cuestionario diodos

Diodos de proposito especifico

\ Los diodos msis utilizados son 10s recacadores. Se emplean en fuentes de alimentacidn para convertir tensidn alterna en tensidn continua. Pero la r e ~ ~ c a c i d n no es la Gca funcidn que puede hacer un diodo. En este capitulo se diicutiran otras aplicaciones de 10s diodos. Se comienza por el diodo zener, cuyas propiedades m&

utiles son las de la zona de ruptura. Los diodos zener son muy importantes, ya que son la clave para la regulacidn de tensidn. Se verhn tambien 10s didos optoelectrdnicos, 10s diodos Schottky, 10s varicap y otros.

:5-1. EL DIODO ZENER

Los diodos rectificadores y 10s diodos para pequeiia seiial nunca se emplean intencionadamente en la zona de ruptura, ya que esto podria daiiarlos. Un diodo zener es diferente; se trata de un diodo de silicio que se ha disefiado para que funcione en.la zona de ruptura. Llarnado a veces diodo de avalancha, el diodo zener es la parte esencial de 10s reguladores de tensidn; tstos son circuitos que mantienen la tensidn casi constante con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensidn de red y de la resistencia de carga. .

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Texto tecleado

Extraido del libro "PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA de Albert Paul Malvino Solo para uso académico

D Grmca corriente-tension (I-VI

La Figura 5-la muestra el simbolo de un diodo zener; la Figura 5- lb es otra opci6n. En. cualquiera de 10s dos simbolos, las lineas recuerdan la letra <<z>>, simbolo de zener. Variando el nivel de dopaje de 10s diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos zener con tensiones de ruptura que van desde 2 hasta 200 V. Estos diodos pueden funcionar en cualquiera de las tres zonas: directa, de fugas y de ruptura.

La Figura 5-lc muestra la grfica I-V de un diodo zener. En la zonahirec- ta cornienza a conducir aproxirnadamente a 10s 0,7 V, igual que un diodo normal de silicio. En la zona de fugas (entre cero y la zona zener) circula solamente una pequeiia coniente inversa. En un diodo zener la mptura tiene un cod0 muy pronunciado, seguido de un aumento casi vertical en la comente. ObsCrvese que la tensi6n es casi constante, aproximadamente igual a V, en la mayor parte de la zona de mptura En las hojas de caractensticas es frecuen- te que se indique el valor de V,, para un valor particular de la comente I,.

La Figura 5-lc tarnbiCn muestra la mairima comente inversa Im Mien- tras la comente inversa sea menor que Imp el diodo esta funcionando dentro de su zona de seguridad. Si la corriente es mayor que Im, el diodo se destrui- rh. Para prevenir un exceso de comente inversa se debe usar una resistencia lirnitadora de comente (que se comentarh mhs tarde).

0 Resistencia zener '

En la tkrcera aproximaci6n de un diodo de silicio, la tensi6n directa a travQ de un diodo es igual a la tensi6n umbral m h una tensi6n adicional a travQ de la resistencia interna.

Similarmente, en la regi6n de ruptura, la tensi6n inversa a travCs de un diodo es igual a la tensi6n de ruptura mk una tensi6n adicional a travCs de la resistencia interna. En la zona inversa la resistencia interna se conoce como la resistencia zener. Esta resistencia es igual a la pendiente en la regi6n de ruptura. En otras palabras, cuanto m8s vertical es la zona de ruptura menor es la resistencia zener.

En la Figura 5-lc, la resistencia zener significa que un aumento en la comente inversa producirh un ligero aumento en la tensi6n inversa. El in-

( b ) ( a ) (c )

FlgUra 5-1. Diodo zener. a) Simbolo; b) simbolo alternativo; c) curva del diodo.

cremento de tensi6n es muy pequeiio, generalmente de unas dCcimas de voltio. Esto puede ser muy importante en el diseiio, per0 no en la detecci6n de averias ni en 10s andisis preliminares. A menos que se indique otra cosa, en nuestro estudio se harit caso omiso de la resistencia zener.

O Regulador zener Un diodo zener recibe a veces el nombre de diodo regulador de tensi6n porque mantiene la tecsi6n entre sus terminales constante, incluso cuando la comente sufra carnbios. En condiciones normales, el diodo zener debe tener polarizaci6n inversa, como se ve en la Figura 5%. Ademb, para:trabajar en la zona zener, la tensi6n de la hen@ V, debe ser mayor que la tensi6n de ruptura V, Siempre se emplea una resistencia en serie Rsy para limitar la comente a un valor menor de su limitaci6n mixima de comente. En caso contrario, el diodo zener se quemaria, como cualquier dispositivo que disipase excesiva potencia.

En la Figura 5-2b se observa una forma alternativa de dibujar el circuito que incluye las masas. Siempre que un circuito tenga una linea de masa, es preferible medir las tensiones de 10s nudos respecto a masa.

Sup6ngasey por ejemplo, que se desea medir la tensi6n de la resistencia en serie de la Figura 5-2b. He aqui la forma de realizarlo cuando el circuito ya est6 construido. Primero, se mide la tensi6n desde el extremo izquierdo de Rs a masa. Segundo, se mide la tensi6n desde el extremo derecho de Rs a masa. Por liltimo, se restan las dos tensiones para obtener la tensi6n en R,. Si se tiene un voltimetro flotante, se puede conectar directamente entre 10s extremos de la resistencia en serie.

En la Figura 5-2c se ve la salida de una fuente de alimentacidn conectada a una resistencia en sene con un diodo zener. Este circuito se utiliza cuando se desea una tensi6n continua de salida que sea menor que la salida de la fuente de alimentaci6n. Un circuito como Cste recibe el nombre de regulador zener de tensi6n o simplemente regulador zener.

Q. De nuevo. la ley de Ohm

En la Figura 5-2, la tensi6n en la resistencia en serie o resistencia limitadora de comente es igual a la diferencia entre la tensi6n de la fuente y la tensi6n zener. Por mto , la comente en la resistencia es:

FigUra 5-2. Regulador zener. a) Circuito bbico; b) el mismo circuito con maias; c) la fuente de alimentacidn excita al regulador.

F 3 v z 7 v s - - - - - -L - - - A LA EMRADA - - - -

FUENTE

RECTIFICADORA CON CON FILTRO + v s +

CONDENSADOR - 'i~

4

- vz

Si ya se tiene el valor de la comente en serie, se tiene tarnbi6n el valor de la comente zener. Esto es porque la Figura 5-2 es un circuito en serie. N6te- se que 4 tiene que ser menor que Im.

0 Diodo zener ideal 6 Para detecci6n de averias y andisis prelirninares, la zona zener se puede apro-

xirnar mediante una recta vertical. En consecuencia, la tensi6n es consmte Figura 5-3. Aproximacidn ideal para un diodo zener. incluso cuando la comente cambie, lo cual equivale a ignorar la resistencia

zener. En la Figura 5-3 se ilustra la aproximaci6n ideal para un diodo zener. Esto significa que el diodo zener, al funcionar en la zona de ruptura, se com- ports tebricamente como.una bateii8. En un circuito, este hecho quiere decir que un diodo zener se puede sustituir mentalmente por una fuente de tensibn de valor &, suponiendo que el diodo zener est6 funcionando en la zona de ruptura.

Figura 5-4. Ejemplo.

5-2, EL REGULADOR ZENER CON CARGA

En la Figura 5-5a se muestra un regulador zener con carga, rnientras que en la Figura 5-5b se muestra el mismo circuito con masas. El diodo zener fun- ciona en la zona de ruptura y mantiene constante la tensi6n en la carga. Incluso cuando la tensi6n en la fuente cambie o la resistencia de carga varie, la tensidn en la carga sigue estando fija e igual a la tensi6n zener.

'

O Funcionamiento en la zona de ruptura

iC6m0 se puede saber si el diodo zener de la Figura 5-5 estl trabajando en la zona de ruptura? A causa del divisor de tensibn, la tensi6n Thevenin que ve el diodo es:

~ s t a es la tensi6n que hay cuando el diodo zener esti desconectado del circuito. Esta tensi6n de Thevenin tiene que ser mayor que la tensi6n zener; en caso contrario, el diodo no llegaria a polarizarse en la zona de ruptura:.

O Corriente en serie

A inenos que & indique otra cosa, en todo el estudio siguiente diremos que el diodo zener esti funcionando en la zona de ruptura. En la Figura 5-5, la comente que circula por la resistencia en serie esti dada por

Figura 5-5. Regulador zener con carga. a) Circuito bhsico; 6 ) circuito pr6ctico.

160 PRINCIPIOS DE ELECTR~NICA

~ s t a es la ley de Ohm aplicada a la resistencia limitadora de comente. Es la misma haya o no una resistencia de carga. En otras palabras, si se desconecta la resistencia de carga, la comente en Rs seguiri siendo igual a la tensi6n en la resistencia dividida por la resistencia.

D Corriente por la carga

Idealmente, la tensi6n en la carga es igual a la tensi6n zener, ya.que la resistencia de carga esti en paralelo con el diodo zener. Matemiticarnente:

Esto permite aplicar la ley de Ohm para calcular la coniente por la carga:

D Corriente zener

Por la ley de Kirchhoff de las comentes,

El diodo zener y la resistencia de carga estin en paralelo. La suma de sus comentes tiene que ser igual a la comente total, que es la rnisma comente que circula'por la resistencia en serie.

Expresando esta relaci6n de otra manera se obtiene esta importante ecuaci6n:

Iz = Is - IL (5-6)

Esta ecuaci6n indica que la comente zener ya no es igual a la comente en sene, como sucede en el regulador zener sin carga. Debido a la resistencia de carga, la corriente zener en este caso es igual a la comente en serie menos la comente por la carga.

La Tabla 5-1 resume 10s pasos en el anilisis de un regulador zener con carga. Se empieza con la comente en serie, se sigue por la tensi6n en la carga y la comente por la carga, y finalmente la comente zener.

Tabla 5-1. Analizando un regulador zener con carga

Proceso

Paso 1 Calcular la coniente en serie, Ec. (5-3) Paso 2 Calcular la tensi6n en la carga, Ec. (5-4)

Paso 3 Calcular la comente por la carga, Ec. (5-5) Paso 4 Calcular la corriente zener, Ec. (5-6)

Comentario

Aplicar la ley de Ohm a Rs La tensi6n en la carga igua-

la a la del diodo Aplicar la ley de Ohm a RL Aplicar la ley de la comen-

te al diodo

DIODOS DE PROP~SITO E S P E C ~ C O 161

CI ~fecto zener

Cuando.la tensi6n de ruptura es mayor de 6 V, la causa de la ruptura es el efecto avalancha, discutido en el capitulo 2. La idea blsica es que 10s porta- dores minoritarios se aceleran a velocidades suficientemente altas como para desligar otros ponadores minoritarios, produciendo una cadena o efec- to avalancha que desencadena una gran comente inversa.

