Familias Logicas

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

FAMILIAS LOGICAS DOCENTE MATERIA

: URRUTIA MEDRANO JOSE A. : DIGITAL ii

NOMBRES :Anagua Montalvo Sergio Alejandro Fecha GESTION

: 19 DE OCTUBRE : 1-2015

Cochabamba-Bolivia

FAMILIAS LOGICAS Características generales de una familia lógica Una familia lógica es un conjunto de circuitos integrados que implementan distintas operaciones lógicas compartiendo la tecnología de fabricación y en consecuencia, presentan características similares en sus entradas, salidas y circuitos internos. La similitud de estas características facilita la implementación de funciones lógicas complejas al permitir la directa interconexión entre los chips pertenecientes a una misma familia. Teniendo en cuenta el tipo de transistores utilizados como elemento de conmutación, las familias lógicas pueden dividirse en dos grandes grupos: las que utilizan transistores bipolares y las que emplean transistores MOS. La primera familia lógica en aparecer en el mercado, a principios de la década del 60, fue implementada con lógica de transistores bipolares acoplados por emisor (ECL, Emitter Coupled Logic). A fin de desarrollar circuitos de alta velocidad los transistores conducen en zona activa y de esta manera se minimiza el tiempo de conmutación entre conducción y corte. Casi inmediatamente aparecieron otras familias lógicas basadas en transistores bipolares conmutando entre corte y saturación a fin de reproducir dentro de un chip los circuitos que hasta ese momento se realizaban utilizando componentes discretos. La primera de estas familias fue implementada con resistencias y transistores bipolares y se la identifica como lógica RTL (Resistor Transistor Logic). La integración de resistencias demanda gran cantidad de área de silicio, reduciendo la cantidad de compuertas que se podían incluir dentro de un mismo chip. Para mejorar el aprovechamiento del área algunas resistencias de los circuitos comenzaron a ser reemplazadas por diodos, principalmente en las etapas de entrada, dando lugar a la aparición de la lógica de diodos y transistores identificada como DTL (Diode Transistor Logic). Finalmente, los transistores multiemisor reemplazaron los diodos y se llegó a una topología circuital que dio lugar a una familia lógica basada fundamentalmente en transistores bipolares y una mínima cantidad de resistencias. Esta familia, denominada lógica TTL (Transistor Transistor Logic), se popularizó rápidamente y mantiene, aún en la actualidad, su vigencia.

Con el correr del tiempo la familia TTL se convirtió en un conjunto de familias lógicas que si bien entre sí difieren en velocidad, consumo de energía y costo, mantienen características de entrada y salida compatibles de manera que en un sistema digital pueden mezclarse componentes de distintas familias TTL. Los principales inconvenientes de los circuitos con transistores bipolares son el alto consumo y, como consecuencia, la baja escala de integración admisible (cantidad de dispositivos posibles de integrar en un mismo chip) que se relaciona directamente con una baja complejidad del circuito. Como alternativa para soslayar estos inconvenientes y facilitar el aumento del nivel de integración surgieron las familias basadas en transistores de efecto de campo de compuerta aislada (MOS, metal oxide semiconductor) de enriquecimiento. En esta tecnología, los circuitos lógicos pueden ser implementados íntegramente con transistores MOS evitando la presencia de resistencias, en consecuencia, para implementar una función lógica dada se ocupa menor área de silicio con un proceso de fabricación más simple. Además del hecho que, dado que los transistores MOS son controlados por tensión y no permiten la circulación de corriente en sus entradas, requieren menos potencia para su funcionamiento facilitando el aumento de la escala de integración. Teniendo en cuenta que los transistores MOS tienen un único tipo de portadores, y en el caso de los transistores con canal tipo N (NMOS) los portadores son electrones que tienen una movilidad considerablemente mayor que la de los huecos responsables de la conducción en los de canal P (PMOS), las primeras familias lógicas de transistores MOS se basaban en transistores de canal tipo N, siendo conocida como familia NMOS. A fines de los setenta surgieron procesos tecnológicos que permitían integrar transistores canal N y canal P simultáneamente en una misma pastilla. De esta manera surge la tecnología de transistores MOS complementarios (CMOS, complementary MOS). El conjunto de familias CMOS posee ventajas indudables sobre la TTL, y aún sobre la misma NMOS; sobre todo en cuanto al mínimo consumo de potencia haciendo que rápidamente se estableciera como el estándar dando lugar a un aumento vertiginoso de la escala de integración hasta llegar a poner cientos de millones de transistores en un mismo chip. Las familias TTL no han experimentado cambios importantes en los últimos años, mientras que la permanente evolución de la tecnología CMOS puso a

