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Universidad Nacional Nacional “San Luís Gonzaga” Gonzaga” – Ica FACULTAD DE ING. ELECTRONICA

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Universidad Nacional “San Luís Gonzaga” – Ica FACULTAD DE ING. ELECTRONICA

PRESENTACION En este trabajo se explicara sobre los circuitos i ntegrados, 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.


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 bipo lares son los que se hacen empleando el transistor bipolar de unión (NPN Y PNP) como el elemento principal del circuito. Los CI uni pol ares son 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


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).


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 f iguras veremos la compuerta NAND en sus estados de salida.


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 ser compatible 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


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.


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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