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• Jose Moose Herrera

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CMOS INDICE - FENOMENOS DE LAS DESCARGAS ELECTROMAGNETICAS DE LOS CMOS - INDICE SEGUN LAS CARACTERISTICAS DE LOS CMOS

LA FAMILIA LOGICA CMOS La familia lógica CMOS es, junto con la TTL, una de las familias lógicas más populares. Utiliza transistores MOSFET complementarios (canal N y canal P) como elementos básicos de conmutación. CMOS es una abreviación de Complementary Metal Oxide Semiconductors (semiconductores complementarios de óxido metálico). Los circuitos integrados digitales fabricado mediante tecnología CMOS se pueden agrupar en las siguientes categorías o subfamilias básicas: CMOS ESTANDART CMOS DE ALTA VELOCIDAD (HC) CMOS COMPATIBLE CON TTL (HCL) CMOS EQUIVALENTE A TTL c

Familia CMOS estándar La familia CMOS estándar comprende principalmente los dispositivos que se designan como 40XX (4012, 4019), etc.) Y 45XX (4528, 4553, etc.). Existen dos series generales de dispositivos CMOS designadas “A” y “B”. Los dispositivos de la serie “A” se designan con el sufijo A (por ejemplo 4011A) o simplemente no lo traen (4011 = 4011A). Todos los dispositivos de la serie “B” llevan el sufijo B (por ejemplo 4029B). La principal diferencia entre los dispositivos de las series A y B está en que los CMOS “B” contienen una circuitería interna de protección que reduce el riesgo de daño del dispositivo por el fenómeno de descarga electrostática . De otro lado, los dispositivos CMOS “B” tienen frecuencia de operación más altas, tiempos de propagación más cortos y mayor capacidad de salida (fan-out) que los dispositivos de la serie “A”. En este curso se trabaja con dispositivos de ambas series (40XX, 40XXB, 45XX y 45XXB) pero preferiblemente con los e la serie B

Características de los circuitos integrados CMOS

(74C14, 74C164, rtc.). Son pin por pin y función por función equivalentes a los dispositivos TTL correspondientes (especialmente a los de la serie 74L)

Las características más sobresalientes de las familias CMOS estándares 40 y 45 son, a grandes rasgos, las siguientes:

Conservan todas las características comunes a los dispositivos CMOS estándares: baja disipación de potencia, buena velocidad de operación, amplios márgenes de oltaje, alta inmunidad al ruido, etc. Se espera que la 74C sea la serie CMOS estándar del futuro. Es un 50% más rápida que las series 40 y 45, pero consume un 50% más de potencia.

Baja disipación de potencia. Es la ventaja más sobresaliente. En estado de reposo, una compuerta CMOS típica consume alrededor de 10 nanovatios. Este bajo consumo de potencia simplifica el diseño y el costo de la fuente de alimentación. Por esta razón, los circuitos integrados CMOS se utilizan extensamente en equipos operados por pilas o baterías. Buena verdad de operación. Los circuitos integrados CMOS son típicamente más lentos que los TTL pero suficientemente rápidos para la mayoría de las aplicaciones. Pueden operar a frecuencias hasta de 10 Mhz y tienen tiempos de propagación del orden de 10 a 50 nanosegundos por compuerta. Amplios márgenes de tensión de alimentación Los dispositivos de la serie 40XXA pueden operar con tensiones entre + 3 y + 15 voltios y los de la serie 40XXB con tensiones entre + 3 y + 18 voltios. La tensión de alimentación se designa como VDD. Algunos valores típicos para VDD son +5V y + 10V. Este, amplio rango de alimentación permite utilizar fuentes de voltajes no reguladas. Cuando se emplean circuitos TTL y CMOS en el mismo sistema, se utiliza generalmente una tensión de alimentación de + 5V. Cuando hay circuitos TTL y CMOS trabajando a tensiones diferentes deben hacerse compatibles los niveles lógicos de ambas familias mediante circuitos apropiados de interfase. Los niveles de voltaje de 0 a 0.3 VDD, para estado bajo y de 0.7 VDD para el estado alto. Por ejemplo, si se utiliza una tensión de alimentación VDD de 10V. Los dispositivos CMOS interpretarán un voltaje entre 0 y3 voltios como un estado lógico bajo ó 0 y un voltaje entre 7 y 10 voltios con un estado lógico alto ó 1. Alta inmunidad al ruido. Los circuitos CMOS son esencialmente inmunes al ruido electromagnético (EMI) externo generado por aparatos eléctricos, líneas de transmisión, descargas atmosféricas, etc. Esta característica los hace excelentes en aplicaciones industriales y automotrices, donde son comunes los altos niveles de ruido. Otros circuitos integrados CMOS Además de las series CMOS estándares 40 y 45 existen varias subfamilias CMOS cada vez más importantes. Las más conocidas son: CMOS equivalente a TTL. Comprende los dispositivos designados como 74CXX y 74CXXX

