tecnologías de los circuitos integrados digitales: familias lógicas

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Tecnologías de los circuitos integrados 1Electrónica Digital I

Universidad

Rey Juan Carlos

Ingeniería de Telecomunicación

Electrónica Digital IElectrónica Digital I

Susana Borromeo López

Tecnologías de los circuitos integrados Tecnologías de los circuitos integrados digitales: familias lógicasdigitales: familias lógicas

Ingeniería de Telecomunicación


1. Introducción2. Familias lógicas3. Características reales de las familias lógicas

3.1.Tensiones de alimentación. 3.2. Niveles lógicos.3.2. Inmunidad al ruido y margen de ruido.3.3. Respuesta temporal y retardos de propagación.3.4. Interconexiones: fan-out y fan-in.3.5. Potencia consumida y temperatura de trabajo.3.6 Tipos de salidas

4. Familia CMOS5. Familia TTL6. Compatibilidad CMOS-TTL

ContenidoContenido

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Circuito integrado (CI)Aquel en que todos sus componentes e interconexiones están fabricados sobre un soporte físico semiconductor, formando un único bloque de pequeño tamaño (CHIP).

1er CI (6 transistores)1958. Kilby

1er µP (2300 trts.)1971

Obleas (desde 2000 son ∅ =30cm) y “dados”

Intel Pentium 4 (40·106 trts.)

2000

IntroducciónIntroducción


Ley de MooreLa complejidad de los CI, el nº de transistores, se duplica cada 18 meses. Formulada por Gordon Moore en 1965 (Electronics Magazine)

IntroducciónIntroducción

Año Transistores

4004 1971 2.250 8008 1972 2.500 8080 1974 5.000 8086 1978 29.000

286 1982 120.000 Intel386™ processor 1985 275.000Intel486™ processor 1989 1.180.000

Intel® Pentium® processor 1993 3.100,000Intel® Pentium® II processor Intel® 1997 7.500,000Pentium® III processor 1999 24.000.000 Intel® Pentium® 4 processor 2000 42.000.000Intel® Itanium® processor 2002 220.000.000 Intel® Itanium® 2 processor 2003 410.000.000

Fuente: INTEL® (www.intel.com)

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Introducción: Tipos de encapsuladosIntroducción: Tipos de encapsuladosM

onta

je s

uper

ficia

l

Inserción


Los CIs aparecerán encapsulados en dos formas:

- De inserción

- De montaje superficial SMD (Surface MountedDevice)

Introducción: Tipos de encapsuladosIntroducción: Tipos de encapsulados

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Nivel de integración Nº de

transistoresNº de

puertas Fecha aproximada

SSI ( Short Scale of Integration) 10 a 100 1 a 10 1960

MSI ( Medium Scale of Integration) 100 a 1000 10 a 100 1965

LSI ( Large Scale of Integration.) 1.000 a 10.000

100 a 1000 1970

VLSI (Very Large Scale of Integration) 10.000 a 100.000

1.000 a 10.000 1978

ULSI (Ultra Large Scale of Integration.) 100.000 a 1.000.000

10.000 a 100.000

1985

Introducción: Escalas de integraciónIntroducción: Escalas de integración

74LS00: 4 puertas AND FPGA: 200k puertas

SOC: System- On- Chip


Familia lógica : Conjunto de bloques estándar fabricados con la misma tecnología, de forma que presentan propiedades electrónicas similares y compatibles entre si.

Basadas en transistores bipolares:

TTL (Transistor-Transistor Logic)

Baja potencia (L)

Rápida (F)

Shottky TTL (S, LS, ALS, AS)

ECL (Emitter Coupled Logic): 10K, 100K, E-Lite

2. Familias Lógicas2. Familias Lógicas

Basadas en transistores MOS: PMOS, NMOS, CMOS

CMOS (Complementary MOS)

HC (High-Speed),

HTC (HC compatible con TTL), AHC (“advanced” HC), VHC, VHCT…

Basadas en BJT y MOS: (BiCMOS)

55


74 FAM 00

PREFIJO

74: comercial (0ºC a 70ºC)

54: militar (-55ºC a 125ºC)

SUFIJO:TIPO DE PUERTAO COMPONENTE

00 : NAND02 : NOR04 : NOT08 : AND32 : OR86 : XOR...138: Decod. de 3 a 8

SUBFAMILIA

SLSASALSF

HC, HCTAHC, AHCTVHC, VHCTFCT

10K100KE-lite

TTL

CMOS

ECL

NomenclaturaNomenclatura


Parámetros característicos de una familia lógica

a) Niveles lógicos y tensiones de alimentación

b) Inmunidad al ruido y margen de ruido

c) Fan-out y fan-in

d) Respuesta temporal: retardos de propagación

e) Potencia consumida

f) Temperatura de trabajo

3. Características reales de las familias lógicas3. Características reales de las familias lógicas

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Tensión de alimentación:Las familias bipolares suelen estar diseñadas para una tensión de

alimentación de +5V

La familia CMOS admite un rango más amplio de tensiones de alimentación por eso sus niveles lógicos suelen darse referidos a una VDDgenérica

Niveles lógicos: Es lo que una familia de dispositivos considerará como tensión mínima para asumir nivel alto (VHmin) o máxima para nivel bajo (VLmax). Se definen para la entrada y la salida independientemente:

Valores lógicos a las entradas: interpretados como un ‘0’ lógico ó un ‘1’ lógico

Valores lógicos a las salidas: tensiones que se obtiene a la salida según un valor lógico

Los niveles lógicos de entrada y salida caracterizan a una familia, y suelen ser comunes para todas las subfamilias dentro de ella.

Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicas


Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicasCorrientes de entrada y salida

Corrientes de entrada (IIL, IIH): corriente que absorbe o cede la puerta cuando la entrada está a un determinado valor lógico

Corrientes de salida (IOL, IOH) : corriente capaz de suministrar la puerta garantizando unos ciertos límites en las tensiones de salida, manteniendo unos valores lógicos.

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Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicasCorrientes de entrada y salidaEl dispositivo tiene una capacidad limitada de proporcionar corriente debido al estado interno de sus transistores. Se definen IOHmax e IOLmax , por debajo de las cuales los niveles lógicos están garantizados.

Los niveles lógicos de salida VOH y VOL dependen de la corriente que reciba o entregue el dispositivo: Corriente alta (entrante o saliente) por el terminal de salida rebaja la VOH y aumenta la VOL.

Las puertas deben consumir una cierta corriente de entrada para mantener el estado ALTO o BAJO: IIH e IIL.

La puerta CMOS, por su arquitectura, necesita muy poca corriente (µA)

Las puertas TTL, ECL pueden consumir una cantidad significativa (mA).

Para trabajar fiablemente habrá que analizar la carga que es controlada por una puerta:

Si es otra puerta (CMOS, TTL...) habrá que revisar sus IIH e IIL.

Si es una resistencia, LED, etc, habrá que estimar su consumo.


Fan-in: Máximo número de entradas con que se puede cargar una puerta.

Fan-out: Máximo número de puertas lógicas que puede excitar la puerta bajo consideración

Respuesta temporal: tiempos de subida y bajada, y retardos de propagación:

El paso de nivel bajo a alto (o viceversa) a la salida de una puerta nunca es instantáneo.

La salida de una puerta no responde de forma instantánea a la entrada.Retardo de propagación: tiempo que tarda en cambiar la salida de

una puerta desde que cambian sus entradas (normalmente se mide entre el 50% del valor de las señales de entrada y salida)

Retardo de conmutación: tiempo que tarda una señal en pasar desde el 10% al 90% de su valor final bajo unas ciertas condiciones de carga. (tr, tf)


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tpHL tpLH

t

t

Vin

Vout

50%

50%

tr

10%

90%

tf

tf tiempo de caídatr tiempo de subidatp tiempo de propagación



Consumo: depende de dos aspectos:

Consumo estático: Mide el consumo del circuito cuando no hay cambio en sus señales

Consumo dinámico: Debido fundamentalmente a la carga y descarga de las capacidades del circuito y depende de la frecuencia


Efecto de la temperatura:Los efectos de temperatura son importantes en semiconductores, en particular, donde exista una unión pn.

A veces los fabricantes especifican tres rangos de calidad:Militar: -55ºC a 125ºCIndustrial: -40ºC a 85ºCComercial: 0ºC a 70ºC

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Entradas/Salidas especialesEntradas/Salidas especialesa) Entradas con resistencias pull-up o pull-down

b) Entrada tipo Schimitt-Trigger

c) Salidas a drenador abierto (CMOS) o colector abierto (TTL)

d) Salidas triestado

Una entrada adicional de habilitación (“enable”).Tres posibles valores de salida: H, L, y Z (alta impedancia)Objetivo: permitir múltiples conexiones a una misma línea (buses, etc)


Un transistor del tipo que sea, puede adoptar DOS funciones generales:

Fuente de corriente controlada por corriente o tensión (amplificación, Electrónica Analógica). El transistor trabaja en zona activa.

Interruptor controlado por tensión: idóneo para Electrónica Digital. Eltransistor trabaja en zona de corte (circuito abierto), o zona óhmica (FETs) o saturación (BJTs) (cortocicuito).

