CIRCUITOS INTEGRADOS Y FAMILIAS LÓGICAS Universidad Nacional Experimental de la Fuerza Armada Nacional Coordinación de Ingeniería en Telecomunicaciones Sistemas Digitales TLC 32125 Semestre 2-2013 Ing. Dayyanet Díaz
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Circuitos Integrados Un Circuito Integrado (CI ó IC por sus siglas en inglés) 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: Ilustración 1.
Tabla de Integración de los IC Nivel de Integración SSI Integración en Pequeña Escala MSI Integración de Mediana Escala LSI Integración de Gran escala
Número de Compuertas
Función
Unas pocas compuertas
Ninguna función, solo compuertas
10 a 100 Compuertas
Cumplir con una función lógica completa Funciones lógicas con más de 100 compuertas
Más de 100 compuertas
Miles VLSI Integración a Muy Gran Escala
Tabla 1. Niveles de integración de los IC
Familias Lógicas
Ilustración 1. . Vista interna de un IC tipo DIP
Ilustración 2. (Izquierda) Pastilla de hilera doble (DIP) (Derecha) Pastilla plana
Características de los IC o o o
o
Tienen tamaños normalizados Número de patillas (pines) varía entre 8 y 64 Cada uno tiene una designación numérica impresa en su superficie Cada fabricante publica un libro de características (databook) que reúne todos los datasheet de sus IC
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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 las compuertas. Desde el punto de vista de fabricación es muy sencillo repetir en una oblea semiconductora un solo tipo de compuerta y partir de allí se generan las demás. El circuito básico en cada familia es una compuerta NAND ó una NOR, dado que éstas según como se dispongan permiten generar las funciones de otras compuertas lógicas. Hay muchas familias lógicas de circuitos integrados digitales que han sido introducidos comercialmente. En la tabla presentada en la siguiente página se presentan las más populares y sus sub-familias o series:
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Tecnología Familia de circuitos lógicos integrados con transistores bipolares
Familia de circuitos lógicos integrados con transistores MOSFET
TTL Lógicas de transistores (Transistortransistor logic)
ECL (emitter-coupled logic) CMOS (Complementary Metal-oxide semiconductor)
Serie TTL estándar (74XXX) TTL de baja potencia (74LXXX) TTL shoottky (74SXXX) TTL shoottky de baja potencia (74LSXXX) TTL shoottky avanzada (74ASXXX) TTL shoottky de baja potencia avanzada (74ALSXXX)
CMOS estándar (54XXX) CMOS de alta velocidad (54HCXXX) CMOS de alta velocidad compatible TTL (54HCTXXX) CMOS de alta velocidad avanzada (54AHCXXX) CMOS de alta velocidad avanzada compatible TTL (54AHCTXXX)
popular. La ECL se usa en sistemas que requieren operaciones de alta velocidad. La CMOS se usa por lo general para sistemas que requieren bajo consumo de energía. La BICMOS combina las mejores características de ambas familias. Se usan para aplicaciones en microprocesadores y de interfaz de bus.
Parámetros característicos más importantes de las familias Los parámetros característicos de las familias de IC lógicos se comparan analizando el circuito de la compuerta básica de cada familia, los parámetros más importantes que son evaluados y comparados son:
FAN-OUT: Especifica el número de cargas normales que puede accionar la salida de la compuerta sin menoscabar su operación normal. Recuerde que cualquier circuito suministra una cantidad limitada de corriente por encima de la cual no opera correctamente y en este caso se dice que está sobrecargada, las compuertas no son la excepción. El FANOUT es el número máximo de entradas que pueden conectarse a la salida de la compuerta, ver la ilustración.
NMOS PMOS
También existe la familia BicMOS la cual combina transistores bipolares con transistores MOSFET
Aplicaciones típicas de las familias lógicas La familia TTL tiene una lista extensa de funciones digitales y es comúnmente la familia lógica más
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Ilustración 3. Representación de la conexión entre compuertas. (Io=n.I i )
A continuación se muestra una gráfico con las valores típicos de FANOUT de cada subfamilia
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de onda que se muestra en la figura es ideal.
