Familias Lógicas Circuitos Electrónicos Digitales

Presentación del tema: "Familias Lógicas Circuitos Electrónicos Digitales"— Transcripción de la presentación:

1 Familias Lógicas Circuitos Electrónicos Digitales
Profesora: Mafalda Carreño M Segundo Semestre 2009 Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

2 Familias Lógicas Introducción:
La electrónica digital está ligada al uso de circuitos integrados (CI), prácticamente todos los circuitos digitales usan estos dispositivos. Algunas de las principales razones son: Los CI contienen gran cantidad de circuitos en un reducido espacio, Se minimiza el número de conexiones entre los dispositivos, Se aumenta la confiabilidad del sistema, Se reduce el consumo de energía y el costo de los sistemas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

3 Clasificación de los CI: según Complejidad
En función del número de puertas lógicas o transistores que contienen se tienen los siguientes tipos: SSI (integración a pequeña escala) menos de 12 puertas. MSI ( integración a mediana escala) de 12 a 99. LSI (integración a gran escala) de 100 a 9999. VLSI ( integración a escala muy grande) de a ULSI (integración a escala ultra grande) de a GSI (integración a giga-escala) de o más. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

4 Clasificación de los CI: según tecnología
Los CI llevan el nombre de la tecnología usada. Algunas de las familias que se han comercializado son las siguientes: RTL Resistor - Transistor Logic DTL Diode - Transistor Logic TTL Transistor - Transistor Logic ECL Emitter –Coupled Logic MOS Metal - Oxide Semiconductor CMOS Complementary Metal – Oxide Semiconductor BiCMOS Bipolar Complementary Metal- Oxide Semiconductor. Las familias RTL y DTL fueron las primeras desarrolladas y actualmente son obsoletas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

5 Clasificación de los CI: según tecnología
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

6 Tecnología Bipolar, familia ECL
La tecnología ECL, (Emitter Coupled Logic), pertenece a la tecnología, su principal ventaja es su velocidad. Algunas características: Niveles de tensión altos y bajos cercanos, lo que le proporciona alta velocidad, Incompatibilidad con otras familias lógicas, Disposición de salidas diferenciales, es decir, tanto para salida complementada como sin complementar. Su uso era en aquellas aplicaciones que requieren muy alta velocidad de funcionamiento. Actualmente ha sido sustituida por la tecnología CMOS. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

7 Tecnología Bipolar, familia TTL
Dentro de la tecnología bipolar, la familia de circuitos lógicos más conocida es la TTL (Transistor-Transistor Logic), fue la primera familia de circuitos lógicos y la más usada durante décadas. Serie TTL Prefijo CI (ejemplo) TTL estándar 74 7400 TTL Schottky 74S 74S00 TTL Schottky de baja potencia 74LS 74LS00 TTL Schottky avanzada 74AS 74AS00 TTL Schottky avanzada de baja potencia 74ALS 74ALS00 Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

8 Tecnología Unipolar, familia MOS
La tecnología MOS se utiliza en sistemas que requieren gran densidad de componentes. CMOS forma parte de esta tecnología y se usa en sistemas que requieren poco consumo de energía y se ha convertido en una de las más utilizadas. Dentro de la familia CMOS reconocemos 6 series. La primera de ellas cuenta prácticamente con las mismas funciones lógicas que la familia TTL, pero los terminales de los circuitos no se encuentran en el mismo orden. A continuación se muestra un cuadro con las series de la familia CMOS. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

9 Series de la Familia CMOS
Series CMOS Prefijo Númeración Compuerta de Metal CMOS 40 4001 Compuerta de Metal CMOS con terminales TTL 74C 74C02 Compuerta de Silicio CMOS con terminales TTL, alta velocidad 74HC 74HC02 Compuerta de Silicio CMOS, alta velocidad, terminales y eléctricamente compatible TTL 74HCT 74HCT02 CMOS de desempeño avanzado 74AC 74AC02 CMOS de desempeño avanzado, eléctricamente compatible con TTL 74ACT 74ACT02 Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

