Familias de Circuitos Integrados

Lgicos

Introduccin

Casi la totalidad de los circuitos integrados lgicos que fabrican en la actualidad se clasifican en familias lgicas. Esta clasificacin atiende a la tcnica o medios utilizados para la construccin de los operadores lgicos: puertas, inversores, etc.

Todos los elementos pertenecientes a una misma familia son compatibles entre si, es decir que todos los operadores lgicos del mismo grupo funcionan con los mismos niveles lgicos, se alimentan con las mismas tensiones, etc., de tal manera que la salida de uno se puede activar la entrada de otro.

Tambin se puede decir que los operadores lgicos de una familia raramente son compatibles con los pertenecientes a otra, o bien compatibilizan ciertas caractersticas pero otras no.

Familias

Existen muchas familias lgicas entre las cuales:

TTL: Lgicas de transistores (Transistor-transistor logic)

CMOS: Semiconductor de oxido de metal complementario (Complementary metal-oxide semiconductor)

MOS: Semiconductor de xido de metal (Metal-oxide semiconductor)

I2L: Lgica de inyeccin integrada (Integrated-injection logic)

ECL: Lgica de acoplamiento de emisor (emitter-coupled logic)

Tabla de familias

Tecnologa Serie

Familia de circuitos lgicos

integrados con transistores

bipolares

TTL

TTL estndar

TTL de baja potencia

TTL shoottky

TTL shoottky de baja potencia

TTL shoottky avanzada

ECL

Familia de circuitos lgicos

integrados con transistores

MOSFET

CMOS

CMOS estndar

CMOS HC

CMOS HCT

NMOS

PMOS

BiCMOS Combina transistores bipolares con transistores MOSFET

Comentarios

La familia TTL tiene una lista extensa de funciones digitales y es comnmente la familia lgica ms popular.

La ECL se usa en sistemas que requieren operaciones de alta velocidad.

Los MOS e I2L se usan en circuitos que requieren alta densidad de componentes

La CMOS se usa para sistemas que requieren bajo consumo de energa.

Caractersticas especiales

Las caractersticas de las familias de CIs lgicos se comparan analizando el circuitos de la compuerta bsica de cada familia, los parmetros ms importantes que son evaluados y comparados son:

fan-out

disipacin de potencia

tiempo de propagacin

margen de ruido

Fan-out

Especifica el nmero de cargos normales que puede accionar la salida de la compuerta

La salida de la compuerta suministra una cantidad limitada de corriente por encima de la cual no opera

correctamente y en este caso se dice que est

sobrecargada.

Es el nmero mximo de entradas que pueden conectarse a la salida de la compuerta y se expresa con

un nmero.

Disipacin de potencia

Es la potencia suministrada necesaria para operar la compuerta. Este parmetro se expresa en milivatios (mW) y representa la potencia real designada por la compuerta.

Un CI con cuatro compuertas exigir de la fuente cuatro veces la potencia disipada por cada compuerta. En un sistema dado puede haber muchos circuitos integrados y sus potencias deben tenerse en cuenta. El poder total disipado en un sistemas es la suma total del poder disipado de todos los CIs.

Retardo de Propagacin

Es el tiempo promedio de demora en la transicin depropagacin de una seal de la entrada a la salida,

cuando las seales binarias cambian de valor. Se

expresa en nanosegundos (ns).

Las seales que viajan de las entradas de un circuitodigital a las salidas pasan por una serie de compuertas.

La suma de las demoras de propagacin a travs de las

compuertas es la demora total de la propagacin del

circuito.

Margen de ruido

Es el mximo voltaje de ruido agregado a la seal de entrada de un circuito digital que no cause un cambio indeseable, a la salida del circuito. Se expresa en voltios (V).

Hay dos tipos de ruido que deben de considerarse: Ruido DC, causado por la desviacin en los niveles de

voltaje de la seal.

Ruido AC, es el pulso aleatorio que puede ser creado por otras seales conmutadas.

De esta forma el ruido es el termino usado para denotar una seal indeseable sobrepuesta a una seal de operacin normal

Familia TTL

Introduccin

En 1964, Texas Instruments, introdujo la lgica transistor-transistor (TTL), una familia de

dispositivos ampliamente usada, por su rapidez,

costo y facilidad de uso.

El circuito bsico de la familia TTL es la compuerta NAND

La familia TTL se identifica por su numeracin en dos series, la serie 74 y la 54, siendo la

primera de uso comercial y la segunda de uso

militar.

