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Angelo Joseph Soto Vergel

Unidad 2: Familias Lógicas Ángelo Joseph Soto Vergel

Angelo Joseph Soto Vergel

Introducción

El proceso de miniaturización de la electrónica, iniciado en la década de los cincuenta con la utilización del transistor, continuó con un segundo salto cualitativo en la década siguiente (años sesenta) mediante la integración de subcircuitos completos en un mismo substrato de silicio (chip): subcircuitos correspondientes a módulos digitales tales como puertas booleanas, biestables o bloques combinacionales o secuenciales.

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Familias Lógicas

Una familia lógica es un grupo de dispositivos digitales que comparten una tecnología común de fabricación y tienen estandarizadas sus características de entrada y de salida; es decir, son compatibles entre sí. Como consecuencia de la estandarización, la interconexión entre dispositivos lógicos de una misma familia es particularmente sencilla y directa: no requiere de etapas adicionales de acoplamiento.

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Características Generales De Las Familias Lógicas

Las características más importantes de un circuito digital son su velocidad, su consumo de potencia, su inmunidad al ruido y su confiabilidad. • La velocidad mide la rapidez de respuesta de las salidas de un circuito digital a cualquier cambio en sus entradas. • El consumo de potencia mide la cantidad de corriente o de potencia que consume un circuito digital en operación. • La inmunidad al ruido mide la sensibilidad de un circuito digital al ruido electromagnético ambiental. • La confiablidad mide el período útil de servicio de un circuito digital.

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Puertas Lógica Una compuerta lógica es aquel circuito digital que tiene la capacidad de aplicar un proceso interno a sus bits de entrada, que cumple con alguna de las operaciones definidas en el Álgebra de Boole, y que cuyos resultados son manifiestos en sus bits de salida.

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Primeras Familias Lógicas: C.I. Con Transistores Bipolares

Las primeras puertas lógicas integradas eran mera copia directa de las puertas "o – negada“ (Nor) con componentes discretos, mediante la conexión en paralelo de varios transistores bipolares NPN en emisor común. Tales puertas dieron lugar a la primera familia lógica: RTL (lógica de transistores y resistencias).

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Primeras Familias Lógicas: C.I. Con Transistores Bipolares

Pronto se mejoraron las características de estas puertas integradas, en cuanto a velocidad y a consumo, combinando una puerta “y" de diodos con un transistor inversor en emisor común; así se configuró la puerta "y – negada" (Nand) base de la familia DTL (lógica de transistores y diodos) que fue la primera que llegó a alcanzar una difusión apreciable.

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Primeras Familias Lógicas: C.I. Con Transistores Bipolares A partir de este esquema (puerta "y" + inversor), aprovechando en mayor profundidad las posibilidades que ofrece la integración sobre un substrato único, se planteó una segunda mejora en velocidad y en consumo, añadiendo una etapa de salida amplificadora de intensidad (dos transistores en push – pull) y substituyendo los diodos por un transistor multi emisor. El resultado fue la gran familia lógica TTL (lógica de transistores con transistores).

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Familia Lógica TTL

La familia lógica TTL es la más común de todas las familias lógicas. Los circuitos integrados TTL implementan su lógica interna, exclusivamente basándose en transistores NPN y PNP, diodos y resistencias. La familia TTL está disponible en dos versiones: la serie 54 y la serie 74. La primera se destina a aplicaciones militares y la segunda a aplicaciones industriales y de propósito general. “Esta línea de evolución de las puertas con transistores bipolares constituye la «edad antigua» de los circuitos integrados digitales; actualmente, apenas se utilizan las familias bipolares, salvo en determinadas aplicaciones específicas, en particular, para sistemas de muy alta velocidad”

Familia Lógica TTL Angelo Joseph Soto Vergel

La familia TTL o bipolar se divide en las siguientes categorías o subfamilias básicas: TTL estándar. TTL Schottky (S). TTL de baja potencia (L). TTL Schottky de baja potencia (LS). TTL de alta velocidad (H). TTL Schottky avanzada (AS). TTL Schottky de baja potencia avanzada (ALS).

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Familia Lógica TTL

Tensión de alimentación (+ VCC). Los circuitos TTL en general, pueden operar con tensiones entre 4.75 V. y 5.25 V. Pero el valor nominal de la tensión de trabajo es de + 5 volts. Niveles de voltaje. • De 0 V a 0.8 V para el estado bajo. • De 2.4 V a 5 V para el estado alto.

