05 U1 Electrónica Digital - Familias Lógicas - Detección y Corrección de Fallas

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Electrónica

Digital

Familias

Lógicas

Ing.

Ing.LuisLuisArmandoArmandoReyesReyesCCaarrddoossoo 11

Luis

Luis Armando

Armando Reyes

Reyes Cardoso

Cardoso

Ingeniero

Ingeniero Electricista

Electricista – ITQ

– ITQ

PTC Mecatrónica.

email:

lreyes@uttt.edu.mx

7329112

7329112 Mecatrónica

Mecatrónica

Ext.

Ext. 412

412

(2)

1.3 Familias Lógicas

M.C.

M.C.LuisLuisArmandoArmandoReyesReyesCCaarrddoossoo 33

••

Existen dos tecnologías de circuitos integrados digitales

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básicas: CMOS y TTL. Las operaciones lógicas NOT, AND,

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integrados que se utilice; es decir, una puerta AND tiene

la misma función lógica se implemente con la tecnología

CMOS o TTL.

1.3 Familias Lógicas

•• El El tértérminminoo CMOS CMOS corresponde corresponde aa Complem Complementary entary Metal Metal −−OxidOxide e SemicSemiconductonductor or

(semiconductor metal

(semiconductor metal −− óxid óxido o complcomplementementario) y ario) y se se impleimplementa con menta con un tipo un tipo dede transistor de efecto de campo.

transistor de efecto de campo.

•• TTLTTL ((Transistor Transistor _‐‐TraTransistnsistor or LogicLogic, , lóglógica ica trtransansististoror−−tratransinsistostor) r) y y se se impimplemlemententaa mediante transistores bipolares.

mediante transistores bipolares.

•• TTenga en cuenta que CMOS y enga en cuenta que CMOS y TTL sólo difieren en el tipTTL sólo difieren en el tipo de componentes de circuitoo de componentes de circuito y los

y los valorvalores de es de los parámetlos parámetros, y ros, y no en no en las operacilas operaciones lógicas básicones lógicas básicas. Una as. Una puertpuertaa AND CMOS realiza la misma operación lógica que una puerta AND TTL. Esto también AND CMOS realiza la misma operación lógica que una puerta AND TTL. Esto también es cierto para todas las operaciones lógicas básicas restantes.

es cierto para todas las operaciones lógicas básicas restantes.

•• La La didifefererencncia ia enentrtre e CMCMOS OS y y TTTTL L se se enencucuenentrtra a en en lalas s cacararactctererísístiticacas s dede funcionamiento, tal como la velocidad de conmutación (retardo de propagación), la funcionamiento, tal como la velocidad de conmutación (retardo de propagación), la disipación de potencia, la inmunidad al ruido y otros parámetros.

(3)

CMOS

M.C. Luis Armando Reyes Cardoso 5

• Existe poco desacuerdo sobre cuál es la tecnología de circuitos, CMOS o TTL, más ampliamente utilizada.

• Parece que CMOS está comenzando a ser la tecnología dominante y podría reemplazar a la tecnología TTL en los CI de pequeña y mediana escala.

• Aunque TTL ha dominado durante muchos años, principalmente debido a sus altas velocidades de conmutación y a una enorme variedad de tipos de dispositivos, la tecnología CMOS siempre ha tenido la ventaja de ofrecer una mucho menor disipación de potencia, aunque dicho parámetro depende de la frecuencia.

• Las velocidades de conmutación de CMOS han mejorado extremadamente y ahora pueden competir con TTL, a la vez que la baja disipación de potencia y otros factores deseables se han mantenido a medida que la tecnología avanzaba.

Series CMOS

• Las categorías de CMOS en términos de tensión de alimentación continua son la serie CMOS de 5 V, la serie CMOS de 3,3 V, la serie CMOS de 2,5 V y la serie CMOS de 1,8 V.

• Las series CMOS de más baja tensión son el resultado de un desarrollo más reciente y de un esfuerzo por reducir la disipación de potencia.

• Puesto que la disipación de potencia es proporcional al cuadrado de la tensión, una reducción de 5 V a 3,3 V, por ejemplo, disminuye la potencia en un 34%, sin que el resto de los factores varíen.

