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INTRODUCCION 1 INTRODUCCION Quien por primera vez se encuentra con el computador queda impresionado con su capacidad intelectual. Aquellos cálculos o aquella información difícil de procesar son obtenidos en forma rápida, eficiente y automática. Tal vez nos hayamos preguntado más de una vez: “¿ Cómo es posible que un aparato carente de vida logre realizar labores que hasta hace poco eran pertenencia única y exclusiva del lento y poco confiable cerebro humano ?” Aquellos, que han tenido la oportunidad de observar internamente el computador, quizás queden sorprendidos al ver solamente unos cuantos cables y otras tantas tarjetas impresas sobre las cuales se encuentran condensadores, resistencias, circuitos integrados y otros elementos. El avance de la Técnica de Computación (Hardware) ha sido tan vertiginoso, que de los antiguos Centros de Cómputo atestados de grandes cajones en amplias áreas, se ha pasado a la diminuta oficina donde se atienden más problemas y en forma más eficiente. Los computadores han ingresado a todas las esferas de la labor humana, hoy es común verlos en las empresas en todas sus áreas: desde las de producción controlando procesos tecnológicos, hasta las administrativas procesando todo tipo de información y presentando informes oportunos, exactos y confiables. Estudiadas las operaciones llevadas a cabo por el cerebro humano para procesar información, se llegó a la conclusión que estas se reducían a un número muy limitado de funciones lógicas. Partiendo de este principio, Charles Babbage 1 , diseñó la primera máquina automática capaz de realizar las mismas funciones desarrolladas por el cerebro humano y conocida en nuestros días como computador. Este cerebro artificial, igual que el humano, está compuesto de células que tienen todas la misma estructura, sin importar el tipo de computador o su generación. Cualquiera que sea la parte del computador que tomemos, ya sea la memoria o su unidad central de procesamiento o sus puertos de entrada/salida todos están compuestos por estas células artificiales que en la mayoría de los casos realizan la función lógica AND-NOT o OR-NOT. Es interesante anotar que al intercambiar células de diferentes partes del computador, su funcionamiento no es alterado y el cambio pasa inadvertido. Esta operación era posible en las primeras generaciones, ya que cada compuerta lógica se realizaba en forma discreta (tubos al vacío) y permitían su intercambio. Lo anterior indica que la función de cada parte del computador está dada por la forma como se 1 (1792 - 1871) Profesor de Matemáticas de la Universidad de Cambridge(Gran Bretaña). LIGR

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INTRODUCCION 1

INTRODUCCION

Quien por primera vez se encuentra con el computador queda impresionado con su capacidad intelectual. Aquellos cálculos o aquella información difícil de procesar son obtenidos en forma rápida, eficiente y automática.

Tal vez nos hayamos preguntado más de una vez: “¿ Cómo es posible que un aparato carente de vida logre realizar labores que hasta hace poco eran pertenencia única y exclusiva del lento y poco confiable cerebro humano ?”

Aquellos, que han tenido la oportunidad de observar internamente el computador, quizás queden sorprendidos al ver solamente unos cuantos cables y otras tantas tarjetas impresas sobre las cuales se encuentran condensadores, resistencias, circuitos integrados y otros elementos.

El avance de la Técnica de Computación (Hardware) ha sido tan vertiginoso, que de los antiguos Centros de Cómputo atestados de grandes cajones en amplias áreas, se ha pasado a la diminuta oficina donde se atienden más problemas y en forma más eficiente.

Los computadores han ingresado a todas las esferas de la labor humana, hoy es común verlos en las empresas en todas sus áreas: desde las de producción controlando procesos tecnológicos, hasta las administrativas procesando todo tipo de información y presentando informes oportunos, exactos y confiables.

Estudiadas las operaciones llevadas a cabo por el cerebro humano para procesar información, se llegó a la conclusión que estas se reducían a un número muy limitado de funciones lógicas. Partiendo de este principio, Charles Babbage1, diseñó la primera máquina automática capaz de realizar las mismas funciones desarrolladas por el cerebro humano y conocida en nuestros días como computador.

Este cerebro artificial, igual que el humano, está compuesto de células que tienen todas la misma estructura, sin importar el tipo de computador o su generación.

Cualquiera que sea la parte del computador que tomemos, ya sea la memoria o su unidad central de procesamiento o sus puertos de entrada/salida todos están compuestos por estas células artificiales que en la mayoría de los casos realizan la función lógica AND-NOT o OR-NOT.

Es interesante anotar que al intercambiar células de diferentes partes del computador, su funcionamiento no es alterado y el cambio pasa inadvertido. Esta operación era posible en las primeras generaciones, ya que cada compuerta lógica se realizaba en forma discreta (tubos al vacío) y permitían su intercambio. Lo anterior indica que la función de cada parte del computador está dada por la forma como se

1 (1792 - 1871) Profesor de Matemáticas de la Universidad de Cambridge(Gran Bretaña).

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2 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

interconectan sus células, y no por la composición de éstas o su principio de funcionamiento.

El objetivo de éste curso es estudiar la célula artificial desde su aparición y metamorfosis hasta su estado actual: Consumo de energía, composición, principio de trabajo, velocidad de respuesta, tamaño, etc.

Introducción a los Sistemas Digitales dará las bases necesarias para futuras materias del Area como: Diseño lógico, Teoría y Construcción de Autómatas, Microprocesadores, Diseño de Interfaces.

Este conjunto de materias proporcionará las bases para interconectar células y lleguar a formar cerebros completos, dotados de inteligencia por los algoritmos que les enseñemos.

Sin embargo, no es nuestro objetivo trabajar con el computador de Designación General, fabricado a muy bajos costos y en una gran variedad de marcas.

Más aplicable es diseñar tanto el hardware, como el software para aquel que se dedica a resolver algún tipo de problema en particular, ya sea en los procesos industriales, en la química, en la física, etc. y conocido como de Designación Especial.

Esto no quiere decir que los conocimientos expuestos no aclaren las dudas sobre los de Designación General. Los métodos de diseño son los mismos para los dos tipo de computadores, como también se emplea la misma base tecnológica para su realización.

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HISTORIA DE LA TECNICA DE COMPUTACION 3

HISTORIA DE LA TECNICA DE COMPUTACION

“Todo mi tiempo, salud y posición económica he sacrificado al deseo de realizar la creación de estas máquinas para los cálculos. Yo dejé a un lado incluso propuestas, que me darían grandes ganancias personales. Sin embargo, y a pesar de mi negativa a estas propuestas para poder perfeccionar la Máquina con casi potencial intelectual, y después de haber gastado de mis propias pertenencias más dinero que el asignado por el gobierno Inglés para esta Máquina (y solo en el comienzo del trabajo), no he recibido ni las gracias por mi esfuerzo, ni incluso aquellos honores o premios, con los que por lo general, se reconoce la labor a aquellas personas dedicadas a las investigaciones científicas...Si el trabajo, en el cual he gastado tanto tiempo y esfuerzo moral, fuera solamente el triunfo sobre las dificultades técnicas comunes o simplemente una curiosidad, o si hubiesen dudas en la conveniencia o utilidad de estas máquinas, entonces se podría hasta cierto punto entender y justificar este proceder; pero yo me permito afirmar, que ni un solo Matemático de reconocido respeto nunca se atrevería públicamente a dar su opinión, que una Máquina de estas si fuera realizada sería inútil, y que ni una sola persona, reconocida como Ingeniero talentoso, se atrevería a declarar estas máquinas no convenientes e irrealizables.Yo entiendo, que cuando los grandes volúmenes de trabajo intelectual y manual se convierten en una dificultad seria para el subsiguiente avance, la Máquina Analítica está destinada a facilitar esta labor, el uso de las máquinas como ayudantes en la ejecución de los más complejos y tediosos cálculos no se puede tomar como un problema que no merece la atención del País. Y realmente, no existe ninguna razón por la cual no se deba ahorrar esfuerzo intelectual, igual que se ahorra el físico, gracias al empleo de las máquinas.” CHARLES BABBAGE Fragmento del libro “La vida del Filósofo” [ ]

La historia de la aparición de los computadores está dividida en dos periodos claramente demarcados por la aparición de la electrónica.

El primer periodo se prolonga hasta 1946. Su inicio no puede definirse exactamente, así como es imposible hacerlo para la rueda o el molino. A pesar de esto, se podría decir que los ábacos y demás instrumentos antiguos, así como los primeros tratados de lógica fueron los primeros pasos del desarrollo de la computación.

En 1642, Pascal construyó una máquina con capacidad para sumar y restar. Fue empleada para el cálculos de los impuestos en Francia. Más tarde Leibnitz mejoró la máquina de Pascal pudiendo realizar las cuatro operaciones básicas, elevar a una potencia y sacar raíz cuadrada.

El hecho más importante, no solo del primer periodo de desarrollo, sino en general de la computación, ocurrió en 1833 cuando el Matemático y Filósofo Charles Babbage llegó a la conclusión que se podía construir una máquina capaz de ejecutar cualquier operación dada por el operador y no una sola como sucedía con las anteriores.

A esta máquina Babbage la llamó “Máquina Analítica” y se componía de dos partes: “El Molino y “El Depósito”, que no son más que el prototipo de lo que hoy conocemos, en los modernos computadores digitales, como el Procesador y la Memoria.

“El Molino” era el encargado de realizar las operaciones aritméticas sobre los números (las cuatro operaciones básicas). “El Depósito” servía para guardar los números y según el proyecto de Babbage contenía 50000 ruedas digitales, es decir, ruedas que podían estar en dos posiciones: Una de las cuales representaba el uno y otra, con algún giro, el cero lógicos.

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4 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Para la entrada de los números y el control de la operaciones se suponía utilizar una tira larga con la información codificada con perforaciones. Algo parecido a las tarjetas perforadas. [ ]

El gran avance de la Máquina Analítica, fue el de ser una máquina de propósito general; leía las instrucciones de las tarjetas perforadas y las ejecutaba. Con la Máquina Analítica, era posible realizar diferentes cálculos, perforando distintos programas en las tarjetas de entrada, algo que las Máquinas anteriores no podían realizar. Babbage contrató a Ada Augusta Lovelace para producir este software, haciendo de Ella la Primera Programadora de Computadores y en cuyo honor recibió el nombre el moderno lenguaje de programación Ada. [ ]

Vale la pena anotar que a pesar de que Babbage dedicó toda su vida, esfuerzo y bienestar económico a esta máquina, nunca encontró apoyo en el gobierno Inglés, ni de sus contemporáneos pues no veían en la máquina de Babbage sino el exotismo de un proyecto irrealizable.

Tal vez algunas de las causas objetivas del fracaso del proyecto de Babbage son:

• La complejidad técnica para realizar la máquina y la lentitud de procesamiento mostrada por aquellas partes que fueron montadas. Esto era debido al principio mecánico con el que trabajaban sus células: Compuertas AND-NOT realizadas con ruedas dentada. La posibilidad de realización la aportaría los avances en los conocimientos de los fenómenos eléctricos y la velocidad la daría la electrónica cien años después.

• La poca dinámica y poca cantidad de datos de los rudimentarios Sistemas de Información existentes en esa época, así como el lento desarrollo de las Ciencias Naturales. Condiciones dadas también en los años cincuenta de éste siglo.

A pesar de que durante su vida nunca fue realizada la Máquina, Babbage dejó sentado los principios de diseño de los procesadores y memorias de los computadores modernos. Los métodos empleados por Babbage, basados en las matemáticas lógicas, se emplearían cien años más tarde cuando apareció la electrónica, que realmente lo único que ha aportado es dotar de gran velocidad la máquina diseñada en 1833.

Para terminar no está de más agregar que la Ciencia Moderna hizo justicia y le dió el título póstumo y muy merecido de “Padre del Control Programable” que prácticamente equivale a Padre de los autómatas, computadores, robots y, en general, del “revolcón” (palabra muy de moda en nuestros días) en el desarrollo del mundo moderno. Y no cabe duda de que si a alguien debemos nuestro sueldo los Ingenieros de Sistemas y Computadores es a este personaje, que se adelantó en cien años con su invento.

A comienzos de nuestro siglo, fue llevado a cabo parte del “Molino” diseñado por Babbage. Se empleó para un cálculo más exacto del número Pi ( π ). Pero

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HISTORIA DE LA TECNICA DE COMPUTACION 5

solamente hasta 1944 Aiken construyó en Hardvar un computador totalmente automático basado en la máquina de Babbage y que utilizó como principio de funcionamiento de sus células al relevador (relé - fenómeno electromecánico). [ ]Este computador recibió el nombre de MARC 1.

El segundo periodo de la técnica de computación comienza a partir de 1946 cuando fue diseñado el computador ENIAC en Pensilvania por Mauchly y Eckert. Su base era una compuerta AND-NOT realizada con tubos electrónicos.

Contenía 6000 interruptores y 18000 tubos, consumía grandes cantidades de energía y su volumen era inmenso. Sin embargo, su velocidad de procesamiento superó miles de veces la de MARC 1. Desde éste momento la técnica de computación se ha desarrollado ligadamente a los avances en la electrónica.

El segundo periodo se ha dividido en generaciones, que se siguen unas a otras con intervalos de 8 a 10 años, y que van acompañadas de considerables disminuciones del tamaño de sus elementos y del consumo de energía.

A la Primera Generación (1950 - 1958) pertenecen los computadores construidos con tubos electrónicos y elementos discretos tales como resistencias, condensadores, etc. que eran montados superficialmente sobre las tarjetas.

En las máquinas de Segunda Generación (1959 - 1967) los tubos fueron reemplazados por los transistores y las interconexiones entre los elementos se hacían utilizando el montaje impreso sobre las tarjetas.

En la Tercera Generación (1968 - 1978), con la aparición de la microelectrónica, los computadores se construyeron en base a los circuitos de baja y media escala de integración, que reemplazaron casi en su totalidad los elementos discretos. Los circuitos de baja escala son aquellos que contienen menos de 13 compuertas en la lámina de silicio, los de media contienen entre 14 y 100. Todas la interconexiones se realizaron utilizando el montaje impreso sobre tarjetas de varias capas.

A partir de 1979 se inició la Cuarta Generación que tiene como característica especial la utilización de circuitos de alta escala de integración (entre 100 y 1000 compuertas en cada pastilla). Esta generación se prolonga hasta finales de los años 80. A partir de esta fecha se inició la Quinta Generación, que utiliza muy alta escala de integración (más de 1000 compuertas en la pastilla).

No se descarta que en un futuro no muy lejano la célula artificial funcione bajo un principio diferente al del electrón (electrónica) pues la velocidad de respuesta de las compuertas actuales se está acercando a la velocidad del electrón, punto a partir del cual será imposible aumentar la rapidez de procesamiento de los computadores.

