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TEMA 6
TECNOLOGÍA DE CIRCUITOS
INTEGRADOS. FAMILIAS LÓGICAS
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NIVELES LÓGICOS
• Márgenes de tensión asignados a los valores
lógicos representados por los símbolos 0 y 1.
VL: Tensión asignada al 0 lógico
VH: Tensión asignada al 1 lógico
Lógica positiva: VH > VL
Lógica negativa: VH < VL
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PUERTAS TRIESTADO
Además de los niveles lógicos convencionales poseen un tercer
estado, llamado de alta impedancia en el que se "desconecta" la
salida del resto del circuito (Z).
E'
X
Y
L
L
H
H
L
H
L
H
H
L
Z
Z
E´ : entrada de control para activar el
estado de alta impedancia
Al desconectar eléctricamente la salidas de la puerta del resto del circuito, se
posibilita la unión de varias salidas a una misma línea, siempre que sólo una
de ellas esté habilitada y el resto “flotantes”. Permiten efectuar transferencia
de datos compartiendo las mismas líneas, TRANSFERENCIA POR BUS.
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CARACTERÍSTICAS DE LOS CIRCUITOS
INTEGRADOS
Las características que se evaluarán hacen referencia al
comportamiento en sus terminales hacia afuera:
- Característica de transferencia.
- Característica de entrada-salida.
- Retardo de propagación.
- Comportamiento frente al ruido.
- Consumo (disipación de potencia).
- Producto consumo x tiempo de propagación.
- Flexibilidad lógica.
Esta información se recoge en las hojas de características (datasheets)
que proporciona el fabricante
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Puesto que el nivel de tensión de salida de una puerta puede presentar
•VOHmín:
mínima
tensión
garantizada
anivel
laentrada
salida
de
una
VILmáx:
VIHmín:
mínima
representa
máxima
tensión
la máxima
posible
garantizada
para
elade
la
salida
Haamás
de
la
posible
entrada
una
LosVOLmáx:
límites de
los
de
tensión
asignados
los
niveles
lógicos
fluctuaciones,
se
hamárgenes
detensión
garantizar
entensión
las condiciones
desfavorables,
puerta
el
H,
para
una
corriente
determinada
y un
definen
las
áreas
de
funcionamiento
lacomo
región
de
transición
para
de
una
el en
en
puerta,
nivel
el nivel
nivel
L,
es
es
L,
elsalida
límite
límite
para
una
superior
inferior
corriente
de layde
región
salida
de
especificada.
transición
transición.
quepuerta
un
nivel
lógico
deel
sea
interpretado
tal
por
cualquier
valor mínimo de la tensión de alimentación.
entrada. Para ello se asigna a cada nivel lógico un margen de tensiones.
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CONDICIÓN DE COMPATIBILIDAD LÓGICA
Vsalida
VOHmín
Ventrada
VOHmín ≥ VIHmín
VIHmín
VILmáx
VOLmáx
VOL máx ≤ VILmáx
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CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA-SALIDA
•
PARA ASEGURAR UN CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE UNA
PUERTA LÓGICA ES CONVENIENTE DISPONER DE SU
CARACTERÍSTICA V-I, TANTO DE ENTRADA COMO DE
SALIDA; SOBRE TODO SI SE HAN DE COMBINAR CIRCUITOS
IMPLEMENTADOS CON TECNOLOGÍAS DIFERENTES.
Es necesario conocer IIL, IIH, IOL e IOH, corrientes asociadas a
los niveles L y H de las entradas y salidas respectivamente.
Condición de compatibilidad:
IOLmáx (IOHmáx) ≥ Σ IILmáx (IIHmáx)
Convenio: se considerarán las corrientes de entrada al
circuito como positivas, y negativas en el caso contrario.
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•Factor de carga o «fan-out» de una salida: es el máximo
número de entradas de puertas que se le pueden
conectar, permaneciendo los niveles lógicos en los
márgenes garantizados.
•«Fan-in» de una entrada: es la carga que supone para
una determinada salida, la entrada de otro circuito.
