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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------FAMILIAS LOGICAS EN LOS CIRCUITOS DIGITALES Introducción: La realización de sistemas de control y de gestión, mediante el uso de las compuertas lógicas electrónicas (de nivel eléctrico), ha tenido un desarrollo tecnológico muy importante, a medida que fue avanzando el tiempo a partir de su aplicación, a principios de la década del 60. De allí que aparecieron diferentes tecnologías para la realización de las funciones lógicas, desde las básicas (and, not, or, nor, nand, en escala de integración SSI), hasta las mas complejas (sumadores, codificadores, memorias, microprocesadores, etc.) a partir de las escalas de integración MSI en adelante. El desarrollo de la tecnología de los circuitos digitales integrados, basados en la realización física de las funciones lógicas mediante la interconexión de resistencias, diodos y transistores sobre un solo sustrato, permitió una sustancial disminución de los costos de producción y un aumento de la fiabilidad. Los circuitos integrados contienen muchos mas circuitos en un pequeño encapsulado, de tal forma que todos los sistemas digitales modernos, son de tamaño reducido. Esto da lugar a una baja drástica en los costos de producción, si se acompañan con la “economía de producción en masa”, creando grandes volúmenes de dispositivos similares. Otra de las ventajas de los CI, es que han hecho a los sistemas más confiable, debido a la reducción del número de interconexiones externas de un dispositivo a otro (menor conexionado por soldadura). Otro logro importante de los CI, esta relacionado a una disminución del consumo de potencia, reduciendo las fuentes de alimentación y sistemas de enfriamiento. Como desventaja, podemos mencionar la poca capacidad de manejo de corrientes y tensiones, como así también la del hecho de que no se pueden integrar elementos como inductores, transformadores y grandes capacitores. Por estas últimas razones, los circuitos integrados se emplean principalmente para realizar operaciones en circuitos de baja potencia que comúnmente se denominan “procesamiento de la información”. Las operaciones que requieren niveles altos de potencia o dispositivos que no se pueden integrar, todavía se manejan con componentes discretos. El desarrollo de los circuitos integrados digitales, dio lugar a la creación de diversos circuitos con diversos componentes semiconductores, lo que dio lugar a clasificarlos en “familias lógicas”. A su vez, dentro de cada familia, se hicieron nuevos desarrollos para su mejoramiento, dando lugar a la aparición de “subfamilias”. Las familias más comunes, son las siguientes: RTL: lógica resistencia-transistor TTL: “ transistor-transistor ECL: “ de acoplo de emisor CMOS “ metal semiconductor con transistores complementarios DTL: “ diodo-transistor HTL: “ de alto nivel de entrada En general, podemos decir que cada familia, fue diseñada para una aplicación diferente y cada una tiene sus ventajas e inconvenientes. Por ejemplo en un computador resulta adecuado que el paso por el nivel lógico uno (1) a cero (0) o viceversa sea lo mas rápido posible. En otros sistemas, como estará alimentado por baterías, resulta conveniente el mínimo consumo. En ambientes industriales, con alto nivel de ruido eléctrico, es conveniente que los circuitos electrónicos presenten una alta inmunidad al ruido. ___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Características y terminología utilizada en los circuitos integrados digitales Los fabricantes de CI, para definir las características de las diferentes familias en que se clasifican los circuitos digitales integrados, definen algunos parámetros de comparación: - Velocidad. - Retardo de la propagación. - Potencia de disipación. - Fan out (abanico de salida o nº de puertas que pueden conectarse en la salida). - Fan in (abanico de entrad o nº de puertas que pueden conectarse en su entrada). - Inmunidad al ruido. Velocidad Mide la frecuencia con la que un “Flip Flop”, de esa familia, puede cambiar de estado sin cometer errores. Este parámetro es dependiente del “retardo a la propagación”; su valor se mide en MHZ. Retardo a la propagación Es el tiempo que tarda en producirse un cambio en la salida (de 0 a 1) de la compuerta, al producirse un cambio en su entrada (de 0 a 1); Su magnitud se mide en nano segundos (nseg.). Potencia de disipación Es la potencia que consume cada puerta; su valor se mide en “mw” ( miliwatt). La suma de las potencias de los elementos de un circuito completo, determina la potencia de la fuente de alimentación. Fan out Este parámetro indica la cantidad de carga que puede conectarse a la salida de una puerta. El “fan out”, viene dado normalmente por el número de elementos lógicos (de la misma familia) que puede conectarse a la salida del elemento (puerta); su traducción literal significa “abanico de salida”. Fan in Su traducción literal indica “abanico de entrada” y significa el máximo de entradas que puede aceptar un elemento lógico. Inmunidad al ruido Mide la cantidad de ruido eléctrico que puede superponerse a una señal lógica aplicada al elemento (puerta) sin que “cambie de estado” incorrectamente. Este valor se especifica en mV (milivolt) o en voltios. ___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Parámetros de corriente y tension de los circuitos digitales La terminología empleada para definir los parámetros de tensión y corriente de los circuitos digitales, en gral. Esta estandarizada entre los fabricantes de estos componentes. Parámetros de tension: VIH (min) (voltaje de entrada de nivel alto) : Representa el nivel de tension para un uno (1) lógico en una entrada. Cualquier tension por debajo de este valor, no será aceptado como “alto” por el circuito lógico. VIL (max) (voltaje de entrada de nivel bajo) : Nivel de tension que se necesita para un cero (0) lógico en la entrada. Cualquier tension por encima de este valor, no será aceptado como “bajo” por el circuito lógico. V0H (min) (voltaje de salida de nivel alto) : Nivel de tension mínimo a la salida de un circuito logico en estado “alto”, bajo condiciones de cargas definidas. V0L (max) (voltaje de salida de nivel bajo) : Es el máximo nivel de tension a la salida de un circuito lógico para el nivel lógico de cero (0); esta definido bajo determinadas condiciones de carga . Parámetros de corriente: IIH (corriente de entrada de nivel alto) : Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica una tension de nivel alto especifico a dicha entrada. IIL (corriente de entrada de nivel bajo) : Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un nivel de tension bajo especifico a dicha entrada I0H (Corriente de salida de nivel bajo) : Corriente que fluye desde una salida en el estado alto o uno (1) lógico en condiciones de carga especifica. I0L (corriente de salida de nivel bajo) : Corriente que fluye a partir de una salida en el estado bajo o cero (0) lógico en condiciones de carga especifica.