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Series CMOS

• Dentro de cada categoría según la tensión de alimentación, hay

disponibles varias series de puertas lógicas CMOS.

• Estas series pertenecientes a la familia CMOS difieren en sus

características de funcionamiento y se designan mediante los

prefijos 74 ó 54, seguidos de una letra o letras que indican la serie y,

a continuación, un número que indica el tipo de dispositivo lógico.

• El prefijo 74 indica que se trata de un dispositivo comercial de

propósito general, y el prefijo 54 indica que es un dispositivo militar

para aplicaciones en entornos más exigentes.

Series CMOS

• La serie básica CMOS de 5 V y sus denominaciones son las siguientes:

■74HC y 74HCT. CMOS de alta velocidad (la “T” indica compatibilidad TTL) ■74AC y 74ACT. CMOS avanzada

■74AHC y 74AHCT. CMOS de alta velocidad avanzada

• La serie básica CMOS de 3,3 V y sus denominaciones son las siguientes:

■74LV. CMOS de baja tensión ■74LVC. CMOS de baja tensión.

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Series CMOS

• Además de la serie 74, todavía existe la serie 4000, que es una

tecnología CMOS más antigua y de baja velocidad, aunque su uso

está limitado.

• Además de las series CMOS "puras" existen series que combinan

ambas tecnologías, CMOS y TTL, que se denominan BiCMOS. La

serie básica BiCMOS y sus denominaciones son las siguientes:

■

74BCT. BiCMOS

■

74ABT. BiCMOS avanzada.

■

74LVT. BiCMOS de baja tensión.

■

74ALB. BiCMOS de baja tensión.

TTL

• La tecnología TTL ha sido y es todavía una tecnología de

circuitos integrados digitales muy popular.

• Una ventajade esta tecnología es que no es sensible a

las descargas electrostáticas como lo es la tecnología

CMOS y, por tanto, es más práctica en la realización de

experimentos de laboratorio y la elaboración de

prototipos, ya que no es necesario preocuparse por los

problemas de manipulación.

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Series TTL

• Al igual que con la tecnología CMOS, hay disponibles varias series

de puertas lógicas TTL, las cuales operan todas ellas con 5 V de

alimentación de continua.

• Estas series pertenecientes a la familia TTL difieren en sus

características de funcionamiento y se denominan mediante los

prefijos 74 ó 54 seguidos por una letra o letras que indican la serie y

un número que indica el tipo de dispositivo lógico de la serie.

• Un circuito integrado TTL puede distinguirse de un circuito

integrado CMOS por las letras que siguen a los prefijos 74 y 54.

Series TTL

• Las series básicas TTL y sus denominaciones son las

siguientes:

■

74: TTL estándar (sin letra).

■

74S: TTL Schottky.

■

74AS: TTL Schottky avanzada.

■

74LS: TTL Schottky de baja potencia.

■

74ALS: TTL Schottky de baja potencia avanzada.

■

74F: TTL rápida.

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Familias Lógicas Serie 74 Basadas en la Tecnología de los Circuitos

Tipos de Puertas Lógicas de Función Fija

• Todas las operaciones lógicas básicas: NOT, AND, OR,

NAND, NOR, OR

−

exclusiva (XOR) y NOR

−

exclusiva

(XNOR) están disponibles en las tecnologías CMOS y TTL.

• También están disponibles puertas con salida búfer para

excitar cargas que requieran altas corrientes.

• Los tipos de configuraciones de puerta normalmente

disponibles en los circuitos integrados se identifican

mediante los dos o tres dígitos finales de la designación

de la serie.

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Tipos de Puertas Lógicas de Función Fija

■Cuádruple NAND de dos entradas: 00 ■Cuádruple NOR de dos entradas: 02 ■Inversor séxtuple: 04

■Cuádruple AND de dos entradas: 08 ■Triple NAND de tres entradas: 10 ■Triple AND de tres entradas: 11 ■Doble NAND de cuatro entradas: 20 ■Doble AND de dos entradas: 21 ■Triple NOR de tres entradas: 27 ■NAND de ocho entradas: 30 ■Cuádruple OR de dos entradas: 32 ■Cuádruple XOR: 86

■Cuádruple XNOR: 266

Encapsulados de Circuitos

Integrados

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Encapsulados de Circuitos

Integrados

Diagramas de

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Características y Parámetros de Funcionamiento

• Existen varios puntos que definen el funcionamiento de un

circuito lógico.

