Historia de Los Circuitos Integrados

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA Y MECATRÓNICA

ESCUELA: INGENIERÍA DE MECATRÓNICA

DOCENTE: IVAN CISNEROS GONZALEZ

AREA: LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS II

INTEGRANTES DEL GRUPO:

CORONADO BAUTISTA JAVIER

CURO PARI EDY OMAR

CAYOTOPA REGALADO ANDERSON

ERNANDEZ MANCO WILIAN

ROJAS CAMPOS JOSE ENRIQUE

LIMA 08 DE AGOSTO DEL 2015


CIRCUITOS INTEGRADOS

HISTORIALos transistores empacados individualmente eran mucho más pequeños que sus predecesores, los tubos al vacío, pero los diseñadores todavía deseaban dispositivos electrónicos más pequeños. Lo que aumento la demanda de miniaturización y motorizo la investigación, en ese sentido fue el desarrollo del programa Americano de Investigación Espacial (American Space Program).

Desde algún tiempo atrás los ingenieros y científicos habían estado pensando que sería una buena idea tener disponibilidad para fabricar circuitos enteros en una sola pieza de semiconductor.

La primera discusión pública sobre esta idea se debe a un inglés experto en radares llamado G.W.A. Summer, por un escrito publicado en 1952. De todas formas no fue hasta el verano de 1958, que el Sr. Jack ClairKilby, justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments, se propuso cambiar las cosas. Entonces concibió el primer circuito electrónico cuyos componentes, tanto los activos como los pasivos, estuviesen dispuestos en un solo pedazo de material, semiconductor, que ocupaba la mitad de espacio de un clip para sujetar papeles.


El 12 de Septiembre de 1958, el invento de Jack Kilby se probó con éxito. El circuito estaba fabricado sobre una pastilla cuadrada de germanio (Ge), un elemento químico metálico y cristalino, que medía seis milímetros por lado y contenía apenas un transistor, tres resistencias y un condensador que presentó a la dirección de la compañía. Tras mostrárselo, conectó al circuito integrado un osciloscopio y en la pantalla de éste último apareció una onda sinusoidal, demostrando que su invento funcionaba correctamente.

Sólo unos meses después, consiguió la patente número 3.138.743 que reconocía su trabajo. El éxito de Kilby supuso la entrada del mundo en la microelectrónica. El aspecto del circuito integrado era tan nimio, que se ganó el apodo inglés que se le da a las astillas, las briznas, los pedacitos de algo: chip.

El primer prototipo de Kilby fue un oscilador de fase y, a pesar de que las técnicas de manufactura subsecuentemente tomaran caminos diferentes a los tomados por Kilby, el sigue teniendo el crédito de haber creado el primer verdadero circuito integrado.

. Hubo de pasar más, mucho más tiempo, para que sus méritos se vieran

recompensados como merecían: en el año 2000, cuando ya contaba con 77

años, Jack Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física.

Robert Noyce desarrolló su propio circuito integrado, que patentó unos seis meses

después. Además resolvió algunos problemas prácticos que poseía el circuito de Kilby,

como el de la interconexión de todos los componentes; al simplificar la estructura del chip

mediante la adición de metal en una capa final y la eliminación de algunas de las

conexiones, el circuito integrado se hizo más adecuado para su producción en masa.

Además de ser uno de los pioneros del circuito integrado, Robert Noyce también fue uno

de los co-fundadores de Intel HYPERLINK "https://es.wikipedia.org/wiki/Intel_Corporation"

HYPERLINK "https://es.wikipedia.org/wiki/Intel_Corporation" HYPERLINK

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA Y MECATRÓNICA "https://es.wikipedia.org/wiki/Intel_Corporation"Corporation, uno de los mayores fabricantes

de circuitos integrados del mundo.

En el 1963, FAIRCHILD manufacturo un dispositivo llamado el 907 que contenía dos compuertas lógicas, las cuales consistían en cuatro transistores bipolares y cuatro resistores. El 907 también utilizo capas aislantes y estructuras internas, las cuales son características comunes en los circuitos integrados modernos.

En 1967, FAIRCHILD introdujo un dispositivo llamado el micromosaico, el cual contenía algunos cientos de transistores. La principal característica del micromosaico era que los transistores no estaban conectados entre sí. Un diseñador usaba un programa de computadoras para especificar la unión pues se requería que el dispositivo realice, y el programa determinaba las interconexiones necesarias de los transistores y construía las fotos máscaras requeridas para completar el dispositivo. El micromosaico está acreditado como puntero de los circuitos integrados de aplicaciones específicas, y también como el primer dispositivo añadido con aplicación real en el diseño de computadoras.

