TECNOLOGÍA DE EQUIPOS INFORMÁTICOS Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales

Contenido Introducción a la lógica integrada. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales Introducción a la lógica integrada. Estimación y Evaluación de las propiedades de los Circuítos Integrados (C.I.). La familia lógica RDL. Análisis y estimación de las características eléctricas. Lógica Integrada TTL. Estudio de la puerta básica. Configuraciones de salida. Circuítos Integrados TTL de prestaciones mejoradas. Otras Familias bipolares: ECL e I2L. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 2]

Introducción a la lógica integrada

Concepto de lógica integrada Un circuito integrado (CI) es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio. Una vez construido, el chip se encierra en una cápsula plástica o de cerámica dotada de pines de conexión a los circuitos externos. Los CI mas simples contienen varios componentes sencillos como puertas lógicas, inversores y flip-tops. Los mas grandes contienen circuitos y sistemas terminados como contadores, memorias, microprocesadores, etc. La mayoría de los circuitos integrados digitales tienen un presentación comercial tipo dip (dual in-line package) o de doble hilera. Los CI mas comunes tipo dip van de los de 8 a los 64 pines. Además del tipo dip, existen otras presentaciones comunes de los circuitos integrados digitales como la cápsula metálica, la plana y la "chip carrier". Existen circuitos integrados que utilizan cápsulas smt o de montaje superficial, smt son casi 4 veces mas pequeños que los dip . La tecnología smt (surface-mount technology) es la que ha permitido obtener calculadoras tan pequeñas como una tarjeta de crédito TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 4]

Invención del chip Jack Kilby inventó el primer circuito integrado monolítico que puso los fundamentos para el campo de la microelectrónica moderna. Le concedieron el premio Nobel en la física en 2000 para su papel en la invención del circuito integrado. La invención del CI se produjo en el siguiente contexto: en los 50 el ejército de EEUU promovió un proyecto de investigación denominado ‘Micro-Module’ cuya finalidad era lograr que los componentes electrónicos tuvieran un conjunto de características que permitieran el ensamblado de manera sencilla, evitando el cableado. Kilby comenzó su trabajo en Texas Instruments en dicho proyecto y llegó a la conclusión de que los elementos pasivos en electrónica (resistencias y condensadores) se pueden hacer del mismo material que los elementos activos (transistores). Investigó junto con Robert Noyce (uno de los fundadores de la conocida empresa Intel) la forma de lograr la integración en una sola pieza. El 12 de septiembre de 1958 se presentó el primer circuito integrado, de aspecto algo rudimentario, pero totalmente operativo. Se trataba del primer oscilador de desplazamiento de fase con transistores, resistencias y condensadores, empleando como material el silicio. Las fuerzas aéreas de EEUU de inmediato mostraron interés por los circuitos integrados, mientras que la industria electrónica acogió el descubrimiento con escepticismo. En 1961 se usaron por vez primera en un ordenador del ejército y en 1962 se incluyeron en la electrónica de los cohetes ‘minuteman’. También se usaron en las naves espaciales del proyecto Apollo. Los circuitos integrados llegaron al mercado de consumo a través de las calculadoras electrónicas, mucho más pequeñas que las electromecánicas usadas hasta entonces. La Academia Sueca le concedió la mitad del premio Nobel de Física 2000 por su participación en este revolucionario invento; la otra mitad la compartieron el ruso Z. I. Alferov y el estadounidense H. Kroemer. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 5]

Escalas de integración (I) SSI.- Significa Small Scale Integration (integración en pequeña escala) Comprende los chips que contienen menos de 13 compuertas. Ejemplos: compuertas y flip flops. los Circuitos Integrados SSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos y ecl. Obviamente los primeros Circuitos Integrados eran SSI . MSI.- Significa Medium Scale Integration (integración en mediana escala), Comprende los chips que contienen de 13 a 100 compuertas. Ejemplos: codificadores, registros, contadores , multiplexores, de codificadores y de multiplexores. los Circuitos Integrados MSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos, y ecl. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 6]

Escalas de integración (II) LSI.- significa Large-Scale Integration ( integración en alta escala) Comprende los chips que contienen de 100 a 1000 compuertas. Ejemplos: memorias, unidades aritméticas y lógicas (alu's), microprocesadores de 8 y 16 bits . los Circuitos Integrados LSI se fabrican principalmente empleando tecnologías i2l, nmos y pmos. VLSI.- Significa Very Large Scale Integration ( integración en muy alta escala) Comprende los chips que contienen mas de 1000 compuertas Ejemplos: micro-procesadores de 32 bits, micro-controladores, sistemas de adquisición de datos. los Circuitos Integrados VSLI se fabrican también empleando tecnologías ttl, cmos y pmos TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 7]

Estimación y Evaluación de las propiedades de los Circuítos Integrados.

