Tema 7. Introduccion a la Electronica Digital Familias Logicas

Tema 7 – Introducción a la Electrónica Digital. Familias Lógicas Rev 0
TEMA 7
INTRODUCCION A LA ELECTRONICA
DIGITAL.
FAMILIAS LOGICAS
Profesores:
Germán Villalba Madrid
Miguel A. Zamora Izquierdo
Ene-2003
Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones
Universidad de Murcia
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Tema 7 – Introducción a la Electrónica Digital. Familias Lógicas Rev 0
CONTENIDO
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Introducción
Valores Lógicos
Márgenes de Ruido
Fan Out
Inversor TTL y CMOS
Retardo de propagación
Producto potencia disipada – retardo de propagación
Familias Lógicas
Comparación Familias Lógicas
Evolución de las principales tecnologías
Ene-2003
Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones
Universidad de Murcia
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Tema 7 – Introducción a la Electrónica Digital. Familias Lógicas Rev 0
INTRODUCCION
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La Electrónica Digital se fundamenta en transmitir y recibir información por
medio de dos estados diferentes (Alto / Bajo – Verdadero / Falso).
Una puerta lógica realiza una determinada función lógica digital.
Existen dos grandes tecnologías digitales: TTL y CMOS.
En 1.993 existían fundamentalmente seis subfamilias TTL y cuatro CMOS,
cada una con unas características diferentes que las hacen propicias para
cada tipo de aplicación.
Los fabricantes han perseguido la reducción del parámetro “producto de
potencia disipada – retardo propagación” (es decir, aumentar la velocidad,
reduciendo el consumo).
La evolución de las tecnologías TTL está en la mejora del circuito básico de
sus puertas.
La evolución de las tecnologías CMOS mantiene el circuito básico de sus
puertas, mejorando las características de la fabricación de cada familia CMOS.
Los requisitos de mercado de equipos portátiles ha propiciado la evolución de
las tecnologías a tensiones de alimentación cada vez más reducidas (3.3 v,
2.5 v).
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VALORES LOGICOS – LOGICA POSITIVA / LOGICA NEGATIVA
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Para cada una de las familias lógicas, los valores lógicos ‘0 y
‘1’ equivalen a un margen de tensiones determinado.
En la figura se representan los niveles de tensión
correspondiente a la familia TTL (diferentes a CMOS).
Las tensiones de transición (entre 0.5 y 3.0 voltios)
corresponden a un valor lógico indeterminado, y sólo
aparecen durante cortos espacios de tiempo cuando se
cambia de un estado lógico a otro.
Para un correcto funcionamiento, un circuito lógico debe
generar una tensión situada en algún punto dentro del
margen correcto.
Si el valor de tensión permanece estable en la zona de
transición el resultado será indeterminado, y por
consiguiente, incorrecto.
Lógica positiva: el ‘0’ se representa con la menor tensión. El
‘1’ con la mayor. Ej, niveles TTL y CMOS.
Lógica negativa: el ‘0’ se representa con la tensión mayor.
El ‘1’ con tensión menor. Ej, niveles RS-232.
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MARGENES DE RUIDO
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El ruido consisten en fluctuaciones no deseadas en la tensión
real de una señal lógica. Puede ser debido a variación en la
alimentación (se perturba el punto de trabajo de los transistores
que forman la puerta lógica), perturbaciones electromagnéticas
externas, etc.
Si los niveles de tensión (Verdadero / Falso) están muy próximos
entre sí, sería relativamente fácil que una variación en la tensión
provocada por ruido se pueda pasar de un estado lógico a otro,
o simplemente quedarse en la zona de transición.
Se especifican los siguientes valores:
–
–
–
–
•
Ene-2003
VIL es la máxima tensión de entrada que garantiza que será aceptada
como FALSO.
VIH es la mínima tensión de entrada que garantiza que será aceptada
como VERDADERO.
VOL es la máxima tensión de salida generada como FALSO.
VOH es la mínima tensión de salida generada como VERDADERO.
En la figura se muestran los márgenes de tensión de entrada y
salida para la familia lógica 7400 ALS TTL con una fuente de
alimentación de +5v.
