Capacitacin

Electrnica Digital

Orientado a profesores de enseanza Tcnico Profesional en el mdulo de Electrnica Digital. Claudio Morales Daz morales.claudioivan@gmail.com

Duracin: 20 horas

Objetivos generales

Profundizar en conceptos tericos y prcticos relativos al estudio de los circuitos digitales combinacionales y secuenciales: caractersticas elctricas de las compuertas, configuraciones bsicas y aplicaciones, herramientas para diseo, simulacin y anlisis de circuitos digitales. Potenciar el uso del computador como herramienta de apoyo al estudio de la electrnica digital, tanto en ambiente de simulacin como en la adquisicin y anlisis de datos experimentales. Experimentar estrategias didcticas adecuadas al estudio de la electrnica digital discreta.

Metodologa

Mediante el anlisis de documentacin tcnica y mediciones de laboratorio se profundiza en conceptos y consideraciones prcticas relativas al trabajo en electrnica digital discreta. Seguidamente se presentan distintas herramientas de software y dispositivos de fcil construccin que permiten utilizar el computador como herramienta de apoyo al estudio de la electrnica digital. Estas herramientas son utilizadas para experimentar con diversas estrategias didcticas que facilitan el estudio de los circuitos digitales combinacionales y secuenciales, al tiempo que se profundiza en conceptos tericos y prcticos por medio del diseo y anlisis de soluciones digitales sencillas para uso en comunicaciones, automatizacin y control. Finalmente se identifican potencialidades y limitaciones de las distintas estrategias didcticas aplicables al estudio de la electrnica digital.

Planificacin

ObjetivosClase 1 (4 horas) - Profundizar en conceptos y aplicaciones de las distintas ramas de la electrnica digital. - Desarrollar criterios tcnicos para trabajar con circuitos digitales a partir del estudio de las caractersticas elctricas de las compuertas lgicas.

Contenidos- Conceptos y aplicaciones de circuitos digitales: lgica combinacional, lgica secuencial y lgica programable. - Caractersticas elctricas de los circuitos integrados digitales TTL y CMOS. Interpretacin de catlogos tcnicos. - Criterios para el diseo de interfaces electrnicas de entrada/salida en circuitos digitales. - Introduccin al software de simulacin Logisim (freeware). - Tcnicas de diseo y anlisis de circuitos digitales: tablas de verdad, diagramas de tiempo, diagramas de estado.

Actividades prcticas- Pruebas elctricas sobre compuertas lgicas de familia TTL y CMOS. - Diseo y pruebas de funcionamiento de interfaces electrnicas de entrada/salida para circuitos digitales.

Consideraciones en el trabajo con circuitos digitales

Clase 2 (4 horas)

Herramientas computacionales para el estudio de los circuitos digitales

- Potenciar el uso de computador como herramienta de apoyo en el estudio de los circuitos digitales, tanto en ambiente de simulacin como en la adquisicin y anlisis de datos experimentales. - Conocer y aplicar herramientas para el diseo de circuitos lgicos combinacionales en aplicaciones de automatizacin y control.

- Simulacin de circuitos digitales por medio del software Logisim. - Desarrollo de un circuito de fcil construccin que permite utilizar el computador como analizador lgico y generador de patrones. - Diseo, simulacin, implementacin y pruebas de funcionamiento de un circuito digital combinacional para aplicaciones en automatizacin y control.

Clase 3 (4 horas)

Diseo y anlisis de circuitos digitales combinacionales

- Herramientas para el diseo de circuitos combinacionales: tablas de verdad, mapas de Karnaugh. - Tcnicas para el anlisis de circuitos combinacionales utilizando tablas de verdad y datalogger. - Anlisis de circuitos lgicos secuenciales utilizando diagramas de tiempo. - Estudio de un sistema experimental de comunicaciones serie y anlisis de funcionamiento utilizando datalogger. - Potencialidades y limitaciones de distintas estrategias de aprendizaje en electrnica digital: desarrollo de proyectos, anlisis de casos, etc. - Uso de TICs en el estudio de la electrnica digital.

Clase 4 (4 horas)

Herramientas para el anlisis de circuitos digitales secuencialesClase 5 (4 horas)

- Aplicar herramientas de anlisis de circuitos digitales en el estudio de un caso tpico: un sistema de comunicaciones serie.

- Diseo, simulacin, implementacin y pruebas de funcionamiento de un sistema experimental de comunicaciones serie.

Estrategias didcticas aplicables al estudio de la electrnica digital

- Identificar estrategias didcticas aplicables al mdulo de Electrnica Digital.

- Propuesta de estrategias didcticas tiles para el mdulo de Electrnica Digital.

Clase 1 - Consideraciones en el trabajo con circuitos digitalesObjetivos: Profundizar en conceptos y aplicaciones de las distintas ramas de la electrnica digital. Desarrollar criterios tcnicos para trabajar con circuitos digitales a partir del estudio de las caractersticas elctricas de las compuertas lgicas.

