1. 1. COMPUERTAS LOGICAS. CRISTHIAN FERNANDO PARRA CIPAGAUTA. 11A. Lic: QUEVIN BARRERA ELECTRONICA. INSTITUCION EDUCATIVA BRAULIO GONZALEZ. YOPAL-CASANARE. 2015.
2. 2. CULES SON LAS DIFERENTES FAMILIAS FABRICANTES DE INTEGRADOS? Una familia lgica es un conjunto de circuitos integrados que implementan distintas operaciones lgicas compartiendo la tecnologa de fabricacin y en consecuencia, presentan caractersticas similares en sus entradas, salidas y circuitos internos. La similitud de estas caractersticas facilita la implementacin de funciones lgicas complejas al permitir la directa interconexin entre los chips pertenecientes a una misma familia. Teniendo en cuenta el tipo de transistores utilizados como elemento de conmutacin, las familias lgicas pueden dividirse en dos grandes grupos: las que utilizan transistores bipolares y las que emplean transistores MOS. Familias bipolares.- emplean transistores bipolares y diodos, es decir, dispositivos de unin. Las familias bipolares ms representativas son las familias TTL y ECL. Otras familias representativas son RTL, DTL, IIL. Familias MOS.- emplean transistores MOSFET, es decir, transistores de efecto campo. La familias MOS ms representativas son las familias NMOS, PMOS, CMOS. Parmetros de una familia lgica. TEMPORALES: - Retraso de propagacin de bajo a alto, tPLH.- tiempo transcurrido desde que la seal de entrada baja (pasa por el 50%) hasta que la seal de salida sube (pasa por el 50%). - Retraso de propagacin de alto a bajo, tPHL.- tiempo transcurrido desde que la seal de entrada sube (pasa por el 50%) hasta que la seal de salida baja (pasa por el 50%). El hecho de subida y bajada se debe a que las principales familias son negativas, es decir, la salida que obtenemos es el valor negado de dicha funcin. TENSIN: - Nivel alto de la salida (entrada), VOH (VIH).- nivel de tensin considerada
3. 3. como alto para la salida (entrada). - Nivel bajo de la salida (entrada), VOL (VIL).- nivel de tensin considerada como alto para la salida (entrada). INTENSIDAD: - Fan-out.- nmero mximo de puertas que se pueden conectar a la salida sin que se degrade la seal de salida. - Fain-in.- nmero mximo de puertas que se pueden conectar a la entrada sin que se degrade la operacin de la puerta lgica. POTENCIA: - Potencia media consumida.- Es la energa que solicita a la fuente de tensin. Este parmetro cada da es ms importante debido al auge que estn adquiriendo los sistemas sin cable. Este parmetro est ntimamente relacionado con la vida de la batera de estos sistemas. FAMILIAS BIPOLARES. Familia TTL (Transistor-Transistor Logic) Esta familia es una de las ms empleadas en la construccin de dispositivos MSI. Est basada en el transistor multi-emisor. Este transistor es un transistor con varios emisores, una sola base y un solo colector. El funcionamiento de la puerta es el siguiente. Debido a que la intensidad de base de un transistor bipolar es muy pequea, en primera aproximacin podemos decir que es nula por lo que la base del transistor T1 siempre est conectado a polarizacin. Cuando cualquiera de las entradas se encuentra en un
4. 4. nivel bajo, el transistor T1 se encontrar en la regin de saturacin, ya que la unin BE est conduciendo y la unin BC siempre est directamente polarizada, lo cual provocar que la base del transistor T2 tenga una tensin de 0.4 v (0.2v de la cada entre colector y emisor y 0.2v del nivel bajo). Esta situacin provoca que dicho transistor est cortado. Al estar T2 cortado, la tensin de base de T3 ser 0, lo cual implica que T3 tambin est cortado. En cambio, el transistor T4 estar en zona activa directa o en saturacin (dependiendo de los valores de las resistencias R2 y R4), que provocar que el diodo conduzca colocando en la salida un nivel alto. Cuando todas las entradas se encuentren a nivel alto, el transistor T1 estar en la zona activa inversa, ya que la unin BE est cortada y la unin BC est conduciendo. Esta situacin provoca que la tensin de base del transistor T2 sea aproximadamente de 1.4 v., llevando a dicho transistor a saturacin. Por lo tanto, el transistor T3 estar igualmente saturado y en la salida se colocar un nivel bajo. En cambio, el transistor T4 se encontrar en zona activa directa, pero el diodo no conducir, desconectando la salida de la tensin de polarizacin.
