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TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES. CURSO 2007/08
Inocente Sánchez Ciudad
TEMA 9: TECNOLOGÍA DIGITAL.
9.1. Puertas lógicas.
Definición y representación de las puertas.
PUERTA OR
PUERTA AND
PUERTA NOR
PUERTAS NAND
INVERSOR
PUERTA XOR (operador ⊕)
9.2. Implementación de una puerta básica.
Transistor BIPOLAR.
EJEMPLO:
CORTE:
LINEAL:
LINEAL:
SATURACIÓN:
Vcc = 12V
VB = 0V
VB = 3V
VB = 5V
VB = 8V
β = 100
I B = 0mA
I B = 0,06mA
I B = 0,11mA
I B = 0,187mA
RB = 39 K
I C = 0mA
I C = 6mA
I C = 11mA
I C = 11,7 mA
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Rc = 1K
Vc = 12V
Vc = 6V
Vc = 1V
Vc = 0,3V
β
β
β
β
= 100
= 100
= 100
< 100
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Construcción de una PUERTA NAND con transistores
Si A=0 ó B=0 ó ambas son 0 entonces
T1 saturado, T2 cortado, T3 saturado, T4 cortado, Vs alta
Si A=1 y B=1 entonces
T1 cortado, T2 saturado, T3 cortado, T4 saturado, Vs baja
9.3. Niveles lógicos.
VIHmin: nivel mínimo de tensión de entrada para que se identifique como nivel alto. 2,0 V
VILmax: nivel máximo de tensión de entrada para que se identifique como nivel bajo. 0,8 V
VOHmin: nivel mínimo de tensión de salida que proporciona un circuito al ponerse nivel alto. 2,4 V
VOLmax: nivel máximo de tensión salida que proporciona un circuito al ponerse nivel bajo. 0,4 V
┌───────────────┐
│
│
│
1 lógico
│
│
│
VOHmin├───────────────┤
│
│
│
│
│ Incertidumbre │
│
│
│
│
VOLmax├───────────────┤
│
│
│
0 lógico
│
└───────────────┘
┌────────────────┐
│
│
│
1 lógico
│
│
│
│
│
├────────────────┤ VIHmin
│
│
│ Incertidumbre │
│
│
├────────────────┤ VILmax
│
│
│
│
│
0 lógico
│
└────────────────┘
IIH: corriente que circula por la entrada cuando está a nivel alto. < 40 µA
IIL: corriente que circula por la entrada cuando está a nivel bajo. <1,6 mA
IOH: corriente que circula por la salida cuando está a nivel alto. < 0,8 mA
IOL: corriente que circula por la salida cuando está a nivel bajo. < 16 mA
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9.4. Características de los Circuitos Integrados.
a. Inmunidad al ruido.
Es el margen de ruido (medido como tensión eléctrica) que se puede dar sin que se cambie el valor
binario. Se define el margen de ruido para nivel alto como
VNH = VOHmin – VIHmin
0,4 V
y el margen de ruido para nivel bajo de forma similar
VNL = VILmax - VOLmax
0,4 V
b. Fan-out.
Se define el factor de carga a la salida de una puerta (fan-out) como el número máximo de entradas
lógicas que pueden conectarse a la salida de un circuito para que funcione correctamente.
Si este número es superado, no es seguro que los niveles de salida de tensión estén en los márgenes
adecuados.
H: 0,8/0,04 = 20
L: 16/1,6 = 10
c. Retardos de propagación.
Las señales aplicadas a la entrada de una puerta no producen una respuesta inmediata en su salida,
sino que tarda un poco tiempo en producirse la respuesta.
Este tiempo aparece por la necesidad de cargar y descargar capacidades asociadas al circuito.
Se definen tres tiempos de retardo:
a) tpLH: tiempo de propagación en el cambio a la salida cuando se produce una transición bajo-alto.
b) tpHL: tiempo de propagación en el cambio a la salida cuando se produce una transición alto-bajo.
c) tp: el valor medio de los anteriores.
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d. Potencia.
Los circuitos electrónicos necesitan alimentarse con energía eléctrica para funcionar.
La potencia consumida por el circuito o consumo se especifica en términos de la corriente Icc que
proporciona la alimentación Vcc. Se define la potencia como el producto de la tensión de alimentación por la
corriente consumida.
Pc = Vcc Icc
5 v x (11+20)/2 mA = 77 mW para 4 puertas, 19 mW por puerta
El consumo no es del mismo dependiendo de cómo sean las salidas. En tal caso de define la potencia
como la media entre el caso de que todas las salidas estén a nivel alto y el caso en que todas las salidas estén
a nivel bajo.
Existe una relación directa entre la potencia y la velocidad de funcionamiento. A mayor consumo,
mayor velocidad. En algunas ocasiones habrá que optar por una solución de compromiso, puesto que ni la
potencia alta ni la velocidad lentas interesan.
e. Curva de transferencia.
f. Temperatura de trabajo.
Especifica las temperaturas máxima y mínima de funcionamiento y de almacenamiento. Los valores
son distintos según las aplicaciones:
Uso comercial
Uso militar
0ºC
-55ºC
70º C
125ºC
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9.5. Familias lógicas.
