T.P Nº2 : CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

CIRCUITOS DIGITALES QUE CONTIENEN COMPUERTAS LOGICAS

            Los circuitos digitales que contienen solamente compuertas lógicas se encuentran encapsuladas por una estructura de DIL/dual in line de 14 pines reservándose los terminales 7 y 14 para la conexión a la fuente de alimentación (tierra y +Vcc respectivamente).

           

            Ejemplo de un circuito integrado con 4 compuertas NAND de 2 entradas.

            Dado que existen compuertas de más de dos entradas resulta evidente cuánto mayor sea la cantidad de entradas, menor será la cantidad de compuertas incluidas.

ESCALA DE INTEGRACION

 

A lo largo del tiempo los fabricantes de componentes electrónicos han logrado aumentar la cantidad de componentes construidos por unidad de superficie de los circuitos integrados esto se conoce como un aumento de la escala de integración.

           

Las ventajas de aumentar la escala de integración son muchas, siendo las más importantes: Permitir la construcción de circuitos cada vez más complejos, disminuir el tamaño de los circuitos, disminuir el consumo eléctrico, hacer circuitos más confiables, ser más fáciles de reemplazar y bajar los costos.

 

Las escalas de integración fueron aumentando a medida que mejoro la tecnología.

Ø      SSI (small scale integration)

  En esta escala de integración se producen C.I. que obtienen funciones lógicas elementales como compuertas e inversores, son aproximadamente 100 componentes.

Ø      MSI (médium scale integration)

  Comprende los circuitos de integración aplicación # más complejos, multiplexores, decodificadores…etc., con entre 100 y 1000 componentes.

Ø      LSI (large scale integration)

  Gracias a esta escala de integración se pueden lograr circuitos electrónicos muy complejos como microprocesadores y memorias, contienen entre 1000 y 100000 componentes.

Ø      VLSI (very large scale integration)

            Se alcanzo esta tecnología en los años 80 lográndose circuitos integrados con mas de 10000000 de componentes.

            Actualmente los microprocesadores que trabajan en la arquitectura de 64 bits y con una frecuencia de 3GHZ, como es el caso de la serie INTEL LORE 77, posee alrededor de 700000000.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS COMPUERTAS INTEGRADAS

 Las tecnologías mas conocidas en la fabricasion de compuertas integradas son la TTL y la CMOS, y ambas familias se indican en las hojas de datos la siguiente características principales:

v     tensión de alimentación y sus tolerancias.

v     temperatura de trabajo.

v     FAN-OUT(abanico de salida)

v     tensiones de funcionamiento:

VIL=máxima tensión de entrada para un nivel bajo.

VIH=mínima tensión de entrada para un nivel alto.

VOL=máxima tensión de salida para un nivel bajo.

VOH=mínima tensión de salida para un nivel alto

Ø      Margen de ruido

Indica las variaciones máximas que se pueden producir a la entrada sin que la salida varié su estado.

Ø      Tiempo de propagación medio

Es el tiempo que transcurre desde que se produce un cambio lógico a la entrada hasta que lo hace la salida.

Ø      Disipasion de potencia

Normalmente se indica la disipación de potencia por funsion, también se indica los consumos de corriente de alimentación y de entrada y salida para los valores lógicos.

           

Cada una de las familias lógicas tiene su ventajas y sus desventajas, por ese motivo en cada caso se eligiera la más adecuada al diseño que se vaya a desarrollar. Las características ideales de una familia lógica integrada son las siguientes:

v     alto grado de integración.

v     alta velocidad de propagación.

v     mínima consumo.

v     máxima inmunidad al ruido y a las variaciones de temperatura.

v     compatibilidad con otras familias lógicas.

v     bajo costo.

FAMILIAS TTL (transistor transistor logic)

            La familia TTL surgió como el ultimo desarrollo para crear funciones lógicas mediante semiconductores. Anteriormente se habían desarrollado las familias DL (lógica de diodos), la RTL (resistor transistor logic), DTL (Diode transistor logic), la HTL (lógica de alto umbral) y ECL (lógica de acoplamiento por emisor). En esta familia lógica, las compuertas están construidas mediante resistores, diodos y transistores bipolares, por lo que esta familia posee las características generales de estas ultimas. Con esta tecnología se fabrican además otros circuitos de mayor complejidad den escala MSI(multiplexores, sumadores, etc.).

            La familia TTL comprende varias series que han sido desarrollada a partir de la seri estándar para mejorar algunas de las características de las fabricadas anteriormente.