Este nuevo principio tal vez puede emplear la velocidad de la luz (fotón) o probablemente la superconductividad lograda a bajas temperaturas. [ ]

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6 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

PARTE I CONCEPTOS BASICOS

1. INTRODUCCION

1.1. CARGA, CORRIENTE, TENSIÓN Y POTENCIA

Carga: Normalmente, cada cuerpo contiene igual número de electrones y protones, pero es posible separar electrones de un cuerpo o agregárselos. De un cuerpo que contiene números distintos de electrones y protones se dice que está cargado eléctricamente.El electrón es el portador mínimo de carga eléctrica negativa y ésta es igual a 1.6021x 10-19 Culombios. Se representa a través de la letra “q”.

Corriente: Generalmente se conoce la corriente eléctrica como el movimiento de carga a través de un material. Un flujo de electrones móviles constituye una corriente eléctrica.

La corriente se representa a través de i, y es igual:

i = dq

dt

La unidad de corriente es el amperio.

1 Amp = 1 Cul

Seg

Potencia: Es la razón de variación a la cual se realiza un trabajo o se consume energía. La potencia es proporcional al número de Culombios transferidos por segundos (corriente) y a la energía necesaria para transferir un culombio a través del elemento (tensión). [ ] [ ]

La potencia se representa con la letra P y es igual:

P = V x i

La unidad de potencia es el vatio:

1 W = 1 V x A = 1 J

Cul x

Cul

Seg = 1

J

Seg

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CONCEPTOS BASICOS INTRODUCCION 7

1.2. TIPOS DE CORRIENTES Y DE ELEMENTOS DE CIRCUITOS

Continua: Corriente cuyo valor es siempre constante (no varía con el tiempo). Se denota como c.c.

t

i

0

Alterna: Corriente que varía sinusoidalmente en el tiempo. Se denota como c.a.

0

i

t

Otros tipos son la corriente exponencial y la sinusoidal amortiguadas.

Elementos de circuito: En general un elemento de circuito es aquel que posee dos terminales con los cuales pueden hacerse conexiones con otros elementos.

Existen dos tipos de elementos: Pasivos y activos.

Elementos pasivos: Son aquellos que solo están en capacidad de disipar energía, o bien, en capacidad de almacenarla temporalmente. Ellos son las resistencias, las bobinas y los condensadores.

• Resistencias: Cuando la tensión entre los terminales de un elemento es directamente proporcional a la corriente que pasa por él, se dice que este elemento es una resistencia.

RV

+i V = R x i+

Donde: R → es la constante de resistencia.

La unidad de resistencia es el ohmio. Se representa mediante la letra Ω.

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8 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

1 Ω = 1 V/A

• Bobinas: Cuando la tensión entre los terminales del elemento es proporcional a la derivada con respecto al tiempo de la corriente, entonces este elemento se llama bobina.

V(t) i(t)L

V(t) = L x di

dt

Donde: L → es la constante de autoinductancia.

• Condensadores: Cuando la tensión entre los terminales del elemento es proporcional a la integral con respecto al tiempo de la corriente, este elemento recibe el nombre de condensador.

i(t)V(t) C v(t) = i/c x i dt

V(t) = 1

C x i dt∫

Donde: C → es la constante de capacidad.

Elementos activos: Son aquellos que están en capacidad de entregar energía a otros elementos. Se les conoce como fuentes. Existen dos tipos de fuentes:

• Fuente ideal de tensión: Es aquella que tiene una tensión entre sus terminales completamente independiente de la corriente a través de la carga.

+V V

• Fuente ideal de corriente: En este caso la corriente que genera a través suyo es independiente a la tensión entre los terminales de la carga.

1.3. LEYES DE KIRCHHOFF

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CONCEPTOS BASICOS INTRODUCCION 9

Las leyes enunciadas por Kirchhoff serán las más empleadas en el análisis de los circuitos que realizan las funciones lógicas, ellas son: [ ] [ ]

• Ley de las corrientes: Establece que la suma algebraica de todas las corrientes que llegan a un nudo es cero. Nudo es el punto en el cual dos o más elementos tienen una conexión común. Ejemplo:

i 3

i 1

i 2

i 4

i1 + − − =i i i2 3 4 0

inn

N

=∑ =

1

0

• Ley de la tensiones: Establece que la suma algebraica de la tensiones alrededor de cualquier camino cerrado de un circuito es igual a cero. Ejemplo:

1

2

3V 1V 2

V 3V 1 - V 2 + V 3 = 0

Vnn

N

=∑ =

1

0

1.4. RESISTORES

Las dos principales características de un resistor son su resistencia dada en ohmios y su disipación nominal de potencia en vatios. En el mercado se encuentran en una gran variedad, desde unos cuantos ohmios hasta varios megaohmios. [ ]

La disipación nominal de potencia indica la máxima cantidad de potencia que un resistor puede disipar sin un calentamiento excesivo, que pueda llegar a dañarlo o a alterar sus parámetros.

Existen dos tipos de resistores:

• De alambre devanado, que se emplean cuando la potencia a disipar es de 5 vatios o más.

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10 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

• De carbón, cuando la potencia a disipar es menor o igual a 2 vatios. Para potencias entre 2 y 5 vatios se emplean redes de resistencias de carbón.

El tamaño de los resistores depende de su valor nominal de potencia, a mayor valor más tamaño.

Los resistores empleados en la electrónica digital son los de carbón con disipación de 1 W y menos. Estos resistores se encuentran en el mercado con valores de resistencia desde 1 hasta 20 MΩ y con disipación nominal de potencia de 1/10, 1/8, 1/4, 1/2, 1 y 2 vatios.El costo comercial de estos resistores depende de su tolerancia, a menor tolerancia más alto es su precio.

Debido a su reducido tamaño el valor de R se da utilizando el código de colores:

A B C D

A → primera cifra.B → segunda cifra. R = AB x 10C ± D%C → potencia decimal.D → tolerancia.La codificación de colores es como sigue: [ ]

Color Cifra Multiplicador Tolerancia %

Negro 0 100 20

Café 1 101 1

Rojo 2 102 2

Naranja 3 103 3

Amarillo 4 104 4

Verde 5 105 5

Azul 6 106 6

Violeta 7 107 7

Gris 8 108 8

Blanco 9 109 9

Oro 0.1 5

Plata 0.01 10

Sin color 20

Ejemplo:

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CONCEPTOS BASICOS INTRODUCCION 11

Rojo Verde OroRojo

R = 25 x 102 ± 5%R = 2.5 K ± 5%

Resistores variables: Existen dos tipos de resistores variables: Los reóstatos y los potenciómetros.

El reóstato tiene dos terminales que se conectan en serie con la carga, su función es regular la cantidad de corriente a través de ella. Ejemplo:

+

RV

RC

1

2

Los potenciómetros tienen tres terminales. La resistencia fija máxima se conecta entre los terminales de la fuente de voltajes. El brazo se utiliza para variar el voltaje entre el terminal central y los de los extremos. Ejemplos:

+

1

2

3

V

El potenciómetro se puede implementar como reóstato.

1.5. CAPACITANCIAS

Los materiales dieléctricos, tales como el aire o el papel, están en capacidad de almacenar carga debido a que los electrones en sus superficies no pueden fluir a través de ellos. Esta carga debe ser aplicada por una fuente. [ ]

+V

A

B

Placa metálica

Dieléctrico

Placa metálica +

A

B

Concentración de electrones

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12 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

En este caso los electrones se acumularán en la placa A del capacitor que está conectada al terminal negativo de la fuente. Como resultado de la concentración de electrones en la placa A, aparece una carga negativa que genera líneas de fuerza eléctrica. Estas repelen los electrones de la placa B y harán que se cargue con un valor de igual magnitud pero de signo contrario a la placa A.

El proceso de acumulación de electrones se le conoce como carga y al caso contrario descarga.La carga (o descarga) se prolonga hasta que la tensión entre los terminales del condensador sea igual al voltaje aplicado.

Si no existe ninguna resistencia en serie con el condensador el proceso de carga o descarga es instantáneo. En la práctica siempre existe una resistencia en serie que da origen a una corriente temporal de carga (o de descarga), y que desaparecerá solo hasta que el capacitor este totalmente cargado (o descargado) al valor del voltaje aplicado.

V

Figura A

+

+

SR

V = 0

i INI

V

+

SR

V

i =0

+ + V

+

SR

V+

Figura B Figura C

IINIC . INST = V/ R I FINAL = 0

I = V

RINIC. INST I = 0FINAL

Suponiendo que cerramos el interruptor S y que el condensador se encuentra totalmente descargado, figura A, entonces aparece una diferencia de potencial entre los terminales de R igual al valor del voltaje aplicado, es decir, V.

Debido a que el capacitor se encuentra descargado aparece una corriente máxima instantánea igual a V/R. En la medida en que los electrones fluyen a través de R y que se van concentrando en la placa del condensador, la tensión entre los terminales de éste aumenta y la diferencia de potencial en R se hace menor. Esto trae como consecuencia que la corriente de carga vaya disminuyendo con el tiempo y que sea igual a cero al cabo de cierto tiempo, figura B, cuando el condensador está cargado al valor de la fuente V.

Si después de esto abrimos el interruptor S, los electrones, acumulados en el capacitor, no encontrarán por donde fluir y esta energía se conservará.

Las corrientes mostradas en las figuras anteriores corresponden al flujo de electrones, las convencionales (que son del positivo al negativo) tienen las mismas magnitudes en los mismos instantes de tiempo pero con sentido contrario.

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CONCEPTOS BASICOS INTRODUCCION 13

El capacitor se descarga cuando existe una trayectoria de conducción entre sus placas o cuando el voltaje aplicado es inferior al del capacitor. Y se carga cuando el aplicado es superior al de este.[ ]

5 V+

3 V

+

i carga

+3 V

i descarga

3 V+

5 V

+

i descarga

Físicamente una capacitancia solo consta de dos conductores separados por un aislador. Este aislador puede ser aire, papel, cerámica o mica.

Capacitancia C: Es la medida de la cantidad de carga almacenada. Entre más carga se almacene para determinado valor de voltaje, mayor será la capacitancia.Un voltaje mayor entre los terminales de una capacitancia almacena más carga. [ ]

Q

C

V Q = C x V

Donde:

Q → carga que almacena la capacitancia.V → voltaje aplicado entre los terminales de la capacitancia.C → constante física que indica la capacitancia en términos de la cantidad de carga que puede almacenarse para un determinado valor de voltaje aplicado.

La unidad de capacitancia es el Farad. Una capacitancia es de un Farad si almacena una carga de un Culombio para un voltaje aplicado de un Voltio.

1 Cul

1 F

1 V 1 F = 1 Cul / V

El Farad es un valor muy alto de capacitancia, por eso en la práctica se emplean el µF, nF y pF.

Circuitos RC en c.c.: El comportamiento de la corriente y la tensión lo observaremos en el siguiente ejemplo: [ ]

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14 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

10 V

+

S1R

+V c

S2

200

i

Ω

S1 cerradoS2 abierto

S1 y S2 abiertos

S1 abiertoS2 cerrado

-1/20 A

1/20 A

0

i

Vc10 V

0 t 1 t 2 t 3 t

t

t1 → tiempo de cargat3 → tiempo de descarga

Suponiendo que el condensador está descargado inicialmente, entonces durante t1, estando S1 cerrado y S2 abierto, circulará una corriente de carga cuyo valor inicial será de 1/20 A. Esta corriente disminuirá exponencialmente hasta que se hace igual a cero, en el instante en que la diferencia de potencial entre los terminales del condensador sea igual a 10 V.

Durante t2, S1 y S2 permanecen abiertos y el condensador continuará cargado a 10 V.

En t3, S1 está abierto y S2 cerrado, se establece una trayectoria de descarga entre las placas y aparece una corriente de descarga igual inicialmente a V/R, o sea, 1/20 A. Esta corriente por ser de sentido contrario a la de carga se considera negativa y disminuirá exponencialmente, hasta que al cabo de cierto tiempo sea igual a cero.

Constante de tiempo: En circuitos no sinusoidales, por ejemplo de c.c., la respuesta transitoria de un circuito RC se mide en términos del producto RC. [ ]

T = R x C

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CONCEPTOS BASICOS INTRODUCCION 15

Donde: T → es la constante de tiempo. Si R está en Ohmios y C en Farads, entonces T estará en segundos.Esto es debido a:

C = Q

V, Q = Ixt , V = IxR ⇒ T = R x

I x t

I x R

T= t

La constante de tiempo indica la rapidez de carga o descarga. Durante el proceso de carga, RC indica el tiempo necesario para que la capacitancia se cargue en un 63.2% de la variación de voltaje ocurrida entre sus terminales. Durante el proceso de descarga, RC indica el tiempo necesario para que la capacitancia se descargue en un 63.2% de la variación de voltaje ocurrida entre sus terminales. Ejemplo:

100 V

+

S1 R

+ V cS2

3M Ω

C = 1 Fµ

t, seg.

0

20

40

60

80

100

S1 ab.S2 ab.

S1 cerrado.S2 abierto.

S1 abierto.S2 cerrado.RC

63,2 V

36,8 V

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

T = 3 x 106 x 1 x 106 = 3 seg.

Durante los tres primeros segundos (1 T) el condensador se carga a 63.2 V y después de 5 T, para un total de 15 segundos, estará cargado a 100 V. En t=15 los interruptores se encuentran abiertos y teóricamente el condensador estará cargado indefinidamente.

En t = 18 el condensador se comienza a descargar, al cabo de una constante de tiempo T se encontrará a 36.8 V y en 12 segundos más quedará totalmente descargado.

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16 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Una de las características más importantes de las capacitancias es su oposición a los cambios de voltaje entre los terminales de ellas mismas. Esto debido a que su diferencia de potencial no puede variar sino hasta que la corriente de carga no haya depositado una carga suficiente en el capacitor, o bien, la de descarga se haya llevado la cantidad de carga necesaria.

Parámetros y nomenclatura:

Se utilizan esencialmente dos parámetros para definir una capacitancia en concreto:• Su capacidad en pF o µF.• Su voltaje nominal en Voltios.

El voltaje nominal es aquel que se le puede aplicar a un condensador sin dañar o alterar el dieléctrico. Este valor es válido para temperaturas hasta de 60ο C. [ ]Un voltaje nominal mayor que el aplicado realmente es un factor de seguridad, que le permite a los condensadores una vida útil prolongada.Los capacitores comerciales se clasifican según el dieléctrico que utilizan:

Aire: Con capacitancias entre 10 y 400 pF y voltajes de ruptura (nominal) de 400 V.

Cerámica: Con voltaje nominal entre 500 y 20000 V. Existen dos tipos:

• De cilindro: Entre 0.5 y 1600 pF y con tolerancias entre ± 2% y ± 20%.• De disco: Entre 0.002 y 0.1 µF con tolerancia del 20%.

