Escalas de integración

1.-/ ESCALAS DE INTEGRACIÓN DE LOS CIRCUITOS LÓGICOS
SSI, MSI, LSI Y VLSI
La rapidez del desarrollo tecnólogico ha dado lugar a que se puedan integrar
simultáneamente en un mismo dispositivo un número determinado de puertas entre sí,
que realizan una función concreta, así a principio de los años sesenta llegó la aparición
del circuito integrado
A partir de entonces se han ido mejorando las técnicas de fabricación de forma
espectacular, hasta llegar a la actualidad, donde es posible encontrar en una superficie
de algo más de 1 cm cuadrado cientos de miles de puertas lógicas.
Dependiendo del número de elementos puertas que se encuentren integrados en el
chip se dice que ese circuito está dentro de una determinada escala de integración.
Las escalas que aquí vamos a tratar son las siguientes:
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SSI (Short Scale Integration): Es la escala de integración mas pequeña de
todas, y comprende a todos aquellos integrados compuestos por menos de 12
puertas
MSI (Médium Scale Integration): Esta escala comprende todos aquellos
integrados cuyo número de puertas oscila ente 12 y 100 puertas. Es común en
sumadores, multiplexores,... Estos integrados son los que se usaban en los
primeros ordenadores aparecidos hacia 1970.
LSI (Large Scale Integration): A esta escala pertenecen todos aquellos
integrados que contienen más de 100 puertas lógicas (lo cual conlleva unos
1000 componentes integrados individualmente), hasta las mil puertas. Estos
integrados realizan una función completa, como es el caso de las operaciones
esenciales de una calculadora o el almacenamiento de una gran cantidad de
bits. La aparición de los circuitos integrados a gran escala, dio paso a la
construcción del microprocesador . Los primeros funcionaban con 4 bits (1971)
e integraban unos 2.300 transistores; rápidamente se pasó a los de 8 bits
(1974) y se integraban hasta 8.000 transistores. Posteriormente aparecieron los
microprocesadores de circuitos integrados VLSI
VLSI: (Very Large Scale Integration) de 1000 a 10000 puertas por circuito
integrado, los cuales aparecen para consolidar la industria de los integrados y
para desplazar definitivamente la tecnología de los componentes aislados y dan
inicio a la era de la miniaturizacion de los equipos apareciendo y haciendo cada
vez mas común la manufactura y el uso de los equipos portatiles.
2.-/CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS PUERTAS
INTEGRADAS
Las caraterísticas funcionales de los circuitos integrados a tener en cuenta en el
proceso de diseño, montaje, comprobación y uso, son las siguientes:
2.1.-/TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN Y TOLERANCIA
La tensión típica de los circuitos de los circuitos integrados es de 5 v. Dicha tensión es
común en las series TTL, cuya tensión oscila entre 4´75 y 5´25 v, requiriendo de esta
forma una fuente de alimentación bien filtrada y estabilizada. Las puertas CMOS
poseen un margen de alimentación mucho más amplio (entre 3 y 18 v), y no requieren
ni estabilidad ni ausencia de rizado en estas.
2.2.-/ TEMPERATURA MÁXIMA DE TRABAJO:
Existe un intervalo de temperaturas para el cual está garantizado el funcionamiento de
los circuitos integrados digitales: el intervalo "normal" de funcionamiento va de -40ºC a
85ºC para CMOS y de 0ºC a 70ºC en TTL (en ambos casos con indicativo 74).
Existen, además, series denominadas "militares" para aplicaciones que requieren
mayor rango de temperaturas, de -55ºC a 125ºC se distinguen porque su numeración
empieza por 54 y su encapsulado es cerámico.
Ha de tenerse en cuenta que las características de una puerta lógica varían
fuertemente con la temperatura; en general empeoran al aumentar la temperatura, lo
cual se refleja en reducción de los márgenes de ruido y de la velocidad de trabajo y en
aumento del consumo. El mismo circuito desprende calor, como consecuencia de la
disipación de la energía que utiliza en su funcionamiento, y causa una elevación de su
propia temperatura que, en ocasiones, puede ser importante. Por ello, el diseño de un
sistema digital ha de tener en cuenta el rango de temperaturas en el que va a trabajar
y, si es preciso, debe incluir un mecanismo de refrigeración adecuado.