disposición familias CMOS capaces de reemplazar en forma directa los integrados TTL incluso con mejor rendimiento. Las familias TTL siguen estando presentes en el mercado si bien a partir de mediados de los ochenta los circuitos CMOS fueron ganando rápidamente el primer lugar en preferencias. El importante y permanente desarrollo de la tecnología CMOS llevó a la aparición de circuitos con cada vez mayor velocidad de respuesta y nivel de complejidad, imponiéndose como la preferida en el diseño de microprocesadores y microcontroladores. En los ochenta, la sistematización del diseño de circuitos integrados CMOS abrió la posibilidad de implementar circuitos integrados a medida del usuario surgiendo importantes líneas de trabajo alrededor del desarrollo de circuitos integrados de aplicación específica (ASIC, Application Specific Integrated Circuits), con esta tecnología surgen y se desarrollan los dispositivos de lógica programable en campo, y procesos que permiten integrar un sistema complejo completo dentro de un único chip. Hoy la tecnología CMOS ha reemplazado casi totalmente a las tecnologías basadas en transistores bipolares no sólo en circuitos digitales sino también en circuitos analógicos. Elementos de Análisis de las Familias Lógicas o Características.-Su diseño, condiciones de uso, ventajas, desventajas. o Subfamilias.-Son las derivadas de las familias principales como las TTL y CMOS, las cuales poseen características especiales propias. o Velocidad.-La rapidez de respuesta de las salidas de un circuito digital a cualquier cambio en las entradas. La velocidad es una consideración importante en el diseño de sistemas que deben realizar cálculos numéricos o en circuitos que trabajan con señales de alta frecuencia. o Potencia.- El consumo de potencia mide la cantidad de corriente o de potencia que consume un circuito digital en operación. El consumo de potencia es una consideración importante en el diseño de sistemas operados por baterías. o Voltaje de Alimentación.- Los circuitos digitales deben tener un nivel adecuado de alimentación para un buen desempeño. o Capacidad de Carga.- En general se requiere que la salida de un circuito lógico controle varias entradas lógicas. La capacidad de carga se define como el número máximo de entradas lógicas que puede controlar una salida de manera confiable.(Fan out—Fan In)

o Tiempos de Propagación.- Una señal lógica siempre experimenta un retraso al pasar a través de un circuito. Se definen como: t PLH Tiempo que tarda la compuerta en cambiar del estado de 0 lógico al de 1 (de BAJO a ALTO). t PHL

Tiempo que tarda la compuerta en cambiar del estado de 1 lógico

al de 0 (de ALTO a BAJO). o Inmunidad al ruido.- En un circuito lógico se refiere a la habilidad de ese circuito para tolerar el ruido sin producir cambios espurios en el voltaje de salida. FAMILIAS DE TECOLOGIA BIPOLAR Familia RTL Resistor-Transistor Logic (Lógica de Resistencia a Transistor) La primera familia de circuitos integrados digitales comercialmente disponible fue la serie 900 de Fairchild Semiconductor, introducida en 1961. Los chips de esta familia, denominada RTL, operaban a 3.2V y utilizaban internamente resistencias y transistores para realizar operaciones lógicas. Actualmente son practicamente obsoletas pero fueron muy populares en su aparicion. Familia DTL Diode-Transistor Logic (Lógica de Diodo a Transistor) La familia RTL dio paso a otra familia de circuitos integrados digitales construidos a base de diodos y transistores. A esta nueva familia se le denomino DTL. Actualmente son practicamente obsoletas pero representaron una mejora a los RTL. Familia I²L Integrated Injection Logic La tecnología I²L por su parte, se utiliza en aplicaciones de alta integración, como relojes, sintetizadores de sonidos, microprocesadores, etc., combinada generalmente con circuiteria analoga. Se caracteriza por su bajo consumo de potencia. Familia TTL Transistor-Transistor Logic Introducida originalmente por Texas Instruments en 1964. La familia TTL esta disponible en dos versiones: la serie 54 y serie 74. La primera se destina a aplicaciones militares y la segunda a aplicaciones industriales y de proposito

general. Los dispositivos de la serie 54 tienen rangos de operación de temperatura y voltaje mas flexibles (desde -55 hasta 125ºC contra 0 a 70ºC de la serie 74 ). Se tienen en presentaciones de variedad de compuertas y flip-flops en la linea de integracion a pequeña escala (SSI), y contadores, registros, multiplexores, decodificadores/codificadores y demas funciones logicas en su linea de integracion a mediana escala (MSI). Subfamilias de TTL: Subfamilia TTL Estándar 74XX Se designan como 74xx (7400, 7447, etc). 74xxx (74123, 74193, etc.), 8xxx (8370, 8552, etc.) y 96xx (9601, 9615, etc). Las más utilizadas son las series 74xx y 74xxx. Estos dispositivos siguen disponibles, pero en la mayoría de los casos no son una opción razonable para los nuevos diseños, ya que ahora están disponibles otros dispositivos con un rendimiento mucho mayor y a un menor costo. Esta familia opera mediante el uso de la conmutación saturada. Esta operación produce un retraso en el tiempo de almacenamiento ts cuando los transistores cambian de ENCENDIDO a APAGADO y limita la velocidad de conmutación del circuito.

