Familias Lgicas

Familias LgicasLa electrnica digital est ligada al uso de circuitos integrados (CI), prcticamente todos los circuitos digitales usan estos dispositivos.

Algunas de las principales razones son:Los CI contienen gran cantidad de circuitos en un reducido espacioSe minimiza el nmero de conexiones entre los dispositivosSe aumenta la confiabilidad del sistemaSe reduce el consumo de energa y el costo de los sistemas.

Clasificacin de los CI: segn Complejidad En funcin del nmero de puertas lgicas o transistores que contienen se tienen los siguientes tipos:

SSI (integracin a pequea escala) menos de 12 puertas.MSI ( integracin a mediana escala) de 12 a 99.LSI (integracin a gran escala) de 100 a 9999.VLSI ( integracin a escala muy grande) de 10.000 a 99.999.ULSI (integracin a escala ultra grande) de 100.000 a 999.999.GSI (integracin a giga-escala) de 1.000.000 o ms.

Clasificacin de los CI: segn tecnologa Los CI llevan el nombre de la tecnologa usada. Algunas de las familias que se han comercializado son las siguientes:

RTLResistor - Transistor LogicDTLDiode - Transistor LogicTTLTransistor - Transistor LogicECLEmitter Coupled LogicMOSMetal - Oxide SemiconductorCMOSComplementary Metal Oxide SemiconductorBiCMOS Bipolar Complementary Metal- Oxide Semiconductor.

Las familias RTL y DTL fueron las primeras desarrolladas y actualmente son obsoletas.

Clasificacin de los CI: segn tecnologa

Tecnologa Bipolar, familia ECLLa tecnologa ECL, (Emitter Coupled Logic), pertenece a la tecnologa, su principal ventaja es su velocidad.

Algunas caractersticas:Niveles de tensin altos y bajos cercanos, lo que le proporciona alta velocidad,

Incompatibilidad con otras familias lgicas,

Disposicin de salidas diferenciales, es decir, tanto para salida complementada como sin complementar.

Su uso era en aquellas aplicaciones que requieren muy alta velocidad de funcionamiento. Actualmente ha sido sustituida por la tecnologa CMOS.

Tecnologa Bipolar, familia TTLDentro de la tecnologa bipolar, la familia de circuitos lgicos ms conocida es la TTL (Transistor-Transistor Logic), fue la primera familia de circuitos lgicos y la ms usada durante dcadas.

Serie TTLPrefijoCI (ejemplo)TTL estndar747400TTL Schottky74S74S00TTL Schottky de baja potencia74LS74LS00TTL Schottky avanzada74AS74AS00TTL Schottky avanzada de baja potencia74ALS74ALS00

Tecnologa Unipolar, familia MOSLa tecnologa MOS se utiliza en sistemas que requieren gran densidad de componentes.

CMOS forma parte de esta tecnologa y se usa en sistemas que requieren poco consumo de energa y se ha convertido en una de las ms utilizadas.

Dentro de la familia CMOS reconocemos 6 series. La primera de ellas cuenta prcticamente con las mismas funciones lgicas que la familia TTL, pero los terminales de los circuitos no se encuentran en el mismo orden.

A continuacin se muestra un cuadro con las series de la familia CMOS.

Series de la Familia CMOS

Series CMOSPrefijoNmeracinCompuerta de Metal CMOS404001Compuerta de Metal CMOS con terminales TTL74C74C02Compuerta de Silicio CMOS con terminales TTL, alta velocidad74HC74HC02Compuerta de Silicio CMOS, alta velocidad, terminales y elctricamente compatible TTL 74HCT74HCT02CMOS de desempeo avanzado74AC74AC02CMOS de desempeo avanzado, elctricamente compatible con TTL 74ACT74ACT02

Caractersticas de los circuitos digitalesLos circuitos digitales (de conmutacin) estn compuestos por compuertas lgicas, las cuales se encuentran interconectadas entre s, tal como se observa en la figura.

