AJUSTE DE PARÁMETROS DE CIRCUITOS DE LÓGICA SECUENCIAL MODULAR.

Lógica secuencial modular. Flip-flop’s Registros de corrimiento Contadores Multiplicadores

Ajustes de parámetros Voltajes Corrientes Temporización Almacenamiento y transferencia de datos Sincronización División y conteo de frecuencia

Detección de fallas mayores

Circuitos digitales. Familias lógicas

Se denomina familia lógica, al conjunto de circuitos integrados que son fabricados utilizando una compuerta básica determinada. Las características esenciales de cada familia lógica son:

1) todos los circuitos de una misma familia poseen propiedades eléctricas y temporales similares, es decir, los mismos parámetros de conmutación. Como consecuencia de esto último,2) todos los circuitos de una misma familia se pueden conectar entre sí directamente. Para conectar puertas de diferentes familias normalmente hay que utilizar circuitos especiales o etapas de interface.

Las tecnologías CMOS son actualmente las que dominan el mercado de circuitos integrados (ICs) gracias a una serie de ventajas, entre las que sobresale un reducido consumo de potencia frente, no solo a tecnologías bipolares, sino también a otras alternativas MOS.

Básicamente, las tecnologías CMOS han triunfado gracias a varias propiedades:

- Los circuitos lógicos CMOS disipan mucha menos potencia que las alternativas BJTs.Esto hace factible una mayor densidad de encapsulado dentro de un mismo chip, sin un incremento de la temperatura excesivo y controlado.

- Poseen muy alta impedancia de entrada (puerta del MOS), que puede ser utilizada para el almacenamiento de carga temporalmente en circuitos lógicos de memoria. Inviable en circuitos bipolares.

- Alta densidad de integración (dimensiones mínimas de hasta 60nm), lo que permite empaquetar en un mismo substrato un número muy elevado de funciones.

Caracterización de un circuito lógicoLos circuitos digitales utilizan señales lógicas para el procesado de la información. Estas señales toman valores discretos (“0” y “1”), que son adimensionales y que cambian, generalmente, regidos por un ciclo de reloj o máquina. Por contra, las señales eléctricas que soportan físicamente a las digitales, se componen de tensiones e intensidades, que evolucionan en el tiempo a una determinada velocidad.

La caracterización de un circuito lógico supone relacionar las señales eléctricas, reales, con el modelo lógico empleado en circuitos digitales, teniendo en cuenta naturaleza eléctrica de las estas señales. Para ello se definen una serie de parámetros (denominados parámetros de conmutación) y variables adecuada que modelen el comportamiento de los circuitos digitales en función de su realización y permitan distinguirlos a unos de otros dependiendo de sus prestaciones. Podemos definir tres grupos de parámetros de comportamiento:

- Parámetros de conmutación estáticos.- Parámetros de conmutación dinámicos.- Parámetros energéticos. Potencia estática y dinámica. Producto potencia-retardo.

Parámetros de conmutación estáticos.Están relacionados con la característica de transferencia estática (DC) de una puerta lógica (tensión de salida vs tensión de entrada VO - vI).

a) Tensiones de nivel bajo y alto.

Se definen las tres regiones:

1) Región de entrada baja: vI < VIL

2) Región de transición: VIL < vI < VIH

3) Región de entrada alta: VIH < vI

b) Tensiones umbrales.

Definen la región de incertidumbre o de transición, y ha de ser evitada.VIL,max < vI < VIH,min

c) Márgenes de ruido.Establecen la sensibilidad de un circuito lógico al ruido eléctrico.Condiciones:a) Región de incertidumbre estrecha.b) Rango de valores de entrada amplios. VOL,max < VIL,max; VOH,min > VIH,min

Margen de ruido del nivel ALTO: NMH = VOH,min - VIH,minMargen de ruido del Nivel BAJO: NML = VIL,max - VOH,max

d) Fan-Iin y Fan-out.