5. 5. La lgica de esta familia es negada, es decir, la salida siempre est complementada. Familia ECL (Emitter Coupled Logic). A diferencia de los TTL en los ECL se evita la saturacin de los transistores, esto da lugar a un incremento en la velocidad total de conmutacin. La familia ECL opera bajo el principio de la conmutacin de corriente, por el cual una corriente de polarizacin fija menor que la corriente del colector de saturacin es conmutada del colector de un transistor al otro. Este tipo de configuraciones se les conoce tambin como la lgica de modo de corriente (CML; current-mode logic). Ventajas de la familia ECL -Son los circuitos ms veloces y pueden alcanzar tiempos de demora de hasta 1ns. -No existen picos de corrientes en los transistores como sucede en la familia lgica TTL. -Se dispone de salidas complementadas, lo que le brinda mayor versatilidad. -El nivel de 1 lgica es prcticamente independiente del factor de carga. -Buen factor de carga N= 15 Desventajas de la familia ECL -Pequeos valores de los mrgenes de ruidos. -Altos valores de potencia del orden de 40 mW. -No son compatibles con los circuitos TTL. -Ocupan gran rea en los circuitos integrados. El funcionamiento de la puerta es el siguiente. Los niveles lgicos estarn alrededor de la tensin VREF, luego la intensidad que pasar por la resistencia REE ser aproximadamente constante e igual a: Cuando en la entrada existe un nivel bajo (una tensin menor que VREF), el transistor T1 estar en el lmite de corte mientras que el T2 estar en el lmite de saturacin. Por lo tanto, toda la intensidad pasar a travs de T2. As los valores de tensin en los colectores de T1 y T2 sern Vcc y Vcc-IEERC,
6. 6. respectivamente. Podemos apreciar que estos valores dependen en gran medida de la intensidad, y por lo tanto el fan-out tiene una gran influencia. Para reducir esta influencia y aumentar este fan-out, necesitaremos unas etapas de salida, formadas por las parejas de los transistores T3 y T4 con sus respectivas resistencias. Los transistores T3 y T4 siempre estarn en zona activa directa suministrando la intensidad necesaria y desacoplando la funcin lgica del resto del circuito. Por lo tanto, la seal F' tendr un nivel alto (Vcc -VBE(ON)), y la seal F tendr un nivel bajo (Vcc - VBE(ON) -IEERC). Cuando en la entrada existe un nivel alto, la operacin es similar cambiando el transistor T1 por el T2. Familia CMOS. Esta familia basa su operacin en la utilizacin de los transistores NMOS y PMOS funcionando como interruptores, de tal forma que los transistores NMOS suministran el nivel bajo (ya que no se degrada con la tensin umbral) y los transistores PMOS suministran el nivel alto (ya que no se degrada con la tensin umbral).