10 Características de los circuitos digitales
Los circuitos digitales (de conmutación) están compuestos por compuertas lógicas, las cuales se encuentran interconectadas entre sí, tal como se observa en la figura. Idealmente no se considera la interacción entre las compuertas, sin embargo en la realidad las características de cada familia definen el comportamiento de las entradas y las salidas de las diferentes compuertas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

11 Características de los circuitos digitales
El diseño lógico de un circuito combinacional es independiente de la tecnología usada. Sin embargo en la realización física del circuito deben tenerse en cuenta los siguientes factores: Márgennes de Ruido Fan Out Velocidad Consumo Alimentación Entorno de trabajo Tipos de salidas a usar: Colector abierto Tercer estado Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

12 Generalidades de un CI Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

13 Características de los circuitos digitales
Las entradas y salidas no pasan inmediatamente de un valor a otro. Las tolerancias de fabricación, los cambios en la temperatura y otros factores medioambientales pueden hacer que los niveles en tensión cambien. Las entradas de una compuerta provienen de la salida de o de las salidas de otras compuertas de cada circuito lógico, convirtiéndose en carga de las etapas anteriores. Estos efectos de carga puede degradar los niveles lógicos. Toda desviación del caso ideal impone límites en la actuación de los circuitos lógicos. Un circuito digital está representado por las siguientes características: Margen de ruido, retardo en la propagación, fan-out, disipación de potencia. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

14 Características de las compuertas
En términos generales veremos las siguientes características: Características eléctricas De voltaje de alimentación, De voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi) Márgenes de Ruido Corrientes de entrada y salida Fan out Fan in Disipación de potencia Características temporales Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

15 Características eléctricas
Algunas de las características que los fabricantes incorporan en la documentación técnica son las especificaciones eléctricas y temporales. A continuación vemos las características del inversor 74AS04 Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

16 Circuitos Electrónicos Digitales
Clase N°2

17 Características eléctricas, de voltaje de alimentación
La tensión de alimentación de la familia 74 ASXX que se necesita para que el CI funciones es de 5V, aunque los fabricantes dan un margen de valores de Vcc que aseguran el buen funcionamiento del circuito. En este caso el rango es de 4,5 V a 5,5 V. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

18 Características eléctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)
La tensión de salida para diferentes tensiones de entrada de una compuerta, en este caso 74AS04, nos da un gráfico como en que se muestra a continuación: Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

19 Características eléctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)
En la figura se observan los rangos (valores) que se consideran como “0” y “1” lógicos a la entrada y la salida del circuito. Estos rangos se obtienen de la gráfica Vo-Vi, en los puntos que la curva tiene pendiente (-1). Las coordenadas de estos puntos definen los siguientes parámetros: VOH es la tensión mínima de salida que se considera un “1” lógico. VOL es la máxima tensión de salida que se considera un “0” lógico. VIH es la mínima tensión de entrada que se considera un “1” lógico. VIL es la máxima tensión de entrada que se considera un “0” lógico Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

20 Características eléctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)
Los niveles de tensión para los valores lógicos “0” y “1”varían de la entrada a la salida. A continuación los niveles para el 74 AS04. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

21 Características eléctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)
Valores típicos para familias CMOS y TTL: Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

22 Características eléctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)
Valores típicos para familias CMOS y TTL: Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

23 Características eléctricas, márgenes de ruido
La existencia de los diferentes rangos para los niveles lógicos en las entradas y en las salidas se puede entender con la necesidad de asegurar un buen funcionamiento en ambientes ruidosos. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

24 Características eléctricas, márgenes de ruido
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

25 Características eléctricas, márgenes de ruido
A continuación se muestra en la figura, el margen existente para el “0” y el “1” a la entada y a la salida del 74AS04 Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

26 Características eléctricas, márgenes de ruido
Existen dos márgenes de ruido: Margen de ruido superior, y Margen de ruido inferior Se define como la máxima tensión de entrada que se puede superponer al nivel “1” de salida para que la entrada de la siguiente compuerta sea considerada también un “1”. Es decir VIH debe ser menor que VOH para asegurar que la señal sea considerada “1” lógico Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

