TTL (Desambiguación)
Las siglas TTL se pueden referir a uno de estos conceptos
- Tiempo de Vida (Time To Live), cuando se habla de Protocolo IP; o a
- Tecnología TTL (de Transistor-Transistor Logic), la primera tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales que existió.
- En Fotografía TTL refiere a “Thru The Lens” (a Través de la Lente). Cuando el objeto a fotografiar es observado a través de la misma lente y no a través de un visor en paralelo.
Esta propiedad también esta disponible en algunos Flashes. Estos disparan un breve destello antes de realizar la foto, que es recogida por la cámara y es esta la que da la información al flash de la intensidad recibida. Así el Flash ajustará su intensidad para no sobre/sub-exponer la imagen.
Tecnología CMOS
Un inversor en tecnología CMOS
CMOS (del inglés Complementary Metal Oxide Semiconductor, “Semiconductor Complementario de Óxido Metálico”) es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados (chips). Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas.
En la actualidad, la inmensa mayoría de los circuitos integrados que se fabrican son de tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, DSPs y muchos otros tipos de chips digitales.
// Principio de funcionamiento
Inversor estático CMOS
En un circuito CMOS, la función lógica a sintetizar se implementa por duplicado mediante dos circuitos: uno basado exclusivamente en transistores pMOS, y otro basado exclusivamente en transistores nMOS. El circuito pMOS es empleado para propagar el valor binario 1 , y el circuito nMOS para propagar el valor binario 0. Véase la figura. Representa una puerta lógica NOT o inversor.
- Cuando la entrada es 1, el transistor nMOS está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a tierra (0), el valor 0 se propaga al drenador y por tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pMOS, por el contrario, está en estado de no conducción
- Cuando la entrada es 0, el transistor pMOS está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a la alimentación (1), el valor 1 se propaga al drenador y por tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor nMOS, por el contrario, está en estado de no conducción.
Otra de las características importantes de los circuitos CMOS es que son regenerativos: una señal degradada que acometa una puerta lógica CMOS se verá restaurada a su valor lógico inicial 0 o 1, siempre y cuando aún esté dentro de los márgenes de ruido.
Ventajas e inconvenientes
La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales:
- El bajo consumo de potencia, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS sólo experimentará corrientes parásitas.
- Gracias a su carácter regenerativo, los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradación de señal debido a la impedancia del metal de interconexión.
- Los circuitos CMOS son sencillos de diseñar.
- La tecnología de fabricación está muy desarrollada, y es posible conseguir densidades de integración muy altas a un precio mucho menor que otras tecnologías
Algunos de los inconvenientes son los siguientes:
- Debido al carácter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nMOS-pMOS, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lógicas.
- Son vulnerables a latch-up: Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura CMOS que entra en conducción cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentación de los circuitos integrados. El latch-up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación que acarrea la destrucción del dispositivo. Siguiendo las técnicas de diseño adecuadas este riesgo es prácticamente nulo. Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusión con suficiente regularidad, para asegurarse de que está sólidamente conectado a masa o alimentación.
- Según se va reduciendo el tamaño de los transistores, las corrientes parásitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinámicas (debidas a la conmutación de los dispositivos).
Historia
La tecnología CMOS fue desarrollada por Wanlass y Sah, de Fairchild Semiconductor, a principios de los años 60. Sin embargo, su introducción comercial se debe a RCA, con su famosa familia lógica CD4000. Posteriormente, la introducción de un búfer y mejoras en el proceso de oxidación local condujeron a la introducción de la serie 4000B, de gran éxito debido a su bajo consumo (prácticamente cero, en condiciones estáticas) y gran margen de alimentación (de 3 a 18 V). RCA también fabricó LSI en esta tecnología, como su familia COSMAC de amplia aceptación en determinados sectores, a pesar de ser un producto caro, debido a la mayor dificultad de fabricación frente a dispositivos nmos.
Pero su talón de Aquiles consistía en su reducida velocidad. Cuando se aumenta la frecuencia de reloj, su consumo sube proporcionalmente, haciéndose mayor que el de otras tecnologías. Esto se debe a dos factores:
El otro factor negativo era la complejidad que conlleva el fabricar los dos tipos de transistores, que obliga a utilizar un mayor número de máscaras. Por estos motivos, a comienzos de los 80, algunos autores pronosticaban el final de la tecnología cmos, que sería sustituida por la novedosa I2L, entonces prometedora.
Esta fue la situación durante una década, para, en los ochenta, cambia el escenario rápidamente:
- Por un lado, las mejoras en los materiales, técnicas de litografía y fabricación, permitían reducir el tamaño de los transistores, con lo que la capacidad mos resultaba cada vez menor.
- Por otro, la integración de dispositivos cada vez más complejos obligaba a la introducción de un mayor número de máscaras para asegurar el aislamiento entre transistores, de modo que no era más difícil la fabricación de cmos que de nmos.
En este momento empezó un eclosión de memorias cmos, pasando de 256×4 bits de la 5101 a 2kx8 de la 6116 y 8Kx8 en la 6264, superando, tanto en capacidad como consumo reducido y velocidad a sus contrapartidas nmos. También los microprocesadores, nmos hasta la fecha, comenzaron a aparecer en versiones cmos (80C85, 80C88, 65C02…).
