FAMILIAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS LOGICOS

JOSE MIGUEL BERNAL VELANDIA

11-A

PRESENTADO A: LIC. KEVIN BARRERA

I.E BRAULIO GONZALEZ

YOPAL/CASANARE

2015

TIPOS DE CHIPS O INTEGRADOS

 

 

Puede parecer complicado al principio, pero el tema de las normalizaciones que rodea al mundo de los integrados, bien en encapsulados o bien en cuanto a zócalos y conexiones, es sencillo si se enfoca desde un punto de vista práctico.

Toda la gama de circuitos integrados disponibles se engloba dentro de cierta familia o apartado. Podemos ver una primera subdivisión de los circuitos integrados en función de su aplicación específica. Una segunda clasificación podría ser aquella que nos permite clasificar los chips según estos se dividan por el tipo de encapsulado. Pero a pesar de existir cierta norma, los fabricantes suelen hacer sus propias subclasificaciones, lo cual suele desembocar en un más que aparente caos.

 

 

Antes de continuar con este tema conviene aclarar que la forma en que se aplican encapsulados a los circuitos integrados ha motivado en los últimos años la aparición en el mercado electrónico de conjuntos de componentes discretos típicos -como, por ejemplo, las resistencias- que han aprovechado la "normativa" impuesta por los chips en su propio beneficio, acogiéndose a los tamaños y encapsulados de aquellos, lo cual simplifica diseños y facilita la colocación de ingentes

cantidades de componentes en un espacio bastante reducido. Por esta razón no debe sorprendernos encontrar un "aparente" chip o circuito integrado dentro de un moderno circuito y que tal chip no es más que un conjunto de 8 ó 10 resistencias de idéntico valor óhmico, con lo que esto representa en cuanto a ahorro, tanto en la parte económica como en la de espacio, cuestión a tener muy en cuenta en el diseño electrónico moderno.

 

 

LOS INTEGRADOS SEGÚN SEA SU APLICACIÓN

 

Podríamos decir que por cada aplicación específica que se nos ocurra y que haya sido diseñada en forma de componentes discretos -esto es, no integrados- existe un circuito monolítico capaz de implementar la misma función. Esto, como es lógico, no deja de ser una pequeña exageración pero lo que no es menos cierto es que la evolución tecnológica y el abaratamiento de costes de los circuitos integrados hacen que aparezcan más y más modelos de circuitos integrados cada día.

 

No es extraño que la evolución tecnológica tienda a esto: ¿a quién no le encantaría realizar una pequeña aplicación electrónica y meterla luego dentro de un encapsulado único y fácil de colocar en cualquier circuito? Podemos avanzar que esto es ya una realidad para el aficionado a la electrónica, pero esto... es ya otra historia.

 

 TIPOS DE CHIPS O INTEGRADOS

Dentro de la familia de los circuitos integrados disponibles hoy en día en el mercado -no olvidemos que esto varía en horas- podemos encontrar tras apartados fundamentales:

 

1º) Circuitos integrados lineales.

2º) Circuitos integrados digitales.

3º) Circuitos de tipo híbrido.

 

 

Puede que esta no sea la división perfecta, pero nos servirá para los fines didácticos que perseguimos.

 De un lado tenemos los circuitos lineales, denominación que normalmente se aplica a circuitos integrados de uso específico y que no se englobe en el amplio grupo de las aplicaciones digitales. Puede decirse que esta gama de circuitos reproduce comportamientos implementarles con circuitería analógica de tipo discreto. Por poner un ejemplo, los amplificadores operacionales pueden ser reproducidos transistor a transistor de forma independiente, lo cual, hoy en día, parece un asunto fuera de toda lógica.

Por otro lado, los circuitos integrados digitales se dedican a trabajar con señales de tipo "todo o nada" o "cero y uno”, asunto este dedicado, casi en exclusividad, al mundo de los ordenadores y la informática.

 

En último lugar aparecen una gama de circuitos integrados a los que hemos dado en denominar híbridos. Esta familia abarca toda la gama de integrados que no puede colocarse de forma contundente a un lado u otro dentro de los dos grupos anteriores. 