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Desarrollo De Las Tecnologías MOS: Familia CMOS

La utilización de transistores MOS como resistencias de polarización permitió configurar puertas lógicas utilizando únicamente transistores, cuyo área de integración es mucho menor, al prescindir de resistencias integradas de valores relativamente altos. De esta forma, las puertas MOS suponen un nuevo avance cualitativo en la miniaturización de la electrónica digital, reducción que afecta no solamente al tamaño y a la densidad de integración, sino también, y en forma aún más significativa, al consumo.

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Puertas Lógicas De La Familia CMOS

Los transistores operan de forma complementaria. Cuando la tensión de entrada se encuentra en alto (1 lógico), el transistor NMOS entra en estado de conducción y el transistor PMOS entra en corte, haciendo que la salida quede en bajo (0 lógico). La situación inversa ocurre cuando la tensión se encuentra en bajo. Compuerta NOT CMOS

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Puertas Lógicas De La Familia CMOS Compuerta NOR CMOS

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Familia Lógica CMOS

La familia lógica CMOS, utiliza transistores MOSFET complementarios canal N y canal P como elementos básicos de conmutación. Los circuitos integrados digitales fabricados mediante tecnología CMOS se pueden agrupar en las siguientes categorías o subfamilias básicas: CMOS estándar. CMOS de alta velocidad (HC). CMOS compatible con TTL (HCT). CMOS equivalente a TTL (C).

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Familia Lógica CMOS

Tensión de alimentación (+ VDD). Tienen un amplio margen de tensión comprendido entre + 3 V y + 18 V. Niveles de voltaje • De 0 V. a 0.3 VDD para el estado bajo. • De 0.7 VDD a VDD para el estado alto.

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Taller Teórico

1. Defina que es una compuerta lógica 2. Cuáles son las ventajas y desventajas entre las familias TTL y CMOS? 3. Muestre mediante un circuito cómo se puede formar compuertas AND y OR mediante la combinación de NAND y NOR con inversores.

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Diagrama De Tiempos: Retardos

Al llegar una señal a la entrada de una puerta lógica, la respuesta a dicha señal no aparece instantáneamente en la salida, sino que existe un cierto tiempo de retardo; este tiempo es diferente según la transición de estado de la puerta sea de 0 a 1 o de 1 a 0: Retraso de propagación de bajo a alto, tPLH: tiempo transcurrido desde que la señal de entrada baja (pasa por el 50%) hasta que la señal de salida sube (pasa por el 50%). Retraso de propagación de alto a bajo, tPHL: tiempo transcurrido desde que la señal de entrada sube (pasa por el 50%) hasta que la señal de salida baja (pasa por el 50%).

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Diagrama De Tiempos: Retardos

Retraso de propagación: valor medio de tPLH y tPHL. Tiempo de transición de bajo a alto, tTLH: tiempo transcurrido desde que la señal empieza a subir (pasa por el 10%) hasta que llega a un nivel alto (pasa por el 90%). Tiempo de transición de alto a bajo, tTHL: tiempo transcurrido desde que la señal empieza a bajar (pasa por el 90%) hasta que llega a un nivel bajo (pasa por el 10%).

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Retardos de propagación en puertas lógicas

Diagrama De Tiempos: Retardos “Los tiempos de propagación no son linealmente acumulativos ya que la segunda puerta inicia su conmutación antes de que la primera complete la suya”

Diagrama De Tiempos: Retardos

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TTL

Característica Retardo de propagación, 𝒕𝒑 = 25 °C

𝒕𝑷𝑳𝑯 𝒕𝑷𝑯𝑳 𝟐

𝒏𝒔 a

CMOS 3.3 V

CMOS 5V

F

LS

ALS

LV

LVC

ALVC

HC

AC

AHC

3.3

10

7

9

4.3

3

7

5

3.7

Retardos de propagación de las compuertas TTL y CMOS

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Taller Teórico

1. Cómo se definen el tPLH y el tPHL ? 2. Qué es el retraso de propagación? 3. Se puede afirmar que el retardo de propagación de puerta es mayor en las familias de TTL que en las familias CMOS? justifique

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Clasificación De Memorias

“Basadas en transistores MOSFET para lograr alta densidad”

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Clasificación De Memorias

RAM (Random Access Memory): Es volátil. Almacena variables y datos. ROM (Read Only Memory): Contiene el programa de instrucciones. • ROM con máscara: Se graba durante la fabricación. Elevado costo. • OTP (One Time Programmable): Se puede programar una única vez. • EPROM (Erasable Programmable ROM): Puede reprogramarse múltiples veces. Se somete a rayos ultravioletas durante varios minutos. • EEPROM (Electrical Erasable Programmable ROM): Puede reprogramarse múltiples veces de una forma rápida y sencilla. • FLASH: Memoria no volátil de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Más rápida y de mayor densidad que la EEPROM.

