Familia lógica En ingeniería electrónica, electrónica, se puede referir a uno de dos conceptos relacionados: una familia lógica de dispositivos circuitos integrados digitales monolíticos, es un grupo de puertas lógicas (o compuertas) construidas usando uno de varios diseños diferentes, usualmente con niveles lógicos compatibles y características de fuente de poder dentro de una familia. Muchas familias lógicas fueron producidas como componentes individuales, cada uno conteniendo una o algunas funciones básicas relacionadas, las cuales se podrían ser utilizadas como ³construcción de bloques´ para crear sistemas o como por así llamarlo ³pegamento´ para interconectar circuitos integrados más complejos. También puede referirse a un conjunto de técnicas usadas para la implementación de la lógica dentro de una larga escala de circuitos integrados tal como un procesador central, memoria, u otra función compleja; estas familias usan técnicas dinámicas registradas para minimizar el consumo de energía y el retraso.
Tipos de familias lógicas Dentro de las familias lógicas se encuentran: y y y y y y y
DL (Lógica Diodo) TL (Lógica R esistencia-Transistor) esistencia-Transistor) R TL DTL (Lógica Diodo-Transistor) HTL (Lógica de alto umbral) ECL (Lógica de Acoplamiento de Emisor) TTL (Lógica Transistor-Transistor) MOS (Semiconductor Óxido Metal) PMOS (MOS tipo-P) NMOS (MOS tipo-N) CMOS (MOS Complementario) BiCMOS (CMOS Bipolar) 2 IIL ó I L (Lógica Inyección Integrada) o o o o
y
MOS Estas familias, son aquellas que basan su funcionamiento en los transistores de efecto de campo o MOSFET. Estos transistores se pueden clasificar en 2 tipos, según el canal utilizado: 1.
NMOS:
se basa únicamente en el empleo de transistores NMOS para obtener una función lógica. Su funcionamiento de la puerta lógica es el siguiente: cuando la entrada se encuentra en el caso de un nivel bajo, el transistor NMOS estará en su zona de corte, por lo tanto, la intensidad que circulará por el circuito será nula y la salida estará la tensión de polarización (un nivel alto); y cuando la entrada se encuentra en el caso de que está en un nivel alto, entonces el transistor estará conduciendo y se comportará como interruptor, y en la salida será un nivel bajo.
2.
PMOS:
El transistor MOS se puede identificar como un interruptor controlado por la tensión de la puerta, V_G, que es la que determinará cuándo conduce y cuando no.
IIL También conocida en su forma abreviada como I2L, es la lógica de Inyección integrada, sus siglas vienen de su nombre en inglés: Integrated Interjection Lógic. Es una clase de circuitos digitales construido con colectores múltiples BJT. Cuando fue introducido, tenía una velocidad comparable con la del TTL TTL,, y su potencia tan baja como la del CMOS CMOS..
Introducción El presente trabajo esta hecho con la finalidad de comprender en líneas generales el funcionamiento de las familias lógicas cmos y ttl, para ello es bueno comprender que desde el comienzo, el proceso de miniaturización de la electrónica electrónica,, iniciado en la década de los 50 con la utilización del transistor , continuó con un segundo salto cualitativo en la década siguiente (años 60) mediante la integración de sub circuitos completos en un mismo substrato de silicio ( chip): sub circuitos correspondientes a módulos digitales tales como puertas booleanas, biestables o bloques combinacionales o secuenciales. Los circuitos digitales son sumamente apropiados para su inserción en circuitos integrados: de un lado, la ausencia de autoinducciones y el poder prescindir, asimismo, de condensadores reduce los elementos a integrar a transistores y resistencias y a las conexiones de estos entre sí; de otro, la propia modularidad de los sistemas sistemasdigitales digitales precisa de un número reducido de tipos de puertas lógicas, e incluso, basta con un solo tipo de ellas (puertas Nand o Nor). Por
ello, los circuitos integradosinvadieron integradosinvadieron muy pronto el campo digital; en unos pocos años resultó anacrónico y antieconómico construir las puertas booleanas (lógicas) con componentes discretos, una vez que se disponía de una gran variedad de puertas lógicas y de una amplia serie de funciones de gran complejidad construidas dentro de un circuito integrado. En el presente trabajo se desarrolla una breve explicación referencial, en cuanto a la evolución histórica de las familias lógicas, así como también su esquema generaldiagramas,, características, cuadros comparativos que nos reflejen las diferentes desventajas diagramas y ventajas de cada tipo de familia familia,, analizando el triestado y sus consideraciones, la potencia disipada, la velocidad velocidad,, el "Fan In" y el "Fan Out" y finalmente su margen de ruido ruido,, específicamente de; las familias CMOS y TTL. En primer lugar, las puertas bipolares que condujeron a la gran familia TTL (cuya amplia difusión consolidó la lógica integrada); luego las tecnologías MOS, hasta llegar a la predominante HCMOS; la mezcla BiCMOS (bipolar-CMOS) que resulta muy apropiada para circuitos «interbús» (en medio de los buses); y la derivación actual haciaseries hacia series de bajo voltaje (pasando de la alimentación habitual de 5 V a sólo 3 V).
