prÁctica 1

UNEFA-GUACARA

LAB. SISTEMAS DIGITALES PROF: ING. GLORIA BOTINA / PROF: ING. JAIR BARRERA

PRACTICA 1 Página 1

PRÁCTICA No.1

MANEJO DE CIRCUITOS INTEGRADOS

OBJETIVO: Consideraciones prácticas de los circuitos integrados: Familias, características,

manejo de manuales, especificaciones del fabricante. Manejo de programa (software) de

aplicación para simulación de circuitos digitales.

BASES TEÓRICAS

Existen dos tipos de familias de circuitos integrados que se utilizan ampliamente, las

familias TTL y CMOS.

TTL: El término TTL corresponde a la lógica transistor-transistor (transistor-transistor logic), la cual

se refiere a la utilización del transistor de unión bipolar dentro de la tecnología de circuitos usada

para construir las puertas a nivel de chip.

Dentro de la tecnología TTL se pueden distinguir diferentes series de circuitos lógicos: TTL

estándar, TTL de baja potencia, TTL Schottky, TTL Schottky de baja potencia, TTL Schottky

avanzada de baja potencia, y TTL Schottky avanzada. Las diferencias entre estos distintos tipos

de TTL están en sus características de funcionamiento, tales como tiempos de retardo de

propagación, disipación de potencia, etc. La siguiente tabla muestra las diferentes familias TTL.

Serie TTL Prefijo Ejemplo de dispositivo

TTL estándar 54 ó 74 (sin letra) 7400 (cuádruple puerta NAND)

TTL de baja potencia 54L ó 74L 74L00 (cuádruple puerta NAND)

TTL Schottky 54S ó 74S 74S00 (cuádruple puerta NAND)

TTL Schottky de baja potencia 54LS ó 74LS 74LS00 (cuádruple puerta NAND)

TTL Schottky de baja potencia avanzada

54ALS ó 74ALS 74ALS00 (cuádruple puerta NAND)

TTL Schottky avanzada 54AS ó 74AS 74AS00 (cuádruple puerta NAND)

Tabla 1. Familias TTL

La familia TTL utiliza un prefijo numérico, 54 ó 74, seguido de una o varias letras

que especifica la serie. El prefijo 54 indica un rango de temperatura de operación de -55°C a

125°C (generalmente para uso militar). El prefijo 74 indica un rango de temperatura de 0°C a 70

°C (para uso comercial). El término cuádruple (quad) utilizado en la tabla indica cuatro puertas

por encapsulado.

TTL estándar: El circuito funciona con una alimentación única de + 5V, ± 5 % y es compatible con

todos los circuitos de otras subfamilias TTL, así como también con la familia lógica DTL. Tiene un

retraso típico de 10 ns, temperatura de trabajo de 0ºC a 70ºC, fan-out de 10, margen de ruido en

estado 0 y en 1 de 400 mV, una potencia de disipación de 10 mW or puerta y una frecuencia

maxima para los flip-flop de 35 MHz. Corresponde a la serie SN 54174 de Texas, conocida y

utilizada mundialmente.

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CMOS: El término CMOS quiere decir Complementary Metal-Oxide Semiconductor

(Semiconductor metal-óxido complementario). A diferencia de la tecnología TTL, que usa

transistores bipolares en sus circuitos, CMOS emplea los transistores de efecto de campo o FET.

Sin embargo, las funciones lógicas son las mismas independientemente de que el dispositivo se

implemente con tecnología TTL o CMOS. La tecnología del circuito marca una diferencia, no en la

función lógica, sino en las características de funcionamiento.

Existen varias series de circuitos CMOS pero, básicamente, se clasifican en dos categorías:

metal-gate CMOS (CMOS puerta de metal) y silicon-gate CMOS (CMOS puerta de silicio). La

siguiente tabla muestra las diferentes familias CMOS.

Series CMOS Prefijo Ejemplo de CI

CMOS compuerta de metal 40 o 140 4001 o 14001 (compuertas NOR quad) CMOS compuerta de metal 74C 74C02 (compuertas NOR quad) compatible con TTL Silicio-compuerta, compatible 74HC 74HC02 (compuertas NOR quad) en terminales con TTL, alta velocidad Compuerta de silicio, alta 74HCT 74HCT02 (compuertas NOR quad) velocidad, compatible eléctricamente con TTL

Tabla 2. Familias CMOS

La más antigua es la tecnología puerta de metal y corresponde a la serie 4000. La más

reciente es la tecnología de puerta de silicio, y está formada por las series 74C, 74HC y 74HCT.

