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Familias L Familias L ó ó gicas gicas Introducci Introducci ó ó n a los Sistemas n a los Sistemas L L ó ó gicos y Digitales gicos y Digitales 2008 2008 Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

IntroducciIntroduccióón a los Sistemas n a los Sistemas LLóógicos y Digitalesgicos y Digitales

20082008

Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Las Familias Lógicas son tecnologías que permiten implementar lasfunciones tanto lógicas como matemáticas en el sistema binario.

CLASIFICACIÓN:Dependiendo de la tecnología empleada:

BIPOLAR Lógica TTL (Transistor-Transistor Logic).Lógica ECL (Emitter-Coupled Logic).CML (Current Mode Logic)

MOS Lógica CMOS (Complemmentary Metal-Oxide Semiconductor).LVDS (Low Voltage Differential Signaling)

BIPOLAR-MOS Lógica BiCMOS.

OTRAS Lógica GaAs (Galio-Arsénico), etc..Lógica eléctrica (relays, llaves, etc.).Lógica neumática.Lógica óptica….ETC…

NOTA: Aquí se tratarán los primeros 3 grupos.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA LÓGICA IDEAL

Velocidad de respuesta infinita (retardos nulos)

A

B t

t

A B

Consumo de energía nulo

“Vcc”

A B

0V

mA

Esto requiere que el dispositivo no consumacorriente de la fuente de alimentación.Además impone otra condición y es que si hay una carga conectada a la salida del mismo la misma debe ser infinita para no“pedirle” corriente al circuito.

I = 0

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA LÓGICA IDEAL

Inmunidad al ruido del 50% de la tensión de alimentación

A B

VBVcc

Vcc/2

00 Vcc/2 Vcc

t

VA

VA

Mientras la señal de entrada nosupere los Vcc/2 Volts el inversor siguereconociendo el “0” a su entrada.

Lo mismo sucede para el “1”. De estamanera se tiene un “Márgen de ruido”de Vcc/2 ó 50% para cada nivel lógico.Es el márgen máximo que se puedeobtener.

NOTA: Aquí no se considera el conceptode Schmitt Trigger que se planteará luego.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA LÓGICA IDEAL

Capacidad de carga infinita:

A B

0V

ZL = CL , RL Vo+

-0V

ZL = CL , RL

0V

Z0 = 0

Impedancia de entrada infinita:

La tensión de salida no varía conla carga.

La impedancia de entrada al serinfinita no consume corriente dela fuente a la cual esté conectada.A B

Vg+

-0V Zin = ∞

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

comenzando en crecimiento madura declina obsoleta

EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS DE SEMICONDUCTORES DIGITALES

ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

-V

A

B C = A + B

C = A • B

+V

A

B

LÓGICA DIODO (DL)

B

AS = (A + B) • B

C

-V

+V Esta lógica no permitecascadas de compuertasni puede resolver negaciones.Necesita fuente partida(+V y –V)

Aquí cuando A = B = “0”y C = “1” � La tensión enS = 0 Volts si las R son iguales.

+V ≡ “1”-V ≡ “0”

+V ≡ “1”-V ≡ “0”

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Familias LFamilias Lóógicasgicas LÓGICA DIODO-TRANSISTOR (DTL)

-V

A

B

+V ≡ “1”-V ≡ “0”

+V

-V

C = A + B

Esta lógica permite realizar negaciones � implementa cualquier función.Como hay ganancia de tensión permite cascada de compuertas.Problemas serios por tener un márgen de ruido pequeño y retardoselevados. Además requiere fuente partida.

PRÓXIMO PASO � LÓGICA TRANSISTOR-TRANSISTOR (TTL)

Inversor

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Lógica TTL

Evolución

serie 74, serie 74L, serie 74S (Schottky),

serie 74LS (Schottky de bajo consumo),

serie 74ALS, 74F,

versiones de baja tensión de alimentación.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Este tipo de configuración permite:>Trabajar con fuente simple (+5V).>Consumir poca corriente a la entrada (alta impedancia de entrada).>Problemas con retardos ya que Rc debe ser pequeña y eso implica

gran consumo.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

El diodo evita que se satureT2 junto con T3 (T2 debeestar cortado cuando en ViH.Con la inclusión de D, se nece-sitarían 0,6V adicionales parahacer conducir a T2.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Transistor multiemisor

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Si se unen salidas TTL y porejemplo la salida de la compuerta A está en H y la de B en L, circularía una Imuy grande que puededañar a los transistores.???

R externa

Salidas con transistorescon colector abierto

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Función de transferenciaidealizada de un inversor TTL

Función de transferencia típicade un inversor con rangos defuncionamiento garantizados porel fabricante

Zona de trabajo

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Efecto de incrementar la carga a una compuerta

La tensión en nivel L de la salida irá creciendo a medida que aumenta lacorriente de carga. Lo contrario pasa en el nivel H.El resultado es una degradación del márgen de ruido.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Márgen de ruido en nivel alto y bajo

Salida de compuerta 1 Entrada de compuerta 2

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Lógica de tercer estado (tri-state)

Su función es de gran utilidad en los circuitos de interconexión entreun microprocesador con periféricos ya que estos últimos deben compartir el mismo bus de datos del micro y sólo uno debe estar activo en un dado momento.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Tecnología TTL basada en el empleo de transistores Schottky

Mejora la velocidad de respuesta al evitar lasaturación profunda delos transistores.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Circuito de un inversor TTL serie 74 LS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Familia TTL serie 74LS Características Generales

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Familia TTL serie 74LS – Retardo de propagación vs. Capacidad de carga

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTLFamilia TTL serie 74LS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTLFamilia TTL serie 74LS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTLFamilia TTL serie 74LS

CONTADORES BCD Y BINARIO

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

NAND de 2 entradas ALS

NAND de 2 entradas FAST

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Tabla de comparación entre subfamilias TTL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA TTL

Tabla de comparación entre subfamilias TTL

La serie FAST (74F)es la subfamilia más rápida TTL pero también demas consumo.Le sigue la ALS (74ALS) y luego por último la LS (74LS).La mas popular y económica que todavía sigue consiguiéndose confacilidad a precio bajo es la LS.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Lógica CMOS

Evolución:

Serie 4000, serie 4000UB-4000B,

Serie 74C, serie 74HC-74HCT, serie 74AC-74ACT,

Serie 74AHC-74AHCT, etc..

Versiones de baja tensión de alimentación.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Lógica CMOS

Serie 4000Es la mas antigua de CMOS. Sus mayores ventajas son:Extremado bajo consumo.Alta inmunidad al ruido.Alto Fan-out.Rango de tensiones de alimentación amplio (3 V a 18V).Principal desventaja: Velocidad.

En la actualidad viene en dos versiones: 4xxxUB y 4xxxB.La primera, UB (unbuffered) es mas rápida pero con poca capacidad de corriente de salida.La segunda, B (buffered) es mas lenta pero tiene mayor corriente para alimentar cargas TTL ya que posee un driver ala salida (generalmente un inversor) con lo cual hay que negardos veces y eso hace mas lento al circuito.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Circuito de un inversor CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Circuito de un inversor CMOS

Respuesta idealizada

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIAREAL DE HOJAS DE DATOS DE ALGUNASCOMPUERTAS CMOS SERIE 4000 para 3 niveles de tensión dealimentación Vdd:5, 10 y 15 V y contemperatura ambienteestable en 25ºC.

Qué funciones lógicaspuede representar estetipo de respuesta …??

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Márgen de ruido en CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Salida de una compuerta Entrada de otra compuerta

Márgenes de ruido alto y bajo

Márgenes de ruido en CMOS standard para 5 volts de alimentación

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Estructuras simples de compuertas CMOS (caso NAND)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Estructuras simples de compuertas CMOS (caso NOR y tercer estado)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Ciertas funciones se puedenimplementar con un solo bloquede retardos .En TTL exigiría 3 niveles decompuertas …!!!!!

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Estructura Pass-gate (compuerta de paso)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Funcionamientode compuertatipo pass-gate

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

MUX basado en compuertas pass-gate

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Dado el muy bajoconsumo se tienela posibilidad de “colgar”compuertas alimentadasde otras.Esto permite por ejemplohacer una Or-Exclusiva.

OR-EXCL basada en pass-gate

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Implementación de un FFtipo “D” disparado por flancoascendente.Tiene una configuración tipomaster-salve, es decir, dosbloques idénticos que seactivan con niveles de tensióndiferentes de CLK.

Cómo se puede hacer unoque sea sensible al otroflanco..??

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Dos posibilidades para lograr compuertas con tercer estado (tri-state)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOSSerie MC14001UB (unbuffered)

baja capacidad de corriente

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOSSerie MC14001UB (unbuffered)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOSSerie MC14001UB (unbuffered)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOSSerie MC14001UB (unbuffered)

4 x NOR2

¼ NAND2

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Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOSSerie MC14001UB (buffered)

alta capacidad de corriente

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOSSerie MC14001B (buffered)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOSSerie MC14001UB (buffered)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

OR2 ó NOR2

OR3 ó NOR3

Serie MC14001UB (buffered)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

AND3 ó NAND3

AND2 ó NAND2

Serie MC14001UB (buffered)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Compuerta pass-gate

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Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Lógica CMOSSerie 74XXEs la mas nueva y actual de CMOS. Sus mayores ventajas son:Bajo consumo respecto a las versiones de TTL LPS (Low PowerSchottky).Mayor inmunidad al ruido.Rango de tensiones de alimentación medio (3 V a 6 V).Velocidad comparable a TTL LS (depende de las versiones).

En la actualidad tenemos varias versiones:74HC y 74AC (compatibles con CMOS con rango reducido de Vcc).74HCT y 74ACT (compatibles con TTL en 5 Volts)Versiones de baja tensión (74AHC, 74LCX, 74LVX, 74ALCX, etc.)

NOTA: Las denominaciones cambian dependiendo del fabricante.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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74AHC74/AHCT74

FLIP-FLOP TIPO “D”sensible a flancoascendente con entradas de set y reset

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74AHC74/AHCT74

Hay anchos

mínimos de

pulso que se

deben respetar

Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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74AHC74/AHCT74

Diagramas de tiempo: Salidas vs. reloj

Familias LFamilias Lóógicasgicas

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74AHC74/AHCT74

Diagramas de tiempo:

Salidas vs. entradas

asincrónicas

Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

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P = (J • Q) + (K + Q)

Si J = K => P = (J • Q) + (J + Q) = (J + Q) • (J + Q) = J (Funciona como "D")

Si J = K => P = (J • Q) + (J + Q) = (J + Q) • (J + Q) = J ⊕⊕⊕⊕ Q (Funciona como "T")

Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA CMOS74HC/HCT107

FLIP-FLOP “JK” disparadopor flanco descendentecon reset

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA CMOS74HC/HCT107

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74HC/HCT107Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Comparación de velocidad vs. tesnsión de alimentación (Vdd)

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Función de transferencia compuertas Schmitt-Trigger

Normal SchmittTrigger

Permite mayor inmunidad al ruido al existir una histéresis ( VH).

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Función de transferencia series HC y HCT

HCT es una versión CMOS que compatibiliza los niveles de tensionesde entrada como TTL, lo que permite conectar a una salida TTL unaentrada CMOS 74HCT de igual tensión de alimentación.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA CMOS

Rangos de Vdd en subfamilias CMOS

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Comparación de tecnologías en 3,3 V

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Comparación de tecnologías en 2,5 V y 1,8 V

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Rango de tensiones de operación

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Tecnología ECLVentaja: Velocidad y márgen de ruidoDesventaja: Fuente negativa de tensión (-5.2V) y elevado Consumo.Tecnología PECLVentaja: Fuente positiva (desplazada a +5V).

Mantiene características de ECL (swing de 800mV)Tecnología LVPECLVentaja: Fuente de +3.3V. Reduce consumo de potencia.

Tecnología ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Compuerta OR-NOR en ECLTecnología ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Compuerta AND-NAND en ECLTecnología ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Ejemplo de compuerta OR-NOR de 4 entradas ECL serie 10K

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

MECL10K MECL10H

Función de transferenciageneral de ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Márgenes de ruido para MECL10K/10H

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Formas de onda típicas encontradas en señales de alta velocidad

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Compuerta AND-NAND ECL

modelos MC10EP/100EP

Puede funcionar como PECL...!

Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

FAMILIA ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

FAMILIA ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA ECL

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Flip-Flop tipo D ECL

modelos MC10EP/100EP

Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA ECL

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Flip-Flop tipo D ECL

modelos MC10EP/100EP

Familias LFamilias Lóógicasgicas

Sergio Noriega – Introducción a los Sistemas Lógicos y Digitales - 2008

FAMILIA ECL

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Contador binario sincrónico ECL MC10EP016/100EP016Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Etapa de salida LVPECLTecnología ECL

Salida diferencial seguidor por emisor trabajando en zona activa.Permite tiempos de switching muy bajos a costa de un consumo permanente de corriente típico de 14 mA por las resistencias deTerminación de 50 ohms.Impedancia de los seguidores es muy baja (4-5 ohms) por lo que hayque tener cuidado cuando se trabaj con líneas de transmisión porPosibles desadaptaciones.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Etapa de entrada LVPECL

Entrada diferencial de alta impedancia.Se requiere levantar la tensión de las entradas con resistencias de pull-up a una tensión de Vcc - 1,3 V a fin de proveer una tensión de modo común de 2,0 V (para el caso en que Vcc sea de +3,3V).