CMOS de alta velocidad. Comprende los dispositivos designados como 74HCXX y 74HCXXX (74HC85, 74HC373, etc.). Tienen las mismas características de entrada y de alimentación de los dispositivos CMOS estándares y son pin por pin compatibles con los dispositivos TTL. LS correspondientes (74LS85, 74LS373, etc.). La serie 74HC ofrece velocidades de operación comparables a los de la serie 74LS TTL Schottky de baja potencia y superiores a las de las series 40, 45 y 74C. En los demás aspectos, sus características son similares a las de estas últimas. Siguen siendo sensibles al daño por electricidad estática. CMOS de alta velocidad con entradas TTL Comprende los dispositivos designados como 74HCTXX y 74HCTXXX (74HC74, 74HC190, etc.). Poseen las mismas características de los dispositivos HC, excepto que sus entradas son compatibles con los niveles lógicos de TTL. Tienen la misma configuración de pines de los dispositivos TTL Schottky de baja potencia o LS. Los dispositivos HCT constituyen la mejor alternativa de que se dispone actualmente para convertir total o parcialmente sistemas basados en lógica CMOS. COMPARACION DE LAS FAMILIAS LOGICAS Una tecnología ideal debería producir dispositivos con una velocidad de operación muy alta y un consumo de potencia muy bajo. Como hemos visto. Ninguna de las tecnologías antes analizadas satisface al mismo tiempo ambas condiciones porque las rápidas consumen más potencia y viceversa. En la figura siguiente se comparan cualitativa y gráficamente las familias TTL 74, 74L, 74H, 74S, 74LS, 74ALS, 74AS y las familias CMOS 40, 45, 74C, 74HC y 74HCT, desde los puntos de vista de velocidad y consumo de potencia. Como puede verse, los dispositivos fabricados con tecnología CMOS de alta velocidad (HC) son lo más próximo al ideal de familia lógica. La tecnología HC proporciona el mejor compromiso entre velocidad de operación y consumo de potencia de todas las tecnologías de fabricación de citcuitos integrados digitales.

Entre los dispositivos TTL, excluyendo los de las familias avanzadas, sobresalen por sus características de velocidad y consumo los fabricados con tecnología Schottky de baja potencia (LS). En el momento actual, la 74LS es la serie más importante de la familia TTL y la más utilizada. EL FENOMENO DE LAS DESCARGAS ELECTROSTATICAS DE LOS CMOS Todos los dispositivos CMOS son particularmente susceptibles al daño por descarga electrostática (ESD) entre cualquier par de pines. La electrostática o electricidad estática consiste en la creación, conciente o inconsciente, de los altos voltajes en la superficie de un material aislante por efecto de fricción o frotamiento. Esta sensibilidad a la carga estática se debe a la extremadamente alta impedancia de entrada que caracteriza a los transistores MOS. Esta alta impedancia permiten que se desarrollen fácilmente voltaje prohibitivos, capaces de destruir la delgada capa de óxido aislante que separa la compuerta del canal en estos dispositivos. La electricidad estática está siempre presente en cualquier ambiente de trabajo. Se genera cada vez que se frotan dos materiales diferentes. Cuando usted camina a través de una alfombra en un día seco, usted genera un voltaje estático (créalo) de 35000 V (35 KV) y manipulando una bolsa plástica usted genera 20000 (20 KV). Un circuito integrado CMOS se destruye con voltajes estáticos entre 250 y 3000 V y cuando usted lo manipula inadecuadamente puede aplicarle hasta 6000 voltios de electricidad estática. El efecto inmediato de una descarga electroestática de alto voltaje de un circuito integrado CMOS es la destrucción definitiva o el deterioro a corto o largo plazo de la capa de óxido aislante que separa la compuerta del canal en sus transistores MOSFET de entrada. El daño por descarga electrostática de los dispositivos CMOS puede ser controlado o incluso eliminarse el uso de una estrategia apropiada de prevención. La idea básica detrás de la mayoría de técnicas es mantener todos los pines del dispositivo al mismo potencial, para evitar que se desarrollen voltajes

estáticos excesivos entre ellos. Otros métodos son puro sentido común: un dispositivo CMOS no debe manipularse más de lo necesario. Esto es aplicable también a dispositivos TTL Schottky y en general a cualquier circuito integrado. Los dispositivos CMOS vienen generalmente empacados en contenedores que sirven para reducir el riesgo de daño por descarga electrostática y mantienen todos los pines al mismo potencial. Los contenedores más comunes (espumas y fundas) antiestáticas) se ilustran en la figura siguiente. Es prudente conservar los dispositivos CMOS en sus contenedores originales hasta que sea tiempo de utilizarlos en el circuito de aplicación. Cuando se manipulan dispositivos CMOS puede ser necesario adoptar precauciones extras para prevenir descargas estáticas. Se recomienda, por ejemplo, que el usuario y la superficie de trabajo estén puestos a tierra, esta última a través de una alta resistencia (2 a 10 M). Otro método es incrementar la humedad relativa del sitio de trabajo. Las herramientas también deberán estar preferiblemente puestas a tierra. Las tarjetas de circuito impreso y en general los productos terminados que contienen dispositivos CMOS deberán ser manipulados de la misma forma que los circuitos integrados individuales y almacenarse en espumas o bolsas antiestáticas. En resumen, existen tres reglas básicas para utilizar circuitos integrados CMOS y prevenir su daño por electricidad estática: 1.- Conserve el circuito integrado en su contenedor original hasta que sea insertado en el circuito de utilización. 2.- Conecte todas las entradas no utilizadas a un nivel estable; esto es, envíelas al positivo o al negativo de la fuente, dependiendo del circuito. No las deje flotantes. 3.- Revise cuidadosamente la polaridad de la fuente de alimentación. El positivo debe ir al terminal identificado como VDD o VCC y el negativo o tierra al terminal identificado como VSS o GND en el manual del fabricante o en las especificaciones.