Y aparecieron nuevas familias lógicas, HC y HCT en competencia directa con la TTL-LS, dominadora del sector digital hasta el momento.
Para entender la velocidad de estos nuevos cmos, hay que considerar la arquitectura de los circuitos nmos:
- Uso de cargas activas. Esto es: un transistor se polariza con otros transistores y no con resistencias debido al menor tamaño de aquellos. Además, el transistor mos funciona fácilmente como fuente de corriente constante. Entonces un inversor se hace conectando el transistor inversor a la carga activa. Cuando se satura el transistor, drena toda la corriente de la carga y el nivel da salida baja. Cuando se corta, la carga activa inyecta corriente hasta que el nivel de salida sube. Y aquí está el compromiso: es deseable una corriente pequeña porque reduce la necesidad de superficie en el silicio (transistores más pequeños) y la disipación (menor consumo). Pero las transiciones de nivel bajo a nivel alto se realizan porque la carga activa carga la capacidad mos del siguiente transistor, además de las capacidades parásitas que existan, por lo que una corriente elevada es mejor, pues se cargan las capacidades rápidamente.
- Estructuras de almacenamiento dinámicas. La propia capacidad mos se puede utilizar para retener la información durante cortos periodos de tiempo. Este medio ahorra transistores frente al biestable estático. Como la capacidad mos es relativamente pequeña, en esta aplicación hay que usar transistores grandes y corrientes reducidas, lo que lleva a un dispositivo lento.
La tecnología cmos mejora estos dos factores:
- Elimina la carga activa. La estructura complementaria hace que sólo se consuma corriente en las transiciones, de modo que el transistor de canal P puede aportar la corriente necesaria para cargar rápidamente las capacidades parásitas, con un transistor de canal N más pequeño, de modo que la célula resulta más pequeña que su contrapartida en nmos.
- En cmos se suelen sustituir los registros dinámicos por estáticos, debido a que así se puede bajar el reloj hasta cero y las reducidas dimensiones y bajo consumo de la celda cmos ya no hacen tan atractivos los registros dinámicos.
Por último, se suelen emplear transistores pequeños, poniendo una celda mayor para la interfaz con las patillas, ya que las necesidades de corriente son mucho mayores en las líneas de salida del chip.
La disminución del tamaño de los transistores y otras mejoras condujo a nuevas familias cmos: AC, ACT, ACQ…
CMOS analógicos
Los transistores MOS también se emplean en circuitos analógicos, debido a dos características importantes:
- Alta impedancia de entrada: La puerta de un transistor MOS viene a ser un pequeño condensador, por lo que no existe corriente de polarización.
- Reducida resistencia de canal: Un MOS saturado se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la superficie del transistor. Es decir, que si se le piden corrientes reducidas, la caída de tensión en el transistor llega a ser muy reducida.
Estas características posibilitan la fabricación de amplificadores operacionales “Rail-to-Rail, en los que el margen de la tensión de salida abarca desde la alimentación negativa a la positiva. También es útil en la realización de reguladores de tensión “Low-Dropout, filtros de capacidades conmutadas, etc.
CMOS y Bipolar
Se emplean circuitos mixtos bipolar y CMOS tanto en circuitos analógicos como digitales, en un intento de aprovechar lo mejor de ambas tecnologías. En el ámbito analógico destaca la tecnología BiCMOS, que permite mantener la velocidad y precisión de los circuitos bipolares, pero con la alta impedancia de entrada y márgenes de tensión CMOS. En cuanto a las familias digitales, la idea es cortar las líneas de corriente entre alimentación y masa de un circuito bipolar, colocando transistores MOS. Esto debido a que un transistor bipolar se controla por corriente, mientras que uno MOS, por tensión.
MOS
Estas familias, son aquellas que basan su funcionamiento en los transistores de efecto de campo o MOSFET. Estos transistores se pueden clasificar en 2tipos, según el canal utilizado:
- NMOS: se basa únicamente en el empleo de transistores NMOS para obtener una función lógica. Su funcionamiento de la puerta lógica es el siguiente: cuando la entrada se encuentra en el caso de un nivel bajo, el transistor NMOS estará en su zona de corte, por lo tanto, la intensidad que circulará por el circuito será nula y la salida estará la tensión de polarización (un nivel alto); y cuando la entrada se encuentra en el caso de que esta en un nivel alto, entonces el transistor estará conduciendo y se comportará como interruptor, y en la salida será un nivel bajo.
- PMOS:
El transistor MOS se puede identificar como un interruptor controlado por la tensión de la puerta, V_G, que es la que determinará cuándo conduce y cuando no.
ECL
Emitter Coupled Logic (Lógica de emisores acoplados). Pertenece a la familia de circuitos MSI implementada con tecnología bipolar; es la más rápida disponible dentro de los circuitos de tipo MSI.
Historia
Puertas con diseños ECL se han implementado hasta con tubos de vacío, y por supuesto con transistores discretos. Y la primera familia con diseño ECL, la ECL I, apareció en el año 62 con las primeras familias de circuitos integrados. Ya en aquella época se trataba de la familia más rápida (un retardo de propagación típico de 8ns.), y también, era ya, la que más disipaba.
En la actualidad puede parecer que 8ns es mucho cuando hay circuitos CMOS que con un consumo muy bajo (sobre todo estático) superan con creces esta prestación, pero en realidad la tecnología ECL también ha evolucionado tanto en diseño como en fabricación, y en la actualidad se consiguen retardos netamente inferiores al ns, con un consumo alto pero no desorbitado.