• Las características de funcionamiento son: la velocidad de

conmutación medida en términos del retardo de

propagación, la disipación de potencia, el fan

−

out o

capacidad de excitación, el producto velocidad

−

potencia,

la tensión de alimentación continua y los niveles lógicos de

entrada/salida.

Tiempo de Retardo de Propagación

• Este parámetro limita la frecuencia o velocidad de

conmutación a la que un circuito lógico puede operar.

• Cuando se aplican a los circuitos lógicos, los términos baja

velocidad

y alta velocidad hacen referencia al retardo de

propagación.

• Cuanto menor sea el tiempo de propagación, mayor será la

velocidad del circuito y mayor será la frecuencia a la que

puede operar.

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Tiempo de Retardo de Propagación

• El tiempo de retardo de propagación, t _P , de una puerta lógica es el intervalo de tiempo entre la aplicación de un impulso de entrada y la aparición del impulso de salida resultante.

• Existen dos medidas diferentes del tiempo de retardo de propagación asociado con una puerta lógica, que se aplican a todos los tipos de puertas básicas:

■ tPHL: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de

entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel ALTO (H) al nivel BAJO (L).

■ t_PLH: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de

entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel BAJO (L) al nivel ALTO (H).

Ejemplo

(12)

Solución

Los tiempos de propagación,

t _PHL

y

t _PLH

, se indican en la parte (b) de la figura.

En este caso, los retrasos se miden entre los puntos de pendiente del 50%

en los correspondientes flancos de los impulsos de entrada y salida. Los

valores de

t _PHL

y

t _PLH

no necesariamente son iguales pero, en la mayoría de

los casos, sí lo son.

Problema Relacionado

Una puerta lógica tiene una valor máximo especificado de 10 ns para

t _PHL

y

t _PLH

. Para otros tipos de puertas este valor es de 4 ns. ¿Cuál es la puerta que

puede trabajar a la frecuencia mayor?

Retardo de Propagación

• En las puertas TTL de la serie estándar, el retardo de

propagación típico es de 11 ns y para las puertas de la serie F

es de 3,3 ns.

• Para las puertas CMOS de la serie HCT, el retardo de

propagación es 7 ns, para la serie AC es de 5 ns y para la

serie ALVC es de 3 ns.

• Todos los valores especificados dependen de determinadas

condiciones de operación, tal y como se establece en las

hojas de características.

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Tensión de Alimentación Continua (Vcc)

• La tensión de alimentación continua típica para CMOS puede ser 5 V; 3,3 V, 2,5 V o 1,8 V, dependiendo de la categoría.

• Una ventaja de CMOS es que las tensiones de alimentación pueden variar en un rango más amplio que los dispositivos TTL.

• Los CMOS de 5 V pueden tolerar variaciones de alimentación desde los 2 V a 6 V y aún así funcionarán adecuadamente, aunque el retardo de propagación y la disipación de potencia se vean significativamente afectadas.

• Los dispositivos CMOS de 3,3 V pueden operar con tensiones de alimentación desde 2 V hasta 3,6 V.

• La tensión de alimentación continua típica para dispositivos TTL es 5,0 V con un mínimo de 4,5 V y un máximo de 5,5 V.

Disipación de Potencia

• La disipación de potencia, P_D, de una puerta lógica es el producto de la tensión de alimentación continua y de la corriente media de alimentación.

• Normalmente, la corriente de alimentación cuando la salida de la puerta está a nivel BAJO es mayor que cuando la salida de la puerta está a nivel ALTO.

• Generalmente, las hojas de características del fabricante especifican la corriente de alimentación para el estado de salida BAJO como I_CCL y para el estado ALTO como I_CCH.

• La corriente media de alimentación se determina en función de un ciclo de trabajo del 50% (nivel de salida BAJO la mitad del tiempo y la otra mitad nivel de salida ALTO), por tanto la disipación de potencia media de una puerta lógica es

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Disipación de Potencia

• Las puertas de la serie CMOS tienen disipaciones de potencia muy bajas en comparación con las series TTL.

• Sin embargo, la disipación de potencia en los dispositivos CMOS depende de la frecuencia de funcionamiento.

• Para una frecuencia cero, la potencia está normalmente en el rango de los microvatios por puerta, y en la frecuencia máxima de funcionamiento puede estar en el rango de los miliwatts; por tanto, algunas veces la potencia se especifica para una frecuencia determinada. Por ejemplo, la serie HC tiene una potencia de 2,75 μW/puerta para una frecuencia igual a 0 Hz y de 600 μW/puerta para 1 MHz.

• La disipación de potencia para los dispositivos TTL es independiente de la frecuencia.

• Por ejemplo, la serie ALS disipa 1,4 mW/puerta, independientemente de la frecuencia y la serie F disipa 6 mW/puerta.

Niveles Lógicos de Entrada y Salida

• V _IL es la tensión del nivel de entrada BAJO para una puerta lógica y V _IH es la tensión de entrada del nivel ALTO.

• Los dispositivos CMOS de 5 V aceptan una tensión máxima de 1,5 V para V _IL y una tensión mínima de 3,5 V para V _IH.

• Los dispositivos TTL aceptan una tensión máxima de 0,8 V para V _IL y una tensión mínima de 2 V para V _IH.

• V _OL es la tensión de salida para el nivel BAJO y V _OH es la tensión de salida para el nivel ALTO.

• Para los dispositivos CMOS de 5 V, el valor máximo de V _OL es de 0,33 V y el valor mínimo para V _OH es de 4,4 V.

• Para los dispositivos TTL, el valor máximo V _OL es de 0,4 V y el mínimo V _OH es de 2,4 V.

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Niveles Lógicos de Entrada y Salida

“1” Zona de incertidumbre “0” VIH 0 Entrada VCC VIL “1” “0” VOH 0 Salida VCC VOL

VIH: Tensión de entrada mínima para asegurar que el nivel se interpreta como “1”

VIL: Tensión de entrada máxima para asegurar que el nivel se interpreta como “0”

VOH: Tensión de salida mínima a nivel alto

VOL: Tensión de salida máxima a nivel bajo

Niveles Lógicos de Entrada y Salida

“1” Zona de incertidumbre “0” VIH 0 Entrada V_CC VIL “1” “0” VOH 0 Salida V_CC VOL

Para que una entrada y una salida sean compatibles en niveles de tensión: VOH> VIH

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Niveles Lógicos de Entrada y Salida

Niveles de corriente:

IOH: es la corriente máxima que puede suministrar una salida a nivel alto

I_OL: es la corriente máxima que puede absorber una salida a nivel bajo IIH: es la corriente que consume una entrada a nivel alto

IIL: es la corriente que consume una entrada a nivel bajo

Niveles Lógicos de Entrada y Salida

• El parámetro SPP (Speed −Power Product ) puede utilizarse como una medida del funcionamiento de un circuito lógico que tiene en cuenta el retardo de propagación y la disipación de potencia.

• Es especialmente útil para comparar las distintas series de puertas lógicas de las familias CMOS o TTL o para comparar una puerta CMOS con una puerta TTL.

• El producto SPP de un circuito lógico es igual al producto del retardo de propagación por la disipación de potencia, y se expresa en julios (J), que es una unidad de energía. La fórmula es

(17)

Ejemplo

Una determinada puerta tiene un retardo de propagación de 5 ns, I_CCH = 1 mA e I_CCL = 2,5 mA, con una tensión de alimentación continua de 5 V. Determinar el producto velocidad−potencia.

Solución

Problema relacionado

Si el retardo de propagación de una puerta es 15 ns y su SPP es igual a 150 pJ, ¿cuál es su disipación de potencia media?

Fan Out y Carga

• El fan−out de una puerta lógica es el número máximo de entradas de la familia de circuitos integrados de la misma serie que la puerta puede excitar, manteniendo a la vez los niveles de salida dentro de los límites especificados.

• El fan−out es un parámetro importante sólo en la tecnología TTL.

• Dado que con los circuitos CMOS se asocian impedancias muy altas, el fan−out es muy alto, aunque depende de la frecuencia debido a los efectos capacitivos.

• El fan−out se especifica en términos de cargas unidad .