I0H

IIH +

V0H -

I0L +

VIH -

IIL +

V0L -

+

VIL -

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Es de destacar que los sentidos de corriente I0L y IIL son opuestos a los dibujados para aquellas familias lógicas que tengan acción de disipación de corriente (por ejemplo TTL). Factor de carga de salida (Fan out) : Representa el número de cargas normales que pueden conectarse a la salida de la compuerta lógica. Por ejemplo si el fan out = 10, significa que pueden conectarse a la salida 10 compuertas normales. Si se conectan mas de 10 entradas lógicas, no hay garantia del valor lógico de la tension de salida Ejemplo: Familia lógica TTL estándar Tension de alimentación nominal: Vcc = +5 volt VIH (min) = 2,0 volt

V0H (min) = 2,4 volt

VIL (max) = 0,8 volt

V0L (max) = 0,4 volt

IIH = 40 µA (corriente entrante)

I0H = -0,4 mA (corriente saliente)

IIL = -1,6 mA (corriente saliente)

IIH = 16 mA (corriente entrante)

Como vemos la relación entre las corrientes entrantes y salientes en los niveles altos y bajos es de 10. Grafica de los niveles de tension

1 lógico

1 Logico

V0H (min)

Intervalo indeterminado V0L (max)

0 lógico

Valores de tension de salida

VIH (min)

VNH

Intervalo no permitido

VNL

VIL (max)

0 lógico

Requerimientos de Tension de entrada

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Inmunidad al ruido Los circuitos digitales están expuestos al ruido eléctrico provenientes de campos eléctricos y magnéticos de su vecindad. Este ruido eléctrico puede alterar los valores de las tensiones lógicas que funcionan en situaciones normales. La inmunidad al ruido de un circuito lógico, esta referido a la capacidad del circuito para tolerar tensiones de ruido, sin alterar su estado lógico. Una medida cuantitativa de la inmunidad al ruido y que se la denomina “margen de ruido” es la siguiente: VNH = V0H (min) - VIH (min) : margen de ruido para el nivel alto VNL = VIL (max) - V0L (max) : margen de ruido para el nivel bajo Requerimientos de potencia de un circuito integrado lógico En general, para un circuito integrado con varias puertas lógicas en su interior, el consumo de potencia será distinto según los valores lógicos presentes en las entradas. Para determinar el consumo de potencia, se toma el promedio para la situación entre todas las entradas “bajas” y todas las entradas “altas”. Este dato en gral. Lo suministra el fabricante. Icc H(mA) : consume de corriente del CI para entradas altas Icc L(mA) : consume de corriente del CI para entradas bajas Icc (promedio) = (Icc H + Icc L) / 2 P D(promedio) = Vcc . Icc Retrasos en la propagación 1 Entrada 0 tPHL