Concepto de familia lógica Una familia lógica es un conjunto de elementos funcionales (puertas, biestables,…) con el mismo circuito base y tecnología de fabricación TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 9]

Familias Lógicas: principios fundamentales En general los diodos y transistores funcionan como conmutadores en dos estados : Corte y Saturación. La síntesis de cualquier función combinacional precisa de circuitos AND,OR e Inversores o bien circuitos NAND y NOR. Cada familia lógica corresponde a una forma específica de diseñar los operadores básicos, caracterizándose por un conjunto de parámetros estáticos y dinámicos, junto con otros factores. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 10]

Familias Lógicas: Parámetros Básicos Los parámetros básicos que caracterizan el comportamiento externo de una familia lógica se pueden agrupar así: Características estáticas Niveles de tensión y corriente de entrada y salida de transferencia Fan-in, Fan-out margen de ruido que acepta un circuito sin confusión de sus niveles lógicos Tensión de alimentación y potencia Facilidad de interconexión con otras familias Características dinámicas tiempos de retardo, Tiempos de subida y bajada TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 11]

Convenciones de subíndices Ii Io H = High L = Low i = input o = output Puerta Vi Vo Vih, Vil Iih, Iil, Voh, Vol Ioh, Iol Las convenciones de los subíndices acerca de los parámetros eléctricos de una familia o CI mostradas arriba son las mas aceptadas internacionalmente. Como se puede apreciar el subíndice está formado por dos letras, la primera se indica si se trata de las entrada o salida. La segunda al nivel de tensión: alto o bajo. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 12]

Características estáticas: Niveles de tensión de entrada y salida Nivel alto de la salida (entrada), VOH (VIH). nivel de tensión considerado como alto para la salida (entrada). Nivel bajo de la salida (entrada), VOL (VIL). nivel de tensión considerado como bajo para la salida (entrada). Los CIs digitales de las diferentes familias lógicas trabajan con dos márgenes de tensiones que codifican un “cero” o un “uno”. Estas tensiones reciben el nombre de niveles lógicos y como ya hemos dicho, tanto el nivel lógico alto (1) como el bajo (0) están asimilados a intervalos de tensiones. La figura se ilustra el rango general de variación para los niveles de tensión –de entrada (i) o de salida (o)- alto y bajo. El límite VH(max) representa el máximo valor permitido para el nivel alto y el límite VH(min) representa el mínimo valor que puede tomar el nivel alto. Idénticas definiciones existen para el nivel bajo. El rango de tensiones entre VL(max) y VH(min) representa un intervalo de incertidumbre. Una tensión dentro de dicho rango podría ser interpretada por el elemento lógico que la utiliza, como un nivel alto o como un nivel bajo, pero nunca se podría determinar con seguridad cual será la interpretación a priori. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 13]

Características estáticas: Corrientes de entrada y salida IIH(max) Es la máxima intensidad de entrada cuando existe un “1” lógico a la entrada de la puerta lógica (P.e. para el CI 74AS04 es de 20μA) IIL(max) Es la máxima intensidad de entrada cuando existe un “0” lógico a la entrada de la puerta lógica (para el CI 74AS04 es de –0.5mA) IOH(max) Es la máxima intensidad de salida cuando existe un “1” lógico a la salida de la puerta lógica (para el 74AS04 es de –2mA) IOL(max) Es la máxima intensidad de salida cuando existe un “0” lógico a la salida de la puerta lógica (para el 74AS04 es de 20mA) Nótese que la convención adoptada para el signo de las corrientes es que son positivas las corrientes entrantes y negativas las salientes. Aunque en la figura las corrientes muestran el sentido convencional (entrante) positivo, lo cierto es que el inversor con el nivel bajo de entrada conlleva una corriente saliente (negativa) y el nivel alto a la salida una corriente de saliente (negativa). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 14]

