tema 1 familias lógicas

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA "ANTONIO JOSÉ DE SUCRE"

VICE RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA SECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

FAMILIA DE

COMPUERTAS LÓGICAS

Elaborado por: Ing. ALEJANDRO MÁRQUEZ

ABRIL DE 1996

Revisión: Noviembre 2.012

FAMILIA DE COMPUERTAS LÓGICAS 2

FAMILIAS LÓGICAS

Las familias lógicas definen la forma y los elementos electrónicos con los cuales se implementan funciones lógicas, dentro de las familias lógicas se encuentran:

DL: Sus siglas significan “Lógica Diodo”, con esta familia se implementaron las primeras las funciones lógicas y su estructura está basada en un arreglo de diodos.

RTL: Sus siglas significan “Lógica Resistencia Transistor”, y fue la primera que se estandarizo para su comercialización, se basan en un circuito compuesto por resistencias y transistores las entradas eran a través de resistencias.

DTL: Sus siglas significan “Lógica Diodo Transistor”, eran bastante similar al anterior, se diferencia principalmente de la RTL en sus entradas las cuales son a través de diodos.

HTL: Sus siglas significan “Lógica de alto umbral”, esta es una variante de la DTL: que mejora en forma considerable su inmunidad al ruido.

ECL: Sus siglas significan “Lógica de Acoplamiento de Emisor”, su estructura principal está basada en un arreglo de transistores unidos por sus emisor y su entrada son las bases de esos transistores.

TTL: Sus siglas significan “Lógica Transistor Transistor”, fue la primera compuerta con mayor éxito comercial, mejoro notablemente su inmunidad al ruido con respecto a sus antecesoras.

MOS: “Semiconductor Óxido Metal”, estas familias son aquellas que basan su funcionamiento en los transistores de efecto de campo o MOSFET, su característica fundamental está basada en el bajo consumo de energía, con respecto a las anteriores. o PMOS: “MOS tipo P”, se basa únicamente en el empleo de transistores

PMOS para obtener una función lógica. o NMOS: “MOS tipo-N”, se basa únicamente en el empleo de transistores

NMOS para obtener una función lógica. o CMOS: “MOS Complementario”, basa su construcción en mesclar los

PMOS y los NMOS. o BiCMOS: “CMOS Bipolar”, combina las ventajas de las tecnologías bipolar

y CMOS integrándolas juntas. IIL: “Lógica Inyección Integrada”, también conocida como I2L, esta

estructurado fundamentalmente en transistores con colectores múltiples con el objetos de tener mayor velocidad que los TTL y una baja potencia de consumo como las CMOS.

En este material solo se considerara la familia TTL, todo esto su robustez, menos propenso al daño cuando se manipulan y a su fácil acceso en el mercado.

TERMINOLOGÍA DIGITAL

Aunque hay muchos fabricantes de circuitos integrados digitales, parte de la nomenclatura y terminología es prácticamente estandarizada. Los términos más útiles se definen y analizan a continuación:


Niveles de corriente y tensión para la entrada y la salida

Son los rangos de voltaje y corriente que debe haber en las entradas y salidas de los circuitos digitales a fin de garantizar el buen funcionamiento del mismo, estos son:

Voltaje de entrada de alto nivel (VIH): Es el nivel de tensión que se requiere para un uno “1” lógico en una entrada. Cualquier otro voltaje por debajo de este no será aceptado como alto por el circuito lógico.

Voltaje de entrada de bajo nivel (VIL): Es el nivel de tensión que se necesita para obtener un cero “0” lógico en una entrada. Cualquier valor sobre este nivel no será aceptado como bajo en el circuito lógico.

Voltaje de salida de alto nivel (VOH): Es el nivel de tensión en la salida de un circuito lógico que representa el estado uno “1” lógico.

Voltaje de salida de bajo nivel (VOL): Es el nivel de tensión en la salida de un circuito lógico que representa el estado cero “0” lógico.

Corriente de entrada de alto nivel (IIH): Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de alto nivel especificado a dicha entrada.

Corriente de entrada de bajo nivel (IIL): Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de bajo nivel especificado a dicha entrada.

Corriente de salida de alto nivel (IOH): Corriente que fluye desde una salida en el estado uno “1” lógico en condiciones de carga especificadas.

Corriente de salida de bajo nivel (IOL): Corriente que fluye a partir de una salida en el estado cero “0” lógico en condiciones de carga especificadas.

Capacidad de Salida

El factor de carga (fan out), se define como el número máximo de entradas lógicas que una salida lógica o grupo de salidas puede alimentar con exactitud. Si el número de entradas es excedido, los voltajes del nivel lógico de salida no se pueden garantizar. Para determinar cuántas entradas diferentes puede manejar la salida de un circuito integrado, se necesita saber la capacidad de corriente de salida máxima IOL e IOH de la salida del circuito integrado que alimentara junto con los requerimientos de corrientes de entrada máxima IIL e IIH del circuito integrado que será alimentado. Esta

información se ubica en las hojas de especificaciones (Data Sheet) del fabricante del circuito integrado. El factor de carga se denota por la letra “n” y se calcula usando las formulas:

n = IOL / IIL para el estado bajo. n = IOH / IIH para el estado alto.

Tomando como factor de carga el menor de los dos n calculados.

Demoras en la propagación

Una señal lógica siempre experimenta una demora al recorrer un circuito. Los dos tiempos de retraso de propagación se definen como los siguientes:

Tiempo de transición del estado lógico cero al uno lógico, de bajo a alto, (tPLH).

Tiempo de transición del estado lógico uno al cero lógico, de alto a bajo, (tPHL).