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MARGENES DE RUIDO
• Es importante que VIH sea menor que VOH, para asegurar que la señal
de ‘1’ lógico sea correctamente interpretada. La diferencia entre estas
tensiones se denomina margen de ruido superior o margen de
ruido para el 1 lógico, y se denomina:
– NMH = VOH - VIH
• Así, VIL debe ser mayor que VOL para asegurar que el nivel 0 sea
correctamente interpretado, incluso en presencia de ruido. A la
diferencia entre ambas tensiones se denomina margen de ruido
inferior o margen de ruido para el 0 lógico, y se denomina:
– NML = VIL - VOL
• Cuanto mayor sean los márgenes de ruido, dichos circuitos serán
menos sensibles a las perturbaciones, y por tanto, serán adecuados
para trabajar en entornos con mayores índices de ruido.
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FAN OUT
• Es el máximo número de puertas que puede excitar una puerta sin
salirse de los márgenes garantizados por el fabricante. Asegura que
en la entrada de las puertas excitadas:
– VOH es mayor que VOH mín
VOL es menor que VOL mín
• Para el caso en que el FAN OUT sea diferente a nivel bajo y a nivel
alto, se escogerá el FAN OUT más bajo.
• Si el fabricante no proporciona el FAN OUT, se puede calcular como:
– FAN OUT = IOL máx / IIL máx
– Donde IOL e IIL son las corrientes de salida y entrada mínimas de puerta.
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CARACTERISTICA DE TRANSFERENCIA DEL INVERSOR
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La característica de transferencia
representa la salida Vo en función de la
tensión de entrada Ve.
En la figura se representa la
característica de transferencia de un
inversor ideal y real, para un inversor
alimentado a +Vss.
En el modelo ideal, existe una tensión
umbral (Vss/2) frontera claramente
definida entre los dos valores de tensión
posible en la salida.
En el modelo real, la salida no logra
alcanzar los valores de tensión límite,
existiendo una zona de transición donde
no queda claramente definido si el
estado es Verdadero o Falso.
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Tipos de salida: Totem – Pole, Open Colector Y Triestado
•
•
•
•
En las figuras se muestran la configuración de un inversor TTL con salida Totem-Pole y
Open Colector.
La salida Totem Pole consiste en dos transistores que se activan de forma excluyente.
No se pueden conectar dos o más salidas de este tipo a un mismo punto (bus)
La salida en Colector abierto deja el colector del transistor conectado directamente al
terminal de salida, por lo que será necesario conectar una resistencia externa de
colector (pull – up). Permite conectar varias salidas a un mismo punto.
La salida triestado incluye un terminal de habilitación / deshabilitación de la salida,
disponiendo así de tres estados: Alto – Bajo – Alta Impedancia.
VCC
VCC
R1
R2
R4
R1
R2
Q4
SALIDA
TOTEM-POLE
Q2
Q2
ENTRADA
1
ENTRADA
D2
2
Q1
SALIDA
OPEN-COLECTOR
Q1
SALIDA
2
2
SALIDA
D1
Q3
D1
Q3
R3
1
1
R3
0
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INVERSOR CMOS
•
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El inversor CMOS está formado por un NMOS y un PMOS.
Cuando la entrada está a nivel bajo, el NMOS está en corte, y el PMOS en
conducción. La salida está a nivel alto (Vdd). Como el NMOS no conduce,
la potencia estática es cero.
Cuando la entrada está a nivel alto, el NMOS está en conducción y el
PMOS en corte. La salida está a nivel bajo (Masa). La potencia estática
también es cero.
El consumo de potencia estática cero de los CMOS es quizás la ventaja
más importante frente al resto de tecnologías.
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RETARDO DE PROPAGACION
•
•
•
•
En la figura se representan la entrada y
salida de un inversor.
La transición de bajo a alto se realiza de
forma gradual.
El tiempo de subida (tr) y tiempo de
bajada (tf), son los tiempos que tarda
desde el 10% al 90% de la transición.
