Familias Lógicas - onubaelectronica

FAMILIAS LÓGICAS INTRODUCCIÓN
Todo diseñador de electrónica digital se ha hecho alguna vez la pregunta ¿qué
tecnología digital será la más apropiada para este diseño? En una primera
aproximación, es fácil elegir entre tecnología TTL o CMOS simplemente basándonos
en el consumo que pretendamos que tenga el diseño; pero a partir de ahí es donde
empiezan los problemas: actualmente existen fundamentalmente seis subfamilias TTL y
cuatro CMOS, cada una de ellas con unas características diferentes que las hacen
propicias para cada tipo de aplicación.
A la vista de esto podemos llegar a la conclusión de que es imprescindible para el
diseñador conocer a fondo cada una de estas tecnologías, entendiendo por esto no sólo
sus características funcionales sino también el porqué de las mismas.
Veremos cómo los fabricantes, al desarrollar una nueva tecnología, han perseguido la
reducción del parámetro "producto potencia disipada retardo de propagación" que,
como veremos, determina la calidad de la familia lógica; además, se han ido mejorando
otras características más secundarias.
El desarrollo de este trabajo consta de las siguientes partes:
- Tecnologías TTL: breve descripción de las subfamilias fundamentales de esta
tecnología: estándar, S, LS, ALS, AS y FAST.
- Tecnologías CMOS: breve descripción de las familias de fabricación CMOS: 4000,
HE4000, HCMOS y ACL.
- Conclusiones: En este apartado se incluye una breve comparación de las familias
lógicas estudiadas.
1.- FAMILIA TTL ESTÁNDAR
La familia lógica TTL-Estándar (TTL = transistor-transistor logic o lógica transistortransistor) es una familia "saturante" de TTL caracterizada fundamentalmente por su
rapidez.
Es saturante porque la mayor parte de los transistores que la forman trabajan en cortesaturación. Estos transistores conducen tan pronto como la corriente de base sea
suficiente para hacer que la intensidad de colector sea la de saturación. Pero el
funcionamiento no suele ser así. Normalmente, un transistor con ganancia en corriente
elevada requiere una considerable corriente de base lo que favorece la entrada en
saturación del transistor. Cuando queremos que el transistor pase al corte, el exceso de
carga acumulado en la base tarda en desalojarse, lo que contribuye a que los tiempos de
conmutación del transistor sean mayores.
Una de las mejoras introducidas por la familia TTL-Estándar es la utilización de un
transistor de entrada multiemisor que favorece el paso del estado de saturación al de
corte, retirando la carga almacenada en la base del transistor durante la saturación.
2.- FAMILIA TTL-SCHOTTKY
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 trabaja en
corte-saturación y es difícil evacuar el exceso de carga almacenada en la región de base
durante la saturación.
Este problema tiene solución con la aparición de la familia TTL-Schottky. Se trata de
evitar que los transistores alcancen el estado de saturación. De esta manera se reduce el
exceso de carga en la región de base, de forma que se tardará menos en evacuarla
cuando el transistor intente pasar al corte, lo que se traduce en un aumento considerable
de la velocidad.
3.- FAMILIA TTL-LS
Con la familia TTL-S habíamos conseguido un gran aumento de velocidad de
conmutación con respecto a la TTL-Estándar, pero también se había aumentado la
corriente que circulaba por la puerta y, por lo tanto, su consumo de potencia. A partir de
la TTL-S se obtuvo la familia TTL-LS; TTL Schottky de baja potencia (TTL-Low
Power Schottky). Con esta familia se obtiene un consumo menor de potencia, pero se
reduce la velocidad de conmutación.
A pesar de esto, la velocidad que se ha obtenido es muy parecida a la de la TTLEstándar pero el consumo de potencia se ha reducido en un factor de cinco.
La familia TTL-LS, como descendiente de la familia TTL-S, sigue utilizando el diodo
Schottky.
4.- FAMILIA TTL-ALS
La familia "Schottky de baja potencia avanzada" (Advanced Low-power Schottky,
ALS) es una de las más avanzadas de la familia TTL. En ésta se aumenta dos veces la
eficiencia de conducción y se ofrece más del 50 % de reducción de potencia en
comparación con la familia TTL-LS. Con esta familia se mejora el producto PotenciaVelocidad.