1.- El estudio de los circuitos digitalesEl estudio de la electrnica se ha dividido tradicionalmente en dos grandes reas -electrnica analgica y electrnica digital- de acuerdo a la caracterizacin matemtica del tipo de variables elctricas que manipula. Segn este criterio, el campo de la electrnica analgica se ubica en la manipulacin de seales elctricas de naturaleza continua, aquellas que pueden adoptar un nmero infinito de valores dentro de un rango posible. Puesto que la mayora de las variables fsicas son de naturaleza continua (al menos a nivel macroscpico), la electrnica analgica es y ser irreemplazable en la deteccin y manipulacin directa de variables fsicas como velocidad, temperatura y presin, las cuales usualmente pasan a ser representadas directamente por medio de niveles de tensin o corriente. La electrnica digital, por su parte, es aplicable a la manipulacin de variables elctricas de naturaleza discreta que representan informacin sobre cantidades o estados. Los niveles de tensin y corriente en electrnica digital no representan directamente magnitudes del mundo fsico, sino que representan informacin sobre stas magnitudes en forma de nmeros binarios que pueden ser almacenados y procesados mediante operaciones aritmticas y lgicas. Esta caracterstica de la electrnica digital hace que su estudio sea algo complejo, pues requiere desarrollar en los estudiantes altos niveles de abstraccin. Para abordar el estudio de la electrnica digital se comienza habitualmente por conocer el sistema de los nmeros binarios y las operaciones aritmticas y lgicas definidas para este sistema numrico. Con esto se introduce el concepto de operadores lgicos y los dispositivos electrnicos capaces de realizar estas operaciones -las compuertas lgicas- con las cuales se desarrolla la rama de los circuitos digitales combinacionales, ampliamente utilizados en soluciones electrnicas para automatizacin y control. El estudio de la electrnica digital contina analizando algunas configuraciones especiales de compuertas lgicas que constituyen un tipo especial de dispositivos denominados flip-flop o biestables, los cuales tienen la caracterstica de contar con memoria. Con estos dispositivos es posible construir los denominados circuitos secuenciales, de amplia aplicacin en las comunicaciones y en general en sistemas que pueden ser modelados mediante variables de estado. Las compuertas lgicas que constituyen los circuitos combinacionales y los flip-flops utilizados en los circuitos secuenciales constituyen la base de la electrnica digital y son, de hecho, la base para el estudio

de los sistemas digitales. La evolucin de estos dispositivos y circuitos ser la que desemboque en el desarrollo de una tercera rama de la electrnica digital, los circuitos programables, que pueden ser utilizados para mltiples tareas de procesamiento aritmtico, lgico y de orden, posibilitando su utilizacin en prcticamente cualquier tipo de aplicacin y cuyo estudio ya no se centra tanto en los circuitos sino en tcnicas de programacin. Como vemos, el estudio tradicional de la electrnica digital utiliza el correcto mtodo de ir de lo general a lo particular (del lgebra de Boole a las compuertas lgicas) y de all nuevamente a lo general (los circuitos y sistemas), al tiempo que aborda los contenidos desde lo simple a lo complejo. Pero la gran cantidad de conceptos que deben abordarse en un breve perodo de tiempo mantiene constantemente la tendencia a una formacin basada en la memorizacin, lo cual se contradice con la necesidad de desarrollar elevados niveles de abstraccin para comprender cmo estos sistemas (en esencia numricos) pueden finalmente manipular magnitudes fsicas cualquiera (de naturaleza analgica). La enseanza tradicional de los sistemas digitales se centra en reproducir los circuitos bsicos sin llegar en general, al nivel de adaptacin y diseo, no obstante el diseo de soluciones digitales para problemas de automatizacin y control resulta en general mucho ms simple que el diseo de sistemas analgicos al no involucrar grandes frmulas matemticas. El mismo concepto de sistema es ms fcilmente abordable en electrnica digital que en la electrnica analgica. Estas caractersticas presentan la posibilidad de desarrollar en los estudiantes numerosas habilidades mentales de orden superior. Considerando adems que la tendencia actual en educacin es desarrollar habilidades en los estudiantes ms que ensear contenidos (a los cules tienen acceso a travs de mltiples vas de informacin), todas las reflexiones anteriores derivan en la necesidad de desarrollar nuevas estrategias didcticas para abordar la enseanza de los circuitos digitales. Este es precisamente el objetivo de este curso. Se presentarn diversas propuestas para la enseanza de los dispositivos, circuitos y sistemas digitales, desarrolladas bajo dos ejes orientadores: 1) considerar que la electrnica digital es parte integrante de los sistemas electrnicos en general, y que por tanto su estudio terico debe complementarse con conceptos elctricos y en el contexto de interaccin con los sistemas analgicos y 2) aprovechar las facilidades que da el estudio de los sistemas digitales para desarrollar el concepto de sistema y el diseo de soluciones electrnicas para automatizacin y control.

2.- Caractersticas elctricas de circuitos integrados digitales TTL y CMOSSi bien el estudio de los sistemas digitales debe comenzar necesariamente por el anlisis funcional de las compuertas lgicas, no debe nunca perderse de vista que stas son a su vez circuitos electrnicos construidos con componentes discretos (diodos, transistores, resistencias, etc.). Incluir el estudio de las caractersticas elctricas de las compuertas lgicas permite: Profundizar conceptos de electrnica analgica como el funcionamiento de diodos y transistores. Profundizar conceptos de anlisis de circuitos con transistores, particularmente el funcionamiento del transistor trabajando en corte y saturacin. Ejercitar el uso de instrumentos electrnicos (multitester , osciloscopio) y la interpretacin de magnitudes elctricas. Comprender las caractersticas de las compuertas lgicas y la necesidad de interfaces de acoplamiento con circuitos de electrnica analgica.

