- Introducción
- Primeras
familias lógicas: C. I. con transistores
bipolares - Lógica
«interbús» - Lógica de baja
tensión - Lógica de Altas
Velocidades - Características a tener en cuenta en
una familia lógica - Estudio Especifico de las Familias
Lógicas Cmos y TTL - Conclusión
- Bibliografías
Introducción
El presente trabajo esta
hecho con la finalidad de comprender en líneas generales
el funcionamiento de las familias lógicas cmos y ttl, para
ello es bueno comprender que desde el comienzo, el proceso de
miniaturización de la electrónica, iniciado en la década
de los 50 con la utilización del transistor,
continuó con un segundo salto cualitativo en la
década siguiente (años 60) mediante la integración de sub circuitos
completos en un mismo substrato de silicio ( chip): sub circuitos
correspondientes a módulos digitales tales como puertas
booleanas, biestables o bloques combinacionales o
secuenciales.
Los circuitos digitales son sumamente apropiados para su
inserción en circuitos
integrados: de un lado, la ausencia de autoinducciones y el
poder
prescindir, asimismo, de condensadores
reduce los elementos a integrar a transistores y
resistencias y
a las conexiones de estos entre sí; de otro, la propia
modularidad de los sistemas
digitales precisa de un número reducido de tipos de
puertas lógicas, e incluso, basta con un solo tipo de
ellas (puertas Nand o Nor).
Por ello, los circuitos integrados invadieron muy pronto
el campo digital; en unos pocos años resultó
anacrónico y antieconómico construir las puertas
booleanas (lógicas) con componentes discretos, una vez que
se disponía de una gran variedad de puertas lógicas
y de una amplia serie de funciones de gran
complejidad construidas dentro de un circuito
integrado.
En el presente trabajo se desarrolla una breve
explicación referencial, en cuanto a la evolución histórica de las familias
lógicas, así como también su esquema
general-diagramas,
características, cuadros comparativos que nos reflejen las
diferentes desventajas y ventajas de cada tipo de familia,
analizando el triestado y sus consideraciones, la potencia
disipada, la velocidad, el
"Fan In" y el "Fan Out" y finalmente su margen de ruido,
específicamente de; las familias CMOS y TTL.
En primer lugar, las puertas bipolares que condujeron a
la gran familia TTL (cuya amplia difusión consolidó
la lógica
integrada); luego las tecnologías MOS, hasta llegar a la
predominante HCMOS; la mezcla BiCMOS (bipolar-CMOS) que resulta
muy apropiada para circuitos «interbús» (en
medio de los buses); y la derivación actual hacia series
de bajo voltaje (pasando de la alimentación habitual
de 5 V a sólo 3 V).
En todo caso, para elegir y utilizar correcta y
eficazmente una familia lógica (y, dentro de ella, una
serie específica) es preciso tener en cuenta sus
características funcionales. Aún más, es
requisito previo para ello comprender el significado conceptual y
las implicaciones prácticas de tales
características y ser capaz de localizar y «hacer
una lectura
efectiva» de las mismas en los catálogos que
suministran los fabricantes de circuitos integrados.
Entre las diversas cuestiones a las que prestar atención aparece el «ruido
electromagnético» como un «compañero no
deseado» que puede perturbar el correcto funcionamiento de
un circuito digital y que requiere una actitud
vigilante y un importante esfuerzo de
«autoprotección» en el proceso de diseño
y puesta a punto del circuito. Pero, a la vez, la producción de «ruido
electromagnético» por el propio circuito obliga a un
esfuerzo complementario de reducción de la emisión
de perturbaciones para cumplir con las normativas de
compatibilidad electromagnética.
Primeras familias lógicas: C. I. con
transistores bipolares
Las primeras puertas lógicas integradas eran mera
copia directa de las puertas "o-negada" (Nor) con
componentes discretos, mediante la conexión en paralelo de
varios transistores
bipolares NPN en emisor común; tales puertas dieron
lugar a la primera familia lógica: RTL
(lógica de transistores y resistencias).
Pronto se mejoraron las características de estas
puertas integradas, en cuanto a velocidad y a consumo,
combinando una puerta "y" de diodos con un
transistor inversor en emisor común; así se
configuró la puerta "y-negada" (Nand) base
de la familia
DTL (lógica de transistores y diodos) que fue la
primera que llegó a alcanzar una difusión
apreciable.
