tiempo 0111

(1)

AÑO: 2010

TEMA1: CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS DIGITALES

Rafael de Jesús Navas González

Fernando Vidal Verdú

(2)

(3)

Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 1. OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es

Bajo licencia Creative Commons Attribution-Non-Comercial-ShareAlike

TEMA 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS DIGITALES

1.1. Señales y sistemas electrónicos analógicos y digitales. Sistemas de Señal Mixta.

1.2. Puertas Lógicas y Familias Lógicas

1.3. Caracteristicas Estáticas

1.3.1 Característica de transferencia entrada-salida. Niveles Lógicos

1.3.2 Concepto de ruido y márgenes de ruido.

1.3.3 Conceptos de fan-in y fan-out.

1.3.4 Regeneración de los niveles

1.4. Caracteristicas Dinámicas

1.4.1 Características temporales y velocidad de operación.

1.5. Consumo de potencia velocidad de operación y capacidad de integración.

1.6. La puerta lógica ideal

(4)

2/21

TEMA 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS DIGITALES

OBJETIVOS:

Al estudiar este tema el alumno debe ser capaz de:

• Comprender los conceptos de puerta lógica y familia lógica.

• Conocer los parámetros que caracterizan a las puertas y familias lógicas como sistemas

electrónicos y que permiten la comparación entre elementos pertenecientes a una misma o distinta

familia lógica.

En concreto:

• Identificar los niveles lógicos y calcular el margen de ruido de una puerta lógica a partir de la

caracteristica de transferencia del circuito electrónico que la implementa.

• Comprender los conceptos de fan-in y fan-out y las limitaciones que imponen

• Comprender el concepto de velocidad de operación de una puerta o familia lógica y su relación

con los parametros temporales: tiempo de propagación, tiempo de subida y tiempo de bajada.

• Comprender el concepto de consumo de potencia de una puerta lógica y su relación con la

velocidad de operación.

(5)

LECTURAS COMPLEMENTARIAS

• Navas González R. y Vidal Verdú F. "Curso de Dispositivos Electrónicos en Informática y Problemas

de Examen Resueltos" Universidad de Málaga/ Manuales 2006. Tema 1: pag.19-48.

• Fernández Ramos, J. y otros, "Dispositivos Electrónicos para Estudiantes de Informática"

Universidad de Málaga / Manuales 2002. Tema 2: pag. 31- 42.

• Pollán Santamaría, Tomás, "Electrónica Digital I. Sistemas Combinacionales", Prensas

Universitarias de Zaragoza 2003. Tema 0, Tema 10: pag. 238-254.

• Floyd, T.L. "Fundamentos de Sistemas Digitales" Ed. Prentice Hall. 1996. Tema 1: pag. 4-13, Tema 3:

pag. 129-132

• Malik, N.R.,"Circuitos Electrónicos. Análisis, Simulación y Diseño", Editorial Prentice-Hall 1996.

Tema: 13: pag. 928-932

• Hayes J.P. "Introducción al Diseño Digital", Ed. Addison-Wesley Iberoamericana, 1996. Tema 1:

pag.1-12.

• Lloris A. y Prieto A., "Diseño Lógico", Ed. McGrawHill. 1996. Tema 5: pag. 115-124.

• Angulo J.M. y otros, "Sistemas Digitales y Tecnología de Computadores", Ed. Paraninfo,2001. Tema

1: pag. 1-10.

(6)

4/21

Navas González, R.; Vidal Verdú, F. (2010). Dispositivos Electrónicos. Tema 1.

OCW- Universidad de Málaga http://ocw.uma.es

Procesador

Información

de

Fuente de

Fuente

Potencia

de

Información

Carga

Entrada

Salida

Entrada

de Potencia

de Señal

Transductor

Actuador

Sistemas Electrónicos: Procesadores de Información

TELECOMUNICACIÓN

CONTROL DE PROCESOS

INFORMATIZACIÓN

tiempo (t)

f

s

(t)

Señal Analógica

tiempo (n)

g

s

(n)

A+

A-1

0

1

0

(7)

Procesador

Información

de

- Sistemas Electrónicos Digitales:

- Las entradas y las salidas son señales digitales.

