Circuitos Integrados Digitales

 

Circuitos integrados digitales Saltos Cobea Ivanna Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí [email protected]

 Resumen 

Este

documento

contiene

información referente a los circuitos integrados digitales su clasificación y características. Puede utilizarse como una efectiva herramienta de

operaciones análogas a las que indican los operadores lógicos se llaman "Circuitos Lógicos" o "circuitos digitales". II. 

CIRCUITOS INTEGRADOS

estudio puesto que su elaboración está basada en libros, artículos y conceptos conocedores del tema.

de

autores

El objetivo del informe se basa en dar a conocer a los lectores informaciones y definiciones básicas del campo de la electrónica. Se realizó un respectivo resumen y análisis de los temas a disposición cuyo resultado fue eficiente y centrado en el tema de investigación.

I. 

INTRODUCCIÓN

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.

Por

esto

es

fundamental el manejo del concepto de circuito integrado, no sólo por aquellos que están en contacto habitual con este, sino también por las personas en general, debido a que este concepto debe de quedar inmerso dentro de los conocimientos

La presente investigación sobre los circuitos integrados forma parte de los estudios de los Sistemas Digitales, cuyo enfoque se define en la clasificación y las características de los circuitos, familias lógicas TTL y CMOS con su respectiva comparación.

mínimos de una persona. Un circuito integrado es una pieza o cápsula que generalmente es de silicio o de algún otro material semiconductor, que utilizando las  propiedades de los semiconductores, es capaz de hacer las funciones realizadas

Los circuitos integrados son la base fundamental

 por la unión en un circuito, de varios

del desarrollo de la electrónica en la actualidad,

elementos

debido a la tendencia a facilitar y economizar las

resistencias, condensadores, transistores,

tareas. Los circuitos cuyos componentes co mponentes realizan

etc.

electrónicos,

como:

 

mayor será la capacidad integración integraci ón a gran escala.

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS  

•

de

El CONSUMO de potencia. En un

Existen dos clasificaciones clasificaciones fundamentales

circuito integrado se realizan muchas

de circuitos integrados(CI): los análogos y

 puertas en un espacio reducido. El

los digitales; los de operación fija y los  programables; en este caso nos

consumo total del chip es igual al consumo de cada puerta por el

encargaremos de los circuitos integrados

número de puertas. Si el consumo de

digitales de operación fija. Estos circuitos

cada puerta es elevado se generará

integrales funcionan con base en la lógica

mucho calor en el chip debido al

digital o álgebra de Boole, donde cada

efecto Joule, de forma que si este

operación de esta lógica es representada

calor

en electrónica digital por una compuerta.

convenientemente se producirá un

La complejidad de un CI puede medirse

aumento de temperatura que puede

 por el número de puertas lógicas que

 provocar un funcionamiento funcionamiento anómalo anómalo

contiene. Los métodos de fabricación actuales de fabricación permiten construir

de los circuitos.

no

es

disipado

Cis cuya complejidad está en el rango de una a 10 5 o más puertas por pastilla. pastilla. Según esto los Cis se clasifican en los siguientes niveles o escalas de integración: SSI ( pequeña escala ): menor

III. 

CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN BÁSICAS

Cuando se trabaja con circuitos integrados digitales, no sólo se familiariza con su funcionamiento lógico, sino también con sus

de 10 puertas. MSI ( media escala): entre 10 y 100 puertas. LSI ( alta escala ): entre

 propiedades de operación, operación, como son los niveles niveles de

100 y 10.000 puertas. VLSI ( muy alta escala ): a partir de 10.000 puertas.

 potencia, el fan-out y los retardos de propagación.

La capacidad de integración depende fundamentalmente fundamentalm ente de dos factores :  

•

El ÁREA ocupada por cada puerta, que depende a su vez del tipo y del número de transistores utilizados para realizarla. Cuanto menor sea esta área

tensión, la inmunidad al ruido, la disipación de

 A. 