Otra indicación de temperatura que proporcionan los catálogos es el rango que
soportan los circuitos integrados para su almacenamiento, que suele ser de -65ºC a
150ºC
2.3.-/ FAN – OUT:
Este término se emplea para indicar el máximo número de entradas que se pueden
conectar a un determinado circuito. Está relacionado directamente con la máxima
corriente que puede circular por la salida de un determinado circuito digital, expresada
en unidad de carga (la corriente máxima que circula por una entrada de la puerta
básica de la familia lógica considerada).
Si una puerta tiene un fan-out de 15 , lo que nos quiere decir es que no se pueden
conectar más de 10 entradas a esa salida (siempre de la misma familia)
La familia lógica TTL tiene un fan-out de 10, mientras que la familia lógica CMOS tiene
un fan-out de 50.
2.4.-/ NIVELES DE TENSIÓN DE ENTRADA Y SALIDA:
Dada una determinada familia lógica con una alimentación concreta, existirán una serie
de valores de tensión para la entrada mediante los cuales ésta podrá discernir el valor
de voltaje que por ella introduzca interpretándolo como nivel bajo, "0" lógico o nivel
alto, "1" lógico.
A la salida sucede igualmente, es decir, habrá dos niveles de tensión que delimitarán el
estado Alto o Bajo de ella.
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Cualquier valor comprendido entre +2,5 y la alimentación (=+5V) apli-cada a la
entrada de una puerta lógica, ésta lo interpretará como un "1" lógico. Por lo
que existe un valor mínimo para la tensión del estado alto que denominamos
VIHmin. (El valor máximo para el nivel alto en la entrada coincide
aproximadamente con la alimentación).
Igual podemos decir que, cuando la tensión en una de sus entradas está
comprendida entre 0 y +1,5 V., la puerta interpretará que se trata de un "0"
lógico; por lo tanto existe un valor máximo de tensión a la entrada que
representa un "0" lógico y que denominamos VILmax.
Para la salida, en 0: una puerta que responde con un nivel alto ("1" lógico) el
valor de la tensión estará comprendido entre +3 y +5V.
Cuando el valor de la tensión de salida está comprendido entre 0 y +1 voltio, se
interpreta que hay un "0" lógico, por lo que valor máximo a la salida para
niveles bajos VOLmax es de 1V y entra dentro de los valores admitidos a la
entrada como niveles bajos.
Con un valor de tensión la entrada, comprendido entre +1,5 y +2,5 V no hay
garantía de que la puerta lo interprete correctamente.
A la salida, una puerta que dé una tensión, comprendida entre +1 y +3 V no
funciona de manera correcta dado que puede entregar un valor a la entrada de
la siguiente puerta, dentro de un rango prohibido.
2.5.-/ MARGEN DE RUIDO
El ruido es un tema de vital importancia, que se debe tener presente en el diseño de
sistemas electrónicos, tanto analógicos como digitales. En muchas ocasiones, el ruido
es fuente de problemas para el diseñador, ya que no es fácil conocer el origen del
mismo y sus efectos sobre el equipo o sistema diseñado.
Se entiende por ruido toda perturbación no voluntaria que pueda modificar de forma
inadecuada los niveles de salida de un integrado, es decir, que aparezca en una salida
un nivel de tensión alto cuando debería ser bajo o viceversa. Las fuentes de ruido más
importantes suelen ser:
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Ruido ambiental, radiado en las cercanías del sistema digital. Algunos ejemplos
son: motores con escobillas, contactores, relés, máquinas de soldadura, etc.
Ruido exterior al sistema digital, que se acopla por la fuente de alimentación.
Picos en la alimentación provocados por cambios bruscos de consumo. Por
ejemplo, conmutaciones sobre líneas de alterna o continua con cargas fuertes.
Ruido acoplado en conexiones o- líneas cercanas.
Ruido producido por reflexiones y oscilaciones en líneas mal adaptadas.