El efecto zener es diferente. Cuando un diodo esti fuertemente dopado, la zona de deplexi6n se hace muy estrecha. A causa de esto, el campo elCctrico a travCs de la zona de deplexidn (tensi6n dividida por distancia) es muy intenso. Cuando la fuerza del campo alcanza aproximadhente 300.000 Vlcm, el campo es lo suficientemente intenso para empujar a 10s electrones fuera de sus orbitales de valencia. La creacidn de electrones libres de esta fomza se conoce como efecto zener (tambiCn denominado como emisi6n por carnpo ,mde). Esto es bastante diferente a1 efecto avalancha, que depende de porta- dores rninoritarios de gran.velocidad desligando a 10s el'ectrones de valencia.

Cuando la tensi6n de ruptura es inferior a 4 V, s610 tiene Iugar el efecto zener. Cuando la tensi6n de ruptura es superior a 6 V s610 ocurre el efecto avalancha. Cuando la tensi6n de ruptura estA entre 4 y 6 V existen ambos efectos.

El efecto zener fue descubierto antes que el efecto avalancha, asi que todos 10s diodos usados en la zona de ruptura se conocen como diodos zener. Aunque se puede oir ocasionalmente el tCrmino diodo de avalancha, el nombre diodo zener es el mls general para todos 10s diodos de ruptura.

O Coeficiente de temperatura

A1 elevarse la temperatura ambiente circundante, la tensi6n zener cambia un poco. En las hojas de caracteristicas el efecto de la temperatura se indica como coeficiente de temperatura, que es el cambio en la tensidn de ruptura por cada grado que aumenta la temperatura. Para diodos zener con tensiones de ruptura menores de 4 V (efecto zener), el coeficiente de temperatura es negativo. Por ejemplo, un diodo zener con una tensi6n de ruptura de 3,9 V puede tener un coeficiente de temperatura de -1,4 mVI0C. Si la temperatura aumenta 1 "C, fa 'tensi6n de ruptura decrece 1,4 mV. Por otro lado, para diodos zener con tensiones de ruptura mayores de 6 V (efecto avalancha), el coeficiente de tem'peratura es positivo. Por ejemplo, un diodo zener con una ten- si6n de ruptura de 6,2 V puede tener un coeficiente de temperatura de 2 mV/"C. Si la temperatura aumenta 1 "C, la tensi6n de ruptura aumenta 2 mV.

Entre 4 y 6 V, el coeficiente de temperatura cambia de negativo a positivo, lo que significa que es posible hallar un punto de funcionamiento para el diodo zener en el cual el coeficiente de temperatura sea cero. Este dato es importante en algunas aplicaciones en que se requiere una tensi6n zener constante en un interval0 grande de temperaturas.


Figura 5-6. Ejemplo.

DIODOS DE PROP~SITO ESPEC~FICO 163

FUENTE + lTK-$y-$qm TACION -

- - - - - - - - Figura 5-7. Ejemplo.

Flgura 5-8. Diodo zener usado para confomaci6n de onda.

FUENTE +

Fieura 5-9. Aplicaciones Zener. a) Produciendo tensiones de salida no estAndar; '

b) usando un re16 de 6 V en un sistema de 12 V; c ) empleando un condensador . de 6 V en un sistema de 12 V.

. I


5-3. SEGUNDA APROXIMACION DE UN DlODO ZENER

La Figura 5-10a muestra la segunda aproximaci6n de un diodo zener. Una resistencia zener estd en serie con una bateria ideal. La tensi6n total a travCs del diodo zener es igual a la tensi6n de ruptura mds la caida de tensi6n a travCs de la resistencia zener. Como Rz es relativmente pequeiia en un diodo zener, Csta tiene s610 un pequeiio efecto en la tensi6n total a trav6s del diodo zener. :'

D Efecto en la tension en la carga

iC6m0 podemos calcular el efecto de la resistencia zener en la tensidn en la carga?

La Figura 5- lob muestra una fuente de alimentaci6n excitando un regulador zener con carga. Idealmente, la tensi6n en la carga es igual a la tensi6n de ruptura V,. Pero en la segunda aproximaci6n incluimos la resistencia zener, como se muestra en la Figura 5-10c. La caida de tensi6n adicional a trav'Cs de RZ incrementard ligeramente la tensi6n en la carga.

Como la corriente zener circula a travCs de la resistencia zener en la Figura 5-10c, la tensi6n en la carga viene dada por:


Como se puede observar, el cambio en la tensi6n en la carga respecto altaso ideal es:

Normalmente, RZ es pequefia, de tal forma que la tensi6n cambia poco, tipi- camente decenas de voltios. Por ejemplo, si 1, = 10 rnA y Rz = 10 Q, entonces AV, = 0,l V.

Q Efecto en el rizado . .. -. .

Por lo que respecta a1 &ado, po-demos usar el circuit0 equivalente mostra- do en la Figura 5-1 la. En otras palabras, las bnicas componentes que afec- . tan a1 rizado son las tres resistencias que se muestran. Podemos simplificar esto incluso mis. En un diseiio tipico, RZ es mucho menor que RL; por tanto, las. bnicas dos componentes que tienen un efecto significativo en el rizado son la resistencia serie y la resistencia zener mostrada en la Figu-

' ra 5-llb.

ALIMEN-

- - - - - - i

TACION

- - - i ( c)

Figura 5-10. Segunda aproximaci6n de un diodo zener. a) Circuito equivalente; '

b) fuente de alimentaci6n excita un regulador zener; c) resistencia zener incluida en el andisis.

DIODOS DE PROP~SITO ESPEC~NCO 167

Figura 5-11. El regulador zener reduce el rizado. a) Circuito equivalerite para seiial complkto; b) circuit0 equivalente para seiial simplificado.

Como la Figura 5-1 1b es un divisor de tensibn, podemos escribir la siguiente ecuaci6n para el rizado de salida:

Los cdculos del rizado no son criticos; es decir, no tienen que ser exactos. Como Rs es siempre mucho mayor que Rz en un disefio tipico, podemos usar

' esta aproximaci6n para las detecciones de averias y andisis prelirninares:

Figura 5-12. Regulador zener con carga.

5-4. PUNT0 LCMITE DE FUNCIONAMIENTO EN LA ZONA ZENER

Figura 5-13. Anglisis en simulaci6n (EWB) del rizado de un regulador zener.

Para que un regulador zener pueda mantener constante la tensi6n de salida, el diodo zener debe permanecer en la zona de ruptura en todas las condiciones de funcionamiento, lo que equivale a decir que debe haber comente por el zener para todas las tensiones de fuente y todas las comentes por la carga.

O Condiciones del peor caso

La Figura 5- 14a muestra un regulador zener. Tiene las siguientes comentes:

Ahora, consideraremos qu6 sucede cuando la tensi6n de la fuente decrece desde 20 hasta 12 V. En 10s cilculos anteriores se puede ver que Is decre- ceri, I, pennanecerii igual, I, disminuiri. Cuando Vs es igual a 12 V, Is seri igua1.a 10 mA, IZ = 0. Con esta tensi6n de fuente tan baja, el diodo zener esd a punto de salirse de la regi6n de ruptura. Si la fuente decrece mhs, la regula- ci6n se perderii. En otras palabras, la tensi6n en la carga se hari menor que 10 V. Por tanto, una tensi6n de fuente baja puede causar que el circuito zener falle en la regulaci6n.

Otra forma de perder la regulaci6n consiste en tener demasiada comente por la carga. En la Figura 5- 144 considere lo que sucede cuando la resistencia de carga decrece de 1 162 a 200 0. Cuando la resistencia de carga es 200 R, la comente por la carga se incrernenta hasta 50 mA y la comente zener decrece a cero. De nuevo.el diodo zener estA a punto de salirse de la regi6n de ruptura. Por tanto, un circuito zener d e j d de regular si la resistencia de carga es demasiado baja.

Figura 5-14. Regulador zener. a) Funcionarniento normal; b) condiciones del peor caso en el limite del mal funcionamiento.


Finalmente, consideraremos lo que sucede cuando Rs crece desde 200 Q hasta 1 la. En este caso, la comente en sene decrece de 50 a 10 mA. Por ello, una resistencia en serie alta puede hacer que el circuito deje de regular correctamente.

La Figura 5-14b resume las ideas anteriores mostrando las condiciones del peor caso. Cuando la corriente zener esth cerca de cero, la regulaci6n zener se aproxima a la condici6n de fallo. Analizando el circuito para estas condiciones del peor caso es posible derivar la siguiente ecuacibn:

TambiCn es 6tiI una forma alternativa de este :ecuaci6n:

Estas dos ecuaciones son dtiles porque se puede comprobar si un reguIa- dor zener fallarii bajo algunas condiciones de operaci6n.


5-5. C6MO LEER UNA HOJA DE CARACTER~STICAS

En el ApCndice se muestra la hoja de caracten'sticas para la sene IN746 de diodos zener. Esta hoja de caracteristicas tarnbiCn sirve para la serie IN957 y la serie 1N4370. Consulte las hojas de caracten'sticas en el siguiente estudio. De nuevo en este caso, la mayor'parte de la informaci6n de una hoja de caractensticas es para 10s diseiiadores, per0 a continuaci6n se dan algunos datos que incluso quienes detectan averias y hacen pruebas debenan saber.

O Potencia maxima

La disipaci6n de potencia de un diodo zener es igual a1 product0 de su ten- si6n por su corriente:

Por ejemplo, si Vz = 12 V e I, = 10 rnA, entonces:

Siempre que PZ sea menor que la limitaci6n de potencia, el diodo zener podrd funcionar en la zona de ruptura sin que se destruya. Los diodos zener disponibles comercialmente tienen limitaciones de potencia desde 114 hasta mds de 50 W.

Por ejemplo, la hoja de caracteristicas relativa a la serie IN746 indica una potencia miixima de 400 mW. Un diseiio robusto incluye un factor de seguridad para mantener la disipaci6n de potencia muy por debajo de este miximo de 400 mW. Como se ha dicho antes, en 10s diseAos conservadores se emplean factores de seguridad de 2 o mds.

LI Corriente maxima

Las hojas de caractensticas normalmente incluyen la comente miixima que puede circular por un diodo zener sin exceder su limite de potencia. Esta

'


comente mixima esth relacionada con la potencia mixima de la forma siguiente:

donde:

I,, = comente mixima por el diodo zener PZM = limitaci6n de potencia mhima

V, = tensi6n zener

Por ejemplo, el IN759 tiene una tensi6n zener de 12 V. Por tanto, su comente mhxima es

La hoja de caractensticas.proporciona dos limitaciones de comente mixima: 30 y 35 mA. ObsCrvese que estos valores incluyen nuestra respuesta te6rica de 33,3 mA. La hoja de caractensticas proporciona dos valores debido a la tolerancia en la tensi6n zener.

