1. INTRODUCCIÓN.
2. CARACTERÍSTICAS DE LAS PUERTAS LÓGICAS
3. ESCALAS DE INTEGRACIÓN.
4. TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN
4.1.- TECNOLOGÍA BIPOLAR
4.1.1.-FAMILIA RTL.
4.1.2.- FAMILIA DTL
4.1.3.– Familia TTL.
4.1.4.- FAMILIA I2L
4.1.5.- LOGICAS BIPOLARES NO SATURADAS.
4.2. TECNOLOGIA UNIPOLAR MOS
4.2.1.- TECNOLOGIA MONOCANAL
4.2.2.- tecnología CMOS.
4.2.3.- Inversor CMOS.
4.2.4.- VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA SUBFAMILIA MOS
5.- OTRAS FAMILIAS LOGICAS
6.– CONCLUSION.
7. BIBLIOGRAFIA.
O Electrónica digital moderna. PARANINFO
o PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA. Malvino. McGraw-Hill.
1. INTRODUCCIÓN.
Las puertas lógicas, son el elemento básico mediante el cual se implementan los circuitos lógicos para realizar funciones lógicas. Los diseñadores tienden a homogeneizar los circuitos, es decir construir los circuitos lógicos mediante un sólo 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 diferentes configuraciones de circuitos utilizados para la realización de las funciones básicas, originan las familias lógicas.
Una familia lógica es una línea técnica que aplica un conjunto de principios idénticos a todos los circuitos que la componen.
Las principales familias que han ido apareciendo han sido las siguientes.
Las primeras familias en aparecer fueron las RTL de Resistor Transistor Logic. Es una familia simple que ya no se usa en los sistemas modernos.
Después aparece la DTL de Diode Transistor Logic, con circuitos más complicados que la RTL aunque con la ventaja de presentar mejores niveles de ruido y mayor cargabilidad de salida, pero de velocidad más lenta que la RTL.
Debido a que la utilidad de las puertas DTL está limitada por su velocidad de funcionamiento, aparecen las puertas
TTL de Transistor Transistor Logic que son más rápidas.
Otra familia aparecida más tarde es la familia MOS de metal-óxido-semiconductor y la CMOS complementaria de la MOS que combina dos transistores MOSFET de canal N y canal P en un circuito integrado.
En el presente tema se tratarán las características más importantes de cada uno de las familias.
2. CARACTERÍSTICAS DE LAS PUERTAS LÓGICAS
Un circuito integrado es un circuito electrónico construido enteramente sobre un pequeño chip de silicio. Todos los componentes que conforman el circuito, transistores, diodos, resistencias y condensadores, son parte integrante de un único chip, es decir, que se producen y conectan durante el mismo proceso de fabricación. Debido a que los componentes integrados son microscópicos, un fabricante puede colocar cientos de ellos en el espacio de un transistor.
Para poder utilizar las puertas lógicas en un circuito lógico, es necesario conocer sus características reales. Las características generales de toda puerta lógica, independientemente de la función que realicen, son las siguientes:
a) Cargabilidad de salida, que es el máximo número de puertas básicas que pueden ser gobernadas por una sola puerta.
b) Cargabilidad de entrada, que es el máximo número de entradas que puede tener una puerta lógica.
c) Tensión de umbral que es cuando la puerta comienza a cambiar de estado lógico. Existen dos tensiones de umbral, una correspondiente al estado lógico de entrada cero y otra al estado lógico de entrada uno.
d) Margen de ruido que es la variación de tensión admisible a la entrada sin que la salida del mismo cambie de estado. Existen dos márgenes de ruido, uno para el estado lógico de entrada cero y otro para el estado lógico de entrada uno.
e) Tiempo de propagación que es tiempo desde que llega el impulsa a la entrada y lo cambia en la salida. f) Potencia disipada que es la potencia disipada por una puerta lógica en un ciclo de trabajo del 50 %.
g) Producto potencia disipada por tiempo de propagación que es el producto de las dos y cuanto más bajo mejor. h), Nivel de tensión de alimentación que es la tensión que alimenta al circuito.
3. ESCALAS DE INTEGRACIÓN.
Cuando hablamos de escalas de integración en la fabricación de circuitos integrados nos referimos al número 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 número de componentes por unidad de superficie y disminuir el consumo. Las principales escalas de integración son estas 5:
1. La SSI, con baja escala de integración, con menos de 12 componentes.
2. La MSI, entre 12 y 99 componentes.
3. La LSI, escala de integración alta desde 100 a 9.999 componentes.
4. La VLSI, con escala de integración muy alta, desde 10.000 a 99.999 componentes.
5. La ULSI, con escala de integración ultra grande, más de 100.000 componentes en un circuito integrado.
4. TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN
Las puertas lógicas son una disposición de elementos electrónicos, transistores, diodos, etc., que combinados nos dan el comportamiento requerido ante señales de entrada y salida.
