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Tecnologías de los circuitos integrados 1Electrónica Digital I
Universidad
Rey Juan Carlos
Ingeniería de Telecomunicación
Electrónica Digital IElectrónica Digital I
Susana Borromeo López
Tecnologías de los circuitos integrados Tecnologías de los circuitos integrados digitales: familias lógicasdigitales: familias lógicas
Ingeniería de Telecomunicación
Tecnologías de los circuitos integrados 2Electrónica Digital I
1. Introducción2. Familias lógicas3. Características reales de las familias lógicas
3.1.Tensiones de alimentación. 3.2. Niveles lógicos.3.2. Inmunidad al ruido y margen de ruido.3.3. Respuesta temporal y retardos de propagación.3.4. Interconexiones: fan-out y fan-in.3.5. Potencia consumida y temperatura de trabajo.3.6 Tipos de salidas
4. Familia CMOS5. Familia TTL6. Compatibilidad CMOS-TTL
ContenidoContenido
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Tecnologías de los circuitos integrados 3Electrónica Digital I
Circuito integrado (CI)Aquel en que todos sus componentes e interconexiones están fabricados sobre un soporte físico semiconductor, formando un único bloque de pequeño tamaño (CHIP).
1er CI (6 transistores)1958. Kilby
1er µP (2300 trts.)1971
Obleas (desde 2000 son ∅ =30cm) y “dados”
Intel Pentium 4 (40·106 trts.)
2000
IntroducciónIntroducción
Tecnologías de los circuitos integrados 4Electrónica Digital I
Ley de MooreLa complejidad de los CI, el nº de transistores, se duplica cada 18 meses. Formulada por Gordon Moore en 1965 (Electronics Magazine)
IntroducciónIntroducción
Año Transistores
4004 1971 2.250 8008 1972 2.500 8080 1974 5.000 8086 1978 29.000
286 1982 120.000 Intel386™ processor 1985 275.000Intel486™ processor 1989 1.180.000
Intel® Pentium® processor 1993 3.100,000Intel® Pentium® II processor Intel® 1997 7.500,000Pentium® III processor 1999 24.000.000 Intel® Pentium® 4 processor 2000 42.000.000Intel® Itanium® processor 2002 220.000.000 Intel® Itanium® 2 processor 2003 410.000.000
Fuente: INTEL® (www.intel.com)
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Tecnologías de los circuitos integrados 5Electrónica Digital I
Introducción: Tipos de encapsuladosIntroducción: Tipos de encapsuladosM
onta
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uper
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Inserción
Tecnologías de los circuitos integrados 6Electrónica Digital I
Los CIs aparecerán encapsulados en dos formas:
- De inserción
- De montaje superficial SMD (Surface MountedDevice)
Introducción: Tipos de encapsuladosIntroducción: Tipos de encapsulados
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Tecnologías de los circuitos integrados 7Electrónica Digital I
Nivel de integración Nº de
transistoresNº de
puertas Fecha aproximada
SSI ( Short Scale of Integration) 10 a 100 1 a 10 1960
MSI ( Medium Scale of Integration) 100 a 1000 10 a 100 1965
LSI ( Large Scale of Integration.) 1.000 a 10.000
100 a 1000 1970
VLSI (Very Large Scale of Integration) 10.000 a 100.000
1.000 a 10.000 1978
ULSI (Ultra Large Scale of Integration.) 100.000 a 1.000.000
10.000 a 100.000
1985
Introducción: Escalas de integraciónIntroducción: Escalas de integración
74LS00: 4 puertas AND FPGA: 200k puertas
SOC: System- On- Chip
Tecnologías de los circuitos integrados 8Electrónica Digital I
Familia lógica : Conjunto de bloques estándar fabricados con la misma tecnología, de forma que presentan propiedades electrónicas similares y compatibles entre si.