A continuacin se introducen los principales parmetros elctricos asociados a las compuertas lgicas, centrando su estudio en el anlisis comparativo entre las compuertas de las familias TTL y CMOS a partir de las caractersticas constructivas de cada una.

Familia lgica TTL: caractersticas constructivas La familia de compuertas lgicas TTL (Transistor Transistor Logic) se construye mediante tecnologa de transistores bipolares. Trabaja a tensin nominal de 5V, tiene gran extensin en el mbito de los circuitos integrados digitales y es habitualmente la primera con la que el estudiante tiene contacto. En la figura se muestra un circuito TTL estndar para un inversor. Q1 es el transistor de acoplamiento de entrada y D1 es el diodo de fijacin de nivel de entrada (diodo clamp). El transistor Q2 es el divisor de fase y la combinacin Q3 y Q4 forma el circuito de salida, a menudo denominado como disposicin totem-pole.

Compuerta NOT con salida Totem-Pole construida con tecnologa TTL estndar

La puerta NAND TTL es equivalente al inversor, con la excepcin de que el transistor Q1 se convierte en un transistor con dos emisores (transistor multiemisor) La mayora de las pastillas de la familia TTL tiene salidas del tipo totem-pole, que permiten inyectar o drenar corrientes pequeas a una carga conectada a la salida (que puede ser otra compuerta lgica u otro dispositivo). Cuando se requiere manejar cargas un poco mayores, la familia TTL dispone de otro tipo de salida, denominada en colector abierto, open-collector. En la siguiente figura se muestra un inversor TTL estndar con salida en colector abierto.

Compuerta NOT con salida Open-Collector construida con tecnologa TTL estndar

Notemos que la salida es el colector del transistor Q3 sin nada conectado, de ah el nombre de colector abierto. Para obtener los niveles lgicos alto y bajo a la salida del circuito se conecta una resistencia de pull-up a la tensin de alimentacin Vcc desde el colector de Q3. Cuando Q3 no conduce, la salida es llevada a Vcc a travs de la resistencia externa. Cuando Q3 se satura, la salida se lleva a un potencial prximo a tierra a travs del transistor saturado.

Puertas con salidas triestado. La salida triestado combina las ventajas de los circuitos totem-pole y de colector abierto. Los tres estados de salida son: alto, bajo y alta impedancia (alta Z). Cuando se selecciona el funcionamiento lgico normal, mediante la entrada de habilitacin, el circuito triestado funciona de la misma forma que una puerta normal. Cuando el modo de funcionamiento es de alta impedancia, la salida se desconecta del resto del circuito. La siguiente figura ilustra el circuito bsico de un inversor triestado TTL. Cuando la entrada de habilitacin est a nivel bajo, Q2 no conduce y el circuito de salida funciona en la configuracin totem-pole normal. Cuando la entrada de habilitacin est a nivel alto, Q2 conduce. Entonces en el segundo emisor de Q1 se produce un nivel bajo, haciendo que Q3 y Q5 se bloqueen y el diodo D1 se polarice en directa, lo que hace que Q4 se bloquee tambin. En este caso los transistores totem-pole actan como un circuito abierto y la salida est desconectada por completo de la circuitera interna.

Compuerta NOT con salida Tri-estado construida con tecnologa TTL estndar

Otras series de la familia TTL Existen cuatro categoras en las que esta familia se ha clasificado: TTL estndar (serie 54/74), TTL de alta velocidad (54H/74H), TTL de baja potencia (serie 54L/74L) y TTL schottky (serie 54S/74S). No obstante las series de alta velocidad y baja potencia fueron diseadas para aplicaciones especficas, las cuatro series de la familia son compatibles y pueden ser interconectadas entre s. La serie L se distingue por su bajo consumo de potencia (L=LOW POWER). Ello se consigue aumentando siginificativamente los valores de las resistencias de polarizacin de los diferentes transistores, con lo que se disminuye la corriente que circula por el sistema y con ello la potencia disipada. Si la potencia disipada en una puerta tpica de la familia 54/74 es de 10 mW la de la puerta equivalente en la versin 54L/74L es de 1 mW. El ahorro de potencia se paga con una prdida en la velocidad: de los 10ns de tiempo de retardo tpicos en la familia original se pasa a unos 33 ns de retardo en esta familia. La serie S proporciona unos tiempos de conmutacin menor, gracias a la incorporacin de diodos Schottky que evitan que los transistores entren en saturacin, disminuyendo el tiempo que tarda el transistor en entrar y salir de la conduccin. El retardo tpico es de 3ns. Y la disipacin de potencia de 19mW. Existe una serie TTL Schottky de bajo consumo (54LS/74LS), que proporciona un compromiso entre velocidad y baja disipacin de potencia utilizando altos valores de resistencias y transistores de tipo Schottky. La disipacin de potencia tpica de una puerta es de 2 mW y el retardo de prropagacin de 10 nsg. Por ltimo existen las series Schottky avanzada y Shottky de bajo consumo avanzada (AS/ALS), que suponen versiones avanzadas de las series S y LS. La disipacin de potencia esttica tpica es de 8,5mW para la serie AS y 1mW para la serie ALS. Los tiempos de retardo de propagacin tpicos son de 1,5ns para AS y 4ns para ALS. Existe una versin AS que se denomina F o FAST (rpida). Familia lgica CMOS: caractersticas constructivas