Característica estática de transferencia Una de las principales propiedades de un CI es la característica estática de transferencia de voltaje que relaciona el voltaje de salida con el voltaje de entrada bajo condiciones de baja frecuencia La característica estática de transferencia de una familia es, simplemente, una gráfica del voltaje de salida versus el voltaje de entrada de la puerta estándar de dicha familia. Esta relación se la puede describir matemáticamente como VOUT = f(VIN). La característica estática describe la conducta de la familia ante cambios lentos de la señal de entrada. En la figura se muestra una característica aproximada de un inversor. En ella se puede apreciar que los voltajes bajos -aquéllos que se corresponden con un “0”- están comprendidos entre cero y VIL. En cambio los voltajes altos -aquellos que se corresponden con “1”- son los que superan VIH. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 15]

Características estáticas: Fan-out y Fan-in número máximo de puertas que se pueden conectar a la salida sin que se degrade la señal de salida. Fan-in número máximo de puertas que se pueden conectar a la entrada sin que se degrade la operación de la puerta lógica. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 16]

Características estáticas: Fan-out El fan-out es un parámetro que define número máximo de entradas a puertas (de la misma familia que la puerta en cuestión) que es posible conectar. Así en el caso de TTL el fanout es de 10, lo que significa que a la salida de una puerta TTL no se pueden conectar mas de 10 puertas de la misma familia sin arriesga el correcto funcionamiento del circuito digital. El Fan-out se extrae a su vez de Fan-out a nivel bajo(Fan-out|L) y del Fan-out a nivel alto (Fan-out|H). El primero se refiere a la cargabilidad de salida a nivel alto (este el caso mostrado en la figura), o cuando en la salida se tiene un “1” (en lógica positiva), y el segundo cuando se refiere a la cargabilidad cuando en la salida tenemos un “0”. El fanout absoluto o simplemente fanout coincide con el menor de los fanouts mencionados anteriormente. Fan-out|H = IOH/IIH ; Fan-out|L = IOL/IIL TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 17]

Características estáticas: Fan-in El número d entradas a una puerta lógica de una determinada familia es un parámetro conocido como Fanin Por ejemplo: una puerta NAND de 3 entradas diríamos que tiene un fanin de 3 El fanin de cualquier lógica no es alto. En CMOS una puerta AND tiene una fanin de 4 como mucho. En TTL el techo está en 8 TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 18]

Características estáticas: Márgenes de ruido El Ruido es toda perturbación eléctrica indeseada, generada por el propio circuito o por causas externas que se “suma” a las señales eléctricas El ruido es una tensión no deseada que se induce en los circuitos eléctricos y que puede ser una amenaza para el correcto funcionamiento del circuito. Los cables y otros conductores pueden captar las radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia de conductores adyacentes o de otras fuentes externas al sistema. Entre las causas externas del ruido están las fluctuaciones de tensión en la línea de alimentación, las radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia generadas por conductores cercanos u otra fuente de ruido externo (un rayo por ejemplo) puede modificar la tensión de una conexión dentro de un CI y por tanto, confundir el nivel lógico original. Para no verse afectados adversamente por el ruido, los CI deben tener cierta inmunidad al ruido –margen de ruido-, que se define como la capacidad para tolerar ciertas variaciones de tensión no deseadas en sus entradas sin que cambie el estado de salida. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 19]

Características estáticas: Márgenes de ruido MH = VOH-VIH máxima tensión (voltaje) de entrada que se puede superponer al nivel “1” de salida para que la entrada de la siguiente puerta sea considerada también como 1. ML = VIL-VOL máxima tensión (voltaje) de entrada que se puede superponer al nivel “0” de salida para que la entrada de la siguiente puerta sea considerada también como 0. El margen de ruido absoluto, M, se define como el menor de MH y ML. Supongamos que dos puertas se conectan de forma que una (1) proporciona una entrada a la otra (2). Si 1 está proporcionando un “1" a 2 con 2.4V ( VOH(min)) y por el ruido esta tensión baja hasta menos de 2V ( VIH(min)), el “1” podría ser interpretado como un “0”. Por tanto, el margen de ruido para el nivel alto(MH) es de 0.4V. Es decir:   MH=VOH(min)-VIH(min). Idéntica situación ocurre para el nivel bajo. Si un “0” está siendo representado por 0.4V a la salida de 1 y debido al ruido esta tensión pasa a ser más de 0.8V, el “0” podría ser interpretado como un “1”. Por tanto, el margen de ruido para el nivel bajo (ML) es de 0.4V. Así:   ML=VIL(max)-VOL(max). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 20]

