Lógica digital

Electrónica. Electricidad. Familias lógicas. Circuitos integrados digitales. Compuertas lógicas. Compuertas integradas comerciales

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INTRODUCCIÓN

La creciente popularidad de los circuitos integrados digitales se debe a la disponibilidad de circuitos in­tegrados (CI) a precios bajos. Los fabricantes han desarrollado muchas familias de Cí digitales (grupos que pueden ser usados para la construcción de un sistema digital). Se dice que los CI de una familia son compatibles y es fácil realizar una conexión entre ellos.

Un grupo de familias se produce utilizando tecnología bipolar. Estos CI contienen partes compa­rables a los transistores bipolares discretos, diodos y resistencias. Otro grupo de familias de CI digitales usa la tecnología de semiconductor de metal-óxido(MOS). Actualmente la familia bipolar TTL (lógica de transitor-transistor) es la más popular. La familia CMOS (metal-óxido-silicio complementado) es una nueva familia de la tecnología de los MOS que se usa mucho. Los CI CMOS contienen partes compa­rables a transistores de efecto de campo de compuerta aislada. (IGFETs).

Los fabricantes dividen, comúnmente, ?. Los circuitos integrados en grupos basados en la compleji­dad de los circuitos. Texas Instruments, Inc. define la siguiente clasificación de complejidad

DESARROLLO

1. LSI (Integración a gran escala)

Un concepto bajo el cual un subsistema mayor o las funciones de un sistema se fabrican co­mo un solo microcircuito. En este contexto, un sistema mayor o subsistema, ya sea digital o li­neal, es aquel que contiene 100 o más compuertas equivalentes o circuitos de complejidad simi­lar.

2. MSI (Integración a mediana escala)

Un concepto bajo el cual un subsistema completo o las funciones de un sistema se fabrican como un solo microcircuito. El subsistema o sistema son menores que los considerados para LSI, pero ya sea digital o lineal, contienen 12 o más compuertas equivalentes, o circuitos de complejidad similar.

3. SSI (integración a pequeña escala)

Circuitos integrados de menor complejidad que los de integración a mediana escala (MSI)

4. VLSI (integración a muy grande escala)

Un concepto bajo el cual la función de un sistema completo se fabrica como un solo micro­circuito. En este contexto un sistema, ya sea digital o lineal, contiene 1000 o más compuertas, o circuitos de similar complejidad.

Para el diseñador de circuitos digitales, existen disponibles muchas familias de CI digitales, a con­tinuación se mencionan algunas de ellas:

1. Familias Bipolares

RTL Lógica de resistor a transistor

DTL Lógica de diodo a transistor

TTL Lógica de transistor a transistor

(Tipos: TTL estándar, TTL de baja energía, TTL de alta velocidad, TTL "Shott* ky", TTL de tres estados)

ECL Lógica de emisor acoplado (también conocida como CML, lógica modo-corriente)

HTL Lógica de umbral alto (también conocida como HN1L, lógica de alta inmunidad al ruido)

III Lógica de inyección integrada

USO DE CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES


2. Familias de MOS

PMOS canal P semiconductor de metal-óxido

NMOS canal N semiconductor de metal-óxido

CMOS semiconductor de metal-óxido complementario

11-2 TÉRMINOS DE LOS CT DIGITALES

En la literatura de los fabricantes de CI aparecen algunos términos que ayudan al técnico al usar o com­parar las familias lógicas. Se esquematizarán aquí algunos de los términos y sus características más im­portantes usados en CI digitales.

¿Cómo se define un O lógico (BAJO) o un 1 lógico (ALTO)? En la figura 11-1 se muestra un inver­sor (el 7404) de la familia TTL de CI. Los fabricantes especifican que para una operación adecuada, una entrada, BAJO, debe tomar valores entre tierra y 0.8V. De la misma manera, una entrada ALTO debe encontrarse entre 2.0 V y 5.0 V. La sección no sombreada de la figura 11-1 entre 0.8V y 2.0V en la entra­da es una región prohibida. Un voltaje de entrada de 0.5V será entonces una entrada BAJO y una de 2.6V será una entrada ALTO. Una entrada de 1.5 arrojaría un resultado impredecible y se le considera prohibida.