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Clasificación De Memorias

SRAM

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Clasificación De Memorias

• Dato se guarda en un capacitor de almacenamiento: capacitor cargado = ‘1’, descargado = ‘0’. • El transistor de línea de palabra conecta el capacitor de almacenamiento con el circuito de lectura/escritura. • Corriente de fuga descarga capacitor dato debe reescribirse periódicamente = refrescamiento de datos.

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Circuitos Integrados A Medida (ASIC) – Dispositivos Lógicos Programables (PLD)

La lógica programable, es una familia de componentes que contienen conjuntos de elementos lógicos: AND, OR, NOT, LATCH, FLIP – FLOP, que pueden configurarse en cualquier función lógica que el usuario desee y que el componente soporte. Hay varias clases de dispositivos lógicos programables: ASICs, FPGAs, PLAs, PROMs, PALs, GALs, y PLDs complejos.

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Circuitos Integrados A Medida (ASIC) – Dispositivos Lógicos Programables (PLD) “Los PLAs, PALs, GALs y ROMs son llamados SPLDs (Simple Programmable Logic Devices) a partir del surgimiento de los CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) los cuales básicamente contienen múltiples PLDs en el mismo chip”

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Circuitos Integrados A Medida (ASIC) – Dispositivos Lógicos Programables (PLD) “ASIC significa Circuitos Integrados de Aplicación Específica y son dispositivos definibles por el usuario. Los ASICs, al contrario que otros dispositivos, pueden contener funciones analógicas, digitales, y combinaciones de ambas”

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Dispositivos Lógicos Programables (PLD)

Un Dispositivo Lógico Programable (PLD) es un componente electrónico usado para construir circuitos digitales reconfigurables. A diferencia de una compuerta lógica que tiene una función fija, los PLDs salen de fábrica sin una función en específico, por lo tanto necesitan ser programados o reconfigurados antes de poder ser usados. • Habilidad de integración: gran cantidad de funcionalidad en un solo chip. • Eliminan el uso de múltiples chips así como la inconveniencia y desconfianza de usar cableado externo. • Poder cambiar el diseño.

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Estructuras básicas de un PLD

Dispositivos Lógicos Programables (PLD)

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Clases De Dispositivos Lógicos Programables

Circuitos Integrados a Medida (Full Custom): se diseñan a petición de un cliente para que resuelvan una determinada aplicación. Matrices de puertas (Gates Arrays): son pequeños trozos de silicio pendientes de algún proceso de metalización que defina las conexiones entre un importante número de puertas o transistores que poseen en su interior. Las matrices de puertas proporcionan densidades superiores a las 100.000 puertas. son agrupaciones de un número de células básicas que realizan funciones comunes como: sumadores, puertas NOT, AND, NAND, NOR XOR, etc.; latches y flip – flops S – R, J – K, D, buffer, osciladores, registros, decodificadores, multiplexores, etc.

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Clases De Dispositivos Lógicos Programables

Células normalizadas (Standard Cell): son, en cierta forma, similares a las matrices de puertas. Su principal ventaja sobre ellas es que en lugar de trabajar con simples puertas o transistores, se dispone de colecciones de diferentes partes de circuitos que han sido depurados (puertas lógicas, circuitos MSI, RAM estáticas, ficheros de registro, etcétera). El usuario tiene que ensamblar estos circuitos, verificarlos y finalmente enviar documentación al fabricante de silicio para el desarrollo del primer prototipo.

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Clases De Dispositivos Lógicos Programables

FPICs (Field Programmable Integrated Circuits): son chips programables por el usuario mediante programadores comerciales. El término FPIC también incluye a los CI no destinados a las aplicaciones lógicas. Son las memorias, los microcontroladores, los PLD (Programmable Logic Device), las FPGA (Field Programmable Gate Array) y los ASPLD (Aplication Specific Programmable Logic Devices). Los FPIC ofrecen soluciones de bajo coste, de tiempo de desarrollo corto y con menor riesgo que los circuitos a medida, las matrices de puertas y las células normalizadas.

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Clases De Dispositivos Lógicos Programables

PLDs (Programmable Logic Devices): son pequeñas ASICs configurables por el usuario capaces de realizar una determinada función lógica. La mayoría de los PLD consisten en una matriz de puertas AND seguida de otra matriz de puertas OR. Mediante esta estructura, puede realizarse cualquier función como suma de términos productos. Aunque las memorias PROM, EPROM y EEPROM son PLDs, muchas veces se las excluye de esta denominación debido a que su contenido se define utilizando elementos de desarrollo propios de microprocesadores, tales como; ensambladores, emuladores y lenguajes de programación de alto nivel. Otras veces, cuando estas memorias se usan para realizar una función lógica y no para guardar un programa de un microprocesador, se las incluye dentro del término PLD.