Basadas en transistores bipolares:
TTL (Transistor-Transistor Logic)
Baja potencia (L)
Rápida (F)
Shottky TTL (S, LS, ALS, AS)
ECL (Emitter Coupled Logic): 10K, 100K, E-Lite
2. Familias Lógicas2. Familias Lógicas
Basadas en transistores MOS: PMOS, NMOS, CMOS
CMOS (Complementary MOS)
HC (High-Speed),
HTC (HC compatible con TTL), AHC (“advanced” HC), VHC, VHCT…
Basadas en BJT y MOS: (BiCMOS)
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Tecnologías de los circuitos integrados 9Electrónica Digital I
74 FAM 00
PREFIJO
74: comercial (0ºC a 70ºC)
54: militar (-55ºC a 125ºC)
SUFIJO:TIPO DE PUERTAO COMPONENTE
00 : NAND02 : NOR04 : NOT08 : AND32 : OR86 : XOR...138: Decod. de 3 a 8
SUBFAMILIA
SLSASALSF
HC, HCTAHC, AHCTVHC, VHCTFCT
10K100KE-lite
TTL
CMOS
ECL
NomenclaturaNomenclatura
Tecnologías de los circuitos integrados 10Electrónica Digital I
Parámetros característicos de una familia lógica
a) Niveles lógicos y tensiones de alimentación
b) Inmunidad al ruido y margen de ruido
c) Fan-out y fan-in
d) Respuesta temporal: retardos de propagación
e) Potencia consumida
f) Temperatura de trabajo
3. Características reales de las familias lógicas3. Características reales de las familias lógicas
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Tecnologías de los circuitos integrados 11Electrónica Digital I
Tensión de alimentación:Las familias bipolares suelen estar diseñadas para una tensión de
alimentación de +5V
La familia CMOS admite un rango más amplio de tensiones de alimentación por eso sus niveles lógicos suelen darse referidos a una VDDgenérica
Niveles lógicos: Es lo que una familia de dispositivos considerará como tensión mínima para asumir nivel alto (VHmin) o máxima para nivel bajo (VLmax). Se definen para la entrada y la salida independientemente:
Valores lógicos a las entradas: interpretados como un ‘0’ lógico ó un ‘1’ lógico
Valores lógicos a las salidas: tensiones que se obtiene a la salida según un valor lógico
Los niveles lógicos de entrada y salida caracterizan a una familia, y suelen ser comunes para todas las subfamilias dentro de ella.
Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicas
Tecnologías de los circuitos integrados 12Electrónica Digital I
Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicasCorrientes de entrada y salida
Corrientes de entrada (IIL, IIH): corriente que absorbe o cede la puerta cuando la entrada está a un determinado valor lógico
Corrientes de salida (IOL, IOH) : corriente capaz de suministrar la puerta garantizando unos ciertos límites en las tensiones de salida, manteniendo unos valores lógicos.
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Tecnologías de los circuitos integrados 13Electrónica Digital I
Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicasCorrientes de entrada y salidaEl dispositivo tiene una capacidad limitada de proporcionar corriente debido al estado interno de sus transistores. Se definen IOHmax e IOLmax , por debajo de las cuales los niveles lógicos están garantizados.
Los niveles lógicos de salida VOH y VOL dependen de la corriente que reciba o entregue el dispositivo: Corriente alta (entrante o saliente) por el terminal de salida rebaja la VOH y aumenta la VOL.
Las puertas deben consumir una cierta corriente de entrada para mantener el estado ALTO o BAJO: IIH e IIL.
La puerta CMOS, por su arquitectura, necesita muy poca corriente (µA)
Las puertas TTL, ECL pueden consumir una cantidad significativa (mA).
Para trabajar fiablemente habrá que analizar la carga que es controlada por una puerta:
Si es otra puerta (CMOS, TTL...) habrá que revisar sus IIH e IIL.
Si es una resistencia, LED, etc, habrá que estimar su consumo.
Tecnologías de los circuitos integrados 14Electrónica Digital I
Fan-in: Máximo número de entradas con que se puede cargar una puerta.
Fan-out: Máximo número de puertas lógicas que puede excitar la puerta bajo consideración
Respuesta temporal: tiempos de subida y bajada, y retardos de propagación:
El paso de nivel bajo a alto (o viceversa) a la salida de una puerta nunca es instantáneo.