2.9.3 Familia TTL

La familia TTL (lógica transistor-transistor) utiliza un transistor de emisor múltiple, como se mues­tra en la fig. 2.44, para obtener una compuerta NAND. Los diodos a la entrada del circuito incre­mentan la inmunidad a ruido déla compuerta.

El circuito funciona de la siguiente mane­ra: cuando una o más entradas se ponen a nivel bajo, Qj condu­ce haciendo que el transistor Q2 deje de hacerlo. Esto trae co­mo resultado que Q no conduzca y que la ¡tensión de salida al­cance un nivel alijo que típicamente es de 3 V. Por el contrario cuando todas las , entradas están*en ni alto, Q| no condiK Q2y Q3 conducen, < no conduce y el recitado es un nivel leuco bajo.

Las compuertas TTL son más rápidas que las compuertas DTL. La tensión de alimentación es de 5 V y la inmunidad al ruido es mejor comparada con RTL y DTL.

A fin de aumentar la velocidad de conmutación del circuito básico TTL, se utilizan diodos Schottky entre las bases y los colectores de los transistores que conforman dicho circuito básico. La tensión de umbral del diodo Schottky, 0.3 Voltios, impide que los transistores se saturen, lo que aumenta su velocidad de respuesta. Al circuito electrónico resultante se le denomina familia SchoHky-TTL. Otra variación en el diseño básico TTL consiste en aumentar las resistencias internas del circuito electrónico. Esto trae como resultado una menor disipación interna en la pastilla. A la familia que resulta se le llama a TTL de baja potencia. La velocidad de respuesta en este caso es, sin embargo, menor que para la familia TTL normal.

Una combinación de las dos familias anteriores, con resistencias altas y diodos Schottky, origina a familia TTL SchoMky de baja potencia que reúne los atributos de alta velocidad y bajo reasumo de energía. Su velocidad de respuesta es ligeramente superior a la familia TTL estándar disipa 1/5 de la potencia de esta última.

1.9.4 Familia ECL

Lista familia lógica es producto de la necesidad de obtener una gran velocidad de conmutación. Al contrario de las familias anteriormente estudiadas, los transistores que forman parte de circuito electrónico básico, ver fig. 2.45, no entran en saturación.

,a entrada del circuito es un amplificador diferencial conectado a seguidores de emisor que proporcionan simultáneamente las funciones OR y ÑOR en el mismo circuito integrado.

2.9.4 Familia CMOS

La familia CMOS (semiconductor de óxido metálico) ha ganado gran popularidad debido fundamentalmente a su bajo consumo de energía. Esto, unido a la posibilidad de concentrar una gran cantidad de compuertas en una sola pastilla, hacen de la familia CMOS un fuerte competidor del circuito TTL. Su desventaja principal en relación con la técnica TTL es su baja velocidad de conmutación.

La compuerta básica de la familia CMOS hace uso del transistor de efecto de campo, tanto de canal tipo N como de canal tipo P. En la fig. 2.46 se muestra una compuerta inversora. La compuerta consta de un transistor tipo P y de uno tipo N cuyos drenadores se conectan entre sí. El surtidor del transistor tipo P se une a la alimentación -f V, mientras que el surtidor del transistor tipo N se conecta a la tierra.


Cuando la entrada se pone a nivel bajo, el transistor tipo N se desconecta del sistema, mientras que el transistor tipo P se comporta como un cortocircuito. El resultado es Z = +V. Si la señal de entrada está en nivel alto, el transistor tipo P se comporta como un circuito abierto y el transistor tipo N como un cortocircuito. Esto hace que la salida se ponga a un nivel bajo.


