TRABAJO PRACTICO Nº2 : CIRCUITOS DIGITALES INTEGRADOS
-circuitos digitales que contienen compuertas lógicas
los circuitos digitales que contienen solamente compuertas lógicas se encuentran encapsulados por una estructura DIL (dual in line) de 14 pines reservándose los terminales 7 y 14 para la conexión a la fuente de alimentación.
-escalas de integración
A lo largo del tiempo, los fabricantes de compuertas electrónicas han logrado aumentar la cantidad de componentes construidos por unidad de superficie de los C.I. esto se conoce como un aumento de la escala de integración.
las ventajas de aumentar la escala de integración son mucas, siendo las mas 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 mas fáciles de cambiar y ademas bajar los costos.
las escalas de integración fueron aumentando a medida que mejoro la tecnología.
-SSI (small scale integration)
En esta escala se producen C.I que contienen funciones lógicas elementales como compuertas e inversores con aproximadamente 100 componentes.
-MSI (medium scale integration)
Comprende circuitos de aplicación general mas complejos como multiplexores, codificadores, contadores, etc. entre 100 y 1000 componentes.
-LSI (large scale integration)
gracias a esta escala de integracion se pudieron lograr circuitos electrónicos muy complejos como memorias y microprocesadores contienen entre 1000 y 100000 componentes.
-VLSI (very large scale integration)
Se alcanzo esta tecnología en los años `80 lográndose circuitos integrados con mas de 10. millones de componentes, actualmente los microprocesadores que trabajan en la arq de 64 bits y con una frecuencia de 3GHz como es el caso de la serie INTEL CORE I7 posee al rededor de 700 millones de transistores.
Caracteristicas generales de las compuertas integradas:
Las tecnologías mas conocidas de la fabricación de compuertas integradas son:
Las TTL y la CMOS, y en ambas familias se indican en las hojas de datos los siguientes datos:
- Tensión de alimentación y su tolerancia.
- Temperatura de trabajo.
- Fan-Out (Abanico de salida)
- Tensiones de funcionamiento:
- Vil : Máxima tensión de entrada para un nivel bajo (0)
- Vih : Mínima tensión de entrada para un nivel alto (1)
- Vol : Máxima tensión de salida para un nivel bajo (0)
- Voh : Mínima 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 varié 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.
Disipacion de potencia
Normalmente se indica, la disipación de potencia por función. También se indican los consumos de corriente de alimentación y de entrada y salida para los valores lógicos.
Cada una de las familias lógicas tiene sus ventajas y sus desventajas, por ese motivo cada caso se elegirá las mas adecuadas al diseño que se vaya a desarrollar.
Las características ideales de una familia lógica integrada, 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.
T.T.L (transistor transistor logic):
La familia logica TTL, surgió como el ultimo desarrollo para crear funciones lógicas mediante semi-conductores. Anteriormente se habían desarrollado las familias: DL (Diode logic), RTL (resistor transistor logic), DTL (diode transistor logic), HTL (high logic threshold), ECL (logica de acoplamiento para emisor). En esta familia lógica las compuertas están construidas mediante resistencias, diodos y transistores bipolares, por lo que esta familia posee las características generales de estos últimos. Con esta tecnologia se fabrican ademas de compuertas, otros circuitos de mayor complejidad en escala M.S.I (codificadores, sumadores, multiplexores, etc).
La familia TTL comprende varias series que han sido desarrolladas a partir de la serie estándar para mejorar alguna de las características de las fabricadas anteriormente.
La primera serie, es decir la estandar, se conoce como la serie 74, cuyas características principales son las siguientes:
- Tension de alimentacion: 5V +- 10%
- Temperatura de trabajo: 0ºC a 70ºC
- Fan-Out : 10.
- Niveles de tensión: Vil = 0,8V, Vih = 2V, Vol = 0,4V, Voh = 2,4V.
- Valores de ruido en ambos niveles: 0,4V
Disipacion de potencia
La serie 54, presenta las mismas caracteristicas que la 74, pero se desarrollo inicialmente para aplicaciones militiares y aero-espaciales y se diferencia fundamentalmente en que su temperatura de trabajo estacomprendida entre: -55ºC a +125ºC.
La serie 54, presenta las mismas caracteristicas que la 74, pero se desarrollo inicialmente para aplicaciones militiares y aero-espaciales y se diferencia fundamentalmente en que su temperatura de trabajo estacomprendida entre: -55ºC a +125ºC.
Con el fin de mejorar los tiempos de conmutacion y/o la disipacion de porencia se han desarrollado las siguientes serioes: 74/54 L (low power), eb esta serie se obtiene menor consumo, 1mW por funcion, pero el tiempo de propagacion es de 33nSeg.
74/54 S (SCHOTTKY) incorpora simbolos schottky para llevar el tiempo de propagacion a 3nSeg con una disipacion de potencia de 20mW aproximadamente.
74/54 LS (low power schottky) combina las ventajas de las series anteriores con una potencia disipada por compuerta de 2mW y un tiempo de propagacion de 10nSeg.
74/54 ALS (advanced low power schottky) con una potencia disipada por compuerta de 1mW y un tiempo de propagacion de 4nSeg.
74/54 AS (avanced schottky) esta serie desarrollo para aplicaciones que requieran bajos tiempos de propagacion llegando a 1,5nSeg con una disipacion de potencia de 7mW.
Como es logico los circuitos que contienen dispositivos mas complejos formados por muichas compuertas las potencias disipadas y los tiempos de propagacion son mayores ya que se van acumulando lo de las funciones basicas que las componen.
Familia CMOS (complementary metal oxide semiconductor) :
Su nombre se debe a la utilización de un componente denominado transistor MOS (metal oxide semiconductor). Se llama complementario porque se utilizan transistores de canal P y de canal N en forma complementaria, es 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 ellas. La principal ventaja es la menor disipación por función, lo que permite una mayor densidad de integración, y su principal desventaja es su tiempo de propagación. La familia CMOS básica, es la denominada serie 4000 y en ella se incluyen dispositivos complejos como contadores, registros, memorias, microprocesadores y micro controladores.
Serie estandar (4000):
- Alimentación eléctrica: 3V a 18V
- Fan-out: superior a 50
- Temperatura de trabajo: -40ºC a + 85ºC
Niveles de tensión para una tensión de alimentación de 5V:
- Vil = 1,5V
- Vih = 3,5V
- Vol = 0,05V
- Voh = 4,95V
Inmunidad al ruido:
No le afectan pulsos de hasta un 30% de la tensión de alimentación, los tiempos de propagación son inversamente proporcionales a la tensión de alimentación, siendo 50nSeg para 5V y 30nSeg 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 (Highspeed CMOS):
Se mejora el tiempo de propagación llegando a valores de 8nSeg, con tensiones de alimentación comprendidas entre 3 6 Volts.
54/74 Hct (HighSpeed CMOS compatible TTL):
Tiene las características de las series HC y es electricamente compatible con la TTL. Alimentación: 5V.
Las series mas modernas de CMOS son: 54/74 AC, 54/74 ACT.
En el primer caso la tensión de alimentación esta comprendida entre 3V y 6V lo que lo hace 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 funcion: 1mW, tiempo de propagación: 3nSeg.
