PRESENTACION DE FAMILIAS LOGICAS

- TTL

Las primeras puertas lógicas integradas eran mera copia directa de las puertas "o-negada" (Nor) con componentes discretos, mediante la conexión en paralelo de varios transistores bipolares NPN en emisor común; tales puertas dieron lugar a la primera familia lógica: RTL.

se mejoraron las características de estas puertas integradas, en cuanto a velocidad y a consumo, combinando una puerta "y" de diodos con un transistor inversor en emisor común; así se configuró la puerta "y-negada" (Nand) base de la familia DTL.
A partir de este esquema, se planteó una segunda mejora en velocidad y en consumo, añadiendo una etapa de salida amplificadora de intensidad (dos transistores en push-pull) y substituyendo los diodos por un transistor multi emisor.

La etapa de salida de dos transistores NPN ( totem pole: «palo de tótem») aumenta la intensidad suministrable y disminuye la resistencia de salida; el transistor multi emisor mejora considerablemente la conmutación de la puerta (en una primera aproximación, su comportamiento puede ser analizado en términos de diodos:

La clave del funcionamiento de la puerta TTL es el sentido en que circula la intensidad que la base del transistor multi emisor recibe desde la resistencia de 4K: - si dicha corriente va «hacia fuera», es decir, si alguna de las entradas está conectada a 0, el transistor T se encontrará en corte y el transistor T1, en colector común, transmite un 1 a la salida;
cuando todas las entradas se encuentran a 1 dicha intensidad circula «hacia dentro», hacia la base del transistor T, que se satura y lleva también a saturación al transistor T2, que pone la salida a 0. [Un 0 en una entrada supone una intensidad «hacia fuera», de forma que una entrada TTL «al aire» equivale a un 1, salvo efectos de ruido .]
Los tiempos de propagación de la serie TTL estándar son del orden de 10 ns. y el consumo promedio es de unos 2 mA (10 mW).

La serie 74LS (low power Schottky) mejora en gran medida a la serie estándar en cuanto a consumo (0,4 mA), manteniendo la velocidad de trabajo en valores análogos e incluso, algo superiores. La disminución del consumo se deriva del empleo de resistencias de mayor valor, lo cual acarrea un aumento de las constantes de tiempo asociadas; este efecto queda compensado por la inclusión de un diodo Schottky entre base y colector de los transistores que impide su saturación (desvía la corriente de base hacia el colector antes de entrar en una saturación profunda) y, con ello, aumenta su velocidad de conmutación.

La familia TTL proporcionó la base del gran desarrollo que tuvieron los sistemas digitales durante la década de los 70; su amplia difusión y utilización favoreció la aparición de diversas series derivadas de la mejora de características concretas, una de las cuales, la serie LS ha sustituido por completo a la serie estándar inicial y es la que se ha seguido utilizando a lo largo de la década de los 80.

la serie 74ALS (advanced LS) presenta tiempos por debajo de 4 ns, mientras que las series 74F (fast-TTL) y 74AS (advanced Schottky) ofrecen tiempos de propagación del orden de 2,5 ns y 1,5 ns, respectivamente, a costa de un mayor consumo (por utilizar resistencias de menor valor).
La serie 74LS sigue siendo útil para «recambio y mantenimiento» de los numerosos sistemas digitales que han sido construidos con ella (o con la serie estándar 74), la serie 74ALS se emplea en circuitos «interbús» (aplicación que consideraremos un poco más adelante) y la serie 74F resulta adecuada para diseños de muy alta velocidad de trabajo (frecuencias superiores a los 100 MHz).

CMOS

La tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor): lógica MOS complementaria, se basa basicamente del uso de dos transistores de efecto de campo a la salida del circuito, de canal n (NMOS) y de canal p (PMOS).

El proceso de fabricación de CMOS es más simple que el TTL y tiene una mayor densidad de integración, lo que permite que se tengan más circuitos en un área determinada de sustrato y reduce el costo por función. La gran ventaja de los CMOS es que utilizan solamente una fracción de la potencia que se necesita para la serie TTL de baja potencia (74L00), adaptándose de una forma ideal a aplicaciones que utilizan la potencia de una batería.

El inconveniente de la familia CMOS es que es más lenta que la familia TTL, aunque la nueva serie CMOS de alta velocidad “HCMOS” (SERIES HC y HCT), que vio la luz en 1983, puede competir con las series bipolares avanzadas en cuanto a elocidad y disponibilidad de corriente, y con un consumo menor, con las series 74 y 74LS.

Los primeros productos de familias lógicas CMOS se denominaron como circuitos integrados de serie 4000, 4001, etc. de los cuales esta connotación fue adoptada por todos los fabricantes.

