Familias de Circuitos integrados digitales

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Arquitectura de equipos y sistemas informáticos 
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Familias de Circuitos integrados digitales 
 
 
CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS 
El número de puertas de un circuito integrado depende de las entradas que tenga cada puerta. Hay dos formas de clasificar los circuitos integrados que dependen de la escala de integración y de la tecnología utilizada. 
 
 
 
ESCALA DE INTEGRACIÓN 
Dependiendo del nº de componentes que se pueden integrar por mm2 en un circuito integrado, existen varios grados de integración: 
 
	 
	 
	Nº de puertas 
	Ejemplo 
	SSI 
	Small scale integration 
	Entre 1 y 10. 
	Biestables 
	MSI 
	Medium scale integration 
	Entre 10 y 100. 
	Decodificadores, contadores, multiplexors 
	LSI 
	Large scale integration 
	Entre 100 y 1.000. 
	Memorias y algunos microprocesadores 
	VLSI 
	Very large scale integration 
	Entre 1.000 y 10.000. 
	Microprocesadores, memorias 
	ULSI 
	Ultra large scale integration 
	Más de 10.000. 
	Memorias de gran capacidad 
 
 
 
 
TECNOLOGÍA UTILIZADA 
Tecnología bipolar. Hace uso de resistencias, diodos y transistores bipolares; muy rápidos pero de alto consumo de corriente. La familia TTL utiliza esta tecnología. 
Tecnología MOS. Esta tecnología es más lenta pero su consumo es menor que en la anterior, lo que supone mayor densidad de integración. La familia CMOS utiliza esta tecnología. 
 
Familia lógica TTL. Series. 
En esta familia se utilizan transistores bipolares para construir las puertas. 
Las dos primeras cifras de la nomenclatura de estos circuitos (54 ó 74) indica la serie. La serie comercial estándar es la 74 y la 54 es la serie militar, utilizada para aplicaciones que requieren mayor rango de temperatura (de -55ºC a 125ºC); las últimas cifras indican el tipo de chip del que se trata y las letras indican la tecnología utilizada. 
La primera serie TTL que apareció fue la 54xxx/74xxx, que actualmente ha sido sustituida por la serie LS, ya que mejora en cuanto a consumo, manteniendo la velocidad de trabajo en valores análogos. Las características de las distintas series se muestran en el cuadro: 
 
 
	Serie 
	Consumo por puerta 
	Tiempo propagación 
	74 xxx 
	10 mW 
	10 ns 
	74 L xxx 
	1 mW 
	33 ns 
	74 S xxx 
	19 mW 
	3 ns 
	74 LS xxx 
	2 mW 
	10 ns 
	74 ALS xxx 
	1 mW 
	4 ns 
	74 AS xxx 
	8 mW 
	1,5 ns 
	74 F xxx 
	4 mW 
	3 ns 
 
 
 
Familia CMOS. Series. 
 
Serie 4000. Son las primeras CMOS, no están homologadas y cada fabricante tiene su propio patinaje y símbolo. 
Dentro de ella existen tres series: 4000 A, 4000 B y 4000 UB. 
Tienen menor consumo que las TTL y funciona con tensiones desde 3V a 18V. 
Su velocidad depende de la tensión de alimentación: para VCC=3V el tiempo de propagación es de 200 ns que pasan a ser de 100 ns para 
VCC=5V y se reducen a 20 ns cuando VCC=15V. 
Serie HE 4000. Dos series: HE 4000 B y HE 4000 UB. 
Las ventajas de esta familia son las mismas que las de la anterior y la tensión de alimentación oscila entre 3V y 15V. 
Serie 74 C xxx. Mantiene las características de la serie 4000 pero su patillaje es compatible con la serie TTL. 
Serie 74 HC xxx. Ofrece la misma velocidad de trabajo que la serie TTLLS y análoga inmunidad frente al ruido, con un consumo estático nulo. No es compatible con la serie TTL y se alimenta con tensiones entre 2V y 6V. 
Serie 74 HCT xxx. Las características son similares a las de la anterior pero es compatible con la TTL. Su tensión de alimentación es de 5V. Serie 74 AC xxx. Serie de alta velocidad. Su disipación es de 1 mW por puerta y su tiempo de propagación de 3 ns. 
Serie 54 ACT xxx. Su tensión de alimentación varía entre 4,5 V y 5,5 V, con tiempos de propagación inferiores a 5 ns y reducción del ruido que las puertas producen en su conmutación. 
 