- Procesan información digital,

- Sistemas Electrónicos Analógicos:

- Las entradas y las salidas son señales analógicas.

- Procesan información analógica,

Fuente de

Fuente

Potencia

de

Información

Carga

Entrada

Salida

Entrada

de Potencia

de Señal

Señal

Analógica

Señal

Digital

A/D

D/A

Sistema

Analógico

Electrónico

Sistema

Digital

Electrónico

Transductor

Señal

Analógica

Señal

Digital

A/D

D/A

Actuador

representada mediante señales digitales.

representada mediante señales analógicas

Sistemas Electrónicos: Procesadores de Información

- Operaciones: Amplificación, aritmética, integro/diferenciales

filtrado,modulación/demodulación

- Operaciones: booleanas, aritmético/lógicas

(8)

6/21

tiempo (t)

f

_s

(t)

Señal Analógica

tiempo (n)

g

_s

(n)

A+

A-1

0

1

0 Señal Digital Binaria

Conversión Analógico/Digital

t(s)

y=f(t)

y

t

_n

(s)

y=y

_i

(t

_n

)

y

0 y

₁

y

2 y

3 y

₄

y

5 y

6 y

₇

000

100

011

010

001

111

110

101 y

d

y

d2

y

d0

y

d1

y

d2

y

d0

y

d1

Muestreo

de una señal

analógica

Cuantización

de una señal

muestreada

Señal digital

multivaluada

Señal analógica

en tiempo continuo

Muestras de la señal

analógica en

tiempo discreto

Señal digital binaria

Señales digital

binarias

Señales Eléctricas

Palabra de N Bits en serie

Palabra de N Bits

en paralelo

Codificación de la señal

cuantificada

(9)

7V

3V

10V

7V+

δ

3V+

δ

10V+2

δ

9V

≤

SALIDA

≤

11V

0,5

–

V

≤

δ 0,5V

≤

10V

MUNDO IDEAL

MUNDO REAL

Procesado Analógico

V

tiempo

V

tiempo

V

tiempo

V

tiempo

(10)

8/21

7

3

10

7

3

10 MUNDO IDEAL

MUNDO REAL

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0 Procesado Digital

tiempo

V

(11)

V.L.S.I

DIGITAL

ANALÓGICO

generadores

señal

medios

transmisión

vídeo

I/O

medios

almacenamiento

sensores

actuadores

audio

I/O

(12)

10/21

-

Sistemas Electrónicos Digitales

- Mayor flexibilidad de los diseños: programabilidad

- Mayor Precisión en la representación de la información

-

Mayor Inmunidad a ruido:

- Mayor capacidad y facilidad de integración

- Mayor capacidad cálculo y de procesamiento

- Técnicas de diseño más simples y estructuradas

-Flexibilidad

-Fiabilidad

-Coste

- Las magnitudes físicas son analógicas

- El interfaz con el mundo real

-

Sistemas Electrónicos Analógicos

necesita sistemas analógicos

- Integración de sistemas de Señal Mixta

- Los sistemas digitales se fabrican con dispositivos

electrónicos reales cuyo comportamiento es analógico

versus

Sistemas Electrónicos Procesadores de Información

- perturbaciones electromagnéticas

- imprecisión o fallas en dispositivos

(13)

• Las Puertas Lógicas: Son Circuitos Electrónicos que materializan a los

operadores lógicos del algebra de Boole.

• Se fabrican sobre obleas de material semiconductor, se encapsulan en

bloques cerámicos o plásticos, formando Circuitos Integrados.

• Según el nº de puertas lógicas incluidas en un CI se habla de circuitos

integrados SSI, MSI,LSI,VLSI,ULSI.