Ilustración 4. Valores típicos de Fan-Out para las diferentes sub-familias
DISIPACIÓN DE POTENCIA Es la potencia suministrada necesaria para operar la compuerta. Este parámetro se expresa en milivatios (mW) y representa la potencia real disipada por la compuerta. Un IC 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. La potencia total disipada en un sistema es la suma total de las potencias disipadas de todos los IC
Ilustración 5. Consumo de un IC. (Pcc=Icc.Vcc)
RETARDO DE PROPAGACIÓN Es el tiempo promedio de demora en la transición de propagación (de H a L o de L a H) 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. El retardo total del circuito es la suma de los retardos de propagación a través de las compuertas.
Ilustración 6. Retardo de propagación de un IC
En la ilustración a continuación se representan los valores típicos de disipación vs los tiempos de propagación de algunas sub-familias.
Ilustración 7. Ubicación de algunas sub-familias en función de la disipación de potencia vs el tiempo promedio de retardo
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). El ruido es el término usado para denotar una señal indeseable sobrepuesta a una señal de operación normal.
En la Ilustración 6, se muestran los parámetros típicos de retardo de propagación, tp HL tiempo de propagación en la transición H a L y tp LH tiempo de propagación en la transición de L a H. Se define el tiempo de propagación de una puerta (tp) como la media aritmética de tp HL y tp LH. Nótese que la forma
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Ilustración 8. Márgenes de ruido en un IC.
Ilustración 9. Márgenes de ruido típicos para las diferentes sub familias lógicas.
NIVELES DE VOLTAJE
Ilustración 10. Niveles de voltaje y margen de ruido para la familia TTL con Vcc=5v
Ilustración 11. Niveles de voltaje y margen de ruido para la familia CMOS con Vcc=5v
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 VOH: Voltaje de salida mínimo que una compuerta entrega cuando su salida está en el nivel alto. VOL: Voltaje de salida máximo que una compuerta entrega cuando su salida está en el nivel bajo. VIH: Voltaje mínimo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel alto. VIL: Voltaje máximo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel bajo
Compuertas con salidas colector abierto y
A continuación se presentan los niveles de tensión y margen de ruido para las familias TTL y CMOS
Este tipo de compuerta tiene una entrada habilitadora (EN), si esa entrada está activada la compuerta pasa la señal de la entrada sin ninguna modificación, por el contrario si la entrada habilitadora está inactiva, la salida se comporta como un circuito abierto, se representa con una Z (de alta impedancia).
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con salidas tri-estado Hasta el momento se ha definido que los niveles lógicos conocidos para una señal digital podrán ser 0 ó 1. Y se debe recordar que dos salidas nunca se deben conectar al mismo punto, ya que en caso de que tengan niveles distintos, esto generaría un conflicto. Cuando hay necesidad de unir dos salidas en una única línea, es necesario usar una de estas tecnologías:
COMPUERTAS TRI-ESTADO
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En la siguiente ilustración se puede representación de una compuerta tri estado
ver
la
externa a la salida para poder tener una respuesta de la compuerta
Ilustración 15. Representación de una compuerta TTL de colector abierto y su circuito interno Ilustración 12. Representación de una compuerta TTL tri-estado y su circuito interno.
