República Bolivariana de VenezuelaMPP Para La Educación UniversitariaIUP Santiago MariñoExt. “Maracaibo”Materia: Electronica Digital

Electrónica DigitalFamilias Lógicas

Alumno: Freddy Chourio C.I. 23.450.953

INTRODUCCIÓN

Siempre en electrónica digital nos hemos hecho la pregunta ¿qué tecnologíadigital será la más apropiada para este diseño? En una primera aproximación, esfácil elegir entre tecnología TTL o CMOS simplemente basándonos en el consumoque pretendamos que tenga el diseño; pero a partir de ahí es donde empiezan losproblemas: actualmente existen fundamentalmente seis subfamilias TTL y cuatroCMOS, cada una de ellas con unas características diferentes que las hacenpropicias para cada tipo de aplicación.

A la vista de esto podemos llegar a la conclusión de que es imprescindible para eldiseñador conocer a fondo cada una de estas tecnologías, entendiendo por estono sólo sus características funcionales sino también el porqué de las mismas.

Veremos cómo los fabricantes, al desarrollar una nueva tecnología, hanperseguido la reducción del parámetro "producto potencia disipada retardo depropagación" que, como veremos, determina la calidad de la familia lógica;además, se han ido mejorando otras características más secundarias.

El desarrollo de este trabajo consta de las siguientes partes:

- Tecnologías TTL: breve descripción de las subfamilias fundamentales de estatecnología: estándar, S, LS, ALS, AS y FAST.

- Tecnologías CMOS: breve descripción de las familias de fabricación CMOS:4000, HE4000, HCMOS y ACL.

En este trabajo se incluirá una breve comparación de las familias lógicasestudiadas.

En primer lugar se estudiaran las definiciones de cada una, y posteriormentese compararán para conocerlas mejor en cuanto a sus características y susdiferencias una de otra.

1.- FAMILIA TTL ESTÁNDAR

La familia lógica TTL-Estándar (TTL = transistor-transistor logic o lógica transistor-transistor) es una familia "saturante" de TTL caracterizada fundamentalmente porsu rapidez.

Es saturante porque la mayor parte de los transistores que la forman trabajan encorte-saturación. Estos transistores conducen tan pronto como la corriente debase sea suficiente para hacer que la intensidad de colector sea la de saturación.Pero el funcionamiento no suele ser así. Normalmente, un transistor con gananciaen corriente elevada requiere una considerable corriente de base lo que favorecela entrada en saturación del transistor. Cuando queremos que el transistor pase alcorte, el exceso de carga acumulado en la base tarda en desalojarse, lo quecontribuye a que los tiempos de conmutación del transistor sean mayores.

Una de las mejoras introducidas por la familia TTL-Estándar es la utilización de untransistor de entrada multiemisor que favorece el paso del estado de saturación alde corte, retirando la carga almacenada en la base del transistor durante lasaturación.

2.- FAMILIA TTL-SCHOTTKY

Uno de los principales problemas que existen en la familia TTL-Estándar es lapérdida de velocidad en la conmutación, debido a que la mayoría de lostransistores trabaja en corte-saturación y es difícil evacuar el exceso de cargaalmacenada en la región de base durante la saturación.

Este problema tiene solución con la aparición de la familia TTL-Schottky. Se tratade evitar que los transistores alcancen el estado de saturación. De esta manera sereduce el exceso de carga en la región de base, de forma que se tardará menosen evacuarla cuando el transistor intente pasar al corte, lo que se traduce en unaumento considerable de la velocidad.

3.- FAMILIA TTL-LS

Con la familia TTL-S habíamos conseguido un gran aumento de velocidad deconmutación con respecto a la TTL-Estándar, pero también se había aumentado lacorriente que circulaba por la puerta y, por lo tanto, su consumo de potencia. Apartir de la TTL-S se obtuvo la familia TTL-LS; TTL Schottky de baja potencia(TTL-Low Power Schottky). Con esta familia se obtiene un consumo menor depotencia, pero se reduce la velocidad de conmutación.

A pesar de esto, la velocidad que se ha obtenido es muy parecida a la de la TTL-Estándar pero el consumo de potencia se ha reducido en un factor de cinco.

La familia TTL-LS, como descendiente de la familia TTL-S, sigue utilizando eldiodo Schottky.

4.- FAMILIA TTL-ALS

La familia "Schottky de baja potencia avanzada" (Advanced Low-power Schottky,ALS) es una de las más avanzadas de la familia TTL. En ésta se aumenta dosveces la eficiencia de conducción y se ofrece más del 50 % de reducción depotencia en comparación con la familia TTL-LS. Con esta familia se mejora elproducto Potencia-Velocidad.

Vamos a explicar el por qué de la importancia del producto Potencia-Velocidad. Elproducto Potencia-Velocidad (power-speed) es un sistema de medida (cuyaunidad es el picojulio) utilizado en los circuitos donde la velocidad y la potenciason factores muy importantes.