Vamos a explicar el por qué de la importancia del producto Potencia-Velocidad. El
producto Potencia-Velocidad (power-speed) es un sistema de medida (cuya unidad es el
picojulio) utilizado en los circuitos donde la velocidad y la potencia son factores muy
importantes.
En los circuitos digitales vistos hasta ahora, hemos observado que siempre 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) y aumentar la velocidad de conmutación (con lo cual
la información será transmitida más rápidamente). Por eso, el producto potenciavelocidad es muy importante.
Lo ideal sería tener un circuito con un producto Potencia-Velocidad = 0.
En los ALS el producto potencia-velocidad es unas cuatro veces menor que en TTL-LS
Y alrededor de veinte veces menor que en TTL. Los circuitos ALS ofrecen, entre otras,
las siguientes ventajas adicionales:
· Compatible con las familias 74, 74S, 74LS.
· Corriente de entrada reducida al 50 % respecto a TTL-Estándar.
5.- FAMILIA TTL-AS
En el capítulo anterior vimos que la familia TTL-ALS ofrecía una serie de ventajas con
respecto a la familia TTL-LS. Por otro lado, según lo visto hasta ahora, la familia
lógica que nos ofrece una mayor rapidez es la TTL-Schottky (TTL-S). Con el fin de
mejorar las características de TTL-S surge la familia TTL-Advanced Schottky (TTL-AS
= TTL-Schottky Avanzada).
La familia lógica TTL-AS ofrece una reducción de disipación de potencia y de retardo
de un 50 % con respecto a TTL-S, mientras que el producto Potencia-Velocidad es
reducido unas cuatro veces con respecto a esta misma familia 1.
La familia TTL-AS proporciona las siguientes ventajas adicionales:
· Reducción del 50 % de la intensidad requerida a la entrada.
· Retardos de propagación pequeños y elevadas frecuencias de reloj con relativo bajo
consumo.
6.- FAMILIA FAST
La familia FAST, donde FAST proviene de TTL Schottky Avanzada de FAIRCHILD
(FAIRCHILD Advanced Schottky TTL) es el último paso en TTL. Fue creada en la
década de los 80 y debido a su alta velocidad de conmutación puede trabajar en áreas
hasta ahora reservadas para la lógica "ECL IOK" utilizando los diseños TTL básicos y
una única alimentación de 5V. La alta impedancia de entrada de la familia FAST
permite la interconexión directa con los circuitos de las familias TTL-LS, TTL-ALS y
HCMOS en un mismo sistema.
Los circuitos FAST reducen en 1/4 la potencia que disipan con respecto a la familia
TTL-S ya sea trabajando a nivel alto o bajo mejorando además el producto PotenciaVelocidad.
La mayoría de los sistemas diseñados con circuitos TTL-S, pueden funcionar
reemplazando estos circuitos por sus equivalentes de la familia FAST.
7.- FAMILIA ECL
Como hemos visto hasta ahora, las familias lógicas que utilizan los transistores con
atrapamiento Schottky son las únicas en las que sus transistores no alcanzan la
saturación y por tanto son más rápidas (aunque el diodo Schottky aumente un poco la
capacidad de entrada del transistor correspondiente).
Desde hace muchos años existe una familia que utiliza el principio de no conseguir la
saturación de los transistores; la forma que tiene de hacerlo no es empleando diodos
Schottky en los transistores, sino mediante un diseño particular de sus circuitos
internos. Nos estamos refiriendo a la familia ECL o Lógica de Emisores Acoplados
(Emitters Coupled Logic).
La familia ECL tiene dos variantes:
· ECL serie 10000 o ECL IOK.
· ECL serie 100000 o ECL IOOK.
Ambas familias (IOK y IOOK) son prácticamente idénticas con la diferencia de que la
familia ECL IOOK es un poco más rápida que ECL IOK y además posee una mayor
estabilidad frente a variaciones de la temperatura.
