Arquitectura del Computador: Unidad VI

Circuitos integrados digitales

Los circuitos integrados son la base fundamental del desarrollo de la electrónica en la actualidad, debido a la tendencia a facilitar y economizar las tareas del hombre.

Por esto es fundamental el manejo del concepto de circuito integrado, no sólo por aquellos que están en contacto habitual con este, sino también por las personas en general, debido a que este concepto debe de quedar inmerso dentro de los conocimientos mínimos de una persona.

Un circuito integrado es una pieza o cápsula que generalmente es de silicio o de algún otro material semiconductor, que utilizando las propiedades de los semiconductores, es capaz de hacer las funciones realizadas por la unión en un circuito, de varios elementos electrónicos, como: resistencias, condensadores, transistores, etc.

Los circuitos integrados son la base fundamental del desarrollo de la electrónica en la actualidad, debido a la tendencia a facilitar y economizar las tareas del hombre. Por esto es fundamental el manejo del concepto de circuito integrado, no sólo por aquellos que están en contacto habitual con éste, sino también por las personas en general, debido a que este concepto debe de quedar inmerso dentro de los conocimientos mínimos de una persona. Un circuito integrado es una pieza o cápsula que generalmente es de silicio o de algún otro material semiconductor, que utilizando las propiedades de los semiconductores, es capaz de hacer las funciones realizadas por la unión en un circuito, de varios elementos electrónicos, como: resistencias, condensadores, transistores, etc.

La electrónica moderna usa la técnica digital para realizar perfeccionamientos en la tecnología, muchas veces nos vemos frente a éstos sin darnos cuenta, el llamado efecto "Caja Negra". En el circuito lógico digital existe transmisión de información binaria entre sus circuitos. A primera instancia esto nos parece relativamente simple, pero los circuitos electrónicos son bastante complejos ya que su estructura está compuesta por un número muy grande de circuitos simples, donde todos deben funcionar de la manera correcta, para lograr el resultado esperado y no obtener una información errónea. La información binaria que transmiten los circuitos ya mencionados, se representan de la siguiente forma: • "0" o "1" • "Falso" o "Verdadero" • "On" y "Off" • "Abierto" o "Cerrado" • o cualquier mecanismo que represente dos estados mutuamente excluyentes.

Familias Lógicas

Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales pueden albergar puertas lógicas o circuitos lógicos más complejos.

Estos componentes están estandarizados, para que haya una compatibilidad entre fabricantes, de forma que las características más importantes sean comunes. De forma global los componentes lógicos se engloban dentro de una de las dos familias siguientes:

TTL: diseñada para una alta velocidad.

CMOS: diseñada para un bajo consumo.

Actualmente dentro de estas dos familias se han creado otras, que intentan conseguir lo mejor de ambas: un bajo consumo y una alta velocidad.

La familia lógica ECL se encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Esta familia nació como un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumo de CMOS, pero en raras ocasiones se emplea.

Tecnología CMOS

Una familia lógica MOS muy importante con un consumo extraordinariamente pequeño es la CMOS (metal-óxido-semiconductor complementaria). En un circuito CMOS se acoplan en forma de parejas transistores pMOS y nMOS de forma que se elimina la necesidad de resistencias o transistores de carga, de este modo se elimina también la pérdida de potencia asociada con cualquier resistencia eléctrica.

La principal desventaja de los CMOS es que utilizan un número mayor de transistores por puerta que otras familias lógicas, lo cual tiende a incrementar la complejidad y superficie del circuito.

La tecnología CMOS se esta utilizando satisfactoriamente para fabricar circuitos lógicos en el rango de densidad de integración de SSI a VLSI. Las funciones lógicas usuales SSI y MSI son efectuadas por la CIs CMOS de la serie 4000, original de RCA, pero en la actualidad suministrada por muchos fabricantes de semiconductores. Esta serie es análoga a la serie de CIs 7400 TTL, aunque los codigos de identificación utilizados para las correspondientes funciones lógicas no estan relacionados.