Ejemplos:

3310%

33 µF + 10%

02

2 µF

10410 4

10 0000 pF

Electrolíticos: Tienen polaridad. El terminal negativo se identifica con un “ - “. Para este tipo de condensadores se recomienda que el voltaje aplicado esté cercano al nominal.Presentan una pequeña corriente en fuga entre sus placas de 0.1 a 0.5 mA por µF.

Existen dos tipos:• De aluminio: Entre 5 y 10000 µF y con un voltaje de ruptura entre 10 y 450 V.• De tantalio: C entre 0.01 y 300 µF y voltaje nominal entre 6 y 50 V.

Mica: Con C entre 10 y 5000 pF. Voltaje nominal de 500 a 20000 V. Tolerancias hasta del ± 1%. Su valor viene dado por el código de colores para capacitancias.

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CONCEPTOS BASICOS INTRODUCCION 17

Papel: Con capacitancias entre 0.001 y 1 µF. Voltaje de ruptura entre 200 y 1600 V. Tolerancia de ± 10%.

0,068 µF600 VDC

1.6. EL PROTOBOARDEs un tablero plástico con una serie de orificios o puntos metálicos de contacto alineados horizontal o verticalmente. En cada orificio se aloja un terminal de un componente, un pin de un circuito integrado o el extremo de un cable. [ ]

Buses

Fila CanalCentral

LaminasMetálicas

Las ocho filas horizontales se denominan buses y se utilizan para distribuir el voltaje de alimentación a lo largo del circuito que se va a ensamblar. Todos los puntos de un bus o de una fila vertical están conectados eléctricamente entre si, pero aislados de todos los demás.

En el área central se insertan y conectan los componentes del circuito como integrados, resistencias, condensadores, transistores, LEDs, puentes, etc. A lo largo del canal central se instalan circuitos integrados, reles miniatura y otros componentes que vienen en presentación tipo DIP o doble hilera.

Las pestañas, situadas en los cuatro costados del protoboard permiten acoplar mecánicamente entre sí varias unidades similares, esto se hace cuando un solo protoboard es insuficiente para soportar los componentes de un determinado proyecto.

LIGR

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18 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

2. CIRCUITOS DIGITALES Y COMPUERTAS LOGICAS

2.1. FUNCIONES Y COMPUERTAS LOGICAS

Se ha denominado compuerta lógica a aquel dispositivo que bajo algún principio, ya sea eléctrico, mecánico, hidráulico, neumático, electrónico o cualquier otro, permite realizar las funciones lógicas del Algebra de Boolean.

Las funciones lógicas más importantes y su representación simbólica son: [ ]

FUNCION AND: F toma el valor de uno solamente cuando A, B Y C están en uno.

A B C F0 0 0 00 0 1 0. . . .. . . .1 1 0 01 1 1 1

&ABC

F = ABC = A.B.C = A B C

FUNCION OR: F toma el valor de uno cuando por lo menos una de las entradas A, B O C toman el valor de uno.

FUNCION NOT: F toma el valor inverso de A.

A F 0 1 1 0

1A F = A

FUNCION YES: F toma el mismo valor de A.

A F 0 0 1 1

1A F = A

FUNCION AND-NOT:

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A B C F 0 0 0 0 0 0 1 1 . . . . . . . . 1 1 0 1 1 1 1 1

ABC

F = A + B + C = A V B V C

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CIRCUITOS DIGITALES Y COMPUERTAS LOGICAS 19

A B C F 0 0 0 1 0 0 1 1 . . . . 1 1 0 1 1 1 1 0

&ABC

F = A B C

FUNCION OR-NOT:

A B C F 0 0 0 1 0 0 1 0 . . . . 1 1 0 0 1 1 1 0

1ABC

F = A + B + C

FUNCION OR-EXCLUSIVO: F toma el valor de uno solamente cuando una de las entradas está en uno.

A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

= 1A

B

F = B A + B A

FUNCION DE EQUIVALENCIA: F toma el valor de uno solamente cuando A, B Y C son iguales.

FUNCION UMBRAL LOGICO: F toma el valor de uno cuando dos o más señales de entrada toman el valor de uno.El “ 2 ” se tomó como ejemplo.

A B C F0 0 0 00 0 1 00 1 0 00 1 1 1. . . .. . . .1 1 1 1

2ABC

F = ABC + ABC + ABC + ABC

LIGR

A B C F 0 0 0 1 0 0 1 0 . . . . 1 1 0 0 1 1 1 1

= ABC

F = A B C + A B C

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20 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

FUNCION PAR: F toma el valor de uno solamente cuando un número par de entradas están en uno.

2KABCD

F

FUNCION IMPAR: F toma el valor de uno solamente cuando un número impar de entradas está en uno.

2K + 1ABCD

F

FUNCION MAYORIA: F toma el valor de uno solamente cuando más de la mitad de las señales de entrada están en uno.

ABCDE

N / 2

F

FUNCION “ 3 DE 4 ”: F toma el valor de uno solamente cuando tres señales de entrada son iguales a uno.“ 3 de 4 ” se tomó como ejemplo.

= 3 ABCD

F

De todas las funciones anteriores solamente una tiene un número fijo de entradas: Esta función es la NOT, las demás pueden tener cualquier número de entradas.

Solamente las compuertas AND-NOT y OR-NOT son sencillas, las demás funciones se obtienen combinando estas últimas.

2.2 CIRCUITOS DIGITALES

La Electrónica Digital representa el liderazgo tecnológico de la vida moderna. Su aparición hizo posible la realización de las compuertas lógicas que dieron paso a la

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CIRCUITOS DIGITALES Y COMPUERTAS LOGICAS 21

fabricación de calculadores, relojes, computadores, autómatas de uso doméstico, comercial, industrial, científico, médico, etc.Los circuitos de la electrónica digital trabajan solamente con señales que pueden tomar uno de dos valores de voltaje. Estos valores son conocidos como Nivel Alto y Nivel Bajo, en lo sucesivo los llamaremos “ NA ” o “ H“ y “ NB “ o “ L “. A cada nivel corresponde un rango de voltaje que varía de acuerdo a la familia a la cual pertenece el dispositivo.

Los circuitos análogos, en cambio, pueden adoptar una amplia gama de valores de voltaje que por lo general varían en forma continua. Encuentran su mayor aplicación en la radio, televisión, sonido y comunicaciones.

5 V

10 V

t

V

Señal Análoga

5 V

V

t

NANA NA

NB NB NB

Señal Digital

Según la interpretación que se de en el diseño a los dispositivos digitales existen dos tipos de lógica:Positiva o aquella que codifica el nivel más positivo de voltaje como el uno lógico y el nivel menos positivo como el cero lógico; y negativa en el caso contrario.

2.3. CIRCUITOS DIGITALES INTEGRADOS

Antiguamente los circuitos digitales se implementaban utilizando tubos al vacío y elementos discretos tales como resistencias y condensadores, entonces los computadores eran grandes conjuntos de tubos que consumían demasiada energía, ocupaban grandes espacios y su confiabilidad era mínima. Con la aparición, inicialmente de los transistores, y después de la microelectrónica los circuitos (tanto análogos como digitales) fueron reducidos a pequeños encapsulados llamados chips, que son cada vez más pequeños, más rápidos, más económicos y consumen menos energía.

El estudio de los circuitos actuales usados en los computadores digitales, desde los PC hasta los grandes mainframe, está centrado en la tecnología de realización de los circuitos integrados (tecnologías de integración). Actualmente en un solo chip pueden ser ensamblados desde unas cuantas compuertas sencillas hasta todo un microcomputador.

Los circuitos integrados ( CI ) están provistos de terminales o conectores de entrada/salida llamados pines o patas, que luego se interconectan en las tarjetas impresas usando cintas conductoras, alambres, caminos impresos sobre las tarjetas u otros medios.

LIGR

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22 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

En la medida que avanzan las tecnologías de integración se hizo necesario emplear chips de 8, 14, 16, 20, 28, 40, 50, 64 y más pines.

El cuerpo (cápsula) que recubre los CI tiene diferentes formas y su composición también varía. Los cuerpos más empleados son: Planos, DIP, chip-carrier y metálicos.

Planos: Los primeros CI tenían ésta forma y ya eran totalmente herméticos. Se realizaban de cerámica o de metal. Los pines se ubican en forma paralela al cuerpo y esto hacía difícil su montaje.

Planos DIP Chip-CarrierMetálicos

To

. . .. .

.

DIP: (Dual In-Line Package). Paquete de doble hilera. Pueden ser de plástico o de cerámica. El cuerpo de cerámica se utiliza para montajes donde existe considerable consumo de potencia. Son conocidos también como cerDIP. El de plástico es más económico.Los DIPs fueron diseñados para soldarse por la parte inversa de la tarjeta sobre la cual se encuentran.

Chip-carrier: Se diferencia de los DIPs en que su montaje es superficial.

. . . . . . . .

Soldadura

DIP Chip-Carrier

Tarjeta Impresa

Metálicos: La cápsula metálica TO se emplea sobre todo en aplicaciones militares.

Sobre las cápsulas se encuentra información concerniente al fabricante y a las características del integrado. [ ]Ejemplo:

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CIRCUITOS DIGITALES Y COMPUERTAS LOGICAS 23

Señal

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11 10 9 8

M8228

SN74LS08N

82 → Año de fabricación.28 → Semana o día del año.SN → Siglas del fabricante en este caso Texas Instruments.74LS → Familia TTL Shottky de baja potencia.08 → Función. En este caso 4 compuertas de 2 entradas AND.N → Indica que la cápsula es de plástico. J o F se emplean para cerámica. T

y W se emplean en los CI planos: T-metálico, W-de cerámica.

Por estas normas se rige la firma Texas Instruments y gran parte de los fabricantes con ciertas modificaciones.

Por conveniencia se ha decidido numerar los pines en el sentido contrario a las manecillas del reloj a partir de una señal hecha sobre el encapsulado.

Señal

1 2 3 4 5 6 7

14 13 12 11 10 9 8

Vcc

GND

&&

&&

13 12 11 L L L L H L H L L H H H

Tabla de Verdad

La función exacta de los CI está dada por la tabla de verdad que se encuentra en los manuales de circuitos integrados digitales del fabricante.

2.4. FAMILIAS DE CI DIGITALES

Los CI se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo al tipo de transistor que utilicen en su realización:[ ]

Bipolares conocidos como PNP o NPN.De efecto de campo o conocidos como FET-MOS.

LIGR

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24 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Dentro de cada grupo se han desarrollado diferentes familias de CI, cada una de las cuales tiene su propio diseño que varía de fabricante a fabricante.

RTL DTL ECL I2

L TTL NMOS PMOS CMOS MOSSOS

BIPOLARES FETMOS

RTL → Lógica de Resistencia a Transistor.DTL → Lógica de Diodo a Transistor.ECL → Lógica Acoplada por Emisor.I2L → Lógica de Inyección Integrada.TTL → Lógica de Transistor a Transistor.NMOS → Lógica de Metal-Oxido Semiconductor canal N.PMOS → Lógica de Metal-Oxido Semiconductor canal P.CMOS → Lógica de Metal-Oxido Semiconductor Complementaria.MOS SOS → Lógica de Metal-Oxido Semiconductor sobre

substrato de Zafiro.

2.5. CARACTERISTICAS DE LOS CI DIGITALES

Entre los parámetros más importantes están: Disipación de potencia, niveles lógicos de voltajes de salida y de entrada, tiempo de retardo en la propagación de señales (máxima frecuencia de conmutación), corrientes de entrada y de salida, inmunidad al ruido, fan-out o abanico de salida y confiabilidad. [ ]

Por lo general los parámetros básicos dependen entre sí funcionalmente, y las variaciones en uno trae consigo cambios en otros. Por ejemplo, al disminuir los tiempos de conmutación (retardo de propagación) aumenta la disipación de potencia.

Disipación de potencia: Se toma el promedio de la potencia media disipada durante un intervalo de tiempo largo. En los CI realizados con transistores bipolares el tiempo de conmutación es solo una pequeña parte del total de tiempo de trabajo, por esto la potencia media para estos circuitos se define teniendo en cuenta solo las disipaciones en régimen estático (es decir, cuando la salida de la compuerta esta en NA o en NB,pero no conmutando). Sin embargo la disipación aumenta con la frecuencia de conmutación.

P = 0.5 ( PH + PL)

Donde: PH → Disipación de potencia cuando la compuerta está en NA.PL → Disipación cuando está en NB.

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CIRCUITOS DIGITALES Y COMPUERTAS LOGICAS 25

En los CI, realizados con transistores FETMOS, la disipación de potencia en régimen estático es diez o más veces menor que en régimen dinámico (o sea, la disipación se presenta en los tiempos de conmutación). Por esto para ellos se toma la potencia media para la máxima frecuencia de conmutación.

Niveles de voltaje de salida y de entrada: Define los rangos de voltaje para los dos estados lógicos. Ellos son:

VMINO H → Voltaje mínimo de salida para NA.

VMAXO L → Voltaje máximo de salida para NB.

VMINI H → Voltaje mínimo de entrada para NA.

VMAXI L → Voltaje máximo de entrada para NB.

Tiempo de retardo de propagación: Determina la velocidad del CI y se define como el intervalo de tiempo necesario para que la salida refleje los cambios sucedidos en las señales de entrada.

Corrientes de entrada y de salida: Este parámetro define la capacidad de carga de las salidas de los CI. En determinados momentos las entradas o salidas de los CI reciben corrientes, en otros ellas suministran.

Estas corrientes se conocen como:IOH → Corriente de salida para el NA.IOL → Corriente de salida para el NB.II H → Corriente de entrada para el NA.II L → Corriente de entrada para el NB.

Protección contra el ruido: Mide el grado de inmunidad de un CI contra el ruido electromagnético ambiental. En concreto es el intervalo de voltajes que puede tomar una salida en un nivel lógico y dentro del cual puede variar, sin que las entradas conectadas a ella lo tomen como un cambio de estado lógico.

Fan-out: Es la capacidad que tiene una salida para conectarse a un determinado número de entradas de circuitos de un mismo tipo. El fan-out es un parámetro más comparativo que práctico.

Confiabilidad: Por lo general se da como la frecuencia de daño, según la siguiente fórmula:

λ = n / (NT)

Donde: T → Tiempo de prueba.N → Número total de CI.n → Número de CI dañados durante la prueba.

Las posibilidades de trabajo sin daños de CI en el tiempo t se calcula así:

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26 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

( )P(t) = exp - tλ

Criterios de comparación entre CI: Los parámetros más empleados para comparar CI son el retardo de propagación y la disipación de potencia.

A menor retardo más velocidad de conmutación y por esto a mayor frecuencia podrán procesar información las compuertas.

Menor disipación de potencia conlleva a un mayor coeficiente de integración y menor consumo de energía.

Pero toda disminución en el tiempo de retardo conlleva un aumento de la disipación de potencia.

Por esto se ha tomado el producto P x t como valor comparativo. Se conoce como el Trabajo Medio de Conmutación y sus unidades son el Julio.

