Compuertas Lógicas. Contenido. Tema IV. Definiciones de parámetros de corriente y voltaje (2) Definiciones de parámetros de corriente y voltaje
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- María Ángeles Luna Prado
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1 Tema IV Circuitos Digitales I Compuertas ógicas Ctenido! Definicies de parámetros de corriente y voltaje.! Compuertas lógicas CMOS Circuitos básicos, Características eléctricas, retardos de propagación.! Compuertas lógicas TT Circuitos básicos, Características eléctricas, retardos de propagación.! nálisis de transitorios uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I Definicies de parámetros de corriente y voltaje! Nivel lógico: Es un rango de valores de voltaje, corriente o culaquier otra cantidad física, que representa el valor de una variable lógica (1 ó 0. En CMOS, TT y EC los niveles lógicos se representan mediante rangos de voltaje El nivel TO ( es el rango más positivo El nivel JO ( es el rango más negativo! Inmunidad al ruido: Capacidad de un circuito lógico para soportar señales de ruido superpuestas al nivel lógico en su entrada Definicies de parámetros de corriente y voltaje (2! Niveles lógicos y márgenes de ruido V max V Omin V Omax V min SID VImin Margen de ruido CD Estado alto V Imix Margen de ruido CD ENTRD Estado bajo uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
2 Niveles de entrada y salida! Voltaje de entrada mínimo de nivel alto (V Imin Mínimo valor de entrada garantizado para ser recocido como un TO! Voltaje de salida mínimo de nivel alto (V Omin Mínimo valor de salida garantizado en el estado TO! Voltaje de entrada máximo de nivel bajo (V Imax Máximo valor de entrada garantizado para ser recocido como un JO! Voltaje de salida máximo de nivel bajo (V Omax Máximo valor de salida garantizado en el estado JO Todos éstos varian c la temperatura, tensión de alimentación, proceso (tecnología de fabricación... Definicies de parámetros de corriente y voltaje (3! Corriente de entrada de nivel alto (I I Corriente en una entrada cuando se le aplica un nivel TO! Corriente de salida de nivel alto (I O a corriente en una salida cuando se aplican cdicies de entrada que generen en la salida un nivel TO! Corriente de entrada de nivel bajo (I I Corriente en una entrada cuando se le aplica un nivel JO! Corriente de salida de nivel bajo (I O a corriente en una salida cuando se aplican cdicies de entrada que generen en la salida un nivel JO uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I Definicies de parámetros de corriente y voltaje (4! Número máximo de salidas, cargabilidad de salida, abanico de salida o FN-OUT: Es el número máximo de compuertas que pueden cectarse a la salida sin degradar los niveles lógicos (sin reducir el margen de ruido! Número máximo de entradas, cargabilidad de entrada, abanico de entrada o FN-IN: Es el número máximo de entradas que puede tener una compuerta de una determinada familia lógica sin afectar su funciamiento. Más sobre niveles lógicos! a región indefinida es inherente digital, no analógico Se requiere amplificación, débil => fuerte Copyright 2000 by Prentice all, Inc.! El umbral de cmutación varía c Digital Design el voltaje, Principles and Practices, la temperatura, 3/e proceso de fabricación, Por lo que se necesita de un margen de ruido! medida que se avanza en la tecnología esta se vuelve más analógica.! El voltaje de los niveles lógicos se ha ido reduciendo c los procesos de fabricación 5 -> 3.3 -> 2.5 -> 1.8 V 5.0 V 3.5 V 1.5 V 0.0 V 1 ogic lógico 1 (IG (TO 0 lógico ogic 0 (JO (OW undefined Nivel lógico logic level indefinido uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
3 MOS Transistores MOS V IN Copyright 2000 by Prentice all, Inc. V gs PMOS NMOS + gate gate + V gs Resistencia ctrolada por voltaje source drain drain source Resistencia Voltage-ctrolled ctrolada resistance: por voltaje: decrease l reducir V gs V ==> decrease R ds gs se reduce R ds Note: Nota: normally, normalmente V gs 0 V gs 0 Copyright 2000 by Prentice all, Inc. Resistencia Voltage-ctrolled ctrolada resistance: por voltaje: increase V gs ==> decrease R l incrementar V ds gs se reduce R ds Note: normally, V gs 0 Nota: normalmente V gs 0 Copyright 2000 by Prentice all, Inc. uis Taraza, UNEXPO arquisimeto Digital Design Principles and E-3213 Practices, Circuitos 3/e Digitales I V IN = +5 V (canal P (canal N V OUT V IN V OUT 0.0 ( 5.0 V( 5.0( 0.0 V( uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I IN Compuerta básica CMOS! OUT Modelo de cmutadores Símbolos alternos para los transistores = +5.0 V V IN = V OUT = V IN = V OUT = V IN (p-channel (canal P (n-channel (canal N V OUT V OUT cuando when V IN Vestá IN is en low bajo ( when cuando V IN is high V IN está en alto ( uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I Copyright 2000 by Prentice all, Inc. uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