Si se satisface la limitaci6n de comente, automiticamente se satisface la limitaci6n de potencia. Por ejemplo, si la corriente se mantiene menor de 33,3 rnA, a1 mismo tiempo la disipaci6n de potencia se mantiene menor de 400 mW. Si se incluye un factor de seguridad igual a 2, ya no hay por quC preocuparse de que el diodo se queme a causa de un diseiio poco comun.

' O Tolerancia

La nota 1 en la hoja de caracten'sticas muestra estas tolerancias:

Serie 1N4370: & 10 por 100, sufijo A para 25 por 100. Sene 1N746: +lo por 100, sufijo A para +5 por 100. Serie 1N957: +20 por 100, sufijo A para +lo por 100, sufijo B para 25 por 100.

' Por ejemplo, un lN967 tiene una tensi6n zener de 18 V con una tolerancia de +20 por 100. El 1N967A tiene las rnismas tensiones zener con una tolerancia de k10 por 100, y el N967B tiene la rnisma tensi6n con una tolerancia de +5 por 100.

5 Resistencia zener

La resistencia zener (tarnbiCn llarnada impedancia zener) puede designarse .par Rn o por Zn. Por ejemplo, el IN961 tiene una resistencia zener de 8,5 R medida a una comente de prueba de 12,5 mA. Mientras la comente zener se mantenga por encima del cod0 de la curva, puede tomarse 8,5 $2 como el valor aproximado de la resistencia zener. Pero obskrvese que la resistencia zener aumenta en el cod0 de la curva (700 R). Lo importante es que el punto

de funcionamiento debe estar cerca de la coniente de prueba, si es posible. En ese caso se sabe que la resistencia zener es relativamente pequeiia.

La hoja de caractensticas contiene una gran cantidad de informaci6n adicional, per0 estfi dirigida bisicarnente a 10s diseiiadores. Si el lector trabajase en diseiio, entonces tendria que leer con mucho detenimiento la hoja y tambiCn las notas que indican c6mo fueron medidas las caracteristicas.

El factor de ajuste que se incluye en las hojas de caracten'sticas indica c u h - to hay que reducir la'lirnitaci6n-'de potencia de un dispositivo. La serie 1N746, por ejemplo, tiene una limitaci6n de potencia de 400 mV para una temperatura de 50 "C. El factor de ajuste que se da es de 3,2 mWI0C, lo que significa que se deben restar 3,2 mW por cada grado que rebase 10s 50 "C. Aunque no se estC trabajando en diseiio, hay que tener cuidado con el efecto de la temperatura. Si se sabe que la ternperatura superarfi 10s 50 "C, el diseiiador,tiene que ajustar o reducir la limitaci6n de potencia del diodo zener.

En la Figura 5-15 se muestra un regulador Zener. Si el circuito estfi funcionando adecuadarnente, la tensi6n entre A y masa debe ser de +18 V, la tensi6n entre B y masa debe ser de +10 V y la tensi6n entre C y masa debe . ser de +10 V.

0 Sintomas caracteristicos

Ahora veamos quC es lo que podn'a fallar en el circuito. Cuando un circuito no esti funcionando correctamente, la persona que va a detectar la averia comienza, en general, midiendo tensiones. Estas mediciones de tensi6n dan pistas que ayudan a aislar el problema. Sup6ngase, por ejemplo, que se miden estas tensiones en 10s nudos:

Lo que detectando averias se podria pensar despuCs de haber medido las tensiones anteriores es lo siguiente:

Este fallo produce sintomas caracteristicos. La linica forma de obtener este conjunto de tensiones es con una conexi6n abierta entre B y C.


0 Sintomas ambiguos + 18V

No todas las averias producen sintomas caracteristicos, pues a veces varias generan el mismo conjunto de tensiones. He aqui un ejemplo: sup6ngase que el detector de averias mide estas tensiones:

iEn qui consiite la avena? ~eflexihnernos vnoi minutos. Cuando tengr la f$ respuesta, lea lo siguiente. -

Un detector de averias podria hallar el problema de esta manera. Sus - - - - consideraciones serian quizi Cstas:

En este punto, el detector de averias desconectaria la resistencia en sene y mediria su resistencia con un 6hmetro. Cabe la posibilidad de que estuviese abierta. Pero sup6ngase que la medida indica una resistencia en buen estado. Entonces el detector d'e averias deberia proceder como sigue:

Ahora el detector de averias desconoce m6s causas posibles para expli- car el origen del problema. Finalmente, hallari cud es la averia.

Cuando 1os~'componentes se queman, por lo general, se ponen en circuito abierto, pero no siempre. Algunos dispositivos semiconductores pueden gene- rar cortocircuitos internos, en cuyo caso son como resistencias nulas. Otras causas que pueden producir cortocircuitos son las salpicaduras de soldadura entre las pistas de una taqeta de circuito impreso, una gota de soldadura que toque dos pistas, etc. Por ello, es necesario plantearse hip6tesis que tengan en cuenta 10s componentes en cortocircuito y 10s componentes abiertos.

C3 ~ a b l a de averias

La Tabla 5-2 muestra las posibles averias del regulador zener de la Figu- ra 5- 15. A1 trabajar con tensiones, recuerde esto: un componente en cortocircuito es equivalente a una resistencia nula, mientras que un componente abierto es equivalente a una resistencia infinita. Si tiene problemas con 10s cAlculos a1 usar cero e infinito, entonces emplee 0,001 R y 1.000 MQ. En


otras palabras, emplee una resistencia muy pequeiia en vez de un cortocircuito, y una resistencia muy grande en lugar de un circuito abierto.

En la Figura 5-15, la resistencia en sene Rs puede estar en cortocircuito o en circuito abierto. Designemos estas averias como R, y R,. Andloga- mente, el diodo zener puede estar en cortocircuito o abierto y lo simboliza- remos mediante Dls y D l o . Ademis, la resistencia de carga puede estar en cortocircuito o abierta, R, y RLO, Finalmente, el conductor de conexi6n entre B y C puede estar abierto, denominado BCo.

En la Tabla 5-2, la segunda fila muestra las tensiones cuando la averia es Rss, una resistencia en serie cortocircuitada. Si la resistencia en serie estuviese en cortocircuito en la Figura 5-15 aparecerian +18 V en B y C , lo que destruiria el diodo zener y posiblemente la resistencia de carga. Para esta averia un voltimetro mediria 18V en A, B y C. Esta averia y sus tensiones se muestran en la Tabla 5-2.

Si la resistencia en serie estuviese abierta en la Figura 5- 15 entonces no habna tensi6n en'^. En este caso, B ,y C tendn'an tensi6n cero, como se muestra en la Tabla 5-2. Continuando asi, se pueden obtener las demh entradas que se ven en la Tabla 5-2.

En la Tabla 5-2, 10s comentarios indican averias que podn'an ocumr como consecuencia directa de 10s cortocircuitos originales.

Por ejemplo, una Rs en cortocircuito destruiri el diodo zener y tambiCn puede quemar la resistencia de carga. Depende de la limitaci6n de potencia de la resistencia de carga. Una Rs en cortocircuito significa que hay 18 V a travCs de 1 kR. Esto produce una potencia de 0,324 W. Si la resistencia de carga tiene una limitaci6n de apenas 0,25 W, entonces se quemari.

Algunas de las averias en la Tabla 5-2 producen tensiones linicas y otras producen tensiones ambiguas. Por ejemplo, las tensiones para Rss, Dlo , BCo y <<Sin alimentaci6n~ son dnicas. Si se miden estas tensiones puede identifi- car la averia sin entrar a hacer medidas en el circuito con un 6hmetro.

Por otro lado, todas las demis averias de la Tabla 5-2 producen tensiones ambiguas. Si se miden un conjunto de tensiones ambiguas se necesitari entrar en el circuito y medir la resistencia de 10s componentes sospechosos. Por ejemplo, suponga que mide 18 V en A, 0 V en B y 0 V en C. Las averias que pueden producir estas tensiones son Rso, Dls y RLS.

DespuCs de estudiar la Tabla 5-2 puede practicar la deteccidn de averias con el detector de averias a1 final de este capitulo.

Tabla 5-2. Averias y sintomas de un regulador zener

Averias

Ning una Rss Rso DIS DIO RLS Rw BCo Sin alimentaci6n

VA (v) 18 18 18 18 18 18 18 18 0

VB (v) 10 18 0 0

14.2 0

10 10 0

vc (v) 10 18 0 0

14,2 0

10 0 0

Comentarios

Ninglin problema D, y RL pueden estar abiertos

Rs puede estar abierta

Rs puede estar abierta

Comprobar la alimentaci6n de potencia


5-7, RECTAS DE CARGA

La comente en el diodo zener de la Figura 5-16a viene dada por: -T

Supbngase, por ejemplo, que & = 20 V y Rs = 1 kR. Entonces, la ecuaci6n precedente se reduce a:

y , ,

Como antes, el punto de saturaci6n (intersecci6n vertical) se obtiene haciendo Vz igual a cero, obteniendo una IZ de 20 mA. De la misma manera, para obtener el punto de korte (interseccibn horizontal) se hace IZ igual a -20 mA cero, con lo que pbtenemos V, = 20 V.

De mod0 alternativo, 10s extremos de la recta de carga se pueden obtener como sigue. Piense en la Figura 5-16a con Vs = 20 V y Rs = 1 kR. Con el -30 mA

-33 mA diodo zener en cortocircuito, la comente maxima por el diodo es de 20 rnA. (b) Con el diodo abierto. la tensi6n mkima en el diodo es de 20 V.

SupBngase que el diodo zener tiene una tensi6n de ruptura de 12 V. Entonces su curva es como la que se ve en la Figura 5- 16b. Cuando se traza Figura 5-16. Andisis

de la recta de carga de la recta de carga para V,= 20 V y Rs = 1 kR, se obtiene la recta de carga de un regulador arriba con un punto de interseccidn Q,. La tensidn del diodo zener serA ligeramente mayor que la tensi6n de .cod0 de ruptura, ya que la curva est6 ligeramente inclinada.

Para entender el funcionarniento de la regulaci6n de tensi6n se supone que la tensi6n de la fuente cambia a 30 V. Entonces la comente zener cambia a:

Este carnbio implica que 10s extremos de la recta de carga son 30 mA y 30 V, como se ve en la Figura 5-16b. La nueva intersecci6n se sihja en Q2. Compa- rando Q2 con Q, se puede apreciar que hay miis comente por el diodo zener, per0 hay aproximadamente la misma tensi6n zener. Por tanto, a pesar de que la tensi6n de la fuente ha pasado de 20 a 30 V, la tensi6n zener sigue siendo aproximadamente igual a 12 V. ~ s t a es la idea bisica en la regulaci6n de tensi6n; la tensi6n de salida se ha mantenido casi constante incluso cuando la tensidn de entrada ha sufrido un carnbio bastante grande.

La optoelectr6nica es la tecnologia que combina la 6ptica con la electr6nica. Este campo incluye muchos dispositivos basados en la acci6n de una uni6n pn. Ejemplos de dispositivos optoelectrdnicos son 10s diodos ernisores de luz (LED), 10s fotodiodos, 10s optoacopladores, etc. Nuestro. estudio comienza por 10s LED.

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El diodo Zener

1. Comportamiento del Zener

2. Funcionamiento

3. Diseño del Regulador Zener

4. Características del regulador de voltaje con diodo Zener

5. Aplicaciones

6. Diodo Zener como regulador de voltaje

El diodo zener basa su funcionamiento en el efecto zener, de ahí su nombre. Recordaremos que, en

polarización inversa y alcanzada esta zona, a pequeños aumentos de tensión corresponden grandes

aumentos de corriente.

Este componente es capaz de trabajar en dicha región cuando las condiciones de polarización lo

determinen y una vez hayan desaparecido éstas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando

por este fenómeno a su destrucción salvo que se alcance la corriente máxima de zener Imáx indicada por el

fabricante.

Lógicamente la geometría de construcción es diferente al resto de los diodos, estribando su principal

diferencia en la delgadez de la zona de unión entre los materiales tipo P y tipo N, así como de la densidad

de dopado de los cristales básicos.

Sus parámetros principales son:

Comportamiento del Zener

Existe otro tipo de diodo, el llamado diodo Zener, cuyas características en polarización directa son análogas

a las del diodo de unión estudiado en la práctica anterior (figura 2 a), pero que en polarización inversa se

comporta de manera distinta (figura 2 b), lo que le permite tener una serie de aplicaciones que no poseía el

anterior.

El símbolo circuital se muestra en la figura 1 y su característica tensión-corriente en la figura de abajo

Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de

saturación IS, esta corriente permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensión inversa

hasta que el valor de ésta alcanza VZ, llamada tensión Zener (que no es la tensión de ruptura zener), para la

cual el diodo entra en la región de colapso. La corriente empieza a incrementarse rápidamente por el efecto

avalancha.

En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo zener

mantiene la tensión prácticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa.

Obviamente, hay un drástico cambio de la resistencia efectiva de la unión PN.

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Funcionamiento

. EL ZENER COMO COMPONENTE

- Como ha quedado expuesto, el diodo zener esta ideado para trabajar con polarización inversa,

careciendo de interés su funcionamiento en polarización directa, que es igual al de cualquier

diodo semiconductor.

La siguiente figura corresponde a su característica tensión-corriente, y en ella nos apoyaremos

para estudiar su funcionamiento.

Cuando el zener está polarizado inversamente con pequeños valores de tensión se alcanza la corriente

inversa de saturación prácticamente estable y de magnitudes despreciables a efectos prácticos.

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Si sigue aumentando la tensión de codo o de giro, donde los aumentos de corriente son considerables

frente a los aumentos de tensión (apréciese en torno a esta tensión la curvatura de la grafica). Sobrepasada

esta zona a pequeños incrementos de tensión corresponden aumentos elevados de la corriente Iz.

Alcanzada la circunstancia anterior, nos encontraremos en la región de trabajo efectivo del zener. Debemos

hacer ciertas consideraciones en este momento.

1. Se ha de asegurar que en régimen de trabajo, el diodo sea atravesado como mínimo por una

corriente inversa Iz expresada por el fabricante para excluir la región de giro del funcionamiento

normal.

2. No se debe sobrepasar en ningún caso Iz max para asegurar la supervivencia del componente.

3. Estos dos valores de Iz llevan asociados un par de valores de tensión, Vz ; aproximadamente el

valor medio de ellos representa la tensión nominal del zener Vz nom

Se suele expresar en las características un porcentaje de tolerancia sobre la tensión nominal.

4. La potencia disipada en cada momento, Pz vendrá expresada por el producto de los valores

instantáneos de Vz e Iz

5. Los valores de Iz min e Iz max con sus valores de Vz asociados representan la región de trabajo

En estos momentos estamos en condiciones de asegurar que en la región de trabajo, el zener es capaz de

mantener en sus extremos una tensión considerablemente estable.

El zener como regulador de tension:

En muchas circunstancias la tension aplicada a una carga puede sufrir variaciones indeseables que alteren

el funcionamiento nomal de la misma. Estas variaciones generalmente vienen provocadas por:

1. Una variacion de la resistencia de carga, que lleva emparejada una variacion de la intensidad de

carga.

2. Variaciones de la propia fuente de alimentacion.

3. Por ambas causas.

Si elegimos un diodo zener de tension nominal igual a la que es necesaria aplicar a la carga y somos

capaces de hacerlo funcionar en su region de trabajo, conseguiremos una tension sin apenas variaciones.

El objeto de este apartado es diseñar un circuito capaz de conseguirlo, para ellos nos apoyaremos en

ejemplos de cada una de las tres posibles situaciones.

Ejemplo para la causa 1:

Supongamos que deseamos alimentar una carga que absorve una corriente que puede variar entre 10mA y

40mA para una tension VL = 12V . Para ello disponemos de una f.a VA =18V.

Debemos atenernos a unas condiciones minimas para abordar el diseño con éxito, las cuales son:

1. El circuito se diseña para las peores condiciones(IL max).

2. El zener debe ser en todo momento atravesado por una IZ min para asegurar su efecto regulador,

fijemosla en 5 mA (este dato seria por catalago).

3. La tension de la fuente ha de ser en todo momento mayor que la aplicada a la carga para asegurar IZ

min .

4. Debemos disponer de una resistencia limitadora en serie que absorba la diferencia de tension entre VA

y VL sera Rlim.

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No olvidemos que tratamos de realizar un montaje practico, y resistencias normalizadas de 133,3 Ω no

existen, luego deberiamos elegir entre ellos los dos valores normalizados para mas proximos. Tomaremos

valores nomalizados al 10 por 100, esto es:

Si eligieramos 150 Ω que es el mas proximo superior, no quedaria garantizada IZ min luego se ha de elegir

siempre el primer valor inferior normalizado; de esta forma, Rlim = 120 Ω esto obliga a calcular de nuevo IT

Ahora, la minima corriente que pasa al zener será:

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Como es necesario conocer la potencia que ha de disipar , Rlim

Para dar fiabilidad al circuito se hace necesario sobredimensionar las potencias nominales frente a las

disipadas reales, del orden del doble, en este caso PR lim = ½ W.

Del mismo modo, se ha de conocer la potencia maxima que ha de disipar el zener, que corresponderá al

minimo valor de IL, entonces:

Por lo que elegimos un zener cuya PZ = 1 W.

De esta forma el circuito queda totalmente calculado

Ejemplo para la causa 2: Es necesario alimentar una carga de 500 Ω con una tensión de 10 V, a partir de una fuente que suministre

una tensión que puede variar entre 15 y 20 V.

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Ejemplo para la causa 3:

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Igualmente, se pueden conectar diodos zener en serie hasta conseguir que la tensión suma de las

nominales sea igual a la tensión que es necesario estabilizar, siempre que cada uno de los zener esté

dentro de sus especificaciones de corriente y de potencia disipable.

Caracterización del Zener

El diodo zener viene caracterizado por:

1. Tensión Zener Vz.

2. Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: ±5%)

3. Máxima corriente Zener en polarización inversa Iz.

4. Máxima potencia disipada. 5. Máxima temperatura de operación del zener.

Aplicación: Regulador Zener.

Una de las aplicaciones más usuales de los diodos zener es su utilización como reguladores de tensión. La

figura 4 muestra el circuito de un diodo usado como regulador

Este circuito se diseña de tal forma que el diodo zener opere en la región de ruptura, aproximándose así a

una fuente ideal de tensión. El diodo zener está en paralelo con una resistencia de carga RL y se encarga de

mantener constante la tensión entre los extremos de la resistencia de carga (Vout=VZ), dentro de unos límites

requeridos en el diseño, a pesar de los cambios que se puedan producir en la fuente de tensión VAA, y en la

corriente de carga IL.

Analicemos a continuación el funcionamiento del circuito.

Consideremos primero la operación del circuito cuando la fuente de tensión proporciona un valor VAA

constante pero la corriente de carga varia. Las corrientes IL = VZ/RL e IZ están ligadas a través de la

ecuación:

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Por lo tanto, si VAA y VZ permanecen constantes, VR debe de serlo también (VR = IT ⋅ R). De esta forma la

corriente total IT queda fijada a pesar de las variaciones de la corriente de carga. Esto lleva a la conclusión

de que si IL aumenta, IZ disminuye y viceversa (debido a la ecuación (1)). En consecuencia VZ no

permanecerá absolutamente constante, variará muy poco debido a los cambios de IZ que se producen para

compensar los cambios de IL.

Si ahora lo que permanece constante es la corriente de carga y la fuente de tensión VAA varía, un aumento

de ésta produce un aumento de IT y IZ por tanto de pues IL permanece constante, y lo contrario si se

produjera una disminución de VAA. Tendríamos lo mismo que antes, una tensión de salida prácticamente

constante, las pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de IZ para compensar las

variaciones de VAA

Diseño del Regulador Zener

Es importante conocer el intervalo de variación de la tensión de entrada (VAA) y de la corriente de carga (IL)

para diseñar el circuito regulador de manera apropiada. La resistencia R debe ser escogida de tal forma que

el diodo permanezca en el modo de tensión constante sobre el intervalo completo de variables.

La ecuación del nodo para el circuito de la figura 4 nos dice que:

Para asegurar que el diodo permanezca en la región de tensión constante (ruptura), se examinan los dos

extremos de las condiciones de entrada – salida:

1. La corriente a través del diodo IZ es mínima cuando la corriente de carga IL es máxima y la fuente

de tensión VAA es mínima.

2. La corriente a través del diodo IZ es máxima cuando la corriente de carga IL es mínima y la fuente

de tensión VAA es máxima

Cuando estas características de los dos extremos se insertan en la ecuación (3), se encuentra:

En un problema práctico, es razonable suponer que se conoce el intervalo de tensiones de entrada, el

intervalo de corriente de salida y el valor de la tensión zener deseada. La ecuación (6) representa por tanto

una ecuación con dos incógnitas, las corrientes zener máxima y mínima. Se encuentra una segunda

ecuación examinando la figura 5. Para evitar la porción no constante de la curva característica una regla

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práctica que constituye un criterio de diseño aceptable es escoger la máxima corriente zener 10 veces

mayor que la mínima, es decir:

Resolviendo entonces para la máxima corriente zener, se obtiene:

Características del regulador de voltaje con diodo Zener

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El diodo Zener se puede utilizar para regular una fuente de voltaje. Este semiconductor se fabrica en una

amplia variedad de voltajes y potencias que van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y

la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts hasta50 watts o más.