Los tipos de acoplo entre las fuentes de ruido y el circuito susceptible a él son:
Acoplo por impedancia común.
Acoplo magnético o inductivo.
Acoplo electrostático
Acoplo por radiación
El ruido se puede presentar en un sistema digital de dos formas:
Como una tensión de variación aleatoria, pero con una cierta componente
continua (o pulsos de larga duración) que se suma algebráicamente a los
niveles de las tensiones del circuito sacando a éstas de sus márgenes
permitidos Este tipo de ruido se denomina ruido en continua (D. C.) o
analógico.
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Como impulsos de menor duración que, según su amplitud, pueden ser
interpretados como niveles altos o como bajos. Este tipo de ruido, cuyo camino
de acoplo suele ser capacitivo, se denomina ruido en alterna (A. C.).
En determinados casos, cuando el nivel de ruido es del orden de magnitud de la señal
eléctrica, esta puede llegar a ser enmascarada con el con-siguiente mal funcionamiento
del circuito, como veremos a continuación:
Supongamos que a la salida de la puerta A, hay un "0" lógico, esto significa que la
tensión en ese punto puede ser cualquier valor comprendido entre 0 y +1 Voltio, como
a la entrada de la puerta B cualquier valor comprendido entre 0 y +1,5 Voltios.
Lo interpreta como "0" lógico estaría dentro del margen de seguridad, pero si la puerta
A generase una cantidad de ruido mayor a 0,5 Voltios, o la entrada a la puerta B lo
captase, significaría esto que la entrada de la puerta B se encontraría con una tensión
mayor de +1,5 Voltios que es la VILmax que nos garantiza el buen funcionamiento del
circuito; luego podemos decir que el margen de ruido permitido (en las peores
condiciones) es de 0,5 V. O lo que es lo mismo, la inmunidad al ruido para niveles
bajos es de 0,5 V.
Como el ruido puede hacer que la señal eléctrica aumente o disminuya su valor como
indica la figura anterior para un nivel alto de salida en la puerta A de +3 V está dentro
del margen de entrada aceptado por la puerta B no estaría garantizado, por lo que
igualmente la inmunidad al ruido a nivel alto sería también 0,5 V.
Resumiendo podemos decir que los márgenes entre VOLmax, VILmax por un lado y
VOHmin, VIHmin por otro han de ser lo más grande posible posible al objeto de que un
circuito sea lo más inmune posible al ruido y tenga las máximas garantías de
funcionamiento.
2.6.-/ TIEMPO DE PROPAGACIÓN MEDIO:
Definimos como tiempo de propagación el tiempo transcurrido desde que la señal de
entrada pasa por un determinado valor hasta que la salida reacciona a dicho valor.
vamos a tener dos tiempos de propagación:
Tplh = Tiempo de paso de nivel alto a bajo: es el tiempo entre un determinado punto
del impulso de entrada y el correspondiente impulso de salida, cuando la salida cambia
de 0 a 1.
Tphl = Tiempo de paso de nivel bajo a alto: es el tiempo entre un determinado punto
del impulso de entrada y el correspondiente impulso de salida, cuando la salida cambia
de 1 a 0.
Como norma se suele emplear el tiempo medio de propagación, que se calcula como:
Tpd = (Tphl + Tplh)/2
2.7.-/ DISIPACIÓN DE POTENCIA
Teniendo presente que los niveles de tensión de entrada y salida de los circuitos
digitales pueden adoptar dos valores perfectamente definidos (L o H) y la disipación de
potencia para cada uno de estos dos estados es diferente, la disipación de potencia en
circuitos digitales se define bajo las condiciones de un ciclo de trabajo del 50 %; es
decir, trabajando en un régimen en que la mitad del tiempo hay niveles bajos y la otra
mitad niveles altos.
Si se llama PL, a la potencia disipada cuando hay un nivel bajo Y PH a la potencia
disipada ante un nivel alto, se tendrá que la potencia media total, PT, valdrá:
Cuanto menor sea el consumo por puerta lógica, para una determinada tecnología de
fabricación, mayor será el número de puertas que se podrán integrar sobre un mismo
chip sin superar los límites de disipación del sustrato del mismo. De ahí la importancia,
para altas densidades de integración, de que la disipación de potencia sea lo menor
posible.
