1 Familias Lógicas Circuitos Electrónicos DigitalesProfesora: Mafalda Carreño M Segundo Semestre 2009 Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

2 Familias Lógicas familias bipolaresTransistor saturado, equivale a un corto circuito Transistor cortado, equivale a un corto abierto Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

3 Familia TTL Diferentes etapas de salida de la lógica TTLA continuación se muestran la diferentes configuraciones en la etapa de salida de una compuerta. Se distinguen tres tipos: Totem-pole Con carga resistiva En colector abierto Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

4 Familias Lógicas Lógica AlambradaEn los dispositivos con salida colector abierto (OC), se pueden conectar sin peligro, sus salidas entre sí. Como se muestra en la figura. La salida de esta conexión equivale a la operación AND. Esta configuración AND alambrada: elimina la necesidad de una compuerta AND real, los dispositivos OC suelen tener una velocidad de conmutación menor que los con salida Tótem. Son más sensibles al ruido. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

5 Familias Lógicas Lógica Alambrada ¿Son equivalentes?Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

6 Problema con Salida Totem - Pole con Lógica AlambradaLa salida normal en Totem Pole tiene un conflicto potencial en su modo de funcionamiento debido a que la compuerta pull–down podría estar consumiendo corriente, mientras que la compuerta pull–up la suministra. El resultado no está bien definido, y la disipación podría ser excesiva. Definiciones: PULL-UP: Es el dispositivo que suministra el nivel alto, es decir, conecta la tensión de polarización a la salida. PULL-DOWN: Es el dispositivo que suministra el nivel bajo, es decir, conecta la tierra a la salida. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

7 Muchos circuitos lógicos vienen con una Salida de Colector – AbiertoMuchos circuitos lógicos vienen con una Salida de Colector – Abierto. Esto simplemente significa que no existe un transistor de pull–up interno. Cualquier cantidad de estas salidas de colector – abierto pueden ser alambradas juntas con un único resistor externo de pull–up, y la salida estará en estado ALTO sólo cuando todos los transistores de pull – down estén en CORTE. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

8 Familias Lógicas Lógica AlambradaColector Abierto (open colector):Se usa en el manejo de las “IRQ”, (requerimiento de interrupciones). Cuando no se solicita “IRQ”, la interfaz tiene un “1”(circuito abierto). Cuando se solicita “IRQ” hay un “0”, así se pueden unir varias tarjetas que demandan la misma “IRQ” Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

9 Configuración con lógica alambradaCircuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

10 Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel BajoCircuito de carga Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

11 Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel BajoPara que la tensión en la salida de la unión de varias puertas colector abierto sea un nivel bajo VOL, basta con que una de las salidas sea nivel bajo, es decir, que el transistor de salida de una de las puertas esté saturado (VOL=VCEsat) y la corriente de salida del transistor saturado será: IOLmax y la corriente absorbida por el circuito de carga será M* IILmax. En este caso hay que garantizar que: La tensión en la resistencia será: Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

12 Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel AltoCircuito de carga Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

13 Familias Lógicas Lógica Alambrada- Salidas de Nivel AltoPara que la salida tenga un valor alto, es necesario que todas las puertas tengan un nivel alto, es decir fuercen su transistor de salida al estado de corte. La corriente que circula en cada una de estas compuertas será (en el peor caso) IOHmax, una corriente muy pequeña. La corriente en la resistencia será: La tensión en la resistencia será: Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

14 Familias Lógicas Tecnología MOSUno de los principales usos de un dispositivo MOS (Metal-Oxide Semiconductor) es como conmutador lógico en circuitos digitales. Las compuertas lógicas MOS frecuentemente son preferidas debido a: su baja disipación de potencia y menor tamaño comparado con un transistor bipolar, es decir, mayor densidad de integración. Estos dos factores permiten la construcción de circuitos más densos, lo cual es importante desde un punto de vista económico. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

15 Familias Lógicas Tecnología MOSLas familias MOS basan su funcionamiento en los transistores de efecto de campo o MOSFET, los cuales se clasifican en NMOS o PMOS según el canal utilizado. La figura muestra su estructura y sus símbolos. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

16 Familias Lógicas MOS Canal NCircuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

17 Familias Lógicas MOS Canal PCircuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

18 Familias Lógicas Inversor MOS ON 1 OFF F T1 ACuando la entrada se encuentra en nivel bajo, el transistor estará en corte. Por lo tanto la corriente será nula y en la salida se encontrará la tensión de polarización, es decir un nivel alto. Cuando la entrada está en un nivel alto, el transistor estará condiciendo y se comportará como un interruptor, por lo tanto la salida será un nivel bajo. La resistencia actúa como “pull-up” de la estructura. ON 1 OFF F T1 A Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

19 Diferentes tipos de pull-up de la familia NMOSExisten diferentes tipos de “pull-up”: puede ser la resistencia, transistores de deplexión o transistores saturados. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

20 Familias Lógicas Inversor MOST1 se comporta como una resistencia de polarización Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

21 Familias Lógicas Compuertas NMOSEjemplos de compuertas en base a tecnología NMOS. Tarea N°2: Deduzca la tablas de verdad de cada una de las compuertas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