            La primera serie, es decir la estándar, se conoce como serie 74, cuyas características principales son las siguientes:

Ø      Tensión de alimentación 5V con una tolerancia de (+)(-) 10%

Ø      Temperatura de trabajo 0ºC a 70ºC

Ø      FAN OUT _ 10

Ø      Niveles de tensión:                 VIL 0,8V

VIH 2V

 VOL 0,4V

 VOH 2,4V

  

Ø      Valor de ruido en ambos niveles 0,4V

Ø      Tiempo de propagación medio 10nS

Ø      Disipación de potencia 10mW por función(compuerta).

    

  La serie 54 presenta las mismas características que la serie 74, pero se desarrollo inicialmente para aplicaciones militares y aeroespaciales y se diferencia fundamentalmente que su temperatura de trabajo esta comprendida entre -55ºC a +125ºC.

   Con el fin de mejorar se han desarrollado las siguientes series:

v     74/54 L (low power) : En esta serie se obtiene menor consumo, 1mW por función, pero el tiempo de propagación es de 33nS.

v     74/54 S (schottky) : Incorpora diodos schottky para llevar los tiempos de propagación a 3nS, con una disipación de potencia de 20mW aproximadamente.

v      74/54 LS (low power schottky) : Combina las ventajas de las series anteriores, con una potencia disipada por compuerta de 2mW y un tiempo de propagación de 10nS.

v     74/54 ALS (advanced low power schottky) : Con una potencia disipada por compuerta de 1,W y un tiempo de propagación de 4nS.

v     74/54 AS (anvanced schottky) : Esta serie se desarrollo para aplicaciones que requieren bajo tiempo de propagación llegando a 1,5nS, con una disipación de partencia de 7mW.

Como es lógico en los circuitos integrados que contienen dispositivos mas complejos formado por muchas compuertas, las potencias disipadas y los tiempos de propagación son mayores ya que se van acumulando sobre la función lógica que la componen.

FAMILIAS CMOS ( Coplementary Metal Oxide Semiconductor)

            Su nombre se debe a la utilización de un componente denominada transistor MOS. Se llama complementaria porque se utilizan transistores de canal P y canal N en forma complementaria, es decir, transistores PMOS y NMOS.

            Estos integrados se comenzaron a desarrollar posteriormente a los de la familia TTL y presentan ventajas y desventajas respecto a ella. La principal ventaja es la menor disipación por función lo que permite una mayor densidad de integración, y su principal desventaja es su tiempo de propagación.

            La familia CMOS básica es la denominada serie 4000 y en ella se incluyen microprocesadores, microcontroladores, contadores, memorias y registros.

            Serie ESTANDAR 4000:

Ø      Alimentación eléctrica de 3V a 18V

Ø      FAN OUT superior a 50

Ø      Temperatura de trabajo entre -40ºC a 85ºC

Ø      Niveles de tensión para una tensión de alimentación de 5V:

VIL = 1,5V

VIH = 3,5V

VOL = 0,05V

VOH = 4,95V                   

Ø       Inmunidad al ruido: No le afectan pulsos de hasta un 30% de la tensión de alimentación, los tiempos de propagación son inversamente proporcionales  la tensión de alimentación siendo de 50nS para 5V y 30nS para 10V.

Ø      La potencia disipada por cada función es del orden de los 10mW

Las familias que se desarrollaron posteriormente son las siguientes:

v     54/74 HC (high Speed CMOS) : Se mejora el tiempo de propagación llegando a valores de 8nS con tensiones de alimentación comprendidas entre 5 y 6V.

v     54/74 HCT (high Speedy CMOS compatible con TTL) : Tiene las características de la serie HC y es eléctricamente compatible con la TTL. Alimentación 5V.

       Las series mas modernas de CMOS son:

v     54/74 AC y 54/74 ACT : en el primer caso la tensión de alimentación esta comprendida entre 3V y 6V lo que la hace compatible con la HC.

En el segundo caso se alimenta con 5V por lo que puede sustituir a las serie 54/74 HCT y a toda la familia TTL.

Potencia por función 1mW y su tiempo de propagación es de 3nS.

A continuación se mostrara un cuadro de ambas familias con sus respectivas características:

FAMILIA	SERIE	POTENCIA	T. de PROPAG.
TTL Transistor Transistor  logic	Estándar	10mW	10nS
	74/54 L	1mW	33nS
	74/54 S	20mW	3nS
	74/54 LS	2mW	10nS
	74/54 ALS	1mW	4nS
	74/54 AS	7mW	1,5nS
CMOS Complementary Metal Oxide logic	4000 54/74 C	Del orden de los nW	60nS
	54/74 HC 54/74 HCT		8nS
	54/74 AC 54/74 ACT		2nS