En todo caso, para elegir y utilizar correcta y eficazmente una familia lógica (y, dentro de ella, una serie específica) es preciso tener en cuenta sus características funcionales. Aún más, es requisito previo para ello comprender el significado conceptual y las implicaciones prácticas de tales características y ser capaz de localizar y «hacer una lectura efectiva» de las mismas en los catálogos que suministran los fabricantes de circuitos integrados. Entre las diversas cuestiones a las que prestar atención aparece el «ruido electromagnético» como un «compañero no deseado» que puede perturbar el correcto funcionamiento de un circuito digital y que requiere una actitud vigilante y un importante esfuerzo de «autoprotección» en el proceso de diseño y puesta a punto del circuito. Pero, a la vez, la producciónde «ruido electromagnético» por el propio circuito obliga a un esfuerzo complementario de reducción de la emisión de perturbaciones para cumplir con las normativas de compatibilidad electromagnética. Primeras familias lógicas: C. I. con
transistores bipolares
Las primeras puertas lógicas integradas eran mera copia directa de las puertas "o-negada" (Nor ) con componentes discretos, mediante la conexión en paralelo de varios transistores bipolares NPN en emisor común; tales puertas dieron lugar a la primera familia lógica: R TL (lógica de transistores y resistencias).
Pronto
se mejoraron las características de estas puertas integradas, en cuanto a velocidad y a consumo, combinando una puerta " y" de diodos con un transistor inversor en emisor común; así se configuró la puerta "y-negada" (Nand ) base de la familia DTL (lógica de transistores y diodos) que fue la primera que llegó a alcanzar una difusión apreciable.
A partir de este esquema (puerta "y" + inversor), aprovechando en mayor profundidad las posibilidades que ofrece la integración sobre un substrato único, se planteó una segunda mejora en velocidad y en consumo, añadiendo una etapa de salida amplificadora de intensidad (dos transistores en push-pull ) y substituyendo los diodos por un transistor multi emisor.
La etapa de salida de dos transistores NPN (t otem pole: «palo de tótem») aumenta la intensidad suministrable y disminuye la resistencia de salida; el transistor multi emisor mejora considerablemente la conmutación de la puerta (en una primera aproximación, su comportamiento puede ser analizado en términos de diodos:
La clave del funcionamiento de la puerta TTLes el sentido en que circula la intensidad que la base del transistor multi emisor recibe desde la resistencia de 4K: - si dicha corriente va «hacia fuera», es decir, si alguna de las entradas está conectada a 0, el transistor T se encontrará en corte y el transistor T1, en colector común, transmite un 1 a la salida; - cuando todas las entradas se encuentran a 1 dicha intensidad circula «hacia dentro», hacia la base del transistor T, que se satura y lleva también a saturación al transistor T2, que pone la salida a 0. [Un 0 en una entrada supone una intensidad «hacia fuera», de forma que una entrada TTL «al aire» equivale a un 1, salvo efect os d e r uido.] La puertas TTL se alimentan a 5 V; su tensión de conmutación se sitúa en el entorno de 1,2 V, de manera que un 0 en la entrada ha de ser menor de 1 V (ViLmáx = 1 V) y, en cambio, una tensión superior a 1,5 V es entendida como un 1 (ViHmín = 1,5 V); la tensión de salida para el 0 es 0 V, pero la correspondiente al 1 es de solamente 4 V. Los tiempos de propagación de la serie TTL estándar son del orden de 10 ns. y el consumo promedio es de unos 2 mA (10 mW). La familia TTL proporcionó la base del gran desarrollo que tuvieron los sistemas digitales durante la década de los 70; su amplia difusión y utilización favoreció la aparición de diversas series derivadas de la mejora de características concretas, una de las cuales, la serie
LS ha sustituido por completo a la serie estándar inicial y es la que se ha seguido utilizando a lo largo de la década de los 80. La serie 74LS (l ow power Schottky) mejora en gran medida a la serie estándar en cuanto a consumo (0,4 mA), manteniendo la velocidad de trabajo en valores análogos e incluso, algo superiores. La disminución del consumo se deriva del empleo de resistencias de mayor valor , lo cual acarrea un aumento de las constantes de tiempoasociadas; este efecto queda compensado por la inclusión de un diodo Schottky entre base y colector de los transistores que impide su saturación (desvía la corriente de base hacia el colector antes de entrar en una saturación profunda) y, con ello, aumenta su velocidad de conmutación.