Versiones de la familia TTL

Debido al balance entre velocidad y potencia, la familia TTL existe en cinco series distintas, la serie ms popular

es la LS por el balance entre rapidez y consumo.

Serie Tipo de transistor Retardo de

propagacin (ns)

Disipacin de

potencia (mW)

54LS/74LS Schottky, baja

potencia

9.5 2

54L/74L Comn, baja

potencia

33 1

54S/74S Schottky, potencia

normal

3 19

54/74 Comn, potencia

normal

10 10

54H/74H Comn, alta

potencia

6 22

Compuerta NAND en tecnologa

TTL estndar (N)

Entradas sin conectar :Una entrada sin conectar en los TTL acta como un nivel lgico 1.Esta caracterstica se emplea con frecuencia cuando uno prueba un circuito TTL.Uno puede dejar sin conectar ciertas entradas en lugar de conectarlas al nivel lgico H. De desde un puntode vista Lgico es correcto pero no es recomendable en la practica, sobre todo en diseo puesto que unaentrada no conectada puede captar seales de ruido que pueden afectar de manera adversa elfuncionamiento del dispositivo.Una entrada TTL no conectada o flotante tiene un nivel de continua entre 1.4 y 1.8v cuando uno lo mide conel multimetro. Ese se encuentre en la regin de indeterminacin del TTL, pero produce la misma respuestaque un 1 lgico.

Caractersticas de la familia TTL

Fan-out:

En el caso de TTL que una compuerta podr accionar en su salida otras compuertas de la misma serie, la

capacidad de salida ser de 10 para la serie comn y

de alta potencia, y de 20 para la serie de baja

potencia.

Cuando hay conexin entre TTL y otras familias lgicas, ser necesario ir a la literatura del fabricante

para determinar la necesidad de la corriente de

entrada y la disponibilidad de la corriente de salida y

asegurarse de que no hay sobrecarga para la salida

de la compuerta.

Niveles de voltaje Los siguientes son las definiciones de niveles de

voltaje que define el fabricante como mnimos y mximos para los niveles altos y bajos de una compuerta

VOH: Voltaje de salida mnimo que una compuerta entrega cuando su salida est en el nivel alto.

VOL: Voltaje de salida mximo que una compuerta entrega cuando su salida est en el nivel bajo.

VIH: Voltaje mnimo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel alto.

VIL: Voltaje mximo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel bajo.

Caractersticas de la familia TTL

Niveles de voltaje en TTL

Salida

altaEntrada

alta

Ent. bajaEntrada

baja

V salida V entrada

VOH = 2.4

V

VOL = 0.4 V

VIH = 2.0 V

VIL = 0.8 V

0.2 V

1

0

Caractersticas de la familia

TTL Margen de ruido

0 y 1, son los mrgenes de ruido para el nivel bajo y alto respectivamente, este margen se establece para prevenir

respuestas falsas que podran ser causada por el ruido

introducido en el sistema.

Entradas sin conectar en TTL

Una entrada sin conectar en los TTL acta como un nivel lgico 1. Esta caracterstica se emplea con frecuencia cuando uno prueba un

circuito TTL.

Uno puede dejar sin conectar ciertas entradas en lugar de conectarlas alnivel lgico H. De desde un punto de vista Lgico es correcto pero no esrecomendable en la practica, sobre todo en diseo puesto que una

entrada no conectada puede captar seales de ruido que pueden afectar

de manera adversa el funcionamiento del dispositivo.

Una entrada TTL no conectada o flotante tiene un nivel de continua entre1.4 y 1.8v cuando uno lo mide con el multimetro. Ese se encuentre en la

regin de indeterminacin del TTL, pero produce la misma respuesta que

un 1 lgico.

Consideraciones prcticas para

trabajar con circuitos TTL

Las seales de entrada nunca deben de ser mayores a la tensin de alimentacin ni inferiores al nivel de tierra.

Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel alto, conectarla a Vcc (tensin de alimentacin)

Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel bajo, conectarla a tierra

Si hay entradas no utilizadas, en compuertas NAND, OR, AND, no se dejan sin conectar.

