Circuitos Integrados Teoría para la práctica 1

Introducción  Definición: Un circuito integrado (CI) es un cristal semiconductor de silicio, llamado pastilla, que contiene componentes eléctricos tales como transistores, diodos, resistencias y capacitores, los diversos componentes están interconectados dentro de la pastilla para forma un circuito electrónico. La pastilla está montada en un empaque plástico (cerámico) con sus conexiones soldadas a las patillas externas para conformar el circuito integrado

Vista interna de un circuito integrado

Circuitos Integrados  Vienen en dos clases de pastillas Pastilla de hilera doble (DIP) Pastilla Plana

Características de los CI’s  Tienen tamaños normalizados  Número de patillas (pins) varía entre 8 y 64  Cada uno tiene una designación numérica impresa en su superficie  Cada fabricante publica un libro de características (databook)

Clasificación  Los circuitos integrados se clasifican en dos categorías generales: Lineales  Operan con señales continuas para producir funciones electrónicas (eje. Amplificadores, moduladores) Digitales  Operan con señales binarias y se hacen compuertas digitales interconectadas

Tabla de integración de los CI’s Nivel de IntegraciónNúmero de CompuertasFunción SSI Integración en Pequeña Escala Unas pocas compuertasNinguna función, solo compuertas MSI Integración de Mediana Escala 10 a 100 CompuertasCumplir con una función lógica completa LSI Integración de Gran escala Más de 100 compuertasFunciones lógicas con más de 100 compuertas VLSI Integración a Muy Gran Escala Miles

Familias de Circuitos Integrados Lógicos Teoría para la práctica 1

Introducción  Existen varias familias de circuitos integrados lógicos que se distinguen por el tipo de dispositivo semiconductor y por la manera como estos dispositivos son interconectados para la conformación de la compuertas. El circuito básico en cada familia es una compuerta NAND ó una NOR.

Familias  Hay muchas familias lógicas de circuitos integrados digitales que han sido introducidos comercialmente, las más populares son: TTL: Lógicas de transistores (Transistor-transistor logic) ECL: Lógica de acoplamiento de emisor (emitter-coupled logic) MOS: Semiconductor de óxido de metal (Metal-oxide semiconductor) CMOS: Semiconductor de oxido de metal complementario (Complementary metal-oxide semiconductor) I 2 L: Lógica de inyección integrada (Integrated-injection logic) Realizar una investigación sobre familia de circuitos integrados TTL, ECL, MOS, CMOS, investigar características, aspectos técnicos, aplicaciones y usos. (entrega 7 de febrero)

Tabla de familias Tecnología Serie Familia de circuitos lógicos integrados con transistores bipolares TTL TTL estándar TTL de baja potencia TTL shoottky TTL shoottky de baja potencia TTL shoottky avanzada ECL Familia de circuitos lógicos integrados con transistores MOSFET CMOS CMOS estándar CMOS HC CMOS HCT NMOS PMOS BiCMOS Combina transistores bipolares con transistores MOSFET

Comentarios  La familia TTL tiene una lista extensa de funciones digitales y es comúnmente la familia lógica más popular.  La ECL se usa en sistemas que requieren operaciones de alta velocidad.  Los MOS e I 2 L se usan en circuitos que requieren alta densidad de componentes y  La CMOS se usa para sistemas que requieren bajo consumo de energía.

Características especiales  Las características de las familias de CI’s lógicos se comparan analizando el circuitos de la compuerta básica de cada familia, los parámetros más importantes que son evaluados y comparados son: fan-out, disipación de poder, demora de propagación y margen de ruido, se explicaran estos parámetros y algunos se medirán en la práctica 1.

Fan-out  Especifica el número de cargos normales que puede accionar la salida de la compuerta sin menoscabar su operación normal. La salida de la compuerta suministra una cantidad limitada de corriente por encima de la cual no opera correctamente y en este caso se dice que está sobrecargada.  Es el número máximo de entradas que pueden conectarse a la salida de la compuerta y se expresa con un número.

Disipación de potencia  Es la potencia suministrada necesaria para operar la compuerta. Este parámetro se expresa en milivatios (mW) y representa la potencia real designada por la compuerta.  Un CI con cuatro compuertas exigirá de la fuente cuatro veces la potencia disipada por cada compuerta. En un sistema dado puede haber muchos circuitos integrados y sus potencias deben tenerse en cuenta. El poder total disipado en un sistemas es la suma total del poder disipado de todos los CI’s.

Retardo de Propagación  Es el tiempo promedio de demora en la transición de propagación de una señal de la entrada a la salida, cuando las señales binarias cambian de valor. Se expresa en nanosegundos (ηs).  Las señales que viajan de las entradas de un circuito digital a las salidas pasan por una serie de compuertas. La suma de las demoras de propagación a través de las compuertas es la demora total de la propagación del circuito.