Tiempo de retardo promedio (tP), es el promedio entre tPLH y tPHL . 1

0

1

0 tpLH tpHL

Entrada

Salida

Figura 1

En términos generales, tPHL y tPLH no son el mismo valor y ambos variarán según las condiciones de carga. Los valores de los tiempos de propagación se utilizan como una medida de la velocidad relativa de los circuitos lógicos. Nótese que tPHL es la demora en la respuesta de la salida cuando pasa de alto a bajo. Se mide entre los puntos del 50% en las transiciones de entrada y de salida. El valor tPLH es el retraso en la respuesta de la salida cuando pasa de bajo a alto.

Requisitos de energía

Todos los circuitos integrados requieren de cierta cantidad de energía eléctrica para poder funcionar. Esta energía es abastecida por uno o más fuentes conectadas a los terminales (pin) de energía de los circuitos integrados. Generalmente sólo hay un terminal de suministro de energía en el integrado, y se denota como Vcc para los TTL. La cantidad de energía que requiere un circuito integrado se especifica por lo general en términos de la corriente, ICC, que extrae de la fuente de suministro Vcc, y la energía real es el producto de ICC x VCC. Para muchos circuitos integrados el consumo de corriente de la fuente de suministro variará según los estados lógicos de los circuitos. Para determinar la energía consumida por los circuitos integrados, dependiendo de sus estados lógicos, es decir si sus salidas están en estado alto o bajo, se toma un promedio de la corriente para ambos casos donde:

ICC(prom) = (ICCH + ICCL) / 2 Entonces el promedio de energía consumida para cualquiera de los dos casos es:

PD = ICC(prom) * VCC

Inmunidad al ruido

Los campos magnéticos parásitos pueden inducir voltajes en los alambres de conexión entre los circuitos lógicos. Estas señales parásitas no deseadas se denominan ruidos y algunas veces pueden ocasionar que el voltaje en la entrada de un circuito lógico caiga por debajo de VIH(mín.) o exceder a VIL(máx.), lo cual podría producir una operación poco confiable. La inmunidad al ruido en un circuito lógico designa la capacidad del circuito para tolerar voltajes ruidosos en sus entradas. A una medida cuantitativa de inmunidad al ruido se le denomina margen de ruido. El margen de ruido se puede obtener para los estados alto y bajo de un circuito lógico.


Margen de ruido para estado alto: VNH = VOH(mín.) - VIH(mín.)

Como se ve VNH es la diferencia entre la mayor salida posible alta y el voltaje mínimo de entrada requerido para un alto. Cuando una salida lógica alta está impulsando una entrada del circuito lógico, cualquier pico de descarga mayor que VNH que aparezca en la línea de señales puede hacer que el voltaje disminuya a un rango indeterminado, donde puede ocurrir una operación impredecible. Margen de ruido para estado bajo:

VNL = VIL(máx.) - VOL(máx.) Como se ve VNL es la diferencia entre la salida bajo mayor posible y el máximo voltaje de entrada que se requiere para un estado bajo. Cuando una salida lógica baja impulsa una entrada lógica, cualquier falla por ruido positiva mayor que VNL puede hacer que el voltaje se eleve en el intervalo indeterminado. Este tipo de corrección se denomina "márgenes de ruido en DC". Sin embargo se pueden tener circuitos operando con funciones alternas en las cuales se pueden producir también una serie de ruidos por efecto de las mismas en los cableados del

circuito, si una pulsación tiene una anchura igual a 1 s esta es demasiada larga, por lo que se puede tratar como una señal de DC con lo que respecto a un circuito lógico.

VOL

0 LÓGICO

0 LÓGICO

1 LÓGICO

ENTRADA

SALIDA

1 LÓGICO

VNL

VNH VI

H

VIL

VOH

Figura 2

Conforme decrecen las anchuras de las pulsaciones a la región inferior de los nanos segundos, se llega a un límite donde la duración de la pulsación es demasiado corta para que el circuito responda. En este punto, la amplitud de la pulsación tendría que ser incrementada apreciablemente a fin de producir una variación en la salida del circuito. Esto significa que un circuito lógico puede tolerar una amplitud de ruido grande si la pulsación del ruido es de una duración muy corta en comparación con el tiempo de respuesta del circuito, es decir demora en la propagación. Los márgenes de ruido en AC del circuito son por lo general substancialmente mayores que sus márgenes de ruido en DC.

CODIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Los circuitos lógicos integrados se identifican mediante grupos de letras seguidas de un número de serie, cada uno de los cuales nos suministran una información acerca del dispositivo. La referencia SN74LS08N, designa específicamente al dispositivo.


La referencia o el número de partes se pueden dividir en cinco elementos: Código del fabricante, serie, subfamilias, tipo de función que deben cumplir y encapsulado. Estas son las más importantes, porque también en el código del circuito integrado se especifica el margen de temperatura de funcionamiento, aunque este parámetro se puede obtener en las especificaciones del fabricante.

Estructura del Código

Un código típico de un circuito integrado tiene la siguiente estructura:

Código del fabricante: Normalmente conformado por dos o tres letras y son los caracteres con los cuales se inicia el código.

Serie de la familia TTL: Es un código que sigue al código del fabricante e indica las características del circuito integrado y este se divide en: o Temperatura de funcionamiento: Indica el rango de temperatura a la cual

puede operar el circuito integrado y la subfamilia a la cual pertenece. o Tipo de función: Indica la función lógica que hace el circuito integrado. o Escala de integración: Indica la escala de integración con la cual se fabrico el

circuito integrado.

Encapsulado: Indica el material con el cual está envuelto o que contiene al circuito el integrado.