La potencia que disipa un diodo Zener es simplemente la multiplicación del voltaje para el que fue fabricado

por la corriente que circula por él, es decir:

Pz = Vz x Iz

Donde:

- Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener

- Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante)

- Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante)

Ejemplo: La corriente máxima que un diodo Zener de 10 Voltios y 50 Watts, podrá soportar será:

Iz = Pz / Vz = 50/10 = 5 Amperios

Cálculo de resistor limitador Rs:

El cálculo del resistor Rs está determinado por la corriente que consumirá la carga (la que se encuentra

conectada a esta fuente de voltaje).Ver esquema del regulador de voltaje con diodo Zener, con el resistor

Rs conectado entre Vin y el cátodo del Zener:

Este resistor se puede calcular con la siguiente fórmula:

Donde:

- Ven (min): es el valor mínimo del voltaje de entrada. (Recordar que es un voltaje no regulado y puede

variar sus parámetros)

- IL (max): es el valor de la máxima corriente que pedirá la carga.

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Aplicaciones

DIODO ZENER COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN:

Se coloca el diodo Zener en paralelo con el circuito a proteger, si el voltaje de fuente crece por encima de

VZ el diodo conduce y no deja que el voltaje que llega al circuito sea mayor a VZ. No se debe usar cuando

VF > VZ por largos periodos de tiempo pues en ese caso se daña el diodo. Se aplica acompañado de

lámparas de neón o de descargadores de gas para proteger circuitos de descargas eléctricas por rayos.

DIODO ZENER COMO CIRCUITO RECORTADOR:

Se usa con fuentes AC o para recortar señales variables que vienen de elementos de medición (sensores).

Cuando VX tiende a hacerse mayor que VZ el diodo entra en conducción y mantiene el circuito con un voltaje

igual a VZ.

CONEXIÓN ANTIPARALELO:

Se usa para recortar en dos niveles, uno positivo y el otro negativo

Si el circuito tiene una resistencia equivalente RC la corriente en el diodo es:

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Diodo Zener como regulador de voltaje

Se llama voltaje no regulado aquel que disminuye cuando el circuito conectado a él consume más corriente,

esto ocurre en las fuentes DC construidas con solo el rectificador y el condensador de filtro, en los

adaptadores AC-DC y en las baterías. Un voltaje regulado mantiene su valor constante aunque aumente o

disminuya el consumo de corriente. Una de las muchas formas de regular un voltaje es con un diodo Zener.

La condición de funcionamiento correcto es que VF en ningún momento sea menor a VZ. El voltaje regulado

sobre el circuito es VZ.

El cálculo del circuito consiste en conocer el valor adecuado de R, como dato se requiere el valor de VF, se

selecciona una corriente para el Zener (IZ) menor que su corriente máxima, se calcula o mide la corriente

que consume el circuito (IC) cuando se le aplica VZ, y se calcula:

Para circuitos que consumen alta corriente se usa regulación en conjunto de un diodo Zener y un transistor

en ese caso el voltaje en el circuito es VZ - 07v.

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REFERENCIA DE VOLTAJE

Los diodos Zener son construidos de manera que VZ es muy exacto y se mantiene constante para diferentes

valores de IZ, esto permite que un Zener se use en electrónica como referencia de voltaje para diferentes

aplicaciones.

Autor:

Robert Córdova López

[email protected]

mailto:[email protected]

2º I.T.I (ELECTRICIDAD) Electrónica Digital (HB4)

T-4 “Introducción a las familias lógicas”

Universidad Politécnica de Cartagena. Departamento de Tecnología Electrónica 1

TEMA - 4

INTRODUCCIÓN A LAS FAMILIAS LÓGICAS.

1.- Introducción.

En los últimos capítulos se han visto aplicaciones digitales basadas en el uso de puertas lógicas estándar. Este tema describe los circuitos electrónicos que se pueden usar para llevar a la práctica estas aplicaciones y sus principales características.

En los primeros días de la fabricación de semiconductores los componentes estaban limitados a transistores sencillos. Conforme mejoraron las técnicas de fabricación fue posible incorporar varios componentes activos dentro de un solo encapsulado. Hoy es posible colocar millones de componentes tanto activos como pasivos dentro de un solo chip, lo que permite construir computadoras sobre un trozo de silicio de sólo unos cuantos milímetros cuadrados.

Todos los elementos y funciones lógicas que hemos visto (y muchas más) están disponibles como circuitos integrados (CI). Estos circuitos integrados contiene varias puertas dentro de un solo encapsulado. Los modernos sistemas digitales utilizan CIs casi exclusivamente en su diseño debido a su reducido tamaño, alta fiabilidad, bajo coste y consumo de potencia.

Un CI monolítico es un circuito electrónico construido enteramente sobre un pequeño chip de silicio. Todos los componentes que conforman el circuito, transistores, diodos, resistencias y condensadores, son parte integrante de un único chip.

La Figura 4-1 muestra una sección de un encapsulado de CI, donde se ve el chip del circuito dentro del encapsulado. Los terminales del chip se conectan a los pines del encapsulado para permitir las conexiones con las entradas y salidas del mundo exterior.

Los circuitos integrados comunes tienen 14, 16 o 20 terminales (pines), aunque dispositivos más complejos pueden tener 40 o más. La Figura 4-2 muestra la disposición de los pines de algunos CI. Los pines están

Figura 4-1. Sección de CI.




numerados en sentido antihorario y la orientación del dispositivo está indicada mediante una muesca o punto junto al pin 1.

Figura 4-2. Disposición común de pines en circuitos integrados.

Los dispositivos electrónicos que contienen más de un componente activo se pueden clasificar de acuerdo a su nivel de integración. En el caso de dispositivos digitales, por la general se clasifican en función del número de puertas estándar que contengan. La Tabla 4-1 muestra una manera de definir los diversos niveles de integración.

Tabla 4-1. Niveles de integración para dispositivos digitales.

Nivel de integración Nº de puertas Aplicaciones

Pequeña escala de integración (SSI) 1 - 11 Puertas básicas y flip-flops

Media escala de integración (MSI) 12 – 100 Contadores, registros, memorias pequeñas

Gran escala de integración (LSI) 101 – 1000 Memorias y microprocesadores sencillos

Muy alta escala de integración (VLSI) 1001 – 100.000 Memorias grandes, microprocesadores

Aunque los modernos componentes electrónicos digitales son el resultado de años de

desarrollo y evolución, no hay un conjunto ideal de circuitos que satisfaga todos los requerimientos. Por tanto existen varias familias lógicas, cada una de las cuales ofrece ventajas particulares. Por ejemplo algunas trabajan a velocidades muy altas, otras poseen bajo consumo, mientras que otras toleran bien el ruido electrónico. Parte de la función del diseñador consiste en seleccionar una familia lógica apropiada para una aplicación dada.




Las familias lógicas de circuitos integrados se pueden dividir en dos grupos principales:

1. Las que se basan en transistores bipolares.

2. Las que usan transistores de semiconductor de óxido de metal (MOS, metal oxide semiconductor).

Antes de ver la variedad de familias lógicas resulta útil examinar las características globales de los dispositivos lógicos y establecer una terminología que describa estas características. En este tema también se estudiarán las dos familias más importantes, la de lógica transistor-transistor (TTL, transistor-transistor logic) y la de lógica complementaria de semiconductor de óxido de metal (CMOS, complementary metal oxide semiconductor).

2.- Características funcionales de las familias lógicas.

Las prestaciones que nos ofrecen las distintas familias lógicas vienen determinadas por unos valores de tensión, intensidad, consumo, tiempos de retardo, etc. que en definitiva son los que diferencian a unas familias de otras.

Como sabemos, un dispositivo lógico puede estar trabajando en régimen estático o en conmutación. Para poder valorar su comportamiento en estos dos regímenes existen unas características de cuyo estudio nos encargamos a continuación.

2.1- Características estáticas.

Como ya hemos comentado definen el comportamiento en régimen estático o permanente de una familia lógica. Definiremos una serie de conceptos basados en el análisis de una puerta NAND.

2.1.1. Niveles lógicos

Podemos definir para los niveles de entrada:

• Margen de cero: El rango de variación de la tensión de entrada de la puerta que es reconocido como nivel lógico bajo por la misma. El margen del cero (VIL) viene determinado por un valor máximo (VILmáx) y por un valor mínimo (VILmín).

Cualquier valor de la tensión de entrada (VI) comprendido entre VILmín y VILmáx será un nivel lógico bajo, es decir, será reconocido como ‘0’ en la entrada.

• Margen de uno: Margen de variación de la tensión de entrada (VI) dentro del cual ésta es reconocida como nivel alto por la puerta. Está delimitado por un valor máximo de la tensión de entrada (VIHmáx) y un valor mínimo de la misma (VIHmín).

Cualquier valor de la tensión de entrada comprendido en este margen será un nivel lógico alto en la entrada (‘1’).

MARGEN DEL CERO (VIL) = VILmáx - VILmín

MARGEN DEL UNO (VIH) = VIHmáx - VIHmín




• Puntos de transición: Delimitan los valores críticos de la tensión de entrada.

• VILmáx (Figura 4-3) : Voltaje máximo permitido en una entrada para que ésta se interprete como ‘0’ (BAJO). Un valor de tensión de entrada superior a éste dejaría de ser considerado como nivel lógico bajo.

• VIHmín (Figura 4-3): Voltaje mínimo requerido en una entrada para que ésta se interprete como ‘1’ (ALTO). Un valor de tensión de entrada inferior a éste dejaría de ser considerado como nivel lógico alto.

• Margen de transición: Zona determinada por los puntos de transición donde la tensión de entrada no corresponde a un nivel lógico concreto. Cualquier valor de la tensión de entrada comprendido entre VILmáx y VIHmín tendrá un nivel indeterminado y la salida de la puerta no tendrá un nivel lógico definido.

También definimos valores para las tensiones de salida:

• Margen de cero: El rango de variación de la tensión de salida de la puerta que es reconocido como nivel lógico bajo por la misma.

• Margen de uno: Margen de variación de la tensión de salida (VO) dentro del cual ésta es

reconocida como nivel alto por la puerta.

• Puntos de transición: Delimitan los valores críticos de la tensión de salida.

• VOLmáx : Voltaje máximo que se puede obtener a la salida de una puerta cuando ésta se encuentra a nivel bajo ‘0’.

• VOHmín : Voltaje mínimo que se puede obtener a la salida de una puerta cuando ésta se encuentra a nivel alto ‘1’.

Figura 4-3. Niveles lógicos.

MARGEN DE TRANSICIÓN = VIHmín - VILmáx

MARGEN DEL CERO (VOL) = VOLmáx - VOLmín

MARGEN DEL UNO (VOH) = VOHmáx - VOHmín

‘1’

ALTO

VOL(máx)

VOH(mín)

VOH(máx)

VOL(mín)

‘0’

BAJO

No

predecible

VOH

VOL

‘1’

ALTO

VIL(máx)

VIH(mín)

VIH(máx)

VIL(mín)

‘0’

BAJO

No

predecible

VIH

VIL




2.1.2.- Inmunidad al ruido.