EN
E
0 0 1 1
0 1 0 1
S Z Z 0 1
Ilustración 13. Tabla de la verdad de una compuerta tri-estado tipo buffer
El hecho de que exista un tercer estado para una compuerta (Circuito Abierto), permite crear los llamados buses de datos en los cuales se conectan varias salidas a un mismo punto (Ver figura)
La compuerta requiere de una fuente para el correcto funcionamiento de la compuerta. El voltaje de salida no depende de la fuente de alimentación de la compuerta, por lo cual se puede conectar la carga a un voltaje distinto. Una de las principales aplicaciones de este tipo de compuertas es realizar una interfaz entre la familia TTL y otro tipo de familia que funciona con un nivel de voltaje diferente. Otra aplicación de este tipo de compuertas es el control de pequeñas cargas como pequeñas lámparas o a relés. Un uso interesante de este tipo de compuerta es que se puede implementar una “compuerta AND” alambrada. (Ver figura)
Ilustración 14. Tabla de la verdad de una compuerta tri-estado
COMPUERTAS DE COLECTOR ABIERTO En este caso la compuerta TTL básica se modifica para obtener el colector del transistor interno. De la figura se puede apreciar que: La salida de la compuerta es directamente uno de los “colectores” con que esta construida la compuerta. Es necesaria una resistencia de “carga” (pull-up)
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Ilustración 16. Función AND cableada con compuertas de colector abierto.
A continuación se presenta un extracto de la tabla de contenido de uno de los Databook ( 1975 Fairchild Low Power Schottky and Macrologic TTL ) del fabricante Fairchild Semiconductor, donde se resumen los códigos de los IC más
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usados tanto LSI o MSI.
54LS/74LS)70 4 # 4 Re.+te +le (Open Collecto!
DEVICE
DESCRIPTION
54LS/74LS)74 "e# D l+p-lop 6/Clea
54LS/74LS00
Quad 2-Input NAND Gate
54LS/74LS)75 Quad D l+p-lop 6/Clea
54LS/74LS02
Quad 2-Input NOR Gate
54LS/74LS)') 4-%+t AL
54LS/74LS03
Quad 2-Input NAND Gate (Open Collecto!
54LS/74LS)4 4-%+t R+.,t/Le&t S,+&t Re.+te
54LS/74LSO4
"e# In$ete
54LS/74LS25) '-Input ult+ple#e (3-State!
54LS/74LS05
"e# In$ete (Open Collecto!
54LS/74LS253 Dual 4-Input ult+ple#e (3-State!
54LS/74LS07
"e# %u&&e (Open Collecto!
54LS/74LS257 Quad 2-Input ult+ple#e (3-State!
54LS/74LS0'
Quad 2-Input AND Gate
54LS/74LS25' Quad 2-Input ult+ple#e (3-State!
54LS/74LS0
Quad 2-Input AND Gate (Open Collecto!
54LS/74LS25 '-%+t Addeale Latc, (334!
54LS/74LS)0
*+ple 3-Input NAND Gate
54LS/74LS) )
*+ple 3-Input AND Gate
54LS/74LS)4
"e# Sc,+tt *+..e
54LS/74LS)5
*+ple 3-Input AND Gate (Open Collecto!
54LS/74LS20
Dual 4-Input NAND Gate
54LS/74LS2)
Dual 4-Input AND Gate
54LS/74LS22
Dual 4-Input NAND Gate (Open Collecto!
54LS/74LS27
*+ple 3-Input NOR Gate
54LS/74LS30
'-Input NAND Gate
54LS/74LS32
Quad 2-Input OR Gate
54LS/74LS37
Quad 2-Input NAND %u&&e
54LS/74LS3'
Quad 2-Input NAND %u&&e (Open Collecto!
54LS/74LS40
Dual 4-Input NAND %u&&e
54LS/74LS42
)-o&-)0 Decode
54LS/74LS5)
Dual AND-OR-In$et Gate
54LS/74LS54
2-3-3-2-Input
54LS/74LS55
2-+de 4-Input
54LS/74LS'3
4-%+t ull Adde
54LS/74LS'1
Quad #clu+$e OR Gate
54LS/74LS)25 Quad 3-State %u&&e (LO nale! 54LS/74LS)21 Quad 3-State %u&&e ("IG" nale!
54LS/74LS)5 4-%+t S,+&t Re.+te (300 *8pe!
