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TEMA 7. FAMILIAS LOGICAS
INTEGRADAS
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IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/
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TEMA 7 – FAMILIAS LOGICAS INTEGRADAS
7.1. Introducción
7.2. Familias lógicas bipolares
Lógica diodo-transistor (DTL)
Lógica transistor-transistor (TTL)
Lógica resistencia transistor (RTL)
7.3. Familias lógicas MOSFET
Circuitos lógicos de carga integrada MOSFET
Lógica CMOS
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.1. INTRODUCCIÓN
En el tema anterior hemos visto la simbología asociada a los distintos circuitos que realizan las
operaciones básicas: AND, OR; NOT, etc..
En este tema estudiaremos los circuitos digitales más simples que realizan dichas operaciones lógicas.
Los circuitos digitales se encuentran agrupados en distintas familias, de acuerdo con las
características y estructuras físicas en que se basen.
Una primera CLASIFICACION:
Las familias lógicas pasivas
En su constitución solamente intervienen elementos pasivos (resistencias y diodos). Hoy día, están
totalmente en desuso
Desventajas: La pérdida de nivel en las señales, la poca inmunidad al ruido y el pequeño aislamiento
entre entrada y salida.
Las familias lógicas activas son aquellas que están formadas (casi exclusivamente), por dispositivos
electrónicos activos (transistores)
Ventajas: proporcionan ganancia (restauración de niveles) y mejoran el aislamiento entre etapas.
Si los transistores son BJT se denominan familias lógicas bipolares
Si los transistores son de efecto de campo (MOSFET) se denominan familias lógicas MOSFET.
D. Pardo, et al. 1999
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
Como hemos estudiado en el Tema 6: en los circuitos lógicos la salida sólo puede
tomar uno de dos valores ("0" ó "1") cuando las entradas también toman sólo esos
valores.
Para conseguir esta característica de los circuitos, los transistores deben estar:
En corte o muy próximos a él
O conduciendo (saturado si es bipolar o en la región lineal si son de efecto de campo).
Nunca deben estar operando en una situación intermedia de sus características, para que la
tensión de salida no esté en la región prohibida.
Solamente en la transición desde un estado al otro el transistor pasará por la región activa si es
bipolar o por la de saturación si es de efecto de campo.
BJT
IC ( mA)
7.1. INTRODUCCIÓN
MOSFET
IB = 80 µA
IB = 60 µA
IB = 40 µA
IB = 20 µA
FFI-UPV.es
IB = 0 µA
VCE (V)
FFI-UPV.es
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
Características de los circuitos digitales (son independientes de la función que realicen
o de la familia a la que pertenezcan).
7.1. INTRODUCCIÓN
Poseen dos niveles lógicos de tensión, bien diferenciados, para representar los dos valores
posibles de las variables.
Dos tensiones umbral (tensión a la que la puerta comienza a cambiar de estado), una para
cada estado lógico.
Dos márgenes de ruido (uno para cada estado o nivel lógico), que son la variación de tensión
admisible a la entrada de un circuito lógico sin que la salida del mismo cambie de estado, es
decir, sin que el circuito "detecte" un nivel lógico diferente.
Abanico de entrada, que es el máximo número de entradas que el circuito lógico puede tener.
Abanico de salida, que es el número máximo de circuitos lógicos que una puerta puede
alimentar.
Tiempo de propagación, el cual se define como la media aritmética entre los tiempos medios de
propagación del cambio de estado de la entrada a la salida en los casos en que la salida pasa
del estado “1” al “0” y viceversa.
Potencia disipada, la cual se define, normalmente, como la requerida por la puerta para estar
funcionando al 50%, es decir, tanto tiempo en el estado “1” como en el “0”.
Se pueden estudiar todas estas características para las distintas familias lógicas no
vamos a ver un análisis comparado de las diversas familias lógicas.
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.2. FAM LOG BIPOLARES
+VCC
Familias Lógicas Bipolares
Dentro de la lógica bipolar, existen diversas familias.
Todas ellas tienen en común: que emplean en su
constitución la etapa inversora (amplificador en emisor
común).
Esta es la parte del circuito que proporciona:
Ganancia en corriente,
Complementación a una variable
Fija la tensión de salida a un valor perfectamente determinado.
