Laboratorio Laboratorio Nº 01: HOJA DE DATOS DE FABRICANTES, ÁLGEBRA DE BOOLE José Palomino Jáuregui, Eddy Yosimar Quevedo Meza, Jim Irvin Cormán Hijar Facultad de Ingeniería Ingeniería Eléctrica Eléctrica y Electrónica, Electrónica, Universidad Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú Perú
[email protected] [email protected] [email protected]
INTRODUCCIÓN El siguiente Informe Previo muestra básicamente los circuitos implementados en el Laboratorio, los cuales buscan el manejo e implementación de los CI y en general la utilización de las hojas de datos de los fabricantes, el cual servirá como base para el desarrollo del curso. CARACTERÍSTICAS DE LA FAMILIA TTL
I.
Las características destacables de estos componentes son las siguientes:
OBJETIVO
El laboratorio de acuerdo a sus experimentos tiene como finalidad:
Identifique los cicrcuitos integrdos de tecnología digital. Compruebe el funcionamiento de los circuitos integrados TTL y CMOS.
Uso del manual de circuitos integrados y terminología empleada
II. A.
TEORÍA
Cir cuitos i ntegrados ntegrados
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, de área, sobre sobre la que se fabrican circuitos fabrican circuitos electrónicos que está protegida dentro de un encapsulado un encapsulado de plástico o cerámica.
B.
Tensión de alimentación: 5 voltios con una tolerancia de 4.5 V a 5.5 voltios. Niveles lógicos: entre 0.0 V y 0.8 V para el nivel baj o (L) y entre 2.4 V y 5 V para el nivel alto (H), ya que est os chips son activados por a ltos y baj os, o también llamados 0 y 1, dígitos del sistema binario utilizados para estos usos usos en la electrónica. Código identificador: el 74 para los comerciales y el 54 para los de diseño militar. Estos últimos son chips más desarrollados, ya que los de serie 74 s oportan menos rangos de temperaturas. Temperatura de trabajo: de 0 °C a 70 °C para la serie 74 y de -55º hasta los 125 °C para la 54.
C.
T ecnol ogía CM OS
La familia CMOS (MOS complementaria) es muy popular en la actualidad en el diseño de sistemas digitales debido a su muy bajo consumo de potencia, elevada capacidad de integración, buena inmunidad al ruido y su bajo consumo.
T ecnología T T L
TTL es la sigla en inglés de transistor-transistor logic, es decir, «lógica transistor a transistor». Es una familia una familia lógica o lo que es lo mismo, una tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales. electrónicos digitales. En los componentes fabricados con tecnología TTL los elementos de entrada y salida del dispositivo son transistores son transistores bipolares.
CARACTERÍSTICAS DE LA FAMILIA CMOS
Disipación de potencia: Es la ventaja más sobresaliente de esta familia. Una compuerta CMOS típica consume aprox.10 nW (nano watios). Esto es una ventaja muy grande en equipos portátiles. Velocidad: Los dispositivos CMOS son más lentos que los TTL pero lo suficientemente rápidos para la mayoría de las aplicaciones. Pueden trabajar a frecuencias de hasta 10MHz y
posen tiempos de propagación del orden de 10 a 50nS por compuerta.
Tensión de alimentación: Los dispositivos CMOS poseen un amplio rango de operación que va desde 3 a 18V. La tensión de alimentación se designa con VDD. Algunos sistemas digitales usan dispositivos CMOS y TTL en conjunto. En estos casos se utiliza una tensión de alimentación única de +5V. En el caso de que las tensiones de alimentación sean distintas, debemos utilizar una “interfaces” para hacer compatibles l os niveles lógicos. Niveles lógicos: Los dispositivos CMOS reconocen como ‘0’ lógico en sus entradas a niveles de tensión de 0 a 0.3 VDD, y reconocen un ‘1’ lógico tensiones entre 0.7 VDD y VDD. Por ejemplo si se alimenta un dispositivo CMOS con 10V, entonces interpretará una tensión entre 0 y 3V como ‘0’ lógico y una tensión entre 7 y 10V como ‘1’ lógic o. Inmunidad al ruido: Esta es una característica muy sobresaliente de esta familia. Los dispositivos CMOS son esencialmente inmunes al ruido electromagnético externo. Fan-out: Si no se requiere un funcionamiento de alta velocidad, se pueden conectar hasta 50 puertas a una misma salida. Retardo de propagación: Los dispositivos CMOS estándar (serie 4000) son mucho más lentos que los TTL. Pero las subfamilias recientes han ido solucionando este hecho, por ejemplo los dispositivos 74ACXX y 74ACTXX poseen retardos de aproximadamente 7 ns mientras que los nuevos miembros LVT, ALVC, ALVT tienen retardos de 2.5 ns.