Introducción
A pesar de su limitada utilización, se trata de unas de las familias lógicas de más raigambre, y rancio abolengo, dentro de las tecnologías digitales. Incluso se podría decir que dentro de la electrónica en general, pues el par diferencial, en el que se basa la familia, domina ampliamente los circuitos integrados analógicos.
Como familia bipolar que es, el margen de ruido no es bueno. En este caso no sólo es reducido en margen a nivel bajo, sino que también lo es el margen a nivel alto. Esto es consecuencia de la reducida excursión lógica. Y la razón es que para conseguir velocidad deben variar poco los valores de tensión.
El principio que guía a la familia es tratar de evitar a toda costa que los transistores que configuran el circuito entren en saturación. Por lo que las conmutaciones serán entre corte (o casi corte) y conducción. Por lo tanto siempre vamos a tener transistores conduciendo, con lo que el consumo es continuo. Es decir no sólo hay picos de corriente en las transiciones, sino que siempre tendremos un consumo apreciable en el circuito. Por otro lado la presencia de corrientes significativas en el circuito en todo momento, hace que el fan-out sea bueno.
Es la forma de lógica más rápida, ya que los dispositivos activos se las arreglan para trabajar fuera de la saturación. También se hace aun mucho más rápida haciendo que las variaciones de señal lógicas sean aun menores (Dt=800mV), eso hace que el tiempo de carga y descarga de C de carga y parasitas sean aun menores…
El circuito ECL se basa en el uso de un interruptor de dirección de corriente, que se puede construir con un par diferencial, que se polariza con un voltaje Vr y de corriente I cte ambos. la naturaleza diferencial del circuito lo hace menos suceptible a captar ruido.
Existen 2 formas conocidas, la ECL 100k y la ECL 10K, la 100k es más rápida pero consume mayor corriente.
Lógica de inyección integrada
(Redirigido desde IIL)
Esquema simplificado de un inversor I2L.
La lógica de inyección integrada (Integrated injection logic, IIL, I2L o I2L) es una familia de circuitos digitales contruidos con transistores de juntura bipolar de colector múltiple (BJT). Cuando se introdujo su velocidad era comparable a los TTL además de que casi eran de tan baja potencia como los CMOS, Volviéndose ideal para su uso en circuitos integrados VLSI. Aunque los niveles lógicos son muy cercanos entre si (Alto: 0.7 V, Bajo: 0.2 V), I2L tenia una alta inmunidad al ruido debido a que operaba por corriente en vez de voltaje.
Operación
El corazón de un circuito I2L es el inversor de colector abierto y emisor común. Típicamente, un inversor consiste en un transistor NPN con el emisor conectado a tierra y la base alimentada por una corriente entrante. La entrada se suple por la base ya sea por una corriente aplicada (nivel lógico bajo) o una condición de alta impedancia (alto nivel lógico). La salida de un inversor es el colector. Además, el colector puede ser un puente que podría ir a tierra (nivel lógico bajo) o una condición de alta impedancia (nivel lógico alto)
Para entender como opera el inversor, es necesario entender el flujo de corriente, Si la corriente que alimenta es desviada a tierra (nivel lógico bajo), el transistor se apaga y el colector se queda abierto (nivel lógico alto). Si la corriente aplicada no esta desviada a tierra debido a que la entrada está en alta impedancia (nivel lógico alto), la corriente aplicada fluye a traves del transistor al emisor, conmutando al transistor, y permitiendo entrar a la corriente por la salida del inversor (nivel lógico bajo), esto hace que la salida del inversor unicamente deje entrar la corriente o ponerse en alta impedancia pero no será una fuente de corriente. Esto vuelve seguro conectar la salidas de invesores múltiples juntos para formar una compuerta AND. Cuando las salidas de dos inversores están alambradas, el resultado es un compuerta NOR de dos entradas debido a que la configuración (NOT A) AND (NOT B) es aquivalente a NOT (A OR B).
ESCALAS DE INTEGRACIÓN DE LOS CIRCUITOS LÓGICOS SSI, MSI Y LSI
El esfuerzo de la industria electrónica en la miniaturización de sus equipos se ha visto compensado ampliamente con el descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se ha conseguido construir miles de componentes dentro de la misma cápsula, cuyas dimensiones son similares a las de un simple -transistor. Pero la enorme reducción de volumen no ha sido la única ventaja por la que los circuitos integrados se han hecho indispensables en muchas industrias de vanguardia (militar, aeroespacial, medicina, etc.), sino que las que se reseñan a continuación tienen tanta o mayor importancia:
- Reducción de coste: Pues aunque el proyecto y los utillajes necesarios para fabricar un Cl son mucho más costosos que los de un elemento clásico, como consecuencia del alto número de unidades que se hacen de cada tipo, el bajo precio del material base y la automatización del proceso, se tiene que algunos modelos de Cl resultan de un precio inferior al de un solo transistor.
- Aumento considerable de la fiabilidad: Un circuito integrado tiene una fiabilidad, en cuanto a funcionamiento y duración, mucho mayor que otro circuito similar implementado con componentes discretos, no sólo porque en este último caso la fiabilidad depende de cada uno de los componentes que lo forman, sino también debido a:
- El esmerado estudio que exige el proyecto de un circuitos integrados.