RC
RB
V0
Vi
FFI-UPV.es
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Tipos de familias lógicas bipolares:
Cuando la etapa inversora es tal que en el estado de
ON el transistor está saturado, se suelen denominar
circuitos lógicos bipolares saturados, entre los que
estudiaremos las familias DTL, TTL y RTL.
En otros circuitos el transistor de la etapa inversora
cuando conduce no está saturado, recibiendo el
nombre genérico de circuitos lógicos no saturados
(entre ellos la familia ECL).
Este tipo de circuitos es, en general, más rápido.
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.2. FAM LOG BIPOLARES
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Familias lógicas bipolares
VCC
VCC
Lógica diodo-transistor (DTL)
EJEMPLO: puerta NAND:
Los diodos D1, D2 y D3 forman la puerta AND
Y su salida está conectada, a través de dos
diodos D01 y D02, al inversor formado por el
transistor Q.
Funcionamiento:
RC
RL
Cuando todas las entradas están en "1" lógico
(VCC Voltios):
Los diodos D1, D2 y D3 están en corte.
D01 y D02 lo están en directa.
Si RL es suficientemente pequeña, IB
puede ser suficiente para saturar al
transistor Q y ser la salida VCE(sat)≈ 0V.
V0
V1
D1
V2
D2
V3
D3
D01 D02
Q
IB
Lógica Diodo Transistor DTL (NAND)
Función lógica NAND (tres entradas),
con lógica definida positiva.
V1
V2
V3
V1 V2 V3
• 0
1
0 1
1
1 1
0
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Si alguna o todas las entradas están a "0" lógico (0V):
En esa rama/s el diodos de entrada está en directa.
Aplicamos tensión baja a D01 Las tres uniones D01 , D02 y la unión base-emisor
del transistor estarán en corte con lo que VCE=VCC ("1" lógico).
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.2. FAM LOG BIPOLARES
D. Pardo, et al. 1999
Familias lógicas bipolares
Lógica transistor - transistor (TTL)
Quizá son los circuitos más conocidos y utilizados
por su alta velocidad de respuesta y su bajo
consumo.
Deriva del anterior reemplazando las entradas por
un transistor multi-emisor.
Funcionamiento:
Si una o más de las entradas están en “0” lógico (0
Volts) Los emisores de Q2 están directamente
polarizados, Q2 conduce y circula IC.
Como la corriente de base de Q3 no puede ser
negativa Q3 está cortado V0=VCC “1” lógico.
Si todas las entradas están a 1” lógico (VCC), todos
los emisores de Q2 están inversamente polarizados
Su unión base-colectora está en directa.
La corriente circula de VCC a través de RL hacia la
base de Q3 Q3 estárá saturado y VCE=0 volts
“0” lógico.
Lógica Transistor- Transistor TTL
(NAND)
Este circuito realiza la
función lógica NAND
para tres entradas, con
lógica definida positiva.
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• 0
1
0 1
1
1 1
0
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.2. FAM LOG BIPOLARES
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Familias lógicas bipolares
VCC
RC
Lógica resistencia -transistor (RTL)
Este es un tipo de lógica que ya en la práctica no se utiliza, sin
embargo es muy simple y además es históricamente la primera
que fue utilizada extensamente.
V1
V0
Funcionamiento:
RB
Si cualquiera de las m entradas está en el estado de alta (VCC ), el
correspondiente transistor conectado a ella estará conduciendo
(saturado) y la salida será la baja tensión, VCE≈0V.
V2
Por otro lado, si todas las entradas están en baja (0V), los m
transistores están en corte y la salida está en alta (VCC ).
RB
Vm
La operación que realiza, en lógica definida positiva, es la NOR.
Lógica ResistenciaTransistor RTL (NOR)
V1
V2
V3
0
1
0 1
0
1 0
0
+
V1 +V2 +V3
Este circuito realiza la función
lógica NOR para tres entradas,
con lógica definida positiva.
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.3. FAM LOG MOSFET
Familias lógicas MOSFET
Básicamente, los circuitos digitales MOSFET están incluidos dentro de uno
de los tres siguientes grupos:
Lógica de carga integrada
Lógica de simetría complementaria (CMOS)
Lógica dinámica multifásica.