Características estáticas: disipación de potencia La tensión de alimentación y la disipación de potencia son dos características estáticas relevantes de una familia lógica. La disipación de potencia de una puerta lógica se calcula efectuando la multiplicación de la tensión de alimentación con la media aritmética de la corriente que circula cuando la salida es 1 (ICCH) y la corriente que circula cuando la salida es 0 (ICCL). Los CI consumen energía eléctrica que se transforma en energía calorífica, debido a que circula corriente desde la fuente de alimentación hacia tierra, pasando por las resistencias internas de las puertas. En consecuencia, las puertas lógicas disipan calor y puede hablarse de potencia consumida que depende del voltaje de alimentación y de la cantidad de corriente consumida. Por ejemplo, para el CI 74AS00 la tensión de es de 5V, aunque el fabricante da un margen de valores de Vcc en el que asegura el buen funcionamiento del circuito (4.5V – 5.5V). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 21]

Características estáticas: flexibilidad lógica Vcc R Vs Ve1 Ve1 Ve2 Vs L H Ve2 La flexibilidad lógica se refiere, habitualmente, a la capacidad de que tienen ciertas familias de poder conexionar sus salidas directamente (véase la figura), de tal modo que permiten realizar ciertas funciones lógicas adicionales (AND en la figura), sin añadir mas puertas. También se refiere a las facilidades de interconexión o compatibilidad con otras familias. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 22]

Características dinámicas: retardos de propagación El retardo de propagación es el tiempo que tarda en transmitirse un cambio de estado desde la entrada hasta la salida de una puerta estándar de un CI. Una de las causas principales de los retardos es el tiempo que tardan los transistores en conmutar de corte a conducción y viceversa. Cuando una señal pasa, esto es, se propaga, a través de un circuito lógico, siempre experimenta un retardo de tiempo. Un cambio del nivel de salida siempre se produce un cierto tiempo más tarde, llamado retardo de propagación, después de que se ha realizado un cambio de nivel en la entrada. El retardo de propagación es un tiempo es muy importante porque limita la frecuencia máxima a la que puede trabajar un CI. Existen dos tiempos de retardo de propagación (véase la siguiente diapositiva): tPLH (tiempo de propagación de bajo a alto) y tPHL (tiempo de propagación de alto a bajo). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 23]

Características dinámicas: tiempos de propagación Tiempo de propagación L-H (tplh): Tiempo de propagación H-L (tphl): Ambos se definen entre el 50% de la tensión de entrada y el 50% del pulso de salida. Tiempo de p. medio = (tplh + tphl)/2 El tPLH (tiempo de propagación de bajo a alto) es el tiempo entre el 50% del impulso negativo de entrada y el correspondiente 50% del impulso de salida, cuando la salida cambia de 0 a 1. El tPHL (tiempo de propagación de alto a bajo) es el tiempo entre el 50% del impulso positivo de entrada y el correspondiente 50% del impulso de salida, cuando la salida cambia de 1 a 0 TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 24]

Características dinámicas: tiempos de transición Los tiempos de transición están asociados a los transitorios originados a las capacidades parásitas Se definen entre los puntos correspondientes al 10% y 90% de la transición total de la tensión a la entrada de una puerta estándar de un CI, así tendremos: Tiempo de subida (rise) (tr): tiempo asociado al cambio de tensión entre el 10 y el 90 %, o de estado bajo a estado alto. Tiempo de bajada (fall) (tf): tiempo asociado al cambio de tensión entre el 90 y el 10 %, o de estado alto a estado bajo. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 25]

Características dinámicas: tiempos de transición TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 26]

La familia lógica RDL. Análisis y estimación de las características eléctricas

Familia lógica RTL RTL son las iniciales de las palabras inglesas Resistor Transistor Logic. Es decir es una familia cuyas puertas se construyen con resistencias y transistores bipolares. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 28]

RTL: salida a nivel bajo Si dos entradas están a nivel alto (H-H), suponiendo que este nivel sea de 3v. Tanto Q1 como Q2 estarán saturados si la β es adecuada. Luego VS= VCE(SAT) = 0,2 V Para que se cumpla lo anterior bastaría que la ganancia de los transistores (β) sea superior a 0,45 (relación entre la corriente de colector y la de base). De esta forma βIB > IC TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 29]

RTL: salida a nivel bajo Si una de la dos entradas están a nivel alto (H-L), uno de los transistores se saturará y el otro se cortará. Luego VS= VCE1(SAT) = 0,2 V TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 30]