22 Familias Lógicas Familia CMOSLa familia CMOS utiliza los transistores NMOS y PMOS, funcionando como interruptores, de tal forma que los transistores NMOS suministran el nivel bajo y los transistores PMOS suministran el nivel alto. Inversor CMOS Cuando la entrada tiene un valor bajo, T1 estará cortado, mientras que T2 estará conduciendo. Por lo tanto, T2 colocará un nivel alto en la salida. Cuando la entrada tiene un valor alto, T2 estará cortado, mientras que T1 estará conduciendo. Por lo tanto, T2 evitará el paso de corriente por lo que no consume potencia. OFF ON 1 F T2 T1 A Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

23 Familias Lógicas Inversor CMOS a) Si VI = 0 V,Q1 conduce, Q2 se corta. V0 = VDD. b) Si VI = VDD, Q1 se corta, Q2 conduce V0 = 0 V. VI - + Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

24 Familias Lógicas Inversor CMOS1) Los transistores MOS usados están en modo enhancement (mejorado), es decir, no conducen con VGS = 0 y conducen cuando se aplica una tensión adecuada VGS. 2) La carga y descarga de las capacidades parásitas a la salida es rápida y toma el mismo tiempo, porque se realiza a través de la resistencia Rc de los transistores. 3) El inversor CMOS tienen bajo consumo estático, sólo un transistor conduce a la vez. 4) El inversor CMOS tiene alta impedancia de entrada. 5) Posee alto nivel de integración, ya que no se requiere resistencia RD externa. VDD es flexible. 6) Los niveles lógicos dependen de la fuente VDD. 7) El fan – out tiende a infinito. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

25 Familias Lógicas Compuerta NOR CMOS 1 Y B ASi las entradas A y B son 1 lógico positivas y cercanas a VDD, se cortan los transistores p y los transistores n conducen haciendo que V0 sea igual a 0.Si A y B están en 0, los transistores p conducen y los n se cortan, la salida es igual a VDD. En el caso de que A o B sea 0 lógico, esto hará conducir al respectivo transistor n, la salida es igual a 0. 1 Y B A Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

26 Familias Lógicas Compuerta NOR CMOS La etapa de salida puede entregar y absorber corriente, pero la capacidad no es la misma. Para entregar corriente hay 2 transistores en serie y para absorber corriente hay 2 transistores en paralelo. Para igualar la capacidad de corriente y aumentar la “ganancia” de la compuerta, se colocan 2 transistores en cascada a la salida. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

27 Familias Lógicas Compuertas CMOS Ejemplos de compuertas lógicas CMOS.Tarea N° 3: A) Deduzca la tablas de verdad de cada una de las compuertas. B) Dibuje el circuito de una compuerta AND CMOS de 2 entradas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

28 Familias Lógicas Consumo de Potencia (O Corriente) CMOSEn condiciones estáticas el consumo es muy pequeño. Existen 3 causas importantes de consumo. 1. Corrientes de fuga entre Source y Drain (diodos inversamente polarizados, miles o millones en LSI o VLSI). 2. Potencias transientes debidas a las capacidades de carga. 3. Potencias transientes debidas a las capacidades internas. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

29 Familias Lógicas Potencia Disipada por Fuga Aumenta con la TemperaturaCircuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

30 Familias Lógicas Potencia Transiente Debida a la Capacidad de Carga CLVdd Vc Icarga Idescarga Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

31 Familias Lógicas Potencia Transiente Debida a la Capacidad de Carga CLLa energía entregada por la fuente se puede calcular mediante: Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

32 Familias Lógicas Potencia Transiente Debida a la Capacidad de Carga CLLa potencia disipada por el circuito es: Siendo F la frecuencia de conmutación. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

33 Familias Lógicas Potencia Transiente Debida a la Capacidades Internas CI Depende de y F, igual que la anterior. Siendo F la frecuencia de conmutación. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

34 Familias Lógicas Potencia Total Consumida en CMOSLa potencia total es la suma de cada una de las, contribuciones , es decir: Donde CPD : Capacidad Equivalente Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

35 Efecto de la Electricidad Estática en los Componentes ElectrónicosLos aspectos más importantes son: a) Muchos componentes se dañan por electricidad estática con potenciales menores a los que percibe una persona. b) Algunos componentes se dañan parcialmente. c) El riesgo aumenta al disminuir la humedad relativa del aire. d) En algunos circuitos CMOS, se produce un fenómeno denominado “latch up” (enganche, disparo) cuando está polarizado. El dispositivo cortocircuita la fuente y se puede quemar por temperatura. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

36 Familias Lógicas Potencia Consumida Durante la Conmutación Esta situación ocurre que cuando el voltaje de entrada pasa por el rango intermedio entre 0 y VDD (o viceversa). En este caso ambos transistores conducen, lo que crea un camino directo de la fuente a tierra. La potencia disipada es de naturaleza resistiva y también depende de y de F. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

37 Familias Lógicas Consumo Durante la ConmutaciónSupongamos una compuerta lógica capaz de entregar un peak de corriente de 40 mA en Cortocircuito. Al conmutar Vo de 0 a 5 V circula un pulso de corriente Ic. Ic La inductancia del cableado de fuente introduce una fluctuación del voltaje de fuente en la compuerta. ic VDD 40 mA 5.8 V 4.2 V 5 V t [ns] 5 Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

38 Familias Lógicas Consumo Durante la ConmutaciónEstas variaciones de tensión pueden alterar datos almacenados en flip – flops, memorias, etc. Solución: Capacitor de Desacoplo Local. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4

39 Familias Lógicas Consumo Durante la ConmutaciónSuponiendo que el capacitor Cd entrega 40 mA constantes durante el intervalo de 10 nseg. Circuitos Electrónicos Digitales Clase N°4