4. Familia CMOS4. Familia CMOS

1010


Familia CMOSFamilia CMOSTipos de transistores MOS:

Transistor de canal p:

Transistor de canal n:


Respuesta excelente a ambos niveles, y buena capacidad de entregar corriente (RON son bajas)

Siempre uno de los dos transistores está en corte (no hay consumo de corriente, ni potencia en continua)

Inversor en tecnología CMOS:

Familia CMOSFamilia CMOS

LoffonH

HonoffL

VoutQ1Q2Vin Vin

Vout

I

Vin, Vout

1111


Familia CMOSFamilia CMOSNAND en tecnología CMOS


A

LLLLHHHH

A

B

C

Z

B

LLHHLLHH

C

LHLHLHLH

Q1

offoffoffoffonononon

Q3

offoffononoffoffonon

Q5

offonoffonoffonoffon

Q6

onoffonoffonoffonoff

Q4

ononoffoffononoffoff

Q2

ononononoffoffoffoff

Z

HHHHHHHL

VDD

B

C

Z

Q3

A Q1

Q5

Q2 Q4 Q6

(a) (b)

(c)

Copyright © 2000 by Prentice Hall, Inc.Digital Design Principles and Practices, 3/e

Familia CMOSFamilia CMOSNAND de 3 entradas en tecnología CMOS

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A

LLHH

B

LHLH

Q1

offoffonon

Q2

ononoffoff

Q3

offonoffon

Q4

onoffonoff

Z

HLLL

A

BZ

VDD

A

B

Z

Q2

Q4

Q1 Q3

(a)

(b)

(c)

Copyright © 2000 by Prentice Hall, Inc.Digital Design Principles and Practices, 3/e

Familia CMOSFamilia CMOSNOR en tecnología CMOS


Familia CMOSFamilia CMOSParámetros característicos de las familias CMOS

a) Tensión de alimentación.

Típicamente 3÷15V

Serie 74HC: 2÷6V

b) Niveles lógicos

VIL = 0 ÷1/3VDD

VIH = 2/3VDD ÷ VDD

VOL = 0 V

VOH = VDD

Inmunidad: 1/3 VDD

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Familia CMOSFamilia CMOSParámetros característicos de las familias CMOS

c) Corrientes de entrada y salida

Corrientes de entrada: II= 10pA (serie 4000) hasta 100nA (74HC)

Corrientes de salida: IO= 0,1mA (serie 4000) hasta 9mA (serie 74HC)

d) Fan-out: típicamente muy alto, pero limitado en la práctica por la capacidad de la puerta. De 8 a 50.

e) Consumos

Estático: debido a la corriente de fugas (IQ) y a las cargas (IL). BAJO

Dinámico: debido a la carga y descarga de los condensadores parásitos y a la corriente por los canales en las conmutaciones

Consumo de corriente: se demandan grandes picos, lo que genera caídas de tensión y ruidos, exigiendo la colocación de condensadores de desacoplo.


Manipulación de integrados CMOS:Debido a que las entradas CMOS son de muy alta impedancia y presentan efectos capacitivos grandes, pueden acumular carga estática que produzca chispazos internos (perforación de las uniones). Antes de tocar los pines de un CMOS, tocar un objeto metálico que se supoga a masa.

Los dispositivos CMOS actuales llevan circuitos protectores contra este efecto, pero no los inmuniza por completo.

Terminales de entrada no usados en CMOS y TTLLa entradas CMOS que no se utilizan, NUNCA deben dejarse flotando o sin conectarse a ningún punto. La razón es que al ser de muy alta impedancia, cualquier corriente espuria ambiental puede llevarlas a un nivel de tensión indeseable. Esta precaución es extensible, aunque con menos riesgo, a los dispositivos TTL.

TecnologTecnologíía CMOSa CMOS

1414


5. Familia TTL5. Familia TTL

Puerta NAND

Basado en transistores BIPOLARES

Si A=B= 5V:T1 : corteT2 : saturaciónT4 : saturación ⇒ S = 0VT3 : corte

Si A=B= 0V:T1 : saturaciónT2 : corteT4 : corte T3 : saturación ⇒ S = 5V


Familia TTLFamilia TTLParámetros característicos de las familias TTL

a) Tensión de alimentación.

Típicamente 5V ±5%

b) Niveles lógicos

VIL = 0 ÷ 0,8 V

VIH = 2V ÷ 5V

VOL = 0 ÷ 0,4 V

VOH = 2V ÷ 5V

Inmunidad: 0,4V

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Familia TTLFamilia TTLParámetros característicos de las familias TTL

c) Corrientes de entrada y salida

Corrientes de entrada: IIL= 1,6 mA. IIH= 10 µA

Corrientes de salida: IOL= 16 mA. IOH= 500 µA

d) Fan-out: 10

e) Consumos

Estático: ALTO y dependiente del valor lógico de la salida

Dinámico: Menor dependencia con la frecuencia que en el caso de CMOS.

f) Retardos: menos dependientes de la carga que en al caso CMOS, pero en general mayores.

tp,HL = 5ns tp, LH = 10 ns


CMOS a TTL (VDD= 5V) TTL a CMOS (VDD= 5V)

CMOS a TTL (Distinta VDD) TTL a CMOS (Distinta VDD)

6. Compatibilidad TTL6. Compatibilidad TTL--CMOSCMOS

0 V0 V

(1/3)VDD0,8 V

(2/3)VDD2 V

VDD5 V

CMOSTTLNiveles de tensión E/S: VOHmin > VIHmin; VOLmax>VILmax

Corrientes limitadas (fan-out)Tensiones de alimentación

tecnologías de los circuitos integrados digitales: familias lógicas

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