familias lógicas
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13/10/2014
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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DIGITAL
CAPITULO I.
Familias
Lógicas y
Simuladores
Electrónicos
Ing. Henry Vallejo
INTRODUCCIÓN
VALORES LÓGICOS
MÁRGENES DE RUIDO
FAN OUT
INVERSOR TTL Y CMOS
RETARDO DE PROPAGACIÓN
PRODUCTO POTENCIA DISCIPADA –RETARDO DE PROPAGACIÓN
FAMILIAS LÓGICAS
COMPARACIÓN DE FAMILIAS LÓGICAS
EVOLUCIÓN DE LAS PRINCIPALES TECNOLOGÍAS
INDICE
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INTRODUCCIÓN
• La electrónica digital esta destinada a la transmissiony recepción de datos entre dispositivos electrónicospor medio dos diferentes niveles (Alto/Bajo – 0/1).
• Existe dos tecnologías digitales:- TTL- CMOS
• En 1993 había 6 subfamilies TTL y 4 CMOS, quediferian del tipo de aplicación.
• Los fabricantes se han esforzado para que losdispositivos tengan una menor potencia discipada –retardo de propagación (aumentar la velocidad yreducer el consumo).
• Los requisitos de mercado de equipos portátiles hapropiciado la evolución de las tecnologías atensiones de alimentación cada vez más reducidas(3.3 v, 2.5 v).
VALORES LOGICOS – LOGICA POSITIVA / LOGICANEGATIVA
• Niveles TTL
• Las tensiones de transición (entre 0.5 y 3.0voltios) corresponden a un valor lógicoindeterminado, y sólo aparecen durantecortos espacios de tiempo cuando cambia deun estado lógico a otro, si permanece estableen esta zona el resultado será indeterminadoy por ende incorrecto.
• El circuito debe generar una tensión dentrode su margen correspondiente para sucorrecto funcionamiento.
• Lógica positiva: el ‘0’ se representa con lamenor tensión. El ‘1’ con la mayor.Ej, niveles TTL y CMOS.
• Lógica negativa: el ‘0’ se representa con latensión mayor. El ‘1’ con tensión menor. Ej,niveles RS-232.
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MARGENES DE RUIDO
• El ruido consisten en fluctuaciones no deseadas en la tensiónreal de una señal lógica. Puede ser debido a variación en laalimentación (se perturba el punto de trabajo de lostransistores que forman la puerta lógica), perturbacioneselectromagnéticas externas, etc.
• Si los niveles de tensión (Verdadero / Falso) están muypróximos entre sí, sería relativamente fácil que una variaciónen la tensión provocada por ruido se pueda pasar de unestado lógico a otro, o simplemente quedarse en la zona detransición.
• Se especifican los siguientes valores:- VIL es la máxima tensión de entrada que garantiza
que será aceptada como FALSO.- VIH es la mínima tensión de entrada que garantiza
que será aceptada como VERDADERO.- VOL es la máxima tensión de salida generada como
FALSO.- VOH es la mínima tensión de salida generada como
VERDADERO.
• En la figura se muestran los márgenes de tensión de entraday salida para la familia lógica 7400 ALS TTL con una fuentede alimentación de +5v.
MARGENES DE RUIDO
• VIH debe ser menor que VOH para asegurarse deinterpretar un “1” lógico, la diferencia de estastensiones se denomina margen de ruido superior,o margen de ruido para el “1” lógico.
• VIL debe ser menor que VOL para asegurarse deinterpretar un “1” lógico, la diferencia de estastensiones se denomina margen de ruido inferior, omargen de ruido para el “0” lógico.
• Cuanto mayor sean los márgenes de ruido, dichoscircuitos serán menos sensibles a las perturbaciones,y por tanto, serán adecuados para trabajar enentornos con mayores índices de ruido
NMH = VOH - VIH
NML = VOL - VIL
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FAN OUT
• Típicamente, la salida de una compuerta lógica se conecta a laentrada de una o mas compuertas lógicas.