TENSIÓN

DE

ALIMENTACIÓN

CONTINUA El valor nominal de la tensión de alimentación continua (DC) para los dispositivos TTL (Transistor-Transistor  Logic, lógica transistor-transistor) es de +5 V. TTL

también se designa mediante T 2L. Los dispositivos CMOS

 

(Complementary

Metal-Oxide

Semiconductor ,

metal óxido semiconductor complementario) están

lógica de 3,3 V. El rango de las tensiones de entrada (V IH) IH) que pueden representar un nivel ALTO (1

en diferentes categorías de tensiones de

lógico) va de 3,5 a 5 V para la lógica de 5 V y de 2 V a 3,3V para la lógica de 3,3 V, como se indica en

alimentación diferentes, +5V; +3,3 V; 2,5 V y 1,2

la Figura 2. El rango de valores entre 1,5 V y 3,5 V

V. Aunque para simplificar se omite en los diagramas lógicos, esta tensión se

 para la lógica lógica de 5 V y el rango de 0,8 V a 2V para la lógica de 3,3 V son regiones de funcionamiento

conecta al pin

no predecible, y los valores comprendidos en

disponibles

V CCCC de

un circuito integrado, y la

dichos rangos

masa se conecta al pin de masa (GND). Tanto la alimentación como la masa se distribuyen internamente a todos los elementos del chip, como se ilustra en la Figura 1  para un encapsulado encapsulado de 14 pines. pines.

Fig. 1 Ejemplo de las conex conexiones iones y distribución de VCC y masa en un circuito integrado. Para simplificar, el resto de las conexiones se han omitido.  B. 

 NIVELES LÓGICOS LÓGICOS CMOS

En el Capítulo 1 se estudiaron brevemente los niveles lógicos. Existen cuatro especificaciones diferentes para los niveles lógicos: V IL, IL, V IIH, H, V OL OL y V OH. OH. Para los circuitos CMOS, el rango de las tensiones de entrada ( V IL) IL) que representan un nivel lógico BAJO (0 lógico) válido va de 0V a 1,5 V  para la lógica de +5 V y de 0 V a 0,8 V para la

Fig. 2 Niveles lógicos de entrada entrada y de salida para los dispositivos CMOS.

no están permitidos. permitidos. Cuando una tensión t ensión de entrada se encuentra en uno de estos rangos, puede ser interpretada como un nivel ALTO o un nivel BAJO  por el circuito circuito lógico. Por tanto, tanto, las puertas puertas CMOS no pueden funcionar de forma fiable cuando las tensiones se encuentran dentro de uno de estos rangos no predecibles. predecibles.

 

Los rangos de las tensiones de salida CMOS ( V OL OL y V OH) OH) para las lógicas de 5 V y 3,3 V se muestran

línea de alimentación son una forma de ruido de  baja frecuencia. Para no verse afectados

en la Figura 2. Se observa que la tensión de salida mínima a nivel ALTO, V OH(mín.), OH(mín.), es mayor que

adversamente por el ruido, los circuitos lógicos

la tensión de entrada mínima a nivel ALTO,

capacidad de tolerar ciertas fluctuaciones de

V IH(mín);

tensión no deseadas en sus entradas sin que cambie el estado de salida.

y que la tensión de salida máxima a nivel BAJO, V OL(máx), OL(máx), es menor que la tensión de

deben tener cierta inmunidad a ruido, que es la

entrada máxima a nivel BAJO, V IL(máx). IL(máx).  E. 

DISIPACIÓN DE POTENCIA

Como se indica en la Figura 4, por una puerta C. 

 NIVELES LÓGICOS LÓGICOS TTL

lógica circula corriente procedente de una fuente de

En la Figura 3 se proporcionan los niveles lógicos de entrada y de salida para los dispositivos TTL. Al

alimentación alimentaci ón continua. Cuando el estado de salida

igual que para los dispositivos CMOS, existen

ICCH, y cuando el estado de salida es un nivel

cuatro especificaciones diferentes para los niveles

BAJO, circula la corriente ICCL.

lógicos: V IL, V IH, V OL y V OH.

Veamos un ejemplo. Si se especifica una ICCH de 1,5 mA cuando VCC es 5 V, y si la puerta está en

de la puerta es un nivel ALTO, circula la corriente

un estado de salida estático (no cambia) ALTO, la disipación de potencia (PD) de la puerta es:

Fig. 3 Niveles lógicos de entrada y salida para TTL.  D. 

INMUNIDAD AL RUIDO

Cuando se aplican impulsos a la puerta, su salida conmuta entre los estados ALTO y BAJO, por lo que la corriente de alimentación varía entre ICCH e ICCL. La disipación de potencia media depende

El ruido es una tensión no deseada que se induce en

del ciclo de trabajo y, usualmente, se especifica

los circuitos eléctricos y que puede ser una amenaza para el correcto funcionamiento del

 para un ciclo de trabajo del 50%. Cuando el ciclo

circuito. Los cables y otros conductores internos

mitad del tiempo, y la mitad restante está a nivel

del sistema pueden captar las radiaciones

BAJO. Por tanto, la corriente de alimentación

electromagnéticas de alta frecuencia de los

media es:

conductores adyacentes, en los que las corrientes varían rápidamente, o de otras fuentes externas al sistema. También las fluctuaciones de tensión de la

de trabajo es el 50%, la salida está a nivel ALTO la

 

 H. 

