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.
