Download Electronica_Compuertas Logicas - SistemSoft ST.ca -

Electrónica digital
UPM
DIE
TEMA
TEMA 88
Familias
Familias lógicas
lógicas
Características
Características reales
reales de
de las
las puertas
puertas lógicas
lógicas
Familia
Familia CMOS
CMOS
Familia
Familia TTL
TTL
Subfamilias
Subfamilias lógicas
lógicas
Compatibilidad
Compatibilidad CMOS-TTL
CMOS-TTL
Tipos
Tipos de
de entradas/salidas
entradas/salidas especiales
especiales
Otras
Otras familias
familias lógicas
lógicas
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
Electrónica digital
1
8-1
UPM
DIE
Características reales de las puertas
! TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN
! VALORES LÓGICOS
" Valores lógicos a las entradas
" Valores lógicos a las salidas
" Inmunidad al ruido
! CORRIENTES DE ENTRADA Y SALIDA
" Corrientes de entrada
" Corrientes de salida
! RETARDOS EN LAS SEÑALES
" Retardos de propagación
" Retardos de conmutación
! CONSUMO
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-2
1
Electrónica digital
11
UPM
DIE
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN
$ Lo tradicional son 5V, pero existen otras necesidades (12V, 3,3V),
otras tecnologías (-5, +5)
$ Disminución del consumo $ Disminución de la tensión de alimentación
22
VALORES LÓGICOS
# Valores lógicos a las entradas: Interpretados como ‘0’ lógico o ‘1’ lógico
Ejemplo:
0 - 0,5V = ‘0’
4,0 - 5V = ‘1’
Vi
Vo
# Valores lógicos a las salidas: Tensiones que se obtienen a la salida según el valor lógico
Ejemplo:
‘0’ % VOL < 0,4
‘1’ % VOH > 4,2
Vo
# Para que las tecnologías sean
compatibles debe ocurrir siempre:
VOLmax > VILmax
VOHmin > VIHmin
V
VIHmax
VIHmin
VILmin
E
VOLmax
S
0
VOLmin
© UPM-DIE
8-3
Electrónica digital
33
VCC
VOHmin
VILmax
Inmunidad al ruido
8, Familias lógicas
VOHmax
UPM
DIE
CORRIENTES DE ENTRADA Y DE SALIDA
# Corrientes de entrada: es la corriente que absorbe o cede la puerta cuando su entrada
está a un deteminado valor lógico
IIL
IIH
0V
5V
# Corrientes de salida: es la corriente capaz de suministrar la puerta garantizando unos
ciertos límites en las tensiones de salida, manteniendo los valores lógicos
IOH
VOL
VOH
IOL
Para una determinada VOL
Para una determinada VOH
# Fan-out: Número de puertas “normales” que pueden conectarse a la salida de una
puerta.
# Fan-in: Carga que supone una puerta respecto a una puerta normal (con fan-in = 1).
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-4
2
Electrónica digital
44
UPM
DIE
RETARDOS EN LAS SEÑALES
# Retardos de propagación: Es el tiempo que tarda en cambiar la salida de una puerta
(poniéndose a su valor correcto) desde que cambian sus entradas.
S
A
Normalmente se mide entre el 50% del valor
de las señales de entrada y salida. También
se establecen unas determinadas
condiciones de carga.
A
S
tpHL
tpLH
# Retardos de conmutación: Es el tiempo que tarda una señal en pasar desde el 10% al
90% de su valor final bajo unas ciertas condiciones de carga.
A
S
S
tr
55
tf
CONSUMO
# Depende de dos aspectos:
! El consumo estático que mide el consumo del circuito (o la puerta) cuando no hay
cambios en sus señales
! El consumo dinámico que es debido, fundamentalmente, a la carga y descarga
de las capacidades del circuito y que depende de la frecuencia
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-5
Electrónica digital
2
UPM
DIE
Familia CMOS
Tipos de transistores MOS
S
G
D
G=0 $
G
p
G=1 $
D
G=1 $
S
Transistor
Transistor de
de canal
canal pp
Puerta inversora básica
G=0 $
n
Transistor
Transistor de
de canal
canal nn
A
S
+VDD
I
A
p
I
A,S
A
S
n
8, Familias lógicas
S
© UPM-DIE
Si A = 0V $conduce el p
Si A = VDD $ conduce el n
Si A =VDD /2 $ conducen los dos
El circuito sólo conduce en las
conmutaciones
8-6
3
Electrónica digital
UPM
DIE
Puerta
Puerta
+VDD
+VDD
A
A
B
S
B
S
A
A
B
B
00
00
11
11
00
11
00
11
S
S
8, Familias lógicas
A
A
B
B
00
00
11
11
00
11
00
11
S
S
© UPM-DIE
8-7
Electrónica digital
UPM
DIE
Características de las familias CMOS
# Como las subfamilias CMOS son muy variadas vamos a ver la 4000 y la 74HC.
Las características generales serán de la 4000 y veremos las diferencias de la
74HC respecto de la 4000.