7. 7. El funcionamiento de la puerta es el siguiente. Cuando en la entrada hay un nivel bajo, el transistor T1 estar cortado mientras que el T2 estar conduciendo. Por lo tanto, el transistor T2 colocar en la salida un nivel alto (que ser directamente el nivel de polarizacin), y el transistor T1 evitar el paso de corriente por lo que no consume potencia en esttica, slo en el transitorio. Cuando en la entrada hay un nivel alto, el transistor T2 estar cortado mientras que el T1 estar conduciendo. Por lo tanto, el transistor T1 colocara en la salida un nivel bajo (que ser directamente el nivel de tierra), y el transistor T2 evitar el paso de corriente por lo que no consume potencia en esttica, slo en el transitorio. En la actualidad, la mayora de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnologa CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de seales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales cuyo consumo es considerablemente bajo. Ventajas. Bajo consumo de potencia esttica, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS slo experimentar corrientes parsitas. Esto es debido a que en ninguno de los dos estados lgicos existe un camino directo entre la fuente de alimentacin y el terminal de tierra, o lo que es lo mismo, uno de los dos transistores que forman el inversor CMOS bsico se encuentra en la regin de corte en estado estacionario. Gracias a su carcter regenerativo, los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradacin de seal debido a la impedancia del metal de interconexin. Los circuitos CMOS son sencillos de disear. La tecnologa de fabricacin est muy desarrollada, y es posible
8. 8. conseguir densidades de integracin muy altas a un precio mucho menor que otras tecnologas. Desventajas. Debido al carcter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nMOS-pMOS, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lgicas. Son vulnerables a latch-up: Consiste en la existencia de un tiristor parsito en la estructura CMOS que entra en conduccin cuando la salida supera la alimentacin. Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentacin de los circuitos integrados. El latch-up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentacin que acarrea la destruccin del dispositivo. Siguiendo las tcnicas de diseo adecuadas este riesgo es prcticamente nulo. Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusin con suficiente regularidad, para asegurarse de que est slidamente conectado a masa o alimentacin. Segn se va reduciendo el tamao de los transistores, las corrientes parsitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinmicas (debidas a la conmutacin de los dispositivos). Familia NMOS Se basa en el empleo nicamente de transistores NMOS para obtener la funcin lgica. El funcionamiento de la puerta es el siguiente. Cuando la entrada se encuentra en un nivel bajo, el transistor NMOS estar en su zona de corte. Por lo tanto, la intensidad que circular por el circuito ser nula y en la salida se encontrar la tensin de polarizacin, es decir, un nivel alto. Cuando la entrada se encuentra en un nivel alto, el transistor estar
9. 9. conduciendo y se comportar aproximadamente como un interruptor. Por lo tanto, en la salida estar un nivel bajo. En este caso la resistencia acta de pull-up (dispositivo que suministra el nivel alto) de la estructura. En la familia NMOS se puede construir cualquier funcin arbitraria siempre y cuando se mantengan las limitaciones tecnolgicas (que suelen traducirse en la conexin en serie de un nmero mximo de transistores). Para formar cualquier funcin, las estructuras son las siguientes: La conexin en paralelo de dos transistores (o grupo de ellos) acta como una puerta OR. La conexin en serie de dos trnasistores (o grupo de ellos) acta como una puerta AND. No obstante, hay que tener en cuenta que esta familia (al igual que la TTL) siempre devuelve el complemento de la funcin. En los transistores PMOS es la funcin inversa. Es decir: La conexin en paralelo forma una operacin AND La conexin en serie forma una operacin OR. Familia DL (Diode Logic)
10. 10. De forma previa al estudio de las familias actuales, se va a realizar el estudio de la familia DL (Diode Logic), ya en desuso pero muy simple. Esta familia se basa en diodos, a los que se unen resistencias para evitar la destruccin de stos. Cuando en la entrada tenemos un 0, la tensin que hay en el diodo ser de 0v. o menor, por lo que el diodo estar en corte. En esta situacin, la intensidad ser 0, y por lo tanto, la tensin que cae en la resistencia tambin ser 0. Luego en la salida tendremos directamente la tensin de tierra,es decir, 0v. o 0. Cuando en la entrada tenemos un 1, la tensin que ah en el diodo es positiva, por lo que estar en conduccin. En esta situacin, la tensin que cae en el diodo es la de conduccin, es decir, V. Luego en la salida tendremos VDD-V.