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Curso de electrónica digital (II)
Autor: Miguel Angel Montejo Ráez

Indice

Este tema se suele incluir más adelante en todos los libros y temarios de electrónica digital. El autor ha considerado que es más importante el aspecto práctico, por lo que es indispensable conocer este tema para poder poner en práctica la teoría.

Familias lógicas

Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales pueden albergar puertas lógicas o circuitos lógicos más complejos.

Estos componentes están estandarizados, para que haya una compatibilidad entre fabricantes, de forma que las características más importantes sean comunes. De forma global los componentes lógicos se engloban dentro de una de las dos familias siguientes:

TTL: diseñada para una alta velocidad.
CMOS: diseñada para un bajo consumo.

Actualmente dentro de estas dos familias se han creado otras, que intentan conseguir lo mejor de ambas: un bajo consumo y una alta velocidad.

No se hace referencia a la familia lógica ECL, la cual se encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Esta familia nació como un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumo de CMOS, pero en raras ocasiones se emplea.

Comparación de las familias

PARAMETRO TTL estándar TTL 74L TTL Schottky de baja potencia (LS) Fairchild 4000B CMOS (con Vcc=5V) Fairchild 4000B CMOS (con Vcc=10V)
Tiempo de propagación de puerta 10 ns 33 ns 5 ns 40 ns 20 ns
Frecuencia máxima de funcionamiento 35 MHz 3 MHz 45 MHz 8 MHz 16 MHz
Potencia disipada por puerta 10 mW 1 mW 2 mW 10 nW 10 nW
Margen de ruido admisible 1 V 1 V 0'8 V 2 V 4 V
Fan out 10 10 20 50 (*) 50 (*)

(*) O lo que permita el tiempo de propagación admisible

Dentro de la familia TTL encontramos las siguiente sub-familias:

  • L: Low power = dsipación de potencia muy baja
  • LS: Low power Schottky = disipación y tiempo de propagación pequeño.
  • S: Schottky = disipación normal y tiempo de propagación pequeño.
  • AS: Advanced Schottky = disipación normal y tiempo de propagación extremadamente pequeño.

TENSION DE ALIMENTACION

CMOS: 5 a 15 V (dependiendo de la tensión tendremos un tiempo de propagación).

TTL: 5 V.

Parámetros de puerta

Las puertas lógicas no son dispositivos ideales, por lo que vamos a tener una serie de limitaciones impuestas por el propio diseño interno de los dispositivos lógicos. Internamente la familia TTL emplea transistores bipolares (de aquí su alto consumo), mientras que la familia CMOS emplea transistores MOS (a lo que debe su bajo consumo).

MARGEN DEL CERO

Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un cero lógico:

VIL máx: tensión máxima que se admite como cero lógico.
VIL mín: tensión mínima que se admite como cero lógico.

MARGEN DEL UNO

Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un uno lógico:

VIH máx: tensión máxima que se admite como uno lógico.
VIH mín: tensión mínima que se admite como uno lógico.

MARGEN DE TRANSICION

Se corresponde con el rango de tensiones en que la entrada es indeterminada y puede ser tomada como un uno o un cero. Esta zona no debe ser empleada nunca, ya que la puerta se comporta de forma incorrecta.

MT = VIH mín - VIL máx

AMPLITUD LOGICA

Debido a que dos puertas de la misma familia no suelen tener las mismas características debemos emplear los valores extremos que tengamos, utilizando el valor de VIL máx más bajo y el valor de VIH mín más alto.

AL máx: VH máx - VL mín
AL mín: VH mín - VL máx

RUIDO

El ruido es el elemento más común que puede hacer que nuestro circuito no funcione habiendo sido diseñado perfectamente. El ruido puede ser inherente al propio circuito (como consecuencia de proximidad entre pistas o capacidades internas) o también como consecuencia de ruido exterior (el propio de un ambiente industrial).

Si trabajamos muy cerca de los límites impuestos por VIH y VIL puede que el ruido impida el correcto funcionamiento del circuito. Por ello debemos trabajar teniendo en cuenta un margen de ruido:

VMH (margen de ruido a nivel alto) = VOH mín - VIH mín
VML (margen de ruido a nivel bajo) = VIL máx - VOL máx

VOH y VOL son los niveles de tensión del uno y el cero respectivamente para la salida de la puerta lógica.

Supongamos que trabajamos a un nivel bajo de VOL = 0'4 V con VIL máx = 0'8 V. En estas condiciones tendremos un margen de ruido para nivel bajo de:

VML = 0'8 - 0'4 = 0'4 V

FAN OUT

Es el máximo número de puertas que podemos excitar sin salirnos de los márgenes garantizados por el fabricante. Nos asegura que en la entrada de las puertas excitadas:

VOH es mayor que VOH mín
VOL es menor que VOL mín

Para el caso en que el FAN OUT sea diferente a nivel bajo y a nivel alto, escogeremos el FAN OUT más bajo para nuestros diseños.

Si además nos encontramos con que el fabricante no nos proporciona el FAN OUT podemos calcularlo como:

FAN OUT = IOL máx / IIL máx

Donde IOL e IIL son las corrientes de salida y entrada mínimas de puerta.

POTENCIA DISIPADA

Es la media de potencia disipada a nivel alto y bajo. Se traduce en la potencia media que la puerta va a consumir.

TIEMPOS DE PROPAGACION

Definimos como tiempo de propagación el tiempo transcurrido desde que la señal de entrada pasa por un determinado valor hasta que la salida reacciona a dicho valor.

vamos a tener dos tiempos de propagación:

Tphl = tiempo de paso de nivel alto a bajo.
Tplh = tiempo de paso de nivel bajo a alto.

Como norma se suele emplear el tiempo medio de propagación, que se calcula como:

Tpd = (Tphl + Tplh)/2

FRECUENCIA MAXIMA DE FUNCIONAMIENTO

Se define como:

Fmáx = 1 / (4 * Tpd)

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