Por ejemplo: el CI CMOS 4011 es un circuito que contine 4 NAND de dos entradas, siendo, por tanto, equivalente lógicamente al CI 7400, sin embargo, las series 4000 y 7400 de CIs difieren significativamente tanto en propiedades eléctricas como en consumo de potencia, velocidad de funcionamiento y abanico de salida.

La National Semiconductor corporation fue la primera que comercializó una versión CMOS de la serie 7400, denominada 74C00, que son compatibles con los dispositivos TTL de los números de las series similares. Esta familia CMOS contiene una variedad de CI de integración en pequeña escala (SSI) e integración en mediana escala (MSI) que permite sustituir muchos diseños TTL en diseños CMOS comparables. Esto es muy útil cuando se desea construir un equipo alimentado por bateria.

Los circuitos CMOS pueden funcionar satisfactoriamente con tensiones de alimentación en el rango de 3 a 15 V; como consecuencia son bastantes insensibles a las fluctuaciones de la tensión de la fuente de alimentación.

Lógica transistor-transistor (TTL)

Las puertas TTL están caracterizadas por la utilización de dos o más etapas de circuitos de transistores para realizar la función lógica y amplificar la señal, los transistores utilizados suelen ser NPN y PNP. Son dispositivos relativamente rápidos, versátiles y muy económicos.

La familia TTL esta disponible en dos versiones: la serie 54 y la serie 74; la primera se utiliza en aplicaciones militares y la segunda en aplicaciones industriales y de propósito general.

La serie 54 tiene rango de operación de temperatura y voltaje más flexibles (desde -55ºC a 125ºC contra 0ºC a 70ºC de la serie 74).

Caracteristica circuitos integrados con lógica TTL Standard

- Alta velocidad de operación. Pueden trabajar con frecuencias que van de 18 a 20 MHz y en algunos casos hasta los 80 Mhz.

- Poseen un tiempo de conmutación (retardo de propagación), de 10 ns o menor. El retardo de propagación de un circuito digital es el tiempo que toma un cambio lógico en la entrada, para producir un cambio lógico en la salida.

- Todos los dispositivos de la serie 74 necesitan una única fuente de alimentación de 5 V. Tensiones en el intervalo de 2 a 5 V representan el 1 lógico, y niveles de tensiones bajas en el intervalo de 0 (tierra) a 0,8V representan el 0 lógico.

Nota: El máximo voltaje positivo que puede aplicarse a una entrada TTL es de +5,5V y el máximo negativo es -0,5V; al excederse estos parametros, los dispositivos TTL se destruyen.

La principal desventaja de los circuitos integrados TTL Standard, es que poseen un alto consumo de potencia, siendo usual unos 10 mw de potencia.

Existen varias subfamilias TTL que mejoran la velocidad y consumo de potencia de varias formas, estas subfamilias se mencionan a continuación:

TTL SHOTTKY (S): comprende los dispositivos designados como 74Sxx y 74Sxxx; por ejemplo 74S08 y 74S181. Consumen 1.8 veces más potencia que los dispositivos TTL Standard, pero son 4 veces más rápidos.

TTL DE BAJA POTENCIA (L): comprenden los dispositivos designados como 74L00 y 74L04. Consumen 10 veces menos potencia que los dispositivos TTL Standard correspondiente pero son 4 veces más lentos.

TTL SHOTTKY DE BAJA POTENCIA(LS): Comprende los dispositivos designados como 74LSxx y 74LSxxx, ejemplo: 74LS84 y 74LS221. Consumen 5 veces menos potencia que los dispositivos TTL Standard y son igual de rápidos. Esta es la subfamilia más utilizada entre todas las divisiones de la familia TTL.

TTL DE ALTA VELOCIDAD (H): Comprende los dispositivos designados como 74Hxx y 74Hxxx; por ejemplo: 74H05, 74H123. Consumen 2.5 veces más potencias que los dispositivos TTL Standard pero son 2 veces más rápidos.

