Circuito integrado

Universidad Nacional “San Luís Gonzaga” – Ica
FACULTAD DE ING. ELECTRONICA
“AÑO DE LA INTEGRACION NACIONAL Y EL
RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”
FACULTAD DE INGENIERÍA MECANICA Y ELECTRICA
ESCUELA DE ING. ELECTRONICA
TEMA: CIRCUITOS INTEGRADOS
CURSO
: Dibujo electrónico I
DOCENTE
: ING. Román Munive Wilder
CICLO
: IIEE2
ALUMNO
: Pérez Castilla Raúl Ricardo
II Ciclo
Universidad Nacional “San Luís Gonzaga” – Ica
FACULTAD DE ING. ELECTRONICA
PRESENTACION
En este trabajo se explicara sobre los circuitos integrados,
componentes electrónicos q hoy en día son los más usados
para fabricar cualquier artefacto, inventos con tecnología de
punta, además con estos componentes llamados chips se nos
hace la vida más útil; ya que son muy pequeños y con grandes
ventajas, funciones, etc.
Estos circuitos integrados (CI) hoy en día tienen mayor uso que
otros componentes, ya que esta conformando en su interior por
resistencias, condensadores y hasta transistores. Esto explica
porqué hay aparatos tan pequeños con múltiples funciones.
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CIRCUITOS INTEGRADOS
1.- Concepto
Los circuitos integrados digitales (CI) son un agrupamiento de resistencias, diodos y
transistores fabricados en una sola pieza de material semiconductor (generalmente
silicio) denominado sustrato, que comúnmente recibe el nombre de chip (circuito
integrado). El chip se encuentra dentro de un receptáculo plástico o cerámico del cual
se extienden pines para conectar el CI con otros dispositivos. Uno de los tipos más
comunes de receptáculo es el dobleen línea (DIP),denominado así porque contiene
dos filas paralelas de pines. Los pines se enumeran en el sentido contrario a las
manecillas del reloj, cuando se ve desde arriba del receptáculo con respecto a una
muesca o un punto de identificación en un extremo del receptáculo. El DIP puede ser
un receptáculo de 14 pines que puede medir desde menos de 1cm hasta 3cm,también
se usan receptáculos de 16, 20,24, 28, 40, y 64 pines.
El chip de silicio está conectado a los pines del DIP mediante alambres muy finos (1
milésima de pulgada de diámetro). El DIP probablemente es el receptáculo de CI
digital más común que se puede encontrar en un equipo digital viejo, pero otros tipos
se están popularizando cada vez más.
Los CI digitales con frecuencia se clasifican de acuerdo a la complejidad de su
circuitería, ya que se miden por el número de compuertas lógicas equivalentes en el
sustrato. Los CI más simples son chips SSI (integración de pequeña escala;
smallscaleIntegration), que tienen un número pequeño de compuertas. En los sistemas
digitales modernos los dispositivos con integración a mediana escala (MSI) y grandes
escalas (LSI, VLSI, ULSI, GSI) realizan la mayoría de las funciones que en alguna
ocasión requerirían varias tarjetas de circuito impreso llenas de dispositivos SSI.
2.-Circuitos integrados bipolares y unipolares
Los CI digitales también se pueden clasificar de acuerdo al tipo principal de
componente electrónico usado en su circuitería. Los CI bipolaresson los que se hacen
empleando el transistor bipolar de unión (NPN Y PNP) como el elemento principal del
circuito. Los CI unipolaresson los que incluyen el transistor unipolar de efecto de
campo (MOSFET de canal P y canal N) como elemento principal.
La familia TTL (lógica transistor–transistor; transistor–transistor logic)ha sido la familia
principal de CI digitales bipolares durante más de 30 años. La estándar 74 fue la
primera serie de CI TTL. Ya no se usa en diseños nuevos y ha sido reemplazada por
varias series TTL de mayor desempeño, pero su configuración básica de circuito forma
la base para todas las series CI TTL. Esta configuración de circuito se muestra en la
figura para el INVERSOR TTL estándar. Observe que el circuito contiene varios
transistores bipolares como elemento principal del circuito
Circuito INVERSOR CMOS
Circuito INVERSOR TTL
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La TTL fue la familia de CI líder en las categorías SSI y MSI durante los diez años
pasados. Desde entonces su posición de líder se ha visto amenazada por la familia
CMOS, la cual ha desplazado gradualmente a la familia TTL de esa posición. La
familia CMOS (semiconductor metal–óxido complementario; Complementary metal–
oxide semiconductor)pertenece a la clase de CI digitales unipolares debido a que usa
MOSFET de canal P y N como elementos principales del circuito. Si comparamos los
circuitos TTL y CMOS de la figura anterior, es claro que en la versión CMOS se usan
menos componentes. Esta es una de las ventajas principales que tiene la familia
CMOS sobre la TTL.