La salida de una puerta no responde de forma instantánea a la entrada.Retardo de propagación: tiempo que tarda en cambiar la salida de
una puerta desde que cambian sus entradas (normalmente se mide entre el 50% del valor de las señales de entrada y salida)
Retardo de conmutación: tiempo que tarda una señal en pasar desde el 10% al 90% de su valor final bajo unas ciertas condiciones de carga. (tr, tf)
Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicas
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Tecnologías de los circuitos integrados 15Electrónica Digital I
tpHL tpLH
t
t
Vin
Vout
50%
50%
tr
10%
90%
tf
tf tiempo de caídatr tiempo de subidatp tiempo de propagación
Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicas
Tecnologías de los circuitos integrados 16Electrónica Digital I
Consumo: depende de dos aspectos:
Consumo estático: Mide el consumo del circuito cuando no hay cambio en sus señales
Consumo dinámico: Debido fundamentalmente a la carga y descarga de las capacidades del circuito y depende de la frecuencia
Características reales de las familias lógicasCaracterísticas reales de las familias lógicas
Efecto de la temperatura:Los efectos de temperatura son importantes en semiconductores, en particular, donde exista una unión pn.
A veces los fabricantes especifican tres rangos de calidad:Militar: -55ºC a 125ºCIndustrial: -40ºC a 85ºCComercial: 0ºC a 70ºC
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Tecnologías de los circuitos integrados 17Electrónica Digital I
Entradas/Salidas especialesEntradas/Salidas especialesa) Entradas con resistencias pull-up o pull-down
b) Entrada tipo Schimitt-Trigger
c) Salidas a drenador abierto (CMOS) o colector abierto (TTL)
d) Salidas triestado
Una entrada adicional de habilitación (“enable”).Tres posibles valores de salida: H, L, y Z (alta impedancia)Objetivo: permitir múltiples conexiones a una misma línea (buses, etc)
Tecnologías de los circuitos integrados 18Electrónica Digital I
Un transistor del tipo que sea, puede adoptar DOS funciones generales:
Fuente de corriente controlada por corriente o tensión (amplificación, Electrónica Analógica). El transistor trabaja en zona activa.
Interruptor controlado por tensión: idóneo para Electrónica Digital. Eltransistor trabaja en zona de corte (circuito abierto), o zona óhmica (FETs) o saturación (BJTs) (cortocicuito).
4. Familia CMOS4. Familia CMOS
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Tecnologías de los circuitos integrados 19Electrónica Digital I
Familia CMOSFamilia CMOSTipos de transistores MOS:
Transistor de canal p:
Transistor de canal n:
Tecnologías de los circuitos integrados 20Electrónica Digital I
Respuesta excelente a ambos niveles, y buena capacidad de entregar corriente (RON son bajas)
Siempre uno de los dos transistores está en corte (no hay consumo de corriente, ni potencia en continua)
Inversor en tecnología CMOS:
Familia CMOSFamilia CMOS
LoffonH
HonoffL
VoutQ1Q2Vin Vin
Vout
I
Vin, Vout
1111
Tecnologías de los circuitos integrados 21Electrónica Digital I
Familia CMOSFamilia CMOSNAND en tecnología CMOS
Tecnologías de los circuitos integrados 22Electrónica Digital I
A
LLLLHHHH
A
B
C
Z
B
LLHHLLHH
C
LHLHLHLH
Q1
offoffoffoffonononon
Q3
offoffononoffoffonon
Q5
offonoffonoffonoffon
Q6
onoffonoffonoffonoff
Q4
ononoffoffononoffoff
Q2
ononononoffoffoffoff
Z
HHHHHHHL
VDD
B
C
Z
Q3
A Q1
Q5
Q2 Q4 Q6
(a) (b)
(c)
Copyright © 2000 by Prentice Hall, Inc.Digital Design Principles and Practices, 3/e
Familia CMOSFamilia CMOSNAND de 3 entradas en tecnología CMOS
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Tecnologías de los circuitos integrados 23Electrónica Digital I
A
LLHH
B
LHLH
Q1
offoffonon
Q2
ononoffoff
Q3
offonoffon
Q4
onoffonoff
Z
HLLL
A
BZ
VDD
A
B
Z
Q2
Q4
Q1 Q3
(a)
(b)
(c)
Copyright © 2000 by Prentice Hall, Inc.Digital Design Principles and Practices, 3/e
Familia CMOSFamilia CMOSNOR en tecnología CMOS
Tecnologías de los circuitos integrados 24Electrónica Digital I
Familia CMOSFamilia CMOSParámetros característicos de las familias CMOS
a) Tensión de alimentación.
