1

TEMA 6

TECNOLOGÍA DE CIRCUITOS INTEGRADOS. FAMILIAS LÓGICAS

2

NIVELES LÓGICOS• Márgenes de tensión asignados a los valores

lógicos representados por los símbolos 0 y 1.VL: Tensión asignada al 0 lógicoVH: Tensión asignada al 1 lógico

Lógica positiva: VH > VL

Lógica negativa: VH < VL

3

PUERTAS TRIESTADOAdemás de los niveles lógicos convencionales poseen un tercer estado, llamado de alta impedancia en el que se "desconecta" la salida del resto del circuito (Z).

HLZZ

LHLH

LLHH

YXE'

E´ : entrada de control para activar el estado de alta impedancia

Al desconectar eléctricamente la salidas de la puerta del resto del circuito, se posibilita la unión de varias salidas a una misma línea, siempre que sólo una de ellas esté habilitada y el resto “flotantes”. Permiten efectuar transferencia de datos compartiendo las mismas líneas, TRANSFERENCIA POR BUS.

4

CARACTERÍSTICAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Las características que se evaluarán hacen referencia al comportamiento en sus terminales hacia afuera:

- Característica de transferencia.- Característica de entrada-salida.- Retardo de propagación.- Comportamiento frente al ruido.- Consumo (disipación de potencia).- Producto consumo x tiempo de propagación.- Flexibilidad lógica.

Esta información se recoge en las hojas de características (datasheets) que proporciona el fabricante

5

VILmáx: representa la máxima tensión de entrada posible para el nivel L, es el límite inferior de la región de transiciónVIHmín: mínima tensión posible para el nivel H a la entrada de una puerta, es el límite superior de la región de transición.•VOHmín: mínima tensión garantizada a la salida de una puerta en el nivel H, para una corriente determinada y un valor mínimo de la tensión de alimentación.

VOLmáx: máxima tensión garantizada a la salida de una puerta en el nivel L, para una corriente de salida especificada.

Los límites de los márgenes de tensión asignados a los niveles lógicos definen las áreas de funcionamiento y la región de transición

Puesto que el nivel de tensión de salida de una puerta puede presentar fluctuaciones, se ha de garantizar en las condiciones más desfavorables, que un nivel lógico de salida sea interpretado como tal por cualquier entrada. Para ello se asigna a cada nivel lógico un margen de tensiones.

6

CONDICIÓN DE COMPATIBILIDAD LÓGICA

Vsalida Ventrada

VOHmín

VIHmín

VOHmín ≥ VIHmín

VOLmáx

VILmáx

VOL máx ≤ VILmáx

7

CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA-SALIDA

• PARA ASEGURAR UN CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE UNA PUERTA LÓGICA ES CONVENIENTE DISPONER DE SU CARACTERÍSTICA V-I, TANTO DE ENTRADA COMO DE SALIDA; SOBRE TODO SI SE HAN DE COMBINAR CIRCUITOS IMPLEMENTADOS CON TECNOLOGÍAS DIFERENTES.

Es necesario conocer IIL, IIH, IOL e IOH, corrientes asociadas a los niveles L y H de las entradas y salidas respectivamente.

Condición de compatibilidad:

IOLmáx (IOHmáx) ≥ Σ IILmáx (IIHmáx)

Convenio: se considerarán las corrientes de entrada al circuito como positivas, y negativas en el caso contrario.

8

•Factor de carga o «fan-out» de una salida: es el máximo número de entradas de puertas que se le pueden conectar, permaneciendo los niveles lógicos en los márgenes garantizados.

•«Fan-in» de una entrada: es la carga que supone para una determinada salida, la entrada de otro circuito.

•Unidad de carga: se define como la máxima corriente (en valor absoluto) que puede circular por la entrada de una puerta, sin que se deterioren los niveles lógicos. Es la referencia para calcular el fan-in y el fan-out.

El fan-in de una puerta lógica es 1 unidad de carga.

9

Puerta OR de fan-out =5 , con el máximo de carga

Uso de un BUFFER (amplificador) para aumentar el número de entradas que pueden conectarse a una excitación que no proporciona suficiente corriente

10

En la práctica, para la misma tecnología, interesa que todas las entradas de los CI, por complejos que sean, tengan el mismo consumo de corriente que una puerta lógica, con el fin de facilitar la conexión de circuitos distintos.

11

Relación entre la carga de una puerta lógica y el comportamiento de ésta a su salida

12

RETARDO DE PROPAGACIÓN

Es el tiempo requerido para que un cambio de nivel en la entrada de una puerta lógica se refleje en la salida de la misma. Nos da información de la frecuencia máxima de funcionamiento.

tpd =(tpHL+tpLH)/2

tpHL : tiempo de propagación del nivel H al L (medido entre los puntos medios de los flancos activos de las señales de entrada y salida.

tpLH : tiempo de propagación del nivel L al H (medido entre los puntos medios de los flancos activos de las señales de entrada y salida.

13

Tiempo de transición: tiempo necesario para que una señal cambie de nivel lógico.

tr (tiempo de subida) : se mide desde el 10% al 90% del flancode subida.

tf (tiempo de bajada) : se mide desde el 10% al 90% del flanco de bajada.

14

RUIDO : variaciones transitorias indeseadas, de tensión o corriente, que pueden ocasionar un cambio en los niveles lógicos de cualquier punto de un circuito.

-Ruido en continua (ruido DC): formado por impulsos de larga duración en comparación con la de las señales del circuito, a las que se añade deteriorando en ocasiones los niveles lógicos.

- Ruido en alterna (ruido AC): la perturbación es de duración menor, y su influencia dependerá de la amplitud de la señal de ruido.

Para evaluar el grado de inmunidad al ruido que posee una determinada tecnología se definen unos márgenes.

COMPORTAMIENTO FRENTE AL RUIDO

15

- Margen de ruido en continua: máxima fluctuación, en el caso mas desfavorable, admisible en una tensión de salida de modo que no supere los límites establecidos para el mismo nivel lógico en una entrada.

Para el nivel H: MRH = VOHmín - VIHmínPara en nivel L: MRL = VILmáx - VOLmáx

16

• Margen de ruido en alterna: a medida que disminuye su anchura, deberán tener mayor amplitud para que influyan en los niveles lógicos.

• Los sistemas digitales anulan el efecto de una fuente de ruido, si ésta no llega a cambiar el nivel lógico de entrada de una puerta.

• Si se altera el nivel lógico en algún punto, el error se propagaría por todo el circuito, provocando un funcionamiento incorrecto.

17

CONSUMO (DISIPACIÓN DE POTENCIA)Se tenderá a minimizar en lo posible este parámetro.

-Ventajas de tipo funcional : fuentes menos costosas, mayor autonomía, menor coste en refrigeración.

-Cuanto más reducido sea el consumo por puerta, más puertas se podrán integrar en un mismo circuito manteniendo constante la capacidad de disipación de calor del mismo.

PRODUCTO CONSUMO x TIEMPO DE PROPAGACIÓNCuando uno de ellos aumenta el otro disminuye y viceversa.

-Parámetro de mérito que resume las características mas relevantes de una determinada tecnología.

-Interesan valores tan pequeños como sea posible. Se mide en pJ

FLEXIBILIDAD LÓGICAMedida de la capacidad o versatilidad de una tecnología.

-Factores : cableado lógico, capacidad de excitación, variedad en las salidas, compatibilidad con otras tecnologías, variedad en bloques funcionales, etc.

18

LA PUERTA LOGICA IDEAL

-Alimentación única.-Consumo mínimo. Idealmente cero.-Impedancia de entrada muy alta.-Impedancia de salida muy baja.-Velocidad de operación máxima.-Característica de transferencia:

19

TECNOLOGÍA : diferentes procedimientos y soluciones utilizados para implementar los distintos circuitos digitales, construidos mediante puertas lógicas.

FAMILIAS LÓGICAS : configuraciones genéricas de circuitos (basadas en transistores) para la implementación de las puertas lógicas.

Los elementos de una misma familia lógica, comparten una estructura de circuitos común que les hace compatibles eléctricamente, por lo que utilizan los mismos niveles de tensión o corriente para representar los niveles lógicos, se pueden conectar las salidas y las entradas de los distintos miembros dela familia, tienen el mismo fan-out, etc.

FAMILIAS LÓGICAS

20

FAMILIAS LÓGICAS

SUBFAMILIAS : evolución de las familias lógicas (mantienen compatibilidad con ellas), potenciando algunas características particulares: mayor velocidad, menor consumo, etc.

CIRCUITOS ADAPTADORES : se encargan de acondicionar los niveles lógicos y las corrientes entre las entradas y las salidas, para acoplar diferentes elementos de familias distintas entre las que exista incompatibilidad.

21

FAMILIAS LÓGICAS

Las FAMILIAS BIPOLARES se distinguen por su mayor velocidad y también su mayor consumo :TTL , ECL , I2l

Las FAMILIAS UNIPOLARES tienen mayor densidad de integración que las bipolares, consumen del orden de 100 veces menos potencia, pero son sustancialmente más lentas : NMOS , PMOS , CMOS

La tecnología BiCMOS combina en un mismo CI elementos bipolares y CMOS, tiene un bajo consumo, alta velocidad, gran capacidad de excitación e inmunidad al ruido superior a las de las familias CMOS.

22

FAMILIAS LÓGICAS

Las tecnologías de fabricación están en continua evolución, lo que posibilita la aparición de nuevas familias lógicas que intentan unir, para condiciones límites, las características más sobresalientes : tamaño, velocidad, consumo, etc.

23

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS POR SU NIVEL DE INTEGRACIÓN

Micro-procesa-dores,

memorias, periféricos,

etc.

sumadores, registros,

contadores, etc.

puertas lógicas y

biestables

Función

1995>100.000>1.000.000Giga gran escala de integración (GLSI)

198510.000 a 100.000100.000 a

1.000.000Ultra gran escala de integración (ULSI)

19781.000 a 10.00010.000 a 100.000

Muy gran escala de integración (VLSI)

1970100 a 10001.000 a 10.000Gran escala de integración (LSI)

196510 a 100100 a 1.000Mediana escala de integración (MSI)

19601 a 1010 a 100Pequeña escala de integración (SSI)

Fecha aprox.Nº de puertasNº transistoresNivel de integración

24

EVOLUCIÓN DE LA MICROELECTRÓNICA

Evolución de la capacidad de integración

25

EVOLUCIÓN DE LA MICROELECTRÓNICA

Evolución del área de silicio y tamaño de puerta

26

EVOLUCIÓN DE LA MICROELECTRÓNICA

Evolución del tiempo de propagación y coste por puerta

27

ANÁLISIS DE LAS HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DEL UN C.I. TTL 7408

Márgenes de ruido:MRH=VOHmín-VIHmín= 2,4 – 2 = 0,4 VMRL=VILmáx-VOLmáx= 0,8 - 0,4 = 0,4 V

Fan-out:Para el nivel H: fan-out=|IOHmáx|/|IIHmáx|=0,8/0,04=20Para el nivel L: fan-out=|IOLmáx|/|IILmáx|=16/1,6=10

Consumo:P=Vcc(IccL+IccH)/2=5(11+20)/2=77,5 mWPpuerta=77,5/4=19,37 mW

28

ANÁLISIS DE LAS HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DEL UN C.I. TTL 7408

Tiempo de propagación:tpd =(tpHL+tpLH)/2=(27+19)/2=23 ns