- Las modernas técnicas de fabricación.
- La reducción de longitud en las interconexiones.
- La menor influencia de la temperatura sobre los diversos componentes, por estar todos contenidos en una mínima superficie y afectarles por igual
- El encapsulado total de los componentes, que aumenta su protección.
- La respuesta de un circuito integrado es mucho más rápida, pues el paso de la corriente depende de las longitudes de las interconexiones, que son mínimas.
- Reducción importante de las capacidades parásitas que existen entre los componentes, a causa de su proximidad
- Reducción de tiempo en la localización de averías, puesto que el sistema que ha de usarse es el de la sustitución de los. circuitos integrados defectuosos, ya que es imposible su reparación.
- Esta característica lleva aparejada una formación más completa y teórica de técnicos electrónicos, así corno el uso de instrumental más complejo.
- Reducción de stocks para las reparaciones y montajes.
- Eliminación de los posibles errores en el montaje e interconexión de componentes.
- Dado el bajo coste que en un circuitos integrados supone la fabricación de transistores y diodos, éstos se pueden utilizar con gran profusión, mejorando las especificaciones técnicas de los circuitos.
- También hay que tener en cuenta al emplear los circuitos integrados que existen ciertas limitaciones e inconvenientes, entre los que se citan:
- Los valores de las resistencias y condensadores integrados no pueden superar ciertos máximos y, además, con tolerancias importantes y coeficientes de temperatura pequeños; por este motivo, este tipo de componentes suelen quedar en el exterior del circuito integrado, aunque con las mejoras en los procesos de fabricación constantemente se están superando estas limitaciones.
- Dadas sus dimensiones, la potencia máxima que pueden disipar los circuitos integrados es reducida.
- Las grandes dificultades en la construcción de bobinas e inductancias en el circuitos integrados hacen que no sean integradas en la mayoría de los casos.
- No es conveniente, dado el bajo -rendimiento, integrar en el mismo chip los dos tipos de transistores: PNP y NPN.
- En países como España, en los que se fabrican pocos circuitos integrados, y están en la fase inicial de producción (la mayoría deben ser importados), es preciso escoger con cuidado los modelos con que se ha de trabajar, procurando que existan diferentes fuentes de suministro.
- La manipulación de circuitos integrados exige instrumental y herramientas adecuadas. Así, los soldadores especiales de punta fina, las pinzas extractoras, los desoldadores, los zócalos, las placas específicas de circuito impreso, osciloscopio de doble trazo, polímetro digital, generador de funciones y sondas lógicas, deben ser, entre otros, los nuevos elementos que han de incorporarse al taller electrónico.
1.-/ ESCALAS DE INTEGRACIÓN DE LOS CIRCUITOS LÓGICOS SSI, MSI, LSI Y VLSI
La rapidez del desarrollo tecnólogico ha dado lugar a que se puedan integrar simultáneamente en un mismo dispositivo un número determinado de puertas entre sí, que realizan una función concreta, así a principio de los años sesenta llegó la aparición del circuito integrado
A partir de entonces se han ido mejorando las técnicas de fabricación de forma espectacular, hasta llegar a la actualidad, donde es posible encontrar en una superficie de algo más de 1 cm cuadrado cientos de miles de puertas lógicas.
Dependiendo del número de elementos puertas que se encuentren integrados en el chip se dice que ese circuito está dentro de una determinada escala de integración.
Las escalas que aquí vamos a tratar son las siguientes:
- SSI (Short Scale Integration): Es la escala de integración mas pequeña de todas, y comprende a todos aquellos integrados compuestos por menos de 12 puertas
- MSI (Médium Scale Integration): Esta escala comprende todos aquellos integrados cuyo número de puertas oscila ente 12 y 100 puertas. Es común en sumadores, multiplexores,… Estos integrados son los que se usaban en los primeros ordenadores aparecidos hacia 1970.
- LSI (Large Scale Integration): A esta escala pertenecen todos aquellos integrados que contienen más de 100 puertas lógicas (lo cual conlleva unos 1000 componentes integrados individualmente), hasta las mil puertas. Estos integrados realizan una función completa, como es el caso de las operaciones esenciales de una calculadora o el almacenamiento de una gran cantidad de bits. La aparición de los circuitos integrados a gran escala, dio paso a la construcción del microprocesador . Los primeros funcionaban con 4 bits (1971) e integraban unos 2.300 transistores; rápidamente se pasó a los de 8 bits (1974) y se integraban hasta 8.000 transistores. Posteriormente aparecieron los microprocesadores de circuitos integrados VLSI
- VLSI: (Very Large Scale Integration) de 1000 a 10000 puertas por circuito integrado, los cuales aparecen para consolidar la industria de los integrados y para desplazar definitivamente la tecnología de los componentes aislados y dan inicio a la era de la miniaturizacion de los equipos apareciendo y haciendo cada vez mas común la manufactura y el uso de los equipos portatiles.
