Trabajo Práctico Nº 3

Familias lógicas

Circuitos integrados que contienen compuertas

Los circuitos integrados que contienen compuertas están encapsulados en DIL (dual in line) de 14 pines de forma tal que cuanto mas entradas tengan las compuertas menor sera la cantidad de compuertas incluidas. Las patas 7 y 14 se reservan para la alimentación del circuito integrado. Redacción: Blanco e Iglesias

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Todos los circuitos integrados que contienen compuertas estan construidos con transistores, diodos y resistores. Redacción: Blanco e Iglesias

Redacción: Blanco e Iglesias

Escalas de integración

Redacción: Blanco e Iglesias

A lo largo del tiempo los fabricantes de componentes electrónicos han logrado aumentar la cantidad de componentes construidos por unidad de superficie en los circuitos integrados. Esto se conoce como un aumento de la escala de integración. Se busco aumentar la escala de integración a fin de lograr una reducción  del peso y el volumen, sobre todo para aplicaciones militares. Ademas de esta ventaja se lograron circuitos mas confiables con menor consumo eléctrico, mas fáciles de cambiar y con una importante reducción en el costo. Desde el punto to de vista de la densidad de integración fue posible colocar cada vez mas transistores por milímetro cuadrado (mm2). Redacción: Blanco e Iglesias

Se reconocen las siguientes escalas de integración:

SSI (Small scale integration): Con esta escala se producen circuitos integrados que contienes funciones lógicas elementales como compuertas e inversores con aproximadamente cien componentes.

MSI (Medium scale integration): Comprende circuitos de aplicación general mas complejos como multiplexores, codificadores, etc. Contienen entre cien y mil componentes

LSI (Large scale integration): Gracias a esta escala de integración se pudieron lograr circuitos electrónicos muy complejos como memorias y microprocesadores. Contienes entre mil y cien mil componentes.

VLSI (Very large scale integration): Esta tecnología se desarrollo en 1980 lográndose circuitos integrados con mas de diez millones de componentes. Actualmente los microprocesadores que trabajan en la arquitectura de 64 bits con frecuencias de funcionamiento de 3 Giga hertz como el caso de las serie INTEL, CORE, I 7  poseen  entre 700 y 800 millones de transistores.

Características generales de las compuertas integradas

Las tecnologías mas comunes de los circuitos integrados digitales son la TTL (Transistor transistor logic) y la CMOS (Complementary metal oxide semiconductor). En ambas familias se indican en las hojas de datos los siguientes parámetros:

• Tensión de alimentación y su tolerancia.
• Temperatura máxima de trabajo.
• FAN OUT (abanico de salida) que indica el numero máximo de entradas de compuertas que se puede conectar a una salida de la misma familia.
• Niveles de tensión: 

VIL Es la máxima tensión de entrada para un nivel bajo. 

VIH Mínima tensión de entrada para un nivel alto. 

VOL Máxima tensión de salida para un nivel bajo. 

VOH Minima tensión de salida para un nivel alto

• Margen derivado: Indica la variaciones máximas que se pueden producir a la entrada sin que la salida varie su estado
• Tiempo de programación medio: Es el tiempo que transcurre desde que se produce un cambio lógico a la entrada hasta que lo hace la salida.(Alrededor de los nano segundos)
• Disipación de potencia: Normalmente se indica la disipación de potencia por función. También se indica el consumo de corriente de alimentación y de entrada y salida para  los valores lógicos.

Cada una de las familias lógicas tiene sus ventajas y sus inconvenientes, por lo que por ese motivo en cada caso se elegirá lo mas adecuado al diseño que se vaya a desarrollar.

Las características ideales de una familia lógica integrada son las siguientes.:

a_ Alto grado de integración.

b_ Alta velocidad de propagación.

c_ Mínimo consumo.

d_ Máxima inmunidad al ruido y a las variaciones de temperatura.

e_ Compatibilidad con otras familias lógicas.

f_ Bajo costo de producción.

Familia TTL (Transistor transistor logic)

La familia lógica TTL surgió como el último desarrollo para crear las funciones mediante semiconductores, sus antecedentes son las siguientes familias:

DL(Lógica de diodos)

RTL(Lógica de diodos y resistores)

DTL(Lógica de diodos y transistores)

HTL(Lógica de alto umbral)

ECC(Lógica de acoplamiento por emisor)

En esta familia lógica (TTL), los componentes están constituidas mediante resistores, diodos y  transistores bipolares, por lo que esta familia posee las características generales de estos últimos.