•Unidad de carga: se define como la máxima corriente
(en valor absoluto) que puede circular por la entrada de
una puerta, sin que se deterioren los niveles lógicos. Es
la referencia para calcular el fan-in y el fan-out.
El fan-in de una puerta lógica es 1 unidad de carga.
8
Puerta OR de fan-out =5 ,
con el máximo de carga
Uso de un BUFFER
(amplificador) para aumentar el
número de entradas que
pueden conectarse a una
excitación que no proporciona
suficiente corriente
9
En la práctica, para la misma tecnología, interesa que
todas las entradas de los CI, por complejos que sean,
tengan el mismo consumo de corriente que una puerta
lógica, con el fin de facilitar la conexión de circuitos
distintos.
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Relación entre la carga de una puerta lógica y el
comportamiento de ésta a su salida
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RETARDO DE PROPAGACIÓN
Es el tiempo requerido para que un cambio de nivel en la
entrada de una puerta lógica se refleje en la salida de la
misma. Nos da información de la frecuencia máxima de
funcionamiento.
tpd =(tpHL+tpLH)/2
tpHL : tiempo de propagación del nivel H al L (medido entre los
puntos medios de los flancos activos de las señales de entrada
y salida.
tpLH : tiempo de propagación del nivel L al H (medido entre los
puntos medios de los flancos activos de las señales de entrada
y salida.
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Tiempo de transición: tiempo necesario para
que una señal cambie de nivel lógico.
tr (tiempo de subida) : se mide desde el 10% al 90% del flanco
de subida.
tf (tiempo de bajada) : se mide desde el 10% al 90% del flanco de
bajada.
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COMPORTAMIENTO FRENTE AL RUIDO
RUIDO : variaciones transitorias indeseadas, de tensión o
corriente, que pueden ocasionar un cambio en los niveles
lógicos de cualquier punto de un circuito.
-Ruido en continua (ruido DC): formado por impulsos de
larga duración en comparación con la de las señales del
circuito, a las que se añade deteriorando en ocasiones los
niveles lógicos.
- Ruido en alterna (ruido AC): la perturbación es de
duración menor, y su influencia dependerá de la amplitud
de la señal de ruido.
Para evaluar el grado de inmunidad al ruido que posee una
determinada tecnología se definen unos márgenes.
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- Margen de ruido en continua: máxima fluctuación, en el
caso mas desfavorable, admisible en una tensión de salida de
modo que no supere los límites establecidos para el mismo
nivel lógico en una entrada.
Para el nivel H: MRH = VOHmín - VIHmín
Para en nivel L: MRL = VILmáx - VOLmáx
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• Margen de ruido en alterna: a medida que disminuye
su anchura, deberán tener mayor amplitud para que
influyan en los niveles lógicos.
• Los sistemas digitales anulan el efecto de una
fuente de ruido, si ésta no llega a cambiar el
nivel lógico de entrada de una puerta.
• Si se altera el nivel lógico en algún punto, el
error se propagaría por todo el circuito,
provocando un funcionamiento incorrecto.
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CONSUMO (DISIPACIÓN DE POTENCIA)
Se tenderá a minimizar en lo posible este parámetro.
-Ventajas de tipo funcional : fuentes menos costosas, mayor autonomía,
menor coste en refrigeración.
-Cuanto más reducido sea el consumo por puerta, más puertas se podrán
integrar en un mismo circuito manteniendo constante la capacidad de
disipación de calor del mismo.
PRODUCTO CONSUMO x TIEMPO DE PROPAGACIÓN
Cuando uno de ellos aumenta el otro disminuye y viceversa.
-Parámetro de mérito que resume las características mas relevantes de
una determinada tecnología.
-Interesan valores tan pequeños como sea posible. Se mide en pJ
FLEXIBILIDAD LÓGICA
Medida de la capacidad o versatilidad de una tecnología.
-Factores : cableado lógico, capacidad de excitación, variedad en las
salidas, compatibilidad con otras tecnologías, variedad en bloques
funcionales, etc.
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LA PUERTA LOGICA IDEAL
-Alimentación única.
-Consumo mínimo. Idealmente cero.
-Impedancia de entrada muy alta.