Para poder tener una idea más clara de a qué grupo pertenece cada circuito integrado vamos a abordar unos ejemplos dentro de cada grupo comentado.

 

CIRCUITOS LINEALES ANALÓGICOS

 

Queda claro que las aplicaciones de carácter analógico han precedido, de forma histórica, a las de carácter digital. Por esta razón cabría pensar que la realización de integrados de

tipo analógico pasa sólo por el trámite de colocar un circuito que opere correctamente con componentes discretos y encapsularlo en un formato monolítico. Además de esto es preciso que dicho circuito sea rentable, tanto en el campo económico como en el de la prosperidad de futuras aplicaciones para el mismo.

 

Como ejemplo ya mencionado destaca el amplificador operacional, pero hay otros tan interesantes como éste. Podemos mencionar los amplificadores integrados que equipan tanto los modernos equipos de radiocasete para coche como los equipos Hi-Fi caseros. También destacan los integrados destinados a los equipos de recepción (y emisión) de radio, TV y comunicaciones en general.

 

Otro campo de aplicación de los integrados lineales es el de los sensores integrados, aunque este apartado lo comparten con los circuitos de tipo híbrido que luego comentaremos.

 

CIRCUITOS DIGITALES BIT A BIT

La parte mínima de un circuito digital está introducida en un chip y responde a la denominación de puerta lógica. Es posible, cómo no, implementar esta misma puerta en modo de componentes discretos.

 

Una puerta lógica, como ya veremos, realiza la parte más sencilla de la operativa de un circuito digital. Por ejemplo, cuando introducimos un cero lógico (p. ej. cero voltios) en una

puerta que realice la función lógica "inversor" obtendremos en la salida de dicho chip un uno lógico ( +5 V si trabajamos en norma TTL ). Además de estas sencillas funciones los circuitos digitales pueden contener:

 

- Funciones lógicas complejas, memoria volátil y no volátil, Unidad Central de Proceso o CPU, micro controlador, registros de desplazamiento, etc.

 

 

CIRCUITOS HÍBRIDOS

Para finalizar este breve repaso por los circuitos integrados existentes en el mercado vamos a abordar el apartado que hemos dado en llamar "circuitos híbridos".

A este apartado pertenecen circuitos tales como los convertidores de nivel, los convertidores A/D o sus homónimos D/A.

 

Un convertidor de nivel será, por ejemplo, aquel que está destinado a compatibilizar las diferentes familias lógicas. Por comentar un caso claro, la familia de circuitos digitales denominada TTL responde a niveles lógicos típicos de 0 = cero voltios y 1 = cinco voltios, mientras que los niveles típicos de la familia lógica CMOS son de 0 = cero voltios y 1 = depende de la alimentación.

 

Queda claro que para intercambiar datos entre un formato y otro deberemos utilizar un tipo de chip que nos permita convertir niveles, con lo cual queda clara la aplicación de éstos.

Circuitos integrados digitales 

Los circuitos integrados son la base fundamental del desarrollo de la electrónica en la actualidad, debido a la tendencia a facilitar y economizar las tareas del hombre. Los circuitos cuyos componentes realizan operaciones análogas a las que indican los operadores lógicos se llaman "Circuitos Lógicos" o "circuitos digitales". Los Circuitos Lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO) y otras combinaciones muy complejas de los circuitos antes mencionados.

Contenido

Tipos de Elementos Digitales

Estas combinaciones (ya mencionadas) dan lugar a otros tipos de elementos digitales. Aquí hay un listado de estos. · Compuerta NAND (No Y) · Compuerta NOR (No O) · Compuerta OR exclusiva (O exclusiva) · Multiplexores o multiplexadores · Demultiplexores o demultiplexadores · Decodificadores · Codificadores · Memorias · flip-flops · Micro Procesadores · Micro Controladores

Familias Lógicas

Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales pueden albergar puertas lógicas o circuitos lógicos más complejos. Estos componentes están estandarizados, para que haya una compatibilidad entre fabricantes, de forma que las características más importantes sean comunes. De forma global los componentes lógicos se engloban dentro de una de las dos familias siguientes: TTL: diseñada para una alta velocidad. CMOS: diseñada para un bajo consumo. Actualmente dentro de estas dos familias se han creado otras, que intentan conseguir lo mejor de ambas: un bajo consumo y una alta velocidad. La familia lógica ECL se encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Esta familia nació como un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumo de CMOS, pero en raras ocasiones se emplea.