2.-/CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS PUERTAS INTEGRADAS
Las caraterísticas funcionales de los circuitos integrados a tener en cuenta en el proceso de diseño, montaje, comprobación y uso, son las siguientes:
2.1.-/TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN Y TOLERANCIA
La tensión típica de los circuitos de los circuitos integrados es de 5 v. Dicha tensión es común en las series TTL, cuya tensión oscila entre 4´75 y 5´25 v, requiriendo de esta forma una fuente de alimentación bien filtrada y estabilizada. Las puertas CMOS poseen un margen de alimentación mucho más amplio (entre 3 y 18 v), y no requieren ni estabilidad ni ausencia de rizado en estas.
2.2.-/ TEMPERATURA MÁXIMA DE TRABAJO:
Existe un intervalo de temperaturas para el cual está garantizado el funcionamiento de los circuitos integrados digitales: el intervalo “normal” de funcionamiento va de -40ºC a 85ºC para CMOS y de 0ºC a 70ºC en TTL (en ambos casos con indicativo 74).
Existen, además, series denominadas “militares” para aplicaciones que requieren mayor rango de temperaturas, de -55ºC a 125ºC se distinguen porque su numeración empieza por 54 y su encapsulado es cerámico.
Ha de tenerse en cuenta que las características de una puerta lógica varían fuertemente con la temperatura; en general empeoran al aumentar la temperatura, lo cual se refleja en reducción de los márgenes de ruido y de la velocidad de trabajo y en aumento del consumo. El mismo circuito desprende calor, como consecuencia de la disipación de la energía que utiliza en su funcionamiento, y causa una elevación de su propia temperatura que, en ocasiones, puede ser importante. Por ello, el diseño de un sistema digital ha de tener en cuenta el rango de temperaturas en el que va a trabajar y, si es preciso, debe incluir un mecanismo de refrigeración adecuado.
Otra indicación de temperatura que proporcionan los catálogos es el rango que soportan los circuitos integrados para su almacenamiento, que suele ser de -65ºC a 150ºC
2.3.-/ FAN – OUT:
Este término se emplea para indicar el máximo número de entradas que se pueden conectar a un determinado circuito. Está relacionado directamente con la máxima corriente que puede circular por la salida de un determinado circuito digital, expresada en unidad de carga (la corriente máxima que circula por una entrada de la puerta básica de la familia lógica considerada).
Si una puerta tiene un fan-out de 15 , lo que nos quiere decir es que no se pueden conectar más de 10 entradas a esa salida (siempre de la misma familia)
La familia lógica TTL tiene un fan-out de 10, mientras que la familia lógica CMOS tiene un fan-out de 50.
2.4.-/ NIVELES DE TENSIÓN DE ENTRADA Y SALIDA:
Dada una determinada familia lógica con una alimentación concreta, existirán una serie de valores de tensión para la entrada mediante los cuales ésta podrá discernir el valor de voltaje que por ella introduzca interpretándolo como nivel bajo, “0″ lógico o nivel alto, “1″ lógico.
A la salida sucede igualmente, es decir, habrá dos niveles de tensión que delimitarán el estado Alto o Bajo de ella.
- Cualquier valor comprendido entre +2,5 y la alimentación (=+5V) apli-cada a la entrada de una puerta lógica, ésta lo interpretará como un “1″ lógico. Por lo que existe un valor mínimo para la tensión del estado alto que denominamos VIHmin. (El valor máximo para el nivel alto en la entrada coincide aproximadamente con la alimentación).
- Igual podemos decir que, cuando la tensión en una de sus entradas está comprendida entre 0 y +1,5 V., la puerta interpretará que se trata de un “0″ lógico; por lo tanto existe un valor máximo de tensión a la entrada que representa un “0″ lógico y que denominamos VILmax.
- Para la salida, en 0: una puerta que responde con un nivel alto (“1″ lógico) el valor de la tensión estará comprendido entre +3 y +5V.
- Cuando el valor de la tensión de salida está comprendido entre 0 y +1 voltio, se interpreta que hay un “0″ lógico, por lo que valor máximo a la salida para niveles bajos VOLmax es de 1V y entra dentro de los valores admitidos a la entrada como niveles bajos.
- Con un valor de tensión la entrada, comprendido entre +1,5 y +2,5 V no hay garantía de que la puerta lo interprete correctamente.
- A la salida, una puerta que dé una tensión, comprendida entre +1 y +3 V no funciona de manera correcta dado que puede entregar un valor a la entrada de la siguiente puerta, dentro de un rango prohibido.
2.5.-/ MARGEN DE RUIDO
El ruido es un tema de vital importancia, que se debe tener presente en el diseño de sistemas electrónicos, tanto analógicos como digitales. En muchas ocasiones, el ruido es fuente de problemas para el diseñador, ya que no es fácil conocer el origen del mismo y sus efectos sobre el equipo o sistema diseñado.
Se entiende por ruido toda perturbación no voluntaria que pueda modificar de forma inadecuada los niveles de salida de un integrado, es decir, que aparezca en una salida un nivel de tensión alto cuando debería ser bajo o viceversa. Las fuentes de ruido más importantes suelen ser:
- Ruido ambiental, radiado en las cercanías del sistema digital. Algunos ejemplos son: motores con escobillas, contactores, relés, máquinas de soldadura, etc.
- Ruido exterior al sistema digital, que se acopla por la fuente de alimentación.
- Picos en la alimentación provocados por cambios bruscos de consumo. Por ejemplo, conmutaciones sobre líneas de alterna o continua con cargas fuertes.
- Ruido acoplado en conexiones o- líneas cercanas.