-Impedancia de salida muy baja.
-Velocidad de operación máxima.
-Característica de transferencia:
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FAMILIAS LÓGICAS
TECNOLOGÍA : diferentes procedimientos y soluciones
utilizados para implementar los distintos circuitos digitales,
construidos mediante puertas lógicas.
FAMILIAS LÓGICAS : configuraciones genéricas de circuitos
(basadas en transistores) para la implementación de las puertas
lógicas.
Los elementos de una misma familia lógica, comparten una
estructura de circuitos común que les hace compatibles
eléctricamente, por lo que utilizan los mismos niveles de tensión
o corriente para representar los niveles lógicos, se pueden
conectar las salidas y las entradas de los distintos miembros de
la familia, tienen el mismo fan-out, etc.
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FAMILIAS LÓGICAS
SUBFAMILIAS : evolución de las familias lógicas
(mantienen compatibilidad con ellas), potenciando
algunas características particulares: mayor velocidad,
menor consumo, etc.
CIRCUITOS ADAPTADORES : se encargan de
acondicionar los niveles lógicos y las corrientes entre
las entradas y las salidas, para acoplar diferentes
elementos de familias distintas entre las que exista
incompatibilidad.
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FAMILIAS LÓGICAS
Las FAMILIAS BIPOLARES se distinguen por su mayor
velocidad y también su mayor consumo :TTL , ECL , I2l
Las FAMILIAS UNIPOLARES tienen mayor densidad de
integración que las bipolares, consumen del orden de 100 veces
menos potencia, pero son sustancialmente más lentas : NMOS ,
PMOS , CMOS
La tecnología BiCMOS combina en un mismo CI elementos
bipolares y CMOS, tiene un bajo consumo, alta velocidad, gran
capacidad de excitación e inmunidad al ruido superior a las de
las familias CMOS.
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FAMILIAS LÓGICAS
Las tecnologías de fabricación están en continua evolución, lo
que posibilita la aparición de nuevas familias lógicas que
intentan unir, para condiciones límites, las características más
sobresalientes : tamaño, velocidad, consumo, etc.
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CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS POR SU NIVEL DE INTEGRACIÓN
Nivel de integración
Nº transistores
Nº de puertas
Fecha aprox.
Función
Pequeña escala de
integración (SSI)
10 a 100
1 a 10
1960
puertas
lógicas y
biestables
sumadores,
registros,
contadores,
etc.
Mediana escala de
integración (MSI)
100 a 1.000
10 a 100
1965
Gran escala de
integración (LSI)
1.000 a 10.000
100 a 1000
1970
Muy gran escala de
integración (VLSI)
10.000 a
100.000
Ultra gran escala de
integración (ULSI)
100.000 a
1.000.000
10.000 a 100.000
Giga gran escala de
integración (GLSI)
>1.000.000
>100.000
1.000 a 10.000
1978
1985
Microprocesadores,
memorias,
periféricos,
etc.
1995
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EVOLUCIÓN DE LA MICROELECTRÓNICA
Evolución de la capacidad de integración
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EVOLUCIÓN DE LA MICROELECTRÓNICA
Evolución del área de silicio y tamaño de puerta
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EVOLUCIÓN DE LA MICROELECTRÓNICA
Evolución del tiempo de propagación y coste por puerta
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ANÁLISIS DE LAS HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DEL UN C.I. TTL 7408
Márgenes
de ruido:
Fan-out:
Consumo:
MRH=VOHmín-VIHmín=
2,4 – 2 = 0,4 V
Para
el nivel H: fan-out=|IOHmáx|/|IIHmáx|=0,8/0,04=20
P=Vcc(IccL+IccH)/2=5(11+20)/2=77,5
mW
MRL=VILmáx-VOLmáx=
0,8mW
- 0,4 = 0,4 V
Para
el nivel L: fan-out=|IOLmáx|/|IILmáx|=16/1,6=10
Ppuerta=77,5/4=19,37
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ANÁLISIS DE LAS HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DEL UN C.I. TTL 7408
Tiempo de propagación:
tpd =(tpHL+tpLH)/2=(27+19)/2=23 ns
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