Electrónica Básica. Familias Lógicas. Electrónica Digital. José Ramón Sendra Sendra Dpto. de Ingeniería Electrónica y Automática ULPGC

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1 Electrónica Básica 1 Familias Lógicas Electrónica Digital José Ramón Sendra Sendra Dpto. de Ingeniería Electrónica y Automática ULPGC

2 Familias lógicas 2 Basadas en transistores de efecto de campo CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor Basadas en transistores bipolares TTL: Transistor-Transistor logic ECL: Emiter-coupled logic El diseño lógico de un circuito combinacional es independiente de la tecnología usada, sin embargo la realización física de este circuito si debe tenerla en cuenta, por factores como: -Márgenes de ruido -Entorno de trabajo del circuito -Fanout -Necesidad de: -Velocidad -Salidas en colector abierto -Consumo -Salidas Three-state -Alimentación disponible

3 Inversor 3 Veamos la configuración básica de un inversor (circuito más simple) para analizar sus características V =+5.0V DD V IN G S D D V OUT Transistor p-mos cerrado cuando V -V < V -V IN DD ILmax DD V <V IN ILmax G S Transistor n-mos cerrado cuando V -0>V IN IHmin Gnd

4 comportamiento eléctrico estático 4 Niveles lógicos y margen de ruido Parámetros característicos V :Es la tensión de salida mínima que se garantiza en OHmin nivel alto. V :Es la mínima tensión de entrada que se garantiza será IHmin reconocida como nivel alto. V OLmax :Es la tensión de salida máxima que se garantiza en nivel bajo. V :Es la máxima tensión de entrada que se garantiza será ILmax reconocida como nivel bajo.

5 5 Los elementos lógicos abstractos procesan 0's y 1's. Los circuitos reales procesan señales eléctricas, en este caso niveles de tensión Niveles lógicos para para puertas CMOS VDD VIHmin Nivel alto, 1 VOHmin VILmax Gnd Nivel bajo, 0 VOLmax

6 Inversor 6 V =+5.0V DD V =+5.0V DD Cerrado Abierto 0V VOH ~ 5V 5V VOL~0V Abierto Cerrado

7 comportamiento eléctrico estático 7 Niveles lógicos y margen de ruido Los parámetros relacionados con los niveles lógicos nos dan información acerca de los niveles de ruido que será capaz de aceptar nuestra lógica sin que se corrompa la información. Estos parámetros pueden venir dados como valores absolutos o como relativos a la alimentación. Ejemplo: Serie HC atacando puertas CMOS V =4.9V OHmin V =3.5V IHmin V =0.1V OLmax V =1.5V ILmax El margen de ruido será: Nivel alto 4.9V-3.5V=1.4V Nivel bajo 1.5V-0.1V=1.4V

8 comportamiento eléctrico estático Comportamiento con cargas resistivas En régimen estático cualquier carga es resistiva, por tanto este estudio es totalmente generalizable. 2.-Cualquier carga puede representarse por su equivalente de Thevenin VDD VIN R Thev + V Thev - Gnd

9 comportamiento eléctrico estático Comportamiento con cargas resistivas. 9 Ejemplo 5V R poff R non VDD VOUT R Thev + V Thev V = OUT V Thev R R Thev+ R non non Si V >V no podremos OUT OLmax cargar nuestro inversor con ese circuito. - Gnd

10 comportamiento eléctrico estático Comportamiento con cargas resistivas. 10 Ejemplo 2 VDD V = OUT V DD -V Thev R Thev+ RpON R + Thev V Thev 0V R pon R noff VOUT R Thev + V Thev Si V OUT<V OHmin no podremos cargar nuestro inversor con ese circuito. - Gnd

11 comportamiento eléctrico estático Comportamiento con cargas resistivas. 11 Desafortunadamente no conocemos las impedancias de los transistores, sólo conocemos los siguientes parámetros. I OLmax Máxima corriente que la salida puede absorber en estado bajo manteniendo una tensión de salida inferior a V OLmax I OHmaxMáxima corriente que la salida puede generar en estado alto manteniendo una tensión de salida superior a V OHmin

12 comportamiento eléctrico estático Comportamiento con cargas resistivas. 12 VDD Ejemplo: R Thev=1KΩ, V Thev=3.5V Si consideramos R 0Ω pon 0V R pon R noff VOUT R Thev + V Thev I = OH 5-V Thev R Thev I debe ser < I OH =1.5mA OHmax - Gnd

13 comportamiento eléctrico estático Comportamiento con cargas resistivas. 13 Continuación del Ejemplo: R Thev=1KΩ, V Thev=3.5V VDD Si consideramos R 0Ω non 5V R poff R non VOUT R Thev + - V Thev I = OH V Thev R Thev Si I OH< IOHmax y Si I OL< IOLmax =3.5mA la puerta funcionará correctamente con esta carga Gnd

14 Fanout Familias lógicas: CMOS comportamiento eléctrico estático 14 Definición: Es el número máximo de entradas con las que se puede cargar la salida de nuestra puerta lógica. IImax Es la máxima corriente de entrada que se necesita en la puerta de los transistores que forman la puerta lógica. IOLmax IOHmax Fanout=Min(, ) I I ILmax IHmax Para puertas CMOS I = I ILmax IHmax