Desde el punto de vista global de un equipo digital, la potencia disipada es un
parámetro importante (que depende del consumo de cada uno de los elementos que lo
constituyen), que deberá reducirse en la medida de lo posible, ya que ello supone
minimizar los costos de refrigeración, fuente de alimentación y líneas de distribución.
En algunas tecnologías apenas existe consumo de energía cuando los niveles de
tensiones no varían, pero sí que existe cuando se producen transiciones de nivel alto a
bajo o viceversa. En estos casos es común distinguir entre disipación de potencia en
condiciones estáticas (sin transiciones entre niveles) y en condiciones dinámicas (con
transición de niveles). En este último caso la disipación de potencia depende
fuertemente de la rapidez de las transiciones de niveles, es decir, de la frecuencia de
las señales involucradas.
3.-/ FAMILIA TTL
La familia lógica transistor-transistor es la más usada. Todos los fabricantes de cierta
importancia tienen una línea de productos TTL y, en general, los Cl TTL son producidos
por casi todas las compañías. La familia TTL consta a su vez de las siguientes
subfamflias:
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TTL
TTL
TTL
TTL
TTL
estándar
de baja potencia o bajo consumo
de alta velocidad
Schottky
Schottky de baja potencia
TTL es estandar
El circuito funciona con una alimentación única de + 5V, ± 5 % y es compatible con
todos los circuitos de otras subfamilias TTL, así como también con la familia lógica
DTL. Tiene un retraso típico de 10 ns, temperatura de trabajo de 0ºC a 70ºC, fan-out
de 10, margen de ruido en estado 0 y en 1 de 400 mV, una potencia de disipación de
10 mW or puerta y una frecuencia maxima para los flip-flop de 35 MHz. Corresponde a
la serie SN 54174 de Texas, conocida y utilizada mundialmente.
TTL de baja potencia " LPTTL, serie 54174 L)
Tiene un retraso de propagación típico de 33 ns, una potencia de consumo por puerta
de 1 mW y una frecuencia máxima de 3 MHz de funcionamiento para los flip-flop. Su
empleo se especializa en aplicaciones de bajo consumo y mínima disipación.
TTL de alta velocidad (HTTL, Serie SN 54 H174 H)
Los parámetros típicos de esta subfamilia son: retraso en la propagación por puerta de
6 ns, consumo de 22 mW por puerta y frecuencia operativa máxima de flip-flop de 50
MHz.
TTL Schottky” (STTL, Serie SN 54 S/74/S)
El circuito TTI, Schottky ha sido uno de los más recientes desarrollos y constituye el
más rápido de las subfamilias TTL, aproximándose su velocidad a la familia lógica ECL.
Se caracterizan por su rapidez, ya que no almacenan cargas y porque son muy
sencillos de fabricar.
El circuito es similar al TTL de alta velocidad, pero la base de cada transistor está
conectada al colector a través de un diodo de Schottky. El diodo actúa como desviador
de] exceso de corriente de base cuando el transistor se activa, y guarda una carga
almacenada, evitando la saturación de los transistores. La ausencia de-una carga
almacenada reduce el tiempo del cambio del transistor y aumenta la velocidad del
circuito. La subfamilia Schottky tiene una propagación típica de 3 ns, un consumo de
19 mW y una frecuencia máxima de flip-flop de 125 MHz.
TTL Schottky de baja potencia- (LSTTL, Serie 54 LS174 LS)
El circuito TTL Schottky de baja potencia es el Uiás reciente de la familia TTL y con él
se ha intentado llegar a un compromiso entre la velocidad y la potencia consumida..
Tiene una propagación típica de 10 ns (igual que la TTL estándar) y un consumo por
puerta de sólo 2 mW, con una frecuencia máxima de flip-flop de 35 MHz.
FAMILIA CMOS
La familia lógica de MOS complementarios está caracterizada por su bajo consumo. Es
la más reciente de todas las grandes familias y la única cuyos componentes se
construyen mediante el proceso MOS. El elemento básico de la CMOS es un inversor.