En 1970, FAIRCHILD introdujo la primera memoria RAM (Random Access Memory) estática de 256 bits llamada 4100, mientras Intel anunciaba la primera RAM dinámica de 1024 bits llamada 1103, en el mismo año.

• FAMILIAS LÓGICAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

• Una familia lógica es un conjunto de componentes digitales que comparten una tecnología común de fabricación y tienen estandarizados sus características de entrada y salida; es decir son compatibles unos con los otros.

• CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS FAMILIAS LÓGICAS:

• Todas las familias o tecnologías de fabricación de circuitos integrados digitales se agrupan en dos categorías generales: Bipolares y MOS.

• FAMILIAS LÓGICAS

• Familia DTL: son circuitos conformados por diodos.

• Familia HTL: son circuitos a diodos, con características especiales. Trabajan con voltaje de polarización mayor. Son especialmente para ser usados en zonas de mucho ruido electromagnético.

• Familia TTL: son circuitos que usan transistores de propósito especial. Son ampliamente usados ya que conmutan muy rápido y consumen bajas potencias.

• Familia CMOS: son circuitos que usan transistores FET. Estos circuitos requieren baja potencia y se emplea para el diseño de la calculadora.

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA Y MECATRÓNICA • Familia ECL: son circuitos que se conmutan muy rápido y se emplean en circuitos de gran velocidad, tales como contadores de alta frecuencia.

• LA FAMILIA DE LOS TTL

La familia lógica TTL es la más antigua y común de todas las familias lógicas de los circuitos integrados digitales. La mayor parte de los chips SSI y MSI se fabrican empleando tecnología TTL.

Los circuitos integrados TTL implementan su lógica interna, exclusivamente a base de transistores NPN y PNP, diodos y resistencias.

La primera serie de dispositivos digitales TTL fue lanzada por la Texas Instruments en 1964.Los chips TTL se emplean en toda clase de aplicaciones digitales, desde el más sencillo computador personal hasta el más sofisticado robot industrial. Los circuitos TTL son rápidos. Versátiles y muy económicos.

La familia TTL está disponible en dos gamas: la serie 54 y la serie 74, la primera se destina a aplicaciones militares y la segunda a aplicaciones industriales y de propósito general.

TTL ESTANDAR:

La familia TTL estándar comprende principalmente los dispositivos que se designan como 74xx y 74xxx (7400, 7447, 74193, etc.) que es la más empleada en los circuitos modernos, también existen otras gamas como 8xxx y 96xx.

Existe una gran cantidad de funciones lógicas que se diseñan con esta tecnología, entre las más principales tenemos: compuertas, decodificadores, codificadores, contadores, flip_ flop, sumadores, multiplexores, etc.

CARACTERISTICAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS TTL

La característica más sobresaliente correspondiente a la familia 74xx y 74Lxx.

La familia TTL emplea dos parámetros para determinar cuántos dispositivos TTL se pueden conectar entre sí. Estos parámetros se denominan abanico de entrada y abanico de salida (fan in) y (fan out), respectivamente.

a. EL fan_ in: Mide el efecto de la carga que presenta una entrada a una salida. cada entrada de un circuito TTL estándar se comporta como una fuente de corriente capaz de suministrar 1.8mA, a este valor de corriente se le asigna un fan _

b. in de 1.

c. El fan_ out: Mide la capacidad de una salida de manejar una o más entradas. cada salida de un circuito TTL estándar se comporta como un disipador de corriente capaz de aceptar 18mA, que se asigna un fan_out de 10.

• Alta velocidad de operación

• Alta disipación de potencia


• tensión de alimentación nominal:

• niveles de voltaje de 0 a 0.8V para el estado bajo y de 2.4 a 5.0V para el estado alto.

Los circuitos en general pueden operar con tensiones de corriente continua de 4.74 y 5.25, pero el valor nominal de la tensión de trabajo es de 5v.

TTL DE BAJA POTENCIA

Los dispositivos de circuitos integrados TTL se caracterizan por su bajo consumo de potencia en comparación con los TTL estándar; son de la gama como 74Lxx y 74Lxxx; por ejemplo: 74L00, 74L04.

OTROS CIRCUITOS INTEGRADOS TTL

• TTL Shottky DE BAJA POTENCIA: Comprende los dispositivos designados como 74LSxx y 74LSxxx (74LS83, 74LS221, etc.) consumen 5 veces menos potencia que los dispositivos estándares y son de igual de rápido.