- Ruido producido por reflexiones y oscilaciones en líneas mal adaptadas.
- Los tipos de acoplo entre las fuentes de ruido y el circuito susceptible a él son:
- Acoplo por impedancia común.
- Acoplo magnético o inductivo.
- Acoplo electrostático
- Acoplo por radiación
- El ruido se puede presentar en un sistema digital de dos formas:
- Como una tensión de variación aleatoria, pero con una cierta componente continua (o pulsos de larga duración) que se suma algebráicamente a los niveles de las tensiones del circuito sacando a éstas de sus márgenes permitidos Este tipo de ruido se denomina ruido en continua (D. C.) o analógico.
- Como impulsos de menor duración que, según su amplitud, pueden ser interpretados como niveles altos o como bajos. Este tipo de ruido, cuyo camino de acoplo suele ser capacitivo, se denomina ruido en alterna (A. C.).
En determinados casos, cuando el nivel de ruido es del orden de magnitud de la señal eléctrica, esta puede llegar a ser enmascarada con el con-siguiente mal funcionamiento del circuito, como veremos a continuación:
Supongamos que a la salida de la puerta A, hay un “0″ lógico, esto significa que la tensión en ese punto puede ser cualquier valor comprendido entre 0 y +1 Voltio, como a la entrada de la puerta B cualquier valor comprendido entre 0 y +1,5 Voltios.
Lo interpreta como “0″ lógico estaría dentro del margen de seguridad, pero si la puerta A generase una cantidad de ruido mayor a 0,5 Voltios, o la entrada a la puerta B lo captase, significaría esto que la entrada de la puerta B se encontraría con una tensión mayor de +1,5 Voltios que es la VILmax que nos garantiza el buen funcionamiento del circuito; luego podemos decir que el margen de ruido permitido (en las peores condiciones) es de 0,5 V. O lo que es lo mismo, la inmunidad al ruido para niveles bajos es de 0,5 V.
Como el ruido puede hacer que la señal eléctrica aumente o disminuya su valor como indica la figura anterior para un nivel alto de salida en la puerta A de +3 V está dentro del margen de entrada aceptado por la puerta B no estaría garantizado, por lo que igualmente la inmunidad al ruido a nivel alto sería también 0,5 V.
Resumiendo podemos decir que los márgenes entre VOLmax, VILmax por un lado y VOHmin, VIHmin por otro han de ser lo más grande posible posible al objeto de que un circuito sea lo más inmune posible al ruido y tenga las máximas garantías de funcionamiento.
2.6.-/ TIEMPO DE PROPAGACIÓN MEDIO:
Definimos como tiempo de propagación el tiempo transcurrido desde que la señal de entrada pasa por un determinado valor hasta que la salida reacciona a dicho valor.
vamos a tener dos tiempos de propagación:
Tplh = Tiempo de paso de nivel alto a bajo: es el tiempo entre un determinado punto del impulso de entrada y el correspondiente impulso de salida, cuando la salida cambia de 0 a 1.
Tphl = Tiempo de paso de nivel bajo a alto: es el tiempo entre un determinado punto del impulso de entrada y el correspondiente impulso de salida, cuando la salida cambia de 1 a 0.
Como norma se suele emplear el tiempo medio de propagación, que se calcula como:
Tpd = (Tphl + Tplh)/2
2.7.-/ DISIPACIÓN DE POTENCIA
Teniendo presente que los niveles de tensión de entrada y salida de los circuitos digitales pueden adoptar dos valores perfectamente definidos (L o H) y la disipación de potencia para cada uno de estos dos estados es diferente, la disipación de potencia en circuitos digitales se define bajo las condiciones de un ciclo de trabajo del 50 %; es decir, trabajando en un régimen en que la mitad del tiempo hay niveles bajos y la otra mitad niveles altos.
Si se llama PL, a la potencia disipada cuando hay un nivel bajo Y PH a la potencia disipada ante un nivel alto, se tendrá que la potencia media total, PT, valdrá:
Cuanto menor sea el consumo por puerta lógica, para una determinada tecnología de fabricación, mayor será el número de puertas que se podrán integrar sobre un mismo chip sin superar los límites de disipación del sustrato del mismo. De ahí la importancia, para altas densidades de integración, de que la disipación de potencia sea lo menor posible.
Desde el punto de vista global de un equipo digital, la potencia disipada es un parámetro importante (que depende del consumo de cada uno de los elementos que lo constituyen), que deberá reducirse en la medida de lo posible, ya que ello supone minimizar los costos de refrigeración, fuente de alimentación y líneas de distribución.
En algunas tecnologías apenas existe consumo de energía cuando los niveles de tensiones no varían, pero sí que existe cuando se producen transiciones de nivel alto a bajo o viceversa. En estos casos es común distinguir entre disipación de potencia en condiciones estáticas (sin transiciones entre niveles) y en condiciones dinámicas (con transición de niveles). En este último caso la disipación de potencia depende fuertemente de la rapidez de las transiciones de niveles, es decir, de la frecuencia de las señales involucradas.