Subfamilia TTL Baja Potencia 74LXX Se designan como 74Lxx (74L00, 74L47, etc). 74Lxxx (74123, 74193, etc.), Consumen 10 veces menos potencia que los dispositivos TTL estándares correspondientes pero son 4 veces más lentos. Subfamilia TTL Alta Velocidad 74HXX Se designan como 74Hxx (74H05, etc). 74Hxxx (74H123, etc.), Consumen 2.5 veces más potencia que los dispositivos TTL estándares pero son 2 veces más rápidos. Subfamilia TTL Schottky 74SXX

Se designan como 74Sxx (74S00, etc). 74Sxxx (74S181, etc.), Consumen 1.8 veces más potencia que los dispositivos TTL estándares pero son 4 veces más rápidos. Se reduce el retraso en el tiempo de almacenamiento al no permitir que el transistor caiga tanto en saturación. Para ello utiliza un diodo de barrera Schottky (SBD), el cual se conecta entre la base y el colector de cada transistor. Los circuitos 74S también utilizan un par Darlington para proveer un tiempo de elevación de salida más corto cuando cambian de ENCENDIDO a APAGADO. Subfamilia TTL Schottky de Baja Potencia 74LSXX Se designan como 74LSxx (74LS83, etc). 74LSxxx (74LS121, etc.). Consumen 5 veces menos potencia que los dispositivos TTL estándares y son igual de rápidos. Esta es la subfamilia más utilizada entre todas las divisiones de la familia TTL. Es una versión de menor velocidad y potencia que la serie 74S. Utiliza el transistor Schottky-clamped, pero con valores de resistencia más grandes que la serie 74S. Estos valores de resistencia mayores reducen el requerimiento de energía del circuito, pero a expensas de un incremento en los tiempos de conmutación.

Subfamilia TTL Schottky Avanzada de Baja Potencia 74ALSXX Se designan como 74ALSxx (74ALS00, 74ALS47, etc). 74ALSxxx. Consumen la mitad de la potencia requerida por los dispositivos LS equivalentes y son el doble de rápidos. Esta es una versión mejorada de la serie 74LS, en tanto en velocidad como en disipación de potencia. Subfamilia TTL Schottky Avanzada 74ASXX Se designan como 74ASxx (74AS00, 74AS93, etc). 74ASxxx. Proporciona los más cortos tiempos de propagación que el estado actual de

tecnología bipolar puede ofrecer y su consumo es intermedio entre TTL estándar y LS. Las innovaciones en el diseño de circuitos integrados condujeron al desarrollo de la serie Schottky avanzado (74AS) los cuales proporcionan una mejora considerable en velocidad, en comparación con la serie 74S, con un requerimiento mucho menor de energía, también se tiene requerimientos menores de corriente de entrada, lo cual produce una capacidad de carga mayor que la serie 74S. Subfamilia TTL Rápida 74FXX Se designan como 74Fxx (74F74, 74F93, etc). 74Fxxx. Esta serie utiliza una nueva técnica de fabricación de circuitos integrados para reducir las capacitancias entre dispositivos y por ende se logra reducir los tiempos de propagación. CARACTERISTICAS: Niveles lógicos Existen cuatro especificaciones diferentes para los niveles lógicos: VIL, VIH, VOL y VOH.