El Código de un circuito integrado TTL tiene la siguiente estructura:

Código del

fabricante (1) Serie de la familia TTL (2)

Encapsulado (5) Temperatura de

funcionamiento (3) Tipo de función (4)

A continuación se presentan dos ejemplos del código de un circuito integrado:

SN 74H 107 N

5 4

2

3 1

1 “SN” Indica un dispositivo digital del fabricante de Texas Instruments. 2 Número de tipo.

3 “74” Indica un dispositivo integrado de la familia TTL, para aplicaciones industriales, de 0 a 70 °C y con una tensión de alimentación entre 4,75 a 5,25 V y “H” Indica que es un dispositivo de alta velocidad.

4 “107” Corresponde a un Flip Flop JK. 5 “N” Corresponde a un dispositivo de encapsulado plástico.

Estructura de la Fecha

El código de la fecha es otro código que trae el circuito integrado junto al código que lo describe, que indica lugar y cuando fue manufacturado el circuito integrado. La Primera letra denota el país donde fue hecho, las dos primeras cifras indican el año y las dos últimas se refieren a la semana de fabricación, que dando la estructura así:

País donde fue manufacturado Año de fabricación Semana de fabricación


Ejemplo: M8604 Significa cuarta semana del año 1986 y la “M” indica el país donde fue elaborado el dispositivo.

Especificaciones de algunos fabricantes

FABRICANTES CÓDIGOS SERIE TTL

ENCAPSULADO

DIP CERÁMICO

DIP PLÁSTICO

PLANO

Texas Instrumenst SN 74xxx 54xx

J N -

Fairchild F 74xxx D P F

Motorola MC 74xxx L P F

Nacional Semiconductor DM 74xxx J N W

Ferranti ZN 74xxx J E F

Sinetics/Philips N 74xxx F A, B, N W

Nec PB 74xxx D D -

FAMILIA TTL

La familia TTL proporcionó la base del gran desarrollo que tuvieron los sistemas digitales, Los circuitos TTL en sus comienzos se desarrollaron para satisfacer las necesidades del mercado militar donde el tamaño, el consumo de energía y la confiabilidad son muy importantes, la Instruments creo la primera serie militar que se denomino 54, la cual trabaja en un rango de temperatura de 55 a 125 ºC. Tiempo después se crea la versión industrial de estos circuitos, denominados la serie 74, con lo cual se creó un estándar, la cual tiene un bajo costo y trabaja entre un rango de temperatura de 0 a 70 ºC. La amplia difusión y utilización de la familia TTL favoreció la aparición de diversas series con el objeto de lograr mejoras de características concretas, estas series o sub familias son:

Serie estándar 54xxx y 74xxx.

Serie de alta velocidades 54Hxxx y 74Hxxx.

Serie de baja potencia 54Lxxx y 74Lxxx.

Serie con diodo Schottky 54Sxxx y 74Sxxx.

Serie con diodo Schottky de baja potencia 54LSxxx y 74LSxxx.

Serie Rápida 54Fxxx y 74Fxxx.

Serie avanzada 54ASxxx, 74ASxxx, 54AFxxx, 74AFxxx, 54ALSxxx y 74ALSxxx. Todas las series de la familia TTL son compatibles y pueden ser interconectadas entre sí a la vez que la gran cantidad de combinaciones velocidad / potencia permite al diseñador optimizar todas las secciones de un sistema de acuerdo con las especificaciones de funcionamiento. Serie CMOS compatibles con TTL: 74Cxxx, 74HCxxx, 74HCTxxx, 74ACxxx 74ACTxxx, 74AHCxxx y 74AHCTxxx

SUB FAMILIAS O SERIES TTL


Serie Estándar

Las series estándar de circuitos integrados ofrecen la mejor combinación de velocidad y disipación de energía para la mayoría de las aplicaciones. En la figura 9 se muestra el circuito de un bloque básico con su entrada a través del emisor múltiple y su salida a través del transistor activo tipo, estirado hacia positivo (Pull Up), el transistor Q1 con su entrada de múltiple emisor permite una gran lógica por un mínimo tamaño y es la base para la alta velocidad en los circuitos TTL lográndose así mismo una baja impedancia de salida por el uso del transistor activo Q3 tipo "estirado hacia lo positivo", el cual también contribuye a mejorar la inmunidad al ruido y la rapidez de cambio de estado.

Entrada

Salida

Vcc 5V

D1

Q3

Q4

Q2

Q1

1k

130 16k 4k

Figura 9

Las series estándar se utilizan en contadores, decodificadores, memorias, selector de datos y elementos aritméticos. Estos circuitos incluyen también una gran variedad de flip flop como: sencillos, duales, con disparo al empezar el pulso, maestro esclavo tipo D o tipo JK. Además se ofrecen bloques de disparo, incluyendo bloques de salida con colector abierto.

Serie de Baja Potencia

Los circuitos de baja disipación de energía son el producto con las mejores características de velocidad / potencia de todas las familias lógica. Esta serie posee la misma configuración que la serie estándar con la diferencia de que los valores de resistencia son mayores y por lo tanto, se tiene una reducción en el consumo de energía lográndose disminuir hasta un décimo de la potencia requerida por los circuitos de la serie estándar. La serie es ideal en aplicaciones en las cuales la disipación de energía es más crítica que la velocidad. Los circuitos de baja potencia operados con batería como las calculadoras se adaptan bien a esta serie TTL.


Entrada

Salida

Vcc 5V

D1

Q3

Q4

Q2

Q1

12k

500 20k 40k

Figura 10

Esta serie está conformada por bloques nand / nor, flip flop maestro esclavo tipo RS o tipo JK, elementos aritméticos, contadores, registro de corrimiento comparador de magnitud de 4 bit.