3.-/ FAMILIA TTL
La familia lógica transistor-transistor es la más usada. Todos los fabricantes de cierta importancia tienen una línea de productos TTL y, en general, los Cl TTL son producidos por casi todas las compañías. La familia TTL consta a su vez de las siguientes subfamflias:
- TTL estándar
- TTL de baja potencia o bajo consumo
- TTL de alta velocidad
- TTL Schottky
- TTL Schottky de baja potencia
TTL es estandar
El circuito funciona con una alimentación única de + 5V, ± 5 % y es compatible con todos los circuitos de otras subfamilias TTL, así como también con la familia lógica DTL. Tiene un retraso típico de 10 ns, temperatura de trabajo de 0ºC a 70ºC, fan-out de 10, margen de ruido en estado 0 y en 1 de 400 mV, una potencia de disipación de 10 mW or puerta y una frecuencia maxima para los flip-flop de 35 MHz. Corresponde a la serie SN 54174 de Texas, conocida y utilizada mundialmente.
TTL de baja potencia ” LPTTL, serie 54174 L)
Tiene un retraso de propagación típico de 33 ns, una potencia de consumo por puerta de 1 mW y una frecuencia máxima de 3 MHz de funcionamiento para los flip-flop. Su empleo se especializa en aplicaciones de bajo consumo y mínima disipación.
TTL de alta velocidad (HTTL, Serie SN 54 H174 H)
Los parámetros típicos de esta subfamilia son: retraso en la propagación por puerta de 6 ns, consumo de 22 mW por puerta y frecuencia operativa máxima de flip-flop de 50 MHz.
TTL Schottky” (STTL, Serie SN 54 S/74/S)
El circuito TTI, Schottky ha sido uno de los más recientes desarrollos y constituye el más rápido de las subfamilias TTL, aproximándose su velocidad a la familia lógica ECL. Se caracterizan por su rapidez, ya que no almacenan cargas y porque son muy sencillos de fabricar.
El circuito es similar al TTL de alta velocidad, pero la base de cada transistor está conectada al colector a través de un diodo de Schottky. El diodo actúa como desviador de] exceso de corriente de base cuando el transistor se activa, y guarda una carga almacenada, evitando la saturación de los transistores. La ausencia de-una carga almacenada reduce el tiempo del cambio del transistor y aumenta la velocidad del circuito. La subfamilia Schottky tiene una propagación típica de 3 ns, un consumo de 19 mW y una frecuencia máxima de flip-flop de 125 MHz.
TTL Schottky de baja potencia- (LSTTL, Serie 54 LS174 LS)
El circuito TTL Schottky de baja potencia es el Uiás reciente de la familia TTL y con él se ha intentado llegar a un compromiso entre la velocidad y la potencia consumida..
Tiene una propagación típica de 10 ns (igual que la TTL estándar) y un consumo por puerta de sólo 2 mW, con una frecuencia máxima de flip-flop de 35 MHz.
FAMILIA CMOS
La familia lógica de MOS complementarios está caracterizada por su bajo consumo. Es la más reciente de todas las grandes familias y la única cuyos componentes se construyen mediante el proceso MOS. El elemento básico de la CMOS es un inversor.
Los transistores CMOS tienen características que los diferencian notablemente de los bipolares:
- Bajo consumo, puesto que una puerta CMOS sólo consume 0,01 mW en condiciones estáticas (cuando no cambia el nivel). Si opera con frecuencias elevadas comprendidas entre 5 y 10 MHz, el consumo es de 10 mw.
- Los circuitos CMOS poseen una elevada inmunidad al ruido, normalmente sobre el 30 y el 45 % del nivel lógico entre el estado 1 y el 0. Este margen alto sólo es comparable con el de la familia HTL.
Con las ventajas reseñadas, la familia CMOS se emplea en circuitos digitales alimentados por baterías y en sistemas especiales que tienen que funcionar durante largos períodos de tiempo, con bajos niveles de potencia. La elevada inmunidad al ruido es la ventaja principal para su aplicación en los automatismos industriales.
Las desventajas que sobresalen en la familia CMOS son su baja velocidad, con un retardo típico de 25 a 50 ns o más, especialmente cuando la puerta tiene como carga un elemento capacitivo; también hay que citar que el proceso de fabricación es más caro y complejo y, finalmente, la dificultad del acoplamiento de esta familia con las restantes.
Una característica muy importante de la familia CMOS es la que se refiere al margen de tensiones de alimentación, que abarca desde los 3 a los 15 V, lo que permite la conexión directa de los componentes de dicha familia con los de la TTL, cuando se alimenta con 5 V a los circuitos integrados CMOS.
La serie 4000 de circuitos integrados CMOS es muy popular y consta, entre otros, de los siguientes modelos.
- 4000 Dos puertas NOR de 3 entradas y un inversor.
- 4001 4 puertas NOR de 2 entradas.
- 4002 2 puertas NOR de 4 entradas.
- 4011 4 puertas NAND de 2 entradas.
- 4012 2 puertas NAND de 4 entradas.
- 4013 2 biestables tipo D.
- 4015 2 registros de desplazamiento de 4 bits.
- 4017 Divisor-contador de décadas con 10 salidas.
- 4020 Contador binario de 14 etapas.
- 4023 3 puertas NAND de 3 entradas.
- 4025 3 puertas NOR de 3 entradas.
- 4027 2 bíestables J-K.
- 4028 Decodificador BCD/decimal.
- 4035 Registro de desplazamiento con entrada serie/paralelo y salida paralelo.
- 4042 4 registros D.
- 4043 4 RS con puertas NOR.