TTL SHOTTKY AVANZADO (AS): Comprende los dispositivos designados como 74ASxx y 74ASxxx. Ejemplo: 74AS10. Proporciona los más cortos tiempos de propagación que el estado actual de la tecnología bipolar puede ofrecer y su consumo es intermedio entre TTL Standard y LS.

TTL SHOTTKY DE BAJA POTENCIA AVANZADA (ALS): Comprende los dispositivos designados como 74ALSxx y 74ALSxxx, ejemplo: 74ALS00. Consumen la mitad de la potencia requerida por los dispositivos LS equivalentes y son el doble de rápidos.

Parametros de corriente y voltaje

Vih(min)-voltaje de entrada de alto nivel: El nivel de voltaje que se requiere para un 1 lógico en una entrada. Cualquier voltaje debajo de este nivel no será aceptado como ALTO por el circuito lógico.

Vil(máx)-voltaje de entrada de bajo nivel: Nivel de voltaje que se necesita para un 0 lógico en una entrada. Cualquier voltaje que este sobre este nivel no serña aceptado como BAJO por el circuito lógico.

Voh(mín)-voltaje de salida de alto nivel: Nivel de voltaje en la salida del circuito lógico en el estado 1 lógico. El valor minimo de Voh se especifica por lo general.

Vol(máx)-voltaje de salida de bajo nivel: Nivel de voltaje en la salida de un circuito lógico en el estado 0 lógico. El valor máximo de Vol se especifica generalmente.

Iih-corriente de entrada de alto nivel: Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de alto nivel especificado a dicha entrada.

Iil-corriente de entrada de bajo nivel: Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de bajo nivel especificado a dicha entrada.

Ioh-corriente de salida de alto nivel: Corriente que fluye desde una salida en el estado 1 lógico en condiciones de carga especificadas.

Iol-corriente de salida de bajo nivel: Corriente que fluye desde una salida en el estado 0 lógico en condiciones de carga especificadas.

Capacidad de salida (Fan-out)

Por lo general, la salida de un circuito lógico debe conducir varias entradas lógicas. La capacidad (que tambien se denomina factor de carga) se define como el número máximo de entradas lógicas estándar que una salida puede impulsar con exactitud.

Por ejemplo: una compuerta lógica que se especifica con una capacidad de 10 puede impulsar 10 entradas lógicas normales. Si este número es excedido, los voltajes del nivel lógico de salida no se pueden asegurar.

Demoras en la propagación

Una señal lógica siempre experimenta una demora al recorrer un circuito. Los dos tiempos de retraso de propagación se definen como sigue:

tPLH: tiempo de retraso al pasar del estado lógico 0 al 1 lógico (de BAJO a ALTO).

tPHL: tiempo de retraso al pasar del estado 1 lógico al 0 lógico (de ALTO a BAJO).

La siguiente gráfica muestra las demoras de propagación para un inversor. Nótese que tPHL es la demora en la respuesta de la salida cuando pasa de ALTO a BAJO. Se mide entre los puntos del 50% en las transiciones de entrada y de salida. El valor tPLH es el retraso en la respuesta de la salida cuando pasa de BAJO a ALTO.

Demoras de propagación para un inversor

En términos generales, tPHL y tPLH no son el mismo valor y ambos variarán según las condiciones de carga. Los valores de los tiempos de propagación se utilizan como una medida de la velocidad relativa de los circuitos lógicos. Por ejemplo: un circuito lógico con valores de 10ns es un circuito lógico más rápido que uno con valores de 20 ns.

Requisitos de energía

Todos los IC requieren de cierta cantidad de energía eléctrica para poder funcionar. Esta energía es abastecida por uno o más voltajes de suministro de energia conectados a los terminales de energia de los circuitos. Generalmente solo hay una terminal de suministro de energía en el integrado (patilla o chip) y se marca como Vcc (para TTL) o bien Vdd (para dispositivos MOS).

Tipos de elementos digitales: