8.9

Características de la series CMOS

Los CI’s CMOS no solo proporcionan todas las funciones lógicas disponibles de los TTL, sino que también varias funciones de propósito general que no proporciona TTL. Con el paso de los años se han desarrollado varias series CMOS distintas, ya que los fabricantes han buscado mejorar las características de rendimiento. Antes de analizar las diversas series CMOS, será útil definir unos cuantos términos que se utilizan cuando se van a utilizar C.I’s de distintas familias o series en conjunto, o como reemplazo por otro.

- Compatibilidad de terminales: Dos C.I’s tienen terminales compatibles cuando sus configuraciones de terminales son iguales. Por ejemplo la terminal 7 en ambos C.I’s es tierra, la entrada 1 en ambos es una entrada para el primer inversor y así sucesivamente.

- Equivalente funcional: Dos C.I’s son equivalentes funcionales si las funciones lógicas que realizan son idénticas. Por ejemplo ambos tienen cuatro compuertas NAND de dos entradas, o ambos contienen seis Flip Flops D con disparo en el flanco positivo del reloj.

- Compatible eléctricamente: Se dice dos C.I’s son compatibles eléctricamente cuando pueden conectarse en forma directa uno con el otro, sin necesidad de tomar medidas especiales para su correcta operación.

Series 4000/14000

La serie CMOS más antigua es la serie 4000 introducida por RCA, y su equivalente funcional, la serie 14000 de Motorola. Los dispositivos en las series 4000 y 14000 tienen una disipación de potencia muy baja y pueden operar bajo un amplio intervalo de voltajes de alimentación de energía (3 a 15 V). Son muy lentos si se les compara con dispositivos TTL y con las demás series CMOS y tienen capacidades de corriente de salida muy bajas. No son compatibles con en las terminales ni compatibles eléctricamente con las series TTL.

74HC/HCT (CMOS de alta velocidad)

La serie 74HC tiene un incremento de 10 veces la velocidad de conmutación, en comparación con los dispositivos 74LS, y una capacidad de corriente de salida mucho mayor que los primeros C.I’s de la serie 7400 CMOS. Los C.I’s 74HC/HCT son compatibles en terminales y equivalentes funcionales de los C.I’s TTL con el mismo número de dispositivo. Los 74HCT son compatibles eléctricamente con TTL, pero los 74Hc no.

74AC/ACT (CMOS avanzado)

A esta serie se le conoce como ACL, por lógica CMOS avanzada. La serie es equivalente funcional de diversas series TTL, pero no es compatible en terminales con TTL, ya que las posiciones de los terminales en los chips 74AC o 74ACT se eligieron de manera que mejoraran la inmunidad al ruido, por lo que las entradas de los dispositivos son menos sensibles a los cambios de señal que ocurren en las entradas de otros C.I’s. Los dispositivos 74AC no son compatibles eléctricamente con TTL, los 74ACL sí.

74HC/AHCT (CMOS avanzado de alta velocidad)

Esta serie de dispositivos ofrece una ruta de migración natural de la serie HC a las aplicaciones más rápidas, de menor potencia y de control más bajo. Los dispositivos más de esta serie son tres veces más rápidos y se pueden usar como reemplazo directo para la serie HC.

Lógica BiCMOS de 5V

Varios fabricantes de C.I’s han desarrollado series lógicas que combinan las mejores características de las lógicas bipolar y CMOS, a esto se le conoce como lógica BiCMOS. La característica baja potencia de CMOS y la alta velocidad de los circuitos bipolares se integran para producir una familia lógica con una potencia extremadamente baja y una vedlocidad en extremo alta. La serie 74BCT (tecnología de interface en bus BiCMOS) ofrece una reducción del 75% en consumo de energía comparado a la familia 74F, mientras mantiene la velocidad y características de control iguales. Operan a 5V y son compatibles con las terminales de los C.I’s TTL.

Voltaje de alimentación

Los dispositivos de las series 4000 /14000 y 74C operan con valores de voltaje que van desde los 3 a 15V, lo cual los hace muy versátiles. Se los puede usar en circuitos de bajo voltaje, en circuitos de 5V estándar y en circuitos con un voltaje más alto. Las series 74HC/74HCT, 74AC/ 74ACT , y 74AHC/AHCT poseen un intervalo más estrecho de voltajes de alimentación, entre 2 y 6V. También hay disponibles series lógicas que están diseñadas para operar a voltajes menores como 2.5 o 3.3V.

Niveles lógicos de voltaje

Los niveles de voltaje de entrada y salida son distintos para cada serie CMOS. Los valores vistos en la tabla suponen que todos los dispositivos están operando a partir de un voltaje de alimentación de 5V.

Márgenes de ruido

En la tabla se proporcionan los márgenes de ruido para cada serie, y se los calcula de la siguiente forma:

VNH= VOH(min) – VIH(min)

VNL= VIL(max) – VOL(max)

Como se puede observar los dispositivos CMOS tienen mayor margen de ruido que TTL. Este aumenta si se trabaja con voltajes mayores a 5V.