La realización de puertas lógicas se puede llevar a cabo con componentes discretos, pero lo normal es que sean comercializados en circuitos integrados con un número de puertas determinado.
Pasaremos a ver la estructura de las puertas lógicas en cada tecnología. Tomaremos la lógica positiva como patrón de funcionamiento de las puertas, es decir, un 0 en entrada o salida significa un nivel bajo de corriente, y un 1 un nivel alto de corriente.
4.1.- TECNOLOGÍA BIPOLAR
Consiste en usar componentes bipolares, transistores y diodos, para la fabricación de puertas. Se clasifican en dos grandes grupos según si las lógicas están basadas o no en la saturación de los transistores. Con lógica satura tenemos la RTL, DTL,
TTL e I2L , y de lógica no saturada la ECL.
Desarrollo cada una de ellas.
4.1.1.-FAMILIA RTL.
Las primeras puertas fabricadas fueron con tecnología RTL bipolar. Este método utiliza resistencias y transistores para la creación de puertas. Puertas típicas son el inversor y la puerta NOR, el resto de puertas se pueden obtener por combinaciones de éstas. Si se aplica la lógica positiva se comporta como puerta NAND.
4.1.2.- FAMILIA DTL
Fue después de la RTL la siguiente familia que salió al mercado. En cierto modo engloba a la RTL porque también usa resistencias y emplea diodos y transistores para la fabricación de puertas lógicas. La DTL que antes era muy popular, en la actualidad apenas se utiliza. Existe otra tecnología basada en la DTL que es la HTL, que mejora la inmunidad al ruido por lo que se usa en ambientes industriales.
Los circuitos representativos de la DTL son, aparte del inversor de la lógica RTL, las puertas AND y OR, a partir de las cuales, mediante la colocación del inversor en su salida, se pueden obtener las NAND y NOR.
4.1.3.- FAMILIA TTL.
Es la más empleada de la tecnología bipolar. Sus iniciales responden a Transistor-Transistor-Logic, utilizando acoplamientos transistor-transistor.
En esta familia los diodos de la entrada de los circuitos realizados en lógica DTL, son sustituidos por un transistor multiemisor. Las ventajas del multiemisor es la reducción del área de integración y aumento de la velocidad de conmutación por disminuirse las capacidades parásitas.
La salida de esta familia suele estar en apilamiento en columna que es una resistencia, un transistor, un diodo y otro transistor, en cuyo colector se coloca la toma de salida. La función del diodo es que sólo conduzca uno de los transistores. Las características de la tecnología utilizada en la TTL es que su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75 voltios y los 5,25 V y los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,2 Voltios y 0,8 Voltios para el estado bajo y los 2,4 Voltios y Vcc para el estado alto.
La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es muy buena y esta característica le hacer aumentar su consumo por eso han aparecido diferentes versiones de TTL.
4.1.4.- FAMILIA I2L
Es la más reciente en el mercado, y tiene mayor velocidad, alta densidad de integración y bajo consumo y su estructura básica es un circuito inversor con varias salidas como colectores.
4.1.5.- LOGICAS BIPOLARES NO SATURADAS.
La más representada es la Tecnología ECL, de Lógica de los Emisores Acoplados, que es una de las lógicas más veloces donde los transistores no se saturan.
Se utiliza el amplificador diferencial como célula básica de esta familia lógica. El amplificador diferencial se transforma en un circuito binario y su tensión de salida toma uno de entre los dos estados posibles.
Como en este circuito ningún transistor trabaja en saturación, es una de las lógicas más veloces. Esta ventaja en velocidad está contrarrestada por el aumento de la potencia de disipación por cada puerta, respecto a las familias lógicas saturadas.
Para que el retraso de esta familia sea mínimo, se impone la restricción de que los transistores del amplificador trabajen en los límites de zona activa directa de corte y zona activa directa de saturación Este hecho implica que la diferencia de tensión que tenga que soportar sea mínima, con lo que implica que los niveles de tensión altos y bajos son cercanos y presentan una incompatibilidad con otras familias.