Fan-in: Número máximo de puertas lógicas que se pueden conectar a una dada sin degradar la operación lógica de esta última.

Fan-out: Número máximo de puertas lógicas que puede atacar una dada, sin degradar su operación lógica.

Ambos están relacionados con el mantenimiento de los niveles lógicos adecuados a la entrada y a la salida.

Parámetros de conmutación dinámicos.Caracterizan de diversas formas los retrasos en las transiciones de uno a cero y viceversa, es decir, la velocidad de los circuitos digitales.

a) tiempos de transición.- Tiempo de subida: tR- Tiempo de bajada: tF

b) tiempos de propagación.- Tiempo de propagación de nivel bajo a alto en la salida, como consecuencia de una conmutación en la entrada: tPLH- Tiempo de propagación de nivel alto a bajo en la salida, como consecuencia de una conmutación en la entrada: tPHL

Parámetros energéticos.

Está relacionada con la la cantidad de energía que consume circuto para realizar adecuadamente la operación. Existen dos contibuciones a la potencia media consumida:

Potencia estática: es la potencia media que consume el circuto mientras no se produce ningún cambio en las entradas/salidas o señales de reloj. Se asocia al consumo de energía de los niveles alto y bajo. (Uno y cero lógicos).Potencia dinámica (o de conmutación): es la potencia media que disipa la puerta lógica como consecuencia exclusiva de los proesos de conmutación o cambio de estado lógico.

Se suele expresar como potencia media en un periodo de reloj (segundos). Una gestión óptima de la potencia ha de anular el consumo de potencia estática y reducir al máximo la dinámica. La potencia media total es la suma de ambas.Asociada a la potencia media se define el producto potencia-retardo. Es una figura de mérito asociada a la cantidad de energía necesaria para llevar a cabo una transición de estado lógico. Se define como, DP = Pmedia ⋅ tP y se mide en Jouls.

Circuitos Lógicos Secuenciales

Los circuitos lógicos secuenciales se definen como aquellos circuito lógicos que incorporan memoria, es decir, el valor de su salida depende del valor presente de la entrada, y de sus valores previos. Requieren de una señal de reloj para la sincronización de su operación.

Para realizar un circuito con memoria, se puede recurrir a dos métodos:

- Realimentación positiva, derivando hacia circuitos denominados Biestables, capaces de guardar un bit de información durante un tiempo indefinido: circuito secuencial estático.

- Mediante un condensador cargado (1) o descargado (0). Para evitar su descarga como consecuencia de las corrientes de fugas, es necesario regenerar o refrescar la memoria, tratándose de una memoria dinámica o de circuitos secuenciales dinámicos.

Familia TTL (Transistor Transistor Logic)

El inversor TTL básico se muestra en la Fig. 5.6. En él se incluyen dos transistores Q1 yQ3. La entrada al circuito es el emisor de Q1 y la salida por el colector de Q3.

a) Si vI = 1 (es decir, vI=5V). La unión BE de Q1 está en polarización inversa y la BC en polarización directa, lo cual nos indica que este transistor está en activa inversa (ZAI). Las intensidad de colector de Q1 es negativa e igual a la de base de Q3, haciendo que Q3 este en zona de conducción, en concreto saturación, si la intensidad de base de Q1 tiene el valor suficientemente alto como para llevar a Q3 a saturación. Por tanto la salida es VCE = 0.2V que es un valor bajo salida. O cero lógico.

b) Si vI = 0 (es decir, vI=0.2V) . En este caso, la unión base emisor de Q1, esta polarizada directamente, situando la base de Q1 a 0.9V aproximadamente. La intensidad de colector tiende a ser positiva, debido a que la unión base-emisor conduce. Sin embargo, como la intensidad de base solo puede ser positiva, llega un momento en que ambas intensidades, iC1 e iB3 se anulan, provocando el corte de Q3. La salida se hace entonces igual a VCC o equivalentemente, un uno lógico.