Disipación de potencia

Cuando un circuito lógico CMOS se encuentra en estado estático (que no cambia), su disipación de potencia es extremadamente baja. La disipación típica de un CMOS cuando se lo alimenta con 5V es de 2.5nW, si la alimentación aumentara a 10V la disipación aumentara solamente a 10nW. Es por esta razón que CMOS se adapta tan fácilmente en las aplicaciones en las que se utiliza energía de baterías.

La potencia disipada aumenta con la frecuencia

La disipación de potencia de un C.I CMOS sería muy baja siempre y cuando se encuentre el condición de corriente continua. La potencia disipada aumenta en proporción a la frecuencia en la que los circuitos cambian de estado. Por ejemplo una compuerta NAND CMOS que tiene una PD= 10nW para corriente directa tendrá 0.1mW para 100KHz y de 1mW a 1MHz.

Cada vez que una salida CMOS cambia de BAJO a ALTO debe suministrarse una corriente de carga transitoria a la capacitancia de carga, la cual consiste de la capacitancia de entrada de todas las cargas que se esté manejando y de la capacitancia de salida del dispositivo. Estos picos de corriente se suministran a través de la fuente de alimentación y pueden llegar a tener una amplitud de 5mA y una duración de 20 a 30nS. En conclusión a mayores frecuencias los CMOS empiezan a perder algunas de sus ventajas en comparación a otras familias lógicas, de

hecho un dispositivo CMOS tendrá la misma disipación de potencia que una compuerta 74LS para frecuencias entre 2 o 3MHz.

Velocidad de conmutación

Aunque los dispositivos CMOS tienen que controlar cargas relativamente grandes su velocidad de conmutación es un poco más rápida, debido a su baja resistencia de salida en cada cambio de estado. En el circuito CMOS la resistencia de salida es de 1KΩ o menos, esto permite una carga más rápida de la capacitancia de carga. Por general una compuerta NAND de la serie 4000 tiene un tiempo de propagación tpd= 50nS a un voltaje de alimentación de 5V y un tiempo tpd= 25nS para un voltaje de 10V. La razón de este aumento es que la resistencia de salida de un CMOS disminuye considerablemente a voltajes de alimentación más altos. Una compuerta NAND ordinaria de la serie 74HC tiene un tpd=8nS cuando se la alimenta con 5v.

Entradas sin utilizar

Las entradas CMOS nunca deben dejarse desconectadas. Todas las entradas CMOS deben conectarse a un nivel de voltaje fijo (0V o la fuente de alimentación), o a otra entrada.

Esta regla se aplica incluso a las entradas de las compuertas lógicas adicionales que no se utilizan en un chip. Una entrada CMOS es susceptible al ruido y las cargas estáticas que podrían fácilmente polarizar los Mosfet’s lo cual produciría un aumento en la disipación de potencia e incluso un sobrecalentamiento.

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 electroestáticas. Si se está cargado y se tocara un dispositivo electrónico, parte de esta carga se puede transferir al dispositivo. La familia lógica MOS es muy susceptible al daño electroestático, todo ese potencial sobrepasa la capacidad del material dieléctrico y cuando se rompe, la corriente resultante se descargar como un rayo sobre el dispositivo.

8.10

Tecnología de bajo voltaje

Los fabricantes de C.I’s están continuamente buscando formas de colocar dispositivos semiconductores lo más junto posible, es decir buscan aumentar la densidad del chip. Esta mayor densidad tiene dos beneficios principales:

- Permite encapsular más circuitos en el chip.- Al estar más juntos los componentes se disminuye el tiempo de propagación de las

señales.

La gran desventaja seria que, a mayor densidad del chip, los componentes irían más juntos y aumentaría la disipación de potencia por lo cual el aislante sería más estrecho disminuyendo el rango de voltaje que este pueda soportar. Estas desventajas se pueden neutralizar si se opera el chip a voltajes bajos, con lo cual se reduce la disipación de potencia. Varias series lógicas actuales operan con 2.5V. Estos se utilizan en aplicaciones como los videojuegos, estaciones de trabajo y CPU’s.

Familia CMOS

- La serie 74VLC (CMOS de bajo voltaje), esta serie puede manejar niveles lógicos de 5V en sus entradas por lo que puede realizar conversiones de sistemas de 5v a 3V, siempre y cuando el control de corriente se mantenga dentro de los limites aceptables. Los requerimientos de VOH de CMOS de 5V no permiten que sean controlados por dispositivos LVC.

- La serie 74ALVC (CMOS avanzado de bajo voltaje) ofrece el rendimiento mas alto. Los dispositivos de esta serie están diseñados para aplicaciones de interface que utilicen 3.3V.

- La serie 74LV (bajo voltaje) está diseñada para funcionar con 3.3V.- La serie 74AVC (CMOS de muy bajo voltaje) esta optimizada para funcionar con 2.5V

pero puede operar con valores tan bajos como 1.2V o también con 3.3V, este amplio intervalo de voltaje lo hace útil en sistemas de voltaje mixtos y tiene tiempos de propagación de menos de 2nS.

- La serie 74AUC (CMOS avanzado de ultra bajo voltaje) esta optimizado para funcionar con 1.8V.