3.-La familia TTL
Actualmente la familia lógica TTL consta de varias subfamilias o series. En la tabla se
lista el nombre de cada serie TTL junto con la designación del prefijo usado para
identificar a qué serie pertenecen los diferentes CI.
Por ejemplo, los CI que son parte de la serie TTL estándar tienen un número de
identificación que inicia con 74, los 7402, 7438, y 74123 son CI que pertenecen a esta
serie. De la misma manera, los CI que son parte de la serie TTL aSchottky de baja
potencia tiene un número de identificación que inicia con 74LS. Los 74LS02, 74LS38 y
74LS123 son ejemplos de dispositivos de la serie 74LS.
Las diferencias principales en las diversas series TTL tienen que ver con sus
características, tales como disipación de potencia y velocidad de conmutación. Los
circuitos no difieren en la disposición de los pines u operaciones lógicas que realizan
los circuitos en el chip. Por ejemplo, los CI 7404, 74S04, 74LS04, 74AS04 y 74ALS04
son todo hexa–INVERSORES, cada uno con seis INVERSORES en un solo chip.
En la actualidad, los CI de pequeña a mediana escala (SSI y MSI) aún existen en la
serie de tecnología estándar TTL que ha estado en el mercado durante más de 30
años. La familia TTL, en general, está en declive, manteniéndose aun en el mercado
para suministrar repuestos de equipos lógicos que los emplean o para docencia
debido a su gran variedad de compuertas y dispositivos lógicos. Esta serie original de
dispositivos y sus descendientes en la familia TTL han tenido una tremenda influencia
en las características de todos los dispositivos lógicos modernos. El circuito lógico TTL
básico es la compuerta NAND, como se muestra en la figura (a). No obstante que la
familia TTL estándar está casi obsoleta, se puede aprender mucho acerca de
elementos más actuales estudiando la circuitería original en su forma más simple. Las
características de las entradas TTL provienen de la configuración de emisor múltiple
(unión de diodos) del transistor Q1 (figura b).
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La polarización en directo de cualquiera (o ambas) de estas uniones de diodos
activará Q1. Sólo cuando todas las uniones están polarizadas inversamente el
transistor estará desactivado. Este transistor de entrada de emisor múltiple puede
tener hasta ocho entradas para una compuerta NAND de ocho entradas. En las figuras
veremos la compuerta NAND en sus estados de salida.
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Asimismo, note que en el lado de salida del circuito los transistores Q3 y Q4 están en
un arreglo de tipo tótem pole. El tótem pole se compone de dos interruptores de
transistores Q3 y Q4. La función de Q3 es conectar VCC a lasalida haciendo un ALTO
lógico (Q4 genera un circuito abierta). La función de Q4 es conectar la salida a
tierra,haciendo un BAJO lógico (Q3 genera un circuito abierta).
En la figura anterior se muestra la operación de ambos transistores de salida, Q3 y Q4,
para generar los ALTOS oBAJOS lógicos dependiendo de las condiciones de entrada.
4.-La familia CMOS
La serie 4000 es la serie CMOS másantigua; contiene muchas de las mismas
funciones lógicas que la familia TTL, pero no fue diseñada para sercompatible con los
pines de los dispositivos TTL. Por ejemplo, el chip cuádruple NOR 4001 contiene
cuatrocompuertas NOR de dos entradas, igual que el chip TTL 7402, pero las entradas
y salidas de las compuertas en elchip CMOS no tendrán el mismo número de pines
que las señales correspondientes en el chip TTL.Las series 74C, 74HC, 74HCT, 74AC
y 74ACT son series CMOS recientes. Las tres primeras tienen pinescompatibles con
dispositivos TTL correspondientemente numeradas. Por ejemplo, los 74C02, 74HC02,
y 74HCT02tienen la misma configuración de pines que los 7402, 74LD02, etc. Las
series 74HC y 74HCY operan a menorvelocidad que los dispositivos 74C. La serie
74HCT está diseñada para ser electrónicamente compatible condispositivos TTL; es
decir, un circuito integrado 74HCT se puede conectar directamente a dispositivos sin
ningunacircuitería de interfaz. Las series 74AC y 74ACT son CI de desempeño
avanzado. Ninguna tiene pines compatiblescon la serie TTL.
La configuración que se conoce como un arreglo “complementario” de MOSFET y se
abrevia “CMOS”; tiene extensas aplicaciones en el diseño de lógica de computación.
La impedancia de entrada relativamente alta, las rápidas velocidades de conmutación
y los bajos niveles de potencia de operación de la configuración CMOS dan por
resultado una disciplina totalmente nueva que se llama “diseño lógico CMOS”.