Puertas lógicas de la familia CMOS

· INVERSORES CMOS

· COMPUERTA NAND CMOS

· COMPUERTA NOR CMOS

· COMPUERTAS AND Y OR

Inversor CMOS:

Un dispositivo CMOS consiste en distintos dispositivos MOS interconectados para formar funciones lógicas. Los circuitos CMOS combinan transistores PMOS y NMOS, cuyos símbolos más comunes son los que se muestran en la Figura

El circuito mostrado en la Figura 2 (a) representa un INVERSOR CMOS y está formado por un transistor de canal tipo P (QP1) y otro de canal tipo N (QN1).

La circuitería del INVERSOR CMOS básico se muestra en la Figura 2 (a). El INVERSOR CMOS tiene

dos MOSFET en serie de modo que, el dispositivo con canales P tiene su fuente conectada a + VDD (un voltaje positivo) y el dispositivo de canales N tiene su fuente conectada a masa. Las compuertas de los dos dispositivos se interconectan con una entrada común. Los drenajes de los dos dispositivos se interconectan con la salida común.

A continuación, consideremos el caso donde A1 = 0 V (la entrada A1 está en nivel bajo (‘0’)). QP1 tiene ahora su compuerta en un potencial negativo en relación con su fuente, en tanto que QN1 tiene VGS = 0 V.

De este modo, QP1 estará encendida con RON=1 k y QN1 apagada con ROFF = 10

10, produciendo un F de aproximadamente + VDD. En resumen QP1 se activa y el transistor QN1 se pone en estado de corte. El resultado es un camino de baja impedancia de VDD a la salida F y uno de alta impedancia de tierra a la salida.

Como se puede observar, los transistores operan de forma complementaria. Cuando la tensión de entrada se encuentra en alto (1 lógico), el transistor NMOS entra en estado de conducción y el transistor PMOS entra en corte, haciendo que la salida quede en bajo (0 lógico). La situación inversa ocurre cuando la tensión se encuentra en bajo.

Características de la serie CMOS

Series 4000/14000

Las primeras series CMOS fueron la serie 4000, que fue introducida por RCA y la serie14000 por Motorola. La serie original es la 4000A; la 4000B representa mejora con respecto a la primera y tiene mayor capacidad de corriente en sus salidas. A pesar de la aparición de la nueva serie CMOS, las series 4000 siguen teniendo uso muy difundido. La serie 4000A es la línea más usada de Circuitos Integrados digitales CMOS, contiene algunas funciones disponibles en la serie TTL 7400 y está en expansión constante. Algunas características más importantes de esta familia lógica son:

a) La disipación de potencia de estado estático de los circuitos lógicos CMOS es muy baja.
b) Los niveles lógicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lógico y VDD para 1 lógico. El suministro VDD
puede estar en el rango 3 V a 15 V para la serie 4000. La velocidad de conmutación de la familia CMOS 4000A varía con el voltaje de la fuente.(consultar el apartado de los niveles de voltaje).
c) Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algún nivel de voltaje.

Serie 74C

Esta serie CMOS su característica principal es que es compatible terminal por terminal y función por función, con los dispositivos TTL que tienen el mismo número (muchas de las funciones TTL, aunque no todas, también se encuentran en esta serie CMOS). Esto hace posible remplazar algunos circuitos TTL por un diseño equivalente CMOS. Por ejemplo, 74C74 contiene dos flip-flops tipo D disparados por flanco y tiene la misma configuración de terminales que el CI TTL 7474, que también ofrece dos flipflops tipo D disparados por flanco. El resto de las características son iguales a la serie 74C.

Las series HC/ HCT tienen como característica principal su alta velocidad.

Serie 74HC (CMOS de alta velocidad)

Esta es una versión mejor de la serie 74C. La principal mejora radica en un aumento de diez veces en la velocidad de conmutación (comparable con la de los dispositivos de la serie 74LS de TIL). Otra mejora es una mayor capacidad de corriente en las salidas. 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.

Serie 74HCT
Esta serie también es una serie CMOS de alta velocidad, y está diseñada para ser compatible en lo que respecta a los voltajes con los dispositivos TTL, es decir, las entradas pueden provenir de salidas TTL (esto no es cierto para las demás series CMOS).

Referencias:
http://www.mitecnologico.com/Main/FamiliasLogicasTtl

http://www.angelfire.com/la/SEMICONDUCTORES/TTL.html
Universidad del Táchira
Departamento de Ingeniería Electrónica
San Cristóbal, Estado Táchira, Venezuela