Trabajo Practico Nº2

CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

Circuitos digitales que contienen compuertas lógicas

Los circuitos digitales que contienen solamente compuertas lógicas se encuentran encapsulados con una estructura DIL(dupl in line) de 14 pines preservándose los terminales 7 y 14 para la alimentación(tierra y +vcc respectivamente).

Ejemplo de un circuito integrado de compuertas nand:

Dado que existen compuertas de mas de 2 entradas resulta evidente que cuanto mayor sea la cantidad de entrada 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 mas complejos.

·             Disminuir el tamaño de los circuitos.

·             Disminuir el consumo eléctrico

·             Hacer circuitos mas confiables

·             Ser más fáciles de cambiar

·             Bajar los costos

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

SSI (small scale integration)

En esta escala se producen circuitos integrados que contienen funciones lógicas elementales como compuertas e inversores, son aproximadamente 100 componentes.

MSI (médium scale integration)

Comprende circuitos de aplicación general mas complejos como multiplexores, codificadores, etc, con entre 100 y 1000 componentes.

LSI (large scale integration)

Gracias a esta escala de integración se pudieron lograr circuitos electrónicos muy complejos como memorias y micropocesadores entre 100 y 100000 componentes

VLSI (very large scale integration)

Se alcanzo esta tecnología en los años 80 lográndose circuitos integrados con más de 10 millones de componentes.

Actualmente los microprocesadores que trabajan en la arquitectura de 64 bits y con una frecuencia de 3 giga Hertz como es el caso de la serie entel, corel 7 , posee alrededor de 700 millones de transistores.

CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS COMPUERTAS INTEGRADAS:

Las tecnologías más conocidas en la fabricación de compuertas entegradas son la TTL y la CMOS; y en ambas familias se indica en las hojas de datos las siguientes características principales:

·             Tensión de alimentación y su tolerancia.

·             Temperatura de trabajo

·             Fan out (abanico de salida, cuantas puertas se pueden colgar de cada una de las salidas de la compuerta)

VIL: máxima tensión de entrada para un nivel bajo (0)

VIH: Minima  tensión de entrada para un nivel alto (1)

VOL: maxima tensión de salida para un nivel bajo (0)

VOH: minima tensión de salida para un nivel alto (1)

§             Margen de ruido.

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

§             Tiempo de propagación medio:

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

§             Disipación de potencia :

Normalmente se indica la disipación de potencia por función .tamben se indican los consumos de corriente de alimentación y de entrada y salida para los valores lógicos.

Cada una de las familias lógicas tiene su ventaja y su desventaja, por ese motivo en cada caso se elegirá la más adecuada al diseño que se vaya a desarrollar.

Las características ideales de una familia lógica ideada son las siguientes:

§             Alto grado de integración

§             Alta velocidad de propagación

§             Mínimo consumo

§             Máxima inmunidad al ruido y a las variaciones de temperatura

§             Compatibilidad con otras familias lógicas

§             Bajo costo.

FAMILIA TTL (transistor-transistor logic)

Surgió como el ultimo desarrollo para crear funciones lógicas mediante semiconductores .Anteriormente se habían desarrollado las familias Dl (lógica de diodos). RTL (lógica resistor transistor), HTL(lógica de alto umbral), 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 estos últimos. Con esta tecnología se fabrican además de compuertas otros circuitos de mayor complejidad en escala MSI (codificadores, multiplexores, etc.)

La familia TTl comprende varias series, que han sido desarrolladas a partir de la serie 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 son las siguientes:

·             Tensión de alimentación : 5v +- 10 %

·             Temperatura de trabajo : 0ºC a 70ºC

·             Fan-out : 10

Niveles de tensión:

VIL=0,8V

VJH: 2V

VOL: 0.4v

VOH: 2.4v

Valores de ruidos en ambos niveles: 0.4V

Tiempo de propagación medio: 10ns

Disipaciond e potencia :10 mW por función.

La serie 54, presenta las mismas características que la 74, pero se desarrollo inicialmente para aplicaciones militares y aeroespaciales y se diferencia fundamentalmente en que su temperatura de trabajo esta comprendida entre -56 °C a + 125°C

Con el fin de mejorar los tiempos de conmutación, y/o la disipación de potencia se han desarrollado las siguientes series 74/54 L (low power).

En esta serie se obtiene menor consumo 1mW por función pero el tiempo de propagación es de 33 ns.

74/54 S (shottky)

Incorpora diodos Shottky para llevar el tiempo de propagación a 3 ns.

74/54 LS ( Low power shottky)

Combina  las ventajas de las series anteriores con una potencia disipada por compuerta de 2mW y un tiempo de propagación de 10nS.

74/54 ALS(advanced low power schottky)

Potencia de disipación por compuerta de 1 m watt y un tiempo de propagación de 4ns.

74/54 AS ( advanced shottky )

Esta serie se desarrollo para aplicaciones con bajo tiempo de propagación, llegando a 1.5ns con una disipación de potencia de 7mw.

En los circuitos integrados más complejos formados por muchas compuertas, las potencias disipadas y los tiempos de propagación son mayores ya que se van acumulando los de las funciones básicas que las componen.

FAMILIA C MOS ( complemental metal oxide semiconductor)

Su nombre se debe a la utilización de un componente denominado transistor MOS. Se llaman complementario por que se utilizan transistores de canal P y de canal N en forma complementaria, a decir: transistores NMOS y PMOS.

Estos circuitos 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 integración, y su principal desventaja es su tiempo de propagación.

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

Serie estándar (4000)

Alimentacion eléctrica : 3 a 8 V

Fan out: superior a 50

Temperatura de funcionamiento: -40°C a 85°C

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

VIL=1.5 v

VIH=3.5v

VOL=0.05v

VOH=4.95v

Inmunidad al ruido:

No le afectan cambios de hasta un 30 % de la tensión de alimentación, los tiempos de propagación son inversamente proporcional a la tensión de alimentación , siendo de 50nSpara 5v y 30nS para 10v.

La potencia disipada por cada función es del orden de los 10nW.

Las familias que se desarrollaron posteriormente son las siguientes:

54/74 HC ( high speed Cmos)

Se mejora el tiempo de propagación llegando a valores de 8ns con tensiones de alimentación comprendidas entre 3 y 6v.

54/74 HCT ( high speed Cmos comp TTL)

Tiene las características del HC y es eléctricamente compatible con la TTL. (Alimentación 5v)

Las series mas modernas de CMOS son las 54/74 AC y 54/74 ACT

En el primer caso la tensión de alimentación esta entre 3v y 6v compatible con la HC.

En el segundo caso se alimenta con 5v por lo que puede sustituir a la serie 54/74 HCT y a toda la familia TTL. Potencia por función 1mW, tiempo de propagación 3nS.