Serie de alta velocidad

La configuración del circuito de un bloque de alta velocidad, es básicamente la misma que la de un circuito estándar, con la diferencia de que las resistencias tienen valores más bajos y en cada uno de los emisores existe un diodo conectado a tierra el cual podría denominarse diodos sujetadores (Clamping Diodes) y cuyo propósito es el de reducir los efectos de línea de transmisión que llega a ser más significativos al tenerse tiempos menores en la subida y en la bajada de los pulsos.

Entrada

Salida

Vcc 5V

D1

Q3

Q4

Q2

Q1

470

58 760 2,8k

Q5

4k

Figura 11

La sección de salida consiste en un par de transistores tipo Darlington Q3 y Q4, ver en el la figura 11, que tienden a mejorar las velocidades de los bloques, debido a que

la baja impedancia de estado estable la cual es de 10 en el estado no saturado y

100 en el estado saturado. Sin embargo, esta serie tiene la desventaja de consumir más energía que la serie estándar. Esta serie consta con bloques and y nand, expansores, bloques con salida en colector abierto para facilitar la función and alambrado, también con flip flop tipo maestro esclavo o con disparo al comenzar el pulso capaz de aceptar entradas de relojes hasta de 50 MHz.


Se usa en circuitos donde la velocidad es más indispensable que el consumo de energía.

Serie con diodo Schottky

Esta tiene una alta velocidad con respecto a todos los elementos de la serie estándar, logrando esta característica mediante la combinación de lógica no saturada ECL con el consumo de energía relativamente bajo de todos los circuitos TTL.

Entrada

Salida

Vcc 5V

Q5

Q6 Q2

Q1

500

50 900 2,8k

Q3

Q4

1K

250

Figura 12

La operación de esta serie es realizada por el uso de un diodo de barrera Schottky SBD a manera de una sujeción entre la base y el colector, ver la figura 12. Las propiedades del SBD que lo hacen útil son que no tiene cargas minoritarias y por lo tanto, no almacena carga, además de que tiene una caída de voltaje menor que la junta P-N cuando se polariza directamente. La salida de esta serie también sé a modificado para dar unas características de transferencia simétricas Q3 y las resistencias asociadas reemplazan la resistencia conectada a tierra que se usa en los otros tipos de serie TTL. Como son tan eficientes se utilizan para circuitos donde se requieren gran velocidad, con la ventaja de su bajo con sumo de energía, esta serie a desplazado en gran parte a la serie de alta velocidad por tener esta serie un gran consumo de energía. Entre los elementos que la conforma están: Los bloques or, and, unidades aritméticas, multiplexores, contadores, flip flop maestro esclavo tipo J K o tipo D.

Serie Schottky de baja potencia

Esta es una versión mejorada de energía y velocidad menores que la de la serie Schottky normal. Utiliza el transistor de Schottky limitado, pero con valores más grandes de resistencia que su serie anterior. Los valores de resistencia reducen el requisito de energía del circuito, pero a expensas de un aumento de los tiempos de propagación. La serie Schottky de baja energía ha sustituido gradualmente a la serie estándar en aquellas aplicaciones donde se requiere de una operación relativamente a alta velocidad con un mínimo consumo de energía.


Otra diferencia de esta serie es que no usa un transistor de entradas múltiples, sino diodos que operan de la misma manera.

Entrada

Salida

Vcc 5V

Q2

Q3 Q1

2,8K

7,6K 24k

Q5

Q4

5K

3,5K

110

Figura 13

Dentro de la serie Schottky existen sub series las cuales son:

La serie 74AS (Schottky TTL avanzado): La cual ofrece velocidades dos veces mayores que la 74S con aproximadamente el mismo consumo de energía.

La serie 74ALS (Schottky avanzado TTL de bajo consumo): Ofrece bajo consumo de energía y velocidades superiores a la 74LS. Con lo que realiza en popularidad en los nuevos diseños, la comercialización de estos es casi nula; ya que solo se utiliza en el campo de la electrónica profesional.

Serie Fast

La serie 74F (TTL rápido): Fue desarrollada por Fairchild semiconductor, en algunos ámbitos se le considera de las más modernas, constituye uno de los avances en la tecnología TTL. La serie tiene unas características intermedias entre la 74AS y la 74ALS, se puede considerar de alta velocidad y bajo consumo de energía.

Serie CMOS compatibles con TTL

Aunque estas series no son TTL se pueden usar como tal siempre y cuando se tomen las previsiones para el caso, es por ello que se mencionan:

74C: Esta serie CMOS tiene compatibilidad de pines con sus pares TTL del mismo número.

74HC / 74HCT: Son una versión mejorada de la serie 74C, tienen compatibilidad de pines y son funcionalmente equivalentes con sus homólogos TTL, los 74HCT son eléctricamente compatibles con los TTL y los 74HC no.

74AC / 74ACT: Estas series son funcionalmente equivalentes a las TTL, pero no tienen compatibilidad de pines. La numeración de esta serie difiere de las anteriores, en ella se usa un número de dispositivo de 5 dígitos que comienza con los dígitos 11, ejemplo 74AC11004 equivale al 74HC04

74AHC / 74AHCT: estas series son idénticamente compatibles con la serie 74HC, a diferencia que son más rápidas y de menor consumo de energía.