2.10 CONSIDERACIONES PRÁCTICAS EN EL USO DE COMPUERTAS LÓGICAS

El uso cotidiano de las distintas familias lógicas requiere del conocimiento de algunos conceptos y técnicas, las más importantes de las cuales son descritas a continuación. La comprensión de los detalles que se describen es muy importante para un uso adecuado de las pastillas lógicas integradas.

2.10.1 Niveles lógicos

Los conceptos de 1 y O, cuando se aplican a las familias lógicas corresponden a un rango de valores definidos. Para la familia TTL el O lógico ocupa un rango entre cero y 0.8 voltios, mientras que el 1 lógico va desde 2 hasta 5 voltios. Esto se indica en la fig. 2.47. Esta familia lógica usa como tensión de alimentación 5 voltios. Tensiones por encima de 5 voltios y por debajo de cero voltios pueden ocasionar la destrucción del circuito integrado. La zona de transición únicamente es usada por las compuertas lógicas cuando pasan de un estado a otro. La operación en esta zona indicaría un mal funcionamiento del circuito.

CONCEPTOS LÓGICOS BÁSICOS



Familia

Tiempo de propagación (ns)

Potencia por compuerta(mw)

TTL Regular

10

IO

TTL Alta Potencia

6

22

TTL Baja Potencia

33

1

Schottky TTL

3

19

Baja Poí. Schottky TTL

IO

2

CMOS

50(5V)

2.5 (5V)

Fig 2.51 Características típicas de tiempo de propagación y disipación de compuertas TTL y CMOS.

Los tiempos de propagación para la familia CMOS varían con la tensión de alimentación utilizada. Así por ejemplo, una compuerta inversora típica, CD4069, tiene un tiempo de propagación de 25 as a 10 voltios y de 50 ns a 5 voltios.

12,10.3 Capacidad de salida ("Fanout") *

La capacidad de salida de una familia lógica se define como el número máximo de compuertas que puede ser conectado a la salida de otra compuerta lógica. Cuando se excede la capacidad de salida, el resultado es una operación incorrecta o la destrucción de la compuerta. Una compuerta [de la familia TTL regular puede alimentar hasta 10 compuertas de la misma familia. La familia ¡CMOS es la que posee más alta capacidad de salida.

I El fabricante de circuitos digitales normalmente indica el valor de la capacidad de salida y, en [muchos casos, es posible aumentar dicha capacidad por encima del valor especificado, mediante [el uso de compuertas de mayor capacidad de corriente ("buffers").

110.4 Fuente de alimentación y cableado

Algunas familias lógicas funcionan con una tensión de alimentación fija. Por ejemplo, la familia ^L trabaja con una tensión de 5 voltios. Valores por encima de ese límite pueden dañar los cuitos integrados, mientras que valores inferiores al mismo pueden causar una operación

Incorrecta.

I consumo de corriente de un circuito digital depende de la familia conque se trabaja y del ero de pastillas empleadas. La fuente de alimentación debe seleccionarse o diseñarse tomando i cuenta este factor.

Cuando se producen cambios de estados en cualquier sistema digital, se generan también cambios úseos de corriente y tensión en las líneas de alimentación. Estos picos de corriente, de no darse en cuenta las precauciones necesarias, se transmitirían a distintas partes del sistema signando perturbaciones en su funcionamiento. Para evitar estos problemas son convenientes las precauciones siguientes:

CONCEPTOS LÓGICOS BÁSICOS

a) Usar condensadores de patas cortas de valores entre O.Oljif y 0.1 lf en la alimentación de cad pastilla. Los condensadores deben ser colocados tan cerca corno sea posible del circuito integrado.

b) Desacoplar la alimentación con condensadores electrolíticos de tantalio en el punto donde lo cables de la fuente entran a una tarjeta impresa. El valor de 10 if es recomendable.

En todo caso es conveniente que los distintos bloques que conforman el sistema lógico sen conectados entre sí mediante cables cortos. El uso innecesario de cables largos puede origiiu degradación de la señal lógica por efectos capacitivos e inductivos.