54LS/74LS211 Quad #clu+$e NOR (Open Collecto! 54LS/74LS27 Quad Set-Reet Latc, 54LS/74LS2'3 4-%+t ull Adde (Rotated LS'3! 54LS/74LS25 4-%+t S,+&t Re.+te (3-State! 54LS/74LS2' Quad 2-Input ult+ple#e 6/Output Latc,e 54LS/74LS315 "e# %u&&e 6/Coon nale (3-State! 54LS/74LS311 "e# In$ete 6/Coon nale (3-State! 54LS/74LS317 "e# %u&&e9 4-%+t : 2-%+t (3-State! 54LS/74LS31' "e# In$ete9 4-%+t : 2-%+t (3-State!
Pinout de los IC más utilizados
74LS00/74LS01
54LS/74LS)32 Quad 2-Input Sc,+tt *+..e 54LS/74LS)33 )3-Input NAND Gate 54LS/74LS)31 Quad #clu+$e OR (Open Collecto! 54LS/74LS)3' )-o&-' Decode/Deult+ple#e 54LS/74LS)3 Dual ) -o& -4 Decode/Deult+ple#e 54LS/74LS)5) '-Input ult+ple#e 54LS/74LS)52 '-Input ult+ple#e 54LS/74LS)53 Dual 4-Input ult+ple#e 54LS/74LS)55 Dual )-o&-4 Decode 54LS/74LS)51 Dual )-o&-4 Decode (Open Collecto! 54LS/74LS)57 Quad 2-Input ult+ple#e (Non-+n$et+n.!
74LS02
54LS/74LS)5' Quad 2-Input ult+ple#e (In$et+n.!
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74LS09, AND 4 Input 74LS04/74LS05
74LS10
74LS05, NAND 4 Input
74LS11
74LS07
74LS86
74LS08/74LS09
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Interfaces Una “interfaz de usuario” se puede definir como el medio con que el usuario puede comunicarse con una máquina (circuito), un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo, (Circuito) normalmente suelen ser fáciles de entender y fáciles de accionar
Ilustración 19. Interfaz de salida con Rele.
A continuación se muestran algunos circuitos típicos que pueden servir de interfaz para las implementaciones de sus diseños.
IOL VIL VOL
Ilustración 17. Interfaz de salida con LED. (El led se enciende con 0 lógico)
Rmin
=
V cc
−
V LED
V OL max
−
I OL max
Ilustración 20. Interfaz de salida con Display 7 segmentos Anodo común y decodificador 74LS47.
IOH VIH VOH
Ilustración 18. Interfaz de salida con LED. (Activado con un 1 lógico)
Rmin
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=
V OL min
−
V LED
I OH max
Ilustración 21. Interfaz de salida con Display 7 segmentos Catodo común y decodificador 74LS48.
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en el circuito. Un código podría ser: Negro=Tierra, Rojo=Vcc, Verde=Entradas, Azul Salidas, Amarillo=otras. 8. Se recomienda que por su propia salud mental y la de su instructor de laboratorio, evite por todos los medios las conexiones tipo espaguetti como la mostrada a continuación, ya que es literalmente un dolor de cabeza conseguir las fallas que se puedan producir. Ilustración 22. Interfaz de entrada con Switch (S abierto=5V, S cerrado=0V).
Documentación en línea y sitios de interés
Ilustración 23. Interfaz de entrada con Swicthes, para una palabra de 4bits, con leds. (S n cerrado=0V, S n abierto=5V)
Consejos prácticos al trabajar con IC TTL 1. Las señales de entrada nunca deben de ser mayores a la tensión de alimentación ni inferiores al nivel de tierra. 2. Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel alto, conectarla a Vcc (tensión de alimentación) 3. Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel bajo, conectarla a tierra 4. Si hay entradas no utilizadas, en compuertas NAND, OR, AND, conectarlas a una entrada que si se esté utilizando. 5. Es mejor que las salidas no utilizadas de las compuertas estén a nivel alto pues así consumen menos corriente. 6. Evitar los cables largos dentro de los circuitos. 7. Utilizar un código de colores para los cables ayuda a corregir fácilmente las posibles fallas
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www.icmicroanalysis.com/resourcecenter.htm l www.datasheetcatalog.net www.national.com www.fairchildsemi.com www.ti.com www.freescale.com
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