A = P x t

Donde: A → Trabajo Medio de Conmutación.P → Disipación media de potencia.t → Tiempo medio de retardo de propagación.

Un valor bajo de A indica un muy corto tiempo de propagación con una baja disipación de potencia. Un valor de cero indicaría tiempos de propagación igual a cero (cualquier programa correría en tiempo cero) sin consumo de energía, que sería lo ideal.

2.6. ESCALAS DE INTEGRACION

De acuerdo a la cantidad de elementos que contenga un chip, los CI se clasifican en la siguiente forma: [ ]

• S.S.I. Baja Escala de Integración. Chips que contienen menos de 13 compuertas, se realizan con tecnologías TTL, CMOS Y ECL. Ejemplos: Compuertas y Flips-Flops.

• M.S.I. Media Escala de Integración. Contienen entre 13 y 100 compuertas, se realizan con tecnologías CMOS, TTL Y ECL. Ejemplos: Codificadores, registros, multiplexores, contadores, etc.

• L.S.I. Larga Escala de Integración. Contienen entre 100 y 1000 compuertas, se realizan con tecnologías I2L, NMOS Y CMOS. Ejemplos: Memorias, ALUs, micro-procesadores de 8 y 16 bits.

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CIRCUITOS DIGITALES Y COMPUERTAS LOGICAS 27

• V.L.S.I. Muy Larga Escala de Integración. Contienen más de 1000 compuertas, se realizan con tecnologías I2L, NMOS Y CMOS. Ejemplos: Microprocesadores de 32 bits, microcontroladores, memorias de gran capacidad, etc.

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28 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

PARTE II TECNOLOGIAS DE INTEGRACION

3. LOGICA DE DIODOS

3.1. EL DIODO SEMI-CONDUCTOR

De acuerdo a su capacidad para conducir corriente los elementos se dividen en conductores, aisladores y semi-conductores. Los conductores son aquellos que tienen valencias de +1 y +2 o -7 y -6, es decir, el número de electrones que tiene en su capa más externa o que le hacen falta para completar ocho. Ejemplo: El oro, plata y cobre tienen una valencia de +1 o -7. [ ]

Los elementos aisladores son aquellos que tienen ocho electrones en su capa externa. Ellos son los gases inertes como el helio y el neón.

Los semi-conductores son aquellos que tienen valencia +4 o -4. Ejemplo: Carbono, silicio, germanio. Por lo general ellos comparten de a un electrón con sus vecinos formando enlaces covalentes que conllevan a estructuras monocristalinas y aisladoras cuando se encuentran en alto estado de pureza. Para lograr que un semi-conductor conduzca, por ejemplo el silicio, se le agrega al Si impurezas de fósforo que tiene una valencia de +5. De esta manera, los enlaces covalentes de las moléculas de silicio tienen ahora un electrón de más por cada átomo de impureza de fósforo. El resultado es un semi-conductor que tiene electrones libres o Tipo N.

Cuando el Si se contamina con aluminio, que tiene una valencia de +3, la molécula de Si queda con siete electrones en su capa más externa. El electrón faltante se conoce como “ hueco “ y el semi-conductor recibe el nombre de Tipo P o con huecos.

Un diodo está formado por la unión de dos piezas de diferente tipo de materiales semi-conductores: Uno tipo P y otro Tipo N. Los materiales Tipo N tienen exceso de portadores de corriente negativa (electrones), mientras que los materiales Tipo P tienen exceso de portadores de corriente positiva (huecos). [ ] [ ] [ ]

El material tipo P recibe el nombre de ánodo y el tipo N de cátodo del diodo.

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LOGICA DE DIODOS 29

Figura A

Anodo

Cátodo

Si con impurezas de aluminio

Si con impurezas de fósforo

Anodo

Cátodo

EL DIODO SEMICONDUCTOR

Figura A : Estructura internaFigura B : Símbolo esquemático

Figura B

Supongamos que aplicamos un voltaje, posiblemente a través de una resistencia, de tal forma que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, se dice que el diodo está polarizado directamente ( PD ).

++

RI

V+

RI

pn

En este caso el positivo de la fuente atraerá los electrones del conductor y de la resistencia creando una gran cantidad de huecos. Estos se concentrarán en el ánodo del diodo y repelerán los huecos del material Tipo P hacia la unión, debido a que son cargas iguales.

R I

+V

Así mismo, los electrones provenientes del negativo de la fuente se agruparán en el cátodo del diodo y repelerán los electrones del material Tipo N hacia la unión.

De esta forma, los electrones pasarán prácticamente sin ninguna resistencia a los huecos del material Tipo P y luego al conductor generándose una corriente eléctrica. Un diodo polarizado directamente conducirá corriente sin dificultad.

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30 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

0,3V

0,7V

2 mA

1 mA

2 mA

1 mA

Silicio

Germanio

V

Polarización directaPD

Silicio

GermanioI

Polarización inversa

PI

Obsérvese que cuando el diodo de silicio está polarizado directamente ( PD ) la caída de tensión es 0,7 Voltios (siempre y cuando haya una corriente superior a un miliamperio 1mA).

Cuando el cátodo del diodo es positivo con respecto al ánodo, se dice que el diodo está polarizado inversamente ( PI).

+

R

IINV

V+

R

pn

IINV

Los electrones provenientes del negativo de la fuente se agrupan en el ánodo atrayendo los huecos del semi-conductor Tipo P. Estos huecos son ocupados por los electrones y el material se convertirá en aislador debido a que sus moléculas habrán alcanzado ocho electrones en su enlace covalente.

R

V+

pn

El positivo de la fuente atraerá los electrones del conductor formando así una concentración de huecos en el cátodo. Los huecos atraerán los electrones del material N y serán ocupados por estos. De esta forma el material N pierde los portadores negativos y se convierte en aislador.

Un diodo polarizado inversamente ( PI ) presentará una muy alta resistencia al flujo de corriente, esta resistencia va desde diez hasta cientos de Megahomios.

A la corriente que fluye cuando el diodo está PI se conoce como corriente inversa y está en términos de nanoamperios ( nA ).

LIGR

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LOGICA DE DIODOS 31

Un diodo real PD no presenta una resistencia igual a cero ohmios, así como PI una resistencia infinita.

CONCLUSION: El diodo puede ser empleado como un tipo de interruptor electrónico, es decir, que está cerrado (paso libre de electrones) cuando se PD y abierto (no hay paso de corriente) cuando se PI.

Si consideramos el diodo como un elemento ideal podemos decir que:• Un diodo PD equivale a un corto circuito.

PD

• Un diodo PI equivale a un circuito abierto.

PI

NOMENCLATURA Y PARAMETROS DE DIODOS: Las especificaciones de los diodos se dan, en ocasiones, de acuerdo con su uso. Algunos diodos, por ejemplo, reciben nombre de rectificadores debido a que se emplean con frecuencia para convertir voltajes de c.a. en voltajes de c.d. Otros diodos más pequeños reciben el nombre de diodos para señal, ya que se utilizan para procesar señales, como las de radio AM. [ ]

Las características más importantes de un diodo rectificador o de potencia son su PIV y su If . El PIV es el máximo voltaje que el diodo puede tolerar cuando se polariza inversamente. La If es la máxima corriente que puede circular por el diodo sin dañarlo o alterar sus parámetros cuando éste está polarizado directamente.

Según las normas de Electronics Industries Association (EIA), la letra N indica un semiconductor con un prefijo numérico que señala el número de uniones que tiene el dispositivo. Los diodos se numeran como 1N, los transistores bipolares como 2N y los FET como 3N. Los dígitos que siguen indican tipos específicos. Ejemplo, el 1N004, que corresponde a un diodo de Silicio.

3.2. COMPUERTA AND CON DIODOS [ ]

La LD utiliza dos niveles de voltaje para codificar los estados lógicos: 3 V y 0 V.

CASOS X Y Z1. NB NB NB2. NB NA NB3. NA NB NB4. NA NA NA

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32 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

X

Y

D1

D2

Entradas

R

Z

+ 5 V

15 k Ω

Salida

Analicemos cada caso:

1. En este caso D1 y D2 estarán en PD y la salida se mantendrá en NB por medio de D1 y D2. La caída de voltaje en PD del diodo de silicio es realmente de 0,7 V, según lo visto en el tema anterior, esto indica que la caída de voltaje entre los terminales de la resistencia de 4,3 V y la salida entonces estará a 0,7 V.

D1

D2

4,3 V +

Z

+ 5 V

15 kΩ+

+

0.7

0.7

0.7 V Salida

X y Y en NB

2. D1 estará PD y mantendrá la salida a 0,7 V, o sea, NB. Obsérvese que el voltaje de 0,7 V impuesto por la PD de D1 forza a D2 a pasar a PI. Para el análisis debemos suponer un momento inicial (instante en el cual se energiza el circuito) cuando aun no circulan corrientes a través de los diodos. La salida se encontrará a +5V, ya que la caída de potencial en R será igual a cero (I = 0). Entre los terminales de D1 habrá 5V y de D2 2V en este instante. Juntos diodos empiezan a conducir por estar PD. El potencial en Z comienza a decaer (I ≠ 0), y al cabo de unos instantes estará, por ejemplo, en 3V. En este momento en D2 no habrá diferencia de potencial y por esto ya no podrá circular corriente a través de él. En D1 habrá aun 3V indicando que D1 puede continuar el proceso de PD. Cuando D1 se PD totalmente (en realidad este proceso tarda nanosegundos), Z se encontrará a 0.7V, y entonces en D2 aparecerá un voltaje de 2.3V en PI.

3. En este caso sucede lo contrario D2 estará en PD y forzará a D1 a pasar a PI. La salida es NB.

4. D1 y D2 estarán en PD. Debido a la caída de potencial en los diodos PD, la salida estará a 3,7 V, o sea, NA.

Compuerta AND para la lógica positiva.

X Y Z 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

&X

YZ

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LOGICA DE DIODOS 33

Compuerta OR para la lógica negativa.

X Y Z 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0

1X

YZ

3.3. COMPUERTA OR CON DIODOS

CASOS X Y Z1. NB NB NB2. NB NA NA3. NA NB NA4. NA NA NA

X

Y

D1

D2

Entradas

R

Z

5 V

15 k Ω

Salida

Analicemos cada caso:

1. En este caso D1 y D2 estarán PD y la salida se mantendrá en NB. La caída de voltaje entre los terminales de los diodos es de 0,7 V, entonces la salida estará a -0,7 V.

2. D2 está en PD y mantendrá la salida en NA. Obsérvese que el voltaje impuesto por la entrada Y ( 3 V ) forza a D1 a pasar a PI. La salida estará entonces a 2,3 V.

3. D1 estará en PD y D2 en PI. La salida estará nuevamente en NA es decir 2,3 V.

4. En este caso D1 y D2 están en PD. La salida estará a 2,3 V.

Compuerta OR para la lógica positiva.

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34 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

X Y Z 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

1X

YZ

Compuerta AND para la lógica negativa.

X Y Z 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0

&X

YZ

LIGR

Page 35: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 35

4. LOGICA DE RESISTENCIA A TRANSISTOR

4.1. EL TRANSISTOR BIPOLAR

Es un elemento que se compone de un semiconductor tipo P entre dos tipo N ( NPN ) o de un tipo N entre dos tipo P ( PNP ). [ ] [ ] [ ]

P N P

BASE

EMISORCOLECTOR

N P N

BASE

EMISORCOLECTOR

c

e

b

PNP

c

e

b

NPN

Las características de operación del transistor se estudian generalmente conectándolo a un circuito donde se varían las corrientes y los voltajes de entrada, y representando gráficamente los voltajes y corrientes de salida.

La tecnología bipolar ha dado una mayor aplicación a los transistores NPN en el diseño de los circuitos que realizan las compuertas lógicas. Estos transistores pueden trabajar en tres configuraciones : De emisor común, colector común y base común. Siendo la primera aquella que se adapta mejor para hacer del transistor un interruptor electrónico con muy buenas características.

CONFIGURACION DE EMISOR COMUN

Ic

Ie

Ib

Vbe

Vce

El circuito tiene un transistor NPN con el emisor a tierra.

LIGR

Page 36: Pestaña de Internet Explorer

36 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Ib : Corriente en la baseIc : Corriente en el colectorIe : Corriente en el emisorVce : Voltaje en el colectorVbe : Voltaje en la base

En esta configuración el transistor puede operarse en tres modos:

1. ACTIVO: Cuando la corriente Ib fluye hacia la base, es decir, Ib es positivo y Vce

es más positivo que Vbe.

Ib > 0 y Vce > Vbe

2. SATURADO: Ib es positiva y Vce es igual o menor que Vbe.

Ib > 0 y Vce ≤ Vbe

3. CORTE:

Ib = 0o negativa.

REGION ACTIVA : Cuando los transistores NPN se usan en los circuitos de radio y televisión, ellos se operan comúnmente en la región activa, ya que a variaciones pequeñas de Ib se suceden grandes variaciones en la corriente de colector haciendo posible amplificar la entrada. [ ]

Examinemos el transistor 2N706

Ic

Ib

Vbe

Vce

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Page 37: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 37

0

20

40

60Ib =1,4 mA

1,31,2

1,0 0,85

0,7 0,45 0,3

0 mA

8 16 24

Vce

, V

1.5

Ib= 0.25 mA

Si observamos para Vce = 8 V yIb = 0,45 mA ⇒ Ic = 15 mAIb = 0,85 mA ⇒ Ic = 30 mA.

O sea, que a una variación de corriente Ib igual a 0,4 mA corresponderá un cambio de corriente Ic igual a 15 mA.

En la región activa la unión base-emisor está PD y la unión base colector PI. Esto quiere decir que la corriente circulará libremente de base a emisor y que no lo hará de colector a base. Sin embargo, el comportamiento real es diferente.

No es nuestro objetivo investigar los fenómenos físicos que ocurren dentro del transistor, sino que estudiaremos su comportamiento como un elemento electrónico.[ ]

Supongamos que el transistor se encuentra en la región activa y que circula una corriente Ib pequeña. Esta corriente pasará de base a emisor libremente ( PD ) y estimula el flujo de electrones a través de la base de el colector a el emisor Ice ( Ice

es la misma Ic ). La magnitud de Ice puede superar muchas veces la de Ib.

Si empezamos a aumentar Ib ( aumentando Vbe ), la corriente Ice se estimulará aún más y se aumenta en un valor proporcional a Ib. De lo anterior deducimos que Ibe ( Ibe

es la misma Ib ) controla a Ice.

En la región activa se cumple:

Ice = K x Ibe

Donde K = coeficiente de amplificación.

SATURADO: Ib > 0 y Vce ≤ Vbe. Las uniones base-emisor y base-colector están polarizadas directamente. Sin embargo las corrientes que fluyen libremente son Ibe y Ice. En saturación se considera que la resistencia de colector a emisor es igual a cero, en la realidad hay una caída cercana a 0,4 V.