Los dos primeros tipos forman los que se conocen como circuitos lógicos
estáticos, que analizaremos brevemente en esta lección. Los circuitos
lógicos dinámicos serán analizados cuando aparezcan más claramente sus
aplicaciones.
Circuitos lógicos de carga integrada MOSFET
Lógica CMOS
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.3. FAM LOG MOSFET
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Familias lógicas MOSFET
VDD
Circuitos lógicos de carga integrada MOSFET
S
Estos circuitos están basados en la etapa inversora de carga
integrada, analizada en el Tema 5. Las modificaciones del circuito
inversor básico están encaminadas a proporcionarle más de una
entrada.
En la figura se muestra una etapa inversora de carga integrada
saturada con tres transistores activos en serie.
Funcionamiento
La corriente de drenador sólo podrá existir si todos los transistores
activos tienen su rejilla a la tensión de alta ("1" lógico), la cual será VDD
Si cualquiera de las rejillas tiene una tensión aplicada correspondiente al
estado de baja ("0" lógico), ese dispositivo estará en corte no permitiendo
el paso de la corriente de drenador; la salida entonces estará en alta ("1"
lógico).
Cuando todas las rejillas están en alta, todos los transistores estarán
conduciendo, existirá corriente de drenador, y la salida estará en el
estado de baja ("0" lógico).
Con lógica definida positiva, este circuito realiza la operación NAND.
X
Y
Z
Lógica NMOS (NAND)
• 0
1
0 1
1
1 1
0
Función lógica NAND
NOTA: Examinaremos los circuitos construidos con carga integrada saturada y con inversores canal N. El
análisis de los otros tipos es inmediato.
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.3. FAM LOG MOSFET
Familias lógicas MOSFET
Circuitos lógicos de carga integrada MOSFET
Si al transistor activo de la etapa inversora saturada se le añaden otros transistores activos en
paralelo, cada uno con su entrada como se muestra en la Figura.
Funcionamiento:
Uno cualquiera de ellos en conducción hace que la salida esté en el estado de baja ("0" lógico).
Solamente si todas las entradas están a la tensión de baja, la salida está en alta ("1" lógico).
Este circuito por tanto realiza la operación NOR, con lógica definida positiva.
D. Pardo, et al. 1999
+
0
VDD
1
S
0 1
0
1 0
0
X
Y
Z
Lógica NMOS (NOR)
Función lógica NOR
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.3. FAM LOG MOSFET
Familias lógicas MOSFET
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VDD
Lógica CMOS: El inversor básico CMOS también puede
utilizarse para construir circuitos lógicos.
Cada entrada actúa sobre dos transistores, uno canal N y el
otro canal P.
El número de transistores necesario es el doble del de
entradas del circuito nº mayor que el de carga integrada.
Se necesitamos transistores con los dos tipos de canal y por
tanto con los dos tipos de sustrato.
Sin embargo, el consumo de los circuitos lógicos CMOS es
mucho menor interesantes para algunas aplicaciones.
El Circuito NOR:
S
X
Y
Y
Lógica CMOS (NOR)
0
1
0 1
0
1 0
0
+
Cuando alguna de las entradas o las dos estén en alta ("1"
lógico, en lógica definida positiva), el transistor correspondiente
de canal N está conduciendo y la salida estará en baja ("0"
lógico).
Solamente cuando las dos entradas estén en baja, la salida
estará en alta. La función que realiza este circuito es por tanto
la NOR.
Función lógica NOR
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TEMA 7. FAM LOGICAS INTEGRADAS
7.3. FAM LOG MOSFET
Familias lógicas MOSFET
VDD
Lógica CMOS
Puede comprobarse fácilmente que el circuito de la figura
S
con lógica definida positiva, realiza la operación NAND.
Y
• 0
1
0 1
1
X
1 1
0
Y
Función lógica NAND
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Lógica CMOS (NAND)
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Agradecimientos
Daniel Pardo Collantes, Área de Electrónica, Departamento de Física Aplicada
de la Universidad de Salamanca.
Referencias
Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., “Elementos de
Electrónica”.Universidad de Valladolid. Secretariado de Publicaciones e
Intercambio Editorial.1999.
Jose Antonio Gómez Tejedor. Apuntes Fundamentos Físicos de la Informática
(FFI). Universidad Politécnica de Valencia.
http://personales.upv.es/jogomez/ffi.html
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