Capitulo 9: Familias Lógicas

 

Familias TTL y CMOS

La compuerta TTL fue una mejora introducida a la compuerta DTL. Los parámetros más importantes de las compuertas TTL son el retardo de propagación (ns), la disipación de potencia (mW), y el producto velocidad -potencia (pJ). El producto velocidad-potencia indica un retardo en la propagación con una disipación de potencia determinada.

Características Generales de los Circuitos Digitales

Las características de un circuito digital se usan con el fin de comparar las compuertas de las distintas familias lógicas. Estas se listan a continuación:

• Fan Out (Cargabilidad de salida): Es el máximo número de cargas que pueden ser gobernadas en la salida de la compuerta sin alterar su operación normal.
• Fan In (Cargabilidad de entrada): Es el máximo número de entradas que puede tener una compuerta.
• Tensión de Umbral: Una curva de transferencia de una puerta lógica inversora se muestra en la figura 9.1.1. En la figura se distinguen dos tensiones de umbral; la primera para el estado lógico cero (V_{u, 0}) y la segunda para el estado lógico uno (V_{u, 1}). Los puntos de pendiente -1 representan estas tensiones de umbral_. Por lo tanto, la tensión de umbral es la tensión en la que la compuerta comienza a cambiar de estado lógico.
• Margen de ruido: Es el límite de tensión de ruido admisible a la entrada del elemento lógico, sin registrar cambios en el estado de la salida. Existen dos márgenes de un ruido, uno para el estado lógico uno y otro para el estado lógico cero.

Figura 9.1.1. Curva de transferencia de un circuito lógico inversor

V_{sal, 0 máx} = Máxima tensión en la salida de una compuerta cuando su estado lógico es cero y con cargabilidad de salida máxima.

V_{sal, 1 mín} = Mínima tensión a la salida de una compuerta cuando su estado lógico es uno y con cargabilidad máxima posible.

V_{u, 0} = Tensión de umbral del estado lógico de entrada cero.

V_{u, 1} = Tensión de umbral del estado lógico de entrada uno.

En circuitos digitales es común conectar dos puertas de las mismas características, una enseguida de otra, tal como indica la figura 9.1.2. Por consiguiente, la tensión máxima de entrada en estado cero V_{E,0 máx}, es equivalente a la máxima tensión de salida en estado cero V_{s,0 máx}. De igual forma, la tensión mínima de entrada en estado uno V_{E,1 mín} es igual a la tensión mínima de salida en estado uno V_{s,1 mín}.

Figura 9.1.2. Compuertas Lógicas Interconectadas.

Los margenes de ruido se definen de la forma siguiente:

Margen de ruido en estado cero a la entrada: Es la diferencia entre V_{u, 0} y V_{E,0 máx.}

M₀ = V_{u, 0} - V_{E,0 máx} = V_{u, 0} - V_{s,0 máx}

Margen de ruido en estado uno a la entrada: Es la diferencia entre V_{E,1 mín y Vu, 1.}

M₁ = V_{E,1 mín} - V_{u, 1} = V_{s,1 mín} - V_{u, 1}

• Tiempo de programación medio (tpd): Es el tiempo de retardo promedio en la transición de una señal de la entrada a la salida en los casos que esta pasa del estado 1 a 0 y viceversa.
• Potencia disipada: Es la potencia consumida por la compuerta. La disipación de potencia en función de la frecuencia de una compuerta TTL es constante dentro del rango de operación. En cambio, la compuerta CMOS depende de al frecuencia (ver figura 9.1.3).

Figura 9.1.3. Curva de potencia en función de la frecuencia

• Producto potencia dispada-tiempo de propagación: Es el producto de los dos tipos de características mencionadas.

La velocidad de la compuerta es inversamente proporcional al retardo de propagación.

Familia TTL (Lógica de Transistor - Transistor)

Esta fue la primera familia de éxito comercial, se utilizó entre 1965 y 1985. Los circuitos TTL utilizan transistores bipolares y algunas resistencias de polarización. La tensión nominal de alimentación de los circuitos TTL son 5 V DC.

Niveles Lógicos TTL

En el estudio de los circuitos lógicos, existen cuatro especificaciones lógicos diferentes: V_IL, V_IH, V_OL y V_OH.

En los circuitos TTL, V_IL es la tensión de entrada válida para el rango 0 a 0.8 V que representa un nivel lógico 0 (BAJO). El rango de tensión V_IH representa la tensiones válidas de un 1 lógico entre 2 y 5 V. El rango de valores 0.8 a 2 V determinan un funcionamiento no predecible, por la tanto estos valores no son permitidos. El rango de tensiones de salida V_OL, V_OH se muestra en la figura 9.1.4.

Figura 9.1.4. Nivel lógico de entrada de un circuito TTL

Circuitos Lógicos CMOS (Metal Óxido Semiconductor Complementario)

La tecnología CMOS es la más utilizada actualmente para la construcción de circuitos integrados digitales, como las compuertas, hasta los circuitos como las memorias y los microprocesadores. La tensión nominal de alimentación de los circuitos CMOS son +5 V y +3,3 V.

Niveles Lógicos CMOS

En la figura 9.1.5. se muestran las tensiones V_IL, V_IH, V_OL, V_OH válidas para los dispositivos CMOS de nivel +5 VDC.

Figura 9.1.5. Nivel Lógico de Entrada de un circuito CMOS +5 V

Universidad Nacional de Colombia