Circuitos integrados digitales

Arquitectura de equipos y sistemas informáticos
Familias de Circuitos integrados digitales
Índice ................................................................................................. 1
Clasificación de los circuitos integrados............................. 2
Escala de integración................................................................. 2
Tecnología utilizada.................................................................... 2
- Familia lógica TTL. Series. ....................................... 3
- Familia CMOS. Series. ............................................. 4
- Familia ECL. Series. ................................................... 4
Datos de catálogo ....................................................................... 5
Margen de ruido ........................................................................... 6
Margen de ruido TTL.............................................................. 6
Margen de ruido CMOS....................................................... 6
Fan-out ............................................................................................ 7
Fan-in................................................................................................ 7
Características dinámicas de una familia lógica ................ 8
- Tiempos de propagación .............................................. 8
- Tiempos de retardo ........................................................ 9
- Tiempos de transición.................................................... 9
- Frecuencia máxima de funcionamiento...................... 9
Entradas no utilizadas ............................................................... 10
Otras configuraciones internas .............................................. 11
- Salidas en colector abierto .......................................... 11
- Salidas con control Tri-estado.................................. 11
Cristina Muñiz Alonso
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CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS
El número de puertas de un circuito integrado depende de las entradas
que tenga cada puerta. Hay dos formas de clasificar los circuitos
integrados que dependen de la escala de integración y de la tecnología
utilizada.
ESCALA DE INTEGRACIÓN
Dependiendo del nº de componentes que se pueden integrar por mm2
en un circuito integrado, existen varios grados de integración:
Nº de puertas
Ejemplo
SSI
Small scale
integration
Entre 1 y 10.
Biestables
MSI
Medium scale
integration
Entre 10 y 100.
Decodificadores,
contadores, multiplexors
LSI
Large scale
integration
Entre 100 y
1.000.
Memorias y algunos
microprocesadores
VLSI
Very large scale
integration
Entre 1.000 y
10.000.
Microprocesadores,
memorias
ULSI
Ultra large scale
integration
Más de 10.000.
Memorias de gran
capacidad
TECNOLOGÍA UTILIZADA
Tecnología bipolar. Hace uso de resistencias, diodos y transistores
bipolares; muy rápidos pero de alto consumo de corriente. La familia
TTL utiliza esta tecnología.
Tecnología MOS. Esta tecnología es más lenta pero su consumo es
menor que en la anterior, lo que supone mayor densidad de integración.
La familia CMOS utiliza esta tecnología.
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Familia lógica TTL. Series.
En esta familia se utilizan transistores bipolares para construir las
puertas.
Las dos primeras cifras de la nomenclatura de estos circuitos (54 ó 74)
indica la serie. La serie comercial estándar es la 74 y la 54 es la serie
militar, utilizada para aplicaciones que requieren mayor rango de
temperatura (de -55ºC a 125ºC); las últimas cifras indican el tipo de chip
del que se trata y las letras indican la tecnología utilizada.
La primera serie TTL que apareció fue la 54xxx/74xxx, que actualmente
ha sido sustituida por la serie LS, ya que mejora en cuanto a consumo,
manteniendo la velocidad de trabajo en valores análogos.
Las características de las distintas series se muestran en el cuadro:
Serie
Consumo por puerta
Tiempo propagación
74 xxx
10 mW
10 ns
74 L xxx
1 mW
33 ns
74 S xxx
19 mW
3 ns
74 LS xxx
2 mW
10 ns
74 ALS xxx
1 mW
4 ns
74 AS xxx
8 mW
1,5 ns
74 F xxx
4 mW
3 ns
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Familia CMOS. Series.
Serie 4000. Son las primeras CMOS, no están homologadas y cada
fabricante tiene su propio patinaje y símbolo.
Dentro de ella existen tres series: 4000 A, 4000 B y 4000 UB.
Tienen menor consumo que las TTL y funciona con tensiones desde 3V
a 18V.
Su velocidad depende de la tensión de alimentación: para VCC=3V el
tiempo de propagación es de 200 ns que pasan a ser de 100 ns para
VCC=5V y se reducen a 20 ns cuando VCC=15V.