Se llaman familias lógicas a las configuraciones genéricas de circuitos para implementar las unidades
elementales lógicas.
Los elementos de una misma familia lógica son compatibles, es decir, utilizan los mismos niveles de
tensión y corriente para representar los niveles lógicos.
Pueden existir incompatibilidades entre distintas familias; en este caso serían necesarios adaptadores
para acondicionar los niveles de tensión de unas y otras.
Las familias lógicas principales son:
1) Bipolares.
2) Unipolares (MOS).
Dentro de la familia bipolar, están la RTL (Resistor Transistor Logic), DTL (Diode Transistor Logic),
ambas OBSOLETAS, TTL (Transistor Transistor Logic), la ECL (Emiter Coupled Logic) y la IIL (Integrated
Injection Logic). Tiene mayor velocidad y mayor consumo que las restantes familias. La familia ECL tiene mayor
consumo que la TTL, pero es más rápida. La IIL es la que más se acerca a la familia ideal, pero es la más
compleja. Es la de mayor escala de integración.
La familia unipolar tiene mayor densidad de integración que la bipolar y menor consumo, aunque menor
velocidad. Es más adecuada para alta y muy alta escala de integración. Dentro de esta familia se encuentra la
NMOS, PMOS y CMOS.
PMOS. Obsoleta. Con transistores de canal p.
NMOS. Más rápida que PMOS. Transistores de canal n.
CMOS. Complementario. Muy bajo consumo.. Vcc= 3 a 15 V.
HCMOS. Versión mejorada de la CMOS.
HMOS. MOS avanzada. Muy alta escala de integración. Un millón de transistores en un chip.
9.5.1. Circuitos TTL: dispositivos 7400.
En 1964 Texas Instruments introduce la lógica transistor-transistor (TTL), que es una familia de
dispositivos digitales ampliamente utilizada. Se caracteriza por ser:
1) Rápida.
2) Poco costosa.
3) Fácil de usar.
Se estudiarán los siguiente tipos de TTL.
a) Normalizado o estándar.
b) Alta velocidad.
c) Baja potencia.
d) Schottky.
e) Schottky de baja potencia.
f) Schottky avanzado
g) Schottky avanzado baja potencia
h) Rápida (TTL Fast)
Retardo (ns)
7408
10
74H08
6
74L08
33
74S08
3
74LS08
6 a 10
74AS08
1,5
74ALS08
4
74F08
2,5
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Potencia (mW)
10
22
1
22
2
20
1
4
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La familia 7400 es un conjunto de circuitos integrados digitales que comienzan con 74XX y se ha
convertido en la más utilizada en circuitos integrados bipolares. Está constituída por transistores bipolares y
resistencias.
La alimentación es de 5 V. El fan-out de la lógica TTL es 10. Como la corriente que circula por una
salida a nivel bajo es de 1,6 mA, esto quiere decir que la máxima corriente que puede absorbe el colector de
una puerta es de 16 mA.
Como se puede ver esta familia tiene compatibilidad, es decir, se pueden colocar unos detrás de otros
porque los niveles de tensión son:
VIHmin = 2,0 V
VOHmin = 2,4 V
VILmax = 0,8 V
VOLmax = 0,4 V
en la mayor parte de los casos, y si no son estos valores, son muy parecidos.
9.5.2. Circuitos CMOS.
1) Muy bajo consumo.
2) Amplio margen de tensión de alimentación.
3) Alta inmunidad al ruido.
Serie 74C00.
National Semiconductor Corporation fue la primera que introdujo la serie 74C00, que es una familia que
es compatible pin a pin con dispositivos TTL de números de serie similares.
Serie 74HC00.
El principal inconveniente de los CMOS es que son algo lentos, lo que limita su máxima frecuencia de
trabajo. Los 74HC00 son totalmente compatibles con TTL y son más rápidos.
Serie 4000B. Tiene muchas funciones que no ofrece la serie 74C00, pero no es compatible con los
dispositivos TTL.
Los circuitos CMOS (Complementary MOS) están compuestos por MOS de canal n y canal p. Tienen
menor consumo que los circuitos TTL, ya que en reposo, es decir, cuando no hay cambios de niveles lógicos,
su consumo es prácticamente nulo (5 nW).
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Inversor CMOS
Los circuitos CMOS tienen mayor inmunidad al ruido que los TTL; sin embargo son más lentos.
El fan-out es 50, y son compatibles con los circuitos TTL.
Los dispositivos 74CXX están garantizados para trabajar fiablemente en un margen de temperaturas
de -40 hasta +85 ºC, y en un margen de tensiones de alimentación de 3 a 15 Voltios.
Quedan mejor definidos los estados de salida alto y bajo, que en la lógica TTL, debido a que apenas
hay caída de tensión de las cargas CMOS, por no circular corriente, con lo que las tensiones alta y baja son
prácticamente la alimentación y la masa, respectivamente.
La potencia en reposo es extremadamente baja (10 nW). La potencia en las transiciones, llamada
potencia activa, aumenta, ya que en cortos intervalos de tiempo se produce circulación de corriente. Si los
cambios de estados se produce muy frecuentemente, el consumo aumenta. De hecho, el consumo de la
potencia activa aumenta con la frecuencia. Los dispositivos CMOS son compatibles con ellos mismos y con
TTL.
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