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Page 38: Pestaña de Internet Explorer

38 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

CORTE: Ib = 0 o menor que cero. En este caso las uniones estarán polarizadas inversamente y Ice = 0. En esta región se considera que la resistencia de colector a emisor es infinita, en la realidad va de decenas de MΩ hasta cientos de ellos.

CONCLUSIONES: Podemos considerar el transistor como un interruptor electrónico que:

1. Está cerrado cuando se encuentra en saturación.2. Está abierto cuando se encuentra en corte.

c

e

b Saturación

c

e

b Corte

Examinemos el siguiente circuito:

Salida

R2

5 V

500 Ω

R1

2 K Ω

Entrada

Salida

Entradat

t

t

A B C D

5 V

5 V

Vb=0.7 V

Corte Saturación Corte

La entrada parte de cero voltios, o sea, no fluye corriente de base hacia el emisor y el transistor está en corte. Dado que no hay corriente de colector a emisor la caída

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 39

de potencial entre los terminales de R2 es igual a cero ( R x I = 0V ) y el voltaje aplicado a R2 se reflejará en la salida. Es decir estará a 5 V.

c

eb

+

+ 5 V

I = 0

Ib = 0

V = RI = 0

A medida que la entrada se hace positiva, en el instante A, comenzará a fluir corriente hacia la base y el transistor empieza a cruzar la región activa. Esto hace que circule corriente del colector al emisor por R2. En la medida que esta aumenta ( Ice ) caerá aún más el voltaje en la salida. En algún punto el voltaje en el colector caerá por debajo del voltaje de la base ( 0.7V en el instante B ) y el transistor se saturará, entonces la salida quedará prácticamente a tierra. [ ]

En el instante C, Ib comienza a decaer debido a que el voltaje en la entrada está disminuyendo, esto hace que la corriente de colector a emisor también disminuya y el potencial en la salida comienza a aumentar debido a que la caída entre los terminales de R2 ( RI ) se hace menor. Una vez más el transistor cruzará la región activa y cuando la entrada este a cero voltios ( D ) desaparecerá la corriente de base, entonces el transistor pasará a corte y la salida estará en nivel alto.

TIEMPOS DE CONMUTACION

Ya habíamos dicho que la corriente de base controla el paso de electrones de colector a emisor y por lo tanto podía bloquear ( llevar a corte ) o disparar ( llevar a saturación ) al transistor. Idealmente el transistor debe conducir en el mismo instante en que aparece la corriente de base o pasar a circuito abierto en el mismo instante en que esta desaparece. Pero en la realidad la tensión en el colector tarda un determinado tiempo en cambiar su valor. [ ]

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40 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

R

+ Vcc

Ventr. Vce

+

t

t

Vce

Ventr

Vcc

V

Corte Saturación

tdtf ts tr

ton toff

90 % 90 % 10 % 10 %

td retardo de conmutación: ( delay time ). Es el intervalo de tiempo entre la tensión de entrada en t y el instante en que la tensión de colector Vce disminuye al 90% de VCC. Este retardo se debe a:

• Al tiempo que necesitan los portadores de carga para viajar del colector al emisor.• Al tiempo necesario para cargar la capacidad base-emisor del transistor.• Al tiempo que necesita la tensión del colector para disminuir un 10 %.

tf retardo de bajada: ( fall time ). Es el tiempo que necesita la tensión de colector para bajar de 90 al 10 % de VCC. Refleja el tiempo que necesita la corriente de colector para atravesar la región activa y es debida a la capacidad del colector.

El retardo total a la conducción es: ton = td + tf

ts retardo de almacenamiento: Es el tiempo que transcurre entre la bajada a cero de la tensión de entrada y el instante en que la tensión de colector sube al 10 % de su valor final VCC. Este retardo se debe al tiempo necesario para eliminar el exceso de carga almacenado en la unión de base cuando el transistor estaba saturado.

tr retardo de subida: Es el tiempo necesario para que la tensión de colector suba del 10 al 90 % de su valor final VCC. Refleja el tiempo que necesita la corriente de colector para atravesar la región activa.

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 41

El retardo total al bloqueo es : toff = ts + tr

PARAMETROS Y NOMENCLATURA DE TRANSISTORES:

A los transistores bipolares por tener dos uniones semiconductoras se les ha asignado en su nomenclatura el prefijo 2N seguido de un número que determina un transistor en concreto. Ejemplo el 2N3904 que corresponde a un transistor de silicio NPN. No todos los fabricantes utilizan estas convenciones. [ ]

Las características eléctricas de los transistores se encuentran en los manuales editados por los fabricantes. Las más importantes son:

• Voltaje de colector-emisor Vceo: Valor del máximo voltaje que puede aplicarse entre las terminales colector-emisor cuando la base esta en circuito abierto.

• Voltaje de colector-base Vcbo: Valor del máximo voltaje que puede aplicarse entre las terminales colector-base cuando el emisor está en circuito abierto.

• Ganancia de corriente hfe: o coeficiente de amplificación. Es el valor del cociente de la corriente de colector y la corriente de base par un determinado voltaje colector-emisor.

• Producto corriente-ganancia-ancho de banda ft: Indica la frecuencia máxima a la que un transistor puede operar como amplificador.

Otras características son: Material ( silicio o germanio ), aplicación ( propósito general, conmutación, amplificador de potencia ), disipación nominal de potencia, máxima corriente de colector, etc.

4.2. CARACTERISTICAS DE LA FAMILIA RTL

Se caracterizaban por tener una resistencia en la entrada seguida de un transistor. Fue la primera lógica empleada para realizar C.I. El tiempo de conmutación por compuerta era superior a 40 nS, considerándosele como lógica de velocidad media.La potencia que consumían por compuerta era superior a 20 mW, lo cual los hacía difíciles de enfriar. [ ] [ ]

Estos circuitos eran sencillos y fáciles de fabricar, por esto económicos, pero eran sensibles al ruido, su capacidad de salida ( fan-out ) y su densidad de componentes baja.El NB se representaba con señales entre 0 y 0,5 V y el NA por señales entre 0,8 y 3,5 V.

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42 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

4.3. COMPUERTA NOT

Y = X

3,5 V

640 Ω

450 Ω

X

1X

Y = X X Y NB NA NA NB

Si en la entrada hay un NB ( entre 0 y 0,5 V ) el transistor se encontrará en corte, entonces la salida estará a 3,5 V ( NA ). Un NA ( entre 0,8 y 3,5 V ) en la entrada satura el transistor y la salida estará cercana a tierra ( 0,4 V debido a la caída real de voltaje de colector a emisor ).

4.4. DETERMINACION DE FAN-OUT PARA RTL

Analizaremos la salida, inicialmente en NB, de un inversor RTL cuando está conectada a una sola entrada:

1 1

V2

En términos eléctricos esto equivaldría a:

3,5 V

640 Ω

450 Ω NA

3,5 V

640 Ω

V2

Ib

Ice

T1 Sat

T2 Corte

R1

450 Ω

V2 ≈ 0,4 V

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 43

En este caso, el transistor T1 se encontrará en saturación y toda la corriente de colector tomará hacia el emisor debido a la resistencia R1. La salida estará aproximadamente a 0,4 V.

Cuando hay un NA, la corriente de colector de T1 tomará hacia la base de T2 debido a que T1 está en corte. En este caso:

3,5 V

640 Ω

450 Ω NB

3,5 V

640 Ω

V2

Ib = 0

I

T1 Corte

T2 Sat.

R1

450 Ω

Ice

3,5 - 640I - 450I - 0,5 = 0I = 2,752 mA

V2 = 3,5 - 640I = 1,73 VLa salida estará a 1,73 V, o sea, un NA.

Analicemos una salida conectada a dos inversores, inicialmente en NB:

1

1

1

V2

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Page 44: Pestaña de Internet Explorer

44 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

3,5 V

640 Ω

450 Ω NA

3,5 V

640 Ω

V2

Ib

I

T1 Sat

T2

R1

450 Ω3,5 V

640 Ω

450 Ω

R2

T3

Estando la salida en NB, T1 se encontrará en saturación y por esto la resistencia de colector a emisor será prácticamente igual a cero. La corriente de colector T1 fluirá al emisor y la salida está a 0,4 V.

Para un NA ( ver figura siguiente ) T1 estará en corte y la corriente tomará hacia T2 y T3 saturándolos. En este caso la salida será:

3,5 V

640 Ω

450 Ω NB

3,5 V

640Ω

V2

Ib = 0

I

T1 Corte

T2 Sat.

R1

450 Ω3,5 V

640 Ω

450 Ω

R2

Ice

T3 Sat.

Ice

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 45

3,5 V

640 Ω

V2

450 Ω

450 Ω

0,5 V

Vbe+

I

3.5 - 640I - 225I - 0.5 = 0I = 3.46 mA

V2 = 1.3 V, o sea, un NA.

Para tres inversores V2 = 1.1 V.

De los anteriores cálculos deducimos:

1. Que un NB en una salida de un circuito RTL no se ve afectada por la conexión de este a otras entradas.

2. Que a medida que conectamos entradas a la salida en NA de un RTL, este nivel si será afectado y pasará de 3.5 a 1.7, 1.3, 1.1 V y así sucesivamente.

Como el NA en RTL está representado por valores entre 0.8 y 3.5 V, no podemos permitir que en un momento dado éste nivel esté por debajo de 0.8 V, dado que es el voltaje mínimo suficiente para saturar el transistor de las entradas conectadas. Si este voltaje al conectar varias entradas queda por debajo, entonces los transistores ( algunos ) no se saturarán ( se encontrarán en región activa ) y darán valores erróneos en sus salidas (no estarían ni en NB, ni en NA).

4.5. COMPUERTA BASE RTL

3,5 V

640 Ω

450 Ω X T1 450 Ω

T2

Y

Z = X+ Y

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46 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

X Y Z NB NB NA NB NA NB NA NB NB NA NA NB

1 X

Y Z

& X

Y Z

Lógica positiva Lógica negativa

X Y Z 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

X Y Z 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1

Lógica positivaCompuerta OR-NOT

Lógica negativaCompuerta AND-NOT

Si alguna de la entradas X o Y está en NA, el transistor conectado a esta entrada se saturará. Esto significa que el colector quedará a tierra y sin importar el estado del segundo transistor la salida estará en NB.

Si las dos entradas están en NB entonces tanto T1 como T2 estarán en corte y Ice = 0, luego tenemos un NA en la salida.

5. LOGICA DE DIODO A TRANSISTOR DTL

5.1. CARACTERISTICAS

Se caracterizan por las entradas con diodos ( realizando una compuerta AND ) seguidos por un inversor con transistores. Esta interconexión lleva a formar compuertas AND-NOT ( Circuito Base ). [ ]

Su tiempo de conmutación y disipación de potencia por compuerta son de 20 nS y 8.5 mW respectivamente.

VENTAJAS: Económicos, con buena protección contra el ruido, fácil de usar e interconectar.

PROBLEMAS: Relativa baja velocidad, baja densidad de componentes.

Debido a su buena protección contra el ruido existe una lógica llamada HLDTL ( DTL de alto nivel). [ ]Se utiliza donde hay maquinaria que causa grandes transitorios ( fluctuaciones ) en las líneas de conducción y ruido electromagnético.

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 47

5.2. PROTECCION CONTRA EL RUIDO

DTL ha sido diseñada para funcionar con una fuente regulada de 5 V. Utiliza los siguientes rangos de voltaje para los niveles lógicos.

Para una salida NA entre: 4,0 y 5,0 V NB entre: 0 y 0,4 V

Para una entrada NA entre: 3,6 y 5,0 V NB entre: 0 y 0,8 V

Es decir:

• Que el valor mínimo para un NA de salida es 4 V, pero que bastan 3,6 V para que una entrada lo tome como NA.

• Que el valor máximo para un NB de salida es de 0,4 V, pero que hasta 0,8 V será tomado como un NB por una entrada.

Estas diferencias son conocidas como la protección contra el ruido, producto de los fenómenos electromagnéticos en los cables de conducción de alta potencia.

Campo noDefinido

Campo noDefinido

Prot. contra ruido

Prot. contra ruido

V

V

V

V

Campo VOHCampo VIH

Campo VOL Campo VIL

MIN

MAX

OH

IH

MIN

IL

MAX

OL

5 V

4 V

3,6 V

0,8 V

0,4 V

VSALIDA ENTRADA

vOHMIN → Voltaje mínimo de salida para el NA.

vOLMAX → Voltaje máximo de salida para el NB.

v IHMIN → Voltaje mínimo de entrada para el NA.

v ILMAX → Voltaje máximo de entrada para el NB.

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Page 48: Pestaña de Internet Explorer

48 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

5.3. CIRCUITO INVERSOR

A

R1

D1

D2 D3

R2 R3

R4

Y

Salida

T2

Vcc

Vcc

A Y NA NB NB NA

Si en la entrada A hay un NA (3.6V en el peor de los casos) y suponiendo que la corriente tome de VCC, R1 y hacia A, entonces entre los diodos de D1 y D2 aparece un voltaje de 4.3V (debido a la caída de 0.7V en D1). Si la corriente toma de VCC, R1, D2, D3, base-emisor T2 a tierra, entonces entre los diodos D1 y D2 aparece un voltaje de 2,1V (caídas de 0.7V en D2, D3 y base-emisor T2).

De aquí deducimos que la corriente realmente toma hacía el transistor (circuito de menor resistencia) y que T2 se satura colocando un NB en la salida. D1 queda PI ya que entre sus terminales habrá 3.6V en A y 2.1V en el extremo contrario.

Si en A hay un NB (0.8V en el peor de los casos) y si la corriente toma hacía A , entonces entre los diodos de D1 y D2 aparece un voltaje de 1.5V (debido a la caída de 0.7V en D1). Ahora, si toma hacía T2, entonces aparecen 2.1V como se explicó en el párrafo anterior. De esto deducimos que D1 se PD y que la corriente circulará de Vcc a través de R1, D1 y hacia fuera del circuito.

En la base de T2 aparecerá un potencial cercano a tierra fijado a través de R3 (ya que no circula ninguna corriente), que mantendrá a T2 en corte y colocando, de esta forma, un NA en la salida.

5.4. FAN - OUT

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 49

R4

NB

T1

5 V

R1

5 V

I IL

I IL

I IL

AI OL

I SINK

Si conectamos la salida de un DTL en NB ( T1 saturado ) a una entrada, entonces la corriente pasará de Vcc a través de R1, del diodo de entrada y de la unión colector-emisor T1 a tierra. Esta corriente es conocida como Isi n k.

La caída de potencial a través del colector emisor de T1 es realmente cercana a 0,4 V, es decir NB = 0,4 V. Si conectamos más entrada a esta salida, cada una aportará una corriente conocida como IIL. La salida entonces recibirá una corriente IOL igual a:

IOL = ∑ IIL ( Según Kirchhoff para el nudo A )

IOL → Corriente de salida NB.IIL → Corriente de entrada NB.