Todos los dispositivos CMOS de la serie 74 son compatibles con la serie TTL en cuanto a patillaje

y funciones. Es decir, un CI TTL y un CI CMOS con la misma referencia tienen definidos iguales

los pines de entrada, salida, alimentación y masa, así como las mismas puertas lógicas. Además,

la serie 74HCT es compatible en cuanto a niveles de tensión con la serie TTL, y no requiere

ninguna interfaz especial, como sucede con las series 74C y 74HC. Las diferencias de algunas

series 74 se encuentran en las características de funcionamiento.

CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO

Las cuatro características más importantes en el funcionamiento de los circuitos lógicos

son: el tiempo de propagación, la disipación de potencia, el fan-out y el producto velocidad-

potencia.

Tiempo de retardo de propagación. El tiempo de retardo de propagación limita la velocidad de

conmutación (frecuencia) a la que los circuitos lógicos pueden operar. Cuando se aplican a los

circuitos lógicos, los términos baja velocidad y alta velocidad se refieren a los tiempos de

propagación; cuanto menor sea el tiempo de propagación, mayor será la velocidad del circuito.

El tiempo de retardo de propagación de una puerta es, básicamente, el intervalo de tiempo

entre la aplicación de un impulso de entrada y la ocurrencia del impulso de salida resultante.

Existen dos tipos de tiempo de retardo de propagación asociados a una puerta lógica:

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1.- PHLt : es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y

el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel

alto (H) al nivel bajo (L).

2.- PLHt : es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y

el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel

bajo (L) al nivel alto (H).

Disipación de potencia. La disipación de potencia de una puerta lógica es igual a la tensión de

alimentación continua, Vcc, por la corriente media de alimentación Icc. Normalmente, el valor de

Icc para una salida a nivel bajo es mayor que para una salida a nivel alto. Usualmente, las hojas

de características del fabricante especifican estos valores como ICCL y ICCH. El valor medio Icc

se determina basándose en un ciclo de trabajo del 50% de la puerta (a nivel bajo, L, la mitad del

tiempo, y a nivel alto, H, la otra mitad).

Fan-out. El fan-out de una puerta es el máximo número de entradas de la familia de CI de la

misma serie que la puerta puede excitar manteniendo a la vez los niveles de salida dentro de los

límites especificados. Es decir, el fan-out especifica la carga máxima que una puerta dada es

capaz de soportar. Por ejemplo, una puerta estándar TTL tiene un fan-out de 10 cargas unidad.

Esto significa que no puede excitar más de 10 entradas de otra puerta estándar TTL para operar

con confiabilidad. Si se excede el fan-out, la operación especificada no se garantiza. La siguiente

figura muestra una puerta que excita a otras 10 puertas.

Figura 1. La salida de una puerta NAND TTL estándar admite como

carga máxima la entrada de 10 puertas TTL estándar.

Producto velocidad-potencia. Algunas veces, el fabricante especifica el producto velocidad-potencia, como una medida del funcionamiento de un circuito lógico. Es el producto del tiempo de retardo de propagación por la potencia disipada para una frecuencia especificada. El menor producto velocidad-potencia proporciona el mejor funcionamiento. Este producto se expresa en unidades de energía (julios), y se simboliza con la letra J.

ALIMENTACIÓN Y TIERRA.

Para utilizar CI digitales es necesario realizar las conexiones apropiadas en las terminales del circuito. Las más importantes son la alimentación de cd y la tierra. Estas conexiones son necesarias para que los circuitos del encapsulado funcionen de manera correcta. La terminal a la

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que se conecta el voltaje de alimentación está marcada como Vcc para circuitos TTL y como VDD para circuitos CMOS. Muchos de los nuevos circuitos integrados CMOS que se han diseñado para que sean compatibles con los CI TTL, también emplean Vcc para designar la terminal de alimentación.