Es mejor que las salidas no utilizadas de las compuertas estn a nivel alto pues as consumen menos corriente

Consideraciones prcticas para

trabajar con circuitos TTL

Evitar los cables largos dentro de los circuitos Utilizar por lo menos un condensador de desacople (0.01

uF a 0.1 uF) por cada 5 o 10 paquetes de compuertas

uno por cada 2 a 5 contadores y registros uno por cada flip flop. Estos condensadores de desacople eliminan los picos de

voltaje de la fuente de alimentacin que aparecen cuandohay un cambio de estado en una salida TTL / LS. (de Alto abajo y viceversa)

Estos condensadores deben tener terminales lo ms cortosposible y conectarse entre Vcc y tierra, lo mas cercaposible al circuito integrado.

Familia CMOS

Introduccin

Las primeras series CMOS fueron la serie 4000, que fue

introducida por RCA y la serie14000 por Motorola.

La serie 4000A es la lnea ms usada de Circuitos Integrados

digitales CMOS, contiene algunas funciones disponibles en la

serie TTL 7400 y est en expansin constante.

Caracteristicas de los CMOS

La disipacin de potencia de estado esttico de los circuitos lgicos CMOS es muy baja.

Los niveles lgicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lgico y VDD para 1 lgico.

El suministro VDD puede estar en el rango 3 V a 15 V para laserie 4000. La velocidad de conmutacin de la familia CMOS

4000A vara con el voltaje de la fuente.(consultar el

apartado de los niveles de voltaje).

Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algn nivel de voltaje.

Comparativo entre familias

logicas

PARAMETRO TTL

estndar

TTL

74L

TTL Schottky de

baja potencia (LS)

Fairchild 4000B

CMOS (con

Vcc=5V)

Fairchild 4000B

CMOS (con

Vcc=10V)

Tiempo de

propagacin

de puerta

10 ns 33 ns 5 ns 40 ns 20 ns

Frecuencia mxima de

funcionamiento

35 MHz 3 MHz 45 MHz 8 MHz 16 MHz

Potencia disipada por

puerta

10 mW 1 mW 2 mW 10 nW 10 nW

Margen de ruido

admisible

1V 1V 0'8 V 2V 4V

Fan out 10 10 20 50(*) 50(*)

Cuadro comparativo entre familias lgicas.

((*) o lo que permita el tiempo de propagacin admisible)

Compuerta NAND en tecnologa

CMOS estndar

En este caso a diferencia del TTL, si se deja una entrada sin conectar, los resultados pueden ser desastrosos para el

componente.

Las entradas CMOS nunca deben dejarse desconectadas, ya que son muy sensibles a la electricidad

esttica y al ruido, los cuales pueden fcilmente activar los canales MOSFET P y N en el estado conductor, produciendo

una mayor disipacin de potencia y posible

sobrecalentamiento. Tienen que estar conectadas a un nivel

fijo de voltaje alto o bajo (0 V o VDD) o bien a otra entrada.

Esta regla se aplica an a las entradas de otras compuertas

lgicas que no se utilizan en el mismo encapsulado.

Entradas sin conectar en TTLEntradas sin conectar en

CMOS

FAN OUT:

Los CMOS tienen una resistencia de entrada extremadamentegrande que casi no consume corriente de la fuente de seales,

cada entrada CMOS representa comnmente una carga a tierra de

5 pF. Debido a esta capacidad se limita el nmero de entradas

CMOS que se pueden manejar con una sola salida CMOS.

As pues, el factor de carga de CMOS depende del mximo retardopermisible en la propagacin. Comnmente este factor de carga es

de 50 para bajas frecuencias (

Diferencias entre las familias

CMOS y TTL

Las diferencias ms importantes entre ambas familias son:

a) En la fabricacin de los circuitos integrados se usan

transistores bipolares par el TTL y transistores

MOSFET para la tecnologa CMOS

b) Los CMOS requieren de mucho menos espacio (rea en el

CI) debido a lo compacto de los

transistores MOSFET. Adems debido a su alta densidad de

integracin, los CMOS estn superando a

los CI bipolares en el rea de integracin a gran escala, en LSI -

memorias grandes, CI de calculadora,

microprocesadores-, as como VLSI.

.

Los circuitos integrados CMOS es de menor consumo de potencia que los TTL.

Los CMOS son ms lentos en cuanto a velocidad de operacin

que los TTL.

Los CMOS tienen una mayor inmunidad al ruido que los TTL.

Los CMOS presenta un mayor intervalo de voltaje y un factor de

carga ms elevado que los TTL.

En resumen podemos decir que:

TTL: diseada para una alta velocidad.

CMOS: diseada para un bajo consumo

Links y bibliografa de ayuda

http://www.kpsec.freeuk.com/components/74series.htm

http://www.ti.com