FAMILIAS LÓGICAS

Los operadores estudiados anteriormente se fabrican en circuitos integrados, lo que facilita en gran medida los diseños. Cuando la tecnología empleada para la fabricación de una serie de operadores lógicos es la misma y además los niveles de salida y entrada son compatibles entre ellos, tenemos una FAMILIA LÓGICA.

 Una familia lógica tiene una serie de características comunes además de la tensión de trabajo y los niveles de entrada como son:

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN: Es el tiempo que tarda en activarse una puerta lógica.

FRECUENCIA DE PROPAGACIÓN. Es la frecuencia máxima a la que es capaz de oscilar un flip-flop de esa familia.

POTENCIA DE DISIPACIÓN: por puerta

FAN-IN: Es el número máximo de puertas de la misma familia que se pueden conectar a la entrada de una puerta lógica de la familia.

FAN-OUT: Es el número máximo de puertas de la misma familia que se pueden conectar a la salida de una puerta lógica de la familia.

Una familia lógica es un conjunto de circuitos integrados que implementan distintas operaciones lógicas compartiendo la tecnología de fabricación y en consecuencia, presentan características similares en sus entradas, salidas y circuitos internos. La similitud de estas características facilita la implementación de funciones lógicas complejas al permitir la directa interconexión entre los chips pertenecientes a una misma familia. Teniendo en cuenta el tipo de transistores utilizados como elemento de conmutación, las familias lógicas pueden dividirse en dos grandes grupos: las que utilizan transistores bipolares y las que emplean transistores MOS.

ESPECIFICACIONES GENÉRICAS DE UNA FAMILIA LÓGICA Estas especificaciones son las que en general están incluidas en la hoja de datos correspondiente a cada circuito que brinda el fabricante. Dentro de ellas algunas, como ser tensión de alimentación y niveles de tensión y corriente de entrada y salida, son iguales para todos los circuitos de la familia con independencia de la función lógica que realiza cada uno de ellos, de esta manera se asegura fácil interconexión entre ellos para implementar funciones lógicas más complejas. Hay otras características que dependen de la función que ejecuta el circuito, por ejemplo el consumo de potencia y los tiempos de retardo, propagación y conmutación, y en consecuencia sus valores y características pueden diferir de un integrante a otro.

CLASIFICACIÓN

Las familias se nombran con las iniciales de los componentes empleados, por tanto las familias serán:

RTL. LÓGICA RESISTENCIA TRANSISTOR.

DTL. LÓGICA DIODO TRANSISTOR.

TTL. LÓGICA TRANSISTOR-TRANSISTOR.

ECL. LÓGICA DE EMISORES ACOPLADOS.

TECNOLOGÍA TTL La familia más extendida es la TTL y se emplea por su fácil utilización, amplia documentación sobre ellos, tensión de alimentación de 5 Voltios, y varias familias compatibles entre sí como:

TTL SHOTTLEY. Son de alta velocidad y se nombran 74H (High Speed). tp= 6 nanosegundos P= 22 mW

TTL bajo consumo. se nombran 74LP ( Low Power) y sus características son: tp= 33 nanosegundos P= 1 mW

TTL Shottky. Son puertas muy rápidas se nombran por 74S (speed) y sus características son:

tp= 3 nanosegundos P= 22 mW

TTL Shottky baja potencia. Se nombran 74LS(Low Shottky) y sus características son:

tp= 6 a 10 nanosegundos P= 2 mW TTL Shottky avanzada. Se nombran por 74AS(Advanced Shottky) y sus

características son: tp= 1,5 nanosegundos P= 20 mW TTL Shotky avanzada de baja potencia. Se nombran por 74ALS y sus

características son:

tp= 4 nanosegundos P= 1 mW TTL Fast. se nombran por 74F y sus características son:

tp= 2,5 nanosegundos P= 4 mW

TECNOLOGÍA CMOSSe caracteriza por su muy bajo consumo, y sus características principales son:

Tensión de alimentación: de 3 a 15 Voltios Consumo 10 nanowatios por puerta. Alta inmunidad al ruido.

La más conocida de esta familia es la serie 74C, cuyo patillaje es igual que el de la familia TTL, estos circuitos hasta hace poco tiempo tenían el inconveniente de ser lentos, pero actualmente las familias 74HC, 74HCT y 74HCU compiten en velocidad y prestaciones a la familia TTL.

La familia más avanzada de tecnología CMOS es la ACL (Advanced Cmos Lógic) con sus dos versiones, la 74 ACT cuya tensión de alimentación es de 5 Voltios y totalmente compatible con TTL y la 74AL cuya tensión de alimentación va de 2 a 5,5 Voltios y compatible con la Cmos estándar excepto en el patillaje

ESCALAS DE INTEGRACIÓN.- Los circuitos electrónicos se pueden integrar en una pastilla para formar circuitos más complejos, ahorrando espacio y tiempo de diseño. Según el número de puertas integradas se clasifican en:

SSI.- Esta escala de integración integra hasta 15 puertas MSI.- Esta escala de integración integra de 15 a 100 puertas LSI.- En esta escala el número de puertas va de 100 a 1000 VLSI.- En esta escala de integración entran los circuitos con más de 1000 puertas ULSI (Ultra Large Scale of Integration).

Escala de integración elevadísisma. Se trata de circuitos de 10.000 puertas.

WSI (Wafer Scale of Integration). Escala de integración a nivel de puerta. Se trata de millones de puertas. Es el nivel más alto de integración y se realiza en las etapas más bajas de la construcción del circuito integrado.