RTL: salida a nivel alto Cuando las entradas se colocan en la combinación L-L, ninguno de los transistores conduce, eso provoca que no circule apenas corriente por la resistencia de 640 y por tanto la tensión de salida será de nivel alto (H): En el caso ideal sería de 3v TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 31]

Familia lógica DTL Las siglas DTL vienen de las iniciales de las palabras inglesas Diode Transistor Logic. Es decir estamos tratando con una familia compuesta básicamente por diodos y transistores (sin olvidar a las resistencias). Los diodos se encargan de realizar la parte lógica y el transistor actúa como amplificador inversor. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 32]

DTL: salida a nivel alto Cuando una de las entradas (E2) está a nivel logico bajo, el diodo asociado conduce y por tanto el punto P tiene tensión de 0,7v; esta tensión debido a los diodos D3 y D4 hace imposible que el transistor Q1 conduzca, para hacerlo en saturación debería haber una tensión en P de:. X X TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 33]

DTL: salida a nivel alto El transistor está al corte y, por tanto, la salida a nivel lógico alto (aproximadamente 5v). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 34]

Familia lógica DTL Cuando ambas entradas están a nivel lógico alto, los diodos D1 y D2 los podemos asimilar a un interruptor abierto y tanto las uniones A-K de los diodos D3 y D4 (VD=0,7v), como la unión B-E (VBE=0,8v) del transistor Q1 están bien polarizadas. La salida estará a nivel lógico bajo (VCE(SAT)=0.2v), ya que IBβ>IC para β = 100, tal como se desprende de los cálculos indicados TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 35]

Lógica Integrada TTL. Estudio de la puerta básica Lógica Integrada TTL. Estudio de la puerta básica. Configuraciones de salida.

La familia estándar TTL En 1964 Texas Instruments sacó al mercado la primera línea de CI TTL: las series 54/74 series (54 para mayor rango de temperatura); que con el tiempo sería una de las mas usadas Después muchos otros fabricantes producirían CIs TTL, afortunadamente, con el mismo sistema de numeración permitiendo la intercambiabilidad de componentes Algunas de las series mas conocidas son: SN74………………Texas Instruments 74 Series DM74………………National Semiconductor 74 Series S74…………………Signetics 74 Series TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 37]

Descripción del inversor TTL En la figura se muestra un circuito TTL estándar para un inversor. Q1 es el transistor de acoplamiento de entrada. El transistor Q3 es el divisor de fase y la combinación Q2 y Q4 forma el circuito de salida, denominado totem-pole. El papel del diodo es asegurar que Q4 está en OFF y Q2 y Q3 saturados cuando la entrada está a nivel alto. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 38]

Inversor TTL: análisis para VI = VOL Si la entrada está a nivel bajo la unión BE del Q1 estará en directa, por lo que la tensión de base de Q1 es de 0.2+0.7=0.9V, insuficiente para que Q2, Q3 y el diodo B-C de Q1 conduzcan. Por tanto, Q2 y Q3 cortados. El transistor Q4 conducirá a través de la resistencia RC. Sin embargo, la corriente de emisor IE3 será nula ya que el transistor Q3 está cortado. Si se conecta otra puerta TTL, la corriente será muy pequeña debido a que la unión BE1 de la nueva puerta conectada tendrá la unión BE1 en inversa. Tensión de salida Vo aproximada (despreciando la caída de tensión en Rc) será: Vo ≈ Vcc - VBEQ4 - VD1 = 5 - 1.4 = 3.6V TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 39]

Inversor TTL: análisis para VI = VOH Si la entrada está a nivel alto la unión BE del Q1 está en inversa y la unión BC en directa. Por tanto, el transistor está en ACTIVA INVERSA. El transistor Q3, recibe la intensidad IB1 por lo que estará conduciendo y lo hará en saturación. Por ello fijará la tensión de C3 a…. VC3=0,7+VCESAT≈ 1v Esta tensión es insuficiente para hacer conducir a Q4 que necesitaría al menos VDIODO+VBE4=1,4 por lo tanto estará en OFF (el papel del diodo es asegurar que Q4 está en OFF y Q2 y Q3 saturados). El transistor Q2 tiene su unión BE en directa ya que el transistor Q3 le envía una corriente de base. La corriente de colector de saturación le llega por la unión BE del transistor Q1 de el circuito TTL conectado a la salida, ya que Q4 está en OFF. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 40]

Puerta NAND TTL TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 41]

La salida Totem-pole No permite la conexión directa de las salidas de dos puertas TTL diferentes. Cuando las dos salidas tienen niveles lógicos distintos, se establecen caminos de corriente (I1 ó I2) elevada (unos 30mA), que superan ampliamente la IOLMAX(16mA) y que pueden dañar los transistores. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 42]

La salida en colector abierto Permite el cableado lógico directo, eliminando Q4 y D1 (AND cableada). Se requiere una resistencia externa, denominada de “Pull-up”, para obtener el nivel alto. El valor de Rpull-up es un compromiso entre velocidad, disipación y fanout. Valor típico: unos pocos Kohms. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 43]

La salida triestado La salida triestado tiene las ventajas de los circuitos totem-pole y de colector abierto. Permite la conexión directa de las salidas, y es tan rápida como la salida totem-pole. Los tres estados de salida son: alto, bajo y alta impedancia (HZ). Cuando se selecciona el funcionamiento lógico normal, mediante la entrada de habilitación, el circuito triestado funciona de la misma forma que una puerta normal. Cuando el modo de funcionamiento es de alta impedancia, la salida se desconecta del resto del circuito. El circuito de la figura es un inversor TTL con salida tiestado. Estudiemos lo que ocurre cuando la entrada HAB está activada y desactivada: -Si la entrada HAB está activada (5v) el diodo D está cortado y el funcionamiento es el una puerta inversora TTL. -Si la entrada HAB está desactivada (0v), Q1 conducirá y obligará a Q3 a cortarse. Por otro lado, como HAB=0v el diodo D conducirá y fijará en B4 0,7v. Esta tensión no es suficiente para que conduzca Q4 y D1, por tanto estarán en OFF. Como Q3 no conduce tampoco lo hará Q2 carente de intensidad de base. En conclusión, en el terminal de salida tendremos alta impedancia porque no ofrece ningún camino hacia masa o alimentación. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 44]

La salida triestado La salida triestado admite la conexión directa de varias salidas entre sí, en configuración de bus, activando sólo una de las puertas e inhabilitando las restantes. Varios dispositivos (A, B, C, D) pueden acceder a un bus bidireccional (S) en un sistema computador. Sólo la información de un dispositivo debe aparecer en la salida, mediante la correcta selección (a, b, c, d) TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 45]

Niveles de tensión y margen de ruido TTL VOH max 5 V VIH max VOH “1” Lógico VIH “1” Lógico 2,4 V VOH min 2 V No predecible VIH min No predecible 0,4 V VOL max 0,8 V VIL max VOL “0” Lógico VIL “0” Lógico 0 V VOL min 0 V VIL min En la entrada de los circuitos TTL, el nivel lógico bajo puede ser representado por cualquier tensión comprendida entre 0V y 0.8V, y el nivel lógico alto por cualquier tensión entre 2V y 5V. En rango de valores entre 0.8V y 2V es la región de funcionamiento impredecible. En la salida, los rangos varían sensiblemente. Un 0 se representa por cualquier tensión entre 0V y 0.4V, y un 1 se representa mediante cualquier tensión entre 2.4V y 5V. La descripción gráfica de ésto se muestra en la figura. Salida Entrada TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 46]

Niveles de corriente y fan-out IOHmax= 16 mA IOLmax= -400 µA IIHmax= 1,6 mA IILmax= -40 µA Fan-out entre 8 y 10 TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 47]

Retardos de propagación Hemos estudiado anteriormente que cuando una señal pasa, esto es, se propaga, a través de un circuito lógico, siempre experimenta un retardo de tiempo. Un cambio del nivel de salida siempre se produce un cierto tiempo más tarde, llamado tiempo de retardo de propagación, después de que se ha realizado un cambio de nivel en la entrada. El retardo de propagación de una puerta limita la frecuencia a la que puede trabajar. Cuanto mayor es el retardo de propagación, menor es la frecuencia máxima. Los retardos de propagación de la familia TTL podríamos calificarlos como bajos, ya que el valor medio está en los 10ns. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 48]