Voltaje de Alimentacion Las compuertas de la familia TTL utilizan un voltaje de alimentacion nominal (Vcc) de 5V, pero pueden tolerar una variacion de esta de 4.5 a 5.5V

Disipacion de Potencia Una compuerta NAND TTL ALS disipa una potencia promedio de 2.4mW. Esto se debe a que IccH=0.85mA e IccL=3mA, lo cual produce Icc (prom)=1.93 mA y Pd(prom)=1.93mA*5V=9.65mW. Estos son la potencia total requerida por las cuatro compuertas en el chip. Por ende, una compuerta NAND requiere una potencia promedio de 2.4mW. Tiempos de Propagacion La hoja de datos proporciona los tiempos de propagacion minimo y maximo. Suponiendo que el valor tipico es una cantidad intermedia, tenemos que t PLH =7 ns t PHL=5 ns y El retraso de propagacion promedio total t pd (prom)=6 ns . Circuito de salida en forma de totem El arreglo en forma de totem de circuito TTL Es importante ya que mantiene la disipacion de energia del circuito en un nivel bajo. Una desventaja del arreglo de salida en forma de totem se produce durante la transicion de BAJO a ALTO. Acción de Drenado y Suministro de Corriente Una salida TTL actúa como un drenador o sumidero de corriente en el estado BAJO, ya que recibe corriente de la entrada de la compuerta que está controlando. En el estado ALTO, una salida TTL actúa como un suministro de corriente o fuente de corriente. Como es de notar en un análisis más profundo se puede notar que la corriente en estado alto es una pequeña corriente de fuga con polarización inversa (por lo general 10uA).

Análisis de la capacidad de carga de la familia TTL

El fan-out es el número máximo de entradas de carga que se pueden conectar sin afectar adversamente a las características de operación especificadas de la puerta. En TTL, la capacidad de la corriente de sumidero (estado de salida a nivel BAJO) es el factor más crítico en la determinación del fan-out. El fan-out es el número máximo de entradas de carga que se pueden conectar sin afectar adversamente a las características de operación especificadas de la puerta. Por ejemplo, las TTL Schottky de bajo consumo (LS) tienen un fan-out de 20 unidades de carga. Una entrada de la misma familia lógica que la puerta excita- dora se llama unidad de carga. La

corriente total de sumidero también aumenta con cada entrada de carga que se añade, como muestra la Figura 14.14. 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 cargas, VOL se hará mayor que VOL(máx), reduciéndose el margen de ruido para el nivel BAJO. En TTL, la capacidad de la corriente de sumidero (estado de salida a nivel BAJO) es el factor más crítico en la determinación del fan-out.

Transitorios de Corriente Los circuitos lógicos TTL sufren transitorios o picos de corriente generados en forma interna debido a la estructura en forma de tótem. Pues hay un intervalo corto de tiempo (cerca de 2ms) durante la transición de conmutación cuando ambos transistores están conduciendo y se drena bastante corriente de la alimentación Vcc +5. La duración de este transitorio de corriente se extiende por los efectos de cualquier capacitancia de carga en la salida del circuito. Por tanto cada vez que una salida TTL en forma de tótem cambia de BAJO a ALTO, se drena un pico de corriente de alta amplitud de Vcc. COMPARACION DE CARACTERISTICAS DE LAS SERIES TTL Clasificaciones de Rendimiento

74

Tiempo de Propagación (ns) 9 Disipacion de Potencia (mW) 10 Frecuencia máxima de reloj (MHz) 35 Capacidad de carga (misma serie) Fan-out 10 Parámetros de Voltaje V OH (min ) (V ) – voltaje de salida de nivel 2.4

74S 3 20 125 20

74L S 9.5 2 45 20

74A S 1.7 8 200 40

2.7

2.7

74ALS 74F 4 1.2 70 20

3 6 100 33

2.5

2.5

2.5

alto V OL(max) (V )

– voltaje de salida nivel 0.4

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

bajo V IH (min) (V )

– voltaje de entrada nivel 2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

alto V IL (max ) (V )

– voltaje de entrada nivel 0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

bajo Parámetros de Corriente I OH (mA ) – corriente de entrada nivel 0.4

1

0.4

2

0.4

1

alto I OL (mA )

– corriente de entrada nivel

16

20

8

20

8

20

bajo I IH (uA)

– corriente de entrada nivel

40

50

20

20

20

20

alto I IL (mA )

– corriente de salida nivel

1.6

2

0.4

0.5

0.1

0.6

bajo

Familia ECL (Emitter-Coupled Logic) Esta es otra familia lógica bipolar que evita la saturación del transistor, con lo que se incrementa la velocidad de conmutación en general. A esta familia lógica en general se le conoce como lógica de acoplamiento por emisor (ECL), la cual opera en base al principio de conmutación de corriente, en el cual una corriente de polarización fija menor que I C ( sat) se cambia del colector de un transistor a otro. Debido a esta operación en modo de corriente, a esta forma lógica también se las conoce como lógica en modo de corriente (CML) Esta serie lógica presume de un tiempo de propagación máximo de las compuertas de 500 ps (que equivale a las mitad de un nanosegundo) y velocidades de conmutación de los FFs de 1.4 GHz. Algunos dispositivos en esta serie tienen tiempos en las compuertas de solo 100ps a una potencia promedio de 5mW. A continuación se listan las características más importantes: - La velocidad de conmutación es muy alta. El tiempo de propagación típico es de 360 ps con lo cual ECL es más rápida que cualquiera de los miembros de las familias TTL o CMOS - Los niveles lógicos nominales son -0.8 y -1.7 para el 1 y 0 lógicos, respectivamente. La serie ECLin PS es total mente compatible en voltajes son las series de anteriores de ECL - Los márgenes de ruido de ECL para el peor de los caos son de aproximadamente 150 mV. Estos márgenes de ruido tan bajos hacen que ECL sea poco confiable para usarse en ambientes industriales pesados