2.11 DESCRIPCIÓN DE COMPUERTAS COMERCIALES DE LA FAMILIA TTL

2.11.1 Compuertas lógicas básicas ---r

En la familia TIL se han fabricado una cantidad apreciable de compuertas lógicas básicas. Dichas compuertas se han integrado en pastillas que normalmente agrupan a varias de ellas. Las m comunes aparecen en la fig. 2.52. Todos los circuitos integrados de esta tabla tienen designación que comienza por el número 74. Este número, al comienzo de la denominación de pastilla, indica su pertenencia a la familia 74 TTL.

DESIGNACIÓN

DESCRIPCIÓN

7400

Cuatro compuertas NAND de dos entradas

7402

Cuatro compuertas ÑOR de dos entradas

7404

Seis inversores

7408

Cuatro compuertas AND de dos entradas

7410

Tres compuertas NAND de tres entradas

74 1 1

Tres compuertas AND de tres entradas

7420

Dos compuertas NAND de cuatro entradas

7427

Tres compuertas ÑOR de tres entradas

7430

Una compuerta NAND de ocho entradas

7432

Cuatro compuertas OR de dos entradas

Fig. 2.52 Compuertas básicas de la familia TTL.

Describiremos a continuación la pastilla 7400 corno circuito integrado típico de la serie 74.

i fíg. 2.53 muestra el circuito interno correspondiente a una de las compuertas NAND de la 7400.

La pastilla integrada correspondiente al 7400 se muestra en la fig. 2.54. Como puede observarse, la alimentación se aplica a los terminales 14 y 7. Con excepción de algunas pastillas de 14 termina­les de la serie 74, en todas las restantes se mantiene este esquema de polarización, con el Terminal 14 conectado al polo positivo de la alimentación y el Terminal 7 conectado al polo negativo.

>Los fabricantes de circuitos integrados usualmente suministran información referida a las [Características de funcionamiento de las pastillas que producen, así como también sobre los ^valores extremos de tensiones y corrientes que puede soportar el circuito. La información más Irrelevante concerniente a la pastilla 7400, y que se aplica a muchos miembros de la serie 74, ¿comprende las definiciones que siguen.

Tensión de entrada es una señal que varia lentamente con el tiempo. La característica < ¡parador de Schmitt mostrado, correspondiente a la pastilla 74132 conectada como inversor, que cuando la señal de entrada supera 1.7 V, la salida cambia de nivel alto a bajo y cuando Irada está por debajo de 0.9 V, hay un cambio de nivel bajo a alto.

|a primera tensión, 1.7 V, se le designa como VT/+) y corresponde a la tensión cíe utnlir pendiente positiva, mientras que la segunda, 0.9 V, se le designa como VTÍ } fce a la tensión cíe umbral cíe pendiente negativa.

I diferencia entre VT y VT, en este caso de 0.9 voltios, se le conoce como histéresis duito. La tensión VT(+) es mayor que VT( \ y cualquier valor de entrada entre esas d( piones no tiene efecto sobre la operación de la compuerta. Una vez que la salida cambia ( 3, al superarse el valor de VT, sólo se produce un nuevo cambio de nivel en la salida de la tensión de entrada cruza el nivel correspondiente a VT t

ifig. 2.58 muestra la característica de transferencia para el disparador de Schmitt 7414 y s lla correspondiente. Nótese el símbolo utilizado para representar a los inversores de I 'lia. El sentido de las flechas en la característica de transferencia indica la forma cómo u ce la transición.

Fíg 2.58 (a) Pastilla de disparador de Schmitt 7414. (b) Característica de transferencia.

orador de Schmitt se utiliza comúnmente para generar un pulso compatible con la lógica i partir de señales que varían lentamente con el tiempo. Cuando a una compuerta TTL se le (directamente una señal que varía lentamente, su comportamiento puede resultar errático, ya f origina inestabilidad en el funcionamiento al polarizarse las compuertas en la zona activa

un tiempo largo.

o2.13

2.59 muestra la manera de generar una señal cuadrada compatible con la técnica TTL a e la tensión de la línea. Describiremos cómo funciona el circuito.