Se denomina ruido a cualquier perturbación involuntaria que puede originar un cambio no deseado en la salida del circuito. El ruido puede generarse externamente por la presencia de escobillas en motores o interruptores, por acoplo por conexiones o líneas de tensión cercanas o por picos de la corriente de alimentación. Para no verse afectado por el ruido, los circuitos lógicos deben tener cierta inmunidad al ruido, que se define como la capacidad para tolerar fluctuaciones en la tensión no deseadas en sus entradas sin que cambie el estado de salida.

Por ejemplo, si la tensión de ruido en la entrada de una puerta hace que la tensión de nivel alto caiga por debajo de VIHmín el funcionamiento no será predecible. Del mismo modo si el ruido hace que la tensión de entrada para el estado bajo pase por encima de VILmáx, se crea una condición indeterminada como se ilustra en la Figura 4-4.

Figura 4-4. Efecto del ruido.

Para evitar la presencia de errores provocados por el ruido, los fabricantes establecen un margen de seguridad conocido como “MARGEN DE RUIDO” para no sobrepasar los valores críticos de tensión.

En la Figura 4-5 tenemos los valores críticos de las tensiones de entrada y salida de una puerta lógica y los márgenes de ruido a nivel alto y bajo.

Figura 4-5. Inmunidad al ruido.

0

VOH

VIHmín

VIH

0 VOL

VIL

VILmáx

Salida de la puerta 1

1 Entrada de la puerta 2

0

1

VOL(máx)

VOH(mín)

VIL(máx)

VIH(mín)

VNIL

VNIH

0




VOHmín = VIHmín + VNIH

VOLmáx = VILmáx - VNIL

VNIL = VILmáx - VOLmáx

VNIH = VOHmín - VIHmín

Si la tensión de entrada mínima a nivel alto de una puerta tiene como valor VIHmín, la tensión mínima de salida a nivel alto debe ser igual o superior a VIHmín. Pero para evitar la influencia de ruidos que afecten a la siguiente puerta, no se permitirá una tensión de salida inferior a VIHmín más el margen de ruido a nivel alto (VNIH):

Para determinar el valor de VOLmáx aplicamos el mismo criterio pero utilizando el margen de ruido a nivel bajo (VNIL):

• Margen de ruido a nivel bajo (VNIL):

• Margen de ruido a nivel alto (VNIH):

2.1.3.- Corrientes.

El fabricante nos da los valores de las corrientes de entrada:

• IILmáx ⇒ Intensidad máxima de la entrada de una puerta cuando está en estado bajo (el signo negativo indica que esta corriente fluye hacia el exterior del dispositivo).

• IIHmáx⇒ Intensidad máxima de entrada de una puerta cuando está en estado alto.

Y de salida:

• IOLmáx ⇒ Capacidad que tiene la puerta para absorber una intensidad cuando la salida se encuentra a nivel bajo. La puerta actúa como sumidero de corriente.

• IOHmáx ⇒ Intensidad que puede suministrar la puerta cuando la salida está a nivel alto. En este caso la puerta entrega corriente (fuente) a las entradas de las puertas de carga.

+5V

“1” IIH

“0”

IIL

Figura 4-6. Corrientes de entrada

“1”

IIL

“0”

IIL IOL

Figura 4-7. Corrientes de salida

“0”

IIH

“1”

IIH IOH




2.1.4.- Fan-out.

Cuando la salida de una puerta lógica se conecta a una o más entradas de otras puertas se genera una carga en la puerta excitadora. Existe un límite para el número de entradas que una cierta puerta puede excitar. Este límite se denomina fan-out o cargabilidad de la puerta.

Al conectar más puertas de carga a una puerta excitadora, la corriente de fuente aumenta y con ello la caída de tensión interna de la puerta excitadora haciendo que la tensión de salida VOH disminuya. Si se conecta un número excesivo de puertas de carga, la tensión VOH puede caer por debajo de su valor mínimo VOH mín, lo que supone un fallo en el funcionamiento del circuito. Además al aumentar la corriente de fuente, aumenta la disipación de potencia de la puerta excitadora.

Figura 4-8. Carga en estado alto.

Figura 4-9. Carga en estado bajo.

La corriente total de sumidero (absorbida) también aumenta con cada entrada que se añade, como muestra la Figura 4-9. Al aumentar esta corriente, la caída de tensión interna de la puerta excitadora aumenta haciendo que VOL aumente. Si se añade un número demasiado grande de puertas, VOL se hará mayor que VOLmáx produciéndose un dato erróneo en la salida.

A de cumplirse:

IOH ≥ ∑ IIH 2ºetapa

+5V

‘1’

‘1’

IIH(1) IIH(2) IIH(n)

IOH (fuente)

‘0’

‘1’

IOL (absorbida) IIL(1)

+ 5V

IIL(2)

+ 5V

IIL(n)

+ 5V

IOL ≥ ∑ IIL 2ºetapa




El fan-out puede venir expresado de dos formas distintas:

a) Respecto a la misma familia lógica. Se obtienen dos valores de fan-out uno a nivel alto y otro a nivel bajo, que nos indicarán el máximo número de puertas que puede gobernar otra puerta de la misma familia lógica.

b) Respecto a la unidad de carga (TTL estándar). Se obtienen dos valores de fan-out (uno a nivel alto y otro a nivel bajo) referidos a la unidad de carga utilizada por el fabricante (U.L. = 1,6 mA, U.H = 40 µA), que nos indicarán el máximo número de puertas TTL estándar que puede gobernar una puerta de una familia concreta.

Los valores dados por el fabricante de 1,6 mA como U.L.(unidad de carga a nivel bajo) y de 40 µA como U.H.(unidad de carga a nivel alto) son los correspondientes a las corrientes IIL y IIH de una puerta TTL estándar (como se verá más adelante).

2.1.5.- Disipación de potencia.

Por una puerta lógica circula corriente procedente de una fuente de alimentación continua. Cuando el estado de la salida de la puerta es alto circula una corriente ICCH y cuando está a nivel bajo circula ICCL.

Al aplicar impulsos a las entradas de una puerta, la salida conmuta entre los estados alto y bajo por lo que la corriente de alimentación varía entre ICCH y ICCL. Por esto, la disipación de potencia de una puerta lógica se calcula efectuando la media aritmética de los dos resultados (los cálculos se realizan en vacío, sin ninguna carga conectada a la salida de la puerta).

2.2.- Características dinámicas.

La mayoría de aplicaciones de los circuitos integrados de las distintas familias lógicas se basan en el funcionamiento de los mismos en régimen de conmutación, es decir, en régimen dinámico.

2.2.1.- Retardo de propagación.

Cuando una señal se propaga a través de un circuito electrónico, siempre experimenta un retardo de tiempo. Un cambio de nivel de salida siempre se produce en cierto tiempo, llamado tiempo de retardo de propagación, después de que se ha realizado un cambio en las entradas.

.).( LU1,6mAI

outFan OLmáx(L) =−

2

VIVIP CCCCLCCCCH

Dmedia

⋅+⋅=

.).( HUA40

IoutFan OHmáx

(H) µ=−

IL

OLmáx(L) I

IoutFan =−

IH

OHmáx(H) I

IoutFan =−




Existen dos tiempos de propagación:

• tpLH : Tiempo entre un determinado punto del pulso de entrada (50% del flanco) y el correspondiente punto (50% del flanco) del impulso de salida cuando la salida cambia de nivel bajo a nivel alto.

• tpHL : Tiempo entre un determinado punto del pulso de entrada (50% del flanco) y el correspondiente punto (50% del flanco) del impulso de salida cuando la salida cambia de nivel alto a nivel bajo.

• tpD : Tiempo de propagación medio. Debido a que los tiempos tpLH y tpH no son iguales en una misma puerta, se da el tiempo de propagación medio:

En la Figura 4-10 se pueden apreciar estos tiempos para una puerta “no inversora”.

Figura 4-10. Retardos de una puerta no inversora.

El retardo de propagación de una puerta limita la frecuencia a la que puede trabajar. Cuanto mayor es el retardo de propagación, menor es la frecuencia máxima. Luego, un circuito de muy alta velocidad será aquel que tenga un retardo de propagación muy pequeño.

2.2.2.- Producto: tpD x potencia.

Ya que la mayoría de aplicaciones trabajarán en régimen dinámico la velocidad de conmutación de los circuitos debe ser muy elevada. De esta manera, la velocidad de un circuito junto con la disipación de potencia se convierten en los factores determinantes de la calidad de una familia lógica.

Para facilitar la comparación de unas familias lógicas con otras, estas dos características se suelen dar unidas en un producto entre ambas expresado en pJ (picoJulios). La potencia que se utiliza en esta expresión se refiere al régimen estático (cuando trabajamos en conmutación, la potencia de una puerta se incrementa debido a su elevada rapidez, al aumentar la corriente Icc). El fabricante intentará minimizar en lo posible este producto.

2

ttt pHLpLH

pD

+=

tpLH tpHL

50% 50%

50% 50%

VI

VO

L

L

L

H

H




3.- Clasificación de las familias lógicas.

La inmensa mayoría de circuitos integrados (CIs ) digitales se dividen en familias lógicas. Cada familia particular está basada en un tipo particular de circuito. Todos los elementos de una familia lógica son compatibles entre sí, es decir, operan con los mismos niveles lógicos, pudiendo la salida de un elemento alimentar la entrada de otro. Las principales son estas:

• Lógica resistencia – transistor (RTL, resistor-transistor logic).

• Lógica de diodos.

• Lógica diodo – transistor(DTL, diode – transistor logic).

• Lógica transistor – transistor (TTL, transistor – transistor logic).

• Lógica de emisores acoplados (ECL, emitter – coupled logic).

• De semiconductor de óxido de metal (MOS, metal oxide semiconductor).

• Complementaria de semiconductor de óxido de metal (CMOS, complementary metal oxide semiconductor ).

Cada familia lógica se ha diseñado para una aplicación diferente y cada una tiene sus ventajas e inconvenientes. La tabla 4.2 ofrece una comparación de cuatro de las familias lógicas más importantes respecto a cinco parámetros.

Tabla 4-2. Comparación de familias lógicas.

Parámetro TTL ECL NMOS CMOS

Puerta básica NAND OR/NOR NAND-NOR NAND – NOR

Fan-out 10 25 20 > 50

Potencia por puerta(mW) 1-22 4 - 55 0,2 – 10 1 a 1MHz

Inmunidad al ruido Muy buena Buena Buena Excelente

tpD (ns) 1,5 - 33 1 - 4 30 -300 1,5 - 200

En algunas familias, como la TTL existen subclasificaciones dentro de la misma familia, que potencian alguna característica especial.

4.- Familias TTL.

TTL es una de las familias lógicas de uso más extendido, en particular para aplicaciones que requieran pequeña y mediana escala de integración (SSI y MSI).