Serie HE 4000. Dos series: HE 4000 B y HE 4000 UB.
Las ventajas de esta familia son las mismas que las de la anterior y la
tensión de alimentación oscila entre 3V y 15V.
Serie 74 C xxx. Mantiene las características de la serie 4000 pero su
patillaje es compatible con la serie TTL.
Serie 74 HC xxx. Ofrece la misma velocidad de trabajo que la serie TTLLS y análoga inmunidad frente al ruido, con un consumo estático nulo.
No es compatible con la serie TTL y se alimenta con tensiones entre 2V y
6V.
Serie 74 HCT xxx. Las características son similares a las de la anterior
pero es compatible con la TTL. Su tensión de alimentación es de 5V.
Serie 74 AC xxx. Serie de alta velocidad. Su disipación es de 1 mW por
puerta y su tiempo de propagación de 3 ns.
Serie 54 ACT xxx. Su tensión de alimentación varía entre 4,5 V y 5,5 V,
con tiempos de propagación inferiores a 5 ns y reducción del ruido que
las puertas producen en su conmutación.
Familia ECL. Series.
Para velocidades aun mayores se cuenta con una familia ultrarrápida
ECL (lógica de acoplo por emisor) que utiliza el principio de no
conseguir la saturación de los transistores, por ello su conmutación es
muy rápida; sus tiempos de propagación son inferiores a 0,8 ns; pero su
consumo es alto, cercano a los 40 mW por puerta.
Esta familia tiene dos variantes: la ECL 10K y la ECL 100K. Ambas son
prácticamente idénticas con la diferencia de que la ECL 100K es un poco
más rápida y posee mayor estabilidad frente a variaciones de
temperatura.
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DATOS DE CATÁLOGO
VCC, VDD
tensión de alimentación del circuito. En TTL, 5V (VCC) y en
CMOS entre 3V y 18V (VDD).
IOH
Corriente que entrega un circuito a salida cuando está a
nivel alto.
VOH
Tensión que entrega un circuito a la salida cuando está a
nivel alto.
IOL
Corriente que absorbe un circuito por la salida cuando está
a nivel bajo.
VOL
Tensión que entrega un circuito a la salida cuando está a
nivel bajo.
VIH
Tensión de entrada a nivel alto.
VIL
Tensión de entrada a nivel bajo.
IIH
Corriente que absorbe el circuito a la entrada cuando hay
un nivel alto.
IIL
Corriente que entrega el circuito a la entrada cuando hay un
nivel bajo.
IOS
Corriente que se mide a la salida cuando está a nivel alto y
cortocircuitamos la salida.
ICCH
Corriente continua que entrega la fuente de alimentación
cuando la puerta está a nivel alto.
ICCL
Corriente continua que absorbe la fuente de alimentación
cuando la puerta está a nivel bajo.
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MARGEN DE RUIDO
El ruido son perturbaciones involuntarias que puede originar un
cambio no deseado en la salida del circuito, si son suficientemente
grandes. Por eso antes de realizar cualquier montaje es conveniente
saber el nivel de ruido máximo permitido.
Hay dos tipos de márgenes de ruido: a nivel alto y a nivel bajo.
Margen de ruido a nivel bajo (VNIL): VNIL = VILmáx - VOLmáx
Margen de ruido a nivel alto (VNIH): VNIH = VOHmín - VIHmín
MARGEN DE RUIDO TTL y MARGEN DE RUIDO CMOS
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FAN-OUT
Número de entradas que pueden conectarse sobre la salida de una
puerta lógica.
En la familia TTL la limitación relativa al fan-out viene dada por el
cociente entre intensidades IO/II, pero no así en las series CMOS cuya
intensidad de entrada es nula y lo que limita es la carga capacitiva que
pueden soportar CL/CI.
FAN-IN
Número de entradas que posee una puerta lógica. La limitación en
cuanto al número máximo de entradas con que puede construirse una
puerta depende de la estructura electrónica de la misma: en el caso
CMOS el número de entradas no debe ser superior a 6 u 8 debido al
hecho de que la conexión de múltiples transistores MOS en serie
empeora en gran medida las características de velocidad e inmunidad
frente al ruido de las puertas.
