Dispositivos Electrónicos

Dispositivos Electrónicos AÑO: 2010 TEMA1: CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS DIGITALES Rafael de Jesús Navas González Fernando Vidal Verdú

1/21 TEMA 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS DIGITALES 1.1. Señales y sistemas electrónicos analógicos y digitales. Sistemas de Señal Mixta. 1.2. Puertas Lógicas y Familias Lógicas 1.3. Caracteristicas Estáticas 1.3.1 Característica de transferencia entrada-salida. Niveles Lógicos 1.3.2 Concepto de ruido y márgenes de ruido. 1.3.3 Conceptos de fan-in y fan-out. 1.3.4 Regeneración de los niveles 1.4. Caracteristicas Dinámicas 1.4.1 Características temporales y velocidad de operación. 1.5. Consumo de potencia velocidad de operación y capacidad de integración. 1.6. La puerta lógica ideal

2/21 TEMA 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS DIGITALES OBJETIVOS: Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de: Comprender los conceptos de puerta lógica y familia lógica. Conocer los parámetros que caracterizan a las puertas y familias lógicas como sistemas electrónicos y que permiten la comparación entre elementos pertenecientes a una misma o distinta familia lógica. En concreto: Identificar los niveles lógicos y calcular el margen de ruido de una puerta lógica a partir de la caracteristica de transferencia del circuito electrónico que la implementa. Comprender los conceptos de fan-in y fan-out y las limitaciones que imponen Comprender el concepto de velocidad de operación de una puerta o familia lógica y su relación con los parametros temporales: de propagación, de subida y de bajada. Comprender el concepto de consumo de potencia de una puerta lógica y su relación con la velocidad de operación. Identificar los valores de estos parametros para una puerta lógica ideal.

3/21 LECTURAS COMPLEMENTARIAS Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos Electrónicos en Informática y Problemas de Examen Resueltos" Universidad de Málaga/ Manuales 2006. Tema 1: pag.19-48. Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para Estudiantes de Informática" Universidad de Málaga / Manuales 2002. Tema 2: pag. 31-42. Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas Combinacionales", Prensas Universitarias de Zaragoza 2003. Tema 0, Tema 10: pag. 238-254. Floyd, T.L. "Fundamentos de Sistemas Digitales" Ed. Prentice Hall. 1996. Tema 1: pag. 4-13, Tema 3: pag. 129-132 Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996. Tema: 13: pag. 928-932 Hayes J.P. "Introducción al Diseño Digital", Ed. Addison-Wesley Iberoamericana, 1996. Tema 1: pag.1-12. Lloris A. y Prieto A., "Diseño Lógico", Ed. McGrawHill. 1996. Tema 5: pag. 115-124. Angulo J.M. y otros, "Sistemas Digitales y Tecnología de Computadores", Ed. Paraninfo,2001. Tema 1: pag. 1-10. Rashid, M.H. "Circuitos Microelectrónicos" Ed. Thomson. 2002. Tema1: pag.1-25.

Sistemas Electrónicos: Procesadores de Información 4/21 Fuente de Potencia Entrada de Potencia Fuente de Información Transductor Entrada de Señal Procesador de Información Salida de Señal Actuador Carga TELECOMUNICACIÓN CONTROL DE PROCESOS INFORMATIZACIÓN f s (t) Señal Analógica g s (n) A+ Señal Digital Binaria 1 0 1 1 0 (t) A- (n)

5/21 Sistemas Electrónicos: Procesadores de Información Fuente de Potencia Entrada de Potencia Entrada de Señal Procesador de Información Salida de Señal Fuente de Información Transductor Señal Analógica A/D Señal Digital D/A Sistema Electrónico Analógico Sistema Electrónico Digital Señal Analógica A/D Señal Digital D/A Carga Actuador - Sistemas Electrónicos Digitales: - Sistemas Electrónicos Analógicos: - Las entradas y las salidas son señales digitales. - Las entradas y las salidas son señales analógicas. - Procesan información digital, - Procesan información analógica, representada mediante señales digitales. representada mediante señales analógicas - Operaciones: Amplificación, aritmética, integro/diferenciales - Operaciones: booleanas, aritmético/lógicas almacenamiento. filtrado,modulación/demodulación

