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