 
Familia ECL. Series. 
Para velocidades aun mayores se cuenta con una familia ultrarrápida ECL (lógica de acoplo por emisor) que utiliza el principio de no conseguir la saturación de los transistores, por ello su conmutación es muy rápida; sus tiempos de propagación son inferiores a 0,8 ns; pero su consumo es alto, cercano a los 40 mW por puerta. 
Esta familia tiene dos variantes: la ECL 10K y la ECL 100K. Ambas son prácticamente idénticas con la diferencia de que la ECL 100K es un poco más rápida y posee mayor estabilidad frente a variaciones de temperatura. 
 
DATOS DE CATÁLOGO 
 
	VCC, VDD 
	tensión de alimentación del circuito. En TTL, 5V (VCC) y en CMOS entre 3V y 18V (VDD). 
	IOH 
	Corriente que entrega un circuito a salida cuando está a nivel alto. 
	VOH 
	Tensión que entrega un circuito a la salida cuando está a nivel alto. 
	IOL 
	Corriente que absorbe un circuito por la salida cuando está a nivel bajo. 
	VOL 
	Tensión que entrega un circuito a la salida cuando está a nivel bajo. 
	VIH 
	Tensión de entrada a nivel alto. 
	VIL 
	Tensión de entrada a nivel bajo. 
	IIH 
	Corriente que absorbe el circuito a la entrada cuando hay un nivel alto. 
	IIL 
	Corriente que entrega el circuito a la entrada cuando hay un nivel bajo. 
	IOS 
	Corriente que se mide a la salida cuando está a nivel alto y cortocircuitamos la salida. 
	ICCH 
	Corriente continua que entrega la fuente de alimentación cuando la puerta está a nivel alto. 
	ICCL 
	Corriente continua que absorbe la fuente de alimentación cuando la puerta está a nivel bajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MARGEN DE RUIDO 
El ruido son perturbaciones involuntarias que puede originar un cambio no deseado en la salida del circuito, si son suficientemente grandes. Por eso antes de realizar cualquier montaje es conveniente saber el nivel de ruido máximo permitido. 
 
Hay dos tipos de márgenes de ruido: a nivel alto y a nivel bajo. 
Margen de ruido a nivel bajo (VNIL): VNIL = VILmáx - VOLmáx 
Margen de ruido a nivel alto (VNIH): VNIH = VOHmín - VIHmín 
 
 
 
MARGEN DE RUIDO TTL y MARGEN DE RUIDO CMOS 
FAN-OUT 
Número de entradas que pueden conectarse sobre la salida de una puerta lógica. 
En la familia TTL la limitación relativa al fan-out viene dada por el cociente entre intensidades IO/II, pero no así en las series CMOS cuya intensidad de entrada es nula y lo que limita es la carga capacitiva que pueden soportar CL/CI. 
 
 
 
FAN-IN 
Número de entradas que posee una puerta lógica. La limitación en cuanto al número máximo de entradas con que puede construirse una puerta depende de la estructura electrónica de la misma: en el caso CMOS el número de entradas no debe ser superior a 6 u 8 debido al hecho de que la conexión de múltiples transistores MOS en serie empeora en gran medida las características de velocidad e inmunidad frente al ruido de las puertas. 
 
 
 
CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE UNA FAMILIA LÓGICA 
 
Las características dinámicas de una familia lógica es el comportamiento del dispositivo ante la conmutación. Las características dinámicas más importantes son: 
 Tiempos de propagación, de retardo y de transición. Frecuencia máxima de funcionamiento. 
 