Idealmente no se considera la interaccin entre las compuertas, sin embargo en la realidad las caractersticas de cada familia definen el comportamiento de las entradas y las salidas de las diferentes compuertas.

Caractersticas de los circuitos digitalesEl diseo lgico de un circuito combinacional es independiente de la tecnologa usada. Sin embargo en la realizacin fsica del circuito deben tenerse en cuenta los siguientes factores:Mrgennes de RuidoFan OutVelocidadConsumo Alimentacin Entorno de trabajoTipos de salidas a usar:Colector abiertoTercer estado

Generalidades de un CI

Caractersticas de los circuitos digitalesLas entradas y salidas no pasan inmediatamente de un valor a otro.

Las tolerancias de fabricacin, los cambios en la temperatura y otros factores medioambientales pueden hacer que los niveles en tensin cambien.

Las entradas de una compuerta provienen de la salida de o de las salidas de otras compuertas de cada circuito lgico, convirtindose en carga de las etapas anteriores. Estos efectos de carga puede degradar los niveles lgicos.

Toda desviacin del caso ideal impone lmites en la actuacin de los circuitos lgicos.

Un circuito digital est representado por las siguientes caractersticas:Margen de ruido, retardo en la propagacin, fan-out, disipacin de potencia.

Caractersticas de las compuertasEn trminos generales veremos las siguientes caractersticas:

Caractersticas elctricasDe voltaje de alimentacin,De voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)Mrgenes de RuidoCorrientes de entrada y salidaFan outFan inDisipacin de potencia

Caractersticas temporales

Caractersticas elctricasAlgunas de las caractersticas que los fabricantes incorporan en la documentacin tcnica son las especificaciones elctricas y temporales. A continuacin vemos las caractersticas del inversor 74AS04

Caractersticas elctricas, de voltaje de alimentacinLa tensin de alimentacin de la familia 74 ASXX que se necesita para que el CI funciones es de 5V, aunque los fabricantes dan un margen de valores de Vcc que aseguran el buen funcionamiento del circuito. En este caso el rango es de 4,5 V a 5,5 V.

Caractersticas elctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)La tensin de salida para diferentes tensiones de entrada de una compuerta, en este caso 74AS04, nos da un grfico como en que se muestra a continuacin:

Caractersticas elctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)En la figura se observan los rangos (valores) que se consideran como 0 y 1 lgicos a la entrada y la salida del circuito. Estos rangos se obtienen de la grfica Vo-Vi, en los puntos que la curva tiene pendiente (-1). Las coordenadas de estos puntos definen los siguientes parmetros:

VOH es la tensin mnima de salida que se considera un 1 lgico.VOL es la mxima tensin de salida que se considera un 0 lgico.VIH es la mnima tensin de entrada que se considera un 1 lgico. VIL es la mxima tensin de entrada que se considera un 0 lgico

Caractersticas elctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi) Los niveles de tensin para los valores lgicos 0 y 1varan de la entrada a la salida.

A continuacin los niveles para el 74 AS04.

Caractersticas elctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)Valores tpicos para familias CMOS y TTL:

Caractersticas elctricas, de voltaje de salida frente a voltaje de entrada (Vo-Vi)Valores tpicos para familias CMOS y TTL:

Caractersticas elctricas, mrgenes de ruidoLa existencia de los diferentes rangos para los niveles lgicos en las entradas y en las salidas se puede entender con la necesidad de asegurar un buen funcionamiento en ambientes ruidosos.

