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TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES
Tema 5 Circuitos Digitales Integrados Comerciales
Estimadores tecnológicos
TC. Tema 5. Circuitos Digitales Integrados Comerciales. Estimadores Tecnológicos
Contenido
Circuitos Digitales Integrados Comerciales. Estimadores Tecnológicos.
Introducción a la lógica integrada.
Estimación y Evaluación de las propiedades de los Circuítos Integrados (C.I.).
La familia lógica RDL. Análisis y estimación de las características eléctricas.
Lógica Integrada TTL. Estudio de la puerta básica. Configuraciones de salida.
Circuítos Integrados TTL de prestaciones mejoradas.
Otras Familias bipolares: ECL e I2L.
Introducción a la lógica integrada
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Concepto de lógica integrada
Un circuito integrado (CI) es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio.
Una vez construido, el chip se encierra en una cápsula plástica o de cerámica dotada de pines de conexión a los circuitos externos.
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Invención del chip
Jack Kilby-1958
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Escalas de integración (I)
SSI.- Significa Small Scale Integration (integración en pequeña escala) Comprende los chips que contienen menos de 13
compuertas.
Ejemplos: compuertas y flip flops. Los Circuitos Integrados SSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos y ecl. Obviamente los primeros Circuitos Integrados eran SSI .
MSI.- Significa Medium Scale Integration (integración en mediana escala), Comprende los chips que contienen de 13 a 100 compuertas.
Ejemplos: codificadores, registros, contadores , multiplexores, de codificadores y demultiplexores. Los Circuitos Integrados MSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos, y ecl.
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Escalas de integración (II)
LSI.- significa Large-Scale Integration ( integración en alta escala) Comprende los chips que contienen de 100 a 1000
compuertas.
Ejemplos: memorias, unidades aritméticas y lógicas (alu's), microprocesadores de 8 y 16 bits . Los Circuitos Integrados LSI se fabrican principalmente empleando tecnologías i2l, nmos y pmos.
VLSI.- Significa Very Large Scale Integration ( integración en muy alta escala) Comprende los chips que contienen mas de 1000 compuertas
Ejemplos: micro-procesadores de 32 bits, micro-controladores, sistemas de adquisición de datos. Los Circuitos Integrados VSLI se fabrican también empleando tecnologías ttl, cmos y pmos
Estimación y Evaluación de las propiedades de los Circuítos Integrados.
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Concepto de familia lógica
Una familia lógica es un conjunto de elementos funcionales (puertas, biestables,…) con el mismo circuito base y tecnología de fabricación
FAMILIAS LOGICAS
MixtasBipolares
TTL
ECL
I2L
Monopolares
pMOS
nMOS
CMOS
BiCMOS
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Familias Lógicas: principios fundamentales
En general los diodos y transistores funcionan como conmutadores en dos estados : Corte y Saturación.
La síntesis de cualquier función combinacional precisa de circuitos AND,OR e Inversores o bien circuitos NAND y NOR.
Cada familia lógica corresponde a una forma específica de diseñar los operadores básicos, caracterizándose por un conjunto de parámetros estáticos y dinámicos, junto con otros factores.
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Familias Lógicas: Parámetros Básicos
Los parámetros básicos que caracterizan el comportamiento externo de una familia lógica se pueden agrupar así: Características estáticas
Niveles de tensión y corriente de entrada y salida De transferencia Fan-in, Fan-out Margen de ruido que acepta un circuito sin confusión de sus niveles
lógicos Tensión de alimentación y potencia Facilidad de interconexión con otras familias
Características dinámicas
Tiempos de retardo, Tiempos de subida y bajada
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Puerta
Io Ii
Vi Vo
H = High L = Low
i = input o = output
Vih, Vil Iih, Iil,
Convenciones de subíndices
Voh, Vol Ioh, Iol
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Características estáticas: Niveles de tensión de entrada y salida
Nivel alto de la salida (entrada), VOH (VIH). nivel de tensión considerado como alto para la salida (entrada).
Nivel bajo de la salida (entrada), VOL (VIL). nivel de tensión considerado como bajo para la salida (entrada).
