Informe Previo 1 Sistemas digitales

8/18/2019 Informe Previo 1 Sistemas digitales

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Laboratorio Nº 01: HOJA DE DATOS DEFABRICANTES, ÁLGEBRA DE BOOLE

José Palomino Jáuregui, Eddy Yosimar Quevedo Meza, Jim Irvin Cormán Hijar

Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería

Lima, Perú

[email protected]

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INTRODUCCIÓN

El siguiente Informe Previo muestra básicamente los circuitos implementados en el Laboratorio, los cuales buscan

el manejo e implementación de los CI y en general la utilización de las hojas de datos de los fabricantes, el cual

servirá como base para el desarrollo del curso.

I.

OBJETIVOEl laboratorio de acuerdo a sus experimentos tiene como finalidad:

Identifique los cicrcuitos integrdos de tecnología digital.

Compruebe el funcionamiento de los circuitos integrados TTL y

CMOS.

Uso del manual de circuitos integrados y terminología empleada

II.

TEORÍA

A.

Cir cuitos i ntegrados

Un circuito integrado (CI), también conocido

como chip o microchip, es una estructura de pequeñas

dimensiones de material semiconductor, de algunos milímetros

cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos

que está protegida dentro de un encapsulado de plástico

o cerámica.

B. Tecnología TTL

TTL es la sigla en inglés de transistor-transistor logic, es decir,

«lógica transistor a transistor». Es una familia lógica o lo que es lo

mismo, una tecnología de construcción de circuitos

electrónicos digitales. En los componentes fabricados con

tecnología TTL los elementos de entrada y salida del dispositivo

son transistores bipolares.

CARACTERÍSTICAS DE LA FAMILIA TTL

Las características destacables de estos componentes son la

siguientes:

Tensión de alimentación: 5 voltios con una tolerancia de 4.5 V a

5.5 voltios.

Niveles lógicos: entre 0.0 V y 0.8 V para el nivel bajo (L) y entre

2.4 V y 5 V para el nivel alto (H), ya que estos chips son activado

por altos y bajos, o también llamados 0 y 1, dígitos del sistema

binario utilizados para estos usos en la electrónica.

Código identificador: el 74 para los comerciales y el 54 para los

de diseño militar. Estos últimos son chips más desarrollados, ya

que los de serie 74 soportan menos rangos de temperaturas.

Temperatura de trabajo: de 0 °C a 70 °C para la serie 74 y de -55

hasta los 125 °C para la 54.

C. Tecnología CMOS

La familia CMOS (MOS complementaria) es muy popular en laactualidad en el diseño de sistemas digitales debido a su muy bajoconsumo de potencia, elevada capacidad de integración, buenainmunidad al ruido y su bajo consumo.

CARACTERÍSTICAS DE LA FAMILIA CMOS

Disipación de potencia: Es la ventaja más sobresaliente de esta

familia. Una compuerta CMOS típica consume aprox.10 nW(nano watios). Esto es una ventaja muy grande en equipos

portátiles.

Velocidad: Los dispositivos CMOS son más lentos que los TTL

pero lo suficientemente rápidos para la mayoría de la

aplicaciones. Pueden trabajar a frecuencias de hasta 10MHz y

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductorhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81reahttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuitohttp://es.wikipedia.org/wiki/Encapsulado_de_un_microprocesadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Familia_l%C3%B3gicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_digitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_digitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Familia_l%C3%B3gicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Encapsulado_de_un_microprocesadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuitohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81reahttp://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor


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posen tiempos de propagación del orden de 10 a 50nS por

compuerta.

Tensión de alimentación: Los dispositivos CMOS poseen un

amplio rango de operación que va desde 3 a 18V. La tensión de

alimentación se designa con VDD. Algunos sistemas digitales

usan dispositivos CMOS y TTL en conjunto. En estos casos se

utiliza una tensión de alimentación única de +5V. En el caso de

que las tensiones de alimentación sean distintas, debemos utilizar

una “interfaces” para hacer compatibles los niveles lógicos.

Niveles lógicos: Los dispositivos CMOS reconocen como ‘0’

lógico en sus entradas a niveles de tensión de 0 a 0.3 VDD, y

reconocen un ‘1’ lógico tensiones entre 0.7 VDD y VDD. Por

ejemplo si se alimenta un dispositivo CMOS con 10V, entonces

interpretará una tensión entre 0 y 3V como ‘0’ lógico y una

tensión entre 7 y 10V como ‘1’ lógico.

Inmunidad al ruido: Esta es una característica muy sobresaliente

de esta familia. Los dispositivos CMOS son esencialmente

inmunes al ruido electromagnético externo.

Fan-out: Si no se requiere un funcionamiento de alta velocidad, se

pueden conectar hasta 50 puertas a una misma salida.

Retardo de propagación: Los dispositivos CMOS estándar (serie

4000) son mucho más lentos que los TTL. Pero las subfamilias

recientes han ido solucionando este hecho, por ejemplo los

dispositivos 74ACXX y 74ACTXX poseen retardos de

aproximadamente 7 ns mientras que los nuevos miembros LVT,

ALVC, ALVT tienen retardos de 2.5 ns.

III.

EQUIPOS Y MATERIALES

Los materiales a utilizar en el laboratorio son:

1 Fuente de alimentación regulada variable +5VDC

2 Protoboard.

1 Alicate de punta y 1 alicate de corte.

Cable telefónico para conexiones.

Resistencias de 330 Ω y ¼ W.

Diodos LED.

Osciloscopio

Multímetro

Familia de CI:

IV.

DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA

A. Del manual de C.I. defina lo siguiente:

1. Niveles lógicos TTLEn el estudio de los circuitos lógicos, existen cuatro especificaciones lógicos

diferentes: VIL, VIH, VOL y VOH.En los circuitos TTL, VIL es la tensión de entrada válida para el rango 0 a 0.8

V que representa un nivel lógico 0 (BAJO). El rango de tensión V IH

representa la tensiones válidas de un 1 lógico entre 2 y 5 V. El rango de

valores 0.8 a 2 V determinan un funcionamiento no predecible, por lo tantoestos valores no son permitidos. El rango de tensiones de salida V OL, VOH se

muestra en la figura siguiente.

Niveles lógicos de un circuito TTL

2.

Niveles lógicos CMOS.

Los elementos lógicos abstractos procesan dígitos binarios 0 y 1. Sinembargo, los circuitos lógicos reales procesan señales eléctricas tales como

niveles de voltaje. En cualquier circuito lógico existe un intervalo de voltajes

(u otras condiciones del circuito) que se interpreta como un 0 lógico, y otro

intervalo (que no se translapa con el anterior) que se interpreta como un 1lógico.

Un circuito lógico CMOS típico funciona a partir de una fuente de

alimentación de 5 volts. Un circuito de esta clase interpretará cualquier

voltaje que esté en el intervalo de 0 a 1.5V como un 0 lógico, de igual forma,

interpretará a cualquier voltaje que esté en el intervalo de 3.5 a 5.0 V comoun 1 lógico. De este modo, las definiciones de BAJO y ALTO para la lógica

CMOS de 5 V son como se ilustra en la figura siguiente.

Niveles lógicos para circuitos lógicos CMOS típicos

Los voltajes que están en el intervalo intermedio (1.5-3.5V) solamente

aparecerán durante las transiciones de señal, por tanto producirán valores

lógicos indefinidos (es decir, un circuito puede interpretarlos ya sea como 0 o

como 1). Los circuitos CMOS que utilizan otros voltajes de alimentación,tales como 3.3 o 2.7 volts, dividen el intervalo de voltaje en forma similar

3.

Inmunidad al ruido

Mide la sensibilidad de un circuito digital al ruido electromagnéticoambiental. La inmunidad al ruido es una consideración importante en e

diseño de sistemas que deben trabajar en ambientes ruidosos com

automóviles, máquinas, circuitos de control industrial, etc.

La tolerancia al ruido de los circuitos digitales tambien es afectada por la

velocidad de dichos circuitos, de distintas maneras.Primero, el retardo de propagación de una compuerta no es un retardo “puro”

pues la forma de onda de la señal de salida no es necesariamente una copia d

las variaciones de la señal de entrada, retardada en un valor fijo. De hecho, la

señal de salida no seguira un cambio de la señal de entrada, al menos que e

cambio persista por un tiempo mínimo. En otras palabras, los pulsos deentrada muy cortos seran “filtrados” por una compuerta lenta, y su efecto no

sera “visto” en la salida. Como regla general, si la señal de entrada cambia de

un nivel lógico a otro y luego vuelve al primer nivel antes de que la salida

comience a responder al primer cambio, ninguna variación ocurrirá en lasalida. Por lo tanto, una compuerta lenta (una con tiempos de propagación

grandes) sera menos susceptible a pulsos de ruido que otra mas rápida.