27 Características eléctricas, márgenes de ruido
Se define como la máxima tensión de entrada que se puede superponer al nivel “0” de salida para que la entrada de la siguiente compuerta sea considerada también un “0”. De este modo VIL debe ser mayor que VOL para asegurar que el nivel sea interpretado como un “0” Para el CI 74AS04, =1 V y =0,45V. El margen de ruido , M, se define el menor de y Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

28 Características eléctricas, márgenes de ruido
Observación: Cuanto mayor sean los márgenes de ruido de un dispositivo o circuito, estos circuitos serán menos sensibles a las perturbaciones y por lo tanto, serán mas adecuados para trabajar en entornos con mayores índices de ruido. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

29 Características eléctricas, corrientes de entrada y salida
Los terminales de entrada y salida de los circuitos integrados presentan corrientes que a su vez pueden ser de entrada hacia el interior del circuito, en este caso se consideran positivas, o de salida del circuito, en este caso corrientes negativas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

30 Características eléctricas, corrientes de entrada y salida
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

31 Fan Out Fan Out: es el número máximo de compuertas que pueden conectarse a la salida de una compuerta. Es un valor constante que indica el número máximo de puertas que puede conectarse a una puerta para que el conjunto funcione adecuadamente. El menor de los dos valores de N es el “fan out” de la compuerta Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

32 Fan Out Si la puerta A genera un “1” en su salida, la intensidad de corriente máxima que esta compuerta puede suministrar es de (-2mA), el signo negativo indica que es una corriente de salida. En cambio las compuertas 1,2,….,N tienen un “1” lógico en sus entradas y en esta situación la corriente máxima está dada por =20 micro A . Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

33 Fan Out Supongamos ahora que la compuerta “A” tiene un “0” en su salida, la intensidad máxima que la puerta “A” es capaz de recibir es de =20mA. Las compuertas 1,2,3,…;N tienen un “0” en sus entradas, son capaces de suministrar un máximo de : El menor de los dos valores de N es el “fan out” de la compuerta. Para la familia 74AS es de 40. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

34 Fan Out La tecnología TTL debe proveer de corriente a las entradas de las compuertas. La corriente que puede entregar es limitada, por lo que el número de compuertas que se puede conectar también es limitado. En cambio en la tecnología CMOS no requiere entregar corriente a las entradas de la siguiente compuerta , por lo que CMOS tiene un FAN OUT ilimitado. Sin embargo, el Fan Out en la tecnología CMOS tiene un impacto importante en el retraso que ocurre en las compuertas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

35 Fan In Fan In es el número de puertas que se pueden conectar a la entrada sin que se degrade la operación de una compuerta . Otros autores lo definen como el número de entradas de una compuerta Aunque no existe una limitante en cuanto al Fan In de una compuerta, sólo se tienen compuertas con determinado número de entradas. Si se requiere utilizar una compuerta con un Fan In que no se encuentra en el mercado se deben usar varias compuertas para construirlo. En la familia TTL, no existe restricción en esto, pero en el caso de la familia CMOS existen limitantes en retraso y velocidad. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

36 Fan IN- Fan Out Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

37 Disipación de Potencia
Es la potencia disipada por el CI y s mide en (mW) Icc es la corriente que consume el CI por el pin conectado a Vcc. Normalmente el fabricante especifica dos valores de Icc. Tomando el valor medio de estos valores se puede obtener buena aproximación del consumo del CI. La potencia será: Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

38 Características Temporales de las Compuertas Lógicas
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

39 Características Temporales de las Compuertas Lógicas
La capacidad de respuesta de los CI digitales son los tiempos de propagación o tiempos de retraso. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

40 Características Temporales de las Compuertas Lógicas
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

41 Características Temporales de las Compuertas Lógicas
Para el 74AS04, el fabricante especifica los siguientes valores: Switching Characteristics: En la mayoría de las situaciones no es necesario diferenciar entre estos dos valores, por lo que se da solo un valor de propagación : Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

42 Producto Potencia Disipada- Retardo de Propagación
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

43 Características de Familias Lógicas
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2

44 Comparación de Familias Lógicas
Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°2