Introducción a Familias lógicas

INTRODUCCION• La Electrónica Digital se fundamenta en transmitir y recibir información pormedio de dos estados diferentes (Alto / Bajo – Verdadero / Falso).• Una puerta lógica realiza una determinada función lógica digital.En el tema anterior hemos visto la simbología asociada a los distintos circuitos que realizan las operaciones básicas: AND, OR; NOT, etc.._ En este tema estudiaremos los circuitos digitales más simples que realizan dichas operaciones lógicas._ Los circuitos digitales se encuentran agrupados en distintas familias, de acuerdo con las características y estructuras físicas en que se basen._ Una primera CLASIFICACION:_ Las familias lógicas pasivas_ En su constitución solamente intervienen elementos pasivos (resistencias y diodos). Hoy día, están totalmente en desuso_ Desventajas: La pérdida de nivel en las señales, la poca inmunidad al ruido y el pequeño aislamiento entre entrada y salida._ Las familias lógicas activas son aquellas que están formadas (casi exclusivamente), por dispositivos electrónicos activos (transistores)_ Ventajas: proporcionan ganancia (restauración de niveles) y mejoran el aislamiento entre etapas._ Existen dos grandes tecnologías digitales: TTL y CMOSSi los transistores son BJT se denominan familias lógicas bipolares_ Si los transistores son de efecto de campo (MOSFET) se denominan familias lógicas MOSFET.

.• En 1.993 existían fundamentalmente seis subfamilias TTL y cuatro CMOS,cada una con unas características diferentes que las hacen propicias paracada tipo de aplicación.• Los fabricantes han perseguido la reducción del parámetro “producto depotencia disipada – retardo propagación” (es decir, aumentar la velocidad,reduciendo el consumo).

• La evolución de las tecnologías TTL está en la mejora del circuito básico desus puertas.

• La evolución de las tecnologías CMOS mantiene el circuito básico de suspuertas, mejorando las características de la fabricación de cada familia CMOS.

• Los requisitos de mercado de equipos portátiles ha propiciado la evolución delas tecnologías a tensiones de alimentación cada vez más reducidas (3.3 v,2.5 v).

Como se ve las puertas logicas son circuitos que se construyen con transistores y Hay varias familias de puertas logicas, cada una con unas caracteristicas determinadas que pueden construirse con varios tipos de transistores.Pero hoy dia se utiliza dos familias. La familia 74?? TTL (Transistor-Transistor-Logic) y y la familia 40?? CMOS (Complementario-MOS).

Familia TTLEsta familia utiliza el transistor BJT NPN como base para sus circuitos. Su tension de alimentacion caracteristica se halla comprendida entre los 4'75V y los 5'25V (como se ve un rango muyestrecho. Lo habitual es conectarla a 5 Voltios justos) ; debido a esto, los niveles logicos vienen definidos por el rango de tension comprendida entre 0'2V y 0'8V para el nivel bajo (bit “0”) y latension de alimentacion para el nivel alto (bit “1”). Si la salida de una puerta logica TTL diese un valor de 1,2 Voltios, por ejemplo, entonces el circuito esta funcionando mal o no esta bien conectado.

La puerta logica basica es la puerta NAND. Con combinacionesde la puerta logica NAND se obtienen el resto de puertas logicas de lafamilia: OR, AND, NOT, XOR...

Familia MOSEn esta se utiliza el transistor MOS complementario como base para los circuitos. La tension de alimentacion puede variar entre los 3 y los 15 Volts. El nivel bajo (bit “0”) es un valor cercano a cero volt mientras que el valor alto (bit “1”) esta entre el valor de alimentacion y su 70%. Por ejemplo, Si lo alimento a 8 Voltios, el nivel bajo seria un valor cercano a 0 V - 0.5 V y el nivel alto estaria entre 5,6 V y 8 V.

La familia CMOS tienen de referencia “40” y “140” . La puerta4011 son puertas NAND CMOS.

