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domingo, 21 de agosto de 2016

Circuitos integrados

CIRCUITO INTEGRADO
  Es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo los transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican y se interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio. Procesado el chip se encierra en una caja de cerámica que contiene los pines de conexión a los circuitos externos.

PRESENTACION
DIP: Dual In- Line Package
Plana
Chip Carrier

Superficial

                      

ASPECTOS CLAVES

  El pin 1 se identifica por una ranura o punto grabado  en
la parte superior de la capsula.

La numeración de los pines se realiza en sentido contrario
a las agujas del reloj.

Cada fabricante de circuitos integrados se identifica con un
logotipo, llevando el chip o la capsula la información
respecto al fabricante como la referencia del dispositivo .

FAMILIAS LOGICAS
  Es un grupo de Chips o módulos funcionales fabricados
de acuerdo a la misma tecnología y eléctricamente
compatibles, es decir se pueden interconectar directamente
entre si para configurar cualquier tipo de sistema.

  Familias Bioplares: RTL (Lógica de Resistor a transistor), DTL (Lógica de Diodo a transistor), TTL (Lógica de transistor a transistor), ECL (lógica de emisor acoplado), I2L (Lógica de inyección integrada: aplicaciones analógicas y digitales)

   Familias MOS: CMOS ( Lógica de transistores MOSFET Complementarios), PMOS (Lógica de Transistores MOSFET canal P), NMOS (Lógica de transistores MOSFET canal N)

ESCALA DE INTEGRACION
De acuerdo con su complejidad los circuitos integrados se
clasifican en 4 categorías: SSI, MSI, LSI, VLSI, la cual se
basa en el numero de compuertas utilizadas.

SSI: Small Scale of Integration (Menos de 13 Compuertas).

MSI: Medium Scale Of Integration (13 a 100 Compuertas:
Codificadores, Decodificadores, multiplexores,
demultiplexores, contadores)

LSI: Large Scale of Integration ( 100 a 1000 Compuertas:
ALU, Micros)

VLSI: Very Large Scale of Integration ( Mas de 1000
Compuertas, Sist. De adquision de datos,
microcontroladores, microprocesadores, etc.)

FAMILIA TTL
Las características de la tecnología utilizada, en la familia
TTL (Transistor, Transistor Logic), condiciona los
parámetros que se describen en sus hojas de características
según el fabricante, (aunque es estandar), la resumiré en
sólo algunas como que:

Su tensión de alimentación característica se halla
comprendida entre los 4.75V y los 5.25V como se ve un
rango muy estrecho debido a esto, los niveles lógicos
vienen definidos por el rango de tensión comprendida 
entre 0.2V y 0.8V para el estado L y los 2.4V y Vcc para el 
estado H.

La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su
mejor caracteristica lo cual le hace aumentar su consumo
siendo esto su mayor enemigo. Motivo por el cual han
aparecido diferentes versiones de TTL como L, SL, S, etc.

Esta familia es la primera que surge y aún todavía  se
utiliza en aplicaciones que requieren dispositivos SSI y
MSI. El circuito lógico TTL básico es la compuerta NAND y
la familia TTL utiliza como componente principal el
transistor bipolar. 

Características de la serie TTL estándar
1.Rango de voltajes de alimentación y temperatura: Estas series
utilizan una fuente de alimentación  (Vcc) con voltaje
nominal de 5V. Funcionan de manera adecuada en
temperaturas ambientales que van de 0° a 70°C..

2.Niveles de voltaje: Los niveles de voltaje de salida de la
familia 74 estándar son: Voltajes nominales máximos.


             

Los voltajes aplicados a cualquier entrada de un CI no
deben exceder los 5.5V. Existe también un máximo para el
voltaje negativo que se puede aplicar a una entrada TTL,
que es de –0.5V.  Esto se debe al uso de diodos de
protección en paralelo en cada entrada de los CI TTL

3. Retado de propagación: La compuerta NAND TTL estándar
tiene retardos de propagación característicos de tPLH = 11
ns y tPHL = 7 ns, con lo que el retardo promedio es de
tPD(prom) = 9 ns.