Aunque los transistores de efecto de campo se haban descubierto antes, los transistores bipolares fueron los primeros en fabricarse y por ello toda la electrnica transistorizada se configur con ellos. No fue hasta la dcada de los 60 cuando la tecnologa de fabricacin de circuitos estuvo lo suficientemente madura y conseguir la pureza de materiales que este tipo de dispositivos necesita. En la actualidad el escenario es completamente diferente. Las tecnologas de integracin de transistores de efecto de campo son ms eficientes que las bipolares, ms uniformes en cuanto al proceso de integracin y requieren un menor nmero de etapas. Adems, frente a las tecnologas bipolares se obtienen una mayor densidad de integracin y un menor consumo. La primera serie CMOS utiliz el indicativo 40. Admite un amplio intervalo de tensiones de alimentacin, desde 3 a 18 voltios. Su velocidad depende de la alimentacin: Para Vcc=3 V., el retardo de puerta es de 200 nsg (1 MHz de frec. de reloj). Para Vcc= 15 V., el retardo es de tan slo 20 nsg. (10 MHz de frec. de reloj). La gran difusin que previamente haba tenido la familia TTL oblig a fabricar circuitos CMOS con la misma disposicin de las puertas en los circuitos integrados (lneas de alimentacin, terminales, nmero de patillas, etc.) lo que gener la familia 74C (compatible). Las caractersticas de esta serie son muy parecidas a la familia 40, pero con las mejoras en los procesos de fabricacin se desarroll la serie 74HC (alta velocidad) y 74HCT (alta velocidad compatible con los niveles TTL). Estas series ofrecen caractersticas muy similares a la serie LS, pero con unos consumos mucho menores. Por este motivos son las que ms se utilizan en la actualidad.

Los transistores de efecto de campo son los elementos activos de conmutacin de los circuitos CMOS. Los smbolos para los MOSFET de canal-n t de canal-p se indican en la figura.

Cuando la tensin de puerta de un MOSFET canal-n es ms positiva que la de fuente, el transistor conduce (ON) y la resistencia drenador-fuente es pequea. Cuando la tensin entre puerta y fuente es cero, el transistor no conduce y la resistencia es muy grande. Los MOSFET de canal-p funcionan con polaridades de tensin opuestas. Idealmente las resistencias, tanto en conduccin como en corte se pueden despreciar por lo que podemos considerar a estos transistores como un interruptor cerrado cuando conduce y abierto cuando no lo hace. Para la configuracin de puertas lgicas interesan aquellos tipos de transistores de efecto de campo en que la tensin de puerta es del mismo signo que la de drenaje (referidas ambas a la fuente): los transistores MOS de acumulacin canal-n, los cuales, adems, presentan la ventaja de ofrecer mayores velocidades de respuesta. En los siguientes esquemas presentamos algunas puertas lgicas bsicas con tecnologa MOS:

Estas puertas presentan una muy alta impedancia de entrada (intensidad de entrada nula), por lo que disminuye considerablemente su consumo en rgimen de operacin esttico. Por el contrario el efecto capacitivo puerta-canal limita su velocidad de trabajo y los valores altos de impedancias repercuten frente al ruido. Otro problema lo encontramos en la manipulacin de estos circuitos: la delgada capa de xido de las entradas se pueden perforar con facilidad, incluso con la propia carga esttica acumulada en el cuerpo del operador. La reduccin del rea de integracin se consigue, en buena medida, sustituyendo la resistencia que limita la intensidad por otro transistor MOS polarizado en conduccin, lo que permite ahorrar la gran cantidad de rea que necesita una resistencia integrada en un circuito, sobre todo si su impedancia es alta. El consumo reducido permite acumular gran cantidad de transistores sobre un mismo sustrato sin los problemas de disipacin de potencia: en un primer momento se pas de las 20 puertas/mm2 que permita la tecnologa bipolar a ms de 100 puertas/mm2. En la actualidad se integran varios miles de puertas/mm2. Otra ventaja de esta tecnologa frente a la bipolar es el menor nmero de pasos o etapas en el proceso de fabricacin (del orden de la mitad). La familia CMOS utiliza la lgica MOS complementaria, esto es, la combinacin de MOSFET de canal-n y de canal-p. Esta configuracin es de una gran simetra estructural y reduce el consumo esttico a valores prcticamente nulos; en cambio se produce un consumo no despreciable cuando la puerta conmuta debido a los procesos de carga y de descarga de las capacidades puerta-canal; adems, durante un instante conducen los dos transistores a la vez.