Caracteristicas generales de las familias lógicas

Como sabemos en los circuitos lógicos la salida sólo puede tomar uno de dos valores ("0" ó "1") cuando las entradas también toman sólo esos valores.

_ Para conseguir esta característica de, los transistores los circuitos deben estar:_ En corte o muy próximos a él_ O conduciendo (saturado si es bipolar o en la región lineal si son de efecto de campo)._ Nunca deben estar operando en una situación intermedia de estas características, sino la la tensión de salida estaría en la región prohibida. Solamente en la transición desde un estado al otro el transistor pasará por esta región prohibida (la región activa si es bipolar o por la de saturación si es de efecto de campo).

Las características de los circuitos digitales son independientes de la función que realicen o de la familia a la que pertenezcan. _ Poseen dos niveles lógicos de tensión, bien diferenciados, para representar los dos valores posibles de las variables._ Dos tensiones umbral (tensión en que la compuerta comienza a cambiar de estado), una para cada estado lógico._ Dos márgenes de ruido (uno para cada estado o nivel lógico), el margen de ruido es la variación de tensión admisible a la entrada de un circuito lógico sin que la salida del mismo cambie de estado, es decir, sin que el circuito "detecte" un nivel lógico diferente._ Abanico de entrada,(FAN IN) que es el máximo número de entradas que el circuito lógico puede tener._ Abanico de salida, (FAN OUT) que es el número máximo de circuitos lógicos que una puerta puede alimentar._ Tiempo de propagación, Se define como la media aritmética entre los tiempos medios de propagación del cambio de estado de la entrada a la salida en los casos en que la salida pasa del estado “1” al “0” y viceversa._ Potencia disipada, es la potencia requerida por la puerta para estar funcionando al 50%, tanto tiempo en el estado “1” como en el “0”.

VALORES LOGICOS • Para cada una de las familias lógicas, los valores lógicos ‘0 y ‘1’ equivalen a un margen de tensiones determinado.• En la figura se representan los niveles de tensión correspondiente a la familia TTL (diferentes a CMOS).• Las tensiones de transición (entre 0.5 y 3.0 voltios) corresponden a un valor lógico indeterminado, y sólo aparecen durante cortos espacios de tiempo cuando se cambia de un estado lógico a otro.• Para un correcto funcionamiento, un circuito lógico debe generar una tensión situada en algún punto dentro del margen correcto. • Si el valor de tensión permanece estable en la zona de transición el resultado será indeterminado, y por consiguiente, incorrecto.• Lógica positiva: el ‘0’ se representa con la menor tensión. El ‘1’ con la mayor. Ej, niveles TTL y CMOS.

• Lógica negativa: el ‘0’ se representa con la tensión mayor.El ‘1’ con tensión menor. Ej, niveles RS-232.

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MARGENES DE RUIDO

• El ruido consiste en fluctuaciones no deseadas en la tensión real de una señal lógica. Puede ser debido a variación en la alimentación (se perturba el punto de trabajo de los transistores que forman la puerta lógica), perturbaciones electromagnéticas externas, etc.

• Si los niveles de tensión (Verdadero / Falso) están muy próximos entre sí, sería relativamente fácil que una variación en la tensión provocada por ruido se pueda pasar de un estado lógico a otro, o simplemente quedarse en la zona de transición.

• Se especifican los siguientes valores:– VIL es la máxima tensión de entrada que garantiza que será aceptadacomo 0– VIH es la mínima tensión de entrada que garantiza que será aceptada como 1.– VOL es la máxima tensión de salida generada como 0.– VOH es la mínima tensión de salida generada como 1.• En la figura se muestran los márgenes de tensión de entrada y salida para la familia lógica 7400 ALS TTL con una fuente de alimentación de +5v.