III.
EQUIPOS Y MATERIALES
Los materiales a utilizar en el laboratorio son: 1 Fuente de alimentación regulada variable +5VDC 2 Protoboard.
1 Alicate de punta y 1 alicate de corte.
Cable telefónico para conexiones.
Resistencias de 330 Ω y ¼ W. Diodos LED.
Osciloscopio
Multímetro
Familia de CI:
5.0V
5.0V
2.4V
2.0V
No Permitido
0.8V
0.4V
0.0V
0.0V
No Permitido
Niveles lógicos de un circuito TTL
2. Niveles lógicos CMOS. Los elementos lógicos abstractos procesan dígitos binarios 0 y 1. Sin embargo, los circuitos lógicos reales procesan señales eléctricas tales como niveles de voltaje. En cualquier circuito lógico existe un intervalo de voltajes (u otras condiciones del circuito) que s e interpreta como un 0 ló gico, y otro intervalo (que no se translapa con el anterior) que se interpreta como un 1 lógico. Un circuito lógico CMOS típico funciona a partir de una fuente de alimentación de 5 volts. Un circuito de esta clase interpretará cualquier voltaje que esté en el intervalo de 0 a 1.5V como un 0 lógico, de igual forma, interpretará a cualquier voltaje que esté en el inter valo de 3.5 a 5.0 V como un 1 lógico. De este m odo, las definiciones de BAJO y ALTO para la lógica CMOS de 5 V son como se ilustra en la figura siguiente. 5.0V
1 lógico (ALTO) 3.5V Nivel lógico indefinido
1.5V 0.0V
0 lógico (BAJO)
Niveles lógicos para circuitos lógicos CMOS típicos
Los voltajes que están en el intervalo intermedio (1.5-3.5V) solamente aparecerán durante las transiciones de s eñal, por tanto producirán valores lógicos indefinidos (es decir, un circuito puede int erpretarlos ya sea como 0 o como 1). Los circuitos CMOS que utilizan otros voltajes de alimentación, tales como 3.3 o 2.7 volts, dividen el intervalo de voltaje en forma similar
3. Inmunidad al ruido Código 74LS00 74LS02 74LS04 74LS08 74LS32 74LS86 7401 7405 7409 7433 74125 74126 555
IV.
Familia TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL
Descripción NAND de dos entradas NOR de dos entradas NOT, INVERSOR AND de dos entradas OR de dos entradas OR-EXCLUSIVO NAND de dos entradas O.C. Hex INVERSOR O.C. AND de dos entradas O.C. NOR BUFFER O.C. BUFFER TRI STATE BUFFER TRI STATE TIMER
DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA
A. Del manual de C.I. defina lo siguiente: 1. Niveles lógicos TTL En el estudio de los circuitos lógicos, existen cuatro especificaciones lógicos diferentes: VIL, VIH, VOL y VOH. En los circuitos TTL, V IL es la tensión de entrada válida para el rango 0 a 0.8 V que representa un nivel lógico 0 (BAJO). El rango de tensión V IH representa la tensiones válidas de un 1 lógico entre 2 y 5 V. El rango de valores 0.8 a 2 V determinan un funcionamiento no predecible, por lo tanto estos valores no son permitidos. El rango de tensiones de salida V OL, V OH se muestra en la figura siguiente.