• Las Familias lógicas: Son grupos de circuitos, capaces de realizar los

diferentes operadores lógicos, compatibles entre sí y que se comparten:

• El tipo de elementos empleados en su diseño

• La estructura del circuito

• La tecnología de fabricación

• Las familias lógicas más usuales son:

- TTL. Lógica Transistor-Transistor. Usa transistores bipolares.

- ECL. Lógica de Emisor aCoplado. Usa transistores bipolares.

- CMOS. Lógica con transistores Metal-Óxido-Semiconductor.

- BiCMOS . Lógica con transistores Bipolares y CMOS

• Se comparan atendiendo a diferentes caracteristicas:

- Características estáticas:

• Curva de tranferencia:

Los Niveles lógicos y Márgenes de ruido.

• Características de entrada/salida. Fan-in, Fan-out.

- Características dinámicas:

Tiempo de propagación y Velocidad de operación.

- Consumo de potencia.

- Capacidad de integración

Puertas Lógicas y Familias Lógicas

Q

V

_cc

R

c

R

b

X

_Y=X

X

Y

X

₁

X

₂

Y=X

₁

X

₂

X

₁

X

₂

Y=X

₁

+X

₂

Y

X

₁

X

₂

V

_DD

M

_A

M

_B

R

_D

X

₁

X

₂

D

_A

D

B

Y

R

_D

V

cc

+

−

v

i

+

−

v

o

+

−

v

_o

+

−

v

₁

+

−

v

₂

+

−

v

_o

+

−

v

₂

+

−

v

₁

(14)

12/21

• Niveles Lógicos: Son los valores concretos de tensión V

_H

y

V

_L

, que se asocian a cada uno de los dos valores de las

variables binarias. Dependen de la familia lógica que se

considere. En general se habla de nivel logico 1 asociado a

VDD. y nivel lógico 0 asociado a 0 V.

v

_o

v

_i

V

_DD

V

_DD

/2

Entrada

Salida

v

_i

v

_o

V

_DD

/2

V

_DD

V

_DD

0 0111

v

_i

v

_o

1

0

0 tiempo

tiempo

v

_o

v

_i

0

1

1 tiempo

1

0

0 tiempo

V

_DD

/2

V

_DD

Característica de trasferencia ideal. Niveles Lógicos

Puertas Lógicas: Característica Estáticas

(15)

• Los valores concretos de V

_H

y V

_L

quedan definidos mediante un

intervalo de valores. Así se establecen cuatro valores:

-

v

_iH

: Valor de tensión mínimo que es interpretado como nivel

alto (H) a la entrada de una puerta lógica.

-

v

_oH

: Valor de tensión mínimo que es proporcionado a la salida

de una puerta lógica para representar al nivel alto (H).

-

v

_iL

: Valor de tensión máximo que es interpretado como nivel

abajo (L) a la entrada de una puerta lógica.

-

v

_oL

: Valor de tensión máximo que es proporcionado a la salida

de una puerta lógica para representar al nivel bajo (L).

v

_iH

v

_oH

v

_oL

v

_iL

v

_o

v

_i

v

_o

v

_i

v

_o

v

_i

V

_DD

Entrada

Salida

V

_DD

0 v

_iL

v

_iH

v

oH

v

_oL

v

_o

v

_i V_DD VDD/2 Entrada Salida

v

_i

v

_o VDD/2 VDD VDD 0

recordatorio de la entrada-salida ideal

Puertas Lógicas: Característica de trasferencia real. Niveles Lógicos

v

_oL

≤

v

_i

_L

v

oH

≥

v

iH

-1

(16)

14/21

(ACOPLAMIENTO CAPACITIVO)

Ruido en los circuitos electrónicos: Ejemplo de origen interno al circuito

v

_i

= v

_oH

+

Ruido

tiempo

v

_oH

tiempo

v(ruido)

tiempo

+

Ruido

0

1 v

_i

Ruido

0

1

0 v

+

_

i

i ruido

(

)

C

t

d

dv

=

v

_i

(17)