tPLH

1

Salida 0 E

S

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------El dibujo anterior muestra las variaciones de las tensiones de entrada y salida para una puerta lógica NOT. La señal lógica experimenta un retraso al recorrer el circuito. Los dos tiempos de retraso de propagación se definen como: tPHL: Tiempo de retraso al pasar del estado lógico uno (1) al cero (0) tPLH :Tiempo de retraso al pasar del estado lógico cero(0) al uno (1) En gral. Se especifican para condiciones de carga y pueden ser distintos: tPHL ≠ tPLH Por ejemplo, para la familia TTL estándar, el CI 7400 comprende cuatro compuertas lógicas NAND de dos entradas el valor de tPHL(típico)=7 nseg. y tPLH(típico)=11 nseg. Los valores de los tiempos de propagación se utilizan como una medida de la velocidad relativa de los circuitos lógicos. Producto velocidad-potencia Este factor se utiliza para medir y comparar el desempeño global de una familia lógica. Se determina como el producto del consumo promedio de potencia por el tiempo de propagación de la compuerta lógica. Producto velocidad-potencia: retraso propagación x consumo de potencia Si tP(promedio)= 10 nseg. y PD (promedio) =5 mW 10 nseg. x 5 mW = 50 x10-12 Watt-seg. = 50 pico Joules (PJ) Comparación entre las familias lógicas No hay una familia que reúna las mejores características. En gral., existen familias lógicas que son aconsejables en algunas aplicaciones y desechables en otras porque a menudo la propia naturaleza de los circuitos electrónicos, exige la preponderancia de uno sobre otra. La aceptación de una familia lógica, se debe mucho, a veces, a la posible ampliación y modernización que tiene el fabricante en esa línea y el ofrecimiento de servicio de asesoramiento y literatura técnica. Otro motivo, puede ser la amplia gama de productos auxiliares que se crean alrededor de esa familia, como puede ser fuentes de alimentación, convertidores A/D, teclados, memorias, etc. A continuación, desarrollaremos los aspectos grales mas importantes de seis familias lógicas, mostrando en cada caso el circuito del elemento lógico fundamental y sus características predominantes. Previo a ello y con carácter histórico para evocar el desarrollo de los circuitos lógicos realizados con semiconductores, trataremos brevemente, a los primeros circuitos lógicos integrados en módulos con conectores, que aparecieron comercialmente a finales de la década del 50 y principios del 60. Módulos electrónicos a semiconductores Estos módulos, fueron los primeros conjuntos electrónicos que precedieron a los circuitos integrados con técnica planar, para competir y reemplazar a los sistemas de ___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------control con válvulas electrónicas (triodos, pentodos , tiratrones, etc) y sistemas con reles. Se denominaban “módulos logitrónicos” y se distribuían comercialmente con las marcas LP, NORBIT, UNISTATIC, etc. Estaban construidos con circuitos electronicos digitales discretos, y cumplían las funciones lógicas básicas (NOT, AND, OR, NOR, NAND) y otros elementos como amplificadores lógicos, Flip Flop, temporizadores, etc.

Modulo LP90N

Conectores

Por ejemplo la serie LP90N tenía la siguiente caracteristica: Tecnología RTL, encapsulados en resina epoxi con forma paralelepípedo de 60x28x26 mm, con conexionado por patilla en doble línea (dual-in-line) 7 conectores. Interconecionado por circuito impreso (wire-wrap) ; tension de trabajo: 24 V±20%; Elevada fiabilidad (para la época, respecto a los otros sistemas); Velocidad de conmutación elevada (superior a 10 KHZ). Estaban concebidos para aplicaciones domesticas e industriales. Como se puede observar, estos módulos fueron la base del desarrollo posterior de los sistemas lógicos electrónicos con circuitos integrados en técnica planar. Veamos algunos de estos elementos lógicos: NOR 4 entradas

NAND 4 entradas

Doble NOT

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Familia de circuitos integrados RTL(resistencia –transistor –logico) Esta familia es la mas antigua de todas dentro de los circuitos integrados con técnica planar en un solo substrato. Apareció comercialmente a mediados de la década del 60, como reemplazo de los módulos logitrónicos, desarrollados con técnica discreta. En la actualidad, esta familia ya no se la utiliza, reemplazándosela por otras familias con mejores prestaciones. El circuito básico de la familia RTL es una puerta NOR como muestra el siguiente circuito:

NOR 2 entradas

De este circuito existen variantes; una de ellas se basa en resistencias y otro en capacidades conectadas en paralelo con las resistencias de las bases. El retraso a la propagación de la RTL es de 12 nseg. Con un consumo de potencia razonable del orden de los 10 mw por puerta. Los principales inconvenientes de la familia RTL son su baja capacidad de “fan out” y la pequeña variación entre sus niveles cero y uno, que con lleva un margen de ruido bajo. Como ventaja, es su alta densidad de integración, y costo reducido.

Familia TTL (transistor-transistor-lógico) Es una de la más usada y popular con amplia difusión comercial. En gral., todos los fabricantes de CI tienen una línea de productos TTL. Esta familia, consta a su vez de subfamilias lógicas, siendo las siguientes: -TTL estándar -TTL de baja potencia o bajo consumo. -TTL de alta velocidad. -TTL Schottky. ___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ----------------------------------------------------------------------------------------------------------TTL Schottky de baja potencia.