CARGA Y FAN-OUT

Cuando la salida de una puerta lógica se conecta a una o más entradas de otras puertas, como se  

muestra en la Figura 6, se genera una carga en la

Fig. 4 Corrientes de la ffuente uente de alimentación DC. Se utiliza el convenio habitual para indicar la dirección de la corriente. El

 puerta excitadora. Existe un límite para el número de entradas de carga que una cierta puerta puede

convenio para indicar el flujo de electrones es el contrario. F. 

RETARDO DE PROPAGACIÓN

excitar. Este límite se denomina fan-out de la  puerta.

Como ilustra la Figura 5, cuando una señal pasa (se  propaga) a través de un circuito lógico, siempre siempre experimenta un retardo temporal. Un cambio del nivel de salida siempre se produce un cierto tiempo, tiempo, llamado retardo de propagación, después de que se

Fig. 6 Carga de la salida de una puerta con con las entradas de otras otras

ha realizado el cambio cambio de nivel en la entrada.

 puertas.

IV. 

FAMILIAS LÓGICAS

Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales pueden albergar puertas o circuitos

lógicos

más

complejos.

Estos

componentes están estandarizados, para que haya Fig. 5 Ilustración básica del re retardo tardo de propagación.

una compatibilidad entre fabricantes, de forma que

PRODUCTO VELOCIDAD-POTENCIA

las características más importantes sean comunes. De forma global los componentes lógicos se

Cuando, en una cierta aplicación, son importantes tanto el retardo de propagación como la disipación

engloban dentro de una del as dos familias siguientes: TTL: diseñada para una alta a lta velocidad.

de potencia para la selección de la lógica que se

CMOS: diseñada para un bajo consumo.

debe utilizar, el producto velocidad-potencia es una

Actualmente dentro de estas dos familias se han

 base adecuada para la comparación comparación de circuitos

creado otras, que intentan conseguir lo mejor de

lógicos. Cuanto menor sea el producto velocidad potencia, mejor. mejor. La unidad unidad del producto velocidadvelocidad-

ambas: un bajo consumo y una alta velocidad. La

 potencia es el picojulio (pJ). Por ejemplo, ejemplo, un

TTL y la CMOS. Esta familia nació como un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo

G. 

HCMOS tiene un producto velocidad- potencia de 1,2 pJ a 100 kHz, mientras que un TTL de bajo consumo tiene un valor de 22 pJ.

familia lógica ECL se encuentra a caballo entre la

consumo de CMOS, pero en raras ocasiones se emplea.

 

 

•

Con la señal de entrada en nivel bajo (LOW = 0), la entrada de la compuerta entrega corriente a la fuente de señal de aproximadamente aproximadam ente 10 mA (miliamperio) (miliamperio)

 

•

Con la señal de entrada en nivel alto (HIGH = 1), la entrada de la compuerta  pide a la fuente fuente de la señal de entrada una corriente de aproximadamente de uA

  Tabla 1 Cuadros comparativos de las familias

(microamperios)  

•

 A. 

  Logic  –  Logic

señal de nivel alto (HIGH)

FAMILIA LÓGICA TTL

TL –  Viene  Viene de las iniciales: Transistor  –  Transistor  Transistor o Lógica Transistor Transistor. La familia

de circuitos integrados TTL tienen las siguientes características:

La entrada no conectada actúa como una

La carga mayor ocurre cuando la señal de entrada es de nivel bajo (LOW). En este momento el transistor de salida tiene que aguantar mayor corriente. Generalmente los transistores de esta serie aguantan hasta 100 mA (miliamperios). Entonces solo se pueden conectar 10 entradas en

 

•

El voltaje de alimentación es de + 5

 paralelo (FAN (FAN IN = 10)

Voltios, con: Vmín = 4.75 Voltios y Vmáx

 B. 

= 5.25 Voltios. Por encima del voltaje máximo el circuito integrado se puede

En la familia lógica MOS Complementaria,

dañar y por debajo del voltaje mínimo el

CMOS

circuito

funcionaría

Semiconductor), el término complementario complementario se refiere a la utilización de dos tipos de transistores

Su realización (fabricación) se logra con transistores bipolares multi emisores,

en el circuito de salida, en una configuración configuración similar a la tótem-pole de la familia TTL. Se

como se puede observar en el gráfico

usan conjuntamente conjuntamente MOSFET (MOS Field-Effect Field-Effect

siguiente. (Ver E1, E2)

transistor, transistor de efecto campo MOS) de

integrado

no

adecuadamente.  