Posteriores
series «avanzadas» con el mismo esquema circuital han aprovechado la reducción de dimensiones de los transistores y la correspondiente disminución de sus capacidades parásitas para conseguir tiempos de propagación inferiores: la serie 74ALS (ad vanced LS ) presenta tiempos por debajo de 4 ns, mientras que las series 74F (f ast-TTL) y 74AS (ad vanced Schottky) ofrecen tiempos de propagación del orden de 2,5 ns y 1,5 ns, respectivamente, a costa de un mayor consumo (por utilizar resistencias de menor valor).
Esta línea de evolución de las puertas con transistores bipolaresconstituye la «edad antigua» de los circuitos integrados digitales; actualmente, apenas se utilizan las familias bipolares, salvo en determinadas aplicaciones específicas, en particular, para sistemas de muy alta velocidad. La serie 74LS sigue siendo útil para «recambio y mantenimiento» de los numerosos sistemas digitales que han sido construidos con ella (o con la serie estándar 74), la serie 74ALS se emplea en circuitos «interbús» (aplicación que consideraremos un poco más
adelante) y la serie 74Fresulta adecuada para diseños de muy alta velocidad de trabajo (frecuencias superiores a los 100 MHz).
FAMILIAS LOGICAS DE CIR CUITOS INTEGR ADOS Una familia lógica es el conjunto de circuitos integrados (CI¶s) los cuales pueden ser interconectados entre si sin ningún tipo de Interface o aditamento, es decir, una salida de un CI puede conectarse directamente a la entrada de otro CI de una misma familia. Se dice entonces que son compatibles. Las familias pueden clasificarse en bipolares y MOS. podemos mencionar algunos ejemplos. Familias bipolares: R TL, DTL, TTL, ECL, HTL, IIL. Familias MOS: PMOS, NMOS, CMOS. Las tecnologías TTL (lógica transistor- transistor) y CMOS (metal oxidosemiconductor complementario) son los mas utilizadas en la fabricación de CI¶s SSI (baja escala de integración) y MSI (media escala de integración).
CAR ACTERÍSTICAS GENER ALES NIVELES LOGICOS Para
que un CI TTL opere adecuadamente, el fabricante especifica que una entrada baja varíe de 0 a 0.8V y una alta varíe de 2 a 5V. La región que esta comprendida entre 0.8 y 2V se le denomina región prohibida o de incertidumbre y cualquier entrada en este rango daría resultados impredecibles. Los rangos de salidas esperados varían normalmente entre 0 y 0.4V para una salida baja y de 2.4 a 5V para una salida alta. La diferencia entre los niveles de entrada y salida (2-2.4V y 0.8-0.4V) es proporcionarle al dispositivo inmunidad al ruido que se define como la insensibilidad del circuito digital a señales eléctricas no deseadas. Para
los CI CMOS una entrada alta puede variar de 0 a 3V y una alta de 7 a 10V (dependiendo del tipo de CI CMOS). Para las salidas los CI toman valores muy cercanos a los de VCC Y GND (Alrededor de los 0.05V de diferencia). Este amplio margen entre los niveles de entrada y salida ofrece una inmunidad al ruido mucho mayor que la de los CI TTL.
VELOCIDAD DE OPER ACIÓN Cuando se presenta un cambio de estado en la entrada de un dispositivo digital, debido a su circuitería interna, este se demora un cierto tiempo antes de dar una respuesta a la salida. A
este tiempo se le denomina retardo de propagación. Este retardo puede ser distinto en la transición de alto a bajo (H-L) y de bajo a alto (L-H). La familia TTL se caracteriza por su alta velocidad (bajo retardo de propagación) mientras que la familia CMOS es de baja velocidad, sin embargo la subfamilia de CI CMOS HC de alta velocidad reduce considerablemente los retardos de propagación.