-

Por lo general, un bloque lógico ECL produce una salida y su complemento. Esto elimina la necesidad de inversor. El control complementario de alta corriente también hace de ECL un excelente reforzador de líneas para conductor de par trenzado - Por lo general, las capacidad de carga es un valor cercano a 25, debido a las salidas de seguidor de emisor de baja impedancia Familia Lógica ---------------- 74A 74F 74AHC 74AVC 74ALVT 74ALB ECL S Tiempo de Propagación (ns) 1.7 3.8 3.7 2 2.4 2.2 0.3 Disipación de Potencia (mW) 8 6 0,006 0.006 0.33 1 25 100KHz Margen de ruido para el peor 300 300 550 250 400 400 150 caso mV Velocidad máxima de reloj (MHz) 200 100 130 * * * 140 0 - La disipación de potencia típica es de 25 mW un poco más alta que la de la serie 74 AS

Familia CMOS: Las siglas CMOS corresponden a Complementary Metal-Oxide Semiconductor (metal-óxido semiconductor complementario). El término complementario se refiere a la utilización de dos tipos de transistores en el circuito de salida. Se

usan MOSFET (MOS Field-Effect Transistor, transistor de efecto de campo MOS) de canal-n y de canal-p. Esta tecnología fue utilizada inicialmente en aplicaciones aeroespaciales y militares, debido a su bajo consumo. No se comenzó a utilizar a nivel de usuario hasta 1968. A pesar de encontrarse inicialmente con una serie de dificultades, como que era una tecnología desconocida (frente a la popular TTL) y que apenas había información sobre ella. En la actualidad, es tan popular y utilizada e incluso más que la lógica TTL, debido principalmente a las siguientes características: Muy bajo consumo. Amplio margen de tensión de alimentación. Alta inmunidad al ruido. La tecnología MOS (Metal Oxido Semiconductor) deriva su nombre de la estructura MOS básica de un electrodo metálico sobre un aislante de óxido, sobre un sustrato semiconductor. Los transistores de la tecnología MOS son transistores de efecto de campo, a los cuales se les conoce como MOSFETs. Esto significa que el campo eléctrico en el lado del electrodo metálico del aislante de óxido tiene un efecto sobre la resistencia del sustrato. La mayoría de los CIs digitales MOS están construidos en su totalidad a partir de MOSFETs y de ningún otro componente. Además, los dispositivos MOS ocupan mucho menos espacio en un chip que los transistores bipolares, lo que es más importante los CIs digitales MOS, por lo general, no utilizan los elementos tipo resistencia de los CIs, que ocupan la mayor parte del área del chip de los CIs bipolares. Todo esto significa que los CIs MOS pueden alojar un número mucho mayor de elementos de circuito en un solo chip, en comparación con los CIs bipolares. Esta ventaja se ilustra mediante el hecho de que los CIs MOS han dominado a los CIs bipolares en el área de la integración a gran escala (LSI, VLSI).

Familia

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductors La familia CMOS es, junto con la TTL, una de las familias lógicas más populares. Utiliza transistores MOSFET complementarios (canal N y canal P) como elementos básicos de conmutación. CMOS es en español Semiconductores complementarios de óxido metálico. Los circuitos integrados se pueden agrupar en las siguientes categorías o subfamilias básicas:

CT==Compatibilidad de terminales EF==Equivalente Funcional CE==Compatible Eléctricamente Subfamilia CMOS Estándar 4000/14000 La serie CMOS más antigua es las serie 4000, introducida por primera vez por RCA, y su equivalente funcional, la serie 14000 de Motorola. Los dispositivos en las series 4000/14000 tienen una disipación de potencia muy baja y pueden operar sobre un amplio intervalo de voltajes de alimentación de energía (de 3 a 15 V). Son muy lentos si se comparan con los dispositivos TTL y las demás series CMOS, y tienen una capacidad de corriente de salida