Tecnología ECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Tecnología ECL

Especificaciones LVPECL de Tensiones de entrada y salida

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Terminación en dispositivos PECL-LVPECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA ECL

Desacople de DC en dispositivos PECL-LVPECL

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA BICMOS

Tecnología BiCMOS (Bipolar - CMOS)

Familia ABT

Entrada CMOS parabajo consumo.D1 y Q1 sirven paradisminuir la tensiónde conmutación entreestados.El circuito tiene unarealimentación paragenerar histéresis yasí aumentar el márgende ruido.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA BICMOS

Tecnología BiCMOS Familia ABT

Salida bipolar para disminuir elswing de tensión entre VOH y VOL.Mayor capacidad de corriente de carga.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA BICMOS

Tecnología BiCMOS Familia ABT

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA BICMOS

Tecnología BiCMOS Familia ABT

Función de transferencia

Gráfico de comparación entreFamilias lógicas Icc vs. Frec.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA BICMOS

Tecnología BiCMOS Familia ABT

Tiempos de retardo promediodel órden de algunos [ns]

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Familias LFamilias Lóógicasgicas FAMILIA BICMOS

Tecnología BiCMOS

74ABT16244A: 16 buffer no inversor con tri-stateEjemplo

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Comparación de tecnologías en 5 V

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Comparaciones entre familias LS-TTL y CMOS de alta velocidad

Corriente máxima de salida

Rango de tensiones de alimentación

Márgenes de ruido

Familias LFamilias Lóógicasgicas

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FAMILIA CMOS

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Comparaciones entre familias LS-TTL y CMOS de alta velocidad

Consumo interno por compuerta

Ejemplo de retardos para un decodificador del

tipo 74XX138

Curva general de velocidad vs potencia

Familias LFamilias Lóógicasgicas

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NOTA: En estas curvas la siglaFACT corresponde a una línea comercial de CMOS de altavelocidad como la ACT.

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Bibliografía:

Apuntes de teoría:• “Familias Lógicas”. S. Noriega.

Libros:• “Sistemas Digitales”. R. Tocci, N. Widmer, G. Moss. Ed. Prentice Hall.• “Diseño Digital”. M. Morris Mano. Ed. Prentice Hall. 3ra edición. • “Diseño de Sistemas Digitales”. John Vyemura. Ed. Thomson.• “Diseño Lógico”. Antonio Ruiz, Alberto Espinosa. Ed. McGraw-Hill.• “Digital Design:Principles & Practices”. John Wakerly. Ed. Prentice Hall.• “Diseño Digital”. Alan Marcovitz. Ed. McGraw-Hill.• “Electrónica Digital”. James Bignell, R. Donovan. Ed. CECSA.• “Técnicas Digitales con Circuitos Integrados”. M. Ginzburg. • “Fundamentos de Diseño Lógico y Computadoras”. M. Mano, C. Kime.

Ed. Prentice Hall.• “Teoría de conmutación y Diseño lógico”. F. Hill, G. Peterson. Ed. Limusa

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Familias LFamilias Lóógicasgicas

Bibliografía (continuación):

Notas de aplicación y manuales:•Nota de aplicación “AN-104” de Micrel (www.micrel.com).•Hojas de datos del HFBR-5903A: “5988-8033EN” (www.agilent.com).•Nota de aplicación “scba008b” de Texas Instruments (www.ti.com).•Nota de aplicación “AN-138” de Altera (www.altera.com).•Nota de aplicación "ssapexlvds" de línea APEX (Altera).•Nota de aplicación “LVDS Owner manual de National” (www.national.com).•Hojas de datos del DS90LV031A de National.•Hojas de datos del DS90LV032A de National.•Reportes tecnológicos de IBM (www.ibm.com ).•Notas de aplicación y hojas de datos sobre ECL (www.onsemi.com).•Nota de aplicación "AN1058" de Maxim (www.maxim-ic.com).•Nota de aplicación "Comparison of CML and LVDS for High-speed serial links" de Cypress (www.cypress.com).

•Nota de aplicación "Virtex-E LVPECL receivers in multi-drop applications"de Xilinx (www.xilinx.com).

•Hojas de datos de FPGA serie Virtex-E de Xilinx.•Hojas de datos de FPGA serie Stratix de Altera.