TTL estándar (serie SN 54 / 74 de Texas)

ENTRADA

CONMUTACION

SALIDA

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

C 1 1 1 0

La figura muestra el circuito de un elemento lógico TTL de una puerta NAND; este circuito, consta de tres etapas. Una etapa de entrada asociada a un transistor multiemisor Q1, una etapa de conmutación a través del transistor Q2 y una etapa de salida por medio de los transistores Q3 y Q4. La función NAND la realizan los transistores Q1 y Q2 y los transistores Q3 y Q4 se encargan de hacer pasar la salida (C) de uno (1) a cero (0) o viceversa. El circuito funciona con una alimentación de + 5 volt ± 5% y es compatible con todos los circuitos de las otras subfamilias TTL, así también con la familia lógica DTL. Por lo gral. Los niveles lógicos que se emplean con la tecnología TTL son positivos, correspondiendo el nivel alto o uno (1), a la tensión positiva mas elevada, que oscila entre 2 y 5 volt y el nivel bajo o cero (0), a un voltaje comprendido entre + 0 y + 0,8 volt. Los aspectos más importantes de la puerta TTL NAND son los siguientes: 1)- El transistor multiemisor Q1 responde a los cambios lógicos de las entradas, suministrando corriente de base a Q2, en unos casos, y en otros retirando carga almacenada en la base de Q2 y en la capacidad parasita “CCS” existente entre el colector de Q1 y el substrato. 2)- El transistor Q2 trabaja como amplificador saturable y su misión consiste en suministrar alternativamente corriente a las bases de Q3 y Q4. ___________________________________________________________________ Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------3)- El transistor Q3, junto con el diodo CR1 y el transistor Q4, funciona como seguidor de emisor dando lugar a una impedancia baja, lo que permite poder funcionar con altas cargas capacitivas y conservar la velocidad; además el diodo evita que Q3 conduzca cuando Q4 esta en saturación, al ofrecer una alta impedancia de carga a su colector. 4)- Cuando Q4 esta saturado, deriva a masa la corriente saliente de las entradas de otras puertas TTL a las que se le aplica un cero. 5)- La resistencia R4 tiene por objeto retirar en el momento de la conmutación, desde la saturación al corte, la carga almacenada en la base de Q4. El circuito TTL estándar permite mayor rapidez en la conmutación con cargas capacitivas, dad su baja impedancia de salida pero, presenta dos inconvenientes: 1)- En el cambio de estado, se produce un alto consumo y esto provoca perturbaciones. 2)- Al conectar entre si dos salidas de dos puertas, si estas están en distintos estados (una en alto y la otra en bajo), provoca el paso de corriente de una a otra lo que puede destruir el circuito. Puerta NAND con circuito TTL de tres estados (Triestate) Para evitar el ultimo inconveniente mencionado, se modifica el circuito básico NAND, agregando un nuevo transistor que puede bloquear a los dos transistores de la etapa de salida Q3 y Q4, cuando se le aplica una tension alta a su entrada. Esta entrada se denomina “disable” o “inhibición”. De esta forma es posible conectar sin peligro varias salidas entre si, siempre y cundo las entradas de inhibición estén en estado alto para todas las puertas conectadas entre si a la salida menos la que esta habilitada.. La orden introducida por “disable” o “inhibición”, realiza la función de desconectar la puerta, actuando el circuito en “tres estados”: alto, bajo y alta impedancia. El circuito clásico NAND TTL de tres estados, es el siguiente:

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Cuando se aplica un nivel lógico uno (1) a la entrada de inhibición, conduce Q8 lo que provoca la saturación de Q7 dado que le llega corriente a la base a través de la juntura colector-base de Q8. La conducción de Q7, hace que aparezca una tension en RE7 que polariza directamente la base de Q6 y lo satura llevando a baja tension su colector y también uno de los emisores de Q1. Por otro lado a través del diodo, independientemente de los niveles que existan en las entradas A y B, Q3, Q4, y Q5 quedan bloqueados con lo que la impedancia que pueda existir en estas condiciones entre la salida y tierra o la alimentación +Vcc, es muy grande, consiguiéndose un “tercer estado diferente del alto y bajo, al que se le denomina de “alta impedancia” y que permite que las salidas de las puertas puedan unirse entre si , sin peligro. Cuando hay varias puertas de este tipo, con sus salidas conectadas, solo existirá una puerta con su entrada de inhibición en bajo, con lo que dicha puerta se comporta normalmente ya que conduce Q6 y sus entradas serán las que controlen el estado de la salida común. Tabla de la verdad de una puerta NAND de tres estados (triestate) A B 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 Conexión