Niveles de tensión indeterminados
Margen de tensión para niveles altos
Margen de tensión para niveles bajos
VH(min)
VH(max)
VL(min)
VL(max)
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Características estáticas: Corrientes de entrada y salida
IIH(max) Es la máxima intensidad de entrada cuando existe un “1” lógico a la entrada de la puerta
lógica (P.e. para el CI 74AS04 es de 20μA) IIL(max)
Es la máxima intensidad de entrada cuando existe un “0” lógico a la entrada de la puerta lógica (para el CI 74AS04 es de –0.5mA)
IOH(max) Es la máxima intensidad de salida cuando existe un “1” lógico a la salida de la puerta
lógica (para el 74AS04 es de –2mA) IOL(max)
Es la máxima intensidad de salida cuando existe un “0” lógico a la salida de la puerta lógica (para el 74AS04 es de 20mA)
Ii IoVIL VOH
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Característica estática de transferencia
Una de las principales propiedades de un CI es la característica estática de transferencia de voltaje que relaciona el voltaje de salida con el voltaje de entrada en condiciones de baja frecuencia
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Características estáticas: Fan-out y Fan-in
Fan-out
número máximo de puertas que se pueden conectar a la salida sin que se degrade la señal de salida.
Fan-in
número máximo de puertas que se pueden conectar a la entrada sin que se degrade la operación de la puerta lógica.
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Características estáticas: Fan-out
Fan-out|H = IOH/IIH ; Fan-out|L = IOL/IIL
Ii Io
Ii
Ii
Ii
Ii
Sentido convencional
Sentido real
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Características estáticas: Fan-in
El número de entradas a una puerta lógica de una determinada familia es un parámetro conocido como Fan-in
Por ejemplo: una puerta NAND de 3 entradas diríamos que tiene un fan-in de 3
El fan-in de cualquier lógica no es alto. En CMOS una puerta AND tiene una fan-in de 4 como mucho. En TTL el techo está en 8
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Características estáticas: Márgenes de ruido
El Ruido es toda perturbación eléctrica indeseada, generada por el propio circuito o por causas externas que se “suma” a las señales eléctricas
Puerta 1+
Puerta 2VI2LVO1L
Voltaje de ruidoVN
VI2L = VO1L +VN
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Características estáticas: Márgenes de ruido
MH = VOH-VIH máxima tensión (voltaje) de entrada que se puede superponer al nivel “1” de
salida para que la entrada de la siguiente puerta sea considerada también como 1. ML = VIL-VOL
máxima tensión (voltaje) de entrada que se puede superponer al nivel “0” de salida para que la entrada de la siguiente puerta sea considerada también como 0.
El margen de ruido absoluto, M, se define como el menor de MH y ML.
Niveles de tensión indeterminados
Margen de tensión para niveles altos
Margen de tensión para niveles bajos
Ve
Niveles de tensión indeterminados
Margen de tensión para niveles altos
Margen de tensión para niveles bajos
Vs
NMH=VOH-VIH
NML=VOL-VIL
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Características estáticas: disipación de potencia
La tensión de alimentación y la disipación de potencia son dos características estáticas relevantes de una familia lógica.
La disipación de potencia de una puerta lógica se calcula efectuando la multiplicación de la tensión de alimentación con la media aritmética de la corriente que circula cuando la salida es 1 (ICCH) y la corriente que circula cuando la salida es 0 (ICCL).
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Características estáticas: flexibilidad lógica
Ve1 Ve2 Vs
L L L
L H L
H L L
H H H
Vcc
Ve1
Ve2
Vs
R
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Características dinámicas: retardos de propagación
El retardo de propagación es el tiempo que tarda en transmitirse un cambio de estado desde la entrada hasta la salida de una puerta estándar de un CI.
Una de las causas principales de los
retardos es el tiempo que tardan los transistores en conmutar de corte a conducción y viceversa.
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Características dinámicas: tiempos de propagación
Tiempo de propagación L-H (tplh):
Tiempo de propagación H-L (tphl):
Ambos se definen entre el 50% de la tensión de entrada y el 50% del pulso de salida.
Tiempo de propagación medio = (tplh + tphl)/2
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Características dinámicas: tiempos de transición
Los tiempos de transición están asociados a los transitorios originados a las capacidades parásitas
Se definen entre los puntos correspondientes al 10% y 90% de la transición total de la tensión a la entrada de una puerta estándar de un CI, así tendremos:
Tiempo de subida (rise) (tr): tiempo asociado al cambio de tensión entre el 10 y el 90
%, o de estado bajo a estado alto.