15 comportamiento eléctrico estático 15 Comportamiento con entradas no ideales VIN R p(vin-vdd) R nvin VDD V = OUT Gnd R nvin R nvin VDD +R p(vin-vdd) Si las entradas no son cercanas a las tensiones de alimentación y tierra, los transistores no están ni completamente abiertos, ni totalmente cerrados, de forma que los transistores en ON presentan una resistencia mayor de la ideal y los transistores en OFF menor. La potencia consumida es no nula, incluso sin carga y la salida no es la ideal

16 Puertas NAND, NOR 16 A NOR A B NAND B Salida Salida A B A B

17 Puertas NAND, NOR 17 Entradas sin usar. Ejemplo: Puerta AND de cuatro entradas, sólo tenemos tres literales. F=A B C=1 A B C 1 1KΩ VDD A B F A B F C C Nunca dejar una entrada sin conectar. (al aire)

18 comportamiento eléctrico dinámico 18 Tiempo de transición: Es el tiempo que un circuito tarda en cambiar de estado. Es debido a que un cambio de estado requiere la carga de una serie de capacidades, entre las que cabe incluir: -La puerta de los transistores a la salida -Las capacidades del cableado -Los circuitos de entrada, el encapsulado,etc... Transición ideal Transición real Nivel alto Nivel bajo r f Los tiempos tanto de subida como de bajada dependerán de la capacidad de carga así como de la resistencia en ON de los transistores y del cableado. t t

19 comportamiento eléctrico dinámico 19 Análisis de los tiempos de transición VDD VIN R p Circuito equivalente de carga R L R n C L + - V L Gnd

20 comportamiento eléctrico dinámico 20 Análisis de los tiempos de transición VIN R p R n VDD Circuito equivalente de carga R L C + L V - L VIN Carga de otra puerta CMOS R =,V, =0V R p R n L VDD L C L Gnd Gnd

21 comportamiento eléctrico dinámico 21 Análisis de los tiempos de transición VDD Tiempo de subida R p V OUT Vout = VDD 1 e tr pon C L VIN C L R n Gnd 9 Ejemplo numérico Datos: V OLmax =1.5V V OHmin =3.5V R non =200Ω C =100pF ( ( ) ( )) tr = t. V t. V = ln ln = 17ns L

22 comportamiento eléctrico dinámico 22 Análisis de los tiempos de transición VDD Tiempo de bajada R p V OUT V = V e out DD tr non C L VIN C L R n Gnd 9 Ejemplo numérico Datos: V OLmax=1.5V V OHmin=3.5V R non =100Ω C =100pF ( ( ) ( )) tf = t. V t. V = ln 3. 5 / 5 ln = 8. 5ns L

23 comportamiento eléctrico dinámico 23 Retardo de propagación Se define como el tiempo que transcurre desde que se produce un cambio en la señal de entrada hasta que éste se refleja en la salida Se suele dar desde el punto medio del flanco de subida o bajada de forma que se eliminan en lo posible los tiempos de transición En caso de que se cargue una puerta en exceso los tiempos de transición harán incrementar el retardo de propagación. t phlretardo de propagación cuando la salida pasa de nivel alto a nivel bajo t plhretardo de propagación cuando la salida pasa de nivel bajo a nivel alto

24 comportamiento eléctrico dinámico 24 Retardo de propagación t phl t plh t phl t plh

25 comportamiento eléctrico dinámico Se consume potencia cuando hay paso de corriente desde alimentación a tierra cuando la tensión de entrada está lejos de la alimentación y la tierra, es decir en las transiciones. 2 T PD DD P = C V f Tiene magnitud de capacidad aunque no lo es. Viene dado por el fabricante Tensión de alimentación Frecuencia de las transiciones Esta fórmula deja de ser correcta cuando las transiciones son muy lentas. Los fabricantes dan un tiempo máximo para estas de forma que si se excede, el valor de C no es correcto PD

26 comportamiento eléctrico dinámico Se consume potencia cuando cargamos la carga capacitiva a la salida. Esta capacidad es debida a las conexiones y a la impedancia de carga. 2 L L DD P = C V f Capacidad que carga la salida de la puerta lógica. Tensión de alimentación Frecuencia de las transiciones Potencia total ( ) 2 D PD L DD P = C + C V f

27 27 Dispositivos con entrada Schmitt-Trigger 5.0 V OUT Función de Transferencia Símbolo de un inversor Schmitt-Trigger V IN Este tipo de dispositivos son más inmunes al ruido y son usadas ordinariamente para señales en líneas de transmisión.