Las transiciones de salida están
retardadas respecto a las de entrada,
siendo:
–
tphl retardo entre las transiciones de
entrada y salida al 50% cuando la salida
pasa de alto a bajo.
– tplh retardo entre la entrada y salida al
50% cuando la salida pasa de bajo a
alto.
– tpd es el retardo promedio entre tphl y
tplh.
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PRODUCTO POTENCIA DISIPADA – RETARDO DE PROPAGACION
• En los circuitos digitales se intenta reducir el consumo del circuito
(con el fin de que gaste menos energía, sea más barato y sea menos
propenso a la ruptura, permite mayor densidad de integración) y
aumentar la velocidad de conmutación (con lo cual la información se
transmite más rápidamente).
• De ahí la importancia del producto potencia – retardo propagación,
siendo su ideal igual a cero.
• La potencia disipada se mide en mW, y el retardo en nseg. El
consumo se obtiene a partir del producto entre la tensión de
alimentación y la media aritmética entre las corrientes consumidas en
la alimentación a nivel alto y bajo. I = I CCH + I CCL
CC
2
PD = VCC I CC
Siendo I CCH : corriente consumida a nivel H
I CCL : corriente consumida a nivel L
• Su unidad es el picojulio (pJ), y permite comparar dispositivos donde
la velocidad y potencia consumida son factores importantes.
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PULSOS FALSOS (GLITCH)
•
•
•
•
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Cuando dos señales de entrada se
conectan a una misma puerta lógica,
tienen retardos distintos, la salida del
sistema combinacional puede dar lugar
a salidas inesperadas.
Algunas veces, se producen falsos
pulsos que condicionan a un rediseño
del sistema digital, para evitar salidas
inesperadas.
Otras veces, se utilizan estos glitches
con fines determinados.
En la figura se muestra la salida C, para
la entrada A, dando lugar a un falso
pulso debido al retardo del inversor.
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Familia Lógica TTL – Transistor Transistor Logic
TTL Estándar
• Familia saturante caracterizada por su rapidez.
• Es saturante porque los transistores que la forman trabajan en corte
– saturación (conmutación). Estos transistores conducen tan pronto
como la corriente de base es lo suficiente para hacer que la intensidad
de colector sea la de saturación. Esa corriente de base elevada,
conlleva a que cuando se desea pasar al corte, el exceso de carga
acumulada en la base tarda en desalojarse, lo que contribuye a
tiempos de conmutación mayores.
• Una de las mejoras introducidas en la familia TTL estándar es la
utilización de un transistor de entrada multiemisor, que favorece el
paso de saturación al de corte, retirando la carga almacenada en la
base del transistor durante la saturación.
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Familia Lógica TTL - Schottky
• 74Sxxx
– Uno de los principales problemas que existen en la familia TTL Estándar
es la pérdida de velocidad en la conmutación, debido a que la mayoría de
los transistores trabajan entre corte y saturación y es difícil evacuar el
exceso de carga almacenada en la zona de la base durante la saturación.
– Esta familia trata de evitar que los transistores alcancen el estado de
saturación, reduciendo así el exceso de carga en la zona de base,
tardando menos en conmutar de saturación a corte aumentando
considerablemente la velocidad.
– Utiliza diodos Schottky.
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Familia Lógica TTL – Low Power Schottky
• 74LSxxx
– Mejora de la familia 74Sxx, la cual obtenía un gran aumento de velocidad
respecto a TTL estándar, a costa del aumento de las corrientes circulantes
por la puerta. Se obtiene un consumo menor, pero se reduce ligeramente
la velocidad de conmutación, respecto al Schottky.
– La velocidad obtenida es del orden de la familia estándar, consumiendo
cinco veces menos.
– Sigue utiliza el diodo Schottky.
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Familias Lógicas TTL – Advanced Schottky (AS)
Advanced Low Power Schottky (ALS)
• 74ASxxx
– Reduce la disipación de potencia y de retardo en un 50% y el producto
potencia – retardo propagación lo reduce unas cuatro veces respecto a
TTL-S.
– Reduce un 50% la intensidad requerida a la entrada.
– Retardos de propagación pequeños y elevadas frecuencias de reloj con
relativo bajo consumo.