11
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN
Vnúcleo = 1,5 V
$ Típicamente: 3÷15V
$ También hay: 15÷18V
$ Serie 74HC: 2÷6V
Núcleo
Vperiferia = 3,3 V
Periferia
22
VALORES LÓGICOS
VOH
1/3 VDD
# Valores lógicos a las entradas:
Normalmente: VIL = 0 ÷ 1/3VDD
Vi
VIH = 2/3VDD ÷ VDD
VOL = 0
VOH = VDD
VIH
VIL
Inmunidad: 1/3 VDD
VDD
VOL
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-8
4
Electrónica digital
33
UPM
DIE
Corrientes de entrada y salida
# Corrientes de entrada:
II = 10 pA (serie 4000) hasta 100 nA (serie 74 HC)
# Corrientes de salida:
IO = 0,1 mA (serie 4000) hasta 8 mA (serie 74 HC)
44
# Fan-out:
Teóricamente muy alto, pero
limitado en la práctica por la
capacdad de puerta, que influye
en la velocidad y el consumo
Típicamente: de 8 a 50
Retardos
tp = t pi + (∆
∆tp / ∆CL) CL
Factor extrínseco: dependiente de la carga
Factor intrínseco: dependiente de la propia puerta
tp (ns)
5V sin buffer
5V con buffer
15 V sin buffer
15 V con buffer
CL(pF)
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
Electrónica digital
55
8-9
UPM
DIE
Consumos
# Consumo estático
Debido a dos factores: Corrientes de fugas (IQ) y a las cargas (IL)
La de fugas es muy baja, y la debida a las cargas también, si se trata de
cargas CMOS.
PS = VCC ICC = VCC (IQ + IL)
# Consumo dinámico
Debido a la carga y descarga de los condensadores parásitos y a la
corriente que circula por los canales en las conmutaciones
PD = CP VCC2 f
# Consumo de corriente
La corriente total consumida es I = CP VCC + ICC , donde el primer factor
se demanda con fuertes picos. Esto genera ruidos y caídas de tensión
en los conductores, lo que exige la proximidad de las fuentes de
alimentación y la colocación de condensadores de desacoplo próximos a
las cargas
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-10
5
Electrónica digital
3
UPM
DIE
Familia TTL
T1 es un transistor multiemisor. Si
alguna unión BE está polarizada
directamente, se demanda corriente
por el colector
+5V
R1
4k
R4
130Ω
Ω
R2
16k
Si A = B = 5V :
T1 $ corte
T2 $ saturación
T4 $ saturación $ S = 0V
T3 $ corte
T3
A
B
D1
T2
T1
S
T4
R3
1k
8, Familias lógicas
Si A ó B están a 0V :
T1 $ saturado
T2 $ corte
T4 $ corte
T3 $ saturación $ S = 4V
Puerta NAND
© UPM-DIE
Electrónica digital
Características de la familia TTL
8-11
UPM
DIE
11
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN $ Típicamente: 5V ± 5%
22
VALORES LÓGICOS:
VIL = 0,8 V
; VIH = 2,0 V
VOL = 0,4 V
; VOH = 2,0 V;
Inmunidad = 0,4 V
33
CORRIENTES:
IIL = 1,6 mA
; IIH = 10 uA
IOL = 16 mA
; IOH = 500 uA
Fan-out aprox. 10
44
RETARDOS:
tP,HL = 5 ns
; tP,LH = 10 ns
Los retardos son menos dependientes de la carga que
en CMOS, pero en general son mayores
55
CONSUMOS:
Existe un consumo estático importante, dependiente
además del valor lógico a la salida:
ICCH = 1 mA
ICCL = 3 mA
El consumo dinámico depende menos de la frecuencia
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-12
6
Electrónica digital
4
UPM
DIE
Subfamilias lógicas
# Los circuitos lógicos han evolucionado en su modo de
fabricación a lo largo del tiempo. Las fierentes
tecnologías de fabricación han buscado
principalemnte tres objetivos:
! Aumentar la escala de integración
! Reducir el consumo
! Aumentar la velocidad de conmutación
# Aunque, en general, se está imponiendo la tecnología
CMOS, cada tecnología tiene sus ventajas y su campo
de aplicación.