Las familias ECL son las más rápidas que existen en el mercado, llegando sus retardos a
sobrepasar en muchas ocasiones un nanosegundo por puerta y la frecuencia de reloj
suele ser de 50 MHz, pudiendo llegar a las cercanías del GHz. Todo esto las hace
recomendables en contadores, comunicaciones digitales de alta velocidad, sistemas de
cálculo de alta velocidad, etc .
Por lo comentado anteriormente, la familia ECL tiene unas propiedades ideales; pero
falta comentar sus características en cuanto a la disipación de potencia. De esta manera,
si ECL es la familia más rápida que existe en el mercado, también es la familia que más
potencia disipa (20 mW por puerta), y si a esto le añadimos que su tensión de
alimentación es negativa, entonces podemos decir que no es una familia tan apetecible
como en un principio parecía, puesto que no sólo consume mucho, sino que los niveles
lógicos que proporciona no son en nada compatibles con los de las restantes familias
lógicas, por lo que los problemas en la interconexión con otras familias lógicas son
muchos.
8.- FAMILIA CMOS 4000
Es sabido el afán por conseguir velocidades de conmutación cada vez más altas en los
circuitos integrados digitales para el diseño de sistemas electrónicos. Hasta ahora, las
tecnologías bipolares (TTL) eran las únicas que satisfacían las necesidades de velocidad
y corriente. Las técnicas PMOS y NMOS no podían competir debido a su lentitud; sin
embargo, con las tecnologías mejoradas apareció la primera serie comercial de CMOS
(Complementary Symmetry / Metal Oxide Semiconductor - Semiconductor Oxido
Metal / Simetría Complementaria), dada en la serie 4000, bajo el nombre registrado de
COS/MOS. En esta familia se aplican conjuntamente las técnicas PMOS y NMOS.
Esta familia tiene velocidades más cercanas a las de la familia TTL-Estándar que PMOS
y NMOS. Como ventajas sobre las familias TTL hay que destacar que su consumo
puede ser miles, incluso millones de veces inferior, siempre y cuando las frecuencias de
trabajo no sean muy elevadas.
En esta familia se disminuye el volumen de los circuitos, aparte de que tiene una gran
inmunidad al ruido y funciona con una amplia gama de valores de tensiones de
alimentación. Hay que destacar el gran daño que pueden producir las descargas
electrostáticas en los circuitos CMOS.
9.- FAMILIA CMOS HE4000
La familia CMOS 4000 había logrado ofrecer unas características tales como un bajo
consumo de corriente, poca disipación de potencia, amplia gama de tensiones de
funcionamiento y una excelente inmunidad a ruidos. A pesar de que su velocidad de
conmutación se acercaba a las de TTL, seguía siendo muy lenta en comparación con
ésta. Posteriormente se creó la familia 74Cxx (C = CMOS) con patillaje TTL, en la que
se mejoraban las características de los CMOS 4000; pero estas mejoras no eran
suficientes.
Para que la familia CMOS pudiera ser algo más competitiva había que aumentar la
velocidad de los circuitos, pero para ello se deberían disminuir las capacidades parásitas
del integrado. Esto es lo que se consigue en los circuitos de la familia CMOS HE4000
debido a una nueva tecnología empleada en su fabricación: Tecnología de Puerta de
Silicio.
Las ventajas de la familia CMOS HE4000 son las mismas que las de la familia CMOS
4000, es decir, disipan mucha menos potencia (mientras no se trabaje a muy altas
frecuencias), se disminuye el volumen de los circuitos, tienen una gran inmunidad al
ruido, funcionan con una amplia gama de valores de tensiones de alimentación, tienen
un intervalo de temperatura de funcionamiento más amplio, tienen un fan-out elevado y
además tienen mayor velocidad.
10.- FAMILIA HCMOS
El uso de tecnologías digitales basadas en la utilización de transistores bipolares (TTL)
ha sido masivo hasta hace pocos años. Esto era así debido a las buenas características
que presentan las familias derivadas de TTL respecto a la elevada velocidad de trabajo y
a un relativo bajo consumo; todo esto mejorado con la aparición de las tecnologías
TTL-AS, TTL-ALS y FAST. La única alternativa a las familias TTL era la serie 4000
de CMOS, pero a pesar de su reducido consumo, su excesiva lentitud limitaba en buena
parte su utilización.
Desde hace pocos años está disponible la familia CMOS de alta velocidad (Highspeed
CMOS.- HCMOS). Las propiedades de las familias lógicas CMOS de alta velocidad se
han mejorado espectacularmente en relación con la serie 4000 de CMOS; de manera
que la velocidad se ha aumentado a niveles comparables con la familia TTL-LS
mientras que el consumo es del orden de un millón de veces inferior a esta familia en
régimen estático.
Todas estas propiedades hacen que esta familia se haya difundido rápidamente en el
mercado y esté sustituyendo con claridad a las familias TTL.
11.- FAMILIA ACL
Según lo visto en el capítulo anterior, parecía que la lucha por conseguir una familia
lógica con más prestaciones había llegado a su fin con la aparición de la familia
HCMOS. Todo eran ventajas: bajo consumo, muy buena velocidad, amplio margen de
tensión de alimentación y temperatura de trabajo, etc. Pero en tecnología digital, nunca
existe una familia perfecta y siempre surgen nuevas familias que mejoran las
características de la familia lógica que creíamos que era insuperable.
Lo más novedoso en tecnología CMOS es la familia lógica CMOS Avanzada (ACLAdvanced CMOS Logic). Esta familia introduce una gran mejora en velocidad y
disipación de potencia con respecto a la familia HCMOS, cosa que parecía muy difícil
cuando analizamos a esta última en el capítulo anterior.
Podemos decir que la familia lógica que mejor combina el retardo y la potencia disipada
es la familia ACL.
INTRODUCCIÓN
Concluido el estudio de las principales familias lógicas estamos en condiciones de
compararlas y ver las ventajas que aportan unas con respecto a las otras.
Efectuaremos una comparación basándonos fundamentalmente en las características
funcionales de una puerta NAND de cada familia lógica con los datos obtenidos en el
laboratorio, con el fin de acercarnos un poco más a la realidad.
Una vez visto este capítulo, tendremos suficientes elementos de juicio como para poder
seleccionar la familia lógica que más se puede adaptar a nuestras necesidades en un
futuro diseño digital.
12.- COMPARACIÓN RESPECTO A LAS CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS
Comenzaremos la comparación de las familias lógicas por sus características estáticas y
ajustándonos al siguiente guión:
· Función de transferencia.
· Características de entrada.
· Características de salida.
· Fan-out.
· Disipación de potencia.
12.1 .- FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA
Todos hemos podido observar las funciones de transferencia de las distintas familias
lógicas estudiadas. La principal conclusión que podemos sacar es que las funciones de
transferencia más ideales las aportan las familias basadas en la tecnología CMOS: 4000,
HE4000, HCMOS y ACL. Son ideales porque definen con mucha claridad, entre otros:
· El estado alto (.5 V) y el estado bajo (O V) (sin carga).
· El umbral de conmutación.
· Margen de transición (casi nulo), etc.
Por otra parte, están las funciones de transferencia de las familias lógicas con tecnología
TTL. No son tan ideales como las de las familias CMOS, pero se ve una progresión y
mejora entre ellas mismas.
Empezaremos comparando las funciones de transferencia de las familias TTL-Estándar
y TTL-Schottky.
Podemos ver que la principal diferencia está en la conmutación del estado alto al estado
bajo. En TTL-Estándar vemos que se efectúa de forma progresiva; nada aconsejable
debido a que en esa zona no tenemos un nivel lógico bien definido. Mientras, en TTL-S,
esto no ocurre gracias a la incorporación en su circuito interno de la red de encuadre
("squaring network") que no deja conducir a su transistor Q2 hasta que la tensión de la
base del mismo no sobrepase aproximadamente los 1.4 V.
Al no existir esta red de encuadre en TTL-Estándar, el transistor Q2 de su puerta básica
lo pasa directamente del corte a la saturación; por el contrario, lo hace paulatinamente
originando el desnivel característico de la parte superior de su función de transferencia.
El resto de familias lógicas TTL: TTL-LS, TTL-ALS, TTL-AS y FAST aportan una
notable diferencia (en cuanto a la función de transferencia) respecto a las familias TTLEstándar y TTL-S. Esta diferencia consiste en un nivel alto mejor definido en las
primeras. En TTL-Estándar y TTL-S el nivel alto está definido en torno a los 4 V,
mientras que en las restantes familias lógicas TTL el nivel alto está sobre los 4.5 V.
La causa de que la tensión de salida a nivel alto aumente considerablemente con
respecto a TTL-Estándar y TTL-S, está en la incorporación de la resistencia entre base y
emisor del transistor de salida Q4 (puerta básica TTL-LS). Esta resistencia impide
conducir al transistor Q4 hasta que la intensidad de salida a nivel alto (que circula por
ella) es lo suficientemente elevada como para excitar la base del mismo. En condiciones
de funcionamiento normal, esto es, excitando a otras puertas, el transistor Q4 no
conduce y la tensión de salida de la puerta TTL-LS (y las restantes: TTL-ALS, TTL-AS
y FAST) es próxima.
12.2 .- CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA
Las características de entrada en las familias lógicas CMOS no suelen tener importancia
debido a la casi nula intensidad de entrada a nivel alto y bajo que requieren. Sólo
destacaremos los niveles de tensión de entrada críticos para el estado alto y bajo.
En cuanto a las familias TTL, las características de entrada son importantes, más a nivel
bajo que a nivel alto. A nivel alto la intensidad que requieren las familias TTL es casi
despreciable. Por otra parte, a nivel bajo, se ve la diferencia entre la intensidad que
puede dar, por ejemplo, la familia TTL-S para una I de 0 V y la que ofrece la familia
TTL-ALS para esa misma tensión de entrada. La intensidad de entrada de la familia
lógica TTL-ALS es tan reducida debido a la incorporación en la entrada de la puerta de
un transistor pnp, el cual limita la intensidad de entrada a nivel bajo a la corriente de
base de dicho transistor. Esto es un factor positivo a tener en cuenta a la hora de
conectar cargas TTL-ALS a la salida de otra puerta cualquiera.
12.3 .- CARACTERÍSTICAS DE SALIDA
Las características de salida tienen una gran importancia al efectuar un diseño digital.
En las familias lógicas CMOS, existe una pronunciada diferencia entre unas y otras
respecto a las características de salida. Podemos ver que la corriente de salida a nivel
alto y bajo de la familia 74ACT para una determinada tensión de salida (VOH 0 VOL)
es muy superior a la de la familia 4000B. Esta mayor corriente de salida permite a la
puerta 74ACT tener una mayor capacidad para gobernar puertas u otro tipo de cargas.
Por lo que concierne a las familias TTL, para una tensión de salida a nivel alto de 3.5 V,
podemos ver que la familia TTL-AS es la que más corriente de salida a nivel alto
suministra; o en otras palabras, para que su tensión de salida VOH descienda a 3.5 V, es
necesaria una mayor corriente de salida (mayor número de cargas conectadas). Por otro
lado, la familia TTL que menos corriente de salida a nivel alto suministra es la TTLEstándar;
o dicho de otra forma, es la que con más facilidad desciende su mayor nivel alto de
salida a 3.5 V.
A nivel bajo, la familia TTL que más corriente de salida necesita para elevar su plo, a
0.5 V es la TTL-AS, mientras que por el contrario, la que menos corriente de salida
necesita para conseguir ese nivel es la TTL-LS, o lo que es lo mismo, la familia TTLLS es, la que con menos carga conectada a su salida, aumenta más fácilmente su tensión
VOL, en este caso a 0.5 V.
12.4 .- FAN - OUT
Es muy interesante establecer una comparación entre familias lógicas con respecto a su
máxima cargabilidad. Para que la comparación sea justa, decidimos establecer un valor
de fan-out a nivel bajo, en las características funcionales de las familias lógicas, para
una tensión de salida a nivel bajo de 0.3 V y con respecto a TTL-Estándar.