I C F: Flotante 0 1 0 1 0 1 0 0 1 F 1 F 1 F 1 F con salida común

Salida común

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Parámetros eléctricos de los estados altos y bajos de las puertas lógicas TTL (serie 54/74 de Texas) Estado lógico alto: Voltaje de entrada de nivel alto: VIH debe ser 2 V o más Corriente de entrada de nivel alto: IIH no excederá de 40 µA (entrante al circuito) Voltaje de salida de nivel alto: VOH sera de 2,4 V o mas Corriente de salida de nivel alto: IOH no debe superar los 400 µA (saliente del circuito) Estado lógico bajo: Voltaje de entrada de nivel bajo: VIL no debe exceder de 0,8 V Corriente de entrada de nivel bajo: IIL un máximo de 1,6 mA (saliente del circuito) Voltaje de salida de nivel bajo: VOL no debe exceder de 0,4 V Corriente de salida de nivel bajo: IOL no debe superar los 16 mA (entrante al circuito) Inmunidad al ruido: Este parámetro determina el máximo nivel de tension de ruido que puede incorporarse a los niveles de tension en alto o bajo de las compuertas, sin que se afecte el estado lógico de las mismas. Para la familia TTL vemos que el margen de ruido resulta: VNH = V0H – VIH = 2,4 – 2,0 = 400µvolt VNL = VIL - V0H = 0,8 – 0,4 = 400µvolt Corrientes de entrada y salida De acuerdo a los valores de las corrientes entrantes y salientes en los estados altos y bajos deducimos lo siguiente: La máxima corriente que puede absorber (sumidero) la salida en nivel bajo es de 16 mA y las entradas para el nivel bajo drenan como máximo 1,6 mA; por lo tanto el valor máximo de compuertas que puede excitar la salida (fan out) En el nivel bajo, resulta de 10 entradas. De la misma forma se analiza el nivel alto. Estos valores no se deben superar porque repercute en otras características y determina la carga que puede ser conectada a la salida de cualquier elemento lógico. Otros elementos lógicos TTL Además de la compuerta NAND básica, la familia TTL tiene otros elementos tales como las puertas AND, OR, NOR y XOR o o-exclusiva. Todas ellas son modificaciones de la NAND clásica y tienen las mismas características fundamentales. Puerta AND TTL El circuito es esencialmente el mismo que el de una puerta NAND, excepto que el transistor Q5 se añade entre Q2 y la salida Q3-Q4, con el propósito de invertir la señal que sale del colector de Q2. El transistor Q6 actúa como una baja impedancia de base ___________________________________________________________________ 12 Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------para Q5. De esta forma, en la etapa extra inversora Q5, la salida “C” no esta invertida, como sucede en la NAND básica.

Puerta NOR TTL La puerta NOR difiere de la NAND en que el transistor Q1 multiemisor, se ha reemplazado por 2 transistores independientes Q1A y Q1B, y el transistor Q2 esta reemplazado por el par diferencial Q2A y Q2B. Un nivel alto en cualquiera de las entradas A o B, hace conducir a Q2.

Puertas TTL con colector abierto Cuando se desea interconectar varias salidas entre si de varios circuitos, se usan puertas con el transistor de salida sin resistencia de carga; a este circuito, se le denomina “de ___________________________________________________________________ 13 Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------colector abierto”. Si utilizáramos puertas con salidas normales, la conexión entre si provocaría una disminución de la resistencia y un aumento de la corriente. Usando circuitos de colector abierto, una vez conectadas las salidas entre si, en este nudo se coloca una resistencia exterior conectada a la fuente de alimentación. La siguiente figura muestra el circuito de una puerta NAND con colector abierto y una aplicación de cuatro de estas puertas conectadas sus salidas entre si

Como podemos apreciar el transistor Q3 tiene el colector abierto. En la aplicación, el nudo común “N”, actúa como una puerta “AND” dado que la salida estará en estado alto solo si sus entradas están en estado alto. En este caso para proveer la fuente de corriente del estado alto, es necesaria la resistencia exterior “RL” Esta configuración se la denomina “Wired And” o “Y conexionado”. Disparador de SCHMITT TTL Este dispositivo es una puerta especial donde el estado alto o bajo es función de un determinado valor de la tension de entrada. De esta forma la salida será baja si la entrada es menor que un determinado valor especificado para el disparo y será alta si es mayor de dicho valor. El esquema básico de un circuito de disparo esta constituido por dos inversores y un par de resistencias de interconexión como se muestra en el dibujo:

En este caso existe una realimentación de la salida hacia la entrada que, depende de los valores de RA y RB; de forma que cuando la tension de entrada sube y comienza a ___________________________________________________________________ 14 Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------bajar el nivel en la salida de U1 y a subir en la salida de U2, eleva la entrada a causa de la realimentación, disparándose y basculando el circuito. Según los valores entre RA y RB queda determinado el valor de la tension de referencia en que se produce el cambio de niveles de tension. Estos circuitos integrados se utilizan como generadores de impulsos, detectores de nivel, conformadores de pulsos, interfaces entre familias lógicas etc. Las puertas Schmitt se usan cuando los niveles cambian rápidamente; así un cambio rápido de señal no puede aplicarse a la entrada de una puerta TTL estándar, porque puede causar una operación incorrecta y salidas no definidas. Un disparador Schmitt colocado delante de una puerta lógica origina una respuesta de disparo en niveles diferentes y fijos, que los de la señal de entrad, por lo que proporcionan la compatibilidad con otros CI digitales. También se emplean para transformar señales analógicas en rectangulares. En el siguiente dibujo, se aprecia la conmutación de un disparador Schmitt a una tension de referencia:

Entrada

Salida Elementos de propósito especial Además de los elementos clásicos que describimos, en la familia TTL tenemos una gran variedad de elementos de propósito especial. Entre estos, se destacan las puertas ANDOR-INVERSOR (AOI) que utilizan el mismo circuito de las puertas NOR TTL, excepto que los transistores Q1A y Q1B tienen emisores múltiples para poder realizar funciones NAND. Por ejemplo veamos el diagrama lógico del AOI 74S64(N):