Por otro lado, las señales de alta frecuencia son acopladas mas fácilmente de

una parte del circuito a otro (electromagnéticamente). Las señales digitale

con cambios muy abruptos, o sea aquellas con 8 tiempos de transición muy pequeños, tienen un alto contenido armónico en componentes de alta

frecuencia. Entonces, si dos compuertas diferentes poseen los mismos

retardos de propagación pero una de ellas tiene tiempos de transición

mayores, esta sera menos “dañina” en términos de generación de ruido que

pueda ser fácilmente acoplado a los conductores adyacentes, que aquellacompuerta con menores tiempos de transición. O sea, el ruido será un

problema menor al usar compuertas con mayores tiempos de transición.

Código Familia Descripción

74LS00 TTL NAND de dos entradas

74LS02 TTL NOR de dos entradas

74LS04 TTL NOT, INVERSOR

74LS08 TTL AND de dos entradas

74LS32 TTL OR de dos entradas

74LS86 TTL OR-EXCLUSIVO

7401 TTL NAND de dos entradas O.C.

7405 TTL Hex INVERSOR O.C.

7409 TTL AND de dos entradas O.C.

7433 TTL NOR BUFFER O.C.

74125 TTL BUFFER TRI STATE

74126 TTL BUFFER TRI STATE

555 TIMER

1 lógico (ALTO)

0 lógico (BAJO)

5.0V

3.5V

1.5V

0.0V

Nivel lógico

indefinido

5.0V

2.0V

0.8V

0.0V

5.0V

2.4V

0.4V

0.0V

No Permitido No Permitido


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4. Margen de ruido

Las señales de “ruido” son señales electromagnéticas (EM) no deseadas queinterfieren con la operación de un circuito. Pueden ser generadas fuera del

circuito al que afectan, o por el mismo circuito. El ruido generado fuera del

circuito en cuestión puede “acoplarse” en dicho circuito a través de radiacion

EM. Tambien puede propagarse dentro del circuito a través de las líneas de la

red de suministro de CA, y de la fuente de alimentación.Un ejemplo clásico es el de motores eléctricos que funcionan en las cercanías

del circuito, pudiendo generar picos de corriente que afectan el nivel de

tensión de salida de la fuente de alimentación del circuito, alimentada desde

la misma red de CA. Ademas, la formación de arcos en motores conescobillas (desconexión abrupta de cargas inductivas...) actúa como fuente deondas EM indeseables.

5. Disipación de potencia

Es la potencia suministrada necesaria para operar la compuerta. Este parámetro se expresa en milivatios(mW) y representa la potencia real

designada por la compuerta.

La alta disipación de potencia es una desventaja asociada con la alta

velocidad de operación. En general, cuanto más rápido sea un circuito, más

potencia consume y viceversa. La mayoría de los circuitos TTL disipantípicamente, de 1 a 25 milivatios por compuerta.

Un CI con cuatro compuertas exigirá de la fuente cuatro veces la potencia

disipada por cada compuerta. En un sistema dado puede haber muchos

circuitos integrados y sus potencias deben tenerse en cuenta. El poder total

disipado en un sistema es la suma total de las potencias disipadas de todos los

CI's

6. Retardo de propagación

Es el intervalo de tiempo entre un cambio de nivel logico en una entrada y elcorrespondiente cambio en la salida de la misma compuerta. Este parámetro

limita la frecuencia máxima de operación de la compuerta. En muchas

compuertas el retardo de propagación para una transición de alto a bajo en la

salida es diferente al retardo asociado a un cambio de bajo a alto en la salida.

Esto es indicado en las hojas de datos con los simbolos: tPHL y tPLH. Los

tiempos de propagación en TTL normalmente del orden de 2 a 30nanosegundos por compuerta.

7. Producto velocidad-potencia

La velocidad de conmutación de una compuerta usualmente es proporcional a

la cantidad de energía transformada en calor. De hecho, en muchos circuitosdigitales hay que asumir un compromiso entre velocidad y disipación de

potencia. Entonces, un circuito puede diseñarse para trabajar a una alta

velocidad (o sea que los parámetros de retardo son pequeños), al costo de unmayor consumo de potencia.

Alternativamente, puede implementarse una versión mas lenta del circuito

para ahorrar consumo de potencia.

Como resultado, una medida de performance (o figura de mérito)comunmente encontrada para una familia lógica es el producto velocidad-

potencia, obtenido al multiplicar el retardo de propagación promedio, la

corriente de alimentación promedio y la tensión de alimentación

recomendada. Cuanto menor este producto, mejor es la familia lógica.

8. Fan in y Fan outFAN IN

Mide el efecto de carga que presenta una entrada a una salida. Cada entrada

de un circuito TTL estándar se comporta com una fuente de corriente capazde suministrar 1.8 mA. A este valor de corriente se le asigna un fan-in de 1.

FAN OUT

Mide la capacidad de una salida de manejar una o más entradas. Cada salida

de un circuito TTL estándar se comporta como un disipador de corrientecapaz de aceptar hasta 18 mA, es decir de manejar hastra 10 entradas TTL

estándares. Por tanto, el fan-out de una salida TTL estándar es 10.

Existen dispositivos TTL especiales llamados buffers (separadores) y drivers

(manejadores) que tienen fanouts de 30, 50 e incluso 100. Se utilizan en

aplicaciones donde una determinada línea de salida debe manejar al mismotiempo un gran número de líneas de entrada.

En resumen especifica el numero de cargos normales que puede accionar la

salida de la compuerta sin menoscabar su operación normal. La salida de la

compuerta suministra una cantidad limitada de corriente por encima de la

cual no opera correctamente y en este caso se dice que está sobrecargada.

B. Obtenga la curva de transferencia de la puerta NAND a partir del C.I. 74LS00.

Trace la función de transferencia, variando V1 desde 0V a5V, en pasos de 0.1V

C.

Utilizando el manual de C.I. TTL, verifique en elaboratorio la lógica de funcionamiento de los

siguientes C.I. verificando su tabla de

funcionamiento:

74LS00

74LS02

74LS04

Código Descripción74LS00 NAND de dos entradas

74LS02 NOR de dos entradas

74LS04 NOT, INVERSOR

74LS08 AND de dos entradas

74LS32 OR de dos entradas

74LS86 OR-EXCLUSIVO


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74LS08

74LS32

74LS86

D. Implemente en el laboratorio el circuito lógico

mostrado y haciendo uso de una tabla de

combinaciones hallar el valor de f(w,x,y,z). Verifiquelos valores teóricos con los obtenidos en e

laboratorio. Considere la entrada w la más significativa.

E. Obtenga la curva de transferencia de la puerta

mostrada en el osciloscopio.

F. Para los circuitos que se muestran en las figuras 1 y2, encuentre su tabla de combinaciones, determine

qué tipo de compuerta son y a qué familia lógica pertenecen.

G. Usando el circuito de la figura, ajuste P 1 para que

V IL sea 0.8V. Ajuste P 2 para que I OH sea 400uA Medir V OH = . Ponga el miliamperímetro en e

pin de entrada de la compuerta y mida I IL= Conecte las dos entradas de cada una de las cuatro

compuertas que tiene este circuito integrado a cerovolts (tierra) y mida I CCH .

H. Usando el circuito de la figura, ajuste P 1 para que

V IH = 2V. Ajuste P2 para que I OL=8mA. Mida bajo

estas circunstancias V OL= . Cambie emiliamperímetro al pin de entrada de la compuerta ymida I IH = . Conecte las dos entradas de cada

una de las cuatro compuertas que tiene este circuitointegrado a cinco volts (V CC ) y mida I CCL.

V.

BIBLIOGRAFÍA

[1] John F. Wakerly, Diseño digital, 3era

edición.

[2] R. M. Marston,

Modern TTL Circuits Manual, 1 st edition

[3] Fuente del navegador

http://www.ie.itcr.ac.cr/rsoto/TTL%20Data%20Book%20y%20ma

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http://www.ti.com/


http://electronicsclub.info/74series.htm


http://materias.fi.uba.ar/6609/docs/Apunte_Familias1_1.pdf


http:// www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=74ls04


http://www.alldatasheet.com/datasheet-

pdf/pdf/51021/FAIRCHILD/74LS00.html


http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-

pdf/view/8068/NSC/74LS32.html

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