Compuertas lgicas construidas con tecnologa CMOS

Para proteger las entradas respecto de sobreoscilaciones y cargas electrostticas se integran un filtro de tipo RC (una resistencia en serie con un diodo, que acta como diodo rectificador de tensiones negativas y como un pequeo condensador de filtrado de frecuencias muy altas). Por este motivo la entrada no conectada equivale a un valor lgico bajo, pero de nuevo nos encontramos con los efectos nocivos de la radiacin electromagntica, amplificada por las altas impedancias de entrada de estas puertas. Con un diseo adecuado se consigue que la funcin de transferencia sea simtrica, con la conmutacin entre los estados muy prxima a Vcc/2. No obstante los fabricantes no aseguran un comportamiento adecuado de la puerta en un intervalo comprendido entre el 30% y el 70% de la tensin de alimentacin.

Parmetros elctricos para las compuertas lgicas Para comparar las caractersticas de cada compuerta los fabricantes entregan abundante informacin tcnica en sus catlogos. A continuacin se resumen las caractersticas ms importantes. Tensin de alimentacin continua El valor nominal de alimentacin continua (DC) para los dispositivos TTL y CMOS es de +5V, aunque se permiten variaciones segn la familia.

Niveles lgicos Las compuertas lgicas trabajan con niveles de tensin denominados Alto (H) y Bajo (L). Los niveles de tensin caractersticas para los niveles H y L tanto para tensin de entrada (Vi) como para tensin de salida (Vo) se muestran en la siguiente tabla:

Inmunidad al ruido. Margen de ruido El ruido es una tensin no deseada que se induce en los circuitos elctricos y que puede ser una amenaza para el correcto funcionamiento del circuito. Los cables y otros conductores pueden captar las radiaciones electromagnticas de alta frecuencia de conductores adyacentes o de otras fuentes externas al sistema. Para no verse afectados, los circuitos deben tener cierta inmunidad al ruido, que se define como la capacidad para tolerar ciertas fluctuaciones de tensin no deseadas en sus entradas sin que cambie el estado de salida. La medida de la inmunidad al ruido de un circuito se denomina margen de ruido y se expresa en voltios VNH y VNL. VNH Se define como la diferencia entre la salida a nivel alto menor posible de una puerta excitadora y la entrada a nivel alto menor posible que la puerta de carga puede tolerar. Anlogamente para VNL.

Disipacin de potencia Por una puerta lgica circula en todo momento una corriente procedente de una fuente de alimentacin continua, cuya magnitud depende principalmente del valor lgico de su salida. Cuando el estado de salida de la puerta es un nivel alto, circula la corriente ICCH, mientras que en estado de salida bajo circula la corriente ICCL. Cuando se aplican impulsos, su salida conmuta entre los estados alto y bajo, por lo que podemos definir ICC como el promedio entre ambas intensidades La disipacin de potencia media se define como

Segn las diferentes familias encontramos grandes diferencias de consumo. La disipacin en un circuito TTL es esencialmente constante dentro de su rango de operacin. Sin embargo, la disipacin de potencia en CMOS depende de la frecuencia. En condiciones estticas es extremadamente baja y aumenta al aumentar la frecuencia.

Retardo de propagacin Cuando una seal se propaga a travs de un circuito lgico, siempre experimenta un retardo de tiempo. Un cambio del nivel de salida siempre se produce un cierto tiempo ms tarde despus de que se ha realizado un cambio de nivel en la entrada, lo que se denomina tiempo de retardo de propagacin, el cual suele un valor para la transicin de nivel bajo a nivel alto tPLH y otro valor en la transicin de nivel alto a nivel bajo tPHL.

El retardo de propagacin de una puerta limita la frecuencia a la que puede trabajar. Cuanto mayor es el retardo de propagacin, menor es la frecuencia mxima.

Producto Velocidad-Potencia Cuando en una aplicacin son importantes tanto el retardo de propagacin como la disipacin de potencia para la seleccin de la familia lgica a utilizar, el producto velocidad-potencia es una base adecuada para la comparacin de circuitos lgicos. Su unidad es el picoJoule (pJ) y mide la energa que se pierde en la compuerta por efecto de la conmutacin. Tpicamente se buscan valores pequeos. En general, los circuitos CMOS tienen valores para este parmetro mucho menores que los circuitos TTL, ya que su disipacin de potencia es mucho ms baja: Ej un HCMOS tiene un producto velocidad-potencia de 1,4 pJ a 100 KHz mientras que un TTL de bajo consumo tiene un valor de 20 pJ.

Carga y fan-out Cuando la salida de una puerta lgica se conecta a una o ms entradas de otras puertas, como mostramos en la figura, se genera una carga en la puerta excitadora. Existe un lmite para el nmero de entradas de puertas de carga que una cierta puerta puede excitar. Este lmite se denomina abanico de salida o fan-out de la puerta.

Carga TTL: Una puerta excitadora TTL entrega corriente (fuente) a las entradas de las puertas de carga en el estado alto (IIH) y absorbe corriente (sumiedro) de las puertas de carga en el estado bajo (IIL) en la siguiente figura mostramos el funcionamiento simplificado como fuente de corriente y como sumidero de corriente. Las resistencias representan las resistencias internas de entrada y salida de la puerta.

Una entrada de la misma familia lgica que la puerta excitadora se denomina unidad de carga. Ej la Familia TTL Schottky de bajo consumo (LS) tienen un fan-out de 20 unidades de carga. La corriente total de sumidero (absorbida) tambin aumenta con cada puerta de carga que se aade. Al aumentar esta corriente, la cada de tensin interna de la puerta excitadora aumenta, haciendo que VOL aumente. Si se aaden demasiadas unidades de carga VOL ser mayor que VOLmax.

En TTL, la capacidad de la corriente de sumidero (estado bajo) es el factor ms crtico en la determinacin del fan-out. Carga CMOS. La carga en CMOS difiere de la de TTL en que la lgica CMOS utiliza transistores de efecto de campo (FET), que presenta una carga predominantemente capacitiva a la puerta excitadora. En este caso las limitaciones vienen dadas por los tiempos de carga y de descarga asociados con la resistencia de salida de la puerta de salida y la capacidad equivalente de la puerta de carga. Cuando la salida de la puerta excitadora se encuentra en nivel alto, el condensador de entrada de la puerta de carga se carga, mientras que en caso contrario se descarga. Al aumentar el nmero de cargas en paralelo, el valor de la capacidad equivalente aumenta en la misma medida por lo que la frecuencia mxima de operacin disminuye.

Comparacin TTL-CMOS

En la tabla siguiente se muestran los datos ms importantes de las series analizadas para evidenciar las diferencias de comportamiento tanto en consumo como en frecuencia de operacin.

Por otra parte, los circuitos CMOS tienen una mejor inmunidad al ruido que cualquiera de la serie TTL como se puede observar en la siguiente tabla de margen de ruido, tanto para valor alto como para valor bajo

3.- Consideraciones prcticas sobre el uso de compuertas TTLLa familia TTL es an la ms utilizada para las prcticas de electrnica digital durante el periodo de aprendizaje, debido principalmente a que la lgica de transistores bipolares con que estn construidas

las compuertas TTL es suficientemente robusta para soportar polaridades errneas, sobrecargas e incluso cortocircuitos temporales. Pero no obstante esta robustez, es importante exponer algunas precauciones en el trabajo con estas pastillas. Analizaremos con ms profundidad los conceptos de fuente y sumidero de corriente para determinar algunas consideraciones prcticas en el trabajo con circuitos integrados TTL. En la siguiente figura se muestran dos inversores TTL conectados en cascada.

Cuando la puerta excitadora tiene un estado de salida alto acta como fuente de corriente para la carga (flecha slida). La entrada a la carga es como un diodo en polarizacin inversa, por lo que la corriente es mnima (tpicamente 40 A). Por otra parte, cuando la puerta excitadora se encuentra en estado bajo (lnea discontinua) acta como un sumidero de corriente. Esta corriente es mucho mayor, ya que el diodo base-emisor de la carga se encuentra en directa (tpicamente 1,6 mA.). Adems el sentido de la corriente es hacia afuera de la compuerta, por lo que en las hojas de caracterstica aparece con un signo negativo. Las salida totem-pole no se pueden conectar juntas, ya que dicha conexin produce una corriente excesiva, que daa los dispositivos. Circuitos en colector abierto Un circuito TTL en totem-pole tiene limitada la cantidad de corriente que puede absorber en el estado bajo (IOLmax) a 16 mA para la serie estndar y a 20 para la serie AS. En muchas aplicaciones es necesario excitar dispositivos como rels, lmparas, LEDs, etc., que necesitan de un consumo mayor Para estos dispositivos se utilizan salidas en colector abierto, debido a su mayor capacidad de manejo de corriente y tensin. Una puerta buffer en colector abierto tpica puede absorber hasta 40 mA pero hay que tener en cuenta que no puede inyectar corriente.

La configuracin de colector abierto permite acoplar la salida de la compuerta incluso directamente a cargas que requieran una tensin de alimentacin distinta de 5V, cuidando por supuesto de no sobrepasar el lmite de corriente que puede drenar el transistor de salida. Tal caracterstica permite la utilizacin de estas compuertas para manejar directamente dispositivos de sealizacin como lmparas o display e incluso pequeos rels.

Entradas TTL no utilizadas. Una entrada desconectada TTL acta como un nivel lgico alto, ya que la unin emisor-base en el transistor de entrada est polarizado en inversa. No obstante es mejor no dejar desconectadas las entradas no utilizadas, ya que son muy sensibles al ruido. Para ello existen varias alternativas. Entradas unidas. Es el mtodo ms comn y consiste en conectar las entradas a una entrada que s se use. Este mtodo tiene el inconveniente que para las puertas excitadoras estas entradas suponen cargas adicionales, por lo que aumenta los requerimientos de consumo de las mismas. Entradas conectadas a Vcc o a tierra. Las entras no utilizadas en las puertas NAND o AND se pueden conectar a Vcc a travs de una resistencia de 1 Kohm. Las entradas no utilizadas de las puertas OR o NOR se conectan a tierra. Entradas conectadas a una salida no utilizada. Este mtodo es adecuado cuando se disponen de puertas no utilizadas en el circuito. De nuevo la salida de la puerta utilizada debe ser un nivel alto constante para las entradas no utilizadas de puertas AND y NAND y un nivel bajo para las puertas NOR y OR.

Conexiones entre familias lgicasEl la conexin entre distintos tipos de compuertas lgicas el principal aspecto a cuidar son los niveles de tensin para cada uno de los niveles lgicos H y L. La siguiente tabla nos ayudar a comprender mejor la forma correcta de conectar puertas lgicas de diferente familias. En la misma se recogen los valores tpicos del peor caso de los parmetros de entrada y salida para varias familias.