Parámetros Eléctricos de la serie TTL

Cada Fabricante de circuitos integrados TTL tiene sus propios parámetros eléctricos, ver hoja de especificaciones técnicas, que pueden variar con respecto a otro, a continuación se presentan unos parámetros que se puede considerar como un estándar con fines académicos, los valores reales debe ser tomados de un datasheet del fabricante, los cuales no difieren mucho de los aquí presentados.

SERIE TTL 74 74L 74H 74S 74LS 74F 74AS 74ALS VIH min (V) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 VILmáx (V) 0,8 0,7 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 VOHmin (V) 2,4 2,4 2,4 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 VOLmáx (V) 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 IILmáx (mA) -1,6 -0,18 -2,0 -2,0 -0,4 -0,2 -2,0 -0,2 IOHmax (mA) -0,4 -0,2 -0,5 -1 -0,4 -1 -2 -0,4

IIHmáx (A) 40 10 50 50 20 200 200 20 IOLmax (mA) 16,0 3,6 20 20 8 20 20 8 tPLHmax(nS) 10 30 10 12 11 3,8 5 11 tPHLmax(nS) 15 30 10 8 7 3,6 4 8 ICCprom(mA) 31 4 25 12 8 7,1 8,5 1,78

CONEXIONES DE LAS ENTRADAS PARTICULARES

Algunas conexiones peculiares en la entrada de los TTL son:

Entradas flotantes

Se conoce como entrada flotante cualquier entrada en un circuito TTL que se deje sin conectar, abierto. Esta actúa exactamente como si un uno lógico esta aplicado a esta entrada, debido a que en cualquier caso la unión o diodo con base en el emisor en la entrada no será polarizada en sentido directo.

Entradas interconectadas

Cuando dos o más entradas sé interconectan forman una entrada común, la cual tendrá un factor de carga de entrada que es la suma de los dos factores de carga de entrada para cada carga. La única excepción se establece para las compuertas nand y and. Para estas compuertas, el factor de carga de entrada en estado bajo será el mismo que el de la entrada individual sin importar cuantas entradas estén interconectadas.

CARACTERÍSTICAS ESPECIALES

A continuación se mencionan algunos conceptos que son variaciones de las estructuras básicas TTL, que tienen diferencias particulares en la estructura del circuito y por ende en sus parámetros


Salida en colector abierto

En la figura 15a se puede apreciar una salida estándar de un dispositivo TTL, dicha salida está constituida por los componentes R130Ω, Q4, D1, y Q3, ese arreglo recibe el nombre de tótem pole. Este tipo de salida permite tener baja impedancia de salida en ambos estados alto y bajo, tener altas velocidades de trabajo y además ser menos susceptibles al ruido. La figura 15b muestra un dispositivo TTL con colector abierto, estos permiten manejar grandes cantidades de corriente sin correr el riesgo de dañar los circuitos lógicos, manejar dispositivos a la salida que se alimenten con valores superiores a Vcc y la implementación de circuitos alambrados. Todas las conexiones de este tipo tienen una gran seguridad. Su funcionamiento se basa en eliminar la resistencia R130Ω, el diodo D1 y el transistor Q4 que dando en esencia un circuito abierto. Para lograr una operación adecuada debe conectarse una resistencia de colector externa Rc, figura 15c, de manera que un voltaje de alto nivel aparecerá en la salida en el estado alto.

Entrada

Salida

Vcc 5V

D1

Q3

Q4

Q2

Q1

1k

130 16k 4k

Entrada

Salida

Vcc 5V

Q3

Q2

Q1

1k

16k 4k

Salida

Vcc

5V

Q3 VD

Rc

+

-

Externo

Figura 15a Figura 15b Figura 15c Los dispositivos de colector abierto tienen algunas ventajas notables:

Pueden manejar directamente Led, display, relé y otros componentes y circuitos externos que consumen más corriente de la que una compuerta común pueda suministrar.

Pueden conectarse directamente entre sí varias salidas para aumentar la capacidad de corriente.

Pueden manejar voltajes de salida más altos que el voltaje de alimentación. Las compuertas con esta característica se denominan de alto voltaje.

Circuitos integrados de colector abierto

Compuertas nand de 2 entradas: 7401, 74LS01, 7403, 74LS03, 7426, 74LS26, 7438, 74LS38, 7439.

Compuertas and de 2 entradas 7409

Inversores: 7405, 74LS05, 7406, 7416.

Buffers no inversores: 7407, 7417.

Compuertas nand de 3 entradas: 7412, 74LS12.

Compuertas and de 3 entradas: 7415.


Compuertas nand de 4 entradas: 7422.

Compuertas nor de 2 entradas: 7433.

Compuertas or exclusiva: 74136, 74LS136.

Lógica alambrada

Cuando se unen entre sí las salidas de dos ó más compuertas de colector abierto, se conoce como lógica alambrada, el punto común de interconexión trabaja como una compuerta and de varias entradas, esto puede resultar útil cuando se desee reducir el número de compuertas a utilizar.

La figura anterior muestra dos inversores (NOT) de colector abierto con sus salidas interconectadas, en ese punto de unión se considera como si allí estuviera una compuerta and.