Flg. 2.56 Conexión de entradas sin uso en compuertas NAND de varias entradas : (a) Uso de resistores, (b) Uso de diodos, (c) Conexión a una de las entradas.

2.11.2 Disparador de Schtniü

Este circuito combina las características de una compuerta NAND con la capacidad de cambiar de estado sólo cuando la señal de entrada supera o está por debajo de ciertos niveles establecidos. La idea se ilustra en la fig. 2.57.

La tensión de la línea de 110 voltios es reducida, mediante un transformador, a 6.3 voltio* efectivos. Cuando la onda sinusoidal del secundario supera 1.7 V (el valor pico de la tensión en e es de 63 V)? la compuerta se dispara y la salida pasa a nivel bajo. Cuando la tensión \r& ~ V T> '-.nwhio* manteniendo »j valor de la tensión de entrada de V

tensión mayor de 5 voltios sea aplicada a i a entrada de la misma ruanos el se hace negativa, Dt conduce y lleva la entrada del disparador a un valor cercano a cero voltici La salida, por consiguiente, pasa a un nivel lógico alto. El resultado final de la operación es u onda cuadrada compatible con los niveles de la lógica TTL.

2.11.3 Compuertas de tres estados *

Las compuertas TTL, hasta ahora estudiadas, presentan dos estados lógicos. Cuando este esta
es de nivel bajo, O lógico, el transistor Q3 de salida en la fig. 2.53 se satura y su colector
una tensión cercana a cero voltios, ya que la impedancia desde la salida a tierra es muy peque!
El transistor Q4 para esta condición, no conduce y la impedancia desde la salida a Vcc es n
alta. Cuando la compuerta está en nivel alto, Q3 no conduce, mientras que Q4 sí lo hace. Coi
resultado, las impedancias desde la salida a tierra y a Vcc son muy alta y muy b;
respectivamente. .,

La compuerta de tres estados posee, además de los dos estados previamente mencionados, i condición de alta impedancia tanto con respecto a Vcc como a tierra que hace aparecer a di compuerta como desconectada del resto del circuito. Para ello la compuerta tiene un temí adicional a los de entrada y salida que permite controlar esta impedancia.

La fig. 2.60 muestra el diagrama de una compuerta TTL inversora de tres estados.

Cuando la entrada inhibidora o de control está en nivel bajo, el circuito funciona como si fueran compuerta inversora común. Si la entrada inhibidora se pone en nivel alto, Q2, Q3 y Q comportan como elecuitos abiertos, lo que hace aparecer al circuito eléctricamente desconectado de la salida (estado de alta impedancia).

CONCEPTOS LÓGICOS BÁSICOS

? 2.12 COMPUERTAS INTEGRADAS COMERCIALES DE LA FAMILIA CMOS

La familia lógica CMOS posee las siguientes ventajas cuando se le compara con la familia TTL :

Muy bajo consumo de potencia cuando la velocidad de conmutación es baja (menor
E de 1 MHz).

b.- Alta inmunidad al mido.

c.- Mayor rango en las tensiones de alimentación.

Posee la desventaja, en relación con la técnica TTL, que su velocidad de conmutación es menor. m. Sin embargo, nuevas técnicas dentro de la familia CMOS prometen mejorar esa velocidad. La

tecnología silicio con zafiro (SOS/CMOS), cuyo uso está mayormente confinado a aplicaciones militares e industriales de grandes exigencias de funcionamiento representa un avance m considerable en este sentido.

Dentro de la familia CMOS han ganado amplia popularidad las series A y B. En la serie A I podemos encontrar pastillas con designación 4000, por ejemplo 4001 A, 4010A, etc, y pastillas i con designación 74C, por ejemplo 74COO, 74C02. Estas últimas pastillas son compatibles, en

cuanto a terminales se refiere, con la serie TTL 74. En la serie B, las pastillas son designadas también con el número 4000, pero se les añade una B al final del número, por ejemplo, 40IO


A la derecha del inversor TTL de la figura 11-1 se muestran las salidas esperadas. Una salida BAJO sería 0.1 normalmente, pero puede llegar a 0.4V. Una salida ALTO normal seria 3.5 V pero puede llegar a ser tan baja como 2.4 V. La salida ALTO depende "el valor de la resistencia de carga en la salida. Entre mayor sea la corriente de carga, menor es el voltaje de la salida ALTO. La parte no sombreada del voltaje de salida en la figura 11-1 es la región prohibida.