Los transistores CMOS tienen características que los diferencian notablemente de los
bipolares:
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Bajo consumo, puesto que una puerta CMOS sólo consume 0,01 mW en
condiciones estáticas (cuando no cambia el nivel). Si opera con frecuencias
elevadas comprendidas entre 5 y 10 MHz, el consumo es de 10 mw.
Los circuitos CMOS poseen una elevada inmunidad al ruido, normalmente sobre
el 30 y el 45 % del nivel lógico entre el estado 1 y el 0. Este margen alto sólo
es comparable con el de la familia HTL.
Con las ventajas reseñadas, la familia CMOS se emplea en circuitos digitales
alimentados por baterías y en sistemas especiales que tienen que funcionar durante
largos períodos de tiempo, con bajos niveles de potencia. La elevada inmunidad al
ruido es la ventaja principal para su aplicación en los automatismos industriales.
Las desventajas que sobresalen en la familia CMOS son su baja velocidad, con un
retardo típico de 25 a 50 ns o más, especialmente cuando la puerta tiene como carga
un elemento capacitivo; también hay que citar que el proceso de fabricación es más
caro y complejo y, finalmente, la dificultad del acoplamiento de esta familia con las
restantes.
Una característica muy importante de la familia CMOS es la que se refiere al margen de
tensiones de alimentación, que abarca desde los 3 a los 15 V, lo que permite la
conexión directa de los componentes de dicha familia con los de la TTL, cuando se
alimenta con 5 V a los circuitos integrados CMOS.
La serie 4000 de circuitos integrados CMOS es muy popular y consta, entre otros, de
los siguientes modelos.
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4000
4001
4002
4011
4012
4013
4015
4017
4020
4023
4025
4027
4028
4035
4042
4043
4044
4049
4051
4052
4068
4069
4070
4071
4072
4081
Dos puertas NOR de 3 entradas y un inversor.
4 puertas NOR de 2 entradas.
2 puertas NOR de 4 entradas.
4 puertas NAND de 2 entradas.
2 puertas NAND de 4 entradas.
2 biestables tipo D.
2 registros de desplazamiento de 4 bits.
Divisor-contador de décadas con 10 salidas.
Contador binario de 14 etapas.
3 puertas NAND de 3 entradas.
3 puertas NOR de 3 entradas.
2 bíestables J-K.
Decodificador BCD/decimal.
Registro de desplazamiento con entrada serie/paralelo y salida paralelo.
4 registros D.
4 RS con puertas NOR.
4 RS con puertas NAND.
6 buffer inversores.
Multiplexor/demultiplexor analógico de 8 canales.
2 multiplexores/demultiplexores de 4 canales.
Una puerta NAND de 8 entradas.
6 inversores.
4 puertas EOR de 2 entradas.
4 puertas OR de 2 entradas.
2 puertas OR de 4 entradas.
4 puertas AND de 2 entradas.
Dentro de la familia CMOS, se ha citado la serie 4000, que se caracteriza por tener una
tensión de alimentación de 3 a 18 V, un consumo por puerta de 2,5 nW y un tiempo de
propagación por puerta de 40 ns. En el mismo grupo hay dos subfamilias, cada vez
más empleadas, que son:
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HCMOS (CMOS de Alta Velocidad), con tensión de alimentación éntre 2 y 6 V,
consumo de 2,5 nW y tiempo de retraso de 9 ns. Es la serie 74HC.
HCMOS (CMOS de alta velocidad y compatible con TTL), con tensión de
alimentación de 5 V, consumo de 2,5 nW y tiempQ de retraso por puerta de 9
ns.. Es la serie 74HCT.
Así como cuando se trabaja con puertas TTL si una entrada no utilizada se deja sin
polarizar actúa como entrada con nivel alto, en las de tecnología CMOS se deben de
unir directamente a la alimentación o a masa, según se desee se comporten con nivel
alto o bajo, respectivamente.
A continuación se exponen los valores más relevantes de los parámetros de la familia
CMOS, alimentada a 5 V, y los de la TTL.