Entradas de disparo Schmitt Trigger

Un disparador Schmitt Trigger es un circuito especial que se utiliza para convertir señales imperfectas, lentas ó con ruidos en señales digitales bien definidas, rápidas y sin ruido. Las características de las compuertas Schmitt Trigger las hacen muy útiles en numerosas aplicaciones en donde se presentan problemas con señales mal definidas, distorsionadas o ruidosas. Las compuertas Schmitt Trigger operan como compuertas comunes, pero se caracterizan por poseer una propiedad llamada histéresis que los hace inmunes al ruido y les permite trabajar con señales digitales no ideales. Una compuerta Schmitt Trigger entrega siempre una onda cuadrada a la salida, sin importar la forma de onda de la señal de entrada. Las características de histéresis significa que los dispositivos Schmitt Trigger sólo responden cuando los voltajes aplicados a sus entradas supera unos valores limites preestablecidos, llamados umbrales. La curva de histéresis de la figura 14 muestra cómo se comporta el voltaje de salida de la compuerta con respecto al voltaje de entrada. Supongamos que la entrada está en bajo, en consecuencia, la salida está en alto. Esta situación corresponde al punto "a" en la curva. A medida que aumenta el voltaje de entrada, el voltaje de salida permanece constante, es decir en alto hasta que alcanza un valor VTH en el punto "b". Cuando esto sucede, el voltaje de salida comienza a descender, haciéndose bajo cuando el voltaje de entrada supera ligeramente el valor limite VTH, punto "c". A medida que disminuye el voltaje de entrada, el voltaje de salida permanece constante en bajo hasta que alcanza un valor VTL en el punto d. Cuando esto sucede, el voltaje de salida comienza a aumentar, haciéndose alto cuando el voltaje de

S

B

A

7406

7406


entrada cae ligeramente por debajo del valor límite VTL, punto a, por lo tanto la salida sólo cambia de estado cuando el voltaje de entrada supera el umbral superior VTH o cae por debajo del umbral inferior VTL. La diferencia de voltaje entre VTH y VTL se denomina voltaje de histéresis VH.

a b d

VTL

0

Vent

Vsal

0

VTH

c a bajo

alto

Figura 14

Los valores típicos de VTH y VTL para dispositivos TTL y CMOS son los siguientes: Series TTL 74 y 74LS:

VTH = 1,6 V y VTL = 0,8 V Series CMOS 40, 45 y 74C, utilizando una Vcc =+9 V.

VTH = 5,8 V y VTL = 3,8 V

Circuitos integrados con compuertas Schmitt Trigger


Inversores: 7414, 74LS14.


Aplicaciones de las entradas de disparo Schmitt Trigger

Las compuertas Schmitt Trigger se utilizan en conformadores de forma de onda, detectores de flancos, temporizadores, circuitos de retardo, osciladores, etc.

Salida de tres estados

Los dispositivos de tres estados se dan en las situaciones donde es deseable desconectar ó aislar el terminal de la salida del resto de la circuitería interna con el fin de lograr que ese punto quede libre ó flotante, es decir, que no esté ni en alto ni en bajo. Los dispositivos lógicos de tres estados tienen tres salidas llamados alto, bajo y desconectado; este último se denomina también estado de alta impedancia o estado HI-Z. En el estado de alta impedancia, la salida se comporta como si no estuviera conectada al circuito, excepto por una pequeña corriente de fuga que puede fluir hacia ó desde la terminal de salida. Todos los dispositivos de tres estados se caracterizan por poseer una entrada de control adicional llamada habilitador ó línea de inhibición. Cuando la entrada de inhibición se activa, la salida se sitúa en estado de alta impedancia. Mientras ésta entrada no esté activa, el dispositivo desarrolla su lógica normal. La entrada de inhibición se activa con un “0” ó un “1” dependiendo del diseño.


Aplicaciones de las salidas tres estados

Los dispositivos tres estados son muy útiles en aplicaciones donde se necesita transferir permanentemente información entre diversos puntos de entrada y de salida utilizando la mínima cantidad posible de líneas de comunicaciones. Un ejemplo muy común son los buses en los sistemas con microprocesadores. En estos sistemas de microprocesadores todo el flujo y control de información se realiza a través de dispositivos tres estados llamados buses "de datos", "de control" y "de direcciones".

Circuitos integrados con compuertas tres estados

Buffers no inversores activos en bajo: 74125, 74LS125.

Buffers no inversores activos en alto: 74126, 74LS126.

Buffers inversos Schmitt Trigger activos en bajo: 74C240, 74LS240.

Buffers no inversores Schmitt Trigger activos en alto: 74LS241.

Buffers no inversores Schmitt Trigger activos en bajo: 74C244, 74LS244.

Buffers no inversores activos en bajo: 74365, 74LS365, 74367, 74LS367.

Buffers inversores activos en bajo: 74366, 74LS366, 74368, 74LS368.

EJERCICIOS RESUELTOS

1. ¿Cuál es el rango de R que garantice un uno y un cero lógico a la entrada del inversor?

Solución: Analizando el circuito cuando el interruptor “S” está cerrado en la entrada del 74LS04 habrá +5 voltios, es decir un uno lógico. Cuando el interruptor está abierto existe una corriente en la entrada del 74LS04 que circula desde adentro del dispositivo hacia tierra “IIL”, esta corriente atraviesa la resistencia R provocando una caída de tensión, la cual a su vez no debe ser mayor que la tensión de entrada “VIL” que soporta el 74LS04. De la tabla parámetros eléctricos de la serie TTL se toman los valores para los cálculos:

R = VIL / IIL = 0,8 V / 0,4 x10-3A = 2 K

R 2 K

2. ¿Cuál es el rango de R que garantice un uno y un cero lógico a la entrada del inversor?