Margen de ruido  Es el máximo voltaje de ruido agregado a la señal de entrada de un circuito digital que no cause un cambio indeseable, a la salida del circuito. Se expresa en voltios (V).  Hay dos tipos de ruido que deben de considerarse: Ruido DC, causado por la desviación en los niveles de voltaje de la señal. Ruido AC, es el pulso aleatorio que puede ser creado por otras señales conmutadas.  De esta forma el ruido es el termino usado para denotar una señal indeseable sobrepuesta a una señal de operación normal

Familia TTL

Historia  Aunque la tecnología TTL tiene su origen en los estudios de Sylvania, fue Signetics la compañía que la popularizó por su mayor velocidad e inmunidad al ruido que su predecesora DTL, ofrecida por Fairchild Semiconductor y Texas Instruments, principalmente. Texas Instruments inmediatamente pasó a fabricar TTL, con su familia 74xx, que se convertiría en un estándar de la industria.

Introducción  En 1964, Texas Instruments, introdujo la lógica transistor-transistor (TTL), una familia de dispositivos ampliamente usada, por su rapidez, costo y facilidad de uso.  El circuito básico de la familia TTL es la compuerta NAND  La familia TTL se identifica por su numeración en dos series, la serie 74 y la 54, siendo la primera de uso comercial y la segunda de uso militar.

Versiones de la familia TTL  Debido al balance entre velocidad y potencia, la familia TTL existe en cinco series distintas, la serie más popular es la LS por el balance entre rapidez y consumo. SerieTipo de transistorRetardo de propagación (ns) Disipación de potencia (mW) Producto velocidad- potencia, pJ 54LS/74LSSchottky, baja potencia L/74LComún, baja potencia S/74SSchottky, potencia normal /74Común, potencia normal H/74HComún, alta potencia

Compuerta NAND en tecnología TTL estándar (N)

Características de la familia TTL (1)  Fan-out: En el caso de TTL que una compuerta podrá accionar en su salida otras compuertas de la misma serie, la capacidad de salida será de 10 para la serie común y de alta potencia, y de 20 para la serie de baja potencia. Cuando hay conexión entre TTL y otras familias lógicas, será necesario ir a la literatura del fabricante para determinar la necesidad de la corriente de entrada y la disponibilidad de la corriente de salida y asegurarse de que no hay sobrecarga para la salida de la compuerta.

Características de la familia TTL (2)  Niveles de voltaje Los siguientes son las definiciones de niveles de voltaje que define el fabricante como mínimos y máximos para los niveles altos y bajos de una compuerta  V OH : Voltaje de salida mínimo que una compuerta entrega cuando su salida está en el nivel alto.  V OL : Voltaje de salida máximo que una compuerta entrega cuando su salida está en el nivel bajo.  V IH : Voltaje mínimo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel alto.  V IL : Voltaje máximo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel bajo.

Niveles de voltaje en TTL Salida alta Entrada alta Ent. baja Entrada baja V salidaV entrada V OH = 2.4 V V OL = 0.4 V V IH = 2.0 V V IL = 0.8 V ≤ 0.2 V Δ1Δ1 Δ0Δ0

Características de la familia TTL (3)  Margen de ruido Δ0 y Δ1, son los márgenes de ruido para el nivel bajo y alto respectivamente, este margen se establece para prevenir respuestas falsas que podrían ser causada por el ruido introducido en el sistema.

Consideraciones prácticas para trabajar con circuitos TTL  Las señales de entrada nunca deben de ser mayores a la tensión de alimentación ni inferiores al nivel de tierra.  Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel alto, conectarla a Vcc (tensión de alimentación)  Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel bajo, conectarla a tierra  Si hay entradas no utilizadas, en compuertas NAND, OR, AND, conectarlas a una entrada que si se esté utilizando  Es mejor que las salidas no utilizadas de las compuertas estén a nivel alto pues así consumen menos corriente

Consideraciones prácticas para trabajar con circuitos TTL  Evitar los cables largos dentro de los circuitos  Utilizar por lo menos un capacitor / condensador de desacople (0.01 uF a 0.1 uF) por cada 5 o 10 paquetes de compuertas, uno por cada 2 a 5 contadores y registros y uno por cada flip flop. Estos capacitores de desacople eliminan los picos de voltaje de la fuente de alimentación que aparecen cuando hay un cambio de estado en una salida TTL / LS. (de Alto a bajo y viceversa) Estos capacitores / condensadores deben tener terminales lo más cortos posible y conectarse entre Vcc y tierra, lo mas cerca posible al circuito integrado.

Links de ayuda  series.htm series.htm 