Puertas Lógicas: Ruido y Márgenes de Ruido

v

_i

v

_o

v

_i

tiempo

v

_o

tiempo

v

_oH

v

_oL

Margen de ruido del ’1’

v

_oH

+

Ruido

0

1 v

_i

v

_o

v

_i

v

_o

v

_i

tiempo

v

_o

tiempo

v

_oH

v

_oL

v

_oH

(18)

16/21

Puertas Lógicas: Márgenes de Ruido y Niveles Lógicos

v

_oH

v

_oL

v

_IH

v

_i2

v

_o2

v

_oH

v

_oL

v

_i1

v

_o1

v

_o1=

v

_i2

v

_IL

v

_i1

v

_o1

_v

o2

v

_i2

margen de ruido del 1

margen de ruido del 0

0

1

1 tiempo

El margen de ruido dice

todavía tenga una salida

v

_oL

v

_i

L

≤

v

_oH

≥

v

_iH

MR

_H

= v

_oH

- v

_iH

MR

_L

= v

_iL

- v

_oL

Niveles lógicos a la salida

Niveles lógicos a la entrada

v

_oH

v

_oL

v

_iH

v

_iL

MR

H

MR

_L

correcta.

lo grande que puede ser

este ruido y que el circuito

El margen de ruido

(19)

Características de conectividad entrada-salida: Fan-IN y Fan-OUT

Cuando se conectan puertas lógicas en cascada puede

producirse una degradación de los valores de tensión

asociados a las variables booleanas. Este hecho

impone un límite tanto al número de puertas que pueden

conectarse a la salida de una dada, como al número de

entradas con las que puede diseñarse una puerta

lógica.

Estos conceptos se recogen mediante los parámetros:

Fan-out y Fan-in.

- Fan-out o abanico de salida de una puerta lógica es

el máximo nº de entradas de otras puertas que se

pueden conectar a la salida de dicha puerta

garantizando que no se rebasan los valores máximos

y mínimos definidos por los niveles lógicos.

- Fan-in o abanico de entrada de una puerta lógica se

define como el máximo número de entradas con el

que es posible diseñar una puerta lógica, para una

familia lógica dada.

v

_i

v

_o

v

_i

v

_o

v

_i

v

_o

v

_i

v

_o

v

_i

v

_o

v

_i

v

o

v

_i

v

_o

v

_i

v

o

0

1

0

1

0

1

0

0 ?

?

(20)

18/21

Regeneración de los Niveles Lógicos

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

(21)

Puertas Lógicas: Características Dinámicas

t

_r

t

_f

tiempo

t

_r1

t

_r2

t

_f1

t

_f2

v

_o

0.9 v

(

_oH

–

v

_oL

)

0.1 v

(

_oH

–

v

_oL

)

v

_oH

0 v

oL

,

(

)

v

_i

v

_o

Tiempos de subida y de bajada

t

_PLH

t

PHL

tiempo

v

_o

0.5 v

oH

–

v

oL

(

)

v

_oH

0 v

,

_oL

(

)

v

_i

Tiempos de propagación

t

_PLH

+ t

_PHL

2 t

_PD

=

v

_i1

v

_o1

v

_i2

v

_o2

1 f

_max

---

=

T

_min

=

t

_r

+

t

_PD

+

t

_f

(22)

20/21

Consumo de energía: Producto Consumo de Potencia tiempo de retardo

Potencia estática:

Calculada cuando no se producen cambios en la señales de entrada

Potencia dínámica:

Calculada cuando se producen cambios en la señales de entrada a un ritmo dado

Además de un mayor gasto energético, un mayor consumo de potencia implica una mayor generación

de calor, el cual, si no es adecuadamente disipado, da lugar a un incremento de la temperatura que

puede provocar un mal funcionamiento del circuito.

Capacidad de Integración

Consumo de área:

Ocupación de una puerta: Número de elementos empleados.

Consumo de Potencia:

A mayor consumo, menor capacidad de integración, por mayor necesidad de disipación