Una amplia gama de fabricantes producen circuitos con esta tecnología. La familia estándar de componentes TTL contiene un amplio espectro de circuitos, cada uno de los cuales está especificado por un número de serie genérico que empieza con los dígitos 54 o 74. Los dispositivos que empiezan por 54 están especificados para trabajar dentro de un intervalo de temperaturas, de –55 a 125ºC, mientras que los que empiezan con 74 están limitados al rango de 0ºC a 70ºC. Al prefijo de dos dígitos le sigue un código de 2 o 3 dígitos que representa la función del dispositivo, por ejemplo el circuito integrado 7400 contiene 4 puertas NAND de 2 entradas.




Además de los dispositivos 54XX y 74XX estándar, existen familias relacionadas con características modificadas. Estas se definen mediante letras después del prefijo 54 o 74, por ejemplo un 74L00 es una versión de baja potencia del 7400.

El transistor bipolar (BJT) es el elemento activo de conmutación utilizado en todos los circuitos TTL.

4.1.- El transistor bipolar.

Un transistor bipolar (BJT) posee tres terminales base, emisor y colector y tiene dos uniones: la unión base-emisor y la unión base-colector. La operación básica de conmutación es la siguiente: cuando la base es aproximadamente 0,7 V, más positiva que el emisor y se proporciona sufiente corriente de base, el transistor conduce y entra en saturación. Idealmente actúa como un interruptor cerrado entre el colector y el emisor, como ilustra la Figura 4-11. Cuando la base está a menos de 0,7 V por encima del emisor, el transistor no conduce y actúa como un interruptor abierto entre el colector y el emisor, como muestra la parte (b). Un nivel alto en la base pone en conducción al transistor (on), por lo que actúa como interruptor cerrado y un nivel bajo bloquea el transistor (off) por lo que trabaja como interruptor abierto.

Figura 4-11. Conmutación ideal del BJT. (a) Transistor saturado. (b) Transistor en corte.

4.2. Inversor TTL. La Figura 4-12 muestra un circuito TTL estándar para una puerta inversora. La

combinación de los transistores T3 y T4 forma el circuito de salida, a menudo denominado totem-pole.

Cuando la entrada es un nivel alto, la unión base-emisor de T1 se polariza en inversa y la unión base-colector en directa. Esto permite que la corriente atraviese R1 y la unión base-colector de T1 llevando a T2 a saturación. Como resultado, T2 excita a T3 y su tensión de colector, que es la salida, es próxima al potencial de tierra (T4 se mantiene bloqueado). Por consiguiente se obtiene una salida a nivel bajo para una entrada a nivel alto.

Cuando la entrada está a nivel bajo, la unión base-emisor de T1 se polariza en directa y la unión base-colector en inversa, por lo que se genera una corriente a través de R1 y de la unión base-emisor de T1. En la base de T2 no hay corriente por lo que no conduce. El colector T2 está a nivel alto, lo que pone en conducción a T4. El transistor T4 saturado proporciona un camino de baja resistencia desde Vcc hasta la salida. Por tanto, un nivel bajo a la entrada da lugar a un nivel alto en la salida.

El diodo D1 evita los picos negativos de tensión en la entrada que podrían dañar a T1 y el diodo D2 asegura que T4 quede bloqueado cuando T2 conduce.

ON

Vcc

RC

IB VI =+V OFF

Vcc

RC

VI =0V

Vcc

RC

Vcc

RC

(a) (b)




Figura 4-12. Inversor TTL. (a) Entrada a nivel alto. (b) Entrada a nivel bajo.

4.3.- Características de las puertas TTL estándar. • Niveles lógicos de entrada y salida

Mínimo Típico Máximo

VIL __ __ 0,8

VIH 2,0 __ __

VOL __ 0,2 0,4

VOH 2,4 3,6 __

• Inmunidad al ruido

VNIH = VOH(mín) – VIH(mín) = 2,4 – 2,0 = 0,4 V

VNIL = VIL(máx) - VOL(máx) = 0,8 – 0,4 = 0,4 V

Por tanto, la inmunidad al ruido de cada estado lógico es de 0,4V.

• Corrientes de entrada y fan-out (NAND 7400)

IIH = 40 µA

IOH = 400 µA

IIL = 1,6 mA

IOL = 16 mA

• Características de conmutación

Mínimo Típico Máximo

tpHL (ns) __ 7 15

tpLH (ns) __ 11 22

Salida ≈ 5V (‘1’)

R1 4KΩ

Vcc= +5V

0 V

Salida ≈ 0,2V (‘0’)

R2 1.6KΩ R3

130Ω

R4 1KΩ D1

T1 T2 D2

T3

T4

Entrada +V (‘1’)

R1 4KΩ

Vcc= +5V

0 V

R2 1.6KΩ R3

130Ω

R4 1KΩ D1

T1 T2

D2

T3

T4

Entrada 0V (‘0’)

1040

400II

outFanIH

OHH ===−

101,616

II

outFanIL

OLL ===−




Figura 4-13. Puerta NAND TTL de dos entradas.

4.4.- Tipos de salidas. Hasta ahora sólo se ha nombrado el tipo de salida totem-pole, pero los circuitos TTL

disponen de otros tipos de salida: en colector abierto y tri-estado.

1. Totem- pole: Es el tipo de salida más usual. Hay que tener en cuenta que no podemos unir las salidas de circuitos totem-pole (Figura 4-14) porque se produce una corriente excesiva y daría lugar a daños en el dispositivo.

Figura 4-14. Uso incorrecto de circuitos con salida totem-pole.

2. Open–Colector: La salida se toma del colector del transistor T3 (Figura 4-15). Para que el circuito funcione se debe conectar una resistencia de pull-up externa entre la salida y la fuente de alimentación. Cuando T3 no conduce la salida es llevada a Vcc a través de la resistencia externa. Cuando T3 se satura, la salida se lleva a un potencial próximo a tierra a través del transistor saturado.

La elección del valor de la resistencia es un compromiso entre la disipación de potencia y la velocidad. Las resistencias de valor alto reducen al corriente de colector, y por tanto la potencia, pero también limitan la velocidad. Aún con valores de resistencia bajos el circuito en colector abierto no es tan rápido como el totem-pole.

4KΩ

Vcc= +5V

0 V

X

1.6KΩ 130Ω

1KΩ D2 D1

T1 T2

D3

T3

T4

A

B

A B X

0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

X

AB

C

D

0 V

X

+5V

D3

T3

T4

0 V

Y

+5V

D3

T3

T4 ON

ON OFF

OFF




Figura 4.15. Puerta NAND TTL salida open-colector.

Una de las ventajas de las puertas de colector abierto es que sus salidas se pueden conectar en paralelo para formar una configuración AND cableada. La función AND cableada resulta de particular interés cuando se deben combinar muchas entradas, pues se elimina la necesidad de disponer de puertas de muchas entradas. En todos los circuitos de AND cableada se requiere una resistencia externa (Figura 4-16).

(a) Salidas open-colector (b) Salidas totem-pole

Figura 4-16. Conexión AND de salidas.

R 4KΩ

Vcc= +5V

0 V

X

1.6KΩ

1KΩ D2 D1

T1 T2

T3

A

B

X

AB

C

G H

EF

D

V

X

Z

Y

X = V·X·Y·Z oc

oc

oc

oc

X

Vcc

AB

C

G H

EF

D

V

X

Z

Y

X = V·X·Y·Z

Vcc (a)

Rp

‘0’

ON T1

OFF T3

OFF T2

Figura 4-17. AND cableada. (a) Una o más salidas a ‘0’ .(b) Todas las salidas a ‘1’.

Vcc (b)

Rp

‘1’

OFF T1

OFF T3

OFF T2




3. Tri-estado. Las puertas lógicas convencionales tienen dos estados de salida posibles: ‘0’ y ‘1’. En algunas circunstancias resulta conveniente contar con un tercer estado que corresponde a una condición de alta impedancia, en la que se permite que la salida flote. El voltaje de salida estará determinado por el circuito exterior que se conecte. La salida de la puerta se habilita o se deshabilita mediante una señal de control (Figura 4-18). Los dispositivos de tres estados se usan en la creación de buses en los que las salidas de varios dispositivos están conectadas entre sí. Cada dispositivo puede entonces colocar datos sobre la línea siempre y cuando se habilite la salida de un solo dispositivo a la vez. Las salidas deshabilitadas no afectarán a la señal del bus. La salida de la puerta se habilita o deshabilita mediante una entrada de control C. La Figura 4-18 muestra una puerta con una entrada de control C activa a nivel bajo, es decir, la salida se habilita si C =0

(a) Funcionamiento de C.I. tri-estado (b) Uso de C.I. con salida tri-estado

Figura 4-18. Salida tri-estado.

4.5.- Otras familias TTL. Poseen características de funcionamiento particulares.

• TTL de bajo consumo (54L/74L): La serie 54L/74L se distingue por su bajo consumo de potencia. Los valores de las resistencias del circuito son mayores que las de la puerta estándar. Cuanto mayor sea la resistencia menor será la corriente, y por consiguiente, menor potencia se disipará. Sin embargo, el ahorro de potencia se paga con una pérdida de velocidad.

• TTL Schottky (54S/74S): Poseen alta velocidad porque usan transistores y diodos Schottky en lugar de los componentes tradicionales.

• TTL Schottky de bajo consumo (54LS/74LS): Combinan consideraciones de velocidad y consumo de potencia.

• TTL Schottky avanzada y Schottky de bajo consumo avanzada (54AS/74AS, 54ALS/74ALS): Son versiones avanzadas de las series S y SL. Existe una versión de las serie AS que se designa como la serie F o FAST (rápida).

X C

A

B X

C A B X 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 X X Z




Tabla 4-3. Comparación de familias lógicas TTL.

Familia Descriptor Fan-out tpD (ns) Potencia/puerta (mW)

Estándar 74XX 10 9 10

Bajo consumo 74LXX 2,5 33 1

Schottky 74SXX 12,5 3 19

Schottky bajo consumo 74LSXX 5 9,5 2

Schottky avanzada 74ASXX 1,5 8,5

Schottky bajo consumo avanzada

74ALSXX 4 1

4.6. Consideraciones prácticas sobre circuitos TTL.

Un circuito TTL con unas salida totem-pole tiene limitada la cantidad de corriente que puede absorber (16 mA para la lógica TTL estándar y a 20 mA para la lógica TTL AS).

En muchas aplicaciones especiales, una puerta tiene que excitar a dispositivos externos tales como LEDs, lámparas o relés, que pueden requerir más corriente que la que proporcionan estos dispositivos.

Generalmente para excitar LEDs, lámparas o relés, se

utilizan circuitos con salidas en colector abierto. El transistor de salida se conecta al LED o a la lámpara como se muestra en la Figura 4-19. Se utiliza una resistencia de limitación para mantener la corriente por debajo de la corriente máxima del LED. Cuando la salida de la puerta sea un nivel bajo, el LED se encenderá.

Otra consideración importante es que las entradas sin conectar de una puerta TTL

actúan como si tuvieran un nivel lógico alto. Sin embargo, debido a la sensibilidad al ruido, es mejor no dejar las entradas no utilizadas desconectadas.