Al observar la figura (a), un inversor es un arreglo complementario de uso muy
efectivo. Esto es, si los niveles lógicos de operación son 0 V (BAJO) y 5 V (ALTO), un
nivel de entrada de 0 V dará por resultado un nivel de 5V y viceversa. Se observa en la
figura (a) que ambas entradas están conectadas a la señal de entrada y los
dosdrenajes a la salida VO. La fuente del MOSFET de canal–p (Q2) está conectada
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directamente al voltaje aplicado VSS, mientras que la fuente del MOSFET de canal–n
(Q1) está conectada a tierra.
Para los niveles lógicos definidos arriba, la aplicación de 5 V en la entrada debe dar
por resultado una salida aproximada de 0 V. Con 5 V en Vi (respecto a la tierra), VGS
1 = Vi y Q1 está “encendido”, dando por resultado una resistencia muy baja entre el
drenaje y la fuente, como se muestra en la figura (b). Ya que Vi y VSS están en 5 V,
VGS = 0 V, lo cual es menor que el VT necesario para el dispositivo y da por resultado
un estado “apagado”. El nivel de resistencia resultante entre el drenaje y la fuente es
muy alto para Q2, como se muestra en la figura (b). Una aplicación simple de la regla
del divisor de voltaje indicará que V0 se encuentra muy cerca de 0 V o en el estado
BAJO, estableciendo el proceso de inversión deseado. Para un voltaje aplicado de 0 V
(BAJO), VGS = 0 y Q1 estará apagado con VSS = –5 V, encendiendo el MOSFET de
canal–p. El resultado consiste en que Q2 presentará un pequeño nivel de resistencia y
Q1 una gran resistencia y V0 = VSS = 5 V (ALTO). Debido a que la corriente de
drenaje que fluye en cada caso está limitada por el transistor “apagado” en el valor de
fuga, la potencia que disipa el dispositivo en cada caso es muy baja.
FIGURA (a)
Figura (b)
4.1.- Características CMOS
La familia CMOS de circuitos integrados compite directamente con la TTL en las áreas
de integración de pequeña y mediana escala SSI y MSI). Como la tecnología CMOS
ha producido cada vez mejores características de desempeño gradualmente ha
tomado el campo que dominaron los TTL durante mucho tiempo. Los dispositivos TTL
estarán en el mercado por cierto tiempo más, pero en equipos nuevos se usarán cada
vez más los circuitos lógicos
CMOS.
Los circuitos integrados CMOS no sólo proporcionan las mismas funciones lógicas
disponibles en los TTL, sino que también ofrecen funciones de propósito especial que
no poseen los TTL. Se han desarrollado varias series CMOS deferentes con el paso
del tiempo, ya que los fabricantes han buscado mejores características de desempeño.
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Antes de mencionar las diversas series, será útil definir algunos términos que se
emplean cuando se agrupan circuitos integrados de familias o series diferentes, o
como reemplazo entre sí.
a) Compatibilidad de pines: Dos CI tienen compatibilidad de pines cuando sus
configuraciones de pines son iguales. Por ejemplo, el pin 7 en ambos CI es “Tierra”, el
pin 1 en ambos es una entrada para el primer INVERSOR, etc.
b) Funcionalmente equivalentes: Dos CI son funcionalmente equivalentes cuando
las funciones lógicas que realizan son exactamente las mismas. Por ejemplo, ambos
contienen cuatro compuertas NAND de dos entradas, o ambos contienen seis flip-flop
tipo “D” con disparo por reloj en el borde positivo.
c) Eléctricamente compatible: Dos CI son eléctricamente compatibles cundo se
pueden conectar directamente uno en lugar del otro sin tomar ninguna medida
especial para asegurar su operación adecuada.
4.2.- Series CMOS
La serie CMOS con más antigüedad es la 4000, que introdujo por primera vez la
compañía RCA y su serie 14000 funcionalmente equivalente de Motorola. Los
dispositivos en la serie 4000 / 14000 tienen una disipación de potencia muy baja y
pueden operar sobre un amplio rango de voltajes d la fuente de alimentación (de 3 a
15 V). Son muy lentos en comparación con las series TTL y otras series CMOS y
tienen capacidades de corriente de salida muy bajas. No tienen compatibilidad de
pines o eléctrica con alguna serie TTL. Los dispositivos de las series 4000 / 14000 rara
vez se usan en nuevos diseños, excepto cuando se disponen de un CI para un
propósito especial que no se consigue en otras series.
Existen otras series más modernas y de variadas aplicaciones como las siguientes:
Serie 74C…: Esta serie compatibilidad de pines y es funcionalmente equivalente a los
TTL con el mismo número.
Serie 74C/HCT…: Esta es una versión mejorada del 74C con una velocidad de
conmutación 10 veces mayor.
Serie 74AC/ACT...: Esta serie es de tecnología CMOS avanzada
Serie 74HC/AHCT…: Esta serie, semejante a la anterior, mayor velocidad, menor
disipación y consumo de potencia.
Estructura interna de un CI
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