En los circuitos digitales vistos hasta ahora, hemos observado que siempre seintenta reducir el consumo del circuito (con el fin de que gaste menos energía, seamás barato y sea menos propenso a la ruptura) y aumentar la velocidad deconmutación (con lo cual la información será transmitida más rápidamente). Poreso, el producto potencia-velocidad es muy importante.

Lo ideal sería tener un circuito con un producto Potencia-Velocidad = 0.

En los ALS el producto potencia-velocidad es unas cuatro veces menor que enTTL-LS Y alrededor de veinte veces menor que en TTL. Los circuitos ALS ofrecen,entre otras, las siguientes ventajas adicionales:

· Compatible con las familias 74, 74S, 74LS.

· Corriente de entrada reducida al 50 % respecto a TTL-Estándar.

5.- FAMILIA TTL-AS

En el capítulo anterior vimos que la familia TTL-ALS ofrecía una serie de ventajascon respecto a la familia TTL-LS. Por otro lado, según lo visto hasta ahora, lafamilia lógica que nos ofrece una mayor rapidez es la TTL-Schottky (TTL-S). Conel fin de mejorar las características de TTL-S surge la familia TTL-AdvancedSchottky (TTL-AS = TTL-Schottky Avanzada).

La familia lógica TTL-AS ofrece una reducción de disipación de potencia y deretardo de un 50 % con respecto a TTL-S, mientras que el producto Potencia-Velocidad es reducido unas cuatro veces con respecto a esta misma familia 1.

La familia TTL-AS proporciona las siguientes ventajas adicionales:

· Reducción del 50 % de la intensidad requerida a la entrada.

· Retardos de propagación pequeños y elevadas frecuencias de reloj con relativobajo consumo.

6.- FAMILIA FAST

La familia FAST, donde FAST proviene de TTL Schottky Avanzada de FAIRCHILD(FAIRCHILD Advanced Schottky TTL) es el último paso en TTL. Fue creada en ladécada de los 80 y debido a su alta velocidad de conmutación puede trabajar enáreas hasta ahora reservadas para la lógica "ECL IOK" utilizando los diseños TTLbásicos y una única alimentación de 5V. La alta impedancia de entrada de lafamilia FAST permite la interconexión directa con los circuitos de las familias TTL-LS, TTL-ALS y HCMOS en un mismo sistema.

Los circuitos FAST reducen en 1/4 la potencia que disipan con respecto a lafamilia TTL-S ya sea trabajando a nivel alto o bajo mejorando además el productoPotencia-Velocidad.

La mayoría de los sistemas diseñados con circuitos TTL-S, pueden funcionarreemplazando estos circuitos por sus equivalentes de la familia FAST.

7.- FAMILIA ECL

Como hemos visto hasta ahora, las familias lógicas que utilizan los transistorescon atrapamiento Schottky son las únicas en las que sus transistores no alcanzanla saturación y por tanto son más rápidas (aunque el diodo Schottky aumente unpoco la capacidad de entrada del transistor correspondiente).

Desde hace muchos años existe una familia que utiliza el principio de no conseguirla saturación de los transistores; la forma que tiene de hacerlo no es empleandodiodos Schottky en los transistores, sino mediante un diseño particular de suscircuitos internos. Nos estamos refiriendo a la familia ECL o Lógica de EmisoresAcoplados (Emitters Coupled Logic).

La familia ECL tiene dos variantes:

· ECL serie 10000 o ECL IOK.

· ECL serie 100000 o ECL IOOK.

Ambas familias (IOK y IOOK) son prácticamente idénticas con la diferencia de quela familia ECL IOOK es un poco más rápida que ECL IOK y además posee unamayor estabilidad frente a variaciones de la temperatura.

Las familias ECL son las más rápidas que existen en el mercado, llegando susretardos a sobrepasar en muchas ocasiones un nanosegundo por puerta y lafrecuencia de reloj suele ser de 50 MHz, pudiendo llegar a las cercanías del GHz.Todo esto las hace recomendables en contadores, comunicaciones digitales dealta velocidad, sistemas de cálculo de alta velocidad, etc .

Por lo comentado anteriormente, la familia ECL tiene unas propiedades ideales;pero falta comentar sus características en cuanto a la disipación de potencia. Deesta manera, si ECL es la familia más rápida que existe en el mercado, también esla familia que más potencia disipa (20 mW por puerta), y si a esto le añadimos quesu tensión de alimentación es negativa, entonces podemos decir que no es unafamilia tan apetecible como en un principio parecía, puesto que no sólo consumemucho, sino que los niveles lógicos que proporciona no son en nada compatiblescon los de las restantes familias lógicas, por lo que los problemas en lainterconexión con otras familias lógicas son muchos.

