CIRCUITO INTEGRADOS DIGITALES

Ing. Wilmer Naranjo

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CARACTERISTICAS BÁSICAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES ¾

¾

Son una colección de resistores, diodos y transistores fabricados sobre una pieza de material semiconductor (generalmente silicio) denominado sustrato y que comúnmente recibe el nombre de circuito integrado (CI). El CI se encuentra dentro de un encapsulado plástico o de cerámica con terminales que permiten conectarlo con otro dispositivo.

Ing. Wilmer Naranjo

2

ENCAPSULADOS DE LOS CI ¾

Éstos difieren en la cantidad de circuitería que contiene el sustrato de silicio.

¾

El número de conexiones externas que se hacen con el sustrato.

¾ ¾

Las condiciones del medio ambiente. El método empleado para montar el encapsulado sobre el sustrato del circuito. Ing. Wilmer Naranjo

3

TIPOS DE ENCAPSULADO Los tipos de encapsulado más comunes son:  Encapsulado

de doble línea (DIP, siglas de dual-in-line-package)  Encapsulado plano de cerámica.  Encapsulado para montaje de superficie. Ing. Wilmer Naranjo

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Encapsulado de doble línea (DIP) ¾

Formado por dos hileras de terminales.

¾

Las terminales están numeradas en sentido opuesto al avance de las manecillas del reloj cuando se ven por arriba, en relación con una muesca o punto que se encuentra en uno de los extremos del encapsulado y que sirve como identificación. Se emplean encapsulados con 16, 20, 24, 28, 40 y 64 terminales. Algunos DIP tienen muescas en ambos extremos. En éstos casos la ubicación de la terminal número 1 está señalada por un pequeño punto.

¾ ¾ ¾

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5

DIBUJO DE UN DIP ¾

ENCAPSULADO DIP

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ENCAPSULADO PLANO DE CERÁMICA ¾ ¾ ¾ ¾

Esta hecho de una base no conductora. Inmune a los efectos de la humedad. Aplicaciones de tipo militar. Condiciones ambientales extremas.

ENCAPSULADO PARA MONTAJE DE SUPERFICIE ¾ ¾ ¾

Sus terminales están dobladas en un ángulo recto. Más pequeños que los DIP. Las terminales son más pequeñas y menos rígidas. Ing. Wilmer Naranjo

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CLASIFICACIÓN DE ACUERDO CON LA COMPLEJIDAD

¾ ¾

Se estima por el número de compuertas lógicas equivalentes sobre el sustrato. En la actualidad existen 6 niveles estándar de complejidad.

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CLASIFICACIÓN DE ACUERDO CON LA COMPLEJIDAD COMPLEJIDAD

# DE TRANSISTORES

Nº DE COMPUERTAS

Integración en pequeña escala (SSI)

10 a 100

1 a 10

Integración en mediana escala (MSI)

100 a 1000

10 a 100

Integración en gran escala (LSI)

1000 a 10000

100 a 1000

Integración en muy alta escala (VLSI)

10000 a 100000

1000 a 10000

Integración en ultra escala (ULSI)

100000 a 1000000

10000 a 100000

Integración en giga gran escala (GLSI)

Mayor a 10000000

Mayor a 1000000

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Clasificación de acuerdo con el tipo principal de componentes electrónicos utilizados en su circuitería. Se clasifica en:  

Circuitos Integrados Bipolares Circuitos Integrados Unipolares

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Circuitos Integrados Bipolares ¾

Son aquellos que están fabricados con transistores bipolares de unión (NPN y PNP) como su principal componente de circuito. Ej: ¾

La familia lógica TTL y ECL

Circuitos Integrados Unipolares ¾

Son los que emplean transistores unipolares de efecto de campo (MOSFET de canal N ó P) como elemento principal. Ej: ¾

la familia lógica PMOS, NMOS y CMOS. Ing. Wilmer Naranjo

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PARÁMETROS DE VOLTAJE VIH(min),Voltaje de entrada de nivel alto: Nivel de voltaje que se requiere para un 1 lógico en una entrada. Cualquier voltaje debajo de éste nivel no será aceptado como ALTO por el circuito lógico. ¾ VIL(max),Voltaje de entrada de nivel bajo: Nivel de voltaje que se requiere para un 0 lógico en una entrada. Cualquier voltaje sobre éste nivel no será aceptado como BAJO por el circuito lógico. ¾

VOH(min),Voltaje de salida de nivel alto: Nivel de voltaje en la salida de un circuito lógico en el estado 1 lógico. Por lo general se especifica el valor mínimo de VOH. ¾ VOL(max),Voltaje de salida de nivel bajo: Nivel de voltaje en la salida de un circuito lógico en el estado 0 lógico. Por lo general se especifica el valor máximo de VOL. ¾

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PARÁMETROS DE VOLTAJE

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PARÁMETROS DE CORRIENTE ¾

IIH, Corriente de entrada de nivel alto: Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de nivel alto específico a dicha entrada.

