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CIRCUITOS SISTEMAS DIGITALES
Ing. John Gutierrez Estrella
UNIDAD 2
Familias Lgicas
Ing. John Gutierrez Estrella
IntroduccinTodos los elementos y funciones lgicas que hemos
visto (y muchas ms) estn disponibles como circuitos integrados
(CI). Estos circuitos integrados contiene varias compuertas dentro
de un solo encapsulado. Los modernos sistemas digitales utilizan
CIs casi exclusivamente en su diseo debido a su reducido tamao,
alta fiabilidad, bajo coste y consumo de potencia.
En este capitulo estudiaremos las tecnologas que abarcan estos
CI y sus caractersticas.
Lgica IntegradaUn circuito integrado (CI) es aquel en el cual
todos los componentes, incluyendo transistores, diodos,
resistencias, condensadores y alambres de conexin, se fabrican e
interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora
de silicio.
Una vez construido, el chip se encierra en una cpsula plstica o
de cermica dotada de pines de conexin a los circuitos externos.
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Lgica IntegradaEl tipo mas comn de encapsulado es el de
doblelnea (DIP, dual-in-line package) recibe este nombreporque esta
formado por dos hileras paralelas determinales , el numero de
terminales va desde 14, 16,20, 24, 28, 40 y 64.
Familias LgicasUna familia lgica es un conjunto de elementos
funcionales (puertas, biestables,) con el mismo circuito base y
tecnologa de fabricacin.
Familias LgicasLas Familias Lgicas se clasifican en funcin de su
complejidad o escala de integracin. SSI: small scale of
integration. Son circuitos sencillos que contienen entre 1 y 10
puertas lgicas. Ejemplo: puertas lgicas simples: NAND, NOR, XOR,
etc.
MSI: medium scale of integration. Circuitos de complejidad
media, entre 10 y 100 puertas. Ejemplos: codificadores,
decodificadores, multiplexadores, registros, etc.
Familias LgicasLSI: large scale of integration. Circuitos de
complejidad alta, contienen entre 100 y 1000 puertas lgicas.
Ejemplos: memorias, dispositivos lgicos programables, etc.VLSI:
very large scale of integration. Circuitos de muy alta complejidad.
Entre 1000 y 100.000 puertas. Ejemplos: microprocesadores.
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Familias LgicasULSI: ultra large scale of integration. Circuitos
de complejidad elevadsima. Contienen ms de 100.000 puertas.
Ejemplos: microcontroladores (integran en un slo chip
microprocesador, memoria y perifricos).Las familias Lgicas mas
empleadas hoy en da son dos: TTL y CMOS.
Familias Lgicas - Parmetros BsicosEl diseo lgico de un circuito
combinacional es independiente de la tecnologa usada, sin embargo
la realizacin fsica de este circuito si debe tenerla en cuenta, por
factores como:
Niveles de tensin y corriente Inmunidad al ruido Fan-out
Disipacin de Potencia Retardos de propagacin
Familias Lgicas - Parmetros BsicosNiveles de tensin. Tensin de
alimentacin, Niveles de entrada y salida
1
Zona deincertidumbre
0
VIH
0
EntradaVCC
VIL
1
0
VOH
0
SalidaVCC
VOL
VIH: Tensin de entrada mnima para asegurar que el nivel se
interpreta como 1VIL: Tensin de entrada mxima para asegurar que el
nivel se interpreta como 0VOH: Tensin de salida mnima a nivel
altoVOL: Tensin de salida mxima a nivel bajo
Familias Lgicas - Parmetros BsicosNiveles de Corriente.
IOH: es la corriente mxima que puede absorber una salida a nivel
altoIOL: es la corriente mxima que puede absorber una salida a
nivel bajoIIH: es la corriente que consume una entrada a nivel
altoIIL: es la corriente que consume una entrada a nivel bajo
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Familias Lgicas - Parmetros BsicosInmunidad al Ruido.
El ruido es una tensin no deseada que se induce en los circuitos
elctricos y que puede ser una amenaza para el correcto
funcionamiento del circuito.
Para no verse afectados adversamente por el ruido, los circuitos
lgicos deben tener cierta inmunidad al ruido, que es la capacidad
de tolerar ciertas fluctuaciones de tensin no deseadas en sus
entradas sin que cambie el estado de salida.
Familias Lgicas - Parmetros BsicosMargen de Ruido. La medida de
la inmunidad al ruido de un circuito se denomina margen de ruido, y
se expresa en voltios. Para un determinado circuito, se especifican
dos valores de margen de ruido: margen de ruido para el nivel ALTO
(VNH) y margen de ruido para el nivel BAJO (VNL).
Margen de ruido: VNH = VOH(min) VIH(min) a nivel alto
VNL = VIL(max) VOL(max) a nivel bajo
Familias Lgicas - Parmetros BsicosRetardo de Propagacin. Es el
tiempo que transcurre desde que se produce un cambio en la seal de
entrada hasta que ste se refleja en la salida. Se suele dar desde
el punto medio del flanco de subida o bajada.
A A
tPLH: tiempo de propagacin en subidatPHL: tiempo propagacin en
bajada
A
tPLH tPHL
A
Familias Lgicas - TTLDentro de la familia TTL existen varias
subfamilias que en funcin del tipo de transistores y valores de la
resistencias integradas consiguen variar los parmetros elctricos de
las mismas.
8.51.554/74 ASAdvanced Schottky
21054/74 LSLow Power Schottky
20354/74 SSchottky
22654/74 AHigh Speed
13354/74 LLow Power
101054/74Standard
Disipacin por puerta (mW)
Tiempopropagacin
(ns)
NomenclaturaSerie
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Familias Lgicas - TTLNiveles de tensin.
1
0
2
0
Entrada5
0.8
1
0
2.4
0
Salida5
0.4
Tensin de alimentacin: 4.75V < Vcc < 5.25V
Margen de ruido = 0.4 V
Margen de ruido: VNH = VOH(min) VIH(min) a nivel alto
VNL = VIL(max) VOL(max) a nivel bajo
Familias Lgicas - TTLNiveles de Entrada/Salida.
TTL
Tensiones de entrada:
UIL: Valor mximo de 0.8 VUIH: Valor mnimo de 2 V
Tensiones de salida:
UOL: Valor mximo de 0.4 VUOH: Valor mnimo de 2.4 V
Corrientes de entrada:
IIL: -1.6 mA
IIH: 40 A
Corrientes de salida:
IOL: 16 mA
IOH:-400 A
Ojo signos. Corrientes siempre entrantes.
Familias Lgicas - TTLFan-Out. Es el nmero de puertas que puede
manejar la salida de una puerta lgica.
10II
,II
minOUTFANIH
OH
IL
OL
====
IIL=1.6mA
IIL
IIL
IOL
IOL=16mA
IIH=0.4mA
IIH
IIH
IOH
IOH=4mA
Familias Lgicas - TTLEjemplos de Familias Lgicas.
4 puertas OR de 2 entradas 4 puertas NORD de 2 entradas
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Familias Lgicas - TTLEjemplos de Familias Lgicas.
4 puertas AND de 2 entradas 3 puertas AND de 3 entradas
Familias Lgicas - TTLEjemplos de Familias Lgicas.
6 puertas NOT 4 puertas NOR de 2 entradas
Familias Lgicas - TTLCaractersticas y Consideraciones. La tensin
de alimentacin es muy exacta: 5 Voltios con unmargen de tolerancia
mximo de un 5%.Algunas pueden manejar velocidades de ms de 200
MHz.Su consumo es realmente alto comparado con el CMOS.Al disear
nuestros proyectos debemos conectar uncondensador entre las
patillas de la alimentacin de cadacircuito integrado TTL y tratar
de no usar distancias deconexin muy largas entre ellos. Ya que
estos circuitosintegrados son propensos a oscilar y generar ruido
en las lneasque puede hacer fallar nuestro proyecto.
Familias Lgicas - TTL
Q6Q7
Q5
Q1
Q4
D1
R1
R3R7
R4
R5R6
15K
40K
50
4K
3K6K
D3
A
+VCC
D2Q3
Q2
R250K
O
D4
A O74ALS04
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Familias Lgicas - CMOS
Esta familia emplea transistores MOSFET complementarios,es
decir, tipo P y tipo N.
0CondCorte11CorteCond0ST2T1E
VentajasConsumo esttico reducido (nulo)Alta inmunidad al
ruidoAmplio margen de alimentacin de 3V a 18V
Inconvenientes
Mayor tiempo de propagacinMenores corrientes de salida
+VDD
E1
0
S = E
T2
T1
VSS
Inversor
Familias Lgicas - CMOSFamilias.Familia 4000 emplea transistores
de puerta metlica. Admite alimentacin entre 3.0 y 15.0V.
Familia 74HC y 74HCT, emplea transistores con puerta de silicio.
Admite alimentacin entre 2.0 y 6.0V. Son compatibles pin a pin con
sus equivalentes de la familia TTL 74XX.
La familia 74HC es compatible TTL en salidasLa familia 74HCT es
compatible TTL en entradas y salidas
Familias Lgicas - CMOSNiveles de tensin.
Tensin de alimentacin: 3V < VDD < 18V
El nivel de inmunidad al ruido es tpicamente del 30 o 40 %
Entrada Salida
1
0
0.7VDD
0
VDD
0.2 VDD
1
0
VDD-0.05
0
VDD
0.05
Familias Lgicas - CMOSNiveles de Corriente.
0 1 1 0IOLIOH
Serie 4000B Serie 74HC-74HCTIOH * 1.0 mA 4.0 mAIOL * 2.5 mA 4.0
mA
Estas corrientes dependen mucho de la tensin de alimentacin y la
temperatura.
El fan-out de los circuitos CMOS es muy elevado. En la prctica
se limita a 50.
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Familias Lgicas - CMOSEjemplos de Familias Lgicas.
4 puertas NAND de 2 entradas 4 puertas NOR de 2 entradas
