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Electrónica Digital Introducción a los C. I. Digitales CONTENIDO z Introducción z Familias y subfamilias de CI z TTL z ECL z MOSFET z Características z Otros ESCOM-IPN y comparación entre las fam. CI ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Introducción z z z z z Un circuito integrado (CI) digital es un cristal semiconductor de silicio, llamado pastilla, que contienen componentes eléctricos tales como transistores, diodos, resistencias y condensadores. El transistor surge en 1947, en los laboratorios Bell, sustituyendo a los tubos de vacío. Un transistor consiste en una capa muy fina de material tipo P entre dos secciones de material tipo N o viceversa. El material tipo N es el elemento emisor del transistor, que constituye la fuente de electrones. Se considera que en 1958 surge el primer CI, creado por Jack Kilby, trabajando para Texas Instruments. Los CI emergen como una nueva técnica electrónica de diseño, sustituyendo el uso de sólo transistores, en los equipos electrónicos complejos. El CI se encuentra dentro de un encapsulado de plástico o de cerámica, con terminales que permiten conectarlo con otros dispositivos. El encapsulado más común es el de doble línea (DIP; dual-in-line package). ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Introducción Complejidad Número de compuertas Pequeña escala de integración (SSI) Menos de 12 Mediana escala de integración (MSI) 12 a 99 Gran escala de integración (LSI) 100 a 9 999 Muy alta escala de integración (VLSI) 10 000 a 99 999 Ultra alta escala de integración (ULSI) Más de 100 000 ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Familias de CI z z z z z z z z RTL Lógica de Transistor - Resistencia DTL Lógica de Transistores - Diodo I2L Lógica de Inyección Integrada TTL Lógica de Transistor - Transistor ECL Lógica de emisor acoplado MOS Metal Oxido Semiconductor CMOS Metal Oxido Semiconductor, complementado BiCMOS Unión Bipolar – Metal Oxido Semiconductor, complementado ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Familia TTL z z z z z z z z z Texas Instruments Corporation introdujo en 1964 la primera línea de CI TTL. Las series 54 y 74. La diferencia entre estas dos series (54 y 74) es que la primera es para aplicaciones militares. Las SUBFAMILIAS. -74L y 74H (bajo consumo y alta velocidad) - 74S (Schottky) - 74LS - 74AS (Advanced) - 74ALS - 74F (FAST) ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa a) Compuerta NAND TTL. b) Equivalencia de diodos para Q1. ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Compuerta NAND TTL Salida BAJA ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Compuerta NAND TTL Salida ALTA ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Comparando las subfamilias 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F Retraso de propagación (ns) 9 3 9.5 1.7 4 3 Disipación de potencia (mW) 10 20 2 8 1.2 6 Producto velocidad-potencia (pj) 90 60 19 13.6 4.8 18 Máxima frecuencia de reloj (Mhz. 35 125 45 200 70 100 Factor de carga de la salida 10 20 20 40 20 33 VOH (mín) 2.4 2.7 2.7 2.5 2.5 2.5 VOL (máx) 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4 0.5 VIH (mín) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 VIL (máx) 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 Parametros de funcionamiento Parametros de voltaje ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa El CI 7400 ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Hoja de especificación CI 7400 ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa TTL de tres estados ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa La familia ECL z z z z z z z Los transistores nunca se saturan, así es que la velocidad de conmutación es muy alta. Y su tiempo, común, de retraso en la propagación es 1 ns. Los niveles lógicos son nominalmente -0.8 V y -1.70 V para el 1 y 0 lógicos, respectivamente. El margen de ruido, en el peor de los casos, son de aproximadamente 250 mV. (muy bajo). Un bloque lógico, por lo general, produce una salida y su complemento. El factor de carga se encuentran comúnmente alrededor de 25. La disipación típica de potencia de una compuerta básica ECL es de 25 mW. (muy grande). El flujo de corriente total en un circuito permanece relativamente constante, sin importar su estado lógico. ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Los CI con tecnología FET El transistor FET (JFET y MOSFET) Modo de operación (on/off) Alta escala de integración Gran variedad de funciones Tipos: PMOS.- Sólo usa MOSFET de enriquecimiento de canales P MOSFET NMOS.- Sólo usa MOSFET de enriquecimiento de canales N CMOS.- (MOS complementaria) Usa ambos canales z Compatibilidad: Son compatibles con terminal CMOS Equivalentemente funcionalmente Eléctricamente compatibles . z z z z z ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Transistor MOSFET ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Compuertas NMOS ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Compuertas CMOS ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Subfamilias CMOS z 4000/14000. z z 74C.Es compatible con terminales y equivalente funcionalmente con series TTL. 74HC/HCT. Una mejora a la 74C, es 10 veces más rápida. Compatible z 74AC/ACT. z UNA NUEVA FAMILIA: LOGICA BiCMOS. Pueden operar entre 3 y 15 V. Muy lentos, no guardan compatibilidad eléctrica con ninguna serie TTL. con terminales y funcionalmente con series TTL. La serie HCT también es elec. compatible. Compatible funcionalmente con TTL, pero no con terminales pues se cuidó la inmunidad al ruido. ACT es eléctricamente compatible con TTL. – Combina las mejores características de la tecnología Bipolar y CMOS. La alta velocidad y el bajo consumo de potencia, respectivamente. Estos circuitos no están disponibles en la mayor parte de funciones de SSI y MSI ya que están limitadas a funciones para interfaces con microprocesadores o VLSI. ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Comparación TTL vs CMOS ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Características TTL, ECL y CMOS 74HC /HCT 74ACACT 4000 B 74 74LS 74AS 74ALS ECL Disipación de potencia por compuerta (mw) 2.5 X 10 -3 5.0 X 10-3 1.0 X 10-3 10 2 8 1.2 25 0.17 0.08 0.1 10 2 8 1.2 25 8 4.7 50 9 9.5 1.7 4 1 Velocidad-potencia (a 100 Khz.) (Pj) 1.4 0.37 5 90 19 13.6 4.8 25 Máxima frecuencia de reloj (Mhz). 40 100 12 35 45 200 70 300 Margen de ruido para el peor de los casos (V) 0.9 0.7 1.5 0.4 0.3 0.3 0.4 0.25 Estática A 100 Khz. Retraso en la propagación (ns) ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Otras características Familia de CI Fan-out Disipación de potencia en (mw) Demora de propagación (ns) Margen de ruido (V) TTL normalizada 10 10 10 0,4 TTL SCHOTTKY 10 22 3 0,4 TTL SCHOTTKY de potencia baja 20 2 10 0,4 ECL 25 25 2 0,2 CMOS 50 0,1 25 3 ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Otros circuitos integrados ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Otros circuitos integrados ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Otros circuitos integrados ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Otros circuitos integrados ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa Otros circuitos integrados ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa ESCOM-IPN ELECTRONICA DIGITAL Dr. Julio C. Sosa