Dentro de la familia TTL, existen otras series que ofrecen
alternativas de características de velocidad y potencia.
Dentro de ellas, están:

Serie 74L, TTL de bajo consumo de potencia (10 veces
menos que la estándar pero 4 veces mas lenta)

Serie 74H, TTL de alta velocidad (Consumen 2.5 veces mas
potencia que la estándar, y son 2 veces mas rápidas)

Serie 74S, TTL Schottky (Consumen 1.8 veces mas potencia
que la estándar, pero son 4 veces mas rápidas).

Serie 74LS (LS-TTL), TTL Schottky de bajo consumo de
potencia (Consumen 5 veces menos que la Estándar y son
igual de rápidas)

Serie 74AS (AS-TTL), TTL Schottky avanzada (Son las mas
rápidas y su consumo esta entre la LS y la stándar)

Serie 74ALS, TTL avanzada Schottky de bajo consumo de
potencia (consumen la mitad de los estándar y son
doblemente mas rápidas)

Características representativas de las series TTL
          
La serie TTL también puede caracterizarse por el tipo de
salida con que cuenta:

salida TTL de colector abierto
salida TTL de tres estados

FAMILIA CMOS     

Existen varias series en la familia CMOS de circuitos
integrados digitales. La serie 4000 que fue introducida por
RCA y la serie 14000 por Motorola, estas fueron las
primeras series CMOS.

La serie 74C que su característica principal es que es
compatible terminal por terminal y función por función con
los dispositivos TTL. Esto hace posibles remplazar algunos 
circuitos TTL por un diseño equivalente CMOS. La serie
74HC son los CMOS de alta velocidad, tienen un aumento
de 10 veces la velocidad de conmutación. La serie
74HCT es también de alta velocidad, y también es 
compatible en lo que respecta a los voltajes con los 
dispositivos TTL.

  Los voltajes de alimentación en la familia CMOS tiene un
rango muy amplio, estos valores van de 3 a 15 V para los 
4000 y los 74C. De 2 a 6 V para los 74HC y 74HCT.

Los requerimientos de voltaje son:

                               

La tolerancia al ruido es mucho mejor que los TTL ya que
los CMOS por lo que pueden ser utilizados en medios con 
mucho más ruido. Los márgenes de ruido pueden  hacerse 
todavía mejores si aumentamos el valor de VDD ya que es 
un porcentaje de este.

Características de la familia CMOS.
1.Voltaje de alimentación: Las series 4000 y 74C funcionan 
con valores de VDD que van de 3 a 15V, por lo que la 
regulación de voltaje no es un aspecto crítico. Las series 
74HC y 74HCT funcionan con voltajes de 2 a 6 V.

Cuando las salidas CMOS manejan solo entradas CMOS, 
los niveles de voltaje de la salida pueden estar muy  
cercanos a 0V para el estado bajo, y a VDD para el estado 
alto. 

1.Velocidad de operación: Una compuerta NAND N-MOS 
común tiene un tiempo de retardo de 50 ns. Esto se debe 
principalmente a la resistencia de salida relativamente 
alta (100kΩ) y la carga capacitiva representada por las 
entradas de los circuitos lógicos manejados.

2.Margen de ruido: Normalmente, los márgenes de ruido N-
MOS están alrededor de 1.5V cuando operan desde 
VDD 5 V, y serán proporcionalmente mayores para 
valores más grandes de VDD.

3.Consumo de potencia: Los CI MOS consumen pequeñas 
cantidades de potencia debido a las resistencias 
relativamente grandes que utilizan

5.Complejidad del proceso: La lógica MOS es la familia 
lógica más simple de fabricar ya que utiliza un solo 
elemento básico, el transistor N-MOS (o bien el P-MOS), 
por lo que no requiere de otros elementos como diodos o 
resistencias (como el CI TTL).

6. Susceptibilidad a la carga estática: Las familias lógicas 
MOS son especialmente susceptibles a daños por carga 
electrostática. Esto es consecuencia directa de la alta 
impedancia de entrada de estos CI. Una pequeña carga 
electrostática que circule por estas altas impedancias 
puede dar origen a voltajes peligrosos. La mayoría de los 
nuevos dispositivos CMOS están protegidos contra daño 
por carga estática mediante la inclusión en sus entradas de 
un diodo zener de protección. Estos diodos están 
diseñados para conducir y limitar la magnitud del voltaje 
de entrada a niveles muy inferiores a los 
necesarios para hacer daño.

