Tema 63 – Construcción de puertas lógicas con diversas tecnologías

1. Introducción.

Las puertas lógicas, son el elemento básico mediante el cual se implementan los circuitos lógicos, que responden a la necesidad de realizar funciones lógicas. Los diseñadores tienden a homogeneizar los circuitos, es decir construir los circuitos lógicos mediante un solo tipo de puerta lógica. Una de las puertas mediante la cual se pueden homogeneizar los circuitos es la puerta NAND, esto unido a la sencillez y bajo coste de construir esta puerta, la convierte en una de las preferidas por los diseñadores de circuitos lógicos.

La construcción de las puertas lógicas, ha evolucionado a lo largo de la historia. Los objetivos de esta evolución son: obtener una mayor velocidad de conmutación, conseguir un menor consumo y mejor disipación de calor y mejorar la escala de integración.

Las principales familias que han ido apareciendo han sido las siguientes:

Las primeras familias en aparecer fueron las RTL (Resistor Transistor Lógica). Es una

familia simple que ya no se usa en los sistemas modernos.

Después aparece la DTL (Diode Transistor Lógica) con circuitos mas complicados que la RTL aunque con la ventaja de presentar mejores niveles de ruido y mayor cargabilidad de salida, pero de velocidad mas lenta que la RTL.

Debido a que la utilidad de las puertas DTL esta´ limitada por su velocidad de funciona- miento, aparecen las puertas TTL (Transistor Transistor Lógica) mas rápidas.

Otra familia aparecida mas tarde es la familia CMOS (Complementary MOS), aquí se combinan dos transistores MOSFET de canal-n y canal-p en un circuito integrado.

En el presente tema se tratara´n las dos principales familias lógicas que se usan en la actualidad

CMOS y TTL.

2. Características de las puertas lógicas

Para poder utilizar las puertas lógicas para realizar un circuito lógico, es necesario conocer sus características reales.

2.1. Tensión de alimentación.

Las tensiones de alimentación empleadas mas frecuentemente van desde 1 V hasta 15 V, dependiendo del tipo de puerta. La tendencia actual es reducir al mínimo la tensión de alimentación, de tal forma que la distancia entre las pistas de cobre pueda ser menor sin peligro de arco eléctrico.

2.2. Valores lógicos.

Se entienden por valores lógicos aquellos niveles de tensión que entienden como un 1 y un 0 lógicos.

a) Valores lógicos en las entradas.

Se trata de los niveles de tensión que se necesitan para interpretar un 1 y un 0 lógicos en las entradas. Según la tecnología que se emplee se definen los siguientes para´metros:

VI Lmax (Voltage Input Low max), es el máximo valor de tensión en el que la entrada interpreta un 0 lógico.

VI H min (Voltage Input High min), el el mínimo valor de voltaje en la entrada por el cual se interpreta un 1 lógico.

b) Valores lógicos en las salidas.

Análogamente, se trata de los niveles de salida de la puerta lógica para indicar un 1 o un 0 lógicos.

VOLmax (Voltage Output Low max), es el máximo valor de tensión en la salida que indica un 0 lógico.

VOH min (Voltage Output High min), el el mínimo valor de voltaje en la salida cuando indica un un 1 lógico.

Estos para´metros dependen del fabricante, y deben estar indicados por el, hay que tenerlos en cuenta para poder interpretar los valores lógicos adecuadamente.

2.3. Corrientes de entrada y salida.

Los valores del as corrientes que circulan por una puerta lógica, dependen fuertemente del fabricante y de la tecnología empleada para su fabricación.

2.3.1. Corrientes de entrada.

Es necesario conocer la corriente que absorbe una puerta lo´ gica por cada una de sus entradas. Se especifican los siguientes parámetros:

II L (Input Low): Es la corriente que absorbe la puerta por una entrada cuando se conecta

a un nivel bajo de tensión.

II H (Input High): Es la corriente que absorbe la puerta por una entrada cuando se conecta un nivel alto de tensión.

2.3.2. Corrientes de salida.

Igualmente tenemos que saber la corriente que circula por las salidas de la puerta lógica.

IOL (Output Low): Es la corriente que circula por la salida de la puerta cuando proporcio na un nivel bajo de tensión.

IOH (Output High): Es la corriente que circula por la salida de la puerta cuando proporciona un nivel alto de tensión.

2.4. Fan-in y fan-out.

Para implementar las funciones lógicas, las puertas lógicas forman circuitos lógicos, donde la salida de una puerta lógica es la entrada de otra puerta lógica.

Ya que una puerta suele actuar sobre varias puertas, las corrientes IOL y IOH , deben ser suficientes para alimentar a todas las puertas siguientes.