RANGOS DE VOLTAJE PARA LOS NIVELES LÓGICOS,

En dispositivos TTL, Vcc nominalmente es de + 5 V. En los circuitos integrados CMOS, VDD puede variar desde + 3 hasta + 18 V, aunque + 5 V es el voltaje más utilizado cuando se emplean circuitos integrados CMOS y TTL en el mismo circuito.

En los dispositivos estándar TTL, los rangos de voltaje aceptables para los niveles lógicos 0 y 1 son los que se indican en la figura 2.

Figura 2. Rango de voltajes para niveles lógicos TTL.

Un valor lógico 0 es cualquier voltaje desde 0 hasta 0.8 V; un valor lógico 1 es cualquier voltaje entre 2 y hasta 5 V. Se dice que los voltajes que no se encuentran en esos rangos son indeterminados y no deben emplearse como entradas a ningún dispositivo TTL. Los fabricantes de CI no pueden garantizar la forma en que responderá un circuito TTL cuando los niveles de las entradas se encuentren en el rango indeterminado (0.8 a 2.0 V).

En la figura 3 se muestran los niveles lógicos para circuitos CMOS que operan con VDD = + 5 V. Los voltajes entre 0 y 1.5 V se definen como el nivel lógico 0, mientras que los que se encuentran entre 3.5 y 5 V se definen como el nivel lógico 1. El rango indeterminado incluye los voltajes desde 1.5 hasta 3.5 V.

Figura 2. Rango de voltajes para niveles lógicos CMOS.

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Explicación de los parámetros de una hoja de características

La lista siguiente describe los parámetros de la hoja de características de la Figura 3.

1. Vcc: la fuente de tensión continua que alimenta al dispositivo. Por debajo del valor mínimo especificado, no se puede garantizar la fiabilidad de las operaciones. Por encima del máximo especificado, el dispositivo puede dañarse.

2. IOH: la corriente de salida que la puerta proporciona a la carga (fuente) cuando la salida está a nivel alto. Por convenio, a la corriente que sale de un terminal se le asigna un valor negativo. La Figura 3 (a) ilustra este parámetro.

3.IOL: la corriente de salida que la puerta acepta de la carga (sumidero) cuando la salida está a nivel bajo. Por convenio, a la corriente que entra en un terminal se le asigna un valor positivo. La Figura 3(b) ilustra este parámetro.

4. VIH: valor de la tensión de entrada que la puerta puede aceptar como nivel alto.

5. VIL: valor de la tensión de entrada que la puerta puede aceptar como nivel bajo.

6. VOH: valor del nivel alto (H) de tensión que la puerta genera en su salida.

7. VOL: valor del nivel bajo (L) de tensión que la puerta genera en su salida.

8. IIH: valor de la corriente de entrada de la puerta para un nivel de tensión de entrada alto. La Figura 3(c) ilustra este parámetro.

9. IIL: valor de la corriente de entrada de una puerta para un nivel de tensión de entrada bajo. La Figura 3(d) ilustra este parámetro.

10. IOS: la corriente de salida cuando la salida de la puerta está cortocircuitada a masa y en las condiciones de entrada que se establecerían normalmente para obtener una salida a nivel alto. La Figura 3(e) ilustra este parámetro.

11. ICCH: la corriente total procedente de la alimentación Vcc cuando la salida de la puerta está a nivel alto.

12. ICCL: la corriente total procedente de la alimentación Vcc cuando la salida de la puerta está a nivel bajo.

13. tPLH: tiempo de retardo de propagación de la entrada a la salida para una transición de salida de nivel bajo (L) a nivel alto (H).

14. tPHL: tiempo de retardo de propagación de la entrada a la salida para una transición de salida de nivel alto (H) a nivel bajo (L).

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Figura 3. Hoja de características del 5400/7400, cuádruple puerta NAND de 2 entradas

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SIMULACION DE CIRCUITOS DIGITALES

Para cada uno de los siguientes ejercicios hacer su respectivo montaje en el simulador de circuitos

digitales y completar la tabla de la verdad.

1.- Comprobar el funcionamiento de una compuerta AND y una compuerta OR.

A B C

2.- Realizar el circuito lógico y el montaje para la siguiente expresión )( DCBCAX ⋅+⋅=

A B C

ENTRADAS SALIDAS A B C D X

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3.- A partir del siguiente circuito lógico realizar su montaje y su expresión booleana.

ENTRADAS SALIDAS A B C D X

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