que cargala salida de la puertalógica.

( )P C C V fD PD L DD= + • •2

Potencia total

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VOUT

VIN

5.0

0.02.1 2.9 5.0

Familias lógicas: CMOSDispositivos con entrada Schmitt-Trigger

Función de Transferencia

Este tipo de dispositivos son más inmunes al ruido y son usadasordinariamente para señales en líneas de transmisión.

Símbolo de un inversorSchmitt-Trigger

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Dispositivos con salida Three-State

Puerta NOR

A

B

A B

Enable

EnableSalida

AB Z

Enable

Símbolo de una puerta NANDcon Enable

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Dispositivos con salida Three-State

Tabla de verdad

0 0 0 Z 0 0 1 Z 0 1 0 Z 0 1 1 Z 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0

Z significa Alta ImpedanciaPuerta NOR

Enable A B SalidaA

B

A B

Enable

EnableSalida

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Familias lógicas: CMOSSalidas en colector abierto

A

B

NAND

VDD

Gnd

VOUT

Tabla de verdad

A B Salida 0 0 Abierta 0 1 Abierta 1 0 Abierta 1 1 0

AB Z

Símbolo de una puerta NANDcon salida en colector abierto

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Familias lógicas: CMOSSalidas en colector abierto

A

B

NAND

VDD

Gnd

VOUT

Para el funcionamiento de estas puertas debe conectarse una resistencia de pull-up

El valor de la resistencia que pongamos va a fijar:

OHmaxI =(V -V )/R R ·C tpLH

pull-upDD OHmin

pull-up carga

Su valor máximo vendrá fijado por:OLmaxI =VDD/R pull-up

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Familias lógicas: TTLCaracterísticas diferenciadoras respecto a CMOS

Los transistores usados son bipolares, esto implica: corrientes de entrada mucho mayores consumo de potencia en estática

¿mayor velocidad?

Niveles lógicosindicativos parapuertas TTL

VDD

VIHmin (2.0V)

VILmax (0.8V)

Gnd

Nivel alto, 1VOHmin (2.7V)

VOLmax (0.5V)Nivel bajo, 0

Podemos apreciar en los niveles lógicos, que no son simétricos

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Compatibilidad entre CMOS y TTL

-Hay una diferencia apreciable entre los niveles lógicos de ambos tipos de dispositivos.

-Cuando cargamos una puerta CMOS con una TTL estamos exigiendo mayor corriente y por lo tanto los niveles lógicos de salida disminuyen

-Las características que ofrecen los fabricantes, tanto para IOLmax y IOHmax

como para VOLmax y VOHmin dependen del tipo de puerta con que estemos cargando.

Ejemplo: Familia HC con VDD=5.0VCarga CMOS Carga TTL

IOLmaxC 0.02 mAVOLmaxC 0.1 VIOHmaxC -0.02 mAVOHminC 4.9 V

IOLmaxT 4 mAVOLmaxT 0.33 VIOHmaxT -4 mAVOHminT 4.3 V

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Gnd

VDD

VIHmin (2.0V)

VILmax (0.8V)

Nivel alto, 1VOHmin (2.7V)

VOLmax (0.5V)Nivel bajo, 0

VDD

VIHmin(3.5V)

VILmax(1.5V)

Gnd

Nivel alto, 1

Nivel bajo, 0

VOHmin(4.3V)

VOLmax(0.33V)

TTL

CMOS

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Compatibilidad entre CMOS y TTLFamilias CMOS actuales

HC y HCT

Las siglas significan High-speed CMOS yHigh-speed CMOS TTL-compatible

AC y ACT

Son mucho más rápidas que las anteriores y eliminan el problema de la poca cantidad de corriente a la salida que eran capaces de suministrar HC y HCT sus siglas significan Advanced CMOS y Advanced CMOS TTL-compatible

La única diferencia de los dispositivos TTL compatibles con los que no lo son radica en los niveles lógicos a la entrada.

4000Son las primeras pero están en desuso, admiten gran rangode alimentaciones y son muy robustas pero muy lentas.

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Familias CMOS actuales

FCT y FCT-T

Salió a principios de esta década reduce el consumo de potencia y disminuye los retardos. Ambas son TTLcompatibles, la diferencia radica en que la segundareduce el nivel de salida a nivel alto (como las TTL),reduciendo así más el consumo de potencia.

ImportanteFCT, FCT-T

AC, ACT

HC, HCT

Prestaciones - Velocidad ↑ - Consumo ↓

Precio ↑

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Familias TTL actuales

S

LS

AS

ALS

F

Shottky TTL

Low-power Shottky TTL

Advanced Shottky TTL

Advanced Low-power Shottky TTL

Fast TTL

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Nivel alto

Nivel bajo

Salidas

VOHmin

OLmaxV

HC, HCT 3.98AC, ACT 3.94

LS, S , ALS, AS 2.7

LS, S , ALS, AS 0.5

AC, ACT 0.37HC, HCT 0.33

5.0VEntradas

VIHmin

ILmaxV

3.15 HC, AC

Margen de ruidoa nivel alto

2.0 LS, S, ALS, AS, HCT, ACT

0.8 LS, S, ALS, AS, HCT, ACT

Margen de ruidoa nivel bajo

1.35 HC, ACZona no válida

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Familias lógicas: ECL

Produce diferencias de tensión pequeñas, menores de 1 voltio, entre los niveles alto y bajo.

Sus niveles de alimentación son 0V y entre -4.5 y -5.2V

V -0.810IHmaxV -1.105IHmin

V -1.475ILmaxV -1.850ILmin -1.850 VOLmin

-1.630 VOLmax

-0.980 VOHmin

-0.810 VOHmax

Las potencias consumidas son altas >20mW por puerta

Los retardos y tiempos de transición son muy bajos ≈ 1ns

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Familias lógicas: GeneralidadesModelo de caja negra: Los parámetros descritos anteriormente van aser útiles para cualquier familia lógica, no necesitamos saber como está estructurado internamente un dispositivo sino cuales son sus parámetros de funcionamiento.

...

Entradas Salidas

Alimentación

Alimentación

VIHminVILmax

IIHmaxIILmax

VOHminVOLmax

tPLH

tPHL

IOLmax

IOHmax

Fanout

CINtyp

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