• FAMILIA LÓGICA CMOS

La familia lógica CMOS es, junto con la familia TTL una de las familias lógicas más populares. Emplea transistores MOSFET complementarios (canal N y canal P) como elemento básico de conmutación.

FAMILIA CMOS ESTANDAR

La familia CMOS estándar comprende principalmente los dispositivos que se designan como 40xx (4012, 4029, etc.) y 45xx(4528,4553,etc.), existen dos gamas generales de dispositivos CMOS designados "A" y "B".

Los dispositivos correspondientes a la gama "A" se designan con el sufijo A (por ejemplo 4011A), y las correspondientes a la gama "B" se designan con el sufijo B (por ejemplo 4029B).

La principal diferencia entre las dos gamas está en que los CMOS "B" contiene una circuitería interna de protección que reduce el riesgo de daño del dispositivo por el fenómeno de descarga electrostática

CARACTERISTICAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

Las características más sobresalientes de las familias CMOS estándares 40xx y 45xx .

• baja disipación de potencia

• buena velocidad de operación

• amplios margines de tensión de alimentación

Los dispositivos de la gama 40xxA pueden operar con tensiones de 3 a 15V y los de la gama 40xxB operan contenciones de 3 a 18V


• los niveles de voltaje de 0 a 0.3V para el estado bajo y de 0.7 a 10V para el estado alto.

• alta inmunidad al ruido

OTROS CIRCUITOS INTEGRADOS CMOS

Además de las gamas 40xx y 45xx, existen varias subfamilias CMOS.

• CMOS EQUIVALENTES A TTL: Comprende los dispositivos designados como 74Cxx y 74Cxxx(74C14,74C164,etc), son compatibles unos con TTL 74Lxx

• CMOS DE ALTA VELOCIDAD: Comprende los dispositivos designados como 74HCXX y 74HCXX:X(74HC85,74HC373,etc), tienen las mismas características de entrada y de alimentación de los dispositivos CMOS estándares y compatibles dispositivos de la familia TTL(74LS85,74LS373,etc).

EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS

Un circuito integrado está formado por un mono cristal de silicio de superficie normalmente comprendida entre 1 y 10 mm de lado, que contiene elementos activos y pasivos. En este capítulo se describen cualitativamente los procesos empleados en la fabricación de tales circuitos. Estos procesos son: Preparación de la oblea, Crecimiento Epitaxial, Difusión de Impurezas, Implantación de Iones, Crecimiento del Oxido, Fotolitografía, Grabado Químico y Mentalización. Se emplea el proceso múltiple que ofrece una excelente identidad de resultados en la producción de un elevado número de circuitos integrados a bajo costo. 2.1- TECNOLOGÍA DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS MONOLÍTICOS MICROELECTRÓNICA El término

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA Y MECATRÓNICA "monolítico" se deriva de las palabras griegas mono que significa único, y litros que significa piedra. Así un circuito integrado monolítico se construye en una única piedra o cristal de silicio. La palabra integrado se debe a que todos los componentes del circuito: transistores, diodos, resistencias, capacidades y sus interconexiones se fabrican como un ente único. Obsérvese que no se incluyen inductancias: una de las consecuencias de la construcción de circuitos integrados semiconductores es precisamente que no pueden conseguirse valores de inductancia prácticos. La variedad de procesos con los que se fabrican estos circuitos se desarrollan sobre un plano único y por tanto puede hablarse de tecnología plana.


Un conjunto de máscaras ópticas forman la interfaz fundamentalentre los detalles del proceso de fabricación y el diseño que el usuario desea ver convertido en silicio. Estas máscaras definen lospatrones de los dispositivos electrónicos y las pistas de interconexión

Estos patrones deben cumplir con ciertas restricciones en lo que respecta a sus anchuras y separaciones mínimas para que los circuitos resultantes sean completamente operativos. A estas restricciones se las denomina reglas de diseño.

El proceso de fabricación CMOS requiere que se construyan transistores tanto de canal n (NMOS) como de canal p (PMOS) sobre un mismo material de silicio.


El proceso de fabricación CMOS requiere un gran número de pasos. Varios de dichos pasos se ejecutan de manera muy repetitiva a lo largo del proceso de fabricación.

La oblea de silicio

El material base para el proceso de fabricación viene en forma de una oblea monocristalina ligeramente dopada. Estas obleas tienen un diámetro entre 10 y 30 cm. y un espeso de, como mucho, un 1mm.Se obtienen cortando un lingote monocristalino en rodajas muy finas.