Interfaz CMOS-TTL Observando la tabla vemos que, en este caso, VOH(min)=4,9 de la puerta CMOS es mayor que VIH(min)=2 de la puerta TTL. Entonces CMOS es compatible con TTL para el estado alto. Por otra parte VOL(max)=0,1 de la puerta CMOS es menor que VIL(max)=0,8, por lo que tambin es compatible para el estado bajo. En trminos de corrientes, CMOS puede absorber 4 mA para el estado de salida bajo. Cuando excita a una puerta TTL, la puerta CMOS debe absorber 1,6 mA de cada entrada TTL. Esto limita el fan-out de la puerta CMOS a dos entradas TTL. De forma anloga el fan-out para el resto de familias es: 10para LS; 2 para S y 2 para AS. Interfaz TTL-CMOS En este caso las tensiones mnimas de salida para el nivel alto en una TTL VOH(min) son de 2,4 a 2,7 voltios, mientras que la tensin mnima requerida para la entrada en nivel alto de la serie CMOS es de 3,15. Luego la tensin de salida TTL no es suficiente para excitar un dispositivo CMOS. En el estado bajo, sin embargo, las tensiones son compatibles.

Para establecer la adecuada interfaz TL-CMOS se debe aadir una resistencia de pull-up (Rp) conectada a Vcc

El valor de la resistencia Rp se debe calcular en funcin de la intensidad que debe absorber la puerta excitadora tanto de las entradas CMOS a las que se encuentra conectada como la corriente de la resistencia

donde n es el nmero de entradas CMOS que estn conectadas a la puerta excitadora.

El mismo criterio de los niveles de tensin es necesario tener presente en el diseo de interfaces de entrada y salida para interconectar circuitos digitales con sistemas analgicos.

BibliografaSistemas Electrnicos Digitales Escuela Universitaria Politcnica de Teruel, Universidad de Zaragoza, 2000 Curso Prctico de Electrnica Digital Moderna Ediciones CEKIT, 1999

Actividad 1 Estudio de las familias lgicas TTL y CMOSObjetivos: Reconocer las diferencias en las caractersticas de funcionamiento de las compuertas lgicas TTL y CMOS . Interpretar informacin de los catlogos tcnicos de compuertas lgicas..

1.- Funcin de transferencia del C.I. 74LS00 (familia TTL)Conecte el circuito de la figura. Ajuste el generador de seales para que entregue una forma de onda sinusoidal de 5V de amplitud y frecuencia 100 Hz. Ajuste el osciloscopio en modo X-Y 0.5V/DIV para el canal X y 1 V/DIV para el canal Y. Seleccione el origen del grfico en la esquina inferior izquierda de la pantalla.

Cierre el interruptor SW y grafique en detalle el trazo obtenido en el osciloscopio. El cual debe ser similar al mostrado en la figura siguiente. Anote los valores correspondientes al 0 y 1 lgico.

Sustituya la resistencia R de 1K por otra de 100K. Cambie el osciloscopio a modo normal (voltaje v/s tiempo) para observar lo que ocurre. Comente el efecto producido en relacin a la configuracin interna de la compuerta..

2.- Corriente de entrada y corriente de consumo del C.I.Implemente el circuito de la figura. Con SW en posicin 5V (H) mida los valores de las corrientes INH e ICCH. Luego con SW en posicin tierra (L) mida los valores de las corrientes INL e ICCL.

Con las lecturas registradas calcular las corrientes de entrada y de consumo de acuerdo a las siguientes frmulas:

3.- Tiempo de propagacinImplemente el circuito de la figura. Observe que el circuito no tiene entrada, pues es un oscilador.

Mita el periodo T de la seal de salida con el osciloscopio calibrado a 1 V/DIV, en C.A. y con la base de tiempo en el menor rango. Probablemente necesitar magnificar la base de tiempo para medir correctamente el periodo. Calcule el tiempo de propagacin segn:

4.- Caractersticas del C.I. 4011 (familia CMOS)Repita las mediciones anteriores para obtener datos comparativos. En cada caso realice mediciones con VCC=5V y VCC=10V. Compare las diferencias entre las distintas familias y comente acerca de la posibilidad de interconectar compuertas de familias TTL y CMOS.

Actividad 2 Diseo de circuitos combinacionalesObjetivos: Ejercitar un procedimiento de diseo de circuitos digitales combinacionales. Simular la solucin desarrollada en software de simulacin Logisim Implementar el circuito diseado con compuertas lgicas y verificar su funcionamiento.

El diseo de circuitos digitales aplicados a la automatizacin implica encontrar una solucin simple y segura a partir de los requerimientos dados. Puesto que los circuitos digitales trabajan con variables binarias (entradas y salidas que slo pueden tomar dos valores opuestos y bien definidos), el diseo debe comenzar por definir cules sern estas variables y cul ser el significado de estos valores.

1.- Planteamiento del problema y definicin de las variablesSe requiere un circuito digital para controlar un montacargas de dos niveles. El montacargas se accionar por medio de un interruptor en el nivel inferior y un interruptor de seguridad en el nivel superior. Adicionalmente, el sistema cuenta con dos interruptores de final de carrera para detectar la posicin del montacargas. Los interruptores y su ubicacin se muestran en la figura 1.