FAN-OUT O ABANICO DE SALIDA Al interconectar dos dispositivos TTL (un excitador que proporciona la señal de entrada a una carga) fluye una corriente convencional entre ellos. Cuando hay una salida baja en el excitador, este absorbe la corriente de la carga y cuando hay una salida alta en el excitador, la suministra. En este caso la corriente de absorción es mucho mayor a la corriente de suministro. Estas corrientes determinan el fan-out que se puede definir como la cantidad de entradas que se pueden conectar a una sola salida, que para los CI¶s TTL es de aproximadamente de 10. Los CI¶s CMOS poseen corrientes de absorción y de suministro muy similares y su fanout es mucho mas amplio que la de los CI¶s TTL. Aproximadamente 50.
CIR CUITOS INTEGR ADOS TTL Esta familia utiliza elementos que son comparables a los transistores bipolares diodos y resistores discretos, y es probablemente la mas utilizada. A raíz de las mejoras que se han realizado a los CI TTL, se han creado subfamilias las cuales podemos clasificarlas en: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
TTL estándar. TTL de baja potencia (L). TTL Schottky de baja potencia (LS). TTL Schottky (S). TTL Schottky avanzada de baja potencia (ALS). TTL Schottky avanzada (AS).
Como sus características de voltaje son las mismas (La familia lógica TTL trabaja normalmente a +5V), analizaremos sus velocidades y consumo de potencia.
Velocidad aproximada
Subfamilia TTL
1.5 ns
Schottky avanzada
3 ns
Schottky
4 ns
Schottky avanzada de baja potencia
10 ns
Schottky de baja potencia
10 ns
estándar
33 ns
baja potencia
T abl a 1: Vel ocidad es d e l as d istint as subf amilias TTL
Consumo puerta
de
potencia
por Subfamilia TTL
1 mW
baja potencia
1 mW
Schottky avanzada de baja potencia
2
mW
Schottky de baja potencia
7 mW
Schottky avanzada
10 mW
estándar
20
Schottky
mW
T abl a 2: C onsumo d e potencia d e l as subf amilias TTL
Observemos que las subfamilias Schottky de baja potencia como la Schottky avanzada de baja potencia reúnen excelentes características de alta velocidad y bajo consumo de potencia. Debido a su configuración interna, las salidas de los dispositivos TTL NO pueden conectarse entre si a menos que estas salidas sean de colector abierto o de tres estados.
CIR CUITOS INTEGR ADOS CMOS Estos CI¶s se caracterizan por su extremadamente bajo consumo de potencia, ya que se fabrican a partir de transistores MOSFET los cuales por su alta impedancia de entrada su consumo de potencia es mínimo. Estos CI¶s se pueden clasificar en tres subfamilias:
Familia
R ango
estándar (4000)
de tensión
Consumo potencia
Velocidad
3 ± 15 V
10 mW
20
a 300 ns
serie 74C00
3 ± 15 V
10 mW
20
a 300 ns
serie 74HC00
3 ± 15 V
10 mW
8 a 12 ns
T abl a 3: Subf amilias CMOS
La serie 74HCT00 se utiliza para realizar interfaces entre TTL y la serie 74HC00. DESCAR GAS ELECTR OSTÁTICAS
Los dispositivos CMOS son muy susceptibles al daño por descargas electrostáticas entre un par de pines. Estos daños pueden prevenirse: 1. Almacenando los CI CMOS en espumas conductoras especiales. 2. Usando soldadores alimentados por batería o conectando a tierra las puntas de los soldadores alimentados por ac. 3. Desconectando la alimentación cuando se vayan a quitar CI CMOS o se cambien conexiones en un circuito. 4. Asegurando que las señales de entrada no excedan las tensiones de la fuente de alimentación. 5. Desconectando las señales de entrada antes de las de alimentación. 6. No dejar entradas en estado flotante, es decir, conectarlos a la fuente o a tierra según se requiera.