Una métrica importante es la densidad de defectos del material de base. Las densidades de defectos altas hacen que se incremente el porcentaje de circuitos no operativos y, consecuentemente fuerzan un incremento en el coste del producto final.


Fotolitografía

En cada paso de procesamiento, una cierta área del chip se enmascara utilizando una máscara óptica apropiada, de modo que el paso de procesamiento deseado pueda ser aplicado de manera selectiva a las regiones restantes. El paso de procesamiento puede ser uno cualquiera de entre una amplia variedad de tareas: oxidación, grabación, deposición de metal, deposición de polisilicio, implantación de iones.

La técnica utilizada para realizar este enmascaramiento selectivo se denomina fotolitografía


• Oxidación superficial:

Se deposita una fina capa de polisilicio sobre la oblea. El óxido se utiliza como capa de aislamiento y también para formar la puerta de los transistores.

• Recubrimiento con fotorresist:

Se aplica uniformemente un polímero fotosensible de un espesor aproximado de 1m. Este material es de partida soluble mediante un disolvente orgánico, pero tiene la propiedad de que los enlaces poliméricos se entrecruzan cuando se le expone a la luz, haciendo que las regiones afectadas se vuelvan insolubles (tipo negativo).

• Exposición:


Se sitúa muy próximo a la oblea una máscara con el patrón que queremos transferir al silicio y se expone a continuación a luz ultravioleta. Donde la máscara es transparente, el fotorresist se vuelve insoluble.

• Revelado de fotorresist y horneado:

Las obleas se revelan mediante una solución ácida o básica para eliminar las áreas no expuestas de fotorresist. Posteriormente la oblea se hornea a baja temperatura para endurecer el fotorresist restante.

• Grabado mediante ácido:

Se elimina parte del material de forma selectiva de aquellas áreas de la oblea que no están cubiertas por fotorresist. Esto se lleva a cabo mediante soluciones ácidas, básicas y cáusticas, en función del material que haya que eliminar.


• Centrifugado, aclarado y secado:

Una herramienta especial limpia la oblea con agua des ionizada y la seca con nitrógeno. Para evitas defectos debidos a suciedad, los pasos de procesamiento se llevan a cabo en “salas blancas” en las que el número de partículas de polvo por metro cúbico de aire está comprendido entre 10 y 100.

Algunos pasos de procesamiento recurrente

Muchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que se efectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunas partes del material (por ejemplo, creación de fuente y de drenado).

Existen dos enfoques para la introducción de estos dopantes:


• Implantación por difusión

• Implantación iónica

En ambas técnicas, el área que se quiere dopar se ve expuesta, mientras que el resto de la oblea se recubre con una capa de material protector, típicamente SiO2.

Implantación por difusión

Las obleas se colocan en un tubo de cuarzo situado en un horno caliente. Se introduce en el tubo un gas que contiene el dopante. Las altas temperaturas del horno hacen que los dopantes se difundan en la superficie expuesta tanto vertical como horizontalmente.

Implantación iónicaLos dopantes se introducen en forma de iones dentro del material.

El sistema de implantación de iones dirige un haz de iones purificados sobre la superficie del semiconductor y barre esta con el haz.


El encapsulado de un CI juega un papel fundamental en la operación y las prestaciones de un componente:

• Proporciona un medio para que las señales y las líneas de alimentación entren y salgan del dado de silicio

• Eliminan el calor generado por el circuito Proporcionan un soporte mecánico

• Protege el chip contra condiciones ambientales como la humedad

Actualmente, hasta un 50% del retardo de un CI se produce en el encapsulado

Un buen encapsulado debe cumplir con una gran variedad de requisitos:


• Requisitos eléctricos: Los terminales deben mostrar una baja capacitancia, baja resistencia y baja inductancia

• Propiedades mecánicas y térmicas: La velocidad de disipación de calor debe ser lo más alta posible. Para que el circuito sea fiable, es preciso que haya una conexión resistente entre el dado y el encapsulado y entre este y la tarjeta.

• Bajo coste: Los encapsulados cerámicos tienen unas prestaciones superiores a los encapsulados de plástico, pero son bastante más caros. Incrementar la velocidad de disipación de calor del encapsulado también incrementa su coste. Los encapsulados plásticos más baratos pueden disipar hasta 1W o 2W. Para disipaciones mayores se utilizan encapsulados cerámicos o el empleo de ventiladores, mecanismos de enfriamiento mediante líquidos o conductos de calefacción.

Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas

Materiales de los encapsulados:

• Materiales cerámicos

• Materiales polímeros (materiales plásticos)

Niveles de interconexión:

• Nivel de interconexionado 1: dado-substrato

• Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta

Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas:

Materiales de los encapsulados:

• Materiales cerámicos


• Materiales polímeros (materiales plásticos)

Niveles de interconexión:

• Nivel de interconexionado 1: dado-substrato

• Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta

FAMILIA LOGICA TTL• Sigla en inglés de transistor-transistor logic

• LOGICA DE TRANSITOR a TRANSISTOR

• Sus elementos de entrada y salida son transistores bipolares

Rangos de voltaje de alimentación y temperatura

• Voltaje nominal de 5V.

• La serie 74 de 4.75 a 5.25 V

• La serie 54 de 4.5 hasta 5.5 V.

• La serie 74 temperaturas de 0ºC hasta 70º C

• La serie 54 temperaturas de -55ºC a 125º C.

• La serie 54 tiene un costo mayor dada su mayor tolerancia.

• Esta serie se emplea solo en aplicaciones donde debe mantenerse la operación confiable sobre un amplio margen de condiciones externas.

Disipación de Potencia

• Una compuerta NAND TTL estándar disipa una potencia promedio de 10 mW.

• ICC(promedio) = 8 mA y una PD(promedio) = 8mA x 5 V = 40 mW.

• Esta es la potencia total requerida por las cuatro compuertas del encapsulado

• De este modo, una compuerta NAND requiere una potencia promedio de 10 mW

Retrasos de propagación

• La compuerta NAND TTL estándar tiene retrasos de propagación característicos de

• tPLH = 11 ns

• tPHL = 7 ns


• Con un promedio es de tpd(prom) = 9 ns.

Factor de carga de salida

• Es una medida del número de entradas que una compuerta puede controlar sin exceder las especificaciones de la misma.

• El flujo de corriente en una de entrada o salida se considera positivo si fluye hacia adentro y se considera negativa si fluye hacia afuera de la terminal.

• Cuando conectamos una salida con una o más entradas, la suma algebraica de las corrientes debe dar cero.

• Entradas no conectadas(flotantes): cualquier entrada en un circuito TTL que se deja desconectada actúa como un 1 lógico aplicado a esa entrada, debido a que en cualquier caso la unión o diodo base-emisor de la entrada no será polarizado en sentido directo.

Transitorios de Corriente

• Este efecto global se puede resumir como sigue: Siempre que una salida TTL tipo tótem pasa de BAJO a ALTO, se consume una espiga de corriente de la amplitud de la fuente de alimentación VCC.

• En un circuito o sistema digital puede haber muchas salidas TTL cambiando de estado al mismo tiempo, cada una consumiendo una espiga angosta de corriente de la fuente de poder.

• Serie 74L y 74H

• Proporciona TTL de baja potencia y alta velocidad

• La serie 74L es una versión de baja potencia que consume aproximadamente 1mW pero a costa de un retraso de propagación mucho mayor.

• La serie 74H versión de alta velocidad que tiene un retraso de propagación reducido, un mayor consumo de potencia.

• Serie 74S TTL Shottky

• La serie 74S disminuye el retraso de tiempo por almacenamiento, se logra conectando entre la base y el colector del transmisor un diodo de barrera Shottky.

• Emplea resistencias de bajo valor

• TTL Shottky de bajo consumo de potencia, Series 74LS(LS-TTL)

• La serie 74LS es una versión de la serie 74S con un menor consumo de potencia y velocidad.


• Utiliza el transistor Shottky

• Resistencia más grandes

• Requerimiento de potencia del circuito reducida

• TTL avanzada Shottky , Series 74AS(AS-TTL)

• Proporciona una mejora en la velocidad sobre las 74S

• Con un requerimiento de consumo de potencia mucho menor.

• Incluye bajos requerimientos de corrientes de entrada

• TTL avanzada Shottky de bajo consume de potencia, Series 74ALS

• Esta serie ofrece mejoras tanto en velocidad como en disipación de potencia

• Tiene el menor producto velocidad-potencia de todas las series TTL

• Alto costo ha ocasionado que no remplace la 74LS

• TTL 74F, FAST

• Utiliza una nueva técnica de fabricación de circuito integrado, para reducir las capacitancias inter-dispositivos a fin de lograr demoras reducidas en la propagación.