• El FAN OUT es el número de compuertas que pueden serconectadas a la salida de la compuerta de conducción.
• FAN OUT, nos proporciona el fabricante, caso contrario se calcula dela siguiente manera:
FAN OUT = IOL máx / IIL máx
CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA DELINVERSOR
FT = VO / VI
FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA
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TIPOS DE SALIDA: TOTEM – POLE, OPEN COLECTORY TRIESTADO
TOTE
M–
POLE
La salida Totem Pole consiste en dos transistores que se activan deforma excluyente.No se pueden conectar dos o más salidas de este tipo a un mismopunto (bus)
Es una salida típica de lafamilia TTL y que tiene comocaracterística la baja disipaciónque generan.
7400 – compuerta NAND
TIPOS DE SALIDA: TOTEM – POLE, OPEN COLECTORY TRIESTADO
TOTE
M–
POLE
Nivel de Alta impedancia, flotante o inactivo.En este estado no hay información lógica en lasalida. Los transistores T1 y T2 no se polarizan,y esto provoca que en las uniones emisor ycolector de los dos transistores no circulecorriente. La salida queda flotante y conectadaa otros circuitos queda como si no estuviera.
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TIPOS DE SALIDA: TOTEM – POLE, OPEN COLECTORY TRIESTADO
OPEN
COL
ECTO
R
La salida en Colector abierto deja el colector del transistor conectadodirectamente al terminal de salida, por lo que será necesario conectaruna resistencia externa de colector (pull – up).
La principal utilización esel gobierno directo decargas que precisanunas tensiones ocorrientes superiores alos niveles de la familia
Por otro lado permiten larealización de puertasNAND
7403 – compuerta NAND
TIPOS DE SALIDA: TOTEM – POLE, OPEN COLECTORY TRIESTADO
TRIE
STAD
O
La configuración es similar a laTotem-pole, pero se le añade untransistor T5, que es un terminal dehabilitación / deshabilitación de lasalida, disponiendo así de tresestados: Alto – Bajo – AltaImpedancia.
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RETARDO DE PROPAGACIÓN
RETARDO DE PROPAGACIÓN
• En la figura se representan la entrada y salida de un inversor.• La transición de bajo a alto se realiza de forma gradual.• El tiempo de subida (tr) y tiempo de bajada (tf), son los tiempos
que tarda desde el 10% al 90% de la transición.• Las transiciones de salida están retardadas respecto a las de
entrada, siendo:– tphl retardo entre las transiciones de entrada y salida al 50% cuando la
salida pasa de alto a bajo.– tplh retardo entre la entrada y salida al 50% cuando la salida pasa de
bajo a alto.– tpd es el retardo promedio entre tphl y tplh.
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POTENCIA DISIPADA – RETARDO DEPROPAGACIÓN
• Los circuitos digitales se dirigen a que su consumo de energía seamenor, y su velocidad de conmutación sea alta (elevada transmisiónde información)
• Es deseable que el producto Potencia Disipada – Retardo dePropagación sea igual a cero.
• El consumo se obtiene a partir del producto entre la tensión dealimentación y la media aritmética entre las corrientes consumidasen la alimentación a nivel alto y bajo.
PotenciaDiscipada mW
Retardo dePropagación nseg
= +2= ∗ [pJ]
PULSOS FALSOS (GLITCH)
• Cuando dos señales de entrada seconectan a una misma puerta lógica,tienen retardos distintos, la salidadel sistema combinacional puede darlugar a salidas inesperadas.
• Algunas veces, se producen falsospulsos que condicionan a unrediseño del sistema digital, paraevitar salidas inesperadas.
• Otras veces, se utilizan estosglitches con fines determinados.
• En la figura se muestra la salida C,para la entrada A, dando lugar a unfalso pulso debido al retardo delinversor.