Dentro de la familia TTL encontramos las siguiente sub-familias:

L: Low power = disipación de potencia muy baja

LS: Low power Schottky = disipación y tiempo de propagación pequeño.

S: Schottky = disipación normal y tiempo de propagación pequeño.

AS: Advanced Schottky = disipación normal y tiempo de propagación extremadamente pequeño.

Tensión De Alimentación

CMOS: 5 a 15 V (dependiendo de la tensión tendremos un tiempo de propagación). TTL: 5 V.

Parámetros de puerta

Las puertas lógicas no son dispositivos ideales, por lo que vamos a tener una serie de limitaciones impuestas por el propio diseño interno de los dispositivos lógicos. Internamente la familia TTL emplea Transistor Bipolar (de aquí su alto consumo), mientras que la familia CMOS emplea transistores MOS (a lo que debe su bajo consumo).

FAMILIA LÓGICA TTL

Las características de la tecnología utilizada, en la familia TTL (Transistor, Transistor Logic), condiciona los parámetros que se describen en sus hojas de características según el fabricante, (aunque es estándar), la resumiré en sólo algunas como que:

Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4'75V y los 5'25V como se ve un rango muy estrecho debido a esto, los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0'2V y 0'8V para el estado L y los 2'4V y Vcc para el estado H.

La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor baza, ciertamente esta característica le hacer aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como

FAST, SL, S, etc. y últimamente los TTL: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco mas de los 250Mhz.

Esta familia es la primera que surge y aún todavía se utiliza en aplicaciones que requieren dispositivos SSI y MSI. El circuito lógico TTL básico es la compuerta NAND. La familia TTL utiliza como componente principal el transistor bipolar. Como podemos ver en la figura, mediante un arreglo de estos transistores se logran crear distintos circuitos de lógica digital.

OTRAS CARACTERISTICAS TTL

Debemos tomar en cuenta otras características de la lógica TTL. Si dejamos una entrada sin conectar actuará exactamente como un 1 lógico aplicado a esa entrada, ya que el transistor no será polarizado en forma directa. Cuando se presenta el caso de que no utilizamos una entrada la podemos dejar desconectada para que actué como un 1 lógico, pero lo más conveniente sería conectarlas a +5V a través de una resistencia de 1k para proteger de las corrientes a las entradas de la compuerta.

Cuando dos o más entradas de una compuerta TTL se interconectan para formar una entrada común, esta tendrá una factor de carga de entrada que es la suma de los factores de carga de cada entrada.

Características de la familia TTL.

La familia lógica transistor-transistor ha sido una de las familias de CI más utilizadas.

Los CI de la serie 74 estándar ofrecen una combinación de velocidad y disipación de potencia adecuada a muchas aplicaciones. Los CI de esta serie incluyen una amplia variedad de compuertas, flip-flops y multivibradores monoestables así como registros de corrimiento, contadores, decodificadores, memorias y circuitos aritméticos.

La familia 74 cuenta con varias series de dispositivos lógicos TTL(74, 74LS, 74S, etc.).

Características de la serie TTL estándar

Rango de voltajes de alimentación y temperatura.

Estas series utilizan una fuente de alimentación (Vcc) con voltaje nominal de 5V. Funcionan de manera adecuada en temperaturas ambientales que van de 0° a 70°C.

Niveles de voltaje

Los niveles de voltaje de salida de la familia 74 estándar son:

Voltajes nominales máximos

Los voltajes aplicados a cualquier entrada de un CI no deben exceder los 5.5V. Existe también un máximo para el voltaje negativo que se puede aplicar a una entrada TTL, que es de -0.5V. Esto se debe al uso de diodos de protección en paralelo en cada entrada de los CI TTL.

Retado de propagación

La compuerta NAND TTL estándar tiene retardos de propagación característicos de tPLH = 11 ns y tPHL = 7 ns, con lo que el retardo promedio es de tPD(prom) = 9 ns.