74LS 74ALS

Retraso de Propagación

9.5 ns 4 ns

Disipación de Potencia

2 mW 1.2 mW

Producto Velocidad-Potencia

19 pJ 4.8 pJ

74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F

PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO

Retraso de Propagación (ns) 9 3 9.5 1.7 4 3

Disipación de Potencia (mW) 10 20 2 8 1.2 6

Producto Velocidad-Potencia(Pj) 90 60 19 13.6 4.8 18


Máxima Frecuencia de Reloj (MHz) 35 125 45 200 70 100

Factor de carga de la salida para la misma serie

10 20 20 40 20 33

PARAMETROS DE VOLTAJE

VOH (min) 2.4 2.7 2.7 2.5 2.5 2.5

VOL (max) 0.4 0.5 0.5 0.5 0.4 0.5

VIH (min) 2 2 2 2 2 2

VIL (max) 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

FAMILIA LOGICA CMOS• Complementary metal-oxide-semiconductor, "estructuras semiconductor-óxido-metal

complementarias”

• La utilización conjunta de transistores de tipo PMOS y tipo NMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas.

• La tecnología CMOS fue desarrollada por Wanlass y Sah, de Fairchild Semiconductor, a principios de los años 60. Sin embargo, su introducción comercial se debe a RCA, con su famosa familia lógica CD4000

Voltaje de alimentación

• Las series 4000 y 74C funcionan con valores de VDD, que van de 3 a 15 V

• Las series 74HC y 74RCT funcionan con un menor margen de 2 a 6 V.

• Cuando se emplean dispositivos CMOS y TTL, juntos, es usual que el voltaje de alimentación sea de 5

• Si los dispositivos CMOS funcionan con un voltaje superior a 5V para trabajar junto con TTL se deben de tomar medidas especiales.

Niveles de voltaje

• Cuando las salidas CMOS manejan sólo entradas CMOS, los niveles de voltaje de la salida pueden estar muy cercanos a 0V para el estado bajo, y a VDD para el estado alto.


• Los requerimientos de voltaje en la entrada para dos estados lógicos se expresa como un porcentaje del voltaje de alimentación

VOL (MAX) 0V

VOH (MIN) VDD

VIL (MAX) 30% VDD

VIH (MIN) 70% VDD

De esta forma, cuando un CMOS funciona con VDD = 5 V, acepta voltaje de entrada menor que VIL(máx) = 1.5 V como BAJO, y cualquier voltaje de entrada mayor que VIH (mín) = 3.5 V como ALTO.

Inmunidad al ruido

• Ruido: “cualquier perturbación involuntaria que puede originar un cambio no deseado en la salida del circuito.”

• Los circuitos lógicos deben tener cierta inmunidad al ruido la cual es definida como “la capacidad para tolerar fluctuaciones en la tensión no deseadas en sus entradas sin que cambie el estado de salida”.

• En la Figura tenemos los valores críticos de las tensiones de entrada y salida de una puerta lógica y los márgenes de ruido a nivel alto y bajo.

Los márgenes de ruido son los mismos en ambos estados y dependen de VDD. En VDD = 5 V, los márgenes de ruido son 1.5 V. Observamos una mayor inmunidad al ruido que las TTL

Disipación de potencia


• Tal y como comentamos, uno de los principales motivos del empleo de la lógica CMOS es su “muy bajo consumo de potencia”. Cuando un circuito lógico CMOS se encuentra en estático u disipación de potencia es extremadamente baja, aumentando conforme aumenta la velocidad de conmutación.

• se produce una disipación de potencia dc típica del CMOS de sólo 2.5 nW por compuerta cuando VDD = 5 V

• aún en VDD = 10 aumentaría sólo 10 nW.

• Con estos valores de PD es fácil observar por qué la familia CMOS se usa ampliamente en aplicaciones donde el consumo de potencia es de interés primordial.

Factor de carga

• El factor de carga de CMOS depende del máximo retardo permisible en la propagación. Comúnmente este factor de carga es de 50 para bajas frecuencias (<1 MHz). Por supuesto para altas frecuencias, el factor de carga disminuye.

Velocidad de conmutación

• Los CMOS, al igual que N-MOS y P-MOS, tiene que conducir capacitancias de carga relativamente grandes, su velocidad de conmutación es más rápida debido a su baja resistencia de salida en cada estado.

• Los valores de velocidad de conmutación dependen del voltaje de alimentación que se emplee, por ejemplo en una a compuerta NAND de la serie 4000 el tiempo de propagación es de 50 ns para VDD = 5 V y 25ns para VDD = 10 V.

ENTRADAS CMOS

• Las entradas CMOS nunca deben dejarse desconectadas, ya que son muy sensibles a la electricidad estática y al ruido

• Tienen que estar conectadas a un nivel fijo de voltaje alto o bajo (0 V o VDD) o bien a otra entrada. Esta regla se aplica aún a las entradas de otras compuertas lógicas que no se utilizan en el mismo encapsulado.

SUSCEPTIBILIDAD A LA CARGA ESTÁTICAS

• Las familias lógicas MOS son especialmente susceptibles a daños por carga electrostática.

• Esto es consecuencia directa de la alta impedancia de entrada de estos CI.

• Una pequeña carga electrostática que circule por estas altas impedancias puede dar origen a voltajes peligrosos.


• Los CMOS están protegidos mediante la inclusión en sus entradas de diodos zéner de protección.

• Los zéner por lo general cumplen con su finalidad, algunas veces no comienzan a conducir con la rapidez necesaria para evitar que el CI sufra daños

Características de las Series

• Series 4000/14000

• La serie 4000A es la línea más usada de CI CMOS. Algunas características más importantes de esta familia lógica son:

• La disipación de potencia de estado estático de los circuitos lógicos CMOS es muy baja.

• Los niveles lógicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lógico y VDD para 1 lógico. VDD puede estar entre 3 V a 15 V

• Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algún nivel de voltaje.

• Serie 74C

• Es compatible terminal por terminal y función por función, con los dispositivos TTL que tienen el mismo número

• Esto hace posible remplazar algunos circuitos TTL por un diseño equivalente CMOS. Por ejemplo, 74C74 puede remplazar al CI TTL 7474

• Serie 74HC (CMOS de alta velocidad)

• Esta es una versión mejor de la serie 74C.

• La principal mejora radica en un aumento de diez veces en la velocidad de conmutación.

• Otra mejora es una mayor capacidad de corriente en las salidas.

• También de alta velocidad, y también es compatible en lo que respecta a los voltajes con los dispositivos TTL.

• Serie 74HCT

• Esta serie también es una serie CMOS de alta velocidad, y está diseñada para ser compatible en lo que respecta a los voltajes con los dispositivos TTL, es decir, las entradas pueden provenir de salidas TTL

• 74AC/ACT CMOS Avanzado

• Esta serie, la más nueva de los CMOS


• Funcionalmente equivalente con las diversas series de TTL pero no es compatible con terminales con el TTL.

• La razón es que las ubicaciones de las terminales en los microcircuitos 74AC o 74ACT se han seleccionado para mejorar la inmunidad al ruido, con lo cual las entradas a dispositivos son menos sensibles a los cambios de señal que las que ocurren en las terminales de otros CI

Principales diferencias entre las familias CMOS y TTL

• En la fabricación de los circuitos integrados se usan transistores bipolares par el TTL y transistores MOSFET para la tecnología CMOS

• Los CMOS requieren de mucho menos espacio (área en el CI) debido a lo compacto de los transistores MOSFET. Además debido a su alta densidad de integración, los CMOS están superando a los CI bipolares en el área de integración a gran escala, en LSI - memorias grandes, CI de calculadora, microprocesadores-, así como VLSI.

• Los circuitos integrados CMOS es de menor consumo de potencia que los TTL.

PARAMETROTTL

estándarTTL 74L

TTL Shottky de baja potencia (LS)

Fairchild 4000B CMOS (con

Vcc=5V)

Fairchild 4000B CMOS (con

Vcc=10V)

Tiempo de propagación de

puerta10ns 33ns 5ns 40ns 20ns

Frecuencia máxima de

funcionamiento

35 MHz 3 MHz 45 MHz 8 MHz 16 MHz

Potencia disipada por

puerta10 mW 1 mW 2 mW 10 nW 10 nW

Margen de ruido admisible

1 V 1 V 0.8 V 2 V 4 V

Fan out 10 10 20 50* 50*


INTRODUCCION


CONTENIDO

• MEMORIA EPROM

Memoria EPROM Del inglés Erasable Read Only Memory. Este tipo de memoria es similar a la PROM con la diferencia que la información se puede borrar y volver a grabar varias veces.

La programación se efectúa aplicando a un pin especial de la memoria una tensión entre 10 y 25 Voltios durante aproximadamente 50 ms, según el dispositivo, al mismo tiempo se direcciona la posición de memoria y se pone la información a las entradas de datos. Este proceso puede tardar varios minutos dependiendo de la capacidad de memoria. La memoria EPROM se compone de un arreglo de transistores MOSFET de Canal N de compuerta aislada.

PROGRAMACIÓN DE UNA MEMORIA EPROM

Las EPROM se programan insertando el chip en un programador de EPROM. y aplicando en un pin especial de la memoria una tensión entre 10 y 25 Voltios durante aproximadamente 50 ms, según el dispositivo, al mismo tiempo se direcciona la posición de memoria y se pone la información a las entradas de datos. Este proceso puede tardar varios minutos dependiendo de la capacidad de memoria.

La memoria EPROM, se compone de un arreglo de transistores MOSFET de Canal N de compuerta aislada.


BORRADO DE LAS MEMORIA EPROM

La memoria puede ser borrada exponiendo el chip a una luz ultravioleta a través de su ventana de cuarzo transparente por aproximadamente de 10 a 20 minutos, esta ventana le permite a los rayos ultravioleta llegar hasta el material fotoconductivo presente en las compuertas aisladas y de esta forma lograr que la carga se disipe a través de este material apagando el transistor, y hacer que todas las celdas de memoria quedan en 1 lógico.

Una vez programada, la ventana de cuarzo se debe cubrir con un adhesivo para evitar la entrada de luz ambiente que pueda borrar la información, debido a su componente de luz ultravioleta y el chip puede ser reprogramado de nuevo.

DESVENTAJAS DE LA EPROM

•Se debe de sacar del circuito para poderlas borrar

•Se debe borrar todo el chip

•El proceso de borrado se toma entre 15 y 30 minutos (este tiempo depende del tipo de fabricante)


EPROM 27C256

CARACTERISTICAS TECNICAS

• Se pueden conectar fácilmente con microprocesadores o micro controladores, algunas de estas memorias tienen pines para realizar esta labor.

• Transferencia de datos de manera serial, lo que permite ahorro del micro para dedicarlo a otras funciones.

• El consumo de corriente es mucho menor que en las memorias que trabajan en paralelo.

• Un aspecto que podría significar una limitante para las memorias seriales es la velocidad de lectura, si se comparan con la EEPROM paralelas, aunque las velocidades que se logran son aceptables para las mayorías de las aplicaciones.

• Tres hilos maneja datos de 8 a 16 bits, mientras que • Dos hilos maneja 8 bits; • Dos hilos la protección contra escritura es por el hardware, • Tres hilos se protege a través de el software;• la operación de la de tres hilos es de hasta 6 MHz y la de • Dos hilos es de 100 KHz y 400 KHz con opción de 1 MHz; • Tres hilos tiene 4 pines de comunicación, • Dos hilos tiene solamente dos pines.


• Memoria EEPROM

La memoria EEPROM es programable y borrable eléctricamente del inglés (ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory). Actualmente estas memorias se construyen con transistores de tecnología MOS (Metal Oxide Sílice) y MNOS (Metal Nitride-Oxide Silicon).

Las celdas de memoria en las EEPROM son similares a las celdas EPROM y la diferencia básica se encuentra en la capa aislante alrededor de cada compuesta flotante, la cual es más delgada y no es fotosensible.

La programación de estas memorias es similar a la programación de la EPROM, la cual se realiza por aplicación de una tensión de 21 Voltios a la compuerta aislada MOSFET de cada transistor, dejando de esta forma una carga eléctrica, que es suficiente para encender los transistores y almacenar la información.

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLAREAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA Y MECATRÓNICA El borrado de la memoria se efectúa aplicando tensiones negativas sobre las compuertas para liberar la carga eléctrica almacenada en ellas.

VENTAJAS DE LA EEPROM CON RESPECTO A LAS EPROM

• Las palabras almacenadas en memoria se pueden borrar de forma

individual.

• Para borra la información no se requiere luz ultravioleta.

• Las memorias EEPROM no requieren programador.

• Para reescribir no se necesita hacer un borrado previo.

• Se pueden reescribir aproximadamente unas 1000 veces sin que se

observen problemas para almacenar la información.

• El tiempo de almacenamiento de la información es similar al de las

EPROM, es decir aproximadamente 10 años.

Aplicaciones de las Memorias EEPROM

Encontramos este tipo de memorias en aquellas aplicaciones en las que el usuario necesita almacenar de forma permanente algún tipo de información.

Por ejemplo en los receptores de TV o magnetoscopios para memorizar los ajustes o los canales de recepción.

Ejemplo de memoria:

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