Debido a que T1 no puede permitir el paso de una corriente infinita Ice, los fabricantes determinan un valor máximo IOL, por encima del cual el circuito se puede dañar, según esto, el fan-out para el NB se determina:

∑ IIL ≤ IOL

Tanto IOL como IIL son especificados por los fabricantes en los manuales de CI.

Cuando se conecta una salida en NA ( T1 en corte ), este valor se verá disminuido por las corrientes inversas a través de los diodos de entrada. Esta corriente se conoce como Iso u r c e. Si conectamos más entrada a esta salida, cada entrada permitirá el paso de una corriente inversa igual a 10 µA, esta corriente es conocida como IIH. La corriente a través de la salida se conoce como IOH.

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50 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

R4

NA

5 V

R1

5 V

I IH

I IH

I IH

A

I OHCorte

I source

Entonces:

IOH = ∑ IIH ( Según Kirchhoff para el nudo A )

IOH → Corriente de salida NAIIH → Corriente de entrada NA

Si el menor valor de voltaje para el NA de salida es de 4V y R4 = 10 KΩ entonces podemos hallar el máximo de corriente permitida IOH :

4 = 5 - IOH x R4

I = 1

10 x 10 = 0.1 mAOH 3

Los valores de IOH y IIH los especifican los fabricantes en los manuales de circuitos integrados. Para el NA se debe cumplir:

∑ IIH ≤ IOH

Suponiendo que IIH = 10 µA y IOH = 0,1 mA, entonces:

FAN-OUTNA = I

I=

0.1 X 10

10 X 10 = 10OH

I L

-3

-6

El fan-out final será el menor de cualquiera de los niveles.

5.5. CIRCUITO BASE DTL

Si alguna(s) de las entrada A, B o C está(n) en NB, entonces el diodo conectado a ella(s) se polariza directamente, permitiendo así el paso de la corriente a través de él (ellos). En la base de T2 aparece un voltaje cercano a tierra y hará que este se bloquee ( Ib = 0 ), teniendo un NA de salida.

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 51

R1

V cc

4 K Ω

D1 D2

R320 K Ω

Salida

T2

Y

R4

V cc

A

B

C

A B C F NB NB NB NA NB NB NA NA NB NA NB NA . . . . . . . . NA NA NB NA NA NA NA NB

&ABC

Y

Compuerta AND-NOT Lógica positiva

Si todas las entradas A, B Y C están en NA, entonces los diodos se polarizan inversamente y pasará una corriente de Vc c a través de R1, D1, D2, unión base emisor a tierra. Esto hará que T2 se sature y tendremos un NB en la salida. El circuito realiza una compuerta NAND de 3 entradas para la lógica positiva.

6. LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR

6.1. SERIES Y SUBFAMILIAS

Se caracterizan por tener en las entradas un transistor de emisor múltiple formando una compuerta AND, seguido de transistores conectados en cascada, que realizan un inversor. [ ]

La mayor parte de los circuitos SSI y MSI se realizan utilizando esta tecnología. En la actualidad son fabricados por: Texas Instruments, National Semiconductor, NEC, Signetics, Siemens, etc.

TTL esta disponible en dos versiones:

1. Serie 54: Para aplicaciones militares. Tienen rangos de operación entre -55 hasta 125 oC.

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Page 52: Pestaña de Internet Explorer

52 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

2. Serie 74: De propósito general. Rango de operación entre 0 y 70 oC.

TTL se subdivide en las siguientes subfamilias lógicas

1. TTL estándar: Comprende principalmente los dispositivos que se designan como 74xx, 74xxx, 8xxx y 96xx. Los 74xx y 74xxx son los más utilizados en los circuitos modernos. Ejemplos: 7402, 7486, 74138, 74157, 8370, 8552, 9601, 9615, etc.

2. TTL de baja potencia: Comprende los dispositivos designados como 74Lxx y 74Lxxx. Por ejemplo 74L08, 74L83, etc. Consumen diez veces menos potencia que los dispositivos TTL estándares correspondientes, pero son cuatro veces más lentos.

3. TTL de alta velocidad: Comprende los dispositivos designados como 74Hxx y 74Hxxx. Por ejemplo 74H05, 74H123, etc. Consumen 2,5 veces más potencia que los TTL estándares correspondientes pero son dos veces más rápidos.

4. TTL Shottky: Comprende los dispositivos designados como 74Sxx y 74Sxxx. Por ejemplo 74S181, 74S11, etc. Consumen 1,8 veces más potencia que los TTL estándares correspondientes pero son 4 veces más rápidos.

5. TTL Shottky de baja potencia: Comprende los dispositivos designados como 74LSxx y 74LSxxx. Por ejemplo 74LS83, 74LS221, etc. Consumen 5 veces menos potencia y son igual de rápidos a los TTL estándares correspondientes. Esta es la subfamilia más empleada entre los TTL.

6. TTL Shottky avanzada: Comprende los dispositivos designados como 74ASxx y 74ASxxx. Por ejemplo 74AS00, 74AS73, etc. Tiene los tiempos de conmutación más cortos de todas las subfamilias TTL y su consumo de potencia es intermedio entre TTL estándar y LS.

7. TTL Shottky avanzada de baja velocidad: Comprende los dispositivos designados como 74ALSxx y 74ALSxxx. Por ejemplo 74ALS00, 74ALS73, etc. Consumen la mitad de la potencia requerida por los LS correspondientes y son el doble de rápidas.

6.2. NIVELES LOGICOS Y PROTECCION CONTRA RUIDO TTL ESTANDAR

Para TTL estándar los rangos de voltaje para el NA y el NB son los siguientes:

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 53

Campo noDefinido

Campo noDefinido

Prot. contra ruido

Prot. contra ruido

V

V

V

V

Campo VOHCampo VIH

Campo VOL Campo VIL

MIN

MAX

OH

IH

MIN

IL

MAX

OL

5 V

2,4 V

2 V

0,8 V

0,4 V

VSALIDA ENTRADA

v OHMIN → Voltaje mínimo de salida para el NA.

vOLMAX → Voltaje máximo de salida para el NB.

v IHMIN → Voltaje mínimo de entrada para el NA.

v ILMAX → Voltaje máximo de entrada para el NB.

Es decir, existe un rango de 0,4 V de inmunidad al ruido tanto para el NA, como para el NB. [ ]

6.3. CIRCUITO BASE TTL ESTANDAR

En la figura siguiente se muestra el circuito base de los dispositivos TTL estándar.

Tiene dos entradas lógicas A y B y una salida lógica Y. El circuito puede subdividirse en tres etapas: de entrada, excitador y de salida. [ ]

Para las tensiones normales de entradas ( NA y NB ), positivas, los diodos de fijación D1 y D2 tienen polarización inversa y presentan una impedancia muy elevada, por lo que puede considerar como circuito abierto. Las conmutaciones de NB a NA o de NA a NB a altas frecuencias, pueden conducir a la aparición de voltajes negativos en las entradas que serían anuladas por la PD de los diodos de fijación D1 y D2.

Todas las compuertas TTL con más de una entrada lógica utilizan un transistor de emisor múltiple, como el de entrada en el circuito base. Este transistor con dos emisores es equivalente a dos transistores con las bases y los colectores, respectivamente unidos y funcionan de la siguiente forma:

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54 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

1,6 K

Ω

T2

R2

1 K R3

T3

T4

Y

D3

130 R4

4 K R1

D2 D1

A

B

GND

T1

Vcc

Si A está en NB, B en NA y la base a 5 V a través de una resistencia ( observar la siguiente figura ), entonces la unión base-emisor de T12 esta en PI ( en esta caso T12 estará en corte ). La unión base-emisor de T11 esta en PD, por lo que T11 se comporta como un interruptor cerrado. El colector del transistor con emisor múltiple estará más o menos a 0,1 V.

Los transistores multi-emisor tienen 2, 3, 4, 8 y 13 emisores.

4 K R

T11

T12

0,1 V con respecto al NB de A

T1 en saturación

-- 0,1 V +

Corte

5V

A

B NA

NB

I

...

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LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 55

Los elementos TTL están diseñados con salida en cascada, o también conocida como de totem pole, que consiste en conectar la salida de un transistor a la base del siguiente, en la forma como se encuentran los transistores T4 y T3 con respecto a T2. La salida en cascada tiene como característica especial que conmuta a altas velocidades, obteniendo señales digitales casi perfectas ( ondas cuadradas ) y permitiendo el uso en aplicaciones de alta frecuencia.

Después de explicar el funcionamiento de los transistores multi-emisor y las salidas en cascada ya estamos en capacidad de explicar el funcionamiento del circuito base:

1. Suponiendo que A está en NB y B en NA, el diodo base-emisor de A estará PD. R1 esta calculada de tal forma que fluya por T1 una corriente de base suficiente para saturar el transistor cuando por lo menos una de las entradas este en NB. Esta corriente será aproximadamente (en R1):

( ) ( )I =

(V - V + V )

R1 =

5 - 0.7 - 0.4

4 KIL

cc beA ILTIP

IIL = 0,97 mA

IIL circula por R1, el emisor, terminal de entrada A y hacia fuera del circuito a la salida que controla esta entrada.

La entrada B se encontrará mínimo a 2 V ( VIH ). La tensión en la base de T1 será igual al voltaje de NB en A ( VIL ) más la caída del diodo base-emisor.

VB1 = v I LMAX + VBE1 ≤ 0,8 + 0,7 = 1,5 V

Puesto que B está mínimo a 2 V y la base del transistor esta máximo a 1,5 V, entonces la unión base-emisor de la entrada B está en PI.

Si T2 estuviera en saturación, entonces T3 también lo estaría y en la base de T2 aparecería una tensión:

VB2 = VBE3 + VBE2 = 0,7 + 0,7 = 1,4 V

1,4 V es el voltaje mínimo que necesita en la base el transistor T2 para pasar a saturación. Pero la tensión en la base de T2 es la misma de colector T1. Estando T1 saturado esta tensión será igual:

VB2 = VC1 = v I LMAX + VCE1 = 0,8 + 0,1 = 0,9 V

Como en la base de T2 solo hay 0,9 V, entonces T2 se encuentra en corte. Estando T2 en corte el flujo de corriente hacia T3 será prácticamente nula y a través de R3 se fijará en la base un potencial de tierra, que mantendrá a T3 en corte. R2 esta calculado de tal forma que cuando T2 este en corte, circule hacia T4 la corriente suficiente para saturarlo.

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56 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Con T3 en corte la salida quedará en circuito abierto con el potencial de tierra. T4 estará saturado y conectará la salida a la fuente de alimentación. La corriente fluirá de Vcc a R4, colector-emisor T4, D3 y hacia la(s) entrada(s) conectada(s). Esta corriente se denomina IOH.

2. Suponiendo que A y B estén en NA, juntas uniones se encontrarán en PI (ya que para que se PD se requiere un potencial mínimo en la base T1 de 2.7V, mientras que para que la corriente circule hacia la base de T2 se necesitan solo de 2.1V. Circularán las corrientes inversas IIH por cada emisor. La unión base-colector T1 esta en PD por lo que circula una corriente:

( )I =

V V V V

R1 =

5 - 2.1

4000R1

CC BC1 BE2 BE3− − −

IR1 = 0,72 mA

Esta corriente pasa por R1, base-colector T1, base-emisor T2 que lo hace conducir y base-emisor T3 que lo forza también a conducir. La salida estará en NB:

VOL ( TI P ) = VCE( s a t) 3 = 0,2 V

Como T3 está conduciendo, su base se encontrará 0,7 V por encima del emisor. T2 también esta saturado por lo que su colector esta a 0,1 V con respecto al emisor. Según esto la tensión en la base de T4 será igual a:

VB4 > VB3 + VCE2 = 0,7 + 0,1 = 0,8 V

La tensión en el emisor de T4 será:

VE4 ≥ VOL M I N + VD3 = 0,2 + 0,7 = 0,9 V

Debido a que el emisor se encuentra a mínimo 0,1 V por encima de la base en T4 este se encontrará en corte. D3 permite asegurar el bloqueo de T4 produciendo una caída de 0,7 V.

Como T4 está en corte, entonces la salida quedará en circuito abierto con la fuente de alimentación. En este caso la(s) corriente(s) de carga fluirán de la(s) entrada(s) conectada(s) a través del colector-emisor T3 y a tierra. La máxima corriente admisible sin que la tensión de salida suba por encima de VOL( M A X ) = 0,4 V es IOL = 16 mA. Las corrientes superiores a este nivel pueden sacar a T3 de saturación y elevar a VOL por encima de la máxima tensión baja.

La tabla de verdad así obtenida es la siguiente:

LIGR

Page 57: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 57

A B Y NB NB NA NB NA NA NA NB NA NA NA NB

&A

BY

que corresponde a una compuerta AND-NOT para la lógica positiva.

6.4. CARACTERISTICAS DE LOS TTL ESTANDAR

A. Corriente de corto circuito de salida: Es la corriente IOS que circula hacia afuera de una salida en NA, cuando esta última esta conectada directamente a tierra. Este parámetro se utiliza para conocer la rapidez con que carga en NA los condensadores externos conectados a la salida. Para la compuerta 7400 IOS

= 55 mA.

La conexión a tierra acarrearía el recalentamiento del integrado y su posterior, a corto plazo, daño total. Esto debido a la relativa alta disipación de potencia.

B. Fuente de alimentación y picos de corriente: Los dispositivos TTL vienen diseñados para trabajar con una alimentación de 5 V con variaciones no superiores al 5 %, es decir entre 4,75 y 5,25 V.

Por esto es necesario emplear fuentes reguladas de voltaje de 5 V con capacidad de manejar corriente de acuerdo al número de integrados. El diseño de fuentes de alimentación se tratará en el capítulo final de esta conferencia.

Los circuitos TTL presentan problemas al conmutar, ya que generan grandes picos de corriente debido a la organización en cascada de sus salidas, como se puede ver en la siguiente gráfica:

V OH

V OL

V SAL

5

10

15

I CC, m A

t

t

NB NB NB

NA NA

Picos

I CCH

I CCL

LIGR

Page 58: Pestaña de Internet Explorer

58 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Cuando la salida está en NA el integrado consume una corriente de alimentación constante ICCH. Similarmente, cuando está en NB fluye una corriente constante IC C L. Para el 7400 estos valores son: IC C H = 4 m A y IC C L = 12 mA por circuito integrado.

Cuando la salida de la compuerta cambia de estado pasa por un instante en que ambos transistores T3 y T4 conducen simultáneamente, debido a que juntos pasan por la región activa antes de llegar a saturación o corte. Durante estos pequeños intervalos de tiempo fluye una corriente relativamente alta, debido a la trayectoria de baja resistencia entre la tensión de alimentación y tierra.