Mide la sensibilidad de un circuito digital al ruido electromagnético ambiental. La inmunidad al ruido es una consideración importante en el diseño de sistemas que deben trabajar en ambientes ruidosos com automóviles, máquinas, circuitos de control industrial, etc. La tolerancia al ruido de los circuitos digitales tambien es afectada por la velocidad de dichos circuitos, de distintas maneras. Primero, el retardo de propagación de una compuerta no es un retardo “puro”, pues la forma de onda de la señal de salida no es necesariamente una copia de las variaciones de la señal de entrada, retardada en un valor fijo. De hecho, la señal de salida no seguira un cambio de la señal de entrada, al menos que el cambio persista por un tiempo mínimo. En otras palabras, los pulsos de entrada muy cortos seran “filtrados” por una compuerta lenta, y su efecto no sera “visto” en la salida. Como regla general, si la señal de entrada cambia de un nivel lógico a otro y luego vuelve al primer nivel antes de que la salida comience a responder al primer cambio, ninguna variación ocurrirá en la salida. Por lo tanto, una compuerta lenta (una con tiempos de propagación grandes) sera menos susceptible a pulsos de ruido que otra mas rápida. Por otro lado, las señales de alta frecuencia son acopladas mas fácilmente de una parte del circuito a otro (electromagnéticamente). Las señales digitales con cambios muy abruptos, o sea aquellas con 8 tiempos de transición muy pequeños, tienen un alto contenido armónico en componentes de alta frecuencia. Entonces, si dos compuertas diferentes poseen los mismos retardos de propagación pero una de ellas tiene tiempos de transición mayores, esta sera menos “dañina” en términos de generación de ruido que pueda ser fácilmente acoplado a los conductores adyacentes, que aquella compuerta con menores tiempos de transición. O sea, el ruido será un problema menor al usar compuertas con mayores tiempos de transición.
4. Margen de ruido Las señales de “ruido” son señales electromagnéticas (EM) no deseadas que interfieren con la operación de un circuito. Pueden ser generadas fuera del circuito al que afectan, o por el mismo circuito. El ruido generado fuera del circuito en cuestión puede “acoplarse” en dicho circuito a través de radiacion EM. Tambien puede propagarse dentro del circuito a través de las líneas de la red de suministro de CA, y de la fuente de alimentación. Un ejemplo clásico es el de motores eléctricos que funcionan en las cercanías del circuito, pudiendo generar picos de corriente que afectan el nivel de tensión de salida de la fuente de alimentación del circuito, alimentada desde la misma red de CA. Ademas, la formación de arcos en motores con escobillas (desconexión abrupta de cargas inductivas...) actúa como fuente de ondas EM indeseables.
5. Disipación de potencia Es la potencia suministrada necesaria para operar la compuerta. Este parámetro se expresa en milivatios(mW) y representa la potencia real designada por la compuerta. La alta disipación de potencia es una desventaja asociada con la alta velocidad de operación. En general, cuanto más rápido sea un circuito, más potencia consume y viceversa. La mayoría de los circuitos TTL disipan típicamente, de 1 a 25 milivatios por compuerta. Un CI con cuatro compuertas exigirá de la fuente cuatro veces la potencia disipada por cada compuerta. En un sistema dado puede haber muchos circuitos integrados y sus potencias deben tenerse en cuenta. El poder total disipado en un sistema es la suma total de las potencias disipadas de todos los CI's
B.
Obtenga la curva de transferencia de la puerta NAND a partir del C.I. 74LS00.
Trace la función de transferencia, variando V1 desde 0V a 5V, en pasos de 0.1V C. Utilizando el manual de C.I. TTL, verifique en el laboratorio la lógica de funcionamiento de los siguientes C.I. verificando su tabla de funcionamiento:
74L S00
6. Retardo de propagación Es el intervalo de tiempo entre un cambio de nivel logico en una entrada y el correspondiente cambio en la salida de la misma compuerta. Este parámetro limita la frecuencia máxima de operación de la compuerta. En muchas compuertas el retardo de propagación para una transición de alto a bajo en la salida es diferente al retardo asociado a un cambio de bajo a alto en la salida. Esto es indicado en las hojas de datos con los simbolos: t PHL y tPLH. Los tiempos de propagación en TTL normalmente del orden de 2 a 30 nanosegundos por compuerta.