28 28 Dispositivos con salida Three-State A B Enable Enable Salida Símbolo de una puerta NAND con Enable Enable A B Z A B Puerta NOR

29 29 Dispositivos con salida Three-State A B Enable Enable A B Salida Tabla de verdad Enable A B Salida Z Z Z Z Puerta NOR Z significa Alta Impedancia

30 30 Salidas en colector abierto VDD Símbolo de una puerta NAND con salida en colector abierto A B Z VOUT A B NAND Gnd Tabla de verdad A B Salida 0 0 Abierta 0 1 Abierta 1 0 Abierta 1 1 0

31 31 Salidas en colector abierto VDD VOUT Para el funcionamiento de estas puertas debe conectarse una resistencia de pull-up A B Su valor máximo vendrá fijado por: I =VDD/R OLmax pull-up NAND Gnd El valor de la resistencia que pongamos va a fijar: I =(V -V )/R OHmax DD OHmin R pull-up C carga t plh pull-up

32 Familias lógicas: TTL 32 Características diferenciadoras respecto a CMOS Los transistores usados son bipolares, esto implica: corrientes de entrada mucho mayores consumo de potencia en estática mayor velocidad? Podemos apreciar en los niveles lógicos, que no son simétricos VDD Niveles lógicos indicativos para puertas TTL VIHmin (2.0V) VILmax (0.8V) Gnd Nivel alto, 1 Nivel bajo, 0 VOHmin (2.7V) VOLmax (0.5V)

33 Compatibilidad entre CMOS y TTL 33 -Hay una diferencia apreciable entre los niveles lógicos de ambos tipos de dispositivos. -Cuando cargamos una puerta CMOS con una TTL estamos exigiendo mayor corriente y por lo tanto los niveles lógicos de salida disminuyen -Las características que ofrecen los fabricantes, tanto para IOLmax y IOHmax como para VOLmax y VOHmin dependen del tipo de puerta con que estemos cargando. Ejemplo: Familia HC con VDD=5.0V Carga CMOS Carga TTL IOLmaxC 0.02 ma VOLmaxC 0.1 V IOHmaxC ma VOHminC 4.9 V IOLmaxT 4 ma VOLmaxT 0.33 V IOHmaxT -4 ma VOHminT 4.3 V

34 Compatibilidad entre CMOS y TTL 34 VDD TTL VIHmin (2.0V) Nivel alto, 1 VOHmin (2.7V) VILmax (0.8V) Gnd Nivel bajo, 0 VOLmax (0.5V) CMOS VDD VIHmin(3.5V) Nivel alto, 1 VOHmin(4.3V) VILmax(1.5V) Gnd Nivel bajo, 0 VOLmax(0.33V)

35 Compatibilidad entre CMOS y TTL 35 Familias CMOS actuales 4000 Son las primeras pero están en desuso, admiten gran rango de alimentaciones y son muy robustas pero muy lentas. HC y HCT Las siglas significan High-speed CMOS y High-speed CMOS TTL-compatible AC y ACT Son mucho más rápidas que las anteriores y eliminan el problema de la poca cantidad de corriente a la salida que eran capaces de suministrar HC y HCT sus siglas significan Advanced CMOS y Advanced CMOS TTL-compatible La única diferencia de los dispositivos TTL compatibles con los que no lo son radica en los niveles lógicos a la entrada.

36 Compatibilidad entre CMOS y TTL 36 Familias CMOS actuales FCT y FCT-T Salió a principios de esta década reduce el consumo de potencia y disminuye los retardos. Ambas son TTL compatibles, la diferencia radica en que la segunda reduce el nivel de salida a nivel alto (como las TTL), reduciendo así más el consumo de potencia. Importante FCT, FCT-T AC, ACT HC, HCT Prestaciones - Velocidad - Consumo Precio

37 Compatibilidad entre CMOS y TTL 37 Familias TTL actuales S Shottky TTL LS Low-power Shottky TTL AS Advanced Shottky TTL ALS Advanced Low-power Shottky TTL F Fast TTL

38 Compatibilidad entre CMOS y TTL 38 Salidas 5.0V Entradas V OHmin HC, HCT 3.98 AC, ACT 3.94 LS, S, ALS, AS 2.7 Nivel alto 3.15 HC, AC Margen de ruido a nivel alto V ILmax V OLmax LS, S, ALS, AS 0.5 AC, ACT 0.37 HC, HCT 0.33 Zona no válida Nivel bajo 2.0 LS, S, ALS, AS, HCT, ACT 1.35 HC, AC V IHmin 0.8 LS, S, ALS, AS, HCT, ACT Margen de ruido a nivel bajo

39 Familias lógicas: ECL 39 Produce diferencias de tensión pequeñas, menores de 1 voltio, entre los niveles alto y bajo. Sus niveles de alimentación son 0V y entre -4.5 y -5.2V V IHmax V IHmin V OHmax V OHmin V ILmax V ILmin V OLmax V OLmin Las potencias consumidas son altas >20mW por puerta Los retardos y tiempos de transición son muy bajos 1ns

40 Familias lógicas: Generalidades 40 Modelo de caja negra: Los parámetros descritos anteriormente van a ser útiles para cualquier familia lógica, no necesitamos saber como está estructurado internamente un dispositivo sino cuales son sus parámetros de funcionamiento. Alimentación VIHmin VILmax IIHmax IILmax CINtyp... Entradas Salidas Alimentación VOHmin VOLmax IOLmax IOHmax tplh tphl Fanout