MAR CAS EN UN CI Dependiendo del fabricante, un CI puede presentar distintas demarcaciones en la parte superior del mismo, pero una marca común en un CI TTL es como la que se describe a continuación:
F igura
1: M ar cas d e un CI
El pin o patilla 1 se identifica con un punto, muesca o banda coloreada en uno de los extremos del CI. Siempre se sitúa a la izquierda colocando el integrado con el extremo demarcado hacia arriba. El logotipo o el pequeño dibujo que identifica al fabricante puede aparecer en cualquiera de los dos extremos y el numero de circuito aparece generalmente centrado junto al costado izquierdo. Un ejemplo de numero de circuito de un CI TTL puede ser el DM74ALS76N. Veamos como se decodifica este numero: DM: Las primeras letras identifican al fabricante (National Semiconductor) 74: Los dos primeros números indican la serie (serie 7400) ALS: Estas letras indican la subfamilia TTL (Schottky avanzada de baja potencia) 76: Los números siguientes especifican la función (doble flip-flop JK) N:
El sufijo N indica que es un CI encapsulado en doble linea
Para
un CI CMOS las marcas son muy similares. Un ejemplo podría ser el MC74HC32N:
MC: Identifica al fabricante (Motorola) 74HC: Indica la subfamilia o serie del integrado (74HC00) 32: Especifica la función (4 puertas OR de dos entradas) N:
Este
es
el
código
de
National
Semiconductor
para
un
CI
DIP
INTER FACES ENTRE CI TTL Y CMOS Ya que los requerimientos para estas dos familias son bastante diferentes, requieren para su interconexión la utilización de interfaces. A continuación hay algunos ejemplos de
interfaces cuando los dispositivos trabajan con una misma fuente de voltaje y cuando trabajan con voltajes distintos. (gráficos de interfaces).
F igura
2: I nter f az estándar TTL a CMOS utilizando un r esist or d e "pull up"
F igura
3: I nter f az Schottky TTL d e baja potencia a CMOS utilizando un r esist or d e "pull
up"
F igura
F igura
F igura
4:
I nter f az
CMOS
a
TTL
Schottky
d e
potencia
baja
5: I nter f az CMOS a TTL estándar utilizando un buffer d e CI CMOS
6:
I nter f az
TTL
y
CMOS
usando
un
buffer
d e
CI
CMOS
F igura
F igura
7:
I nter f az
TTL
a
CMOS
utilizando
un
t ransist or
8: I nter f az TTL a CMOS utilizando un buffer TTL d e colect or abier to
F igura
9: I nter f az CMOS a TTL utilizando un buffer d e CI CMOS
Cuando las salidas de los CI¶s se conectan a dispositivos distintos a puertas lógicas como por ejemplo a LED's indicadores, se pueden utilizar las interfaces siguientes:
F igura
10: I nter f ace CMOS a LED para volt aje d e 5V. El led luce cuando hay salida ALTA
F igura
11: I nter f ace CMOS a LED para volt aje d e 5V. El led luce cuuando hay una selida
BAJA
F igura
12: I nter f az CMOS a LED para un rang o d e tensión d e 10 a 15V. El led luce cuando hay una salida ALTA
F igura
13: I nter f az CMOS a LED para un rang o d e tensión d e 10 a 15V. El led luce cuando hay una salida BAJA
F igura
14: I nter f az buffer -inver sor CMOS a LED para rang o d e tensión d e 5V a 15V.
F igura
15: I nter f az buffer -no inver sor CMOS a LED para un rang o d e tensión d e 5V a 15V
F igura
16:
I nter f az TTL
a
LED
el
cual
luce
cuando
l a
salida
es
ALTA
F igura
17:
I nter f az
a
LED
el
cual
luce
cuando
l a
salida
es
BAJA
TTL
F igura
F igura
18: I nter f ace TTL a LED con ind icador es d e salida ALTA y BAJA
19: I nter f ace TTL a LED utilizando un t ransist or
Generalmente, para introducir información a un circuito digital se utilizan los conmutadores o teclados. A continuación veremos los ejemplos clásicos de interfaces con conmutadores.
F igura
20:
I nter f az
d e
conmut ador
activo
en
BAJA
F igura
21:
I nter f az
d e
conmut ador
activo
en
ALTA
F igura
22: Cir cuit o eliminador d e r ebote utilizando una compuer t a N AN D 74HC00 CMOS
F igura
23: Cir cuit o eliminador d e r ebote utilizando una compuer ta 7403 TTL con colect or
abier t o
Cuando un circuito digital debe activar dispositivos de salida (las cuales generalmente manejan una tensión mayor), se requiere el uso de las siguientes interfaces:
F igura
24: I nter f az con d ispositivos d e salida con inver sor TTL o CMOS