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------________________________ Este elemento desarrolla la función Y = A.B.C.D + E.F + G.H.I + J.K . Estas puertas se pueden utilizar en reemplazo de las puertas independientes. Otros elementos importantes son los “DRIVERS” (etapas excitadoras) o “BUFFER” (amplificadores tampón), capaces de proporcionar una corriente de salida de 40 mA, siendo circuitos AND o NAND de múltiples entradas que se usan , por ejemplo en la conversión de las salidas de un circuito TTL a niveles logicos MOS o en el acoplo con altas corrientes de carga. Los “Buffer”, en este aspecto, referente a la interfase entre diversas familias lógicas presentan un desempeño importante. Por ejemplo si deseamos acoplar la salida de una puerta CMOS a la entrada de un circuito TTL, no tenemos problema, dada la posibilidad de alimentar la CMOS con un margen grande tensiones (por ejemplo con +5 volt), pero si tenemos problema en lo referente a la corriente de salida del CMOS, que resulta insuficiente para la entrada TTL, por lo que será necesario usar un buffer como puerta CMOS de salida. Finalmente, se pueden nombrar entre varios de los dispositivos especiales, los expansores de entradas para aumentar el número de entradas en una puerta, dispositivos para aumentar la inmunidad al ruido y las interfaces de la familia TTL para acoplar familias de mayor tension de alimentación (como la HTLK que necesita +15 volt). TTL de baja potencia (LPTTL, serie 54/74 L) El circuito TTL de baja potencia es idéntico a la serie estándar, a excepción del diodo CR1, que en esta familia se ha suprimido, y los valores de las resistencias se han incrementado a R1= 40 KΩ, R2 = 20 KΩ, R3 = 12 KΩ y R4 = 500 Ω, dando como resultado una corriente menor, asi como un consumo reducido. El retraso a la propagación típico es de 33 ns, una potencia de consumo por puerta de 1mW y una frecuencia máxima de 3 MHZ de funcionamiento para los Flip Flor. Se utiliza en aplicaciones de bajo consumo y mínima disipación. TTL de alta velocidad (HTTL, serie SN 54 H/ 74 H)

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------El circuito TTL de alta velocidad, tiene una ligera modificación respecto al estándar. Se han agregado un par de transistores, Q3/Q4, y se han disminuido los valores de las resistencias. El par de transistores Darlington incrementa la velocidad con la que se puede interrumpir la corriente a través de Q4, lo cual, combinado con la reducción del valor de las resistencias, permite la conmutación mas rápida de Q4 de un estado lógico al otro. Los parámetros lógicos de esta subfamilia son : retraso a la propagación por puerta de 6 ns, consumo de 22 mW por puerta y frecuencia operativa máxima de Flip Flor de 50 MHZ. TTL Schottky de baja potencia (STTL, serie SN 54 S/74 S)

El circuito TTL Schottky, es uno de los últimos desarrollados y constituye el mas rápido de las subfamilias TTL, aproximándose su velocidad a la familia lógica ECL. El circuito de esta subfamilia esta desarrollado en base a diodos y transistores Schottky, que se caracterizan por su rapidez, ya que no almacenan cargas y porque son muy sencillos de fabricar.. El circuito es muy similar al TTL de alta velocidad, pero la base de cada transistor esta conectada al colector a través de un diodo Schottky. El diodo actúa como desviador del exceso de corriente de base cuando el transistor se activa y guarda una carga almacenada, evitando la saturación de los transistores. La ausencia de una carga almacenada reduce el tiempo del cambio del transistor y aumenta la velocidad del circuito. Esta subfamilia tiene un tiempo de propagación típica de 3 ns, un consumo de 19 mW y una frecuencia máxima de 125 MHZ.

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------TTL Schottky de baja potencia (LSTTL 54 LS / 74 LS) El circuito TTL Schottky de baja potencia es el mas reciente de la familia TTL y con el se ha intentado llegar a un compromiso entre la velocidad y el consumo. El circuito es prácticamente el mismo que el anterior, con los valores de las resistencias R1, R2 y R4 incrementados, para reducir la corriente de flujo y se ha variado el circuito de entrada, suprimiendo el transistor multiemisor por un circuito tipo DTL. Esta subfamilia tiene un tiempo típico de propagación de 10 ns y un consumo de solo 2 mW, con una frecuencia máxima de Flip Flop de 35 MHZ. Familia ECL La familia de acoplo por emisor, abreviadamente ECL, constituye una gama de circuitos lógicos de alta velocidad por excelencia y, junto con la TTL, la de mayor producción. La ECL se clasifica en las siguientes subfamilias: -ECL de 8 ns: propagación por puerta de 8 ns; frecuencia de funcionamiento máxima para Flip Flop de 30 MHZ. -ECL de 4 ns: Propagación por puerta de 4 ns y frecuencia de funcionamiento máxima para Flip Flop de 75 MHZ. -ECL de 2 ns: Propagación por puerta de 2 ns y frecuencia de funcionamiento máxima para Flip Flop de 125 MHZ. -ECL de 1ns: Propagación por puerta de 1 ns y frecuencia máxima de funcionamiento para Flip Flop de 400 MHZ. La subfamilia de mas uso es la de 2 ns; en ella se optimiza la velocidad y el consumo de potencia, haciéndola la mas simple de utilizar. La siguiente figura muestra un elemento lógico de la ECL de 2 ns, que puede realizar las funciones OR y NOR:

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------La base de la lógica del circuito, es el amplificador diferencial Q3, Q4, Q5 , que conduce la corriente de una a otra parte, dependiendo del estado de las líneas de entrada A y B, controlando la activación de Q7 y Q8 para producir una salida NOR u OR. El circuito emplea una tension de alimentación de -5,2 volt, aplicada a VEE, con lo que los niveles lógicos de 1 y 0 son aproximadamente de -0,9 y 1,7 v. Un voltaje fijo en la base de Q5 cambia al circuito del estado lógico 1 al 0. Contrariamente a la TTL, el cambio entre los niveles lógicos no ocasiona transitorios, pero el consumo de la ECL es mayor que la TTL. Dada la rapidez de la familia ECL, se utiliza en grandes computadoras, sistemas de comunicaciones de alta densidad digital, como satélites etc. Sin embargo la alta velocidad de la ECL crea problemas. Así, la ECL de 2ns y, en especial la de 1ns, requieren placas de circuitos impreso mas avanzadas y complejas que las utilizadas en la TTL. La alta velocidad de la ECL produce modificaciones en las señales de entrada. Las ondas de señal pueden oscilar en magnitud temporalmente en un cambio de nivel lógico y las señales presentes en las líneas paralelas de otros circuitos pueden ser activadas; esto supone que un cambio en una de las líneas puede originar la aparición de un voltaje en otra. Los problemas de transmisión en las líneas obligan a trabajar con esta familia con el máximo cuidado, desechándose en el diseño de sistemas lógicos lentos.

Familia DTL Una de las familias mas antiguas es la que emplea la lógica “diodo –transistor,” de la cual existen varias generaciones introducidas por diferentes fabricantes, siendo de resaltar que hubo un tiempo en que la familia DTL fue la mas popular. En los nuevos diseños, la preponderancia de la TTL fue reemplazando a la familia DTL. Al ser compatible los niveles lógicos y la alimentación de la DTL y la TTL, ambas familias pueden emplearse en el mismo circuito. El circuito lógico básico de esta familia es una puerta NAND, como se muestra en la siguiente figura:

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Si las dos entradas A y B están a nivel 1 (con lo que el voltaje de estas señales será +Vcc), los diodos quedan polarizados inversamente y no dejan pasar corriente. Esto permite que conduzca D3 polarizando a Q1 a la saturación, causando un nivel lógico 0 en la salida. Si una de las entradas pasa a un nivel lógico cero (aprox. Al nivel de masa) el diodo correspondiente conduce y desvía la corriente de la base de Q1, con lo que se bloquea el transistor y el voltaje d salida pasa al nivel alto (+Vcc). Las características de la DTL son peores que la TTL: su velocidad de propagación es de 30 ns y su fan out esta limitado. También tiene baja inmunidad al ruido.

Familia HTL Esta familia se desarrollo para un propósito especial y su caracteristica predominante es su alta inmunidad al ruido, por lo que se emplea principalmente en la industria y sobre todo para el mando de dispositivos electromecánicos, donde se producen amplias transiciones de voltajes. También se lo utiliza en líneas de conducción, con interruptores telefónicos y en circuitos con tiristores. Veamos el circuito básico NAND de un elemento HTL:

Como se puede observar, el circuito es similar al correspondiente a la familia DTL, pero los valores de R1, R2, y R3 son mucho más altos y la Vcc típica es de +15 voltios. El diodo Tener D3 eleva el nivel lógico (de bajo a alto) aproximadamente 7 v por encima de la DTL, por lo que la inmunidad al ruido entre los niveles lógicos bajo y alto , es de unos 5 V. El retraso de propagación es el mas bajo de todas las familias y vale unos 150 ns. Familia similar a la HTL es la HLL (High Level Logic), caracterizada por su alta inmunidad al ruido, pudiéndose alimentar con tensiones desde 10,8 hasta 20 V. Es muy usada en sistemas con gran nivel de ruido y donde no se precise rapidez.

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Familia CMOS La familia de MOS complementario esta caracterizada por su bajo consumo. Es la más reciente de todas las grandes familias y la única cuyos componentes se construyen bajo el proceso MOS. El siguiente circuito nos muestra el elemento básico de esta familia que es el circuito lógico inversor:

Este circuito esta formado por dos transistores MOS complementarios uno de canal N y otro de canal P. Durante su funcionamiento, en cualquier estado lógico, uno u otro esta activado, produciendo a la salida el voltaje de alimentación Vcc o el de masa. Este par complementario, se le denomina CMOS. Los transistores CMOS tienen características que los diferencian notablemente de los transistores bipolares: 1) Bajo consumo, puesto que una puerta CMOS solo consume 0,01 mW en condiciones estáticas (cuando no cambia de nivel ). Si opera con frecuencias comprendidas entre 5 y 10 MHZ, el consumo es de 10 mW 2) Los circuitos CMOS poseen una elevada inmunidad al ruido, normalmente sobre un 30 y 45 % del nivel lógico entre el estado 1 y el 0. Este margen alto solo es comparable con la familia HTL. Con las ventajas enunciadas, la familia CMOS se emplea en circuitos digitales alimentados con baterías y en sistemas especiales que tienen que funcionar durante largos periodos de tiempo, con bajos niveles de potencia. La elevada inmunidad al ruido es la ventaja principal para su aplicación en los automatismos industriales. Las desventajas que sobresalen en esta familia, son su baja velocidad, con un retardo típico de 25 a 50 ns o mas, especialmente cuando la puerta tiene como carga un elemento capacitivo. También hay que destacar que el proceso de fabricación es mas caro y complejo y, finalmente la dificultad del acoplamiento de esta familia con las restantes. ___________________________________________________________________ 21 Apunte de cátedra Autor: Ing. Domingo C. Guarnaschelli

UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Una caracteristica muy importante de la familia CMOS es la que se refiere al margen de tensiones de alimentación, que abarca desde los 3 a los 18 volt, lo que permite la conexión directa con los componentes de la familia TTL, cuando se la alimenta con 5 volt. No obstante, se recomienda la colocación de buffer amplificadores entre las salidas de los elementos CMOS y las entradas TTL. Como quiera que en la entrada al de un transistor CMOS se forme una pequeña capacidad, inferior a “pF”, es conveniente protegerla con una red de resistencia y diodos en paralelo, para evitar que se cargue con una alta tension electrostática, capaz de destruir al dieléctrico. Esta es la razón por la que se aconseja no tocar con las manos o con la punta del soldador, directamente las patitas de un circuito integrado CMOS. A continuación expondremos las características más relevantes de la familia CMOS y los de la TTL, para su comparación: PARAMETRO Tiempo de propagación Frecuencia de cambio de estado Fan out Potencia por puerta Inmunidad al ruido

TTL CMOS (+5V) 10 ns 40 ns 35 MHZ 8 MHZ 10 10 mW 0,4 V

50 10 nW 2V

La serie 4000 de circuitos integrados CMOS es muy popular y consta entre otros de los siguientes modelos: 4000 4001 4002 4011 4012 4013 4015 4017 4020 4023 4025 4027 4028 4035 4042 4043 4044 4049 4051 4052 4068 4069 4070 4071 4072

Dos puertas NOR de 3 entradas y un inversor 4 puertas NOR de 4 entradas 2 puertas NOR de 4 entradas 4 puertas NAND de 2 entradas 2 puertas NAND de 4 entradas 2 biestables tipo D 2 registros de desplazamiento de 4 bits Divisor- contador de décadas con 10 salidas Contador binario de 14 etapas 3 puertas NAND de 3 entradas 3 puertas NOR de 3 entradas 2 biestables J-K Decodificador BCD/decimal Registro de desplazamiento con entrada serie/paralelo y salida paralelo 4 registros D 4 RS con puerta NOR 4 RS con puerta NAND 6 buffer inversores Multiplexor/ demultiplexor analógico de 8 canales 2 multiplexores de 4 canales Una puerta NAND de 8 entradas 6 inversores 4 puertas EOR de 2 entradas 4 puertas OR de 2 entradas 2 puertas OR de 4 entradas

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UTN REG. SANTA FE – ELECTRONICA – ING. ELECTRICA 5-2- Familias lógicas en los circuitos integrados digitales electrónicos ---------------------------------------------------------------------------------------------------------4081 4 puertas AND de 2 entradas Dentro de la familia CMOS, la serie 4000 se caracteriza por tener una tension de alimentación de 3 a 18 volt, un consumo de 2,5 nW y un tiempo de propagación por puerta de 40 ns. En este mismo grupo hay dos subfamilias, cada vez mas empleada, que son: HCMOS: (CMOS de alta velocidad), con una tension de alimentación entre 2 y 6 volt, consumo de 2,5 ns y tiempo de retraso de 9ns. Es la serie 74HC. HCMOS: (CMOS de alta velocidad y compatible con TTL), con tension de alimentación de 5 V, consumo de 2,5 nW y tiempo de retraso por puerta de 9 ns. Esta serie esta denominada 74HCT. Así como cuando se trabaja con puertas TTL si una entrada no se utiliza se deja sin polarizar actúa como nivel alto, en la tecnología CMOS se deben unir directamente a la tension de alimentación o a masa, según se desee se comporten con nivel alto o bajo, respectivamente. OTRAS FAMILIAS LOGICAS Se destacan entre las familias lógicas de última aparición la de “lógica de inyección integrada”, abreviadamente IIL o bien I2L, de tipo bipolar y derivada de la familia DCTL, en la que se introducen transistores multiemisores. Tiene la más alta densidad de integración bipolar por la que se la utiliza para construir microprocesadores. Por otro lado es más lenta que la TTL, con la que es compatible, aunque con menor consumo. Finalmente para trabajos en muy alta frecuencia, que superen las velocidades de la familia ECL, se usa en los circuitos integrados una combinación de As-Ga, para sustituir al silicio, en los transistores de efecto de campo, con lo que se han logrado MESFET de As-Ga, con frecuencias superiores a los 15 GHz.

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