muy baja. No compatibles en las terminales ni compatibles eléctricamente con las series TTL. Los dispositivos de las series 4000/14000 raras veces se utilizan en nuevos diseños, excepto cuando hay un CI de propósito especial disponible, que no encuentra disponibles en otras series. Son NCT, EF, NCE. Subfamilia CMOS De Alta Velocidad y/o compatible con TTL 74HC/HCT Su mejora radica en un aumento de diez veces en la velocidad de conmutación (comparable con la de los dispositivos de la serie 74LS). Otra mejora es una mayor capacidad de corriente en las salidas mucho mayor que los primeros CIs de las serie 7400 CMOS. Los CIs 74HC/HCT son compatibles en las terminales y equivalentes funcionales de los CIs TTL son el mismos número de dispositivos. Los dispositivos 74HCT son compatibles eléctricamente con los TTL, pero los dispositivos 74HC no. Por ejemplo, esto significa que un chip INVERSOR hexadecimal 74HCT04 puede sustituir un chip 74LS04, y viceversa. También significa que un CI 74HCT puede conectarse directamente a cualquier CI TTL. 74HC son CT, EF, NCE. 74HCT son CT, EF, CE. Subfamilia CMOS Equivalente a TTL 74C Comprende los dispositivos designados como 74CXX y 74CXXX (74C14, 74C164, etc). Son pin por pin y función por función equivalentes a los dispositivos TTL correspondientes (especialmente los de la serie 74L). Conservan todas las características comunes a los dispositivos CMOS estándares: baja disipación de potencia, buena velocidad de operación, amplios márgenes de voltaje, alta inmunidad al ruido, etc. Son CT, EF, NCE Subfamilia CMOS Avanzado 74AC/ACT A esta serie se le conoce por lo común como ACL, por lógica CMOS avanzada. La serie es equivalente funcional de las diversas series TTL, pero no es compatible en terminales con TTL ya que las disposiciones de las terminales en los chips 74AC o 74ACT se eligieron de manera que se mejorara la inmunidad al ruido, por lo que las entradas de los dispositivos son menos sensibles a los cambios de señal que ocurren en las terminales de otros CIs. Los dispositivos 74AC no son compatibles eléctricamente con TTL; los dispositivos 74ACT pueden conectarse directamente a los dispositivos TTL.

La numeración de los dispositivos para esta serie difiere un poco de la correspondiente para las series TTL, 74C, y 74HC/HCT, ya que utiliza un numero de dispositivo de cinco dígitos, el cual comienza con los dígitos 11. Los siguientes ejemplos ilustran esto: 74AC11 004 == 74HC 04 74ACT11 293 == 74HCT 293 74AC son NCT, EF, NCE 74ACT son NCT, EF, CE Subfamilia CMOS Avanzado de Alta Velocidad 74AHC/AHCT Esta serie de dispositivos CMOS ofrece un ruta de migración natural de las serie HC a las aplicaciones más rápidas, de menos potencia y de bajo control. Los dispositivos en esta serie son tres veces más rápidos y pueden utilizarse como reemplazo directos para los dispositivos de las serie HC. Ofrecen una inmunidad al ruido similar a la serie HC, sin los problemas de sobredisparo/subdisparo que a menudo se asocian son las características de control más altas requeridas para una velocidad comparable. 74AHC son NCT, EF, NCE

74AHCT son NCT, EF, CE

ANALISIS DE SUBFAMILIAS CMOS Niveles lógicos

Voltaje

de

Alimentacion Los dispositivos de las series 4000/14000 y 74C operan con valores de VDD que varian entre 3 y 15V, lo cual los hace muy versatiles. Pueden utilizarse en circuitos en los que se utiliza un voltaje de alimentacion mas alto para obtener los margenes de ruido requeridos para su operación en un ambiente con mucho ruido. Las series 74HC/HCT, 74AC/ACT y 74AHC y AHCT operan a traves de un intervalo mucho mas estrecho de voltajes de alimentacion, por lo general entre 2 y 6V. Tambien hay disponibles series logicas que estan diseñadas para operar a voltajes menores (por ejemplo, 2.5 o 3.3V). Cada vez que se interconectan dispositivos que utilizan distintos voltajes de alimentacion en el mismo sistema digital, hay que tomar medidas especiales. Disipacion de Potencia La disipacion de potencia en un circuito TTL es esencialmente constante dentro de su rango de operación. Sin embargo, la disipacion de potencia en CMOS depende de la frecuencia. En condiciones de estatica (DC) es extremadamente baja y aumenta cuando aumenta la frecuencia. En las curvas generales de la siguiente figura se muestran estas caracteristicas. Por ejemplo, la disipacion de potencia de una puerta TTL Schotty de bajo

consumo es 2.2 mW siempre (constante). La disipacion de potencia de una puerta HCMOS es 2,75uW bajo condiciones estaticas y 170uW a 100KHz.

