CIRCUITOS INTEGRADOS

CIRCUITOS INTEGRADOS. CHIPS

Un circuito integrado es un circuito electrnico funcional cuyos componentes se fabrican todos a la vez sobre una base monoltica de material semiconductor (sustrato); esto es lo que se conoce por chip. El chip, una vez encapsulado para que pueda ser manejable, da lugar al circuito integrado (Fig. 1).

Figura 1. Circuito integrado tpico (DIL 16 patillas). Representacin esquemtica (a) y aspecto fsico (b). Suele ser del tipo IVISI (escala de integracin media).

ESCALAS DE INTEGRACINEl nivel de complejidad de los circuitos integrados digitales se expresa en lo que se llama escala de integracin, que da idea del nmero de puertas integradas y, por tanto, de su complejidad. (Densidad de integracin son transistores por mm2)Una clasificacin, aceptada, de la complejidad de los CI, est basada en el nmero aproximado de componentes (usualmente transistores) esto es:

SSI: 10 a 100 (Small Scale Integration)MS1: 100 a 1.000 (Medium Scale Integration)LSI: 1.000 a 10.000 (Large Scale Integration)VLSI: 10.000 a 100.000 (Very Large Scale Integration),VVLSI: ms de 100.000 (muy, muy alta escala de integracin!) (ULSI)TECNOLOGAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

1. Tecnologas bipolares

El trmino bipolar es debido a que los circuitos electrnicos integrados se realizan con transistores NPN y PNP cuyo funcionamiento se basa en dos portadores de carga (huecos y electrones) y por eso se denominan bipolares.

Como tecnologas ms representativas, aunque algunas de ellas ya estn obsoletas, consideramos las siguientes:

RTL (ResistorTransistor Logic)

DTL (D Diode Transistor Logic)

HTL (HighThreshold Logic)

TTL (TransistorTransistor Logic)

ECL (EmitterCoupled Logic)

IIL (IntegratedInyection Logic)

De todas ellas, la ms popular es la TTL (lgica transistor- transistor), que se caracteriza por su alimentacin tpica de 5 V y alta velocidad de respuesta. La ECL (lgica de emisores acoplados) es la ms rpida de todas (1 nano segundo de tiempo de propagacin), es una lgica no saturada (los transistores no llegan a la saturacin), en lo cual se basa su alta velocidad. Su empleo se limita a casos especiales, que requieran muy alta velocidad de funcionamiento. No obstante, las versiones ms modernas de TTL son casi igual de rpidas (1,5 ns en la serie 74AS) y son ms baratas.

La IIL (lgica de inyeccin integrada) es la que mayor densidad de integracin permite (en bipolar), llegndose a fabricar hasta chips de alta escala de integracin (LSI) como microprocesadores. Consume menos que la popular TTL, pero es algo ms lenta. A nivel de circuitos de escala de integracin media (MSI) no se ha hecho popular. no es muy conocida y se emplea poco. Se puede decir que es una tecnologa bipolar de cara a chips de alta escala de integracin.

La HTL (lgica de alta inmunidad al ruido) se dise de cara a aplicaciones industriales donde el ruido elctrico es muy elevado. Se caracteriza por una muy alta inmunidad al ruido, aunque es lenta y consume mucho. En la actualidad no se utiliza, ya que con la tecnologa CMOS se puede conseguir tambin una alta inmunidad al ruido, adems de un consumo muchsimo ms bajo, mayor rapidez y precio ms bajo.

Las tecnologas RTL y DTL son las ms antiguas (no se fabrican), aunque la DTL es predecesora de la tecnologa ms popular: la TTL

2. Tecnologas MOS

Los circuitos electrnicos integrados se basan en transistores MOS (Metal xido Semiconductor). De entre las diferentes tecnologas MOS las que consideramos ms representativas son: PMOS, NMOS, CMOS, HCMOS y HMOS.La PMOS es la ms antigua, hoy da ya obsoleta. Se basa en los transistores MOS de canal P. Tiene una alta densidad de integracin, aunque es muy lenta

La NMOS es ms rpida que la PMOS. Es una tecnologa empleada en populares microprocesadores de 8 bits, como, por ejemplo, el 6800 (de Motorola), el 8085 (de Intel) y el Z80 (de Zilog). NMOS es una tecnologa normal en el campo de los CI de alta escala de integracin (LSI) (microprocesadores, memorias, interfaces, etc.).CMOS domina en el campo de los C.l. de escala de integracin media (MSI), aunque tambin es empleada en los LSI; el microprocesador COSMAC, de RCA, por ejemplo, est fabricado en CMOS. Esta tecnologa se caracteriza especialmente por un muy bajo consumo y porque puede funcionar con una alimentacin entre unos 3 y 15 V. Requiere, no obstante, ciertas precauciones en su manejo. HCMOS es una versin mejorada de CMOS, que permite especialmente una alta velocidad de operacin. Por eso se conoce por CMOS de alta velocidad (High speed). Ha dado lugar a una serie de C.l. digitales que se est popularizando mucho: la serie 74HC/HCT/HCU.

CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS C.l. DIGITALESEstas caractersticas son independientes de la funcin lgica que haga el circuito.

1 Caractersticas de entradasalida

Tratan sobre los niveles de tensin y corriente en las entradas y en la salida. Es necesario conocer estas caractersticas para una mejor utilizacin del circuito, sobre todo cuando se hacen montajes, con circuitos de diferentes tecnologas o se quieren controlar circuitos de salida, por ejemplo, LED, transistores, triacs, etctera.

Respecto a las entradas:

VIH: Voltaje de entrada para el nivel alto (high), "1'. El fabricante proporciona la tensin mnima que garantiza el " 1 ", (VIHmin)VIL: Voltaje de entrada para el nivel bajo (low), "0". El fabricante proporciona la tensin mxima que garantiza el "0", (VILmax.)IIH: Intensidad de entrada cuando se aplica el nivel alto ("1").

IIL: Intensidad de entrada cuando se aplica el nivel bajo ("0").

El fabricante proporciona los valores mximos de corriente que se pueden dar.

Respecto a las salidas:

VOH: Voltaje de salida en el nivel "F'. El fabricante proporciona el valor mnimo de tensin que puede aparecer (VOHmin)

VOL: Voltaje de salida para el nivel "0"'. El fabricante proporciona el valor de tensin mxima que puede aparecer (idealmente cero voltios) (VOLmax)IOH: Intensidad de salida en el nivel " 1 ".

IOL: Intensidad de salida en el nivel "0".

En la documentacin tcnica se proporcionan los valores mximos de corriente de salida garantizados, en las condiciones ms desfavorables. En general, los fabricantes suministran informacin sobre todos estos parmetros, en sus valores lmites, garantizando as unos valores.2 Cargabilidad de salida (Fanout)

Es el nmero mximo de entradas que una salida puede excitar, permaneciendo los niveles dentro de los valores garantizados. El fanout depende, por tanto, de la corriente que puede dar la salida y de la corriente que absorben las entradas; la suma de todas las corrientes de las entradas tiene que ser, como mximo, igual a la mxima corriente que puede dar la salida (Fig. 2). De una forma general, se puede expresar as:

Siendo el fanout el valor mximo de n (nmero de entradas) que an cumple con la expresin.

3 Curva de transferencia

La curva de transferencia muestra la forma de variar la tensin de salida en funcin de la tensin de entrada. En el caso de un inversor, por ejemplo, hay un margen de tensiones de entrada que corresponden al nivel "0", para el cual

queda garantizado que la salida es "1". Y de forma anloga tambin hay un margen de tensiones de entrada correspondientes al nivel "1", para los cuales se garantiza que la salida es "0". Estos son los mrgenes permitidos entre los cuales debe variar la seal de entrada, para garantizar que el estado de la salida opere dentro de su tambin correspondiente margen de tensiones.

El margen de tensiones de entrada entre VIL max Y VIH min, produce tensiones de salida no definidas, fuera de los mrgenes del "1 y el "0" y, por tanto, no debe emplearse; es el margen prohibido.

La figura muestra la curva de transferencia general para el caso de un inversor, indicando los cuatro puntos ms importantes correspondientes a otros tantos valores, los cuales proporcionan los fabricantes de circuitos integrados

4 Ruido

El concepto "ruido" en los sistemas digitales en general significa: perturbaciones transitorias indeseadas que se producen en los niveles lgicos de los circuitos, debido a causas internas o externas. Entre las diferentes causas de fuentes de ruido elctrico tenemos:

Ruido elctrico ambiental, generado por: chispas en contactos de interruptores, motores, fluorescentes, contactores, etc.

Ruido por la alimentacin.

Ruido por acoplo entre pistas cercanas.

Las seales de ruido distorsionan las formas de onda de las seales digitales, como se representa en la figura.

Si la magnitud del ruido es demasiado grande, se producen fallos en la informacin digital. Pero si la amplitud del ruido a la entrada de cualquier circuito digital es ms pequea que un valor determinado, conocido como " margen de ruido", ste no afectar al buen funcionamiento del circuito.

Con respecto al ruido elctrico, los sistemas digitales presentan una gran ventaja frente a los sistemas analgicos: el ruido no se acumula cuando pasa de un circuito a otro, cosa que s ocurre en los circuitos analgicos (el pequeo ruido que se introduce en la entrada de un amplificador se ve amplificado por todas las etapas). De ah el inters por introducir la tcnica digital en todas las aplicaciones que sea posible, lo que ha llevado a tener hoy da equipos digitales en los estudios de grabacin, el compact disc, las videocmaras, etc.

Las causas de la presencia de ruido en un circuito, pueden ser debidas a:

Cadas de tensin por efecto resistivo e inductivo en las lneas. Acoplo capacitivo entre lneas. Acoplo inductivo entre lneas. Efecto de antena (en ciertos puntos se captan seales externas de tipo electromagntico).Para su eliminacin existen diversas tcnicas prcticas; un ejemplo de ello son los tpicos condensadores de 100 nF que se ponen en las patillas de la alimentacin de cada circuito integrado.

5 Disipacin de potencia

Se trata de la potencia consumida por funcin lgica, lo cual da cuenta tambin de la intensidad de consumo. En esttico, se define la potencia media disipada por puerta (valor medio de la potencia disipada en los estados "0" y 1"):

Es importante saber que la potencia disipada aumenta con la frecuencia de trabajo, ya que aparecen picos transitorios elevados de corriente en la conmutacin. Como es obvio, interesa que los circuitos consuman el mnimo de potencia.

6 Tiempo de propagacin (velocidad)

Este parmetro da cuenta de la velocidad de funcionamiento de los circuitos y, por tanto, del sistema digital. Ello depende del tiempo de respuesta de los circuitos, que es el tiempo que pasa desde el momento en que se activa la entrada hasta que la salida cambia de estado; esto se conoce por tiempo de propagacin.

Los retardos de propagacin los suministra el fabricante, y son del orden de nanosegundos (109 s).

A continuacin se describen las dos tecnologas ms importantes, que dominan el mercado de los sistemas digitales con Cl MSI: TTL y CMOS.

TECNOLOGA TTL

Introduccin

La tecnologa TTL es de tipo bipolar, o sea, se basa en los transistores bipolares (los populares NPN y PNP). Aunque es una tecnologa bastante antigua (la introdujo Texas Instruments en 1964), an hoy da sigue siendo de las ms empleadas; se puede decir que an es la ms popular. No obstante, tiene una fuerte competidora: la tecnologa CMOS. Actualmente, TTL y CMOS se reparten el mercado de los sistemas digitales basados en Cl SSI y MSI.

Como caractersticas generales representativas de TTL se pueden citar:

Fcil utilizacin

Amplia documentacin

Alimentacin de 5 V

Consumo medio

Velocidad alta

Puede decirse que la serie 74 de circuitos integrados (7400, 7432, 7402, etc.) es la ms indicada para introducirse en la experimentacin de los circuitos digitales. La tecnologa CMOS (serie 40, y ms modernamente la 74HC), requiere mayores precauciones y es ms delicada su utilizacin; es aconsejable haber experimentado antes con la TTL.

Caractersticas TTL estndar

Tensiones y corrientes de entradasalida.

Como resumen de estos datos tenemos:

Entrada.

Salida:

VIL max = (),8 VVOL max = 0,4 V

VIH min = 2 V

VOH min = 2,4 V

IIL max = 1,6 mAIOL max = 16 mA

IIH max = 40 AIOH max = 400 A

Estos son valores tpicos, pero segn los tipos de circuitos y subfamilias pueden variar ligeramente.

El conocer estos datos permite, por ejemplo, no cometer "herejas tcnicas" con las puertas, como querer activar directamente un rel, transistores de potencia, etc.

TECNOLOGA CMOS

La tecnologa CMOS fue desarrollada por la firma RCA y utilizada inicialmente en aplicaciones aerospaciales y militares en las que interesaba especialmente un bajo consumo (principal caracterstica de los Cl CMOS). Las siglas CMOS significan Complementary MOS, es decir, MOS complementarios, puesto que sus circuitos se basan en los transistores MOS de canal N y canal P.

La firma RCA la lanz al mercado en 1968 con la denominacin COS/MOS (Complementary Symmetry MOS), fue la serie de circuitos integrados CD4000 (primera serie comercial, y la ms popular); son los circuitos CD4001, CD4011, CD4028, etc.

Como principales caractersticas de CMOS, tenemos:

Muy bajo consumo (la ms representativa) Amplio margen de tensin de alimentacin. ( 3 a 15 volts ) Alta inmunidad al ruido.

Debido a estas buenas caractersticas (especialmente el bajo consumo), ha ido introducindose en el mercado y creciendo en popularidad.

Figura 2. La cargabilidad de salida depende de la corriente mxima de salida y de las corrientes de las entradas que se conectan

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