+5 V

Figura 4-19 Excitación de un LED.




5.- Familias CMOS. Para construir circuitos integrados digitales además de los transistores bipolares se

emplean circuitos basados en transistores MOSFET (MOS Field-Effect transistor, transistor de efecto campo MOS) de canal n (NMOS) y de canal p (PMOS). Hoy en día rara vez se usa la tecnología PMOS. Los circuitos NMOS son más fáciles de fabricar, y por tanto más económicos. Pero la tecnología CMOS es ahora la dominante debido a su bajo consumo. Las siglas CMOS corresponden a Complementary Metal-Oxide Semiconductor. El término complementario se refiere a la utilización de dos tipos de transistores en el circuito de salida, en una configuración similar a la tótem-pole de la familia TTL. Se usan conjuntamente MOSFET de canal n y de canal p.

El primer fabricante que produjo lógica CMOS, denominó a estos circuitos integrados como la serie 4000 (4000, 4001, etc.), este sistema de numeración fue adoptado por otros fabricantes. Sin embargo algunos fabricantes han producido una amplia gama de componentes CMOS que siguen las funciones y asignación de pines de las familias TTL 74XX, éstos reciben números de serie como 74CXX, 74HCXX, 74HCTXX, 74ACXX o 74ACTXX, en los cuales la “C” significa CMOS; la “A” indica que son dispositivos avanzados y la “T” indica que estos dispositivos son compatibles con los de las familias TTL (trabajan con los niveles lógicos y de alimentación TTL).

5.1.- El transistor MOSFET.

Los transistores de efecto campo de semiconductor de metal-óxido (MOSFET) son los elementos activos de conmutación de los circuitos CMOS. Estos dispositivos difieren enormemente tanto en la construcción como en el funcionamiento interno de los BJTs pero, básicamente, su acción de conmutación es la misma. En aplicaciones digitales al igual que sucedía con los transistores bipolares adoptan dos estados si nos limitamos a trabajar en unos intervalos de voltaje (‘1’ y ‘0’) asemejándose a interruptores cerrados o abiertos (Figura 4-20).

+ 5V

Fuente (S)

Puerta (G)

Drenador (D)

+ 5V RON (pequeña)

+ 5V + 5V

S

G

D

ROFF (grande)

+ 5V

0V

+ 5V

S

G

D

RON (pequeña)

+ 5V

0V

+ 5V

S

G

D

ROFF (grande)

+ 5V

+ 5V

Figura 4-20. Conmutación del transistor MOSFET. (a) Canal n. (b) Canal p.

(a)

(b)




Los tres terminales de un MOSFET como se puede ver en la Figura 4-20 son: puerta, drenador y fuente. Cuando la tensión de puerta de un MOSFET de canal n es más positiva que la fuente, el MOSFET conduce (ON) y la resistencia entre drenador y fuente es pequeña. Cuando la tensión puerta-fuente es cero, el MOSFET no conduce. Los MOSFET de canal p funcionan con polaridades de tensión opuestas.

5.2.- Inversor CMOS.

La lógica MOS complementaria utiliza MOSFET de canal n y de canal p como muestra la Figura 4-21.

Figura 4-21. Inversor lógico CMOS. (a) Arquitectura interna. (b) Circuito equivalente.

Cuando el voltaje de entrada está cerca de 0 V, no conduce (OFF) el dispositivo de canal n T2 pero conduce (ON) el dispositivo de canal p T1. Cuando el voltaje de entrada está próximo al voltaje de alimentación, la conducción se invierte y T1 no conduce y T2 sí. El circuito de la Figura 4-21 se puede representar mediante el esquema de la derecha (b). Con el conmutador T1 cerrado y T2 abierto, la salida está a nivel alto y con T2 cerrado y T1 abierto, la salida está a nivel bajo.

5.3. Características de las puertas CMOS de la serie 4000. • Voltaje de alimentación: 3V ≤ VDD ≤ 18V

• Niveles lógicos de entrada y salida

VIL(máx) 0,3 x VDD

VIH(mín) 0,7 x VDD

VOL(máx) 0

VOH(mín) VDD

• Inmunidad al ruido

VNIH = VOH(min) – VIH(min) = VDD – 0,7x VDD = 0,3 x VDD

VNIL = VIL(máx) - VOL(máx) = 0,3 x VDD – 0 = 0,3 x VDD

con VDD = 5V VNIH= VNIL=1,5V

VDD

Salida

S

0V

S

D

T1

T2

D Entrada

G

G

Salida

VDD

S

0V

T1

T2




• Fan-out. Si no se requiere un funcionamiento de alta velocidad, se pueden conectar hasta 50 puertas a una misma salida.

• Retardo de propagación. Las primeras puertas CMOS de las serie 4000 son por lo general más lentas que las puertas de las familias TTL. En años recientes ha aumentado considerablemente la velocidad de funcionamiento, las familias 74ACXX y 74ACTXX tienen tiempos de retardo de ns.

• Disipación de potencia. Uno de los principales motivos del empleo de la lógica CMOS es su muy bajo consumo de potencia. El consumo en reposo es muy bajo, aumentando conforme aumenta la velocidad de conmutación. Para un voltaje de alimentación de 5V, una puerta CMOS consume 1nW a 1KHz, pero aumenta a 1mW, si trabajamos a 1MHz. En frecuencias por encima de 10MHz el consumo es mayor que las puertas de la familia 74LSXX.

• Entradas CMOS. Son muy sensibles a la electricidad estática y no pueden dejarse sin conectar. Todas las entradas no utilizadas deben conectarse a nivel alto o bajo.

El inversor sencillo de la Figura 4-21 se puede modificar para proporcionar otras

funciones lógicas. En la Figura 4-22 se muestra una puerta NAND de dos entradas.

Figura 4-22. Puerta NAND CMOS.

Salida

VDD

0V

B

A




6.- Compatibilidad TTL-CMOS.

6.1.- Conexión TTL-CMOS. Los niveles lógicos de salida típicos para una puerta TTL con salida totem pole son 3,6V

(‘1’) y 0,2V (‘0’). La entrada de una puerta CMOS interpreta cualquier voltaje menor de 0,3xVDD

como ‘0’ lógico y cualquier voltaje mayor de 0,7xVDD como ‘1’ lógico, para una alimentación de VDD = 5V, VIL(máx) = 1,5V y VIH(mín)= 3,5V. Como se puede observar la salida TTL a nivel alto no es lo bastante alta como para garantizar que se interprete como un ‘1’ en la puerta CMOS.

Para solucionar esto se añade una resistencia de pull-up a la salida de la puerta TTL como muestra la Figura 4-23.

Figura 4-23. Conexión de puertas TTL-CMOS.

6.2.- Conexión CMOS- TTL.

Los niveles lógicos de salida de las puertas CMOS si VDD = 5V son aproximadamente de 0V y 5V, y por lo tanto resultan compatibles con los niveles de entrada de la lógica TTL. Sin embargo, la corriente de salida de los dispositivos CMOS no es suficientemente alta como para atacar las entradas de las puertas TTL estándar. La familia 74LSXX requiere menos corriente de entrada, por lo que un dispositivo CMOS puede conectarse directamente a otro 74LSXX, que luego se puede usar para conectar otras puertas 74LSXX. También se puede añadir una interfaz entre la lógica CMOS y TTL mediante buffers (Figura 4-24 (b))

Figura 4-24. Conexión de puertas CMOS-TTL. (a) Mediante una puerta 74LSXX. (b) Mediante un buffer.

VDD

VDD VCC

R Puerta CMOS Puerta TTL

5V 5V

Puertas

74LSXX Puerta

CMOS

5V

74LSXX

5V 15V

TTL

CMOS

5V

Buffer

15V

(a) (b)




Ejemplo 4-1: Dado el circuito de la figura calcular el tiempo de propagación más desfavorable y razonar

si el circuito puede funcionar correctamente.

Característica 74XX 74LXX 74HXX 74SXX 74LSXX

IIH (µA) 40 20 50 50 20

IIL (mA) 1,6 0,4 2 2 0,4

Fan-outH (U.H.) 10 10 25 25 10

Fan-outL (U.L.) 10 2,5 12,5 12,5 5

tpD (ns) 10 33 6 3 10

Resolución

a) Tras denominar a las distintas puertas con letras desde la ‘A’ a la ‘L’, se estudia el tiempo de propagación en el recorrido “A – L” o “I – L” , porque a primera vista

parece el más desfavorable.

El tiempo de propagación desde que la señal entra en la puerta ‘A’ o ‘I’ hasta que se

produce la salida correspondiente a esta entrada en la puerta ‘L’, se calcula como suma de los tiempos de propagación de cada una de las puertas desde ‘A’ a ‘L’:

tpD(I –L) = tpD ‘I’ + tpD ‘H’ + tpD ‘J’ + tpD ‘K’ + tpD ‘L’ = 10 + 10 + 6 + 10 + 3 = 39 ns

Sin embargo analizando el tipo de puertas empleado en el circuito se aprecia que el recorrido “A – C” o el recorrido “A–B” poseen mayor tiempo de retardo:

tpD(A – B) = tpD ‘A’ + tpD ‘B’ = 10 + 33 = 43 ns tpD = 43 ns

b) Para asegurar el correcto funcionamiento del circuito ha de cumplirse que la corriente de salida de cada puerta sea igual o superior a la suma de las corrientes de entrada de las puertas de la etapa siguiente, es decir, IOL ≥ ∑ IIL y IOH ≥ ∑ IIH.

7404

74L0

4

74L0

4

74H

00

74S

02

74S

32

74LS

00

74LS

02

74H

08

74S02

74LS

00

74LS

00

B

A

C D E F G H

I

J

K L




La primera puerta que a de ser objeto de estudio es la puerta ‘A’ porque su salida está conectada a ocho entradas de otras puertas (‘B’, ‘C’, ‘D’ las dos entradas de esta puerta provienen de ‘A’, ‘E’, ‘F’ , ‘G’ y ‘H’).

Las corrientes de salida se calculan a partir de:

.).( LU1.6mA

IoutFan OLmáx

(L) =− y .).( HUA40

IoutFan OHmáx

(H) µ=−

Al despejar y sustituir los valores de fan-out para la puerta ‘A’ perteneciente a la familia 74LSXX, se obtiene:

A400A4010A40outFanI

mA81.6mA51.6mAoutFanI

(H)OHmín

(L)OLmáx

µµµ =⋅=⋅−=

=⋅=⋅−=

La suma de las corrientes de entrada a nivel bajo será:

∑ IIL = IIL’B’ + IIL’C’ + 2 xIIL’D’ + IIL’E’ + IIL’F’ + IIL’G’ + IIL’H’

∑ IIL = 0,4 + 0,4 + 2 x 2 + 2 + 2 + 0,4 + 0,4 = 9,6 mA.

Como ∑ IIL = 9,6 mA < IOLmáx = 8 mA

No se puede garantizar que el circuito funcionará correctamente.

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