Típicamente 3÷15V
Serie 74HC: 2÷6V
b) Niveles lógicos
VIL = 0 ÷1/3VDD
VIH = 2/3VDD ÷ VDD
VOL = 0 V
VOH = VDD
Inmunidad: 1/3 VDD
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Tecnologías de los circuitos integrados 25Electrónica Digital I
Familia CMOSFamilia CMOSParámetros característicos de las familias CMOS
c) Corrientes de entrada y salida
Corrientes de entrada: II= 10pA (serie 4000) hasta 100nA (74HC)
Corrientes de salida: IO= 0,1mA (serie 4000) hasta 9mA (serie 74HC)
d) Fan-out: típicamente muy alto, pero limitado en la práctica por la capacidad de la puerta. De 8 a 50.
e) Consumos
Estático: debido a la corriente de fugas (IQ) y a las cargas (IL). BAJO
Dinámico: debido a la carga y descarga de los condensadores parásitos y a la corriente por los canales en las conmutaciones
Consumo de corriente: se demandan grandes picos, lo que genera caídas de tensión y ruidos, exigiendo la colocación de condensadores de desacoplo.
Tecnologías de los circuitos integrados 26Electrónica Digital I
Manipulación de integrados CMOS:Debido a que las entradas CMOS son de muy alta impedancia y presentan efectos capacitivos grandes, pueden acumular carga estática que produzca chispazos internos (perforación de las uniones). Antes de tocar los pines de un CMOS, tocar un objeto metálico que se supoga a masa.
Los dispositivos CMOS actuales llevan circuitos protectores contra este efecto, pero no los inmuniza por completo.
Terminales de entrada no usados en CMOS y TTLLa entradas CMOS que no se utilizan, NUNCA deben dejarse flotando o sin conectarse a ningún punto. La razón es que al ser de muy alta impedancia, cualquier corriente espuria ambiental puede llevarlas a un nivel de tensión indeseable. Esta precaución es extensible, aunque con menos riesgo, a los dispositivos TTL.
TecnologTecnologíía CMOSa CMOS
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Tecnologías de los circuitos integrados 27Electrónica Digital I
5. Familia TTL5. Familia TTL
Puerta NAND
Basado en transistores BIPOLARES
Si A=B= 5V:T1 : corteT2 : saturaciónT4 : saturación ⇒ S = 0VT3 : corte
Si A=B= 0V:T1 : saturaciónT2 : corteT4 : corte T3 : saturación ⇒ S = 5V
Tecnologías de los circuitos integrados 28Electrónica Digital I
Familia TTLFamilia TTLParámetros característicos de las familias TTL
a) Tensión de alimentación.
Típicamente 5V ±5%
b) Niveles lógicos
VIL = 0 ÷ 0,8 V
VIH = 2V ÷ 5V
VOL = 0 ÷ 0,4 V
VOH = 2V ÷ 5V
Inmunidad: 0,4V
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Tecnologías de los circuitos integrados 29Electrónica Digital I
Familia TTLFamilia TTLParámetros característicos de las familias TTL
c) Corrientes de entrada y salida
Corrientes de entrada: IIL= 1,6 mA. IIH= 10 µA
Corrientes de salida: IOL= 16 mA. IOH= 500 µA
d) Fan-out: 10
e) Consumos
Estático: ALTO y dependiente del valor lógico de la salida
Dinámico: Menor dependencia con la frecuencia que en el caso de CMOS.
f) Retardos: menos dependientes de la carga que en al caso CMOS, pero en general mayores.
tp,HL = 5ns tp, LH = 10 ns
Tecnologías de los circuitos integrados 30Electrónica Digital I
CMOS a TTL (VDD= 5V) TTL a CMOS (VDD= 5V)
CMOS a TTL (Distinta VDD) TTL a CMOS (Distinta VDD)
6. Compatibilidad TTL6. Compatibilidad TTL--CMOSCMOS
0 V0 V
(1/3)VDD0,8 V
(2/3)VDD2 V
VDD5 V
CMOSTTLNiveles de tensión E/S: VOHmin > VIHmin; VOLmax>VILmax
Corrientes limitadas (fan-out)Tensiones de alimentación