¾

IIL, Corriente de entrada de nivel bajo: Corriente que fluye en una entrada cuando se aplica un voltaje de nivel bajo específico a dicha entrada.

¾

IOH, Corriente de salida de nivel alto: Corriente que fluye desde una salida en el estado 1 lógico en condiciones de carga específicas.

¾

IOL, Corriente de salida de nivel bajo: Corriente que fluye a partir de una salida en el estado 0 lógico en condiciones de carga específicas. Ing. Wilmer Naranjo

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Inmunidad al ruido ¾

La inmunidad al ruido de un circuito lógico se refiere a la capacidad de circuito para tolerar voltajes ruidosos en sus entradas.

¾

A una medida cuantitativa de inmunidad, al ruido se le denomina margen de ruido.

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MARGEN DE RUIDO 1 lógico

1

Voltaje

VOH (min)

lógico VIH(min)

Intervalo

Intervalo

No permitido

VIL(max) VOL (max)

0

Indeterminado 0 lógico

lógico Intervalos de

Requerimientos de

voltaje de salida

voltaje de entrada

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Margen de Ruido de Estado Alto VNH VNH = VOH (min) – VIH (min)

Margen de Ruido de Estado Bajo VNL VNL = VIL (máx) – VOL(max)

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Ejemplo: VNH = VOH (min) – VIH (min) = 2.4V – 2.0V = 0.4V

VNL = VIL (máx) – VOL(max) = 0.8V – 0.4V = 0.4V Ing. Wilmer Naranjo

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REQUERIMIENTOS DE POTENCIA ¾

Todos los CI requieren de cierta cantidad de potencia eléctrica para poder funcionar. Esta potencia es suministrada por uno o más fuentes voltajes de conectados a las terminales de polarización del CI.

¾

La cantidad de potencia que necesita un circuito integrado se especifica por lo general en términos de la corriente Icc, que consume de la fuente de alimentación Vcc, y la potencia real es el producto de Icc x Vcc.

¾

En términos generales ICCH e ICCL serán valores diferentes. Ing. Wilmer Naranjo

19

¾

La corriente promedio es: ICC (prom) = (ICCH + ICCL)/2

¾

Ésta corriente se puede emplear para calcular el consumo promedio de potencia: PD (prom) = ICC(prom) x VCC

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20

RETARDOS EN LA PROPAGACIÓN ¾

Una señal lógica siempre experimenta un retardo al recorrer un circuito.

¾

Los dos tiempos de retardo de propagación se definen como: TPLH y TPHL.

¾

TPLH: Tiempo de retardo al pasar del estado lógico 0 al 1 lógico (de BAJO a ALTO)

¾

TPHL: Tiempo de retardo al pasar del estado lógico 1 al 0 lógico (de ALTO a BAJO) Ing. Wilmer Naranjo

21

FACTOR DE CARGA DE SALIDA (Fan - out) ¾

Se define como el número máximo de entradas lógicas estándar que una salida puede manejar confiablemente.

¾

Para esto es necesario conocer la capacidad de corriente de la salida, esto es, IOL(max) e IOH(max) junto con los requerimientos de corriente de cada entrada, esto es, IIL e IIH.

¾

Entonces tenemos: Factor de carga de salida (BAJO) = IOL(max) / IIL(max) Factor de carga de salida (ALTO) = IOH(max) / IIH(max) Ing. Wilmer Naranjo

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Ejemplo Fan OUT: Fan Out = 20mA / 2mA m = 10 Fan In = 10mA / 1,5mA n =6

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Circuitos Integrados RTL ¾

RTL son las iniciales de las palabras inglesas Resistor, Transistor, Logic. Es decir es una familia cuyas puertas se construyen con resistencias y transistores (bipolares). El esquema básico de una puerta NOR es el siguiente: ¾

Suponiendo que las dos entradas en nivel alto (H-H), sea de 3v. Tanto Q1 como Q2 están saturados. ¿Por qué?, pues porque tienen sus uniones BE bien polarizadas (la base más positiva que el emisor) y se les suministra suficiente intensidad de base:

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Circuitos Integrados RTL Vcc

A

B

¾

C

Compuerta NOR de 3 entradas

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Circuitos Integrados DTL ¾

¾

Las siglas DTL vienen de las iniciales de las palabras inglesas Diode Transistor Logic. Es decir estamos tratando con una familia compuesta básicamente por diodos y transistores (sin olvidar a las resistencias). Los diodos se encargan de realizar la parte lógica y el transistor actúa como amplificador inversor. El esquema básico de una puerta AND con diodos:

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LA FAMILIA LÓGICA TTL ¾

La familia lógica transistor-transistor (TTL)

¾

El circuito lógico TTL básico es la compuerta NAND.

CARACTERÍSTICAS DE LA SERIE TTL ESTÁNDAR ¾

En 1964 Texas Instruments Corporation introdujo la primera línea de CI estándar TTL.

¾

En la actualidad muchos fabricantes producen CI TTL.

¾

Todos ellos utilizan el mismo sistema de numeración. Ing. Wilmer Naranjo

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SERIE 74 ¾

Los CI de la serie 74 estándar ofrecen una combinación de velocidades y disipación de potencia adecuada a muchas aplicaciones.

Serie 74L, TTL de bajo consumo de potencia Tiene valores mayores de resistencia. ¾ Reduce los requerimientos de potencia, de retardos más largos en la propagación. ¾

Serie 74H, TTL de alta velocidad ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

La serie 74H es una serie TTL de gran velocidad. Tiene valores menores de resistencia. Remplaza el transistor seguidor de emisor Q1, por un par Darlington. Velocidad de conmutación mucho mayor Mayor disipación de potencia. Ing. Wilmer Naranjo 28

Serie 74S, TTL Schottky La serie 74S reduce el retardo de tiempo. ¾ Usa transistores Schottky. ¾ Dos veces más rápida que la 74H, con igual requerimiento de potencia. ¾

Serie 74LS, TTL Schottky de bajo consumo de potencia Esta serie es una versión de la 74S. ¾ Con un menor consumo de potencia y velocidad. ¾ Usa transistor Schottky. ¾ Valores más grande de resistencia que la 74S. ¾

Serie 74AS (AS -T T L), TTL Schottky avanzada Esta serie tiene bajo consumo de potencia. ¾ Usa transistor Schottky. ¾

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PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO 74AS

74ALS

9.5

1.7

4

20

2

8

1

138

60

19

13.6

4.8

3

50

125

45

200

70

20

10

20

20

40

20

74

74L

74H

74S 74LS

Retardo de propagación (ns)

9

33

6

3

Disipación de potencia (mW)

10

1

23

Producto velocidad-potencia (pJ)

90

33

Máxima frecuencia de reloj (MHz)

35

Factor de carga de la salida

10

(para misma serie)

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30

PARÁMETROS DE VOLTAJE 74

74L

74H

74S

74LS

74AS

74ALS

VOH (min)

2.4

2.4

2.4

2.7

2.7

2.5

2.5

VOL (máx)

0.4

0.4

0.4

0.5

0.5

0.5

0.4

VIH (min)

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

VIL (máx)

0.8

0.7

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

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COMPUERTA DE TRES ESTADOS ¾

¾

Las compuertas de tres estados tienen una entrada de control que puede colocar a la compuerta en un estado de alta impedancia. Dicho estado se identifica con ↑Z

ENTRADA

CONTROL

SALIDA

ENTRADA

SALIDA

CONTROL

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MOS ¾

¾

El Transistor de Efecto de Campo (FET, field effect transistor) es un transistor unipolar, ya que su funcionamiento depende del flujo de sólo un tipo de portador. Existen de dos tipos z z

JFET (Junction FET se utiliza en circuitos lineales) MOS (Metal-Oxido-Semiconductor, se utiliza en circuitos digitales)

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Metal óxido semiconductor (Canal P y Canal N) MOS D G CANAL P S D G CANAL N S

¾

Este tipo de transistor MOS es de canal N de enriquecimiento (existe también de canal P), las patilla Surtidor (S), Drenador (D) y Puerta (G), son equivalentes a las patillas emisor, colector y base del BJT. La flecha indica el tipo de sustrato. (Flecha hacia adentro es canal P, flecha hacia afuera es de canal N) Ing. Wilmer Naranjo

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MOS ¾

¾

La constitución física se basa en un sustrato de silicio tipo P en el que se difunden dos zonas de tipo N correspondiente al drenador y surtidor. Sobre la zona de sustrato situada entre el surtidor y el drenador se hace un recubrimiento de óxido de silicio (aislante). Haciendo una metalización de aluminio sobre la superficie de óxido de silicio se obtiene el terminal G o puerta. Ing. Wilmer Naranjo

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POLARIZACION MOS La polarización es como se muestra en la gráfica:

Si VGG < VTH (3V) La resistencia entre D y S (RDS) es muy elevada. Es decir el transistor no conduce (corte) el MOS se comporta como un circuito abierto.  Si VGG ≥ VTH El circuito empieza a conducir. Al aumentar VGG disminuye RDS. Si RDS es muy pequeña el transistor llega a la saturación, circuito cerrado 

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Metal óxido semiconductor VCC

VCC

D

D G

G S D

A

S

Y=A

Y = A.B

D

A

G

G S D

S

B Ing. Wilmer Naranjo

G S

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CMOS ¾ ¾

Semiconductor de metal óxido complementario Cuando el circuito CMOS se encuentra en estado estático, su disipación de es muy baja. z z z

¾ ¾ ¾

Estático (0.01 mW) 1 Mhz (1mW) 5 Mhz (5mW)

Intervalo de fuente de poder (3 a 18 Vdc) Buena Inmunidad al ruido Bajo retardo

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