A partir de estas magnitudes y de las corrientes de entrada se definen los siguientes parámetros:

Fan-in: Numero que especifica la carga que tiene la entrada de un circuito.

Fan-out: Numero que especifica la capacidad que tiene una salida para manejar otras puertas.

Estas magnitudes se pueden expresar como capacidades eléctricas o como números adimensionales.

Se pueden expresar como capacidades eléctricas, por que si entramos en detalle en la construcción de los circuitos integrados, podemos decir que los transistores que llevan están formados por un canal, un aislante y un metal, esto en términos eléctricos se asemeja a un condensador.

Además se pueden expresar en números adimensionales, ya que se supone que el fan-in de todas las puertas de una determinada tecnología es el mismo, y se les asigna el numero uno. Entonces el fan-out se expresa como la cantidad de puertas que se pueden conectar a la salida de esa puerta para que el sistema funcione correctamente.

Si se quiere conectar una salida de un circuito a muchos elementos será necesario introducir elementos que restablezcan las señales que se manejan.

2.5. Retardos.

Los transistores tienen capacidades para´sitas que hacen que los transistores no respondan inmediatamente. Existe un retardo de propagación.

Este tiempo es pequen˜ o, pero teniendo en cuenta que los circuitos lo´ gicos funcionan a frecuencias de conmutación elevadas, y que las puertas se conectan unas a otras, puede ocurrir que la acumulación de retardos provoque que el circuito no funcione adecuadamente, debido a un excesivo retardo acumulado.

Si tp es el retardo de propagación se definen los siguientes parámetros:

tpLH : retardo cuando la señal cambia del nivel bajo al alto.

tpH L : retardo cuando la señal cambia del nivel alto al bajo.

2.6. Consumo y potencia disipada.

Es un factor importante en la construcción de puertas lógicas. Interesa disminuir la potencia disipada, ya que disminuye la necesidad de refrigeración del CI.

Se definen los siguientes parámetros:

Consumo estático. Es el consumo que tiene el circuito cuando no cambia la señal.

Consumo dinámico.

Es el consumo que tiene el circuito cuando cambia la señal. Es proporcional a la frecuencia de cambio de la puerta. A mas frecuencia mas cambio y por lo tanto mas consumo.

3. Escalas de integración.

Cuando hablamos de escalas de integración en la fabricación de circuitos integrados nos referimos al nu´ mero de puertas que hay en el circuito integrado.

Los circuitos han ido evolucionado según la tecnología. Los objetivos fundamentales han sido aumentar la velocidad, aumentar el numero de componentes por unidad de superficie y disminuir el consumo. Las principales escalas de integración son las siguientes:

SSI (Short Scale Integration) Baja escala de integración, se refiere a CI con menos de 12 componentes.

MSI (Medium Scale Integration) Escala de integración media, entre 12 y 100 componentes en un CI.

LSI (Large Scale Integration) Escala de integración alta, mas de 100 componentes en un CI.

VLSI (Very Large Scale Integration) Escala de integración muy alta, mas de 1000 componentes en un CI.

ULSI (Ultra Large Scale Integration) Escala de integración ultra grande, mas de un millón de componentes en un CI.

4. Familia CMOS.

Se trata de una familia basada en transistores MOSFET complementarios, es decir en la construcción sobre un mismo soporte de un transistor MOSFET canal-n y un MOSFET canal- p.

Figura 1: CMOS. (Complementar MOS.)

Su funcionamiento es el siguiente. Los transistores MOSFET se comportan como interruptores en la dirección drenador -fuente, estando gobernados desde la puerta.

Los MOSFET de canal-p, conducen si la tensión en la puerta es menor que la tensión en la fuente. Los MOSFET de canal-n conducen si la tensión en la puerta es mayor que la tensión en la fuente. La corriente puede pasar en los dos sentidos: fuente-drenador o drenador-fuente

Hablando en términos digitales podemos decir que:

Los MOSFET tipo p conducen cuando tienen un 0 lógico en la puerta.

Los MOSFET tipo n conducen cuando tiene un 1 lógico en la puerta.

Hay que señalar que estos transistores cuando forman parte de los circuitos lógicos se les hace trabajar entre la zona de saturación y la zona de corte.

Podemos convenir en utilizar los siguientes símbolos para los MOSFET en los circuitos lógicos:

Figura 2: Símbolo lógico de los MOSFET.

4.1. Inversor CMOS.

El circuito básico en CMOS es el inversor NOT. A continuación se muestra la puerta en tecnología CMOS.