Figura 1 - Entradas al circuito de control

Las entradas se han denominado L1, L2, H1 y H2, y sus valores quedan representados como sigue:0 : Bajar (llamada) L1 = 1 : Subir (envo) 1 : Est abajo L2 = 0 : No est abajo

0 : Acti var H1 = 1 : Bloqueo 1 : Est arriba H2 = 0 : No est arriba

El circuito comandar el motor, al cul habr que darle dos instrucciones, segn sea el caso:

0 : Detener motor S1 = 1 : Accionar motor 0 : Bajar ( giro izq.) S2 = 1 : Subir ( giro derecha)Esto significa que las mismas cuatro entradas comandarn dos circuitos: uno que controlar el encendido y apagado del motor y otro que determinar el sentido de giro del motor. Con las variables ya definidas, se debe determinar en qu condiciones se debe accionar el motor y en que sentido debe girar. Esto se hace completando una tabla de verdad.

2.- Definicin de la funcin lgica por medio de una tabla de verdadEl circuito que resultar del diseo depende completamente de los criterios con que se construya la tabla de verdad. Puesto que una tabla de verdad define los valores de salida para todas las posibles combinaciones de entrada, se debe definir que har el circuito frente a entradas contradictorias o anmalas. Para nuestro diseo definiremos tres criterios:

El interruptor de bloqueo impide que el montacargas baje si es llamado mientras est en el nivel superior. El interruptor de bloqueo queda desactivado si el montacargas est en el nivel inferior o en movimiento. Frente a una condicin de error el montacargas debe detenerse.

Con estos criterios, la tabla de verdad quedar definida como sigue:L1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 L2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 H1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 H2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 S2 0 0 0 X X X X X 1 X 1 X 1 X 1 X Significado Bajar Bajar Bajar Bloqueo Est abajo Error en sensores Est abajo Error en sensores Subir Est arriba Subir Bloqueo Subir Error de sensores Subir Error de sensores

Nota: En la tabla de verdad, las X representan una variable dont care (irrelevante). Esta variable puede tomar indistintamente un valor 0 o 1 segn convenga para simplificar la funcin.

Paso 1.- Simplificar las funciones mediante mapas de karnaugh.A partir de las funciones definidas en la tabla de verdad, construir los mapas de Karnaugh correspondientes y obtener las funciones simplificadas para S1 y S2.

S1:

S2:

Paso 2: Trazar el diagrama lgico para las funciones obtenidas y simular su funcionamiento en LogisimUtilizando nicamente compuertas bsicas (AND, OR y NOT), construir el diagrama lgico para las funciones simplificadas. Simular el funcionamiento del circuito en software Logisim.

Paso 3: Trazar el layout para los circuitos obtenidosUtilizando las compuertas TTL 7404 (Inverter), 7408 (AND) y 7432 (OR), trazar el diagrama de conexiones a implementar en el protoboard. Utilice para las entradas un dipswitch con resistencias pull-up y para las salidas una resistencia y un led, como indica la figura:

Paso 4: Implementar el circuito en protoboardImplementar el circuito en el protoboard y verificar la tabla de verdad siguiendo el encendido y apagado de los LED. Finalmente, probar el funcionamiento del circuito con la maqueta de montacargas disponible en el laboratorio.

Actividad 3 Estudio de un sistema bsico de transmisin de datos

Objetivos: Reconocer las distintas etapas que componen un sistema de conversin de datos paralelo a serie y viceversa. Implementar un sistema experimental de transmisin de datos.

Actividad: 1.- Implementar y probar por separado cada una de las etapas del sistema de transmisin de datos. 2.- Unir los distintos bloques del sistema y verificar su funcionamiento. 3.- Analizar tericamente el funcionamiento de cada etapa mediante diagramas de tiempo. Importante: No olvidar los terminales de los flip-flop no indicados en el esquema (alimentacin, preset, clear, enable, strobe, etc.)

Anexo: Configuracin de terminales de los circuitos integrados a utilizar.

Doble multiplexor 4 a 1

Contador binario

7493

74175

Evaluacin Nro1. Montaje de una Interfaz para adquisicin de datos

Nombre:

Evaluacin del prototipoCategora Excelente (4 puntos) 1 Funcionamiento del prototipo Conecta correctamente Calidad de la soldadura Aspectos estticos y de seguridad Mximo: 16 puntos Puntaje obtenido: Nota: Satisfactorio (3 puntos) Aceptable (2 puntos) Deficiente (1 puntos)

2

3

4

Evaluacin Nro2. Anlisis de funcionamiento de un sistema secuencial

Nombre:

Utilizar el sistema de adquisicin de datos para registrar los diagramas de tiempo que permitan verificar el funcionamiento de las distintas etapas del sistema de comunicaciones serie. Actividad 1: Disee una prueba que permita obtener el diagrama de tiempo que sea til para verificar el funcionamiento del multiplexor. Realice la prueba. Dibuje las conexiones que realiz y el diagrama de tiempo obtenido. Actividad 2: Disee una prueba que permita obtener el diagrama de tiempo que sea til para verificar el funcionamiento del registro de desplazamiento. Dibuje las conexiones que realiz y el diagrama de tiempo obtenido.