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CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE UNA FAMILIA LÓGICA
Las características dinámicas de una familia lógica es el comportamiento
del dispositivo ante la conmutación. Las características dinámicas más
importantes son:
Tiempos de propagación, de retardo y de transición.
Frecuencia máxima de funcionamiento.
Tiempos de propagación
tpLH
Tiempo de propagación para el crecimiento de la tensión
de salida.
tpHL
Tiempo de propagación para el decrecimiento de la tensión
de salida.
TpD
Tiempo de propagación medio.
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Tiempos de retardo
tDLH
Tiempo de retardo para el crecimiento de la tensión de
salida.
tDHL
Tiempo de retardo para el decrecimiento de la tensión de
salida.
Tiempos de transición
tTLH
Tiempo de subida de la tensión de salida.
tTHL
Tiempo de bajada de la tensión de salida.
Frecuencia máxima de funcionamiento
Para saber a que frecuencia máxima podemos trabajar con una puerta
de una determinada familia lógica, nos basaremos en lo siguiente:
Mediante el tiempo de propagación medio tpD de una puerta NAND de
cada familia lógica determinamos la frecuencia correspondiente a un
retardo de medio semiciclo de la señal de salida de la puerta NAND, sin
carga alguna, con respecto a la señal de entrada (onda cuadrada).
La frecuencia correspondiente a este desfase se calcula:
T= 4— tpD
Y por lo tanto la frecuencia máxima de funcionamiento será:
fmax= 1 / 4— tpD
Este valor de frecuencia lo hemos determinado para un desfase de
medio semiciclo. Se podría haber calculado para un desfase mayor pero
el de medio semiciclo es el más apropiado.
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ENTRADAS NO UTILIZADAS
En una puerta TTL, una entrada desconectada actúa como un nivel
lógico alto. Una entrada al aire se comporta como una antena receptora
de ruido. Para evitar esto existen varias alternativas:
Entradas unidas. Es el método más común y consiste en conectar las
entradas a una entrada que sí se use. Este método tiene el inconveniente
que para las puertas excitadoras estas entradas suponen cargas
adicionales, por lo que aumenta los requerimientos de consumo de las
mismas.
Entradas conectadas a Vcc o a tierra. Las entradas no utilizadas se
conectan al nivel lógico que no influya en el nivel de salida de la puerta.
Las entradas no conectadas de las puertas Nand o And se conectarán a
Vcc a través de una resistencia de 1 Kohm mientras que las de las
puertas Or o Nor se conectan a tierra.
Entradas conectadas a una salida no utilizada. Este método es
adecuado cuando se disponen de puertas no utilizadas en el circuito. De
nuevo la salida de la puerta utilizada debe ser un nivel alto constante
para las entradas no utilizadas de puertas And y Nand y un nivel bajo
para las puertas Nor y Or.
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OTRAS CONFIGURACIONES INTERNAS
Las configuraciones internas de las distintas familias lógicas derivadas
de la TTL más usuales son las salidas Totem-Pole. Pero las puertas con
estas salidas no permiten realizar un cableado lógico, es decir, la unión
directa de dos salidas para formar una nueva función lógica. Para esto
se construyen las salidas Colector abierto.
Salidas en colector abierto
Son puertas que prescinden de los transistores superiores (los que
transmiten el 1). Son puertas incompletas que requieren una resistencia
de polarización conectada a la alimentación VCC y precisamente por eso
resultan útiles para efectuar acoplos con otras familias lógicas o con otros
componentes electrónicos que empleen niveles de tensión diferentes y
para la conexión de varias salidas (operación "y" cableada). Existen
adaptadores de este tipo (buffer) que admiten tensiones o intensidades
relativamente altas (hasta 15 ó 30 V de tensión y unos 50 mA de
intensidad).
Salidas con control tri-estado
Se conoce como estado de alta impedancia. Es un estado auxiliar que
permite poner fuera de funcionamiento simultáneamente los
dispositivos de polarización en nivel alto y en nivel bajo.
De esta forma podemos tener conectadas varias salidas a una línea
común o a un bus de datos.
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