74LS04 S

R

5V

S

S

R 5V

S 74F04


Solución: Analizando el circuito cuando el interruptor “S” está cerrado en la entrada del 7404 habrá tierra o el terminal negativo, es decir un cero lógico. Cuando el interruptor está abierto existe una corriente en la entrada del 74F04 que circula desde el terminal positivo de 5 voltios hacia adentro del 74F04 “IIH”, esta corriente atraviesa la resistencia R provocando una caída de tensión, la cual a su vez no debe ser menor que la tensión de entrada “VIH” que soporta el 74F04. De la tabla parámetros eléctricos de la serie TTL se toman los valores para los cálculos:

R = VIH / IIH = 2,0 V / 200 x10-6A = 10 K

R 10 K

3. Cuál es el factor de caga si se desean conectar compuertas LS a la salida de una F. Solución: De la tabla de los parámetros eléctricos se obtienen los valores de corriente para las entradas y salidas de la serie LS y la F. Para el estado Bajo:

n = IOL / IIL n = 8mA / 0,2mA = 40

Para el estado alto: n = IOH / IIH n = 0,4mA / 200x10-3mA = 2

Se pueden conectar 2 compuertas

4. Cuantas compuertas 74H04 pueden conectarse en la salida “S” del siguiente circuito

Solución: Para el estado alto n = IOL / IIL para el estado bajo n = (16mA + 20mA)/ 2mA = 18 Para el estado bajo

n = IOH / IIH para el estado alto n = (0,4ma + 1mA)/ 50x10-3mA = 28

Se pueden conectar 18 compuertas

5. Cuál es el retardo promedio si se conectan dos compuertas 74ALS en serie y en paralelo.

Solución: Si se conectan en serie: El retardo promedio es la sumatoria de los retardos individuales de cada compuerta.

tP = (tPHL y tPLH)ALS /2 + (tPHL y tPLH)ALS /2 tP = (11nS y 8nS) /2 + (tPHL y tPLH)ALS /2 = 19 nS

S A 74S04

7404


Si se conectan en paralelo: El retardo promedio es el mismo para cada camino que se sigua, como en este caso, el retardo promedio será el retardo que tenga uno de los caminos en paralelo que a su vez será el retardo de una sola compuerta.

tP = (tPHL y tPLH)ALS /2 tP = (11nS y 8nS) /2 /2 = 9,5 nS

6. Cuál es el retardo promedio del siguiente circuito.

Solución: Para hallar el camino el retardo promedio se debe hallar el camino que tarda más tiempo en dar respuesta es decir el camino más lento.

7AS04 74AS32 7411 74S32 7402 (12+8)/2 (4+5)/2 (10+15)/2 (12+8)/2 (10+15)/2 tP =(12+8)/2 + (4+5)/2 + (10+15)/2 + (12+8)/2 + (10+15)/2 = 49,5 Ns

7. Cuál es el rango de la resistencia R que garantice un uno lógico en “S” si la

compuerta es de colector abierto.

Solución: Cuando hay un cero en la salida el transistor de salida está conduciendo y a través del mismo pasa toda la corriente que genera Vcc, esta corriente no debe superar la IOL del circuito.

RMIN = (Vcc - VOL) / IOL = (5 – 0,5)V / 20 mA = 225 Ω R ≥ 225 Ω

Cualquier resistencia mayor o igual a 225 ohmios permitirá que pase a través del transistor de salida 20mA o menos.

8. Cuál es el rango de la resistencia en el circuito si todos los componentes son de colector abierto.

A > B

A < B

A = B

7402

S2

S1

S0

Z

Y

X

W

74S32

7408

74AS32

74ALS04

74S04

74H02

74F86

74LS86

7411

9 10

3,7

9,5

4,5 10

12,5

12,5 10

12,5

Vcc 5V

R

S A

74F06


Solución: Para resolver este problema debe hallar el caso crítico y este se da cuando hay un transistor de una salida conduciendo y los otros abiertos, para este caso uno solo abierto, además para el cálculo se debe usar el que soporta menos corriente, porque si esta corriente pasara por el otro no lo dañaría.

IOL(74) = 16 mA IOL(74LS) = 8 mA VOL(74LS) = 0,5 V

RMIN = (Vcc - VOL) / IOL = (5 – 0,5) V / 8 mA = 562,5 Ω RMIN = 562,5 Ω

EJERCICIOS PROPUESTOS

1. Seleccione el código al cual pertenece la siguiente definición:

Un circuito integrado que su fabricante es Motorola de la familia TTL, para aplicaciones industriales, de 0 a 70 °C y con una tensión de alimentación entre 4,75 a 5,25 V, es un dispositivo de rápido, de encapsulado plano.

Un circuito integrado que su fabricante es Motorola de la familia TTL, para aplicaciones industriales, de 0 a 70 °C y con una tensión de alimentación entre 4,75 a 5,25 V, es un dispositivo de alta velocidad, de encapsulado plástico.

Un circuito integrado que su fabricante es Motorola de la familia TTL, para aplicaciones industriales, de 0 a 70 °C y con una tensión de alimentación entre 4,75 a 5,25 V, es un dispositivo de alta velocidad, de encapsulado plano.

Un circuito integrado que su fabricante es Motorola de la familia TTL, para aplicaciones industriales, de 0 a 70 °C y con una tensión de alimentación entre 4,75 a 5,25 V, es un dispositivo de rápido, de encapsulado cerámico. Respuestas:

MC74H00L MC74H00P MC74H00F MC74F00F MC74F00L

MC74F00P DM74F00L DM74F00P DM74LS00P DM74H00F A. Son dispositivos muy útiles en aplicaciones donde se necesita transferir

permanentemente información entre diversos puntos de entrada y de salida utilizando la mínima cantidad posible de líneas de comunicaciones. El Concepto anterior pertenece a:

B. Operar como compuertas comunes, pero se caracterizan por poseer una propiedad llamada histéresis que los hace inmunes al ruido y les permite trabajar con señales digitales no ideales. El Concepto anterior pertenece a:

Vcc 5V

R

S

C B

A

74LS33

7406


Colector Abierto Darlington Lógica Alambrada Tres estados Schmitt

Trigger Entrada Flotante Schottky

C. El circuito mostrado en la figura no cumple con el o los parámetros: VIH VIL

VOH VOL IIH IIL IOH IOL tPLH tPHL n

1 V

4 V

X

S 4 . 7 k 6 0 H z

- 6 . 3 / 6 . 3 V 4 . 7 k 1 N 4 0 0 1

7 4 L S 1 4

X

D. Si se aplica la siguiente forma de onda a la entrada de una compuerta

74LS04, diga con cual(es) parámetro(s) no cumple: VIH VIL VOH VOL

IIH IIL IOH IOL tPLH tPHL n

nSeg 7

2,5

0,9

0

Volt

22 29 44 51 E. Su configuración se diferencia de la estándar porque las resistencias tienen

valores más bajos y en cada uno de los emisores existe un diodo conectado a tierra el cual podría denominarse diodos sujetadores, lo anterior se refiere a la

definición de: 74 74H 74L 74F 74S 74LS 74ALS

2. Conceptos: A. Mencione tres ventajas de las compuertas con salidas de colector abierto. B. Explique que es un estado HI-Z. C. Que característica se altera en una compuerta y en qué forma si ella posee

una salida Darlington. D. Mencione cuatro aplicaciones de los circuitos integrados con entradas de

disparo Schmitt - Trigger E. Explique la aplicación de los circuitos integrados con salidas tres estados. F. Que compuerta de las familias TTL puede trabajar con mayor frecuencia y

cual este valor de frecuencia. G. Explique cada una de las características de un circuito integrado según el

siguiente código DM74ALS00J H. Explique cada una de las características de un circuito integrado, que posee el

siguiente código impreso sobre él. SN74F83N

M9020

3. Calcule los márgenes de ruido y la energía que consume para una compuerta 74LS00.

4. Cuanto es el retardo promedio para cuatro compuertas 74LS11 conectadas en serie y en paralelo.

5. Las siguientes formas de onda se aplican a la entrada de unas compuertas 74LS04 y 74H04. Justificando su respuesta diga si a la salida de ellas se observan las formas de ondas


4 0 K H z

5 0 n S e g

5 n S e g Figura A Figura B

6. El circuito mostrado a continuación se utiliza para construir en generador de señales TTL, pero la salida siempre se mantiene en uno como se aprecia en la gráfica. Usando los parámetros eléctricos explique porque la salida no es una señal oscilante entre cero y uno.

3V X

S

74LS14

S

0,2V

1,9V

X

7. Si se excita las entradas de las compuertas 74LS10 y 7400 cual es más rápida en

dar una respuesta a su salida, justifique su respuesta con cálculos. 8. Cuál es el factor de carga si se desea conectar compuertas 74LS32 a la salida de

una compuerta 7404. 9. En la salida de la compuerta 74LS00, cuantas compuertas 7400 se pueden

conectar. 10. Cuantas compuertas 74ALS04 pueden conectarse en la salida “S”

11. Calcule el rango de R que garantice un uno y un cero lógico a la entrada del

inversor, para ambos circuitos.

S

5V R 74F04

I

I

5V

R 74H04

S

12. Dibuje el circuito que permita verificar con un voltímetro que a la salida de una

compuerta and de dos entradas 7409, se obtengan los valores VOH y VOL, cuánto debe ser el valor de la resistencia de colector, justifique su respuesta.

13. Dibuje el circuito, para conectar las salidas de tres compuertas nand 7403, usando la lógica and alambrada, realice los cálculos para determinar el valor de la resistencia de colector abierto.

14. Dibuje el circuito que permita encender un led conectado a la salida de un 7403, cuando en su salida tenga un cero lógico, el led enciende con una corriente máxima de 10 mili amperes y a 2 Voltios, calcule los valores de todos los elementos que intervienen.

15. El siguiente circuito está construido con una compuerta de colector abierto, si en su salida tiene un cero lógico. Justificando su respuesta diga si el led enciende o no.

+ 5V

250 LED + 5V

7409

16. Cuál es el valor máximo de la resistencia en el circuito debajo si todos los

componentes son de colector abierto.

S A 74F04

74ALS04

74LS04


F

D

C

B

A 5V

R

7409

74H01

74S05

74F07

17. En el circuito debajo la compuerta and no logra encender el bombillo debido a que

la corriente que ella drena es muy baja, se requiere 3400 A exactos para que el bombillo encienda, si la corriente es mayor a este valor lo dañaría. Rediseñe el circuito desde el punto de vista electrónico digital para que se logre encender el bombillo sin dañarlo, no debe usar: componentes de colector abierto, transistores, relee.

74ALS08

3400A +

-

5V

18. Para los circuitos mostrados abajo diga:

Cuál compuerta no cumple con el factor de carga.

Cuál es el tiempo de retardo promedio.

Cuál es la máxima frecuencia a la cual podría operar el circuito

Cuál es la energía que consume

a)

S1

74F10

S0 C

B

A 74S32

7400

74LS08

74LS04 74H86

74LS27

74L10

74LS11

7420

b)

S

A

B

C

7402

74F32

74F04

74H04

7411 7410

74LS11

74H86 74H04

74LS10 74LS11


c)

B

A

74LS32

74LS04

74LS32

74ALS08

74LS04

74LS02

74LS00

7486

74LS86

74H04 74F08

74ALS08

F

C

74LS08

d)

C

74F08 74F32 74F04

74H04 74H32 B

A 74ALS08

74LS32

74LS04 74LS04

74LS08

S

tema 1 familias lógicas

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