Tiempo de bajada (fall) (tf): tiempo asociado al cambio de tensión entre el 90 y el 10
%, o de estado alto a estado bajo.
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Características dinámicas: tiempos de transición
La familia lógica RDL. Análisis y estimación de las características eléctricas
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Familia lógica RTL
RTL son las iniciales de las palabras inglesas Resistor Transistor Logic.
Es decir es una familia cuyas puertas se construyen con resistencias y transistores bipolares.
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RTL: salida a nivel bajo
Si dos entradas están a nivel alto (H-H), suponiendo que este nivel sea de 3v. Tanto Q1 como Q2 estarán saturados si la β es adecuada. Luego VS= VCE(SAT) = 0,2 V
Para que se cumpla lo anterior bastaría que la ganancia de los transistores (β) sea superior a 0,45 (relación entre la corriente de colector y la de base). De esta forma βIB > IC
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RTL: salida a nivel bajo
Si una de la dos entradas están a nivel alto (H-L), uno de los transistores se saturará y el otro se cortará.
Luego VS= VCE1(SAT) = 0,2 V
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Cuando las entradas se colocan en la combinación L-L, ninguno de los transistores conduce, eso provoca que no circule apenas corriente por la resistencia de 640 y por tanto la tensión de salida será de nivel alto (H): En el caso ideal sería de 3v
RTL: salida a nivel alto
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Las siglas DTL vienen de las iniciales de las palabras inglesas Diode Transistor Logic. Es decir estamos tratando con
una familia compuesta básicamente por diodos y transistores (sin olvidar a las resistencias).
Los diodos se encargan de realizar la parte lógica y el transistor actúa como amplificador inversor.
Familia lógica DTL
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Cuando una de las entradas (E2) está a nivel logico bajo, el diodo asociado conduce y por tanto el punto P tiene tensión de 0,7v;
esta tensión debido a los diodos D3 y D4 hace imposible que el transistor Q1 conduzca, para hacerlo en saturación debería haber una tensión en P de:.
DTL: salida a nivel alto
X X
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El transistor está al corte y, por tanto, la salida a nivel lógico alto (aproximadamente 5v).
DTL: salida a nivel alto
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Familia lógica DTL
Cuando ambas entradas están a nivel lógico alto, los diodos D1 y D2 los podemos asimilar a un interruptor abierto y tanto las uniones A-K de los diodos D3 y D4 (VD=0,7v), como la unión B-E (VBE=0,8v) del transistor Q1 están bien polarizadas. La salida estará a nivel lógico bajo
(VCE(SAT)=0.2v), ya que IBβ>IC para β = 100, tal como se desprende de los cálculos indicados
Lógica Integrada TTL. Estudio de la puerta básica. Configuraciones de salida.
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La familia estándar TTL
En 1964 Texas Instruments sacó al mercado la primera línea de CI TTL: las series 54/74 series (54 para mayor rango de temperatura); que con el tiempo sería una de las mas usadas
Después muchos otros fabricantes producirían CIs TTL, afortunadamente, con el mismo sistema de numeración permitiendo la intercambiabilidad de componentes
Algunas de las series mas conocidas son: SN74………………Texas Instruments 74 Series
DM74………………National Semiconductor 74 Series
S74…………………Signetics 74 Series
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Descripción del inversor TTL
Q3
Q2
D1
Q4
RC=1,6k RS=130 Ω
VCC = 5 v
RE=1k
RB =4k
Q1
VI
VO
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Inversor TTL: análisis para VI = VOL
Q3 en OFF
Q2 en OFF
D1
Q4
RC=1,6k RS=130 Ω
VCC = 5 v
RE=1k
RB =4k
VI =0,2v
VO =3,6v
DBE DBC
IB1
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Inversor TTL: análisis para VI = VOH
Q3 en SAT
Q2 en SAT
D1
Q4 en OFF
RC=1,6k RS=130 Ω
VCC = 5 v
RE=1k
RB =4k
VI =5v
VO =0,2v
DBE DBC
IB1
VC3=1v
RB =4k
DBE
VCC = 5 v
I C2
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Puerta NAND TTL
Q3
Q2
D1
Q4
RC=1,6k RS=130 Ω
VCC = 5 v
RE=1k
RB =4k
VO
AB
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La salida Totem-pole
No permite la conexión directa de las salidas de dos puertas TTL diferentes. Cuando las dos salidas tienen niveles lógicos distintos, se establecen caminos de corriente (I1 ó I2) elevada (unos 30mA), que superan ampliamente la IOLMAX(16mA) y que pueden dañar los transistores.