Observe la diferencia en la definición de un ALTO en entrada y en salida. La entrada ALTO se de­fine como mayor que 2.0 V mientras que la salida ALTO es mayor que 2.4 V. El motivo de esta diferen­cia es de dar inmunidad al ruido — la insensibilidad de un circuito digital a señales eléctricas no de­seadas. El BAJO de entrada es menor qué 0.8 V, mientras que BAJO de salida es 0.4 V o menor. De nuevo la diferencia en estas cifras es para asegurar el rechazo al ruido no deseado que entra al circuito digital.

Se dan los voltajes para BAJO y ALTO en un circuito TTL en la figura 11-1. Estos voltajes difieren en otras familias lógicas.

Debido a las altas velocidades de operación de muchos circuitos digitales, los retrasos de los in­terruptores internos son importantes. La figura 11-2 muestra un diagrama de onda para la entrada y sa­lida de un circuito inversor. En el punto a del diagrama, la entrada va de BAJO a ALTO (O a 1). Después de un corto tiempo, la salida del inversor va de ALTO a BAJO (1 a 0). El tiempo de retraso mostrado como /PBA se conoce como el retraso de propagación del inversor Este retraso de propagación puede ser de aproximadamente 20 nanosegundos (ns) para un inversor TTL estándar. En el punto b de la figura 11-2, la entrada va de ALTO a BAJO. Después de un tiempo corto, la salida v* cíe BAJO a ALTO. El retraso de propagación (fPAB) se muestra como de 15 ns para este inversor TTL estándar. Nótese que el retra­so de propagación puede ser diferente para la transición B a A que para la transición A a B. Algunas fami­lias de CI tienen retrasos de propagación más bajos, lo cual los hace más adecuados para la operación.

2.9 FAMILIAS LÓGICAS

Las compuertas básicas descritas en este capítulo, así como otros sistemas lógicos más complejos, son de fácil adquisición en las casas comerciales de materiales electrónicos. Varios fabricantes de circuitos integrados han desarrollado tecnologías que difieren entre sí en distintos aspectos. A estas distintas tecnologías se les ha llamado familias lógicas. Entre ellas podemos mencionar la familia TTL (lógica transistor-transistor) y la familia CMOS (Semiconductor de óxido metálico complementado). Dentro de la familia '1TL a su vez encontramos las subfamilias ITL regular, TTL de alia potencia, TTL cíe baja potencia, TTL Schollky y TTL cíe baja potencia Scholíkv

Aún cuando las familias TTL y CMOS son las que han encontrado mayor difusión en el mundo digital, en el pasado se han usado otras técnicas, familias RTL y DTL, y la invención de nuevas familias lógicas, que mejoren las características de las anteriores, está dentro de los objetivos de las grandes empresas que dominan la tecnología de semiconductores. A continuación describimos los aspectos más resaltantes de varias familias lógicas.

2.9.1 Familia RTL

La familia RTL (lógica transistor-resistor) usa como compuerta básica el esquema electrónico mostrado en la fíg. 2.42. Las entradas A y B controlan el valor de la salida. La salida será cero cuando una o las dos entradas adquieran un nivel lógico alto. Cuando las dos entradas estén a cero lógico, la salida será un nivel lógico alto. EL circuito se comporta entonces como una compuerta ÑOR.

La familia RTL es muy sensible a ruido y señales de interferen­cia. La tensión típica de nivel ba­jo es 0.2 voltios y el nivel alto es típicamente 1.6 V. La ten­sión de alimentación es de 3.6 V.