8/18/2019 Informe Previo 1 Sistemas digitales
1/4
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
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
8/18/2019 Informe Previo 1 Sistemas digitales
2/4
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
8/18/2019 Informe Previo 1 Sistemas digitales
3/4
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
8/18/2019 Informe Previo 1 Sistemas digitales
4/4
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
s/MANUAL_TTL_esp.pdf
[4] Fuente del navegador
http://www.ti.com/
[5] Fuente del navegador
http://electronicsclub.info/74series.htm
[6] Fuente del navegador
http://materias.fi.uba.ar/6609/docs/Apunte_Familias1_1.pdf
[7] Fuente del navegador
http:// www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=74ls04
[8] Fuente del navegador
http://www.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/pdf/51021/FAIRCHILD/74LS00.html
[9] Fuente del navegador
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/view/8068/NSC/74LS32.html