República Bolivariana de VenezuelaMPP Para La Educación UniversitariaIUP Santiago MariñoExt. “Maracaibo”Materia: Electronica Digital

Electrónica DigitalFamilias Lógicas

Alumno: Freddy Chourio C.I. 23.450.953

INTRODUCCIÓN

Siempre en electrónica digital nos hemos hecho la pregunta ¿qué tecnología digital será la más apropiada para este diseño?  En una primera aproximación, es fácil elegir entre tecnología TTL o CMOS simplemente basándonos en el consumo que pretendamos que tenga el diseño; pero a partir de ahí es donde empiezan los problemas: actualmente existen fundamentalmente seis subfamilias TTL y cuatro CMOS, cada una de ellas con unas características diferentes que las hacen propicias para cada tipo de aplicación.

A la vista de esto podemos llegar a la conclusión de que es imprescindible para el diseñador conocer a fondo cada una de estas tecnologías, entendiendo por esto no sólo sus características funcionales sino también el porqué de las mismas.

Veremos cómo los fabricantes, al desarrollar una nueva tecnología, han perseguido la reducción del parámetro "producto potencia disipada retardo de propagación" que, como veremos, determina la calidad de la familia lógica; además, se han ido mejorando otras características más secundarias.

El desarrollo de este trabajo consta de las siguientes partes:

- Tecnologías TTL: breve descripción de las subfamilias fundamentales de esta tecnología: estándar, S, LS, ALS, AS y FAST.

- Tecnologías CMOS: breve descripción de las familias de fabricación CMOS: 4000, HE4000, HCMOS y ACL.

En este trabajo se incluirá una breve comparación de las familias lógicas estudiadas.

En primer lugar se estudiaran las definiciones de cada una, y posteriormente

se compararán para conocerlas mejor en cuanto a sus características y sus

diferencias una de otra.

1.- FAMILIA TTL ESTÁNDAR

La familia lógica TTL-Estándar (TTL = transistor-transistor logic o lógica transistor-transistor) es una familia "saturante" de TTL caracterizada fundamentalmente por su rapidez.

Es saturante porque la mayor parte de los transistores que la forman trabajan en corte-saturación. Estos transistores conducen tan pronto como la corriente de base sea suficiente para hacer que la intensidad de colector sea la de saturación. Pero el funcionamiento no suele ser así. Normalmente, un transistor con ganancia en corriente elevada requiere una considerable corriente de base lo que favorece la entrada en saturación del transistor. Cuando queremos que el transistor pase al corte, el exceso de carga acumulado en la base tarda en desalojarse, lo que contribuye a que los tiempos de conmutación del transistor sean mayores.

Una de las mejoras introducidas por la familia TTL-Estándar es la utilización de un transistor de entrada multiemisor que favorece el paso del estado de saturación al de corte, retirando la carga almacenada en la base del transistor durante la saturación.

2.- FAMILIA TTL-SCHOTTKY

Uno de los principales problemas que existen en la familia TTL-Estándar es la pérdida de velocidad en la conmutación, debido a que la mayoría de los transistores trabaja en corte-saturación y es difícil evacuar el exceso de carga almacenada en la región de base durante la saturación.

Este problema tiene solución con la aparición de la familia TTL-Schottky. Se trata de evitar que los transistores alcancen el estado de saturación. De esta manera se reduce el exceso de carga en la región de base, de forma que se tardará menos en evacuarla cuando el transistor intente pasar al corte, lo que se traduce en un aumento considerable de la velocidad.

3.- FAMILIA TTL-LS

Con la familia TTL-S habíamos conseguido un gran aumento de velocidad de conmutación con respecto a la TTL-Estándar, pero también se había aumentado la corriente que circulaba por la puerta y, por lo tanto, su consumo de potencia. A partir de la TTL-S se obtuvo la familia TTL-LS; TTL Schottky de baja potencia (TTL-Low Power Schottky). Con esta familia se obtiene un consumo menor de potencia, pero se reduce la velocidad de conmutación.

A pesar de esto, la velocidad que se ha obtenido es muy parecida a la de la TTL-Estándar pero el consumo de potencia se ha reducido en un factor de cinco.

La familia TTL-LS, como descendiente de la familia TTL-S, sigue utilizando el diodo Schottky.

4.- FAMILIA TTL-ALS

La familia "Schottky de baja potencia avanzada" (Advanced Low-power Schottky, ALS) es una de las más avanzadas de la familia TTL. En ésta se aumenta dos veces la eficiencia de conducción y se ofrece más del 50 % de reducción de potencia en comparación con la familia TTL-LS. Con esta familia se mejora el producto Potencia-Velocidad.

Vamos a explicar el por qué de la importancia del producto Potencia-Velocidad. El producto Potencia-Velocidad (power-speed) es un sistema de medida (cuya unidad es el picojulio) utilizado en los circuitos donde la velocidad y la potencia son factores muy importantes.

En los circuitos digitales vistos hasta ahora, hemos observado que siempre se intenta reducir el consumo del circuito (con el fin de que gaste menos energía, sea más barato y sea menos propenso a la ruptura) y aumentar la velocidad de conmutación (con lo cual la información será transmitida más rápidamente). Por eso, el producto potencia-velocidad es muy importante.

Lo ideal sería tener un circuito con un producto Potencia-Velocidad = 0.

En los ALS el producto potencia-velocidad es unas cuatro veces menor que en TTL-LS Y alrededor de veinte veces menor que en TTL. Los circuitos ALS ofrecen, entre otras, las siguientes ventajas adicionales:

· Compatible con las familias 74, 74S, 74LS.

· Corriente de entrada reducida al 50 % respecto a TTL-Estándar.

5.- FAMILIA TTL-AS

En el capítulo anterior vimos que la familia TTL-ALS ofrecía una serie de ventajas con respecto a la familia TTL-LS.  Por otro lado, según lo visto hasta ahora, la familia lógica que nos ofrece una mayor rapidez es la TTL-Schottky (TTL-S).  Con el fin de mejorar las características de TTL-S surge la familia TTL-Advanced Schottky (TTL-AS = TTL-Schottky Avanzada).

La familia lógica TTL-AS ofrece una reducción de disipación de potencia y de retardo de un 50 % con respecto a TTL-S, mientras que el producto Potencia-Velocidad es reducido unas cuatro veces con respecto a esta misma familia 1.

La familia TTL-AS proporciona las siguientes ventajas adicionales:

· Reducción del 50 % de la intensidad requerida a la entrada.

· Retardos de propagación pequeños y elevadas frecuencias de reloj con relativo bajo consumo.

6.- FAMILIA FAST

La familia FAST, donde FAST proviene de TTL Schottky Avanzada de FAIRCHILD (FAIRCHILD Advanced Schottky TTL) es el último paso en TTL. Fue creada en la década de los 80 y debido a su alta velocidad de conmutación puede trabajar en áreas hasta ahora reservadas para la lógica "ECL IOK" utilizando los diseños TTL básicos y una única alimentación de 5V. La alta impedancia de entrada de la familia FAST permite la interconexión directa con los circuitos de las familias TTL-LS, TTL-ALS y HCMOS en un mismo sistema.

Los circuitos FAST reducen en 1/4 la potencia que disipan con respecto a la familia TTL-S ya sea trabajando a nivel alto o bajo mejorando además el producto Potencia-Velocidad.

La mayoría de los sistemas diseñados con circuitos TTL-S, pueden funcionar reemplazando estos circuitos por sus equivalentes de la familia FAST.

7.- FAMILIA ECL

Como hemos visto hasta ahora, las familias lógicas que utilizan los transistores con atrapamiento Schottky son las únicas en las que sus transistores no alcanzan la saturación y por tanto son más rápidas (aunque el diodo Schottky aumente un poco la capacidad de entrada del transistor correspondiente).

Desde hace muchos años existe una familia que utiliza el principio de no conseguir la saturación de los transistores; la forma que tiene de hacerlo no es empleando diodos Schottky en los transistores, sino mediante un diseño particular de sus circuitos internos.  Nos estamos refiriendo a la familia ECL o Lógica de Emisores Acoplados (Emitters Coupled Logic).

La familia ECL tiene dos variantes:

· ECL serie 10000 o ECL IOK.

· ECL serie 100000 o ECL IOOK.

Ambas familias (IOK y IOOK) son prácticamente idénticas con la diferencia de que la familia ECL IOOK es un poco más rápida que ECL IOK y además posee una mayor estabilidad frente a variaciones de la temperatura.

Las familias ECL son las más rápidas que existen en el mercado, llegando sus retardos a sobrepasar en muchas ocasiones un nanosegundo por puerta y la frecuencia de reloj suele ser de 50 MHz, pudiendo llegar a las cercanías del GHz. Todo esto las hace recomendables en contadores, comunicaciones digitales de alta velocidad, sistemas de cálculo de alta velocidad, etc .

Por lo comentado anteriormente, la familia ECL tiene unas propiedades ideales; pero falta comentar sus características en cuanto a la disipación de potencia. De esta manera, si ECL es la familia más rápida que existe en el mercado, también es la familia que más potencia disipa (20 mW por puerta), y si a esto le añadimos que su tensión de alimentación es negativa, entonces podemos decir que no es una familia tan apetecible como en un principio parecía, puesto que no sólo consume mucho, sino que los niveles lógicos que proporciona no son en nada compatibles con los de las restantes familias lógicas, por lo que los problemas en la interconexión con otras familias lógicas son muchos.