• 74ALSxxx
– Aumenta en dos la eficiencia y reduce la potencia en un 50% comparando
con la familia TTL-LS.
– Compatible con las familias 74, 74S, 74LS, 74AS.
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Familia Lógica TTL - FAST
• Su nombre proviene de TTL Schottky Avanzada de FAIRCHILD.
• Debido a su alta velocidad de conmutación puede trabajar en áreas
reservadas para la lógica ‘ECL 10K’, utilizando los diseños TTL básicos
y una única alimentación de 5v.
• La alta impedancia de entrada permite la interconexión directa con los
circuitos de las familias TTL-LS, TTL-ALS y HCMOS en un mismo
sistema.
• Reducen en ¼ la potencia que disipan con respecto a TTL-S,
mejorando además su producto potencia – retardo propagación.
• La mayoría de los sistemas diseñados con circuitos TTL-S, pueden
funcionar reemplazando estos circuitos por sus equivalentes de la
familia FAST.
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Familia Lógica ECL
• Las familias lógicas que utilizan los transistores con atrapamiento
Schottky son las únicas en las que sus transistores no alcanzan la
saturación, y por ello, son más rápidas.
• La familia ECL utiliza el principio de no conseguir la saturación de sus
transistores, para ello utiliza la lógica de emisores acoplados (ECL) en
vez de los diodos Schottky.
• Existen dos series:
– ECL serie 10000 o ECL 10K
– ECL serie 100000 o ECL 100K (más rápida y estable frente a Tª)
• Son las más rápidas del mercado, pudiendo alcanzar los GHz; también
son las que más consumen.
• Su tensión de alimentación es negativa, con lo que da problemas de
conexión con el resto de familias lógicas.
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Familia Lógica CMOS 4000
• La serie 4000 fue la primera familia MOS con velocidades cercanas a
la familia TTL estándar. Utiliza conjuntamente técnicas PMOS y NMOS.
• Su ventaja sobre la TTL estándar es que su consumo puede ser miles
de veces inferior siempre y cuando su frecuencia de trabajo no sea
muy elevada.
• Se reduce el volumen de los circuitos, tiene una gran inmunidad al
ruido y funciona con una amplia gama de valores de tensión de
alimentación.
• Destacar el daño que pueden producir las descargas electroestáticas
en sus entradas (ver tema Transistores Efecto Campo).
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Familias Lógicas CMOS de Alta Velocidad (HC / HCT / HCU)
• Inicialmente, el uso de tecnologías TTL fue masivo por su alta
velocidad, y relativo bajo consumo (sobre todo con las últimas
tecnologías TTL).
• Las familias HC han mejorado en velocidad frente a la serie 4000,
obteniendo una velocidad comparable con la familia TTL-LS siendo su
consumo en estático del orden de un millón de veces inferior a esta
familia en régimen estático.
– 74HC: márgenes de tensión de entrada compatibles con serie 4000. Su
alimentación puede estar entre 2 y 6 voltios. Margen de nivel bajo hasta
el 30% de Vcc y el margen a nivel alto desde el 70% de Vcc. Umbral de
conmutación del 50% de Vcc. Todas las salidas están bufereadas.
– 74HCT: márgenes de tensión de entrada compatibles con TTL. Margen a
nivel bajo hasta 0.8 v y a nivel alto de 2 v. El umbral de conmutación es
del 28% de Vcc. Tensión de alimentación es Vcc=5v±10%, con entradas
y salidas bufereadas.
– 74HCU: idéntica a 74HC pero sin buferear las salidas (Unbuffered) para
permitir la operación en modo lineal (osciladores).
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Familia Lógica CMOS Avanzada (AC / ACT)
• Introdujo una gran mejora en velocidad y disipación de potencia con
respecto a la familia HCMOS.
• Protección contra descargas electroestáticas de hasta 2kV en todas las
entradas y salidas.
• Inmunidad al ruido, unas tres veces superior que en TTL.
• Retardo de propagación típico de 3 ns por puerta.
• Puede trabajar a más de 150 MHz.