Con esta tecnología se fabrica además de compuertas, otros circuitos de mayor complejidad hasta las escala "LSI" como decodificadores, contadores, multiplexores, etc. La familia TTL comprende varias series que han sido desarrolladas progresivamente para mejorar alguna de la características de la familia estándar.

La familia TTL estándar conocida como serie 74. Las características de esta serie son las siguientes:

• Tensión de alimentación: 5V +/- 10% (4,5 - 5,5)
• Temperatura de trabajo: 0°C - 70°C.
• Fan out: 10
• Niveles de tensión:

VIL: 0,8V

VIH: 2V

VOL: 0,4V

VOH: 2,4V

• Margen de ruido: 0,4V (En ambos niveles)
• Tiempo de propagación: 10ns
• Disipación de potencia: 10mW / Función

La serie 54 presenta prácticamente las mismas características y se diferencia fundamentalmente la temperatura de trabajo comprendida entre -55°C y 125°C.

Con el fin de mejorar los tiempos de conmutación y/o la disipación de potencia a partir de la serie estándar se desarrollarán las siguientes series:

54/74L (Low power)   ej: 7400=74L00

Obtienen menor consumo (1mW) pero el tiempo de propagación es de 33ns

54/74S (SCHOTTKY)

Esta serie incorpora diodos schottky lo que mejora el tiempo de propagación a 3ns con una disipación de potencia de 20mW por compuerta.

54/74LS (Low power SCHOTTKY)               Ej: 74LS00

Tiempo de propagación: 2ns

Potencia por función: 10mW

54/74ALS (Advanced low power SCHOTTKY) 

Potencia disipada por compuerta: 1mW

Tiempo de propagación: 4ns

54/74AS (Advanced  SCHOTTKY) 

Esta serie lleva a tiempo de propagación a 1,5ns con una disipación de potencia de 7mW.

Con esta lógica, en los circuitos integrados que contienen circuitos mas complejos formados con muchas mas compuertas, las potencias disipadas y los tiempos de propagación son mayores ya que se van acumulando las de las funciones básicas que las conforman

Familia Cmos (Complementary metal oxide semiconductor)

Los circuitos integrados Cmos se comenzaron a desarrollar posteriormente a los de la familia TTL y presentan ventajas y desventajas con respecto a esta ultima. La principal ventaja es la mayor desidad de integracion debido a la menor disipacion de potencia por funcion y  su desventaja es el mayor tiempo de propagacion. La tecnologia Cmos debe su nombre a que utiliza transistores canal P y canal N en forma complementaria, es decir, se utilizan transistores Nmos y Pmos.

La familia Cmos clasica es la denominada serie 4000 y en ella se incluyen dipositivos de mayor complejidad como contadores, registros, memoria y microprocesadors, es decir que incluyen las escalas de integracion MSI, LSI, VLSI.

 Al igual que la familia TTL existe una serie standart cuyas caracteristicas mas significativas son:

• Tension de alimentacion comprendida entre 3V y 18V
• Rango de temperatura de funcionamiento entre -40ºC y 85ºC
• Fan out superior a 50
• Para una tension de alimentacion de 5V : 

1. Vih: 3,5V 
2. Vil: 4,5V
3. Voh: 4,95V
4. Vol: 0,05V

Gran inmunidad al ruido. No le afectan pulsos de hasta un 30% de la tension de alimentacion. Los tiempos de propagacion  son inversamente proporcionados a la tension de alimentacion. siendo de 60ms y 30ms para 10V

La potencia disipada por cada compuerta es del orden de los 10nw.

Además de la serie standart se fabrican la sig series:

54/74HC (High speed cmos): mejora el tiempo de propagación llegando a 8ns. Se alimenta con tensiones comprendidas entre 2 y 6v

54/74C (Cmos): Esta serie es compatible físicamente (Pin a pin) con la TTL y no  es eléctricamente compatible con ella. Su tensión de alimentación es de 5V

54/74HCT (High speedCmos compatible TTL): Tiene las mismas características de la serie HC y es eléctricamente compatible con la TTL.

Las series más modernas de cmos son:

54/74AC: La tensión de alimentación está comprendida entre 3 y 6V lo que la hace compatible Con la HC

54/74ACT: Se alimenta con 5V por lo que puede sustituir a toda la serie  54/74HCT y a toda la familia TTL. Potencia por función 1nW. Tiempo de propagación 3ns