A partir de este esquema (puerta "y" + inversor),
aprovechando en mayor profundidad las posibilidades que ofrece la
integración sobre un substrato único, se
planteó una segunda mejora en velocidad y en consumo,
añadiendo una etapa de salida amplificadora de intensidad
(dos transistores en push-pull) y substituyendo los diodos
por un transistor multi emisor.
La etapa de salida de dos transistores NPN (totem
pole: «palo de tótem») aumenta la
intensidad suministrable y disminuye la resistencia de
salida; el transistor multi emisor mejora considerablemente la
conmutación de la puerta (en una primera
aproximación, su comportamiento
puede ser analizado en términos de diodos:
La clave del funcionamiento de la puerta TTL es
el sentido en que circula la intensidad que la base del
transistor multi emisor recibe desde la resistencia de 4K: – si
dicha corriente va «hacia fuera», es decir, si alguna
de las entradas está conectada a 0, el transistor T
se encontrará en corte y el transistor T1, en colector
común, transmite un 1 a la salida;
– cuando todas las entradas se encuentran a 1
dicha intensidad circula «hacia dentro», hacia la
base del transistor T, que se satura y lleva también a
saturación al transistor T2, que pone la salida a
0. [Un 0 en una entrada supone una intensidad
«hacia fuera», de forma que una entrada TTL «al
aire»
equivale a un 1, salvo efectos de
ruido.]
La puertas TTL se alimentan a 5 V; su
tensión de conmutación se sitúa en el
entorno de 1,2 V, de manera que un 0 en la entrada ha de
ser menor de 1 V (ViLmáx = 1 V) y, en cambio, una
tensión superior a 1,5 V es entendida como un 1
(ViHmín = 1,5 V); la tensión de salida para el
0 es 0 V, pero la correspondiente al 1 es de
solamente 4 V. Los tiempos de propagación de la serie
TTL estándar son del orden de 10 ns. y el consumo
promedio es de unos 2 mA (10 mW).
La familia TTL proporcionó la base del
gran desarrollo que
tuvieron los sistemas
digitales durante la década de los 70; su amplia
difusión y utilización favoreció la
aparición de diversas series derivadas de la
mejora de características concretas, una de las cuales, la
serie LS ha sustituido por completo a la serie
estándar inicial y es la que se ha seguido utilizando a lo
largo de la década de los 80.
La serie 74LS (low power Schottky) mejora
en gran medida a la serie estándar en cuanto a consumo
(0,4 mA), manteniendo la velocidad de trabajo en valores
análogos e incluso, algo superiores. La disminución
del consumo se deriva del empleo de
resistencias de mayor valor, lo cual
acarrea un aumento de las constantes de tiempo
asociadas; este efecto queda compensado por la inclusión
de un diodo Schottky entre base y colector de los transistores
que impide su saturación (desvía la corriente de
base hacia el colector antes de entrar en una saturación
profunda) y, con ello, aumenta su velocidad de
conmutación.
Posteriores series «avanzadas» con el mismo
esquema circuital han aprovechado la reducción de
dimensiones de los transistores y la correspondiente
disminución de sus capacidades parásitas para
conseguir tiempos de propagación inferiores: la serie
74ALS (advanced LS) presenta tiempos por debajo de
4 ns, mientras que las series 74F (fast-TTL) y
74AS (advanced Schottky) ofrecen tiempos de
propagación del orden de 2,5 ns y 1,5 ns, respectivamente,
a costa de un mayor consumo (por utilizar resistencias de menor
valor).
Esta línea de evolución de las puertas con
transistores bipolares constituye la «edad antigua»
de los circuitos integrados digitales; actualmente, apenas se
utilizan las familias bipolares, salvo en determinadas
aplicaciones específicas, en particular, para sistemas de
muy alta velocidad.
La serie 74LS sigue siendo útil para
«recambio y mantenimiento» de los numerosos sistemas
digitales que han sido construidos con ella (o con la serie
estándar 74), la serie 74ALS se emplea en
circuitos «interbús» (aplicación que
consideraremos un poco más adelante) y la serie 74F
resulta adecuada para diseños de muy alta velocidad de
trabajo (frecuencias superiores a los 100 MHz).
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