 
Tiempos de propagación 
 
	tpLH 
	Tiempo de propagación para el crecimiento de la tensión de salida. 
	tpHL 
	Tiempo de propagación para el decrecimiento de la tensión de salida. 
	TpD 
	Tiempo de propagación medio. 
 
 
 
 
 
 
 
Tiempos de retardo 
 
	tDLH 
	Tiempo de retardo para el crecimiento de la tensión de salida. 
	tDHL 
	Tiempo de retardo para el decrecimiento de la tensión de salida. 
 
 
 
Tiempos de transición 
 
	tTLH 
	Tiempo de subida de la tensión de salida. 
	tTHL 
	Tiempo de bajada de la tensión de salida. 
 
 
 
Frecuencia máxima de funcionamiento 
Para saber a que frecuencia máxima podemos trabajar con una puerta de una determinada familia lógica, nos basaremos en lo siguiente: Mediante el tiempo de propagación medio tpD de una puerta NAND de cada familia lógica determinamos la frecuencia correspondiente a un retardo de medio semiciclo de la señal de salida de la puerta NAND, sin carga alguna, con respecto a la señal de entrada (onda cuadrada). La frecuencia correspondiente a este desfasese calcula: 
 	 
 	T= 4� tpD 
 
Y por lo tanto la frecuencia máxima de funcionamiento será: 
 
 	fmax= 1 / 4� tpD 
 
Este valor de frecuencia lo hemos determinado para un desfase de medio semiciclo. Se podría haber calculado para un desfase mayor pero el de medio semiciclo es el más apropiado. 
ENTRADAS NO UTILIZADAS 
En una puerta TTL, una entrada desconectada actúa como un nivel lógico alto. Una entrada al aire se comporta como una antena receptora de ruido. Para evitar esto existen varias alternativas: 
 Entradas unidas. Es el método más común y consiste en conectar las entradas a una entrada que sí se use. Este método tiene el inconveniente que para las puertas excitadoras estas entradas suponen cargas adicionales, por lo que aumenta los requerimientos de consumo de las mismas. 
 Entradas conectadas a Vcc o a tierra. Las entradas no utilizadas se conectan al nivel lógico que no influya en el nivel de salida de la puerta. 
Las entradas no conectadas de las puertas Nand o And se conectarán a Vcc a través de una resistencia de 1 Kohm mientras que las de las puertas Or o Nor se conectan a tierra. 
 Entradas conectadas a una salida no utilizada. Este método es adecuado cuando se disponen de puertas no utilizadas en el circuito. De nuevo la salida de la puerta utilizada debe ser un nivel alto constante para las entradas no utilizadas de puertas And y Nand y un nivel bajo para las puertas Nor y Or. 
 
 
OTRAS CONFIGURACIONES INTERNAS 
Las configuraciones internas de las distintas familias lógicas derivadas de la TTL más usuales son las salidas Totem-Pole. Pero las puertas con estas salidas no permiten realizar un cableado lógico, es decir, la unión directa de dos salidas para formar una nueva función lógica. Para esto se construyen las salidas Colector abierto. 
 
Salidas en colector abierto 
Son puertas que prescinden de los transistores superiores (los que transmiten el 1). Son puertas incompletas que requieren una resistencia de polarización conectada a la alimentación VCC y precisamente por eso resultan útiles para efectuar acoplos con otras familias lógicas o con otros componentes electrónicos que empleen niveles de tensión diferentes y para la conexión de varias salidas (operación "y" cableada). Existen adaptadores de este tipo (buffer) que admiten tensiones o intensidades relativamente altas (hasta 15 ó 30 V de tensión y unos 50 mA de intensidad). 
 
Salidas con control tri-estado 
Se conoce como estado de alta impedancia. Es un estado auxiliar que permite poner fuera de funcionamiento simultáneamente los dispositivos de polarización en nivel alto y en nivel bajo. 
De esta forma podemos tener conectadas varias salidas a una línea común o a un bus de datos. 
 
Cristina Muñiz Alonso 1 de 11 
Cristina Muñiz Alonso 1 de 11 
Cristina Muñiz Alonso 4 de 11 
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