7. Producto velocidad-potencia La velocidad de conmutación de una compuerta usualmente es proporcional a la cantidad de energía transformada en calor. De hecho, en muchos circuitos digitales hay que asumir un compromiso entre velocidad y disipación de potencia. Entonces, un circuito puede diseñarse para trabajar a una alta velocidad (o sea que los parámetros de retardo son pequeños), al costo de un mayor consumo de potencia. Alternativamente, puede implementarse una versión mas lenta del circuito para ahorrar consumo de potencia. Como resultado, una medida de performance (o figura de mérito) comunmente encontrada para una familia lógica es el producto velocidad potencia, obtenido al multiplicar el retardo de propagación promedio, la corriente de alimentación promedio y la tensión de alimentación recomendada. Cuanto menor este producto, mejor es la familia lógica.
8. Fan in y Fan out FAN IN Mide el efecto de carga que presenta una entrada a una salida. Cada entrada de un circuito TTL estándar se comporta com una fuente de corriente capaz de suministrar 1.8 mA. A este valor de corriente se le asigna un fan-in de 1. FAN OUT Mide la capacidad de una salida de manejar una o más entradas. Cada salida de un circuito TTL estándar se comporta como un disipador de corriente capaz de aceptar hasta 18 mA, es decir de manejar hastra 10 entradas TTL estándares. Por tanto, el fan-out de una salida TTL estándar es 10. Existen dispositivos TTL especiales llamados buffers (separadores) y drivers (manejadores) que tienen fanouts de 30, 50 e incluso 100. Se utilizan en aplicaciones donde una determinada línea de salida debe manejar al mismo tiempo un gran número de líneas de entrada. En resumen especifica el numero de cargos normales que puede accionar la salida de la compuerta sin menoscabar su operación normal. La salida de la compuerta suministra una cantidad limitada de corriente por encima de la cual no opera correctamente y en este caso se dice que está sobrecargada.
74L S02
74L S04
Código
Descripción
74LS00 74LS02 74LS04 74LS08 74LS32 74LS86
NAND de dos entradas NOR de dos entradas NOT, INVERSOR AND de dos entradas OR de dos entradas OR-EXCLUSIVO
combinaciones hallar el valor de f (w,x,y,z). Verifique los valores teóricos con los obtenidos en el laboratorio. Considere la entrada w la más significativa.
74L S08
E.
Obtenga la curva de transferencia de la puerta mostrada en el osciloscopio.
F. Para los circuitos que se muestran en las figuras 1 y 2, encuentre su tabla de combinaciones, determine qué tipo de compuerta son y a qué familia lógica pertenecen.
74L S32
G. Usando el circuito de la figura, ajuste P 1 para que V IL sea 0.8V. Ajuste P 2 para que I OH sea 400uA. Medir V OH = . Ponga el miliamperímetro en el pin de entrada de la compuerta y mida I IL= . Conecte las dos entradas de cada una de las cuatro compuertas que tiene este circuito integrado a cero volts (tierra) y mida I CCH . H. Usando el circuito de la figura, ajuste P 1 para que V IH = 2V. Ajuste P2 para que I OL=8mA. Mida bajo estas circunstancias V OL= . Cambie el miliamperímetro al pin de entrada de la compuerta y mida I IH = . Conecte las dos entradas de cada una de las cuatro compuertas que tiene este circuito integrado a cinco volts (V CC ) y mida I CCL.
V. [1] [2] [3]
74L S86
[4] [5] [6] [7] [8]
[9]
D. Implemente en el laboratorio el circuito lógico mostrado y haciendo uso de una tabla de
BIBLIOGRAFÍA era
John F. Wakerly, Diseño digital, 3 edición. R. M. Marston, Modern TTL Circuits Manual, 1 st edition Fuente del navegador http://www.ie.itcr.ac.cr/rsoto/TTL%20Data%20Book%20y%20ma s/MANUAL_TTL_esp.pdf Fuente del navegador http://www.ti.com/ Fuente del navegador http://electronicsclub.info/74series.htm Fuente del navegador http://materias.fi.uba.ar/6609/docs/Apunte_Familias1_1.pdf Fuente del navegador http:// www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=74ls04 Fuente del navegador http://www.alldatasheet.com/datasheet pdf/pdf/51021/FAIRCHILD/74LS00.html Fuente del navegador http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet pdf/view/8068/NSC/74LS32.html