4 Características de las compuertas CMOS! No hay flujo de corriente DC en el terminal gate (puerta del MOSFET Sin embargo, la puerta tiene una capacitancia ==> se requiere corriente para la cmutación (potencia CV 2 f! No hay corriente en la estructura de salida, excepto durante la cmutación mbos transistores parcialmente en cducción Csumo de potencia relaciado V IN c la frecuencia Señales c tiempos de subida lentos ==> más potencia! Estructura de salida simétrica ==> Manejo igual de fuerte en los estados TO y JO = +5 V (canal P V OUT (canal N (a Compuertas NND CMOS! Usa 2n transistores para una compuerta de n entradas Copyright 2000 by Prentice all, Inc. (b (c uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I Modelo de interruptores NND CMOS de 3 entradas = (a (b (c = = V DD = = (b (c = = = V DD (a C Q6 Q5 C Q5 Q6 (b (c C C Q5 Q6 Copyright 2000 by Prentice all, Inc. pyright 2000 by Prentice all, Inc. Copyright 2000 by Prentice all, Inc. Copyright 2000 by Prentice a al Design uis Principles Taraza, and Practices, UNEXPO 3/e arquisimeto Digital Design Principles and Practices, E /e Circuitos Digital Digitales Design I Principles and Practi uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
5 uffer no inversor Compuerta ND de dos entradas (a = +5.0 V Copyright 2000 by Prentice all, Inc. (b (c uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I Compuertas NOR CMOS NND vs. NOR! Como la NND: 2n transistores para una compuerta de n entradas! Para un área de silicio dada, los transistores PMOS s más débiles que los transistores NMOS. (a (b (a NND (b V (a DD Copyright 2000 by Prentice all, Inc. NOR (b (c (c (c Copyright 2000 by Prentice all, Inc. uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
6 El Número de entradas en una compuerta es limitado CMOS: Características Eléctricas I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8! NND CMOS de 8 entradas Copyright 2000 by Prentice all, Inc. OUT I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 OUT! El anterior análisis digital sólo es válido si los circuitos operan dentro de las especificacies. Tensión de alimentación Temperatura Calidad de la señal de entrada Carga de salida! ay que hacer algo de análisis analógico para probar que los circuitos operan dentro de las especificacies. Cargabilidad de salida (Fanout nálisis de tiempo: tiempos de establecimiento y mantenimiento (setup and hold times uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I ! Una salida debe drenar corriente de la carga cuando se encuentre en el estado JO (. (a (a V IN IN Corriente "sinking drenada current" V CC CC R p R P > 1 MΩ >1 MΩ R n R n Cargabilidad en DC CMOS inverter V Omax I Omax Omax Carga resistive resistiva load! Una salida debe surtir corriente a una carga cuando se encuentre en estado TO (. (b (b Corriente "sourcing surtida current" uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I V IN IN V CC CC R p R p Rn R n > 1 MΩ >1 MΩ CMOS inverter V Omin I Omax Omax resistive Carga resistiva load Copyright 2000 by Prentice all, Inc. Reducción del voltaje de salida! a resistencia del transistor en es > 1 MΩ, pero la del transistor en no es cero, Existirá una caída de voltaje a través del transistor en, V= IR! Para cargas CMOS, la corriente y la caída de tensión s despreciables.! Para entradas TT, EDs, terminacies u otras cargas resistivas las corrientes y la caída de tensión s significativas y deben ser calculadas. uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
7 Cálculo de las tensies y corrientes de carga: observacies! Se deben cocer las resistencias en y en de los transistores.! Si existen corrientes de fuga significativas, éstas deben tomarse en cuenta.! Se deben cocer las características de la carga Equivalente de Thevenin! Calcular para el estado TO y JO imitacies en la carga DC! Si Ia carga es excesiva, el voltaje de salida se irá fuera del rango válido de voltaje para un nivel lógico.! V Omin, V Imin! V Omax, V Imax uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I (a (a Especificacies de capacidad de carga en la salida! V Omax yv Omin se especifican para ciertos valores de corriente de salida, I Omax yi Omax. V IN IN Corriente "sinking drenada current" No es necesario cocer detalles sobre el circuito de salida, sólo la carga. V CC CC R p R P > 1 MΩ >1 MΩ R n R n CMOS inverter V Omax I Omax Omax Carga resistive resistiva load (b (b Corriente "sourcing surtida current" uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I V IN IN V CC CC R p R p Rn R n > 1 MΩ >1 MΩ CMOS inverter V Omin I Omax Omax resistive Carga resistiva load Copyright 2000 by Prentice all, Inc. Especificacies de carga de la entrada! Cada entrada de compuerta requiere cierta cantidad de corriente para manejarla en el estado TO y en el estado JO. I I ei I Estos valores s especificados por el fabricante.! Csideracies para el cálculo del Fanout (Estado JO a suma de los valores de I I de las entradas manejadas no debe exceder el I Omax de la salida que las maneja. (Estado TO suma de los valores de I I de las entradas manejadas no debe exceder el I Omax de la salida que las maneja. Se necesita el equivalente Thevenin de las cargas que no s entradas de compuertas (EDs, resistores de terminación, etc. para hacer los cálculos. uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
8 ojas de datos del fabricante 74CT00 uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I
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Circuitos Digitales I Tema IV Compuertas ógicas uis Taraza, UNEXPO arquisimeto E-3213 Circuitos Digitales I - 2004 100 Ctenido! Definicies de parámetros de corriente y voltaje.! Compuertas lógicas CMOS
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