• Dentro de esta familia hay dos variantes:
– 74AC: niveles de entrada compatibles CMOS. La tensión de alimentación
puede variar entre 3 a 5.5 voltios. El umbral de conmutación es de 50%
de Vcc, con salidas bufereadas. Mantiene sus estados hasta con
alimentación de menos de 2V, lo que facilita su alimentación con baterías
de litio.
– 74ACT: niveles de tensión compatibles con TTL. Tensión de alimentación
Vcc=5v±10%. Umbral de conmutación al 28%de Vcc. Todas las salidas
bufereadas. Están diseñados para sustituir a las familias TTL.
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Comparación entre Familias Lógicas
• Las funciones de transferencia más ideales las aportan las familias
basadas en las tecnologías CMOS: 4000, HCMOS y ACL. Son ideales
porque definen con mucha claridad, entre otros:
– El estado alto (5 v) y el estado bajo (0 v) (sin carga).
– El umbral de conmutación.
– Margen de transición casi nulo.
• En el caso de las tecnologías TTL, no son tan ideales como las CMOS,
pero su evolución a llevado a una mejora progresiva.
• En cuanto a las características de entrada en las familias lógicas
CMOS, al tener la intensidad de entrada casi nula, sólo se observan
los niveles críticos para los estados alto y bajo. En cuanto a las TTL, si
tienen importancia las corrientes de entrada, siendo muy pequeñas
para nivel alto, pero nada despreciables a nivel bajo.
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Comparación entre Familias Lógicas
4000B
HC
AC
HCT
ALS
FAST
LS
AS
S
ACT
ESTANDAR
VIH
(v)
3.5
3.5
3.4
2.2
2.2
2.2
2.2
2.2
2
2.2
1.8
VIL
(v)
1.5
1.5
1.2
1.2
0.9
0.9
0.8
0.8
0.8
0.7
0.6
VOH
(v)
4.5
4.5
4.4
2.9
2.9
2.9
2.9
2.9
2.7
2.9
2.2
VOL
(v)
0.5
0.5
0.2
0.9
0.6
0.6
0.5
0.5
0.5
0.4
0.2
1.45
4.75
2.3
8.3
22.5
4
3.5
8
2
3
Pd
(mW)
Tp
(ns)
Ene-2003
125
9
4.7
12
6.5
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ECL
10K
11.1
25
11
2
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EVOLUCION DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGÍAS
•
•
•
Ene-2003
En la imagen se muestra la producción en volumen de CI a mediados de
los 90.
Se observa como la tecnología TTL estándar está obsoleta. Así mismo,
se recomienda para los nuevos diseños hacer uso de las familias en
proceso de crecimiento, abandonando aquellas que están en declive.
Se sugiere una evolución de las familias HC a las AHC.
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ANEXO VII.I - CONCEPTOS BASICOS ELECTRONICA DIGITAL
Encapsulado DIL (Dual – In – Line)
Pin 7
Orientación
1
12
2
11
3
10
4
9
Pin 6
5
8
6
7
Pin 1
El encapsulado DIL dispone de marcas físicas
que permiten identificar el Pin 1 de dicho
dispositivo.
A partir de ahí se van numerando
consecutivamente, pasando a la siguiente fila
al llegar al último (ver figuras).
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ANEXO VII.III – RESUMEN TECNOLOGÍAS DIGITALES
•
Serie CMOS 4000
–
–
•
ABT - Tecnología BiCMOS Avanzada.
–
–
•
Integra la velocidad de los bipolares con el consumo de CMOS. ABT reemplaza
adecuadamente a otras familias como la TTL. Se utiliza en computadoras de altas prestaciones
y en equipos de comunicación.
Fabricantes: Philips, Texas Instruments.
AC/ACT – Tecnología CMOS Avanzada
–
–
•
Corresponde con la primera serie de tecnología CMOS. Está obsoleta.Se puede alimentar
hasta a 15 voltios, gran tolerancia a la temperatura y se extendió masivamente en la industria,
especialmente en la automovilística.
Fabricantes: ON Semiconductor, Philips, STMicroelectronics, Texas Instruments.