Caractersticas elctricas, mrgenes de ruido

Caractersticas elctricas, mrgenes de ruidoA continuacin se muestra en la figura, el margen existente para el 0 y el 1 a la entada y a la salida del 74AS04

Caractersticas elctricas, mrgenes de ruidoExisten dos mrgenes de ruido:

Margen de ruido superiorMargen de ruido inferior Se define como la mxima tensin de entrada que se puede superponer al nivel 1 de salida para que la entrada de la siguiente compuerta sea considerada tambin un 1. Es decir VIH debe ser menor que VOH para asegurar que la seal sea considerada 1 lgico

Caractersticas elctricas, mrgenes de ruido Se define como la mxima tensin de entrada que se puede superponer al nivel 0 de salida para que la entrada de la siguiente compuerta sea considerada tambin un 0. De este modo VIL debe ser mayor que VOL para asegurar que el nivel sea interpretado como un 0

Para el CI 74AS04, =1 V y=0,45V.

El margen de ruido , M, se define el menor de y

Caractersticas elctricas, mrgenes de ruidoObservacin:Cuanto mayor sean los mrgenes de ruido de un dispositivo o circuito, estos circuitos sern menos sensibles a las perturbaciones y por lo tanto, sern mas adecuados para trabajar en entornos con mayores ndices de ruido.

Caractersticas elctricas, corrientes de entrada y salidaLos terminales de entrada y salida de los circuitos integrados presentan corrientes que a su vez pueden ser de entrada hacia el interior del circuito, en este caso se consideran positivas, o de salida del circuito, en este caso corrientes negativas.

Caractersticas elctricas, corrientes de entrada y salida

Fan OutFan Out: es el nmero mximo de compuertas que pueden conectarse a la salida de una compuerta. Es un valor constante que indica el nmero mximo de puertas que puede conectarse a una puerta para que el conjunto funcione adecuadamente.El menor de los dos valores de N es el fan out de la compuerta

Fan OutSi la puerta A genera un 1 en su salida, la intensidad de corriente mxima que esta compuerta puede suministrar es de (-2mA), el signo negativo indica que es una corriente de salida.En cambio las compuertas 1,2,.,N tienen un 1 lgico en sus entradas y en esta situacin la corriente mxima est dada por =20 micro A .

Fan Out

Fan OutLa tecnologa TTL debe proveer de corriente a las entradas de las compuertas. La corriente que puede entregar es limitada, por lo que el nmero de compuertas que se puede conectar tambin es limitado.

En cambio en la tecnologa CMOS no requiere entregar corriente a las entradas de la siguiente compuerta , por lo que CMOS tiene un FAN OUT ilimitado. Sin embargo, el Fan Out en la tecnologa CMOS tiene un impacto importante en el retraso que ocurre en las compuertas.

Fan InFan In es el nmero de puertas que se pueden conectar a la entrada sin que se degrade la operacin de una compuerta .Otros autores lo definen como el nmero de entradas de una compuertaAunque no existe una limitante en cuanto al Fan In de una compuerta, slo se tienen compuertas con determinado nmero de entradas.Si se requiere utilizar una compuerta con un Fan In que no se encuentra en el mercado se deben usar varias compuertas para construirlo. En la familia TTL, no existe restriccin en esto, pero en el caso de la familia CMOS existen limitantes en retraso y velocidad.

Fan IN- Fan Out

Disipacin de PotenciaEs la potencia disipada por el CI y s mide en (mW)

Icc es la corriente que consume el CI por el pin conectado a Vcc.

Normalmente el fabricante especifica dos valores de Icc. Tomando el valor medio de estos valores se puede obtener buena aproximacin del consumo del CI.

La potencia ser:

Caractersticas Temporales de las Compuertas Lgicas

Caractersticas Temporales de las Compuertas LgicasLa capacidad de respuesta de los CI digitales son los tiempos de propagacin o tiempos de retraso.

Caractersticas Temporales de las Compuertas Lgicas

Caractersticas Temporales de las Compuertas LgicasPara el 74AS04, el fabricante especifica los siguientes valores:Switching Characteristics:En la mayora de las situaciones no es necesario diferenciar entre estos dos valores, por lo que se da solo un valor de propagacin :

Producto Potencia Disipada- Retardo de Propagacin

Caractersticas de Familias Lgicas

Comparacin de Familias Lgicas