8.- FAMILIA CMOS 4000

Es sabido el afán por conseguir velocidades de conmutación cada vez más altas en los circuitos integrados digitales para el diseño de sistemas electrónicos. Hasta ahora, las tecnologías bipolares (TTL) eran las únicas que satisfacían las necesidades de velocidad y corriente. Las técnicas PMOS y NMOS no podían competir debido a su lentitud; sin embargo, con las tecnologías mejoradas apareció la primera serie comercial de CMOS (Complementary Symmetry / Metal Oxide Semiconductor - Semiconductor Oxido Metal / Simetría Complementaria), dada en la serie 4000, bajo el nombre registrado de COS/MOS. En esta familia se aplican conjuntamente las técnicas PMOS y NMOS.

Esta familia tiene velocidades más cercanas a las de la familia TTL-Estándar que PMOS y NMOS.  Como ventajas sobre las familias TTL hay que destacar que su consumo puede ser miles, incluso millones de veces inferior, siempre y cuando las frecuencias de trabajo no sean muy elevadas.

En esta familia se disminuye el volumen de los circuitos, aparte de que tiene una gran inmunidad al ruido y funciona con una amplia gama de valores de tensiones de alimentación. Hay que destacar el gran daño que pueden producir las descargas electrostáticas en los circuitos CMOS.

9.- FAMILIA CMOS HE4000

La familia CMOS 4000 había logrado ofrecer unas características tales como un bajo consumo de corriente, poca disipación de potencia, amplia gama de tensiones de funcionamiento y una excelente inmunidad a ruidos. A pesar de que su velocidad de conmutación se acercaba a las de TTL, seguía siendo muy lenta en comparación con ésta. Posteriormente se creó la familia 74Cxx (C = CMOS) con patillaje TTL, en la que se mejoraban las características de los CMOS 4000; pero estas mejoras no eran suficientes.

Para que la familia CMOS pudiera ser algo más competitiva había que aumentar la velocidad de los circuitos, pero para ello se deberían disminuir las capacidades parásitas del integrado. Esto es lo que se consigue en los circuitos de la familia CMOS HE4000 debido a una nueva tecnología empleada en su fabricación: Tecnología de Puerta de Silicio.

Las ventajas de la familia CMOS HE4000 son las mismas que las de la familia CMOS 4000, es decir, disipan mucha menos potencia (mientras no se trabaje a muy altas frecuencias), se disminuye el volumen de los circuitos, tienen una gran inmunidad al ruido, funcionan con una amplia gama de valores de tensiones de alimentación, tienen un intervalo de temperatura de funcionamiento más amplio, tienen un fan-out elevado y además tienen mayor velocidad.

10.- FAMILIA HCMOS

El uso de tecnologías digitales basadas en la utilización de transistores bipolares (TTL) ha sido masivo hasta hace pocos años. Esto era así debido a las buenas características que presentan las familias derivadas de TTL respecto a la elevada velocidad de trabajo y a un relativo bajo consumo; todo esto mejorado con la aparición de las tecnologías TTL-AS, TTL-ALS y FAST. La única alternativa a las familias TTL era la serie 4000 de CMOS, pero a pesar de su reducido consumo, su excesiva lentitud limitaba en buena parte su utilización.

Desde hace pocos años está disponible la familia CMOS de alta velocidad (Highspeed CMOS.- HCMOS).  Las propiedades de las familias lógicas CMOS de alta velocidad se han mejorado espectacularmente en relación con la serie 4000 de CMOS; de manera que la velocidad se ha aumentado a niveles comparables con la familia TTL-LS mientras que el consumo es del orden de un millón de veces inferior a esta familia en régimen estático.

Todas estas propiedades hacen que esta familia se haya difundido rápidamente en el mercado y esté sustituyendo con claridad a las familias TTL.

11.- FAMILIA ACL

Según lo visto en el capítulo anterior, parecía que la lucha por conseguir una familia lógica con más prestaciones había llegado a su fin con la aparición de la familia HCMOS. Todo eran ventajas: bajo consumo, muy buena velocidad, amplio margen de tensión de alimentación y temperatura de trabajo, etc. Pero en tecnología digital, nunca existe una familia perfecta y siempre surgen nuevas familias que mejoran las características de la familia lógica que creíamos que era insuperable.

Lo más novedoso en tecnología CMOS es la familia lógica CMOS Avanzada (ACL- Advanced CMOS Logic). Esta familia introduce una gran mejora en velocidad y disipación de potencia con respecto a la familia HCMOS, cosa que parecía muy difícil cuando analizamos a esta última en el capítulo anterior.

CUADRO COMPARATIVO ENTRE LAS FAMILIAS LÓGICAS ESTÁNDAR

VENTAJAS E INCONVENIENTES