- 4044 4 RS con puertas NAND.
- 4049 6 buffer inversores.
- 4051 Multiplexor/demultiplexor analógico de 8 canales.
- 4052 2 multiplexores/demultiplexores de 4 canales.
- 4068 Una puerta NAND de 8 entradas.
- 4069 6 inversores.
- 4070 4 puertas EOR de 2 entradas.
- 4071 4 puertas OR de 2 entradas.
- 4072 2 puertas OR de 4 entradas.
- 4081 4 puertas AND de 2 entradas.
Dentro de la familia CMOS, se ha citado la serie 4000, que se caracteriza por tener una tensión de alimentación de 3 a 18 V, un consumo por puerta de 2,5 nW y un tiempo de propagación por puerta de 40 ns. En el mismo grupo hay dos subfamilias, cada vez más empleadas, que son:
- HCMOS (CMOS de Alta Velocidad), con tensión de alimentación éntre 2 y 6 V, consumo de 2,5 nW y tiempo de retraso de 9 ns. Es la serie 74HC.
- HCMOS (CMOS de alta velocidad y compatible con TTL), con tensión de alimentación de 5 V, consumo de 2,5 nW y tiempQ de retraso por puerta de 9 ns.. Es la serie 74HCT.
Así como cuando se trabaja con puertas TTL si una entrada no utilizada se deja sin polarizar actúa como entrada con nivel alto, en las de tecnología CMOS se deben de unir directamente a la alimentación o a masa, según se desee se comporten con nivel alto o bajo, respectivamente.
A continuación se exponen los valores más relevantes de los parámetros de la familia CMOS, alimentada a 5 V, y los de la TTL.
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FAMILIA
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TTL
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C-MOS
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Alimentación + (voltios)
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+5
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+3 a +15
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FAN-OUT
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10
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50
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Inmunidad al ruido (v)
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0,4
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1
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Máx. Frecuencia (MHz)
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35
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10
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Producto velocidad-potencia
Esta medida es sólo útil en CMOS ya que es la única familia lógica (de las dos estudiadas) cuyo consumo depende de la velocidad (frecuencia) de operación. En TTL este producto es constante respecto de la velocidad. Si se indica es para poder comparar CMOS y TTL. El producto velocidad-potencia se mide típicamente en pico-Julios (pJ).
Niveles lógicos (alto, bajo, 0, 1)
En los circuitos digitales es muy común referiste a las entradas y salidas de estos como si fueran altos o bajos.
A la entrada alta se le asocia un “1″ y a la entrada baja un “0″. Lo mismo sucede con la salidas.
Si estuviéramos trabajando con circuitos integrados TTL que se alimentan con +5 voltios, el “1″ se supondría que tiene una tensión de +5 voltios y el “0″ 0 voltios. Esto es así en un análisis ideal de los circuitos digitales.
En la realidad, estos valores son diferentes.
Los circuitos integrados trabajan con valores de entrada y salida que varían de acuerdo a la tecnología del circuito integrado. Por ejemplo:
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Nivel de tensión
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TTL
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CMOS
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HC
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Bajo (0)
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0V – 0.8V
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0V – 1.5V
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0V – 1V
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Alto (1)
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2V – 5V
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3.5V – 5V
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3.5V – 5V
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Niveles de tensión para diferentes familias lógicas
La tabla anterior nos da un rango de valores para el cual se acepta un nivel (sea este “0″ o “1″).
En las compuertas TTL un nivel lógico de “1″, será interpretado como tal, mientras el valor de tensión de la entrada este entre 2V. y 5V..
En la tecnología CMOS una nivel lógico de “0″, será interpretado como tal, mientras el valor de tensión de la salida este entre 0V. y 1.5V
- Un voltaje de entrada nivel alto se denomina VIH
- Un voltaje de entrada nivel bajo se denomina VIL
- Un voltaje de salida nivel alto se denomina VOH
- Un voltaje de salida nivel bajo se denomina VOL
Además de los niveles de tensión, también hay que tomar en cuenta, las corrientes presentes a la entrada y salida de estos circuitos.
– La corriente de entrada nivel alto se denomina: IIH
- La corriente de entrada nivel bajo se denomina IIL
- La corriente de salida nivel alto se denomina: IOH
- La corriente de salida nivel bajo se denomina IOL
Estos valores de corriente de salida pueden obtenerse con ayuda de la ley de Ohm.
Io = Vo / RL
donde:
Io: es la corriente de salida
Vo: es el voltaje de salida
RL: es la resistencia de carga o su equivalente conectada a la salida
12.5.2 .- PRODUCTO POTENCIA DISIPADA – RETARDO DE PROPAGACIÓN
La velocidad de una familia lógica y su disipación de potencia son los dos factores principales que pueden diferenciarla de las demás y que todos los fabricantes tratan de mejorar.
La velocidad de una familia lógica viene determinada por el retardo de propagación típico de la misma (tp). El fabricante tratará de minimizar este factor (tp), así como el consumo.
Estas dos propiedades se suelen dar en un producto de ambas, que se mide en picojulios (pJ) y éste siempre se tratará de reducir en lo posible.
Observando podemos sacar nuestras propias conclusiones; entre ellas, que la familia TTL que presenta una mejor relación velocidad-consumo es la TTL-ALS y en general, la familia ACL supera a todas ampliamente.