4.2. TECNOLOGIA UNIPOLAR MOS
Son aquellas cuyos circuitos están constituidos por transistores unipolares MOSFET, siendo conocidas popularmente como tecnologías MOS. Los transistores MOSFET tienen un funcionamiento que depende únicamente de la circulación de un solo tipo de portador mayoritario, son más simples de fabricar y ocupan menos espacio que los bipolares.
En general, los circuitos de estas lógicas son más lentos que los realizados con las tecnologías bipolares. Su consumo es mucho menor que el de las bipolares y poseen una elevada densidad de integración, ideales para las altas escalas de integración.
En el grupo de Tecnologías monocanal, están los PMOS que usan transistores MOS de canal P y los NMOS que utilizan transistores de canal N
4.2.1.- TECNOLOGIA MONOCANAL
Los transistores MOS se diferencian fundamentalmente en el tipo de sustrato N o P sobre el que se van a fabricar. Así, el
MOS de canal P tiene un sustrato tipo N, y el MOS de canal N tiene un sustrato tipo P.
Los transistores MOS de canal P son más fáciles de fabricar que los de canal N y los transistores MOS de canal P tienen más resistencia que los de canal N, así los transistores MOS de canal N son más pequeños y más rápidos admitiendo una mayor escala de integración.
4.2.2.- TECNOLOGÍA 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.
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, 5
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 y 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.
En general, los circuitos de estas lógicas son más lentos que los realizados con las tecnologías bipolares. Su consumo es mucho menor que el de las bipolares y poseen una elevada densidad de integración que los hacen idóneos para las altas escalas de integración.
La característica más importante es su bajo consumo de potencia y alta inmunidad al ruido. Otras ventajas de los circuitos integrados CMOS sobre los TTL son la baja generación de ruido y gran variedad de funciones disponibles. Algunas funciones analógicas existentes en los circuitos integrados CMOS no tienen equivalente en los TTL.
La tecnología CMOS se aconseja para niveles de integración en gran escala y superiores. Debido a lo sencillo de su circuito interno y bajo consumo de potencia, muchos elementos se pueden agrupar en un área muy pequeña de una oblea de silicio.
4.2.3.– INVERSOR CMOS.
El circuito básico en CMOS es el inversor NOT.
Cuando la señal de entrada 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 está al mismo potencial que el de entrada.
Se puede deducir que este tipo de puerta sólo tiene consumo durante las conmutaciones, ya que sin conmutación no circula ninguna corriente.
4.2.4.– VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA SUBFAMILIA MOS
La subfamilia PMOS, tiene la ventaja de fácil diseño y fabricación con el inconveniente de baja velocidad de conmutación e incompatibilidad con otras familias La subfamilia, NMOS, tiene la ventaja de mayor velocidad de conmutación pero el inconveniente de su complejidad en diseño. La subfamilia CMOS, tiene la ventaja de mayor velocidad que las anteriores, amplios márgenes de ruido y muy baja disipación, pero el inconveniente de baja densidad de empaquetamiento.
5.- OTRAS FAMILIAS LOGICAS
Veamos la ECL, la de arseniuro de galio GaAs, la BiCMOS de bipolar mas CMOS y la CMOS de alta velocidad.
1. ECL
Usa la lógica de emisores acoplados con transistores bipolares trabajando en la zona activa. La velocidad es muy alta y se consigue conmutar a frecuencias por encima de los 50 MegaHerzios. Su consumo es muy elevado, además necesitan fuentes de alimentación positivas y negativas. Aquí los transistores no se saturan y cuesta menos hacerles cambiar de estado.
2. GaAs de Arseniuro de Galio.
Trabaja con transistores similares a los de efecto de campo CMOS pero con arseniuro de galio. Es muy rápida con frecuencias de conmutación de 1 a 10 GigaHerzios y tiene un consumo muy alto.
3. BiCMOS
Combina las ventajas de la tecnología CMOS y de la tecnología bipolar. A la entrada de las puertas se colocan transistores MOSFET y a la salida transistores bipolares. Se consiguen velocidades bastante altas, con frecuencias de conmutación del orden de 300 MegaHerzios.
4. CMOS especial para alta velocidad
Es una tecnología CMOS modificada, donde los transistores no entran ni en corte ni en saturación, y tardan muy poco tiempo en conmutar. Se alcanzan altas velocidades con frecuencias de conmutación del orden de 2,4 gigaherzios y es muy sensible al ruido.
6.– CONCLUSION.
Por concluir mencionaré la evolución de las familias lógicas, donde la familia TTL 74XX que fue la primera en aparecer y la CMOS 40XX dentro de cada familia y después fueron saliendo los schottky con mejores prestaciones.