8.- FAMILIA CMOS 4000

Es sabido el afán por conseguir velocidades de conmutación cada vez más altasen los circuitos integrados digitales para el diseño de sistemas electrónicos. Hastaahora, las tecnologías bipolares (TTL) eran las únicas que satisfacían lasnecesidades de velocidad y corriente. Las técnicas PMOS y NMOS no podíancompetir debido a su lentitud; sin embargo, con las tecnologías mejoradasapareció la primera serie comercial de CMOS (Complementary Symmetry / MetalOxide Semiconductor - Semiconductor Oxido Metal / Simetría Complementaria),dada en la serie 4000, bajo el nombre registrado de COS/MOS. En esta familia seaplican conjuntamente las técnicas PMOS y NMOS.

Esta familia tiene velocidades más cercanas a las de la familia TTL-Estándar quePMOS y NMOS. Como ventajas sobre las familias TTL hay que destacar que suconsumo puede ser miles, incluso millones de veces inferior, siempre y cuando lasfrecuencias de trabajo no sean muy elevadas.

En esta familia se disminuye el volumen de los circuitos, aparte de que tiene unagran inmunidad al ruido y funciona con una amplia gama de valores de tensionesde alimentación. Hay que destacar el gran daño que pueden producir lasdescargas electrostáticas en los circuitos CMOS.

9.- FAMILIA CMOS HE4000

La familia CMOS 4000 había logrado ofrecer unas características tales como unbajo consumo de corriente, poca disipación de potencia, amplia gama detensiones de funcionamiento y una excelente inmunidad a ruidos. A pesar de quesu velocidad de conmutación se acercaba a las de TTL, seguía siendo muy lentaen comparación con ésta. Posteriormente se creó la familia 74Cxx (C = CMOS)con patillaje TTL, en la que se mejoraban las características de los CMOS 4000;pero estas mejoras no eran suficientes.

Para que la familia CMOS pudiera ser algo más competitiva había que aumentar lavelocidad de los circuitos, pero para ello se deberían disminuir las capacidadesparásitas del integrado. Esto es lo que se consigue en los circuitos de la familiaCMOS HE4000 debido a una nueva tecnología empleada en su fabricación:Tecnología de Puerta de Silicio.

Las ventajas de la familia CMOS HE4000 son las mismas que las de la familiaCMOS 4000, es decir, disipan mucha menos potencia (mientras no se trabaje amuy altas frecuencias), se disminuye el volumen de los circuitos, tienen una graninmunidad al ruido, funcionan con una amplia gama de valores de tensiones dealimentación, tienen un intervalo de temperatura de funcionamiento más amplio,tienen un fan-out elevado y además tienen mayor velocidad.

10.- FAMILIA HCMOS

El uso de tecnologías digitales basadas en la utilización de transistores bipolares(TTL) ha sido masivo hasta hace pocos años. Esto era así debido a las buenascaracterísticas que presentan las familias derivadas de TTL respecto a la elevadavelocidad de trabajo y a un relativo bajo consumo; todo esto mejorado con laaparición de las tecnologías TTL-AS, TTL-ALS y FAST. La única alternativa a lasfamilias TTL era la serie 4000 de CMOS, pero a pesar de su reducido consumo, suexcesiva lentitud limitaba en buena parte su utilización.

Desde hace pocos años está disponible la familia CMOS de alta velocidad(Highspeed CMOS.- HCMOS). Las propiedades de las familias lógicas CMOS dealta velocidad se han mejorado espectacularmente en relación con la serie 4000de CMOS; de manera que la velocidad se ha aumentado a niveles comparablescon la familia TTL-LS mientras que el consumo es del orden de un millón de vecesinferior a esta familia en régimen estático.

Todas estas propiedades hacen que esta familia se haya difundido rápidamenteen el mercado y esté sustituyendo con claridad a las familias TTL.

11.- FAMILIA ACL

Según lo visto en el capítulo anterior, parecía que la lucha por conseguir unafamilia lógica con más prestaciones había llegado a su fin con la aparición de lafamilia HCMOS. Todo eran ventajas: bajo consumo, muy buena velocidad, ampliomargen de tensión de alimentación y temperatura de trabajo, etc. Pero entecnología digital, nunca existe una familia perfecta y siempre surgen nuevasfamilias que mejoran las características de la familia lógica que creíamos que erainsuperable.

Lo más novedoso en tecnología CMOS es la familia lógica CMOS Avanzada (ACL-Advanced CMOS Logic). Esta familia introduce una gran mejora en velocidad ydisipación de potencia con respecto a la familia HCMOS, cosa que parecía muydifícil cuando analizamos a esta última en el capítulo anterior.

CUADRO COMPARATIVO ENTRE LAS FAMILIAS LÓGICAS ESTÁNDARCUADRO COMPARATIVO ENTRE LAS FAMILIAS LÓGICAS ESTÁNDARCUADRO COMPARATIVO ENTRE LAS FAMILIAS LÓGICAS ESTÁNDAR

VENTAJAS E INCONVENIENTESVENTAJAS E INCONVENIENTESVENTAJAS E INCONVENIENTES