El resultado es la presencia de picos de corriente en la línea de alimentación, como lo muestra la figura. El fenómeno es más perjudicial cuando la compuerta pasa de NB a NA, debido a que T4 no se satura normalmente y entra en conducción mucho antes de que T3 se bloquee. Además al pasar de NB a NA hay que cargar las capacidades externas lo que provoca corrientes de hasta IOS

por la salida.

Para evitar que estos picos se propaguen por la alimentación y la tierra, además del corto circuito a la fuente, se deben conectar condensadores con capacitancias entre 0,01 y 0,1 µF por cada 5 a 10 circuitos integrados. Ellos deben conectarse entre el positivo y la tierra. En la práctica por cada C.I. se conecta uno lo más cerca posible a los pines GND y VC C.

C. Disipación de potencia: La disipación de potencia se mide en régimen estático (no conmutaciones ) y se obtiene del promedio para el NA y NB. La disipación estática es el producto del voltaje de alimentación VCC y la corriente de alimentación estática ICC.

PD = VCC x ICC

La corriente de alimentación no incluye aquellas que son drenadas por circuitos externos.Si la salida de determinado elemento se encuentra en NB la mitad del tiempo y en NA durante la otra mitad de tiempo, entonces la corriente de alimentación será:

I = (I + I )

2PROM

CCH CCL

Para el 7400, por ejemplo, la disipación de potencia promedio será:

Pd p r o m ( t i p ) ( )

= 5 V 4 mA + 12 mA

2∗

Pd p r o m ( t i p ) = 40 mW por integrado

Para cada compuerta este valor será igual a 10 mW.

LIGR

Page 59: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 59

La disipación de potencia varía con la frecuencia de las conmutaciones en unos 0,3 mW / MHz. Es prácticamente constante para cargas capacitivas hasta de 20 pF con frecuencias inferiores a 1 MHz.

D. Impedancia: La impedancia de salida de las compuertas TTL son bajas debido a la configuración en cascada de los transistores T2, T3 y T4. En NA el transistor T4 esta saturado y prácticamente no ofrece ninguna resistencia al flujo de corriente.En NB T3 esta en saturación y permite el flujo casi libre de electrones.

ZOL = 10 Ω ZOH = 70 Ω

Las impedancias aproximadas de entrada son:

ZIH = 400 KΩ ZIL = 4 KΩ

Una alta impedancia de entrada solicita menos corriente a la salida que controla, mientras que una baja impedancia de salida permite mayor velocidad de conmutación debido a la relativa alta magnitud de corriente, que hace menor el producto RC.

E.Retardos de propagación: Los retardos en las conmutaciones se miden para un voltaje de referencia, que para el caso de los TTL estándar es de 1,5 V. Considerando una vez más el 7400 tenemos:

&V salV entr

t

t

V sal

V entr

V ref

t PHL

V ref

t PHL

Cuando las entradas pasan a NA la salida pasa a NB en un tiempo determinado llamado retardo de activación t P H L, o también conocido como retarde de bajada.

LIGR

Page 60: Pestaña de Internet Explorer

60 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Cuando las entradas pasan a NB la salida tardará un tiempo determinado llamado retardo de desactivación o de subida t P L H.

Para los 7400 estos valores son:

t P H L = 7 nS t P L H = 11 nS

La diferencia se debe a que el transistor T4 no se satura completamente y su tiempo de recuperación inverso es inferior al T3, que si se satura completamente. El retardo promedio es de 9 nS, sin embargo para los TTL estándar se ha tomado de 10 nS.

La frecuencia máxima a la cual puede conmutar una compuerta TTL estándar será:

f = 1

t + tmax

PLH PHL

Los dispositivos TTL Estandar pueden operar a 55 MHz.

6.5. CURVAS DE TRANSFERENCIAS

La curva de transferencia es un gráfico que muestra la forma que varía la tensión de salida con respecto a la de entrada. Su ventaja consiste en que muestra simultáneamente VOH y VOL y la región de transición cuando el dispositivo conmuta.

Uniendo las entradas de una compuerta AND-NOT de un 7400, como se muestra en la figura anterior, entonces la curva de transferencia para este dispositivo será:

V sal

0,4 0,8 1,2 1,6 2,00

1

2

3

4

V entr

T1 y T4 sat.T2 y T3 corte

T2 T4conducen

T2 T3 T4conducen

Transición

T2 T3 sat.T4 corte

Bajo

Alto

V T = 1,4 V

VT se conoce como la tensión promedio de umbral de un determinado dispositivo y es aquella para la cual la tensión de entrada es igual a la de salida. Para el 7400 este valor es más o menos de 1,4 V. Sin embargo en la práctica VT varía considerablemente de elemento a elemento e incluso con la temperatura y la fuente de alimentación.

LIGR

Page 61: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 61

6.6. COMPUERTAS Y ENTRADAS NO UTILIZADAS

En el diseño de algún proyecto puede sucederse que la cantidad de entradas de alguna compuerta supere el número de ellas requerido, o bien, que sobren algunas compuertas de algún circuito integrado.

En el primer caso, y aunque una “entrada flotando” se comporta como un NA, es necesario conectar la(s) entrada(s) a algún nivel lógico ya que bastan algunos milivoltios negativos de ruido en el medio ambiente para hacer que la entrada pase a NB. [ ] [ ]

Para las compuertas AND y AND-NOT las entradas libres deben conectarse al resto de las entradas, siempre y cuando no se exceda la capacidad de manejo máximo de la(s) entrada(s). Si esto no se puede, entonces se debe conectar bien a la salida de una compuerta no utilizada y que este constantemente en NA, o bien al positivo de la fuente de alimentación a través de una resistencia de 1 KΩ.

&Y

A

B &

YA1 K

5V

Las entradas no utilizadas de las compuertas OR y OR-NOT deben ser conectadas al resto de las entradas si esto no recarga las salidas, en caso contrario deben ser conectadas a tierra ( GND ).

Las salidas de las compuertas no utilizadas deben ser forzadas a NA mediante la adecuada conexión de sus entradas, con el fin de reducir la disipación de potencia ya que IC C H es menor que IC C L.

6.7. CIRCUITOS OR-NOT Y AND-OR-NOT

LIGR

Page 62: Pestaña de Internet Explorer

62 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

R1

T1 A

D2

T2 T12

R2

F1

R3

F2

B

T6

T11

R4

T5

R5

+5 V

D1

GND

F = A + B D3

Si en A hay un NB, entonces el diodo base-emisor T1 se PD y aparecerá un NB en la base de T2, lo cual hará que T2 quede en corte. Sin embargo los valores de los voltajes tanto en F1 como en F2 no se pueden definir debido a que también dependen de T12. Si además en la entrada B también hay un NB, entonces T12 tampoco conducirá y de esta forma la corriente circulará a través de R2 a la base de T5 saturándolo. [ ]

Debido a que T2 y T12 están en corte en la base de T6 aparece el potencial de tierra, que hará que T6 se encuentre en corte. Con T5 saturado y T6 en corte la salida se encontrará en NA.

Si por lo menos una de las entradas está en NA bien T2 o T12 o ambos se saturan y la corriente fluirá de R2 a través de la unión colector-emisor de T2 o T12 o de ambos y a la base de T6 saturándolo. En F1 aparecerá un voltaje bajo no suficiente para llevar a región activa a T5 y este se encontrará en corte. Con T6 saturado y T5 en corte la salida estará en NB.

La tabla de verdad así obtenida será como sigue:

A B F NB NB NA NB NA NB NA NB NB NA NA NB

1A

B

F = A + B

LIGR

Page 63: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 63

Para la lógica positiva es una compuerta OR-NOT.

Si a el anterior circuito en lugar de un transistor convencional de entrada colocamos uno de emisor múltiple, entonces para la lógica positiva obtendremos una compuerta AND-OR-NOT.

6.8. FAN-OUT Y EFECTO DE CARGA

Analizaremos el fan-out inicialmente para una salida en NA:

T3 Corte

T4 Saturado

R4

D3

+5 V

VR4 = R x IOH

+

NA

.

...

.

.

A

IIH

IIH

IIH

GND

IOH

IOH → Corriente de salida para el NA.IIH → Corriente de entrada para el NA.

Cada diodo base-emisor de entrada en PI permite el paso de una corriente inversa máxima llamada IIH. Así mismo la salida aporta una corriente llamada IOH. Si aplicamos la Ley de las Corrientes en el nudo A, entonces obtenemos:

IOH = ∑ IIH

Cada nueva entrada conectada consumirá una determinada corriente IIH, que aumentará en ese mismo valor a IOH. Pero al aumentar IOH aumentará la caída de potencial entre los terminales de R4 y en la medida que conectemos más entradas caerá el NA en la salida. Sin embargo, según lo estudiado anteriormente, un NA de salida no puede estar por debajo de 2,4 V por eso los fabricantes de C.I. determinan una corriente máxima de salida para el NA IOH.

LIGR

Page 64: Pestaña de Internet Explorer

64 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Para el NA de salida se debe cumplir:

∑ IIH ≤ IOH

Si todas las entradas son del mismo tipo, entonces:

Fan-out NA = I

I

OH

IH

Para el NB tendremos:

T3 Saturado

T4 Corte

R4

D3

+5 V

NB

.

...

.

.

A

IIL

IIL

IIL

GND

IOL

IOL → Corriente de salida para el NB.IIL → Corriente de entrada para el NB.

Cuando en la salida hay un NB todas las uniones base-emisor de las entradas estarán en PD y por cada una de ellas fluirá una corriente máxima denominada IIL

hacia el transistor T3. La corriente que circula por T3 se conoce como IOL.

Aplicando la Ley de la Corrientes para el nudo A tenemos:

IOL = ∑ IIL

Cada entrada conectada aportará una corriente IIL que aumentará en ese mismo valor a IOL. Pero al hacerse demasiado grande IOL el voltaje en el colector de T3 puede elevarse y sacarlo de saturación, aumentando así la tensión de NB en la

LIGR

Page 65: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 65

salida (que no puede ser superior a 0.4V). Por esto los fabricantes de C.I. determinan una corriente máxima de salida para el NB IOL con la cual se garantiza que la salida estará máximo a 0,4 V (es decir VOL ).

Para el NB de salida se debe cumplir:

IOL ≥ ∑ IIL

Si todas las entradas son del mismo tipo, entonces:

Fan-out NB = I

I

OL

IL

El fan-out final será el menor obtenido para cualquiera de los niveles.

Ahora analizaremos el comportamiento de una salida cuando es conectada inicialmente a una carga capacitiva y después a una resistiva.

Carga capacitiva: Si la carga conectada tiene una componente capacitiva ( por ejemplo el mismo cableado, ciertos elementos lógicos, un osciloscopio, etc. ) o es netamente capacitiva ( un condensador ) el tiempo de conmutación de salida puede verse seriamente afectado, y que se requerirá ciertos tiempos para que la capacitancia cargue y descargue ( RC ).

Los retardos de propagación dados en los manuales de C.I. se deben a los retardos en la conmutación de los transistores y para una carga capacitiva externa de CL = 15 pF y una carga resistiva también dada RL = 400 Ω, que es la resistencia total de salida en estado alto más la resistencia de la carga (condiciones de Laboratorio).

Supongamos que una salida esta conectada a una carga de 47 µF con RL de 400Ω, además que se encuentra inicialmente en NB.

LIGR

Page 66: Pestaña de Internet Explorer

66 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

T3

T4

R4

D3

+5 V

IOH = Icarga

GND

C1

IOL = Idescarga

Como T3 esta conduciendo, es prácticamente un corto circuito a el potencial de tierra. Por esta razón C1 se encontrará completamente descargado. Cuando pasa a NA aparece la corriente de carga a través de R4, T4, y D3, en este caso el tiempo de conmutación total será igual:

t t o t a l = t PLH + t RC

t RC = 47 x 106 x 400 =

t t o t a l = 11 nS + 18,8 mS = 18,8 mS.

En realidad no es exactamente una constante de tiempo el que se requiere para llegar al NA.

En conclusión podemos decir que el efecto de una carga capacitiva es aumentar los retardos y reducir la frecuencia máxima a la cual puede trabajar el dispositivo.

Carga resistiva:

Si la salida está en NA, el dispositivo puede dar una corriente IOH máxima por encima de la cual el voltaje de salida sería inferior a el NA. Si la resistencia es de bajo valor la corriente puede ser bastante intensa y provocar un error lógico (caída del potencial por debajo del nivel permitido), o también, un recalentamiento del dispositivo.

LIGR

Page 67: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 67

T3 Corte

T4 Saturado

R4

D3

+5 V

NA IOH

GND

R

En este caso para el NB no se presentará ningún problema.

6.9 DISPOSITIVOS TTL DE COLECTOR ABIERTO

En la técnica digital es muy común el uso de las funciones “ OR alambrada “ o “ AND alambrada “ gracias a la ventajas que ellas proporcionan y a la sencillez de su realización. [ ] [ ]Esta función consiste en unir las salidas de varias compuertas sobre la tarjeta impresa con el fin de:

• Aumentar la cargabilidad de salida.• Realizar cierta función lógica.• Crear una línea común de salida ( bus ).

Supongamos que se unen las salidas de varias compuertas con terminación en cascada (como las estudiadas hasta el momento) para realizar una función lógica en forma implícita sobre una tarjeta impresa, entonces tendremos lo siguiente si una de ellas se encuentra en NB y las demás en NA, observar la siguiente figura:

Si por lo menos una de las compuertas está en NB, esta salida presentaría una muy baja resistencia a tierra y aparecerían corrientes IOS con valores cercanos 55 mA provenientes de las salidas en NA.

LIGR

Page 68: Pestaña de Internet Explorer

68 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

T31 Saturado

T41 Corte

R4

D31

+5 V

NB

I

GND

T32 Corte

T42 Saturado

R4

D32

+5 V

NA

GND

.

.

.

La suma de las corrientes fluirá a través de T31, que solo está en capacidad de manejar 16 mA como máximo. Como este valor es muy inferior la compuerta en NB no soportará largo tiempo la sobrecarga y saldrá de funcionamiento (además de colocar prácticamente en corto circuito la fuente de alimentacón), trayendo consigo la operación errática del sistema.

Para la realización de las funciones alambradas la familia TTL cuenta con los dispositivos de colector abierto, a los cuales se debe conectar una resistencia externa. El circuito y su representación simbólica se presentan en la siguiente figura:

Como se podrá observar estos dispositivos carecen del transistor T4, en cuyo reemplazo se debe conectar una resistencia externa en la salida. En todo lo demás son similares a los circuitos vistos con anterioridad.

RP se denomina comúnmente resistencia de arrastre o de pull-up y su función es permitir que la salida quede en NA o NB en un momento dado.

El valor de RP debe elegirse de tal forma que la corriente de colector a emisor en T3 no exceda la máxima admisible cuando está en saturación, es decir 16 mA. Fluctúa entre 150Ω y 1 KΩ. Cuanto menor sea su valor mayor será la velocidad de conmutación y la disipación de potencia.