Dentro de la familia TTL, existen otras series que ofrecen alternativas de características de velocidad y potencia. Dentro de ellas, están:

Serie 74L, TTL de bajo consumo de potencia

Serie 74H, TTL de alta velocidad

Serie 74S, TTL Schottky

Serie 74LS (LS-TTL), TTL Schottky de bajo consumo de potencia

Serie 74AS (AS-TTL), TTL Schottky avanzada

Serie 74ALS, TTL avanzada Schottky de bajo consumo de potencia

Tabla 1. Características representativas de las series TTL

74 74L74H

74S

74LS

74AS

74ALS

Parámetros de funcionamiento

Retardo de propagación (ns) 9 33 6 3 9.5 1.7 4

Disipación de potencia (mW) 10 1 23 20 2 8 1

Producto velocidad-potencia (pJ) 90 33 138 60 19 13.6 4.8

Máxima frecuencia de reloj (MHz) 35 3 50 125 45 200 70

Factor de carga de la salida 10 20 10 20 20 40 20

Parámetros de Voltaje

VOH 2.4 2.4 2.4 2.7 2.7 2.5 2.5

VOL 0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4

VIH 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0

VIL 0.8 0.7 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

La serie TTL también puede caracterizarse por el tipo de salida con que cuenta:

Salida TTL de colector abierto

Salida TTL de tres estados

FAMILIA CMOS

Existen varias series en la familia CMOS de circuitos integrados digitales. La serie 4000 que fue introducida por RCA y la serie 14000 por Motorola, estas fueron las primeras series CMOS. La serie 74C que su característica principal es que es compatible terminal por terminal y función por función con los dispositivos TTL. Esto hace posibles remplazar algunos circuitos TTL por un diseño equivalente CMOS. La serie 74HC son los CMOS de alta velocidad, tienen un aumento de 10

veces la velocidad de conmutación. La serie 74HCT es también de alta velocidad, y también es compatible en lo que respecta a los voltajes con los dispositivos TTL.

Los voltajes de alimentación en la familia CMOS tiene un rango muy amplio, estos valores van de 3 a 15 V para los 4000 y los 74C. De 2 a 6 V para los 74HC y 74HCT.

Los requerimientos de voltaje en la entrada para los dos estados lógicos se expresa como un porcentaje del voltaje de alimentación. Tenemos entonces:

VOL (max) = 0 V

VOH (min) = VDD

VIL (max) = 30%VDD

VIH (min) = 70% VDD

Por lo tanto los márgenes de ruido se pueden determinar a partir de la tabla anterior y tenemos que es de 1.5 V. Esto es mucho mejor que los TTL ya que los CMOS pueden ser utilizados en medios con mucho más ruido. Los márgenes de ruido pueden hacerse todavía mejores si aumentamos el valor de VDD ya que es un porcentaje de este.

En lo que a la disipación de potencia concierne tenemos un consumo de potencia de sólo 2.5 nW cuando VDD = 5 V y cuando VDD = 10 V la potencia consumida aumenta a sólo 10 nW. Sin embargo tenemos que la disipación de potencia será baja mientras estemos trabajando con corriente directa. La potencia crece en proporción con la frecuencia. Una compuerta CMOS tiene la misma potencia de disipación en promedio con un 74LS en frecuencia alrededor de 2 a 3 Mhz.

Ya que los CMOS tienen una resistencia de entrada extremadamente grande (1012) que casi no consume corriente. Pero debido a su capacitancia de entrada se limita el número de entradas CMOS que se pueden manejar con una sola salida CMOS. Así pues, el factor de carga de CMOS depende del máximo retardo permisible en la propagación. Comúnmente este factor de carga es de 50 para bajas frecuencias, para altas frecuencias el factor de carga disminuye.

Los valores de velocidad de conmutación dependen del voltaje de alimentación que se emplee, por ejemplo en una 4000 el tiempo de propagación es de 50 ns para VDD = 5 V y 25ns para VDD = 10 V. Como podemos ver mientras VDD sea mayor podemos operar en frecuencias más elevadas.

Hay otras características muy importantes que tenemos que considerar siempre, las entradas CMOS nunca deben dejarse desconectadas, todas tienen que estar conectadas a un nivel fijo de voltaje, esto es porque los CMOS son, al igual que los MOS muy susceptibles a cargas electrostáticas y ruido que podrían dañar los dispositivos.

Características de la familia CMOS.

La tecnología MOS (Metal Oxido Semiconductor) deriva su nombre de la estructura básica MOS de un electrodo metálico montado en un aislador de óxido sobre un substrato semiconductor. Los transistores de la tecnología MOS son transistores de campo denominados MOSFET. La mayoría de los CI digitales MOS se construyen exclusivamente con MOSFET.

Características principales.

voltaje de alimentación

Las series 4000 y 74C funcionan con valores de VDD que van de 3 a 15V, por lo que la regulación de voltaje no es un aspecto crítico. Las series 74HC y 74HCT funcionan con voltajes de 2 a 6 V.

niveles de voltaje

Cuando las salidas CMOS manejan solo entradas CMOS, los niveles de voltaje de la salida pueden estar muy cercanos a 0V para el estado bajo, y a VDD para el estado alto.

VOL (max) 0V

VOH (min) VDD

VIL (max) 30% VDD

VIH (min) 70% VDD

velocidad de operación

Una compuerta NAND N-MOS común tiene un tiempo de retardo de 50 ns. Esto se debe principalmente a la resistencia de salida relativamente alta (100k) y la carga capacitiva representada por las entradas de los circuitos lógicos manejados.

margen de ruido

Normalmente, los márgenes de ruido N-MOS están alrededor de 1.5V cuando operan desde VDD = 5 V, y serán proporcionalmente mayores para valores más grandes de VDD.

factor de carga

Para circuitos operando en DC o de baja frecuencia, las capacidades del factor de carga son virtualmente ilimitadas. Sin embrago, para frecuencias mayores de 100 kHz, se observa un deterioro del factor de carga - siendo del orden de 50, lo que es un tanto mejor que en las familias TTL.

consumo de potencia

Los CI MOS consumen pequeñas cantidades de potencia debido a las resistencias relativamente grandes que utilizan. A manera de ejemplo, se muestra la disipación de potencia del INVERSOR N-MOS en sus dos estados de operación.

PD = 5V x 0.05nA = 0.25 nW

PD = 5V x 50A = 0.25mW

complejidad del proceso

La lógica MOS es la familia lógica más simple de fabricar ya que utiliza un solo elemento básico, el transistor N-MOS (o bien el P-MOS), por lo que no requiere de otros elementos como diodos o resistencias (como el CI TTL).

Susceptibilidad a la carga estática

Las familias lógicas MOS son especialmente susceptibles a daños por carga electrostática. Esto es consecuencia directa de la alta impedancia de entrada de estos CI. Una pequeña carga electrostática que circule por estas altas impedancias puede dar origen a voltajes peligrosos. La mayoría de los nuevos dispositivos CMOS están protegidos contra daño por carga estática mediante la inclusión en sus entradas de un diodo zener de protección. Estos diodos están diseñados para conducir y limitar la magnitud del voltaje de entrada a niveles muy inferiores a los necesarios para hacer daño.

Las principales series CMOS son:

serie 4000/14000

serie 74C

serie 74HC (CMOS de alta velocidad)

serie 74HCT

Diferencias entre las familias TTL y CMOS.

En comparación con las familias lógicas TTL, las familias lógicas MOS son más lentas en cuanto a velocidad de operación; requieren de mucho menos potencia; tienen un mejor manejo del ruido; un mayor intervalo de suministro de voltaje; un factor de carga más elevado y requieren de mucho menos espacio (área en el CI)

debido a lo compacto de los transistores MOSFET. Además, debido a su alta densidad de integración, los CI MOS están superando a los CI bipolares en el área de integración a gran escala. (LSI - memorias grandes, CI de calculadora, microprocesadores, así como VLSI).

Por otro lado, la velocidad de operación de los CI TTL los hace dominar las categorías SSI o MSI (compuertas, FF y contadores)