RUIDOS EN LOS SISTEMAS DIGITALES

El ruido es un compañero inevitable y molesto de los sistemas digitales, con el que tienen que convivir. La realidad no es nada «limpia»: los circuitos electrónicos han de sobrevivir entre la propia «basura electromagnética» que ellos generan y la basura de los demás, la que se genera en su entorno. Los circuitos electrónicos trabajan con señales eléctricas, que son, por si mismas, señales electromagnéticas. Por ello, los circuitos son sensibles a cualquier señal electromagnética y, al recibir señales externas, son perturbados por ellas: se ven afectados por interferencias que pueden alterar su buen funcionamiento, causando errores. Además, los propios circuitos producen señales electromagnéticas parásitas: son

generadores de interferencias que les afectan a ellos mismos y que afectan también al resto de los circuitos de su entorno.

Todas estas señales son indeseables para un sistema electrónico por cuanto pueden afectar a su correcto funcionamiento; en el caso de un sistema digital las interferencias pueden modificar puntualmente los valores booleanos por desplazamiento de las tensiones en los nudos del circuito.

RUIDO: es toda perturbación electromagnética que afecta a un circuito digital, toda señal parásita no propia del comportamiento booleano del circuito y que, por tanto, puede producir errores al modificar los valores booleanos correctos.

El ruido puede proceder del exterior o puede ser producido en el propio circuito y puede ser conducido, si se propaga a través de conductores y componentes del mismo circuito o de sus líneas de alimentación, de entrada o de salida, o radiado, si se acopla a través de campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos. El ruido conducido puede ser razonado en términos de tensión mientras que el radiado requiere términos de potencia (energía perturbativa por unidad de tiempo).

FUENTES DE INTERFERENCIAS

INTERFERENCIAS GENERADAS POR EL PROPIO CIRCUITO:

♦ Conducidas: - variaciones de intensidad (dI/dt) -- por carga y descarga de capacidades -- por conmutaciones

- acoplo por impedancia compartida por varias etapas - resonancias y oscilaciones asociadas a ellas (LC) - acoplo capacitivo entre pistas

♦radiadas: - osciladores, señal de sincronismo,... - emisión de altas frecuencias (acoplamiento electromagnét.)- acoplo inductivo entre bucles (espiras) - componentes magnéticos (transformadores, bobinas,...) - contactos mecánicos (contactores, relés,...)

INTERFERENCIAS PROCEDENTES DEL ENTORNO:

♦radiadas: - motores y máquinas eléctricas - equipos electrónicos que operan a alta frecuencia - contactores y relés - bobinas y transformadores - cables, fluorescentes,... - emisoras de radiofrecuencia - transistorios debidos a fenómenos atmosféricos

♦conducidas: - perturbaciones de la red -- por conexión o desconexión de cargas -- por variaciones bruscas de consumo

-- por conmutación (troceadores) sobre la red -- por transferencia de altas frecuencias

- perturbaciones recogidas por las líneas de entrada y salida

NIVELES DE TENSIÓN Y MARGEN DE RUIDO

El fabricante garantiza un nivel de tensión mínimo (VIH) que aplicado a una entrada el circuito interpreta como un estado alto (en lógica positiva 1 lógico o “1”), y un nivel máximo de tensión (VIL) que interpreta como estado bajo (en lógica positiva 0 lógico o “0”).

VIL: Máxima tensión de entrada que se interpreta como estado bajo

VIH: Mínima tensión de entrada que se interpreta como estado alto

Los valores de tensión que el circuito presenta a la salida para los estados alto (“1”) y bajo (“0”) dependen de la familia y del estado de carga en que se encuentre dicha salida. El fabricante garantiza entonces un entorno de valores de tensión para cada estado, siempre y cuando se respeten las restricciones establecidas para las corrientes requeridas o entregadas en la salida. Los valores que limitan estos entornos son:

VOL: Máxima tensión de salida que se garantiza para el estado alto

VOH: Mínima tensión de salida que se garantiza para el estado alto

Cuando la salida se encuentra en un nivel alto es el circuito lógico el que entrega potencia (corriente saliente) mientras que cuando la salida está en un nivel bajo la circulación de corriente es hacia el interior del chip.

El fabricante estipula valores máximos para estas corrientes que aseguran el funcionamiento dentro de las especificaciones.

IOL: Máxima corriente que puede tomar la salida manteniendo el estado bajo igual o menor a VOL.

IOH: Máxima corriente que puede entregar la salida manteniendo el estado alto mayor o igual a VOH.

En la siguiente figura se muestra un diagrama de tensiones de entrada y salida. Las áreas rayadas indican los intervalos de tensiones válidas, tanto de entrada como de salida

A fin de generar un margen de seguridad que permita interconexiones seguras entre circuitos de una misma familia, los rangos de tensión de salida son menores que los de entrada. La diferencia entre los niveles de salida y entrada, alta y baja respectivamente, definen un margen de seguridad para cada uno de los estados de salida posibles que identifica al máximo valor de ruido que puede afectar a una señal de salida sin que exista la posibilidad de que la información sea malinterpretada en las entradas conectadas a ella. En condiciones ideales estos márgenes deberían ser iguales entre sí y cercanos a la mitad de la tensión de alimentación, en la práctica esta condición es difícil de cumplir. Por esta causa, el menor de ambos márgenes define el margen de ruido (NM) que identifica a la familia.

BIBLIOGRAFÍAhttp://www.fceia.unr.edu.ar/eca1/files/teorias/Familias_logicas-2009.pdf

http://www.aquilinogonzalez.es/eso4/intr_digital/intr-digital.htm

http://diec.cps.unizar.es/~tpollan/libro/Apuntes/digT3.pdf

http://www.dacya.ucm.es/horten/dci/tema2_3al.pdf