Circuitos Integrados TTL de prestaciones mejoradas

Subfamilias TTL: velocidad y potencia TTL de bajo consumo (LTTL) (54L/74L). Bajo consumo de potencia (L=LOW POWER). Ello se consigue aumentando significativamente los valores de las resistencias de los diferentes transitores, con lo que se disminuye la corriente que circula por el sistema y con ello la potencia disipada. Sin embargo esta caida de la intensidad provoca una pérdida en la velocidad: de los 10 nsg de tiempo de retardo típicos en la familia original se pasa a unos 33 nsg de retardo en esta familia. TTL Schottky (STTL) (54S/74S). Esta serie proporciona unos tiempos de conmutación menores, gracias a la agregación de diodos Schottky que evitan que los transistores entren en saturación, reduciendo el tiempo que tarda el transistor en entrar y salir de la conducción. El retardo típico es de 3 nsg. Y la disipación de potencia de 20 mW. TTL Schottky de bajo consumo (LSTTL) (54LS/74LS). Esta familia proporciona un compromiso entre velocidad y baja disipación de potencia recurriendo a altos valores de resistencias y transistores de tipo Schottky. La disipación de potencia típica de una puerta es de 2 mW y el retardo de prropagación de 10 nsg. Schottky avanzada y Shottky de bajo consumo avanzada (ASTTL/ALSTTL) (AS/ALS). Estas tecnologías son versiones avanzadas de las series S y LS. La disipación de potencia estática típica es de 7 mW para la serie AS y 1 mW para la serie ALS. Los tiempos de retardo de propagación típicos son de 1,5 nsg para AS y 4 nsg para ALS. de retardo de propagación típicos son de 1,5 nsg para AS y 4 nsg para ALS. Existe una versión de AS que se denomina F o FAST (FTTL). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 50]

Subfamilias TTL: no saturadas Emplean transistores Schottky, que no se saturan en el estado bajo, debido a una unión Schottky entre colector y base del transistor. TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 51]

Subfamilias TTL: velocidad vs potencia TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 52]

Encapsulado comercial TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 53]

Otras Familias bipolares: ECL e I2L

Lógica de Emisores Acoplados (ECL o Emitter Coupled Logic) La familia lógica ECL se encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Esta familia nació como un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumo de CMOS, pero en raras ocasiones se emplea ECL se emplea en los supercomputadores CRAY, FUJITSU, NEC Entre sus características relevantes están: Los transistores no se saturan Existe poca diferencia entre los niveles lógicos de tensión TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 55]

Lógica de Emisores Acoplados (ECL o Emitter Coupled Logic) El circuito básico es un comparador de tensión o amplificador diferencial. Dispone de dos salidas complementarias (VC1 y VC2) A continuación analizamos el circuito para un nivel alto y bajo. Si input es mas grande que VREF entonces Q1 conmutará a ON, ya que el voltaje del emisor (VE) es suficientemente alto para forzar a que la VBE de Q2 sea baja y Q2 quede en OFF. De esta forma circulará por RC1 una corriente que dará lugar a una tensión inferior a +VCC que representa el nivel bajo. Por contra, si input es menor que VREF entonces Q2 conmutará a ON y Q1 en OFF, ya que el voltaje de los emisores acoplados (VE) es demasiado alto para poner Q1 en ON. Por tanto, IC1=IB1=0 => Output1=+VCC (en algunos diseños +VCC=0). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 56]

Conclusiones sobre ECL ECL una familia lógica difícil para diseñar un sistema digital. Debido a la velocidad con la que ECL funciona Los estrechos márgenes de Ruido La doble alimentación (positiva y negativa) Es Costosa Difícil de interconectar: las salidas no son compatibles con las entradas TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 57]

Lógica de inyección integrada (Integrated Injection Logic ó I2L) La Lógica de inyección integrada (Integrated Injection Logic ó I2L) apareció en 1972 (fabricada por Mororola) y es la alternativa bipolar para LSI y VLSI. En muchas aplicaciones sustituye a TTL y CMOS gracias a sus altas prestaciones en velocidad, consumo e integración. I2L no es una lógica de niveles (de tensión) sino de estados (abierto, cerrado). En la figura se representa un inversor elemental. La fuente de corriente I0 se suele implementar con un transistor PNP. En el circuito caben dos estados posibles: -Si la entrada está cortocircuitada a masa (nivel cero) el transistor se bloquea y la salida queda en alta impedancia (nivel 1). -Si la entrada está “al aire” (nivel 1), la corriente I0 entra por la base del transistor y lo satura (nivel cero). TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 58]

Comparación de familias: niveles de tensión TEI. Tema 2. Tecnologías bipolares soporte de circuitos digitales [Página 59]