Velocidad de conmutacion Aunque los dispositivos CMOS al igual que N-MOS y P-MOS, tienen que controlar capacitancias de carga relativamente grandes, su velocidad de conmutacion es un poco mas rapida debido a su baja resistencia de salida en cada estado. Una salida N-MOS debe cargar la capacitancia de carga a traves de una resistencia relativamente grande (100KΩ). En el circuito CMOS, la resistencia de salida en el estado ALTO es la Renc del P-MOSFET, que por lo general, es de 1KΩ o menor. Esto permite una carga mas rapida de la capacitancia de carga. Una compuerta NAND ordinaria en la serie 74HC o 74HCT tiene un t pd promedio aproximado de 8ns cuando se opera a VDD= 5V. Una compuerta t pd NAND 74AC/ACT tiene un promedio aproximado de 4,7ns. Una compuerta NAND 74AHC tiene un

t pd

promedio aproximado de 4.3ns.

Operación del circuito CMOS NOT

Margenes

de Ruido

Margen de ruido a nivel bajo (VNIL): VNIL = VILmáx - VOLmáx Margen de ruido a nivel alto (VNIH): VNIH = VOHmín - VIHmín Los márgenes de ruido son los mismos en ambos estados y dependen de VDD. En VDD = 5 V, los márgenes de ruido son 1.5 V. Observamos una mayor inmunidad al ruido que las TTL, siendo CMOS una atractiva alternativa para aplicaciones que están expuestas a un medio con mucho ruido. Evidentemente, los márgenes ruido pueden mejorarse utilizando un valor mayor de VDD a expensas de un mayor consumo de potencia debido al mayor voltaje de alimentación. Supongamos que trabajamos a un nivel bajo de VOL = 0,4 V con VIL máx = 0,8 V. En estas condiciones tendremos un margen de ruido para nivel bajo de: VNIL = 0,8 – 0,4 = 0,4. Puertas CMOS en drenador abierto Puesto que las salidas del CMOS convencionales nunca deben conectarse juntas. Entonces surgen las compuertas de drenador abierto, si las salidas se conectan a un cable comun debe conectarse una resistencia hacia Vcc y el conector comun debe estar conectado a esta resistencia. De este modo se conforma una AND alambrada usando las compuertas inversoras. Acción de Drenado, Suministro de Corriente y Capacidad de carga (fan-out)

La carga CMOS difiere de la TTL en que en la lógica CMOS se utiliza transistores de efecto de campo (FET), que presentan una carga predominante capacitiva a la puerta excitadora, como se ilustra en la imagen siguiente. En este caso, las limitaciones vienen dadas por los tiempos de carga y descarga asociados con la resistencia de salida de la puerta excitadora y la capacitancia de entrada de las puertas de carga. Cuando la salida de la puerta excitadora está a nivel ALTO, la capacitancia de entrada de la puerta de carga se carga a través de la resistencia de salida de la

puerta excitadora. Cuando la salida de la puerta excitadora esta en nivel BAJO, la capacidad se descarga. Cuando se añaden más entradas de puertas a la salida de la puerta excitadora, la capacitancia total aumenta, puesto que las capacitancias de entrada están en paralelo. Este aumento de la capacitancia aumenta los tiempos de carga y descarga, por lo que se reduce la frecuencia máxima a la que la puerta puede funcionar. Por tanto, el fan-out de una puerta CMOS depende de la frecuencia de operación. Así, la capacidad de carga CMOS depende del máximo tiempo de propagación permisible. Por lo general, las salidas CMOS están limitadas a una capacidad de carga de 50 para la operación en baja frecuencia (1MHz). Desde luego que para la operación a frecuencia más alta, la capacidad de carga tendría que ser menor. Entradas CMOS desconectadas (flotantes) Las entradas CMOS nunca se deben dejar desconectadas. Todas las entradas CMOS deben conectarse ya sea a un nivel de voltaje fijo (0V o Vdd) o a otra entrada. Esta regla se aplica incluso a las entradas de las compuertas lógicas adicionales que no se utilicen en un chip. Una entrada CMOS desconectada esta susceptible al ruido y las cargas estáticas que podrían polarizar fácilmente los MOSFETs de canal P y canal N en el estado conductivo, lo cual produciría un aumento en la disipación de potencia y un posible sobrecalentamiento. Una entrada desconectada de una puerta TTL actúa como un nivel lógico ALTO, ya que una entrada en abierto da lugar a una unión de emisor polarizada en inversa en el transistor de entrada, al igual que un nivel ALTO. Sin embargo, debido a la sensibilidad al ruido, es mejor no dejar las entradas no utilizadas desconectadas. Sensibilidad estática Todos los dispositivos electrónicos, en mayor o menor grado, son sensibles al daño debido a la electricidad estática. El cuerpo humano es un excelente almacén de cargas electrostáticas. Las familias lógicas MOS (y todos los MOSFETs) son en especial susceptibles al daño por la carga electrostática. Toda esta diferencia de potencial que se aplica a través de la película de óxido sobrepasa la capacidad de aislamiento dieléctrico de la película. Cuando se rompe, el flujo de corriente resultante