Ofrece alta velocidad con ultra bajo consumo con gran inmunidad al ruido. Se utiliza
generalmente en aplicaciones de comunicación y computación. ACT dispone de tensiones
compatibles TTL.
Fabricantes: ON Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments.
AHC(T)/VHC – Tecnología CMOS Alta Velocidad Avanzada
–
–
Ene-2003
Se trata de una mejora de la familia HC/HCT (Alta Velocidad CMOS). Esta tecnología ofrece
control de mayores corrientes, mayor velocidad sin penalizar su inmunidad al ruido. Se utilizan
tanto en computadoras, equipos electrónicos de consumo, industria en general, automoción,
periféricos de PC, portátiles y telecomunicaciones.
Fabricantes: ON Semiconductor, Philips, STMicroelectronics, Texas Instruments.
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ANEXO VII.III – RESUMEN TECNOLOGÍAS DIGITALES
•
ALS – Schottky de baja potencia avanzada
–
–
•
AS –Schottky avanzada
–
–
•
–
•
Diseñado especialmente para aplicaciones de interface a bus. Ofrece I/O TTL con alta
velocidad y bajo consumo en modo deshabilitado.
ECL – Lógica emisor acoplado
–
•
Ofrece alta velocidad de conmutación con retardos de 4ns, consumiendo mayor potencia que la
TTL estándar.
Fabricantes: Texas Instruments
BCT – BiCMOS
–
•
Capacidad para manejar hasta el doble de datos con la mitad de consumo que la tecnología
LS, siendo la tecnología de menor consumo en TTL.
Fabricantes: Texas Instruments
Es una tecnología no saturante, que elimina los tiempos de almacenamiento de cargas,
permitiendo velocidades muy elevadas.
Fabricantes: ON Semiconductor
FAST – Fast Advanced Schottky
– Ofrece entre un 75% a 80% de reducción de consumo respecto a 74S.
– Fabricantes: Phillips y Texas Instruments.
FCT – Fast CMOS Technology
–
–
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Incluye un amplio rango de familias para aplicaciones específicas. Dispone de alta velocidad y
bajo consumo, compatible con las familias lógicas estándar. Se usa en ordenadores
personales, switches y routers, telefonía inalámbrica, módulos de memoria.
Fabricantes: IDT y Texas Instruments.
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ANEXO VII.III – RESUMEN TECNOLOGÍAS DIGITALES
•
HC / HCT – High Speed CMOS
– Bajo consumo y alta inmunidad al ruido. HCT compatible con entradas y salidas
TTL.
– Fabricante: ON Semiconductor, Phillips, STMicroelectronics, Texas Instruments
•
LCX, LVX, LVC, LVQ, LVT – Low Voltage Technology
– Altas prestaciones a bajos voltajes. Respuesta al mercado de equipos portátiles.
– Fabricantes: IDT, ON Semiconductor, Phillips, STMicroelectronics, Texas
Instruments.
•
•
LS – Low Power Schottky
– Menor consumo que la TTL estándar.
– Fabricantes: ON Semiconductor y Texas Instruments.
S – Schottky & 74xx TTL (No se recomiendan en nuevos diseños).
– S ofrece el doble de velocidad que LS pero a costa de un mayor consumo.
– 74xxx combina velocidad, consumo y un valor de corrientes adecuado para
muchas aplicaciones.
– Fabricantes: Texas Instruments.
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Tema 7 – Introducción a la Electrónica Digital. Familias Lógicas Rev 0
ANEXO VII.IV - NOMENCLATURA EN DISPOSITIVOS DIGITALES
TTL
•
•
•
•
•
DD54YYYXXX – DD74YYYXXX
DD - Prefijos identificativos de fabricantes:
– SN : Texas Instrument.
– MN : Motorola.
– DM : National
– N : Signetics
– P : Intel
– H : Harris
– AMD : Advanced Micro Devices
Numeración:
– 54: rango de temperatura militar (-55º … 125ºC)
– 74: rango de temperatura comercial (-40º … 85ºC)
YYY: S, LS, AS, ALS, …
XXX: función lógica
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