•

FAMILIA LÓGICA CMOS

La serie de circuitos integrados TTL es la base de la tecnología digital. Siendo la compuerta NAND el circuito base de la serie 74 XX. Es importante tomar en cuenta que para su funcionamiento, la carga de entrada.

(Complementary

Metal-Oxide

canal n (NMOS) y de canal p (PMOS ) en el mismo circuito, para obtener varias ventajas sobre las familias P-MOS y N-MOS. La tecnología CMOS es ahora la dominante debido a que es más rápida y consume aún menos potencia que las otras familias MOS. Estas ventajas son opacadas un poco por la elevada complejidad del proceso de fabricación del

 

CI y una menor densidad de integración. De este modo, los CMOS todavía no pueden competir con

con los de las familias TTL (trabajan con los niveles lógicos y de alimentación TTL).

MOS en aplicaciones que requieren lo último en LSI. La lógica CMOS ha emprendido un

V.  COMPARACIÓN DE LAS PRESTACIONES DE CMOS Y TTL

crecimiento constante en el área de la MSI,  principalmente a expensas de la TTL, con la que  principalmente compite directamente. El proceso de fabricación de CMOS es más simple que el TTL y tiene una mayor densidad de integración, lo que permite que se tengan más circuitos en un área determinada de sustrato y reduce el costo por función. La gran ventaja de los CMOS es que utilizan solamente una fracción de la potencia que se necesita para la serie TTL de baja potencia (74L00), adaptándose adaptándose de una forma ideal a aplicaciones aplicacio nes que utilizan la la potencia pote ncia

VI. 

A partir de esta investigación se puede concluir la importancia que representa el campo de la electrónica en la vida del ser humano y como esta facilita algunas de los procesos que se viven a diario. Además los conceptos presentados fueron una clave fundamental para aclarar la complejidad que esta rama representa para la mayoría de las  personas cuya práctica es más eficiente que la teoría, que si bien está en segundo plano p lano es la base  para poder hacer posible una práctica, de forma especial en principiantes del tema. t ema.

de una batería o con con soporte en una batería. El inconveniente de la familia CMOS es que es más

VII. 

lenta que la familia TTL, aunque la nueva serie CMOS de alta velocidad

“HCMOS” (SERIES (SE RIES

HC y HCT), que vio la luz en 1983, puede competir con las series bipolares avanzadas en cuanto a velocidad y disponibilidad de corriente, y con un consumo menor, con las series 74 y 74LS. El primer fabricante que produjo lógica CMOS, denominó a estos circuitos integrados como la serie 4000 (4000, 4001, etc.) y este sistema de numeración fue adoptado por otros fabricantes. Algunos fabricantes han producido una amplia

CONCLUSIÓN

✓ 

RECOMENDACIONES

Analizar el tema, que este sea el inicio de un conocimiento que propicie una mentalidadd de grandes proyectos mentalida

✓ 

Generar preguntas, indagar palabras o textos que garanticen garanticen más conocimien co nocimiento to de ser necesario

✓ 

Practicar con base en la teoría, de esta manera se sabrá que la información está entendida.

gama de componentes CMOS siguiendo 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 disposi tivos son compatibles compatibles

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Gonzales, Urmachea, Mabel. Circuitos El Cid Editor | apuntes, 2009. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral.proquest.com https://ebookcen tral.proquest.com/lib/uleam /lib/uleamecsp/d ecsp/d etail.action?docID=3181390. digitales,

 

[2] Notas de electrónica: aplicaciones de circuitos integrados, McGraw-Hill Interamericana, 1988. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral.proquest.com https://ebookcen tral.proquest.com/lib/uleamecs /lib/uleamecsp/d p/d etail.action?docID=3192806. [3] Floyd. Fundamento de Sistema DIGITALES, Pearson Educación S. A., Madrid 2006. [4] García, Domínguez, Juan Jesús, et al. Prácticas de laboratorio de sistemas electrónicos digitales, Servicio de Publicaciones. Universidad de Alcalá, 2018. ProQuest Ebook Central, https://ebookcentral.proquest.com https://ebookcen tral.proquest.com/lib/uleamecs /lib/uleamecsp/d p/d etail.action?docID=5636487. [5]

 Nació en Manta, Ecuador. Estudió en la Unidad Educativa

Fiscal

Manta,

donde obtuvo su diploma en Técnico en Contabilidad. Actualmente estudia el tercer semestre de Ingeniería en Tecnologías de la Información en la Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí, de la ciudad de Manta. E-mail: [email protected] [email protected]