• Es importante que VIH sea menor que VOH, para asegurar que la señalde ‘1’ lógico sea correctamente interpretada. La diferencia entre estas tensiones se denomina margen de ruido superior o margen de ruido para el 1 lógico, y se denomina:– NMH = VOH – VIH

• Tambien VIL debe ser mayor que VOL para asegurar que el nivel 0 sea correctamente interpretado, incluso en presencia de ruido. A la diferencia entre ambas tensiones se denomina margen de ruido inferior o margen de ruido para el 0 lógico, y se denomina:– NML = VIL – VOL

• Cuanto mayor sean los márgenes de ruido, dichos circuitos serán menos sensibles a las perturbaciones, y por tanto, serán adecuados para trabajar en entornos con mayores índices de ruido.

FAN OUT (abanico de Salida)• Es el máximo número de puertas que puede excitar una puerta sinsalirse de los márgenes garantizados por el fabricante para asegurar el valor lógico en la entrada de las compuertas excitadas:

VOH es mayor que VOH mínVOL es menor que VOL mín

• Para el caso en que el FAN OUT sea diferente a nivel bajo y a nivel alto, se escogerá el FAN OUT más bajo.• Si el fabricante no proporciona el FAN OUT, se puede calcular como:– FAN OUT = IOL máx / IIL máx– Donde IOL e IIL son las corrientes de salida y entrada mínimas de puerta.

CARACTERISTICA DE TRANSFERENCIA • La característica de transferencia representa la salida Vo en función de la tensión de entrada Ve.

• En la figura se representa la característica de transferencia de un inversor ideal y real, para un inversor alimentado a +Vss.• En el modelo ideal, existe una tensión umbral (Vss/2) frontera claramentedefinida entre los dos valores de tensión posible en la salida.• En el modelo real, la salida no logra alcanzar los valores de tensión límite,existiendo una zona de transición donde no queda claramente definido si elestado es Verdadero o Falso.

RETARDO DE PROPAGACION

• En la figura se representan la entrada y salida de un inversor.• La transiciones de bajo a alto y vicevresa se realizan de forma gradual.• El tiempo de subida (tr) y tiempo de bajada (tf), son los tiempos que tardadesde el 10% al 90% de la transición.• Las transiciones de salida están retardadas respecto a las de entrada,siendo:

tphl retardo entre las transiciones de entrada y salida al 50% cuando la salida pasa de 1 a 0.

tplh retardo éntrelas transciciones de la entrada y salida al 50% cuando la salida pasa de 0 a 1

tpd es el retardo promedio entre tphl y tplh.

PRODUCTO POTENCIA DISIPADA – RETARDO DE PROPAGACIONEn los circuitos digitales se intenta reducir el consumo con el fin de que gaste menos energía, sea más barato y sea menos propenso a la ruptura, disipe menos temperatura y en consecuencia aumente la velocidad de conmutación,que se traduce en mayor velocidad de transmicion de informacion.

• De ahí la importancia del producto “potencia – retardo propagación”, siendo su ideal igual a cero.• La potencia disipada se mide en mW, y el retardo en nseg. El consumo se obtiene a partir del producto entre la tensión de alimentación y la media aritmética entre las corrientes consumidas en la alimentación a nivel alto y bajo.

Icc= (Ich + Icl) / 2 Ich = corriente consumida a nivel alto y Icl= corriente consumida a valor bajo

Entonces Pd= Vcc Icc

• Su unidad es el picojulio (pJ), y permite comparar dispositivos donde la velocidad y potencia consumida son factores importantes.

PULSOS FALSOS (GLITCH)• Cuando dos señales de entrada se conectan a una misma puerta lógica,tienen retardos distintos, la salida del sistema combinacional puede dar lugara salidas inesperadas.• Algunas veces, se producen falsos pulsos que condicionan a un rediseñodel sistema digital, para evitar salidas inesperadas.• Otras veces, se utilizan estos glitches con fines determinados.• En la figura se muestra la salida C, para la entrada A, dando lugar a un falsopulso debido al retardo del inversor.