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FAMILIA LÓGICA TTL (TRANSISTOR TRANSISTORLOGIC)
TTL Estándar
• Transistor que trabajan en corte y saturación (conmutación).• Corriente de base para la saturación, la corriente de base
elevada, cuando se desea pasar al corte, el exceso de carga enla base tarda en ser desalojada, contribuyendo a tiempos deconmutación mayores.
• Una de las mejoras introducidas en la familia TTL estándar es lautilización de un transistor de entrada multiemisor, que favoreceel paso de saturación al de corte, retirando la carga almacenadaen la base del transistor durante la saturación
FAMILIA LÓGICA TTL (TRANSISTOR TRANSISTORLOGIC)
TTL Schottky
• Uno de los principales problemas que existen en la familiaTTL Estándar es la pérdida de velocidad en laconmutación, debido a que la mayoría de los transistorestrabajan entre corte y saturación y es difícil evacuar elexceso de carga almacenada en la zona de la basedurante la saturación.
• Esta familia trata de evitar que los transistoresalcancen el estado de saturación, reduciendo así elexceso de carga en la zona de base, tardando menosen conmutar de saturación a corte aumentandoconsiderablemente la velocidad.
• Utiliza diodos Schottky.
74Sxxx
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FAMILIA LÓGICA TTL (TRANSISTOR TRANSISTORLOGIC)
TTL Low Power Schottky
– La velocidad obtenida es del orden de la familiaestándar, consumiendo cinco veces menos.
– Sigue utiliza el diodo Schottky.
74LSxx x
FAMILIA LÓGICA TTL (TRANSISTOR TRANSISTORLOGIC)
• 74ASxxx– Reduce la disipación de potencia y de retardo en un 50% y el
producto potencia – retardo propagación lo reduce unas cuatroveces respecto a TTL-S.
– Reduce un 50% la intensidad requerida a la entrada.– Retardos de propagación pequeños y elevadas frecuencias de
reloj con relativo bajo consumo.
• 74ALSxxx– Aumenta en dos la eficiencia y reduce la potencia en un 50%
comparando con la familia TTL-LS.– Compatible con las familias 74, 74S, 74LS, 74AS.
TTL Advanced Schottky
TTL Advanced Low Power Schottky
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FAMILIA LÓGICA TTL (TRANSISTOR TRANSISTORLOGIC)
• 74ASxxx– Su nombre proviene de TTL Schottky Avanzada de FAIRCHILD.– Debido a su alta velocidad de conmutación puede trabajar en
áreas reservadas para la lógica ‘ECL 10K’, utilizando los diseñosTTL básicos y una única alimentación de 5v.
– La alta impedancia de entrada permite la interconexión directacon los circuitos de las familias TTL-LS, TTL-ALS y HCMOS en unmismo sistema.
– Reducen en ¼ la potencia que disipan con respecto a TTL-S,mejorando además su producto potencia – retardo propagación.
– La mayoría de los sistemas diseñados con circuitos TTL-S,pueden funcionar reemplazando estos circuitos por susequivalentes de la familia FAST.
TTL FAST
FAMILIA LÓGICA TTL (TRANSISTOR TRANSISTORLOGIC)
– Las familias lógicas que utilizan los transistores con atrapamientoSchottky son las únicas en las que sus transistores no alcanzan lasaturación, y por ello, son más rápidas.
– La familia ECL utiliza el principio de no conseguir la saturación desus transistores, para ello utiliza la lógica de emisores acoplados(ECL) en vez de los diodos Schottky.
– Existen dos series:– ECL serie 10000 o ECL 10K– ECL serie 100000 o ECL 100K (más rápida y estable frente a Tª
- Son las más rápidas del mercado, pudiendo alcanzar los GHz;también son las que más consumen.
- Su tensión de alimentación es negativa, con lo que da problemasde conexión con el resto de familias lógicas
FAMILIA LÓGICA ECL
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CMOS (TRANSISTORES EFECTO CAMPO)
– La serie 4000 fue la primera familia MOS con velocidadescercanas ala familia TTL estándar. Utiliza conjuntamente técnicasPMOS y NMOS
– Su ventaja sobre la TTL estándar es que su consumo puede sermiles de veces inferior siempre y cuando su frecuencia de trabajono sea muy elevada.
– Se reduce el volumen de los circuitos, tiene una gran inmunidadal ruido y funciona con una amplia gama de valores de tensiónde ruido y funciona con una amplia gama de valores de tensiónde alimentación.
– Destacar el daño que pueden producir las descargaselectroestáticas en sus entradas.
CMOS 4000
CMOS (TRANSISTORES EFECTO CAMPO)
– Inicialmente, el uso de tecnologías TTL fue masivo por su altavelocidad, y relativo bajo consumo (sobre todo con las últimastecnologías TTL)
– Las familias HC han mejorado en velocidad frente a la serie 4000,obteniendo una velocidad comparable con la familia TTL-LS siendosu consumo en estático del orden de un millón de veces inferior aesta familia en régimen estático.
– 74HC: márgenes de tensión de entrada compatibles con serie4000. su alimentación puede estar entre 2 y 6 voltios. Margen denivel bajo hasta el 30% de Vcc y el margen a nivel alto desde el70% de Vcc. Umbral de conmutación del 50% de Vcc. Todas lassalidas están bufereadas (acopla impedancias).
FAMILIA LÓGICA CMOS DE AL TAVELOCIDAD (HC, HCT, HCU)
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CMOS (COMPLEMENTARY METAL OXIDESEMICONDUCTOR)
– 74HCT: Márgenes de tensión de entrada compatibles con TTL. Margena nivel bajo hasta 0.8 v y a nivel alto de 2 v. El umbral de conmutaciónes del 28% de Vcc. Tensión de alimentación es Vcc=5v±10%, conentradas y salidas bufereadas.
– 74HCU: idéntica a 74HC pero sin buferear las salidas (Unbuffered) parapermitir la operación en modo lineal (osciladores)
FAMILIA LÓGICA CMOS DE AL TAVELOCIDAD (HC, HCT, HCU)
CMOS (COMPLEMENTARY METAL OXIDESEMICONDUCTOR)
– Introdujo una gran mejora en velocidad y disipación de potenciacon respecto a la familia HCMOS
– Protección contra descargas electroestáticas de hasta 2kV entodas las entradas y salidas.
– Inmunidad al ruido, unas tres veces superior que en TTL.– Retardo de propagación típico de 3 ns por puerta.– Puede trabajar a más de 150 MHz– Dentro de esta familia hay dos variantes:– 74AC: niveles de entrada compatibles CMOS. La tensión de
alimentación puede variar entre 3 a 5.5 voltios. El umbral deconmutación es de 50% de Vcc, con salidas bufereadas.Mantiene sus estados hasta con alimentación de menos de 2V, loque facilita su alimentación con baterías de litio.
FAMILIA LÓGICA CMOS AVANZADA(AC /ACT)
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CMOS (COMPLEMENTARY METAL OXIDESEMICONDUCTOR)
– 74ACT: niveles de tensión compatibles con TTL. Tensión dealimentación Vcc=5v±10%. Umbral de conmutación al 28% deVcc. Todas las salidas bufereadas. Están diseñados para sustituira las familias TTL.
FAMILIA LÓGICA CMOS AVANZADA(AC /ACT)
COMPARACIÓN ENTRE FAMILIAS LÓGICAS
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NOMENCLATURA EN DISPOSITIVOS DIGITALES TTL
DD54YYYXXX – DD74YYYXXX
DD - Prefijos identificativos de fabricantes:– SN : Texas Instrument.– MN : Motorola.– DM : National– N : Signetics– P : Intel– H : Harris– AMD : Advanced Micro Devices– H : Harris• Numeración:– 54: rango de temperatura militar (-55º … 125ºC)– 74: rango de temperatura comercial (-40º … 85ºC)
• YYY: S, LS, AS, ALS, …• XXX: función lógica