(descarga) es como un golpe de rayo, el cual hace un hoyo en la capa de óxido y daña el dispositivo en forma permanente. Efecto de cierre Debido a la existencia inevitable de transistores PNP y NPN parásitos (indeseables) integrados en el sustrato de los CIs CMOS, puede producirse una condición como efecto cierre bajo ciertas circunstancias. Si estos transistores parásitos en un chip se disparan y empiezan a conducir, se cerraran (permanecerán encendidos en forma permanente) y podría fluir una corriente muy grande, con lo que se destruiría el CI.

COMPARACION DE CARACTERISTICAS DE LAS SERIES CMOS Clasif. De 4000 Rendimien B to 3,5 V IH (min) (V )

74H C

74HC T

74A C

74AC T

74AH C

74AH CT

3,5

2,0

3,5

2,0

3,85

2,0

74

74L S

74AS

74A LS

2,0

2,0

2,0

2,0

V IL (max ) (V )

1,5

1,0

0,8

1,5

0,8

1,65

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

V OH (min ) (V )

4,95

4,9

4,9

4,9

4,9

4,4

3,15

2,4

2,7

2,7

2,5

V OL(max) (V )

0,05

0,1

0,1

0,1

0,1

0,44

0,1

0,4

0,5

0,5

0,5

V NH (uA)

1,45

1,4

2,9

1,4

2,9

0,55

1,15

0,4

0,7

0,7

0,7

V NL (mA )

1,45

0,9

0,7

1,4

0,7

1,21

0,7

0,4

0,3

0,3

0,4

Familia NMOS Los dispositivos NMOS se han desarrollado a medida que la tecnología de procesamiento mejoraba, y ahora la mayoría de las memorias y microprocesadores utilizan NMOS. En los circuitos NMOS se utiliza el transistor MOS de canal-n. Familia PMOS Una de las primeras tecnologías para producir circuitos MOS de alta densidad fue la PMOS. Utilizaba transistores MOS de canal-p en modo de acumulación para producir los elementos de puerta básicos. El funcionamiento de la puerta PMOS es el siguiente: la tensión de alimentación Vgg es una tensión negativa y Vcc es una tensión positiva o masa (0V). El transistor Q3 esta polarizado permanentemente para crear una resistencia de drenador-fuente constante. Su único propósito es funcionar como resistencia limitadora de corriente.

Si se aplica un nivel ALTO (Vcc) a la entrada A o B, entonces Q1 o Q2 no conducen, y la salida se fuerza a una tensión próxima a Vgg, lo que representa un nivel BAJO. Familia E²CMOS La tecnología E²CMOS está basada en una combinación de las tecnologías CMOS y NMOS y se utiliza en los dispositivos GAL (Generis Array Logic). Una celda E²CMOS se construye a partir de un transistor MOS con una puerta flotante, que se carga o descarga externamente por medio de una pequeña corriente de programación. Cuando la puerta flotante se carga a un potencial positivo eliminando electrones, el transistor se activa, almacenando un cero binario. Familia BiCMOS La serie 74LVT (Tecnología BiCMOS de bajo voltaje) contiene piezas BiCMOS que están diseñadas para aplicaciones de interface de bus de 8 bits y de 16 bits. Al igual que en la serie LVC, las entradas pueden manejar niveles lógicos de 5V y sirven como un traductor de 5V a 3V. Como los niveles de salida son equivalentes a los niveles TTL, son totalmente compatibles eléctricamente con TTL. La serie 74ALVT (Tecnología BiCMOS avanzada de bajo voltaje) es una mejora en relación con la serie LVT. Ofrece la operación con 3.3V o 2,2V a 3ns y sus terminales son compatibles con las de las series ABT y LVT existentes. También está diseñada para aplicaciones de interface de bus. Entre otras series 74ALB (BiCMOS avanzada de bajo voltaje), 74VME (Modulo VERSA Eurocard) está diseñada para operar con la tecnología de bus VME estándar.