# Al tipo de tecnología se le denomina familia o
subfamilia.
# Al tipo de componente lo denominamos serie. Una
serie puede estar hecha en diferentes tecnologías. En
general, serie y tecnología están asociadas.
8, Familias lógicas
Serie TTL 74
Serie TTL 74H
Serie TTL 74L
Serie CMOS 4000
Serie TTL 74S
Serie TTL 74LS
Serie TTL 74F
Serie TTL 74AS
Serie TTL 74ALS
Serie CMOS 74C
Serie CMOS 74AC
Serie CMOS 74HC
Serie CMOS 74ACT
Serie CMOS 74HCT
© UPM-DIE
Electrónica digital
8-13
UPM
DIE
Relación velocidad - potencia
8, Familias lógicas
Evolución temporal
© UPM-DIE
8-14
7
Electrónica digital
5
UPM
DIE
Compatibilidad CMOS - TTL
Funcionalmente, son iguales
74S193 &$ 74HC193
(Misma función, mismo encapsulado)
Causas de incompatibilidad:
$Niveles de tensión en las E/S
$Corrientes (fan-out) limitado
$ Tensiones de alimentación
CMOS a TTL
TTL a CMOS
Con igual Vdd (5V)
Con igual Vdd (5V)
OK
HC
4000
CMOS
OK, con
fan-out
limitado
TTL
HC(T)
TTL
TTL
TTL
Con distinta Vdd
8, Familias lógicas
4049
14504
CMOS
HC(T)
CMOS
Con distinta Vdd
5V
10V
5V
TTL
TTL
4049
14504
4000@10V
© UPM-DIE
Electrónica digital
Tabla-resumen de compatibilidad TTL - CMOS
8, Familias lógicas
VIHmin = 3,5 V
TTL
10V
4000@10V
Vdd
VOHmin = 2,4 V
© UPM-DIE
8-15
UPM
DIE
8-16
8
Electrónica digital
6
UPM
DIE
Entradas / salidas especiales
1. Entradas con resistencias pull-up o pull-down
Vdd
Resistencia de pull-up
(1 lógico por defecto)
Resistencia de pull-down
(0 lógico por defecto)
2. Entradas tipo Schmitt-trigger
VIHmin
VILmax
VILmax
VIHmin
Entrada normal
VILmax < VIHmin
Entrada Schmitt-trigger
VILmax > VIHmin
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-17
Electrónica digital
UPM
DIE
3. Salidas a drenador abierto (CMOS) o colector abierto (TTL)
S
A
A
0
1
S
Z
0
Z: alta impedancia. Esta salida puede conectarse
con cualquier otra salida igual
n
*
A
C
B
*
*
*
Vdd
Puerta
cableada
Aplicación de salidas a colector abierto $ Interrupciones de un microprocesador, reset, ...
Vdd
Perif. 1
8, Familias lógicas
Perif. 2
...
Perif. n
© UPM-DIE
Micro
8-18
9
Electrónica digital
UPM
DIE
4. Salidas triestado
+VDD
Aplicación: Multiplexor distribuído
C
C
D0
A
D1
D2
A
Vdd
S
CA
00
01
10
11
C
S
Z
Z
1
0
DECOD.
C1 C0
5. Señales bidireccionales
C
S
Se pueden combinar las
dos estructuras para accesos
con varios destinos:
E
C=1
C=0
Dato $
Dato &
8, Familias lógicas
Control MUX $ Direcciones
Señal bidir. $ Datos
C bidir. $ R/W
© UPM-DIE
Electrónica digital
6
8-19
UPM
DIE
Otras familias lógicas
ECL
Emitter Coupled Logic
# Basados en transistores bipolares que trabajan en la zona activa $ Consumo alto
# Etapas diferenciales $ Alta inmunidad al ruido
# Hasta 500 MHz
AsGa
Arseniuro de Galio
# Mayores velocidades debido a la mayor movilidad de los portadores
# Consumos altos, costes competitivos e integración próxima a CMOS
BiCMOS
Bipolar / CMOS $ Diseño mixto (analógico + digital)
SoS
Silicio sobre zafiro (silicon on saphire) $ Inmunidad frente a radiaciones
SoI
Silicio sobre aislante (silicon on insulator) $ Inmunidad frente a ruidos
8, Familias lógicas
© UPM-DIE
8-20
10