El valor indicado en cada familia lógica corresponde al máximo número de cargas TTLEstándar que podemos conectar a la salida de la puerta de la familia lógica en cuestión y
que produce en ella una tensión de salida a nivel bajo igual a VOL =: 0.3 V.
Podemos observar que las familias TTL-Estándar y ACL son las que mayor fan-out
permiten a su salida debido a la gran capacidad de suministrar corriente que tienen.
Por el mismo motivo, la familia 40OOB es la que tiene un menor fan-out, ya que apenas
suministra corriente a nivel bajo.
Esta comparación puede que sea un poco engañosa; por ejemplo, la familia 40OOB
figura en último lugar con un fan-out de 0.9; pero si el fan-out lo establecemos para esa
misma familia lógica, veríamos que su valor sería enorme.
12.5 .- DISIPACIÓN DE POTENCIA
Un factor muy a tener en cuenta a la hora de decidirnos por una familia lógica u otra es
el de la disipación de potencia. Por razones económicas es preferible que el consumo de
potencia sea mínimo.
Esto nos lleva a establecer preferencias. Hemos incluido a la familia lógica ECL 10K
precisamente por ser la que más consume. En el otro extremo se sitúan todas las
familias lógicas con tecnología CMOS. La diferencia de consumo de las familias
CMOS es abismal (un millón de veces menor) comparadas con el resto de familias TTL
y ECL.
Lógicamente, un menor retardo de propagación se traduce en una mayor frecuencia
máxima de funcionamiento.
Hemos incluido a la familia ECL IOK por ser la que posee el menor retardo de
propagación.
La familia más lenta de todas es la 4000B. Dentro de las familias CMOS, la más rápida
es la familia ACL.
Mientras tanto, la familia TTL más rápida es la TTL-AS y la más lenta la TTLEstándar.
Podemos observar cómo las nuevas familias CMOS incluso han superado con claridad a
la familia TTL-Estándar, cosa que parecía imposible hace algunos años.
12.5.1 .- DISIPACIÓN DE POTENCIA EN CONMUTACIÓN
Como sabemos, las familias TTL la mayor parte de su disipación de potencia la realizan
en régimen estático. Por el contrario, las familias CMOS realizan la disipación de
potencia prácticamente en conmutación.
Podemos observar que la disipación de potencia en todas ellas ha aumentado unas mil
veces más en conmutación que en régimen estático.
A 100 KHz, todas ellas prácticamente disipan lo mismo, salvo la familia HE40OOB que
disipa casi el doble que las demás.
No obstante, esta disipación de potencia sigue siendo inferior a la de las familias TTL.
12.5.2 .- PRODUCTO POTENCIA DISIPADA - RETARDO DE PROPAGACIÓN
La velocidad de una familia lógica y su disipación de potencia son los dos factores
principales que pueden diferenciarla de las demás y que todos los fabricantes tratan de
mejorar.
La velocidad de una familia lógica viene determinada por el retardo de propagación
típico de la misma (tp). El fabricante tratará de minimizar este factor (tp), así como el
consumo.
Estas dos propiedades se suelen dar en un producto de ambas, que se mide en picojulios
(pJ) y éste siempre se tratará de reducir en lo posible.
Observando podemos sacar nuestras propias conclusiones; entre ellas, que la familia
TTL que presenta una mejor relación velocidad-consumo es la TTL-ALS y en general,
la familia ACL supera a todas ampliamente.
13.- COMPARACIÓN A NIVEL ECONÓMICO
Hemos ofrecido en este tema una comparación de las familias lógicas con respecto a sus
características funcionales sin hacer rnención alguna a la diferencia económica que
puede existir entre circuitos integrados de distintas familias lógicas.
Cuando se diseña en ingeniería siempre se busca la máxima calidad al mínimo costo.
En lo que se refiere a realizar un diseño digital en plan "no industrial" se prescinde del
costo y se opta por la familia lógica que mejores características presente. Sin embargo,
cuando se realizan montajes a escala "industrial", a veces se opta, para reducir costos,
por una familia lógica con peores propiedades que otra que necesite una inversión
económica más elevada. No obstante, cuando se necesitan circuitos integrados en
grandes cantidades, el costo total de los mismos se ve notablemente reducido.