- La serie 74AUP (Ultra baja potencia avanzada) es de gran uso en aplicaciones portátiles, operadas por batería.

- La serie 74CBTLV (Tecnología transversal de bajo voltaje) funciona a 3.3V.- La serie 74GTLP (Lógica de transceptor de disparo Plus) esta fabricada para

aplicaciones de segundo plano en paralelo a gran velocidad.- La serie Interruptor TS (Interruptor de señal TI) esta hecha para aplicaciones de señales

mixtas y ofrece algunas soluciones de conmutación analógica y digital.- La serie 74TCV (Circuito de sujeción de traducción de voltaje) se usa para proteger las

entradas y salidas de los dispositivos sensibles contra el exceso de voltaje.

Familia BiCMOS

- La serie 74LVT (Tecnología BiCMOS de bajo voltaje) al igual que la serie LVC, las entradas pueden manejar niveles lógicos de 5V y sirven como traductor de 5V a 3V.

- La serie 74ALVT (Tecnología BiCMOS avanzada de bajo voltaje) ofrece operación con 3.3V o 2.2V a 3nS y sus terminales son compatibles con la serie LVT.

- La serie 74ALB (BiCMOS avanzado de bajo voltaje) está diseñada para aplicaciones de interface de bus de 3.3V y posee tiempo de propagación de 2.2nS.

El continuo desarrollo de la tecnología de bajo voltaje provoca una revolución desde los sistemas de 5V a los sistemas mixtos, y finalmente a los sistemas completos de 3.3V y 2.5V o incluso voltajes más bajos. La siguiente imagen muestra el ciclo de vida de productos lógicos según Texas Instruments:

8.11

Salidas de colector abierto/drenador abierto

Algunas veces varios dispositivos digitales comparten un solo conductor para poder transmitir una señal hacia algún dispositivo de destino, en forma parecida a como los vecinos comparten la misma calle. Esto representa un problema ya que cada dispositivo tiene dos estados Alto y Bajo. Cuando se conectan juntas dos salidas una en estado alto y otra en estado bajo, se crea un conflicto Alto/Bajo. En este caso el que posea la resistencia de encendido más baja, arrastrara el voltaje hacia su dirección.

Si los dos dispositivos fueran CMOS entonces la resistencia de encendido del circuito que produzca el nivel alto será igual a la resistencia de encendido del circuito que produzca la salida en bajo y el voltaje del conductor común seria aprox. la mitad del voltaje de alimentación. La corriente que circula por los Mosfet’s será mucho mayor de lo normal por lo que podría dañar los C.I’s. Las salidas CMOS convencionales nunca deben conectarse juntas.

Si los dos dispositivos fueran salidas TTL en forma de tótem se produciría una situación similar pero con resultados distintos.

En esta situación Q4B representa una carga de muy baja resistencia para Q3A y drenara una corriente mucho mayor de la que está clasificado para manejar. Puede que los transistores no se dañen de inmediato pero con el tiempo se pueden sobrecalentar y deteriorarse.

Una solución para el circuito de conductor común es remover el transistor de puesta en alto. De esta manera ninguna compuerta tratara de asegurarse un estado alto lógico. Las salidas TTL configuradas así se llaman de colector abierto y las de CMOS se llaman de drenador abierto. El colector del transistor inferior del tótem se conecta en forma directa al terminal de salida y a ninguna otra parte. En el estado bajo Q4 esta encendido y en el estado alto de salida, Q4 está apagado y es un circuito abierto entra colector y emisor.

Cuando Q4 esta encendido lleva el voltaje de salida a bajo y cuando está apagado lleva el voltaje de salida a alto. Sin la resistencia RP el voltaje de salida seria indeterminado. Esta resistencia es por lo general de 10KΩ. Este valor es lo bastante alto como para limitar la corriente a través del transistor por debajo del límite máximo.

Cuando varias compuertas de colector abierto comparten una conexión en común se forma la función AND lógica, como se ve en la figura:

Buffer/Reforzadores de colector abierto/drenador abierto

La aplicación de salidas de colector abierto/drenador abierto que se han descrito eran utilizadas en los primeros días de los circuitos lógicos. Ahora el uso más común de estas salidas es un buffer/reforzador, que es un circuito que está diseñado para tener una salida con mayor capacidad de voltaje/corriente que un circuito lógico ordinario. Lo que permite que un circuito de salida débil controle una carga pesada.Los dispositivos recomendados para estas aplicaciones son el 7406 y el7407. El 7406 posee seis inversores con salida de colector abierto que pueden drenar hasta 40mA en estado bajo, y puede manejar hasta 30V de voltaje de salida.En el siguiente ejemplo se muestra un Flip Flop 74LS112 y el 7406 para controlar el encendido/apagado de una lámpara de 24V a 25mA.

Cuando Q= 1, la salida del 7406 cambia a bajo, su transistor drena los 25mA requeridos por la lámpara y la enciende. Cuando Q= 0, la salida del 7406 está en bajo, el transistor se apaga, no hay camino para la corriente y la lámpara también se apaga. En este estado aparecerán 24V entre el colector y tierra. Este valor de VOH=24V es menor que la clasificación máxima de VOH para el 7406.