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La salida en colector abierto
Permite el cableado lógico directo, eliminando Q4 y D1 (AND cableada).
Se requiere una resistencia externa, denominada de “Pull-up”, para obtener el nivel alto. El valor de Rpull-up es un
compromiso entre velocidad, disipación y fanout.
Valor típico: unos pocos Kohms.
Q3
Q2
RC=1,6k
VCC = 5 v
RE=1k
RB =4k
Q1V
I
VO
Pullup
VCC = 5 v
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La salida triestado
Q3
Q2
D1
Q4
RC=1,6k RS=130 Ω
VCC = 5 v
RE=1k
RB =4k
VO
HAB
D
VI
HAB.
Q1
Si HAB=0vVB4=0,7v
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La salida triestado
La salida triestado admite la conexión directa de varias salidas entre sí, en configuración de bus, activando sólo una de las puertas e inhabilitando las restantes. Varios dispositivos (A, B, C, D) pueden acceder a un bus bidireccional
(S) en un sistema computador.
Sólo la información de un dispositivo debe aparecer en la salida, mediante la correcta selección (a, b, c, d)
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Niveles de tensión y margen de ruido TTL
“1” Lógico
No predecible
“0” Lógico
VIH max
VIH min
VIL max
VIL min
Entrada
5 V
0 V
2 V
0,8 V
VIH
VIL
“1” Lógico
“0” Lógico
No predecible
VOH max
VOH min
VOL max
VOL min
Salida
5 V
0 V
2,4 V
0,4 V
VOH
VOL
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Niveles de corriente y fan-out
Fan-out entre 8 y 10
IOHmax= 16 mA
IOLmax= -400 µA
IIHmax= 1,6 mA
IILmax= -40 µA
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Retardos de propagación
VsVe
Ve
t
Vs
tpHL tpLH
VsVe
Ve
t
Vs
tpHL tpLH
15ns8nstpHL
22ns12nstpLH
maxtyp
15ns8nstpHL
22ns12nstpLH
maxtyp
Circuitos Integrados TTL de prestaciones mejoradas
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Subfamilias TTL: velocidad y potencia
TTL de bajadisipación
(1mW-33ns)
LTTL
TTL Schottky(20mW-3ns)
STTL
TTL de bajadisipación con diodosSchottky (2mW-10ns)
LSTTLTTL de baja
disipación con diodosSchottky mejorada
(1mW-4ns)
ALSTTL
TTL Schottkymejorada
(7mW-1,5ns)
ASTTL
TTL de alta velocidad
(4mW-3ns)
FTTL
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Subfamilias TTL: no saturadas
Emplean transistores Schottky, que no se saturan en el estado bajo, debido a una unión Schottky entre colector y base del transistor.
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Subfamilias TTL: velocidad vs potencia
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Encapsulado comercial
Otras Familias bipolares: ECL e I2L
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Lógica de Emisores Acoplados (ECL o Emitter Coupled Logic)
La familia lógica ECL se encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Esta familia nació como un intento de conseguir la rapidez de
TTL y el bajo consumo de CMOS, pero en raras ocasiones se emplea
ECL se emplea en los supercomputadores CRAY, FUJITSU, NEC
Entre sus características relevantes están: Los transistores no se saturan
Existe poca diferencia entre los niveles lógicos de tensión
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Lógica de Emisores Acoplados (ECL o Emitter Coupled Logic)
Q1
RC1
+VCC
Q2
RC2
-VCC
VREFInput
Output1 Output2
RE
VE
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Conclusiones sobre ECL
ECL una familia lógica difícil para diseñar un sistema digital.
Debido a la velocidad con la que ECL funciona
Los estrechos márgenes de Ruido
La doble alimentación (positiva y negativa)
Es Costosa
Difícil de interconectar: las salidas no son compatibles con las entradas
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Lógica de inyección integrada (Integrated Injection Logic ó I2L)
Q1Input
Output
I0
Q1 SaturadoInput=CA
Output=CC
I0
Input=CCOutput=CA
I0
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Comparación de familias: niveles de tensión