• Una carga unidad para una puerta lógica es igual a una entrada de un circuito similar.

• Por ejemplo, una carga unidad para una puerta NAND 74LS00 es igual a una entrada a una puerta lógica en la serie 74LS (no necesariamente una puerta NAND).

• Puesto que la corriente para una entrada a nivel BAJO (IIL) de una puerta 74LS00 es de 0,4 mA y la corriente que una salida a nivel BAJO (IIL) puede aceptar es de 8,0 mA, el número de cargas unidad que una puerta 74LS00 puede excitar en el estado BAJO es

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M.C. Luis Armando Reyes Cardoso 35 Código Disipación estática Disipación a 100 kHz Tpo. propagación Fan-out CMOS Silicon-gate 74HC- 74HCT 2.5 nW 0.17 mW 8 ns * CMOS Metal-gate 4000B 1W 0.1mW 50ns * TTL Estándard 74 10mW 10mW 10ns 10 TTL S 74S 19mW 19mW 3ns 20 TTL LS 74LS 2mW 2mW 10ns 20 TTL ALS 74ALS 1mW 1mW 4ns 20 TTL 74AS 8.5 mW 8.5 mW 1.5 ns 40

Comparación TTL - CMOS

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Hojas de Características

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1.4 Medidas de seguridad en el manejo de las familias lógicas TTL y CMOS.

Precauciones para la Manipulación de Dispositivos CMOS

Debido a su estructura, los dispositivos CMOS son muy sensibles a las cargas estáticas y pueden resultar dañados por las descargas electrostáticas si no se manipulan correctamente. Al trabajar con dispositivos CMOS deberán tomarse las siguientes precauciones:

• Los dispositivos CMOS deben ser suministrados y almacenados en espuma conductiva.

• Todos los instrumentos y bancos metálicos utilizado en las prueban deberán conectarse a una toma de tierra.

• Las herramientas de trabajo deben conectarse a tierra a través de un cable y resistencias en serie de alto valor.

• No debe retirarse un dispositivos CMOS (o cualquier dispositivo) de un circuito mientras que la alimentación continua esté conectada.

• o deben conectarse tensiones de señal o corriente a un dispositivo CMOS cuando la alimentación continua esté apagada.

1.4 Medidas de seguridad en el manejo de las familias lógicas TTL y CMOS.

• Las entradas de puerta no utilizadas para TTL y CMOS deberían conectarse al nivel lógico apropiado (ALTO o BAJO).

• Para las puertas AND y NAND, es recomendable que las entradas no utilizadas se conecten a V CC (a través de una resistencia de 1,0 kΩ para TTL), y para las puertas OR y NOR, las puertas no utilizadas deberían conectarse a tierra.

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1.5 Detección, Localización y Eliminación de Fallas

• La localización de averías es el proceso de reconocer, aislar y

corregir un fallo en un sistema o circuito.

• Para poder localizar las averías de forma efectiva, debe entender

cómo se supone que trabaja el circuito o sistema y debe estar en

disposición de reconocer un funcionamiento incorrecto.

• Por ejemplo, para determinar si una puerta lógica tiene un fallo,

debe saber cuál debe ser la salida para unas entradas dadas.

Fallos Internos en las Compuertas Lógicas de los CI

• Los circuitos abiertos y los cortocircuitos son los fallos más

comunes en las puertas internas del CI.

• Se pueden producir tanto en las entradas como en la salida de una

puerta contenida en el encapsulado del CI.

•

Antes de intentar solucionar cualquier avería, compruebe que la alimentación continua y la masa son correctas.

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Fallos Internos en las Compuertas Lógicas de los CI

• Efectos de una entrada que se encuentra en circuito abierto internamente.

• Un circuito abierto interno es el resultado de un componente en circuito abierto o de una ruptura en la conexión entre el chip y el pin del encapsulado.

• Una entrada en circuito abierto impide que una señal de impulsos en esta entrada dé lugar a una salida, como se muestra en la Figura (a) para la puerta NAND de 2 entradas.

• Una entrada TTL en abierto actúa como un nivel ALTO, por lo que los impulsos aplicados a la entrada que está en buen estado pasan a través de la puerta NAND hasta la salida, como se muestra en la Figura (b).