Las anteriores anotaciones son para el caso de que se deseen conectar cargas entre la alimentación y la salida, pero si a la función alambrada se desean conectar

LIGR

Page 69: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 69

1,6 K

T2

R2

R3

T3

4 K R1

D2 D1

A

B

GND

T1

Ω

Ω

Vcc

Rp

Vcc

Y

&A

B

Y

Símbolo Lógico

1 K Ω

&ABC

&DEF

&

+5 V

Rp

Y = ABC V DEF

entradas de otras compuertas, entonces RP se debe calcular según las siguientes fórmulas:

( )( )R =

V - V

N I + N IP(MAX)

CC(MIN) OH(MIN)

H OH(MAX) L IH(MAX)∗ ∗

LIGR

Page 70: Pestaña de Internet Explorer

70 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

( )( )R =

V - V

I - N IP(MIN)

CC(MAX) OL(MAX)

OL(MAX) L IL(MAX)∗

Donde: NH → Es el número total de salidas colector abierto interconectadas.

NL → Número de entradas conectadas.

Las desventajas de los componentes de colector abierto con respecto a los de salida en cascada son:

• La necesidad de un resistor discreto externo.• Mayor lentitud.• Menor inmunidad al ruido.• Menor aptitud para cargas capacitivas.

Ejemplos de dispositivos de colector abierto son: 7403, 7407, 7412, 7406, etc. Algunos de estos dispositivos aceptan corrientes de salida de 40 mA y tensiones altas de hasta 30 V como el 7406.

6.10.LOGICA DE TRES ESTADOS

Se utiliza en aquellos sistemas destinados al procesamiento de datos, donde existe un constante intercambio de información entre sus módulos. Por lo general se emplean para formar líneas comunes de comunicación a través de las cuales viaja la información en cualquier sentido. Estas líneas reciben el nombre de bus, y en este caso concreto de bus de datos. [ ]

. . . . .

CPU

. . . . .

MEMORIA PRINCIPAL

. . . . .

PUERTOS E/S

BUS DE DATOS

En un momento dado solo puede haber intercambio entre dos módulos y no es permitido que las salidas, de los módulos que no intervienen, conecten el bus a tierra, o sea, que estén en NB o a la alimentación, o sea, que estén en NA.

Para estas aplicaciones se han desarrollado circuitos especiales que aparte de poder estar en NA y NB ( estados de baja impedancia ), tienen un estado más, llamado de alta impedancia. En éste estado se encontrarán todos aquellos módulos que no han sido escogidos para transmitir o recibir datos por el bus.

El circuito base se muestra en la siguiente figura:

LIGR

Page 71: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 71

Si la entrada de control G está en NB, T6 y T7 se encontrarán en corte y no conducirán. A través del emisor de T1 y del diodo D2 no podrán circular corrientes y la salida Y dependerá del estado de la entrada A.

1,6 K

T2

R2

1 K R3

T3

4 K R1

D1

A

GND

T1

Ω

Ω

Ω

T41

T4

R5

D2

T6 G

T5

T7

+5 V

Y

+5 V

LIGR

Page 72: Pestaña de Internet Explorer

72 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Si G está en NA, T6 y T7 se saturan conectando una de las entradas a tierra ( NB ). La corriente circulará a través de este emisor, la unión colector-emisor de T7 a tierra y hará que T2 pase a corte, sin importar el estado de A.

El voltaje en la base de T41 aumentará y hará que D2 se PD, de esta forma la corriente fluirá de VCC a través de R2, D2 y de colector-emisor T7 a tierra; fijando un voltaje bajo en la base de T41 que lo mantendrá en corte. Como no existen corrientes en la base de T4, aparecerá un potencial de tierra a través de R5 que mantendrá en corte a T4.

Como T2 no conduce, en la base de T3 se fija un potencial de tierra, que coloca en corte a T3.

De esta forma tanto T3 como T4 se encuentran en corte y en la salida tenemos el tercer estado o estado de alta impedancia, en el cual la salida simplemente se comporta como un circuito abierto.

La tabla de verdad para este circuito es como sigue:

G A Y NB NB NANB NA N BNA NB XXNA NA XX

1A

G

Y

Simbolo Lógico

Ejemplos de compuertas con tercer estado son: 74125, 74126, 74134, 74240, 74241, etc.

6.11. BUFFERES

Los bufferes son compuertas con una alta capacidad de corriente de salida. Esto les permite manejar directamente LEDs, relés de estado sólido, relés electromecánicos y otras cargas que no pueden ser impulsadas por compuertas comunes. [ ]

Los transistores de salida están diseñados de tal forma que permiten corrientes de IOL y IOH altas, pudiendo conectarsen a una cantidad mayor de entradas.

Pueden ser inversores ( NOT ), o no inversores ( YES ), y pueden tener o no tercer estado:

LIGR

Page 73: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 73

1

AY 1

AY

1A

G

Y 1A

G

Y

YES NOT

Ejemplos de compuertas bufferes son: 7428, 7437, 7440, 74125, 74126, etc.También existen bufferes de colector abierto.

6.12.COMPUERTAS SCHMITT TRIGGER

Son compuertas realizadas para obtener en la salida señales digitales perfectas, por esto se emplean para convertir señales imperfectas, de conmutación lenta o con ruido, en señales digitales bien definidas y de conmutación rápida. [ ]

Se representan con el siguiente símbolo lógico:

1 &

Las compuertas Schmitt operan como compuertas convencionales, con excepción solo que poseen dos valores límite de voltaje en sus entradas llamadas umbrales.

Para TTL estándar el umbral para ir al NA es de 1,6 V y para ir al NB es de 0,8 V. Ejemplos de compuertas Schmitt son: 7414, 7413, 74132, etc.

Un ejemplo de aplicación con una compuerta YES tipo Schmitt trigger es el siguiente:

LIGR

Page 74: Pestaña de Internet Explorer

74 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Entrada

Salida

t

t

0,8 V

1,6 V

Como se podrá observar el dispositivo acepta en su entrada voltajes analógicos, pero solo reacciona a dos valores. Cuando la entrada se hace igual o superior a 1.6V la salida de la compuerta cambia de estado y pasa a NA. Cuando se hace igual o inferior a 0.8V conmuta y pasa a NB.

6.13. SUBFAMILIAS TTL

A. Baja potencia: Los valores de las resistencias son aumentados considerablemente, disminuyendo el flujo de corrientes. Esto trae consigo las reacciones más lentas de los transistores y por esto un aumento de los retardos.

B. Alta velocidad: Los nominales de las resistencias son disminuidos aumentando el flujo de corrientes dentro de las compuertas y haciendo, con esto, más rápidas las conmutaciones. Se incrementa considerablemente la disipación de potencia.

C. Schottky: El retardo en la conmutación está directamente relacionado con el tiempo para llevar los transistores de saturación a corte. Por eso, con el fin de evitar la saturación completa y a sí hacer más rápidas las conmutaciones se utiliza un diodo para fijar el voltaje entre la base y el colector. [ ] [ ]

Pero el diodo utilizado con este fin no es convencional, sino que está compuesto por la unión de un metal y un semiconductor, que lo hace mucho más rápido que los diodos de silicio.

Los tiempos de recuperación inverso y directo para los diodos Schottky están en el orden de los pico y nanosegundos. Entran en conducción ( en PD ) cuando entre sus terminales hay una diferencia de solamente 0,4 V, a diferencia de los de silicio que necesitan 0,7 V.

El transistor Schottky se representa de la siguiente forma:

LIGR

Page 75: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 75

Diodo Schottky

Transistor Schottky

Cuando el transistor se acerca a saturación, es decir, el voltaje en la base comienza a superar al del colector, el diodo Schottky se PD y la corriente tomará a través de él y no de la unión base-emisor, evitando así la saturación completa (concentración de portadores negativos en la base ).

El circuito base de la serie Schottky es como sigue (observar en la figura que sigue):

Todos los transistores que se saturan normalmente han sido reemplazados por Schottkys ( a excepción de T4 ), disminuyendo de ésta forma los tiempos de conmutación.

900

T2

R2

R1

D2 D1

A

B

GND

T1

Ω

+ 5V

T5

T4

R5

T3

Y

T6

2,8 K Ω

50 Ω

3,5 K Ω

250 Ω

500 Ω

LIGR

Page 76: Pestaña de Internet Explorer

76 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

D1 y D2 han sido reemplazados también, haciendo más eficaz la supresión de tensiones negativas de entrada.

R3 ha sido reemplazado por una carga activa, el transistor T6. Esto permite a T3 bloquearse más rápidamente gracias a la baja resistencia colector-emisor de T6.

El transistor superior de salida es ahora un Darlington conformado por T4 y T5. La configuración Darlington se logra de modo que el emisor del primer transistor esté unido a la base del segundo y los dos colectores unidos entre sí. El montaje Darlington tienen una elevada ganancia de corriente lo que permite alcanzar velocidades de conmutación más altas.

Estas son algunas de las características del C.I. 74S00:• IOH = 1 mA, IOL = 20 mA, IIH = 50 µA, IIL = 2 mA, IOS = 100 mA.• Margen de inmunidad al ruido NA: 0,7 V• Margen de inmunidad al ruido NB: 0,3 V• Retardo promedio de 3 nS y disipación de 19 mW por compuerta.

La interconexión de elementos TTL Schottky requiere de mayores cuidados debido a que tienen tiempos de subida y bajada muy cortos que redundan en ruidos inducidos.

D. Schottky de baja potencia: El circuito base es el siguiente:

LIGR

Page 77: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA DE TRANSISTOR A TRANSISTOR 77

8 K

T2

R2

R1

D2 D1

A

B

GND

Ω

+ 5V

T5

T4

R5

T3

Y

T6

25 K Ω

200 Ω

1,5 K Ω

3 K Ω

4 K Ω

D3

D4

Las compuertas Schottky de baja potencia tienen una disipación de 2 mW y un retardo promedio de 5 nS por compuerta.

El transistor de entrada ha sido reemplazado por dos diodos Schottky que hacen que el circuito en realidad pertenezca a la DTL.

Algunas características del C.I. 74LS00:IOH = 400 µA, IOL = 8 mA, IIH = 20 µA, IIL = 0,36 mA, IOS = 42 mA.Margen de inmunidad al ruido NA: 0,7V.Margen de inmunidad al ruido NB: 0,3 V.

La baja disipación de potencia implica menor costo de la fuente de alimentación, alta densidad de componentes sobre la tarjeta impresa, eliminación de ventilador de refrigeración.

La serie LS conmuta con picos de corriente un 25 % menores que los estándares, lo cual redunda en menor generación de ruido. Se necesitan menos condensadores y con menores capacitancias para suprimir los picos de conmutación.

Las entradas no utilizadas pueden ser conectadas directamente al positivo de la fuente.

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78 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

7. LOGICA METAL-OXIDO SEMI-CONDUCTOR CANAL N

7.1. EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO FETMOS

La relativa alta disipación de potencia de los transistores bipolares hacía imposible aumentar el coeficiente de integración, por esto los fabricantes de C.I. recurrieron a los Transistores de Efecto de Campo FET para lograr arreglos LSI y VLSI. [ ] [ ]

Aunque algunas características de los FETs no se consideran deseables para ciertas aplicaciones ( a causa de su poca velocidad, delicadez y su falta de capacidad de manejo de corriente ), su facilidad de fabricación, reducido tamaño y baja disipación de potencia han desplazado los factores negativos y han colocado a los FETs, realizados con metal oxido semiconductor MOS, como la tecnología principal para usar en grandes arreglos.

Existen dos tipos de FETs:

1. FETs de enriquecimiento Canal P y Canal N.2. FETs de empobrecimiento Canal P y Canal N.

El transistor de empobrecimiento conduce cuando no existe ningún voltaje aplicado al graduador ( el graduador corresponde a la base de los transistores bipolares ), en cambio, el de enriquecimiento solo lo hace hasta que la tensión en el graduador no alcance cierto valor.

El FET de enriquecimiento por su funcionamiento tienen mayor inmunidad al ruido, y por esto es el que se emplea para la realización de las compuertas lógicas.

Existen dos tipos de estructuras de los MOS FET: De enriquecimiento Canal N y de enriquecimiento Canal P. Para juntos tipos de transistores existe una tensión definida graduador surtidor VGS ( el surtidor corresponde al emisor ) para el cual el FET comienza a conducir, este voltaje es conocido como tensión de umbral VT.

FET Canal N: Para su fabricación primero se forma un sustrato tipo P, figura A, y se difunden en este sustrato dos regiones separadas de baja resistencia ( alta contaminación ) tipo N, figura B.

Sustrato P

Figura A

Sustrato P

Figura B

nn

SurtidorS

DrenadorD

Luego, la superficie se cubre con una capa aislante de óxido SiO2 que tiene un espesor aproximado de 10-15 cm, figura C.

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LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR CANAL N 79

Se realizan orificios sobre el óxido y se hacen dos contactos de metal ( aluminio ) sobre las zonas de material tipo N, se coloca una pieza delgada de metal llamada la compuerta o graduador sobre lo que será el canal, figura D. [ ] [ ]

Sustrato P

Figura C

nn

Si O2

B Sustrato P

Figura D

nn

B

Si O2

AlS D

Graduador

Sin voltaje aplicado, la anterior estructura forma dos diodos, en oposición y si tratamos de forzar el paso de corriente de drenaje al surtidor, la unión np seguida por una unión pn no permitirá el flujo de electrones en ninguna dirección.

DSn np p

El símbolo esquemático de esta estructura es:

D

B

SG

Canal N

El graduador se utiliza para originar el paso de corriente de drenador a surtidor de la siguiente manera:

El área de metal del graduador, en unión con la capa aislante de óxido y el semiconductor forman un condensador; donde el graduador sería la placa superior, el sustrato tipo P la placa inferior y el óxido sería el dieléctrico.

Si se aplica una tensión positiva al graduador se inducen cargas negativas en el lado del semiconductor, ya que al cargarse positivamente el metal, se generan líneas de fuerza que forman una carga de signo contrario en el semiconductor.

A medida que aumenta la carga positiva en el graduador, aumenta también la carga negativa inducida en el semiconductor, hasta que se alcanza la tensión de umbral y la región cercana al graduador se convierte en un semiconductor tipo N.

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80 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

++++

Sustrato P

nn

B

Si O2

AlS D

Graduador

Canal N

Si se aplica una tensión positiva al drenador D con respecto al surtidor S circulará una corriente de drenador a surtidor a través de este canal inducido.

El FET MOS se encuentra en saturación cuando circula por el canal toda la corriente de drenador que éste es capaz de conducir para una tensión de graduador dada. La curva característica de los MOSFET Canal N es:

ID, mA

5

10152025

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15VDS,V

VGS = 15 V

10 V

5 V

No saturado saturado

Donde: ID → Corriente de DrenadorVGS → Tensión Graduador-SurtidorVDS → Tensión Drenador-Surtