Unidad IV Familias logicas
Unidad IVFamilias logicas
Tecnicas Digitales IIngenierıa Electronica/Electrica
Fac. de Ingenierıa - Universidad Nacional del Comahue
Curso 2015
Unidad IV Familias logicas
ContenidosImplementacion de compuertas logicas
Funciones logicas basicasCircuitos con diodosCircuitos con transistores
Familias logicasFamilia TTLFamilia CMOSEscalas de integracion
Modelos de caja negraNiveles de tension y corrienteParametrosCaracterısticas de cada familia
Otro tipo de entradas/salidas logicasAlta impedancia, colector abierto, otras
Unidad IV Familias logicas
Implementacion de compuertas logicas
Funciones logicas basicas
Funciones logicas basicas
Solo tres funciones logicas son necesarias para la construccion decualquier circuito digital:
Unidad IV Familias logicas
Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con diodos
Circuitos con diodos
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Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con transistores
Circuitos con transistores bipolares
El inversor con BJT.
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Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con transistores
Circuitos con transistores bipolares
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Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con transistores
Circuitos con transistores
NAND con tecnologıa DTL (Diode Transistor Logic)
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Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con transistores
Circuitos con transistores bipolaresNAND con tecnologıa TTL (Transistor Transistor Logic)
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Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con transistores
Circuitos con transistores bipolaresNOR con tecnologıa TTL
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Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con transistores
Circuitos con transistores MOSFET
Dado que aquı el transistor solo trabaja como interruptorelectronico, podrıamos implementar tambien estos circuitos conotro tipo de interruptores electronicos, como por ejemplo lostransistores MOSFET.
MODELO SÍMBOLO
Drenador
Fuente
PuertaVin
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Circuitos con transistores
Circuitos con transistores
Inversor con tecnologıa NMOS
Vcc
Vo
Vi
R
Q1
Vo
Vi Q1
Vcc
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Circuitos con transistores
Circuitos con transistores
Inversor con tecnologıa CMOS (Complementary MOS)
Unidad IV: Familias Lógicas
Técnicas Digitales I - Departamento Electrotecnia - Área Técnicas Digitales 12
Los esquemas básicos de puertas son similares para todas las familias CMOS. Así en la Fig. 4.15 se muestran tres
formas distintas de representar un inversor (en la última parece más evidente el comportamiento lógico, además de
ser más fácil de dibujar).
a) MOS de enriquecimiento. b) MOS de empobrecimiento. c) MOS lógico.
Figura 4.15: Inversor CMOS
Observación: la fecha apunta hacia el canal tipo N.
La Fig 4.16 es el diagrama de circuito y la tabla de función de una puerta NOR de 2 entradas mientras que la Fig. 4.17
muestra una puerta NAND de 2 entradas. Las compuertas AND y OR pueden obtenerse fácilmente incorporando un
inversor en sus salidas.
Figura 4.16: Puerta NOR CMOS
Figura 4.17: Puerta NAND CMOS
A B Q1 Q2 Q3 Q4 S
L L no si no si H
L H no si si no L
H L si no no si L
H H si no si no L
A B Q1 Q2 Q3 Q4 S
L L no si no si H
L H no si si no H
H L si no no si H
H H si no si no L
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Implementacion de compuertas logicas
Circuitos con transistores
Circuitos con transistores
Compuertas con tecnologıa CMOS
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Unidad IV Familias logicas
Familias logicas
Familias y subfamilias logicas
Familia logica: es una coleccion de circuitos integrados concaracterısticas similares (entradas, salidas, elementos basicos,estructuras internas) que realizan diferentes funciones logicas.
Unidad IV Familias logicas
Familias logicas
Familias y subfamilias logicas��������
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Unidad IV Familias logicas
Familias logicas
Familia TTL
La familia TTL y sus subfamilias
Evolucion de la tecnologıa DTL, reemplazando los diodos portransistores multi-emisor. La serie 74 fue una de las pioneras.
(sin) Serie estandarH High power: alta potenciaL Low power: baja potenciaS SchottkyLS Low power Schottky: Schottky de baja potenciaAS Advanced Schottky: Schottky avanzadaALS Advanced Low power Schottky: Schottky avanzada baja pot.
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Familias logicas
Familia CMOS
Familia CMOS y sus subfamilias
Menor consumo, estructura mas simple y requieren solo un 15% dela superficie del chip que requieren los bipolares. La serie 4000 fueuna de las primeras.
HC High-speed CMOS: CMOS de alta velocidadHCT HC TTL compatibleAC Advanced CMOS: corresponde a la HC mejoradaACT AC TTL compatibleBCT BiCMOS Technology: tecnologıa BIMOS (Bipolar/CMOS)ABT Advanced BCT: BCT avanzadaLV/LVC Low-Voltage: series de bajo voltaje (3,3 V o aun menores)
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Familias logicas
Escalas de integracion
Escalas de integracion
I S.S.I.: Small Scale Integration, incluyendo hasta 10 puertaslogicas, o sea hasta unos 100 transistores.
I M.S.I.: Middle Scale Integration, 10 a 100 puertas logicas, obien 100 a 1.000 transistores
I L.S.I.: Large Scale Integration, 100 a 10.000 puertas (1000 a100.000 transistores)
I V.L.S.I.: Very Large Scale Integration, 10.000 a 100.000puertas lo que se traduce en un lımite hasta 1 millon detransistores)
I U.L.S.I.: Ultra L.S.I., todo dispositivo con mas de 100.000puertas o su equivalente.
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Modelos de caja negra
Modelo de caja negra
FUNCIÓN LÓGICA BÁSICA
EN
TR
AD
AS
SA
LID
AS
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Modelos de caja negra
Modelo de caja negra
FUNCIÓN LÓGICA BÁSICA
EN
TR
AD
AS
SA
LID
AS
CaracterísticasParámetros
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Modelos de caja negra
Niveles de tension y corriente
Niveles logicos
Unidad IV: Familias Lógicas
Técnicas Digitales I - Departamento Electrotecnia - Área Técnicas Digitales 1
IV. FAMILIAS LÓGICAS
I. INTRODUCCIÓN
Dado que las magnitudes físicas (corriente, voltaje, etc.) son continuas, pueden adoptar infinitos valores. La
estabilidad y exactitud de estas cantidades no es fácil de mantener. La tolerancia en la fabricación de los
componentes, variación de la T°, ruido térmico o blanco, ruido proveniente de otros circuitos, entre otros factores son
los causantes de estos problemas.
La lógica digital oculta estos problemas del mundo analógico al transformar un intervalo de infinitos valores en dos
sub-intervalos con un único representante: 0 y 1. Por lo general estos sub-intervalos no se solapan, con lo cual aparece
una región indefinida. Esta región es importante ya permite la detección de manera confiable de los estados 0 y 1.
DEFINICIONES
Familias lógicas: es una colección de diferentes chips con características similares (entradas, salidas, elementos
básicos, estructuras internas) que realizan diferentes funciones lógicas. Las más definidas son la TTL y la CMOS.
Niveles lógicos: son los valores de tensión que el dispositivo interpreta en sus entradas o establece en sus salidas,
como alto “퐻” (퐻푖푔ℎ) o bajo “퐿” (퐿표푤), en correspondencia con los “0’푠” y “1’푠”. (Ver Fig. 4.1).
Figura 4.1: Definición de los niveles lógicos.
Nivel lógico de entrada: es el intervalo de la tensión que admite en sus entradas y que interpretará correctamente ya
sea como bajo nivel 푉 –푉 o como alto nivel 푉 –푉 . En las que las dos primeras son las tensiones de
entrada máxima (M) y mínima (m) en el bajo nivel (“0” en lógica positiva) y las dos últimas, son las tensiones de
entrada máxima y mínima en el alto nivel (“1” en lógica positiva). El fabricante garantiza que cualquier valor de la
tensión de entrada dentro de esos intervalos será leído correctamente. Normalmente 푉 = 0 y 푉 = 푉 .
Nivel lógico de salida: es la máxima dispersión de la tensión, que tendrá cualquier dispositivo de la familia
considerada en sus salidas lógicas, si se cumplen las condiciones de entrada (tensiones dentro de los márgenes
indicados anteriormente) y la carga no supera al “Fan-out”. Se indica un intervalo dentro del cual el fabricante
푁푀
푁푀
푉
푉
푉
푉
푉
푉
푉
푉
푉
푉
Margen de ruido: se definen como las diferencias entre los niveleslogicos de entrada y salida para el peor caso, o sea:NMH = ViLM − VoLM y NML = VoHm − ViHm.
Unidad IV Familias logicas
Modelos de caja negra
Niveles de tension y corriente
Corriente de salida
Corriente consumida: Cuando la salida esta en el nivel bajo, debedrenar a masa la corriente que establece la carga en su bajo nivelde entrada (sumidero o sinking).Corriente suministrada: Cuando la salida esta en el nivel alto, eldispositivo alimenta a la carga debiendo suministrarle la corriente(sourcing) que esta requiere para mantener en su entrada ese nivel.
Unidad IV Familias logicas
Modelos de caja negra
Parametros
Tiempo de transicion
Tiempo que tarda la salida de un circuito logico en cambiar de unestado a otro.
I Tiempo de ascenso o crecimiento (rise time, tr ).
I Tiempo de descenso (fall time, tf ).
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Unidad IV Familias logicas
Modelos de caja negra
Parametros
Retardo de propagacionTiempo que transcurre entre la aplicacion de un cambio en laentrada y la aparicion del cambio en la salida.