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Clases De Dispositivos Lógicos Programables

ASPLDs (Application Specific Programmable Logic Devices): son PLDs diseñados para realizar funciones específicas como, decodificadores de alta velocidad, secuenciadores, interfaces para buses particulares, periféricos programables para microprocesadores, etc. Partes del ASPLD son programables permitiendo la adaptación del circuito a una aplicación determinada, pero manteniendo su función básica; así, por ejemplo, un decodificador lo personaliza el usuario, pero sigue siendo un decodificador. Estos circuitos están muy optimizados para la función para la que han sido diseñados.

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Clases De Dispositivos Lógicos Programables

FPGAs (Field Programmable Gate Arrays): contienen bloques lógicos relativamente independientes entre sí, con una complejidad similar a un PLD de tamaño medio. Estos bloques lógicos pueden interconectarse, mediante conexiones programables, para formar circuitos mayores. Existen FPGAs que utilizan pocos bloques grandes (Pluslogic, Altera y AMD) y otras que utilizan muchos bloques pequeños (Xilinx, AT&T, Plessey, Actel). “A diferencia de los PLDs, no utilizan arquitectura de matriz de puertas AND seguida de la matriz de puertas OR y necesitan un proceso adicional de ruteado del que se encarga un software especializado”

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Arquitecturas De Los Dispositivos Lógicos Programables (PLDs)

Existen en la actualidad infinidad de arquitecturas diferentes de PLDs y su número se incrementa día a día. Aunque resulta casi imposible hacer una referencia completa de todos los tipos de PLDs en el mercado. Ya que generalmente los PLDs disponen de muchas entradas y resultaría muy complicado mostrarlas en un dibujo, se utiliza una representación simplificada.

Representación simplificada de una función

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Arquitecturas De Los Dispositivos Lógicos Programables (PLDs) PAL (Programmable Array Logic): También llamados PLAs, son un tipo de PLDs en las que se pueden programar las uniones en la matriz de puertas AND, siendo fijas las uniones en la matriz de puertas OR. Los dispositivos con arquitectura PAL son los más populares y los más utilizados.

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Arquitecturas De Los Dispositivos Lógicos Programables (PLDs) FPLA (Field Programmable Logic Array): Es un PLD en el que se pueden programar las uniones en ambas matrices. Son los dispositivos más flexibles, pero resultan penalizados en tamaño y en velocidad debido a los transistores adicionales en la matriz de puertas OR. Se utilizan fundamentalmente para construir máquinas de estados.

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Arquitecturas De Los Dispositivos Lógicos Programables (PLDs) PROM (Programmable Read Only Memory): Es un PLD en el que las uniones en la matriz de puertas AND es fija, siendo programables las uniones en la matriz de puertas OR. Están muy bien adaptadas para aplicaciones tales como: tablas, generadores de caracteres, convertidores de códigos, etc.

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Taller Teórico

1. Defina cada unos de los elementos de los mapas mentales de clasificaciones de los circuitos integrados y la lógica programable, especificando las principales características de cada uno de dichos elementos. 2. Especifique las diferencias entre PLD’s y FPGA’s.

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Dispositivos Lógicos Programables Avanzados (CPLD – FPGA)

Arquitectura básica de un CPLD

CPLD (Complex Programmable Logic Device): extiende el concepto de un PLD a un mayor nivel de integración. Se forma con múltiples bloques lógicos, cada uno similar a un PLD. Los bloques lógicos se comunican entre sí utilizando una matriz programable de interconexiones.

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Dispositivos Lógicos Programables Avanzados (CPLD – FPGA)

FPGA (Field Programmable Gate Array): su arquitectura consiste en arreglos de varias celdas lógicas las cuales se comunican unas con otras mediante canales de conexión verticales y horizontales.

Arquitectura básica de un FPGA

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Dispositivos Lógicos Programables Avanzados (CPLD – FPGA)

“Los Dispositivos Lógicos Programables están situados en una zona intermedia entre los dispositivos a medida y la lógica de catálogo formada por los CI de función fija. Tienen casi todas las ventajas de los ASICs sin estar penalizados por un costo elevado para pequeñas series” “El trabajo con Dispositivos Lógicos Programables proporciona: facilidad de diseño, prestaciones, fiabilidad, economía y seguridad”

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Taller Teórico

1. Esboce la arquitectura básica de un CPLD y explique cada una de sus partes. 2. Comente acerca de la arquitectura de un FPGA y explique cada una de sus partes. 3. Mencione los principales fabricantes de FPGA’s. 4. Defina y explique las características principales de los dispositivos analógicos programables. 5. Comente la diferencia entre un FPGA y un FPAA. 6. Consulte la aplicación y usos de la herramienta Microwind.