Señales Eléctricas Conversión Analógico/Digital 6/21 y y=f(t) Señal analógica en continuo f s (t) Señal Analógica t(s) Muestreo de una señal analógica g s (n) A+ A- Señal Digital Binaria 1 0 1 1 0 (t) (n) 100 y 4 011 y 3 010 y 2 001 y 1 000 y 0 111 y 7 110 y 6 101 y 5 y d2 y d0 y d1 y d y=y i (t n ) t n (s) Muestras de la señal analógica en discreto Cuantización de una señal muestreada Señal digital multivaluada Codificación de la señal cuantificada Señal digital binaria Palabra de N Bits en serie y d0 y d1 y d2 Señales digital binarias Palabra de N Bits en paralelo

7/21 Procesado Analógico V 7V MUNDO IDEAL 10V V 10V 3V MUNDO REAL V 0,5V δ 0,5V 7V+δ V 9V SALIDA 11V 10V+2δ 3V+δ

V 0 1 1 1 Procesado Digital 8/21 V 0 0 1 1 7 MUNDO IDEAL 10 V 1 0 1 0 3 V 0 1 1 1 MUNDO REAL V 0 0 1 1 7 10 V 1 0 1 0 3

9/21 Procesado Analógico: Insustituible en las Entrefases! ANALÓGICO generadores señal medios transmisión audio I/O V.L.S.I DIGITAL vídeo I/O sensores actuadores medios almacenamiento

10/21 Sistemas Electrónicos Procesadores de Información - Sistemas Electrónicos Digitales versus - Sistemas Electrónicos Analógicos - Mayor Precisión en la representación de la información - Mayor Inmunidad a ruido: - perturbaciones electromagnéticas - imprecisión o fallas en dispositivos - Mayor capacidad cálculo y de procesamiento - Técnicas de diseño más simples y estructuradas - Mayor flexibilidad de los diseños: programabilidad - Mayor capacidad y facilidad de integración Necesarios porque: - Las magnitudes físicas son analógicas - Los sistemas digitales se fabrican con dispositivos electrónicos reales cuyo comportamiento es analógico - El interfaz con el mundo real necesita sistemas analógicos -Flexibilidad -Fiabilidad -Coste - Integración de sistemas de Señal Mixta

11/21 X Y=X X 1 X 2 Y=X 1 X 2 X 1 X + R b + X v 2 1 + v 2 V cc Q V cc D A D B Puertas Lógicas y Familias Lógicas R c Y + R D Y + Las Puertas Lógicas: Son Circuitos Electrónicos que materializan a los operadores lógicos del algebra de Boole. Se fabrican sobre obleas de material semiconductor, se encapsulan en bloques cerámicos o plásticos, formando Circuitos Integrados. Según el nº de puertas lógicas incluidas en un CI se habla de circuitos integrados SSI, MSI,LSI,VLSI,ULSI. Las Familias lógicas: Son grupos de circuitos, capaces de realizar los diferentes operadores lógicos, compatibles entre sí y que se comparten: El tipo de elementos empleados en su diseño La estructura del circuito La tecnología de fabricación Las familias lógicas más usuales son: - TTL. Lógica Transistor-Transistor. Usa transistores bipolares. - ECL. Lógica de Emisor acoplado. Usa transistores bipolares. - CMOS. Lógica con transistores Metal-Óxido-Semiconductor. - BiCMOS. Lógica con transistores Bipolares y CMOS X 1 X 2 Y=X 1 +X 2 X 1 + v 1 X 2 + v 2 R D Y + M A v M B o Se comparan atendiendo a diferentes caracteristicas: - Características estáticas: Curva de tranferencia: Los Niveles lógicos y Márgenes de ruido. Características de entrada/salida. Fan-in, Fan-out. - Características dinámicas: Tiempo de propagación y Velocidad de operación. - Consumo de potencia. - Capacidad de integración

0 1 1 1 Puertas Lógicas: Característica Estáticas Característica de trasferencia ideal. Niveles Lógicos 1 0 0 0 12/21 0 0 0 1 /2 /2 /2 0 1 1 1 Entrada Salida Niveles Lógicos: Son los valores concretos de tensión V H y V L, que se asocian a cada uno de los dos valores de las variables binarias. Dependen de la familia lógica que se considere. En general se habla de nivel logico 1 asociado a VDD. y nivel lógico 0 asociado a 0 V. 0

Puertas Lógicas: Característica de trasferencia real. Niveles Lógicos 13/21 Los valores concretos de V H y V L quedan definidos mediante un intervalo de valores. Así se establecen cuatro valores: - H : Valor de tensión mínimo que es interpretado como nivel alto (H) a la entrada de una puerta lógica. H -1 - H : Valor de tensión mínimo que es proporcionado a la salida de una puerta lógica para representar al nivel alto (H). - L : Valor de tensión máximo que es interpretado como nivel abajo (L) a la entrada de una puerta lógica. L -1 - L : Valor de tensión máximo que es proporcionado a la salida de una puerta lógica para representar al nivel bajo (L). L H Se tiene que cumplir: H L Entrada H L 0 Salida L L H H recordatorio de la entrada-salida ideal /2 0 v /2 o Entrada Salida

Ruido en los circuitos electrónicos: Ejemplo de origen interno al circuito 14/21 (ACOPLAMIENTO CAPACITIVO) 1 1 0 0 Ruido + v _ 0 1 i + dv i( ruido) = C dt H Ruido = H + Ruido v(ruido)

15/21 Puertas Lógicas: Ruido y Márgenes de Ruido Ruido 0 1 + Margen de ruido del 1 H H L L H H

16/21 Puertas Lógicas: Márgenes de Ruido y Niveles Lógicos 1 1 1=2 Niveles lógicos a la salida Niveles lógicos a la entrada 1 2 2 2 MR H = H - H margen de ruido del 1 H MR H H H L MR L L L L L vi1 El margen de ruido MR = min (MR H, MR L ) L v IL v IH H 2 MR L = L - L margen de ruido del 0 0 1 1 1 H H El margen de ruido dice lo grande que puede ser este ruido y que el circuito todavía tenga una salida correcta.

Puertas Lógicas: Característica Estáticas Características de conectividad entrada-salida: Fan-IN y Fan-OUT 17/21 Cuando se conectan puertas lógicas en cascada puede producirse una degradación de los valores de tensión asociados a las variables booleanas. Este hecho impone un límite tanto al número de puertas que pueden conectarse a la salida de una dada, como al número de entradas con las que puede diseñarse una puerta lógica. 0 1 0 0 1 0 Estos conceptos se recogen mediante los parámetros: Fan-out y Fan-in. - Fan-out o abanico de salida de una puerta lógica es el máximo nº de entradas de otras puertas que se pueden conectar a la salida de dicha puerta garantizando que no se rebasan los valores máximos y mínimos definidos por los niveles lógicos. 0 1 0 - Fan-in o abanico de entrada de una puerta lógica se define como el máximo número de entradas con el que es posible diseñar una puerta lógica, para una familia lógica dada. 0??

Puertas Lógicas: Característica Estáticas 18/21 Regeneración de los Niveles Lógicos 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0

Puertas Lógicas: Características Dinámicas 19/21 H Tiempos de subida y de bajada H Tiempos de propagación 0.9( H L ) 0.5( v v ) oh ol 0.1( H L ) ( 0, L ) t r1 t r t r2 t f1 t f t f2 ( 0, L ) t PLH t PHL Máxima velocidad de operación t PD = t PLH + t PHL 2 1 1 2 2 1 f max ---------- = T min = t r + t PD + t f

20/21 Consumo de energía: Producto Consumo de Potencia de retardo Potencia: Energía consumida por unidad de. Calculada como V CC x I CC (tensión de alimentación x corriente suministrada por la fuente) Potencia estática: Calculada cuando no se producen cambios en la señales de entrada Potencia dínámica: Calculada cuando se producen cambios en la señales de entrada a un ritmo dado Además de un mayor gasto energético, un mayor consumo de potencia implica una mayor generación de calor, el cual, si no es adecuadamente disipado, da lugar a un incremento de la temperatura que puede provocar un mal funcionamiento del circuito. Parámetro Potencia x t PD : Se mide en Julios y puede interpretarse como la energía necesaria para producir un cambio de nivel lógico. A menor valor, mejor es la familia lógica. Capacidad de Integración Consumo de área: Ocupación de una puerta: Número de elementos empleados. Consumo de Potencia: A mayor consumo, menor capacidad de integración, por mayor necesidad de disipación

21/21 Características de la Puerta Lógica Ideal Niveles Lógicos: V OH = ; V OL = 0 V IH = V IL = /2 /2 Márgenes de Ruido del cero (MR L ) y del uno (MR H ) iguales y máximos: MR H = MR L = /2 /2 Entrada 0 Salida FAN-IN: Infinito FAN-OUT: Infinito Regenera los Niveles Lógicos Consumo nulo Retrasos nulos: t r = t f = t PHL = t PHL = 0