Figura 3: INVERSOR CMOS

Cuando la señal A tiene el valor lógico 1 conduce el transistor canal-n y la salida toma el valor lógico 0, ya que esta directa a tierra. Cuando la entrada tiene el valor lógico 0, el transistor canal-p conduce, y el canal-n no, por tanto la salida esta´ al mismo potencial que VDD .

Se puede deducir que este tipo de puerta so´ lo tiene consumo durante las conmutaciones, ya que sin conmutación no circula ninguna corriente.

4.2. Puerta NAND.

Figura 4: Puerta NAND con CMOS.

La puerta NAND toma el valor lo´ gico 1 si y solamente si tenemos al menos una de las dos  entradas lógicas con valor 0. Es decir tiene todas las salidas 1, excepto cuando las dos entradas son 1.

Cuando las dos entradas (A y B) son 1, los dos transistores canal-n de abajo, ponen la salida S a 0. Cuando al menos una de las dos sea 0, este camino a tierra estará bloqueado y llegara la tensión VDD a través de los transistores canal-p de la parte superior.

4.3. Puerta NOR.

Figura 5: Puerta NOR con CMOS.

La puerta NOR toma el valor lo´ gico 1, solamente cuando las dos entradas son 0, en los demás casos el valor de salida es 0.

Los transistores canal-n de la parte inferior del dibujo ponen la salida en 0, siempre que alguna de las dos entradas sea 1. Los transistores canal-p de la parte superior, solamente comunican con el potencial VDD , cuando las dos entradas son un 0 lógico.

4.4. Características de la familia CMOS.

Tensión de alimentación

En general nos movemos con tensiones entre 1,5V y 18 V. Valores lógicos

• Valores lógicos a la entrada:

VI L = 0 − 21 VDD 3

• Valores lógicos a la salida:

VI H = 3 VDD − VDD

En general se tiene que: VOL ≈ 0, VOH ≈ VDD

Fan-out En tecnología CMOS si es mayor de 50 suele tratarse de un circuito muy lento. Un valor de 20 suele ser recomendable. Se mide en puertas equivalentes TTL.

Consumo

La tecnología CMOS tiene muy bajo consumo, debido a que solamente circula corriente en el momento de la conmutación, siendo el consumo estático nulo.

5. Familia TTL.

Es una tecnología basada en transistores bipolares (BJT). Es ma´s antigua y tediosa que la CMOS.

5.1. Puerta NAND

Figura 6: Puerta NAND con tecnología TTL.

En el circuito de la puerta NAND, vemos que existe un transistor (T1) multiemisor, cuyo funcionamiento es ana´logo al de dos transistores en paralelo. Adema´s se observan dos diodos en paralelo, que se denominan diodos de enclavamiento, se utilizan para que las tensiones de los terminales A y B nunca bajen por debajo del nivel de la tensión de tierra. El funcionamiento de la puerta NAND es el siguiente:

Si alguna entrada, A o´ B, esta´ a nivel bajo (≈ 0, 2V ), el diodo emisor de T1 queda polariza- do directamente, quedando el transistor T1 saturado. Al conducir T1 en la dirección colector- emisor, extrae los electrones de la base de T2 provocando que este quede en corte. Si T2 esta´ en corte T4 esta´ en corte. La tensión llega a la salida S a través del transistor T3 que esta´ en saturación. En este caso si alguna o las dos entradas esta´ n en nivel bajo la salid esta´ en nivel alto.

Si las dos entradas esta´n a nivel alto, los dos emisores del transistor T1 quedan polarizados inversamente. Como la base-colector del transistor T1 queda polarizada directamente, la corriente ira´ desde la base de T1 a la base de T2, a través del colector de T1. Esta situación saturara´ el transistor T2, que a su vez saturara´ el transistor T4. Como se satura el transistor T4 el nivel de la salida S, es prácticamente igual al nivel de la tierra. Cuando las dos entradas esta´ n a nivel alto, la salida esta´ en nivel bajo.

5.2. Características de la familia TTL.

Tensión de alimentación VDD = 5V

Valores lógicos

• Valores lógicos a la entrada:

• Valores lógicos a la salida: En general se tiene que:

VI L = 0 − 0, 8V VI H = 2V − 5V

VOL = 0 − 0, 4V

VOH = 2,4 − 5V

Fan-out Es del orden de 10 puertas equivalentes TTL, esta´ limitado por la corriente y no por las capacidades para´sitas como en la tecnología CMOS.

Consumo Los circuitos TTL, a diferencia de los CMOS tiene un consumo esta´tico importante que es mayor que el dina´mico. Consumo a nivel bajo 1mA. Consumo a nivel alto 3mA.