I Tiempo para un cambio de alto a bajo en la salida (tpHL).
I Tiempo para un cambio de bajo a alto en la salida (tpLH).
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Unidad IV Familias logicas
Modelos de caja negra
Parametros
Abanicos de entrada y salida
Abanico de entrada (Fan-in): cantidad de entradas que tiene osoporta la compuerta sin degradar excesivamente su salida.
Abanico de salida (Fan-out): numero maximo y tipo de entradasque pueden conectarse a la salida de una compuerta y que eldispositivo puede excitar con seguridad.
Potencia estatica: la consumida cuando la salida no cambia.
Potencia dinamica: la consumida en las transiciones, cuando seproducen los ”cortocircuitos” para valores intermedios de entrada.
Factor de calidad o figura de merito: el producto entre eltiempo de propagacion y el consumo por puerta.
Unidad IV Familias logicas
Modelos de caja negra
Caracterısticas de cada familia
Caracterısticas de cada subfamilia
Unidad IV: Familias Lógicas
Técnicas Digitales I - Departamento Electrotecnia - Área Técnicas Digitales 9
Tabla 4.1
LETRA SUBFAMILIA
(sin) Serie estándar H High power: alta potencia
L Low power: baja potencia S Schottky LS Low power Schottky: Schottky de baja potencia AS Advanced Schottky: Schottky avanzada ALS Advanced Low power Schottky: Schottky avanzada de baja potencia F Fast logic: lógica rápida HC High-speed CMOS: CMOS de alta velocidad HCT HC TTL compatible AC Advanced CMOS: corresponde a la HC mejorada ACT AC TTL compatible BCT BiCMOS Technology: tecnología BIMOS (Bipolar/CMOS) ABT Advanced BCT: BCT avanzada LV/LVC Low-Voltage: series de bajo voltaje (3,3 V o aún menores)
Tabla 4.2
SUBF
AM
ILIA
TIEM
PO D
E
PRO
PAG
ACI
ÓN
CON
SUM
O P
OR
PUER
TA
FREC
UEN
CIA
MÁ
XIM
A
FAN
-OU
T
FAN
-OU
T
EN P
UER
TAS
ESTÁ
ND
AR
FACT
OR
DE
CALI
DA
D
ns mW MHz pJ
Estándar 10 10 25 10 10 100
H 6 22 50 10 12 132
L 33 1 3 10 2 33
S 3 19 95 10 12 57
LS 8 2 33 10 5 20
AS 2 8 125 30
ALS 4 1 34 4
F 3 72
HC 9 CC:0,003
10MHz: 6
76 0,1MHz: 1
10MHz:110 HCT 12 59
AC 4 CC:0,005
10MHz: 7
125 0,1MHz: 0,4
100MHz: 40 ACT 6,5 125
BCT
ABT
La subfamilia Schottky posee diodos de alta velocidad (diodos metal-semiconductor = diodos Schottky) entre base
y colector. Como se comento en la unidad anterior, estos diodos evitan que los transistores se saturen y disminuyen
de esta manera las cargas almacenadas y en consecuencia el tiempo de conmutación. Los diodos de entrada en la Fig.
Unidad IV Familias logicas
Otro tipo de entradas/salidas logicas
Alta impedancia, colector abierto, otras
Salidas drenaje/colector abierto
I No deben conectarse las salidas entre sı. ¿Por que?
I Las salidas tipo colector/drenador abierto necesitan unaresistencia de carga externa para generar una salida en ALTO.
Unidad IV Familias logicas
Otro tipo de entradas/salidas logicas
Alta impedancia, colector abierto, otras
Salidas tri-stateI Es frecuente entonces la necesidad de compartir una lınea de
datos: BUS o lınea de uso colectivo.I Solo se conectan aquellos componentes que esten usando el
BUS, el resto permanece “desconectado”.I El Buffer tri-estado nos permite tres niveles posibles: alto,
bajo, y circuito abierto o estado de alta impedancia (logicade 3 estados).
Unidad IV Familias logicas
Otro tipo de entradas/salidas logicas
Alta impedancia, colector abierto, otras
Salidas tri-state
Unidad IV Familias logicas
Otro tipo de entradas/salidas logicas
Alta impedancia, colector abierto, otras
Entradas con disparador Schmidt-Trigger
Observemos la siguiente curva, ¿que representa?
Unidad IV Familias logicas
Otro tipo de entradas/salidas logicas
Alta impedancia, colector abierto, otras
Entradas con disparador Schmidt-Trigger
Unidad IV Familias logicas
Otro tipo de entradas/salidas logicas
Alta impedancia, colector abierto, otras
Entradas No utilizadas
La tecnologıa CMOS tiene alta susceptibilidad al ruido por su altaimpedancia de entrada, por lo que las entradas NUNCA debendejarse FLOTANTES.