Las principales series CMOS son:

serie 4000/1400
serie 74C
serie 74HC (CMOS de alta velocidad)
serie 74HCT

Diferencias entre las familias TTL y CMOS.

  En comparación con las familias lógicas TTL, las familias 
lógicas MOS son más lentas en cuanto a velocidad de 
operación; requieren de mucho menos potencia; tienen un 
mejor manejo del ruido; un mayor intervalo de suministro 
de voltaje; un factor de carga más elevado y requieren de 
mucho menos espacio (área en el CI) debido a lo compacto 
de los transistores MOSFET.

   Además, debido a su alta densidad de integración, los CI 
MOS están superando a los CI bipolares en el área de 
integración a gran escala. (LSI – memorias grandes, CI de 
calculadora, microprocesadores).

   Por otro lado, la velocidad de operación de los CI TTL los 
hace dominar las categorías SSI o MSI (compuertas, FF y 
contadores)

FAMILIA ECL
 La familia ECL, lo que quiere decir Lógica Acoplada en
Emisor (emmiter-coupled logic) son unos circuitos 
integrados digitales los cuales usan transistores bipolares, 
pero a diferencia de los TTL en los ECL se evita la  
saturación de los transistores, esto da lugar a un 
incremento en la velocidad total de conmutación. 
  
El circuito básico para los ECL es principalmente la 
configuración de amplificador diferencial.

 Los niveles lógicos para la familia ECL son los siguientes:
0 lógico  -1.7 V
1 lógico  -0.8 V

CARACTERÍSTICAS DE LA ECL
 La familia TTL utiliza transistores que operan en el modo
saturado. Como resultado, su velocidad de conmutación 
esta limitada por el retardo en el tiempo de 
almacenamiento asociado con un transistor que se conduce 
a saturación. En cambio con el desarrollo de la ECL se ha 
logrado mejorar las velocidades de conmutación.  

 La familia ECL no se usa tan comúnmente como las 
familias TTL y CMOS, excepto en aplicaciones de muy alta 
frecuencia donde su velocidad es superior. Sus márgenes 
de ruido son relativamente bajos y tiene un elevado 
consumo de potencia .
    
En la familia ECL los transistores nunca se saturan, esto 
hace que la velocidad de conmutación sea muy alta, el 
tiempo común de retardo es de 2ns. Los márgenes de ruido 
en el peor de los casos son de 250 mV. Esto hace a los ECL
un poco inseguros para utilizarse en medios industriales 
de mucho trabajo.

Con los circuitos TTL También tenemos que tomar en 
cuenta la disipación de potencia de una compuerta ECL 
que es de 40 mW, muy alta en comparación a las otras 
familias. 
Otra desventaja es su voltaje de alimentación negativo y 
niveles lógicos, que no son compatibles con las demás 
familias .

FAMILIA PMOS Y NMOS
Los transistores de la tecnología MOS (Metal Oxide 
Semiconductors) son transistores de efecto de campo a los 
que llamamos MOSFET, la gran mayoría de los circuitos 
integrados digitales MOS se fabrican solamente con este 
tipo de transistores.

El MOSFET tiene varias ventajas: es muy simple, poco 
costoso, pequeño y consume muy poca energía.  Los 
dispositivos MOS ocupan mucho menos espacio en un CI 
que los BJT, un MOSFET requiere de 1 mílesimo cuadrado 
del area del CI mientras que un BJT ocupa 50 mílesimos  
del area del CI. Esta ventaja provoca que los circuitos 
integrados MOS estén superando por mucho a los 
bipolares en lo que respecta a la integración a gran 
escala (LSI, VLSI)..

Los circuitos integrados P-MOS y N-MOS tiene una mayor 
densidad de integración por lo que son más económicos 
que los CMOS. Los N-MOS son más comúnmente 
utilizados que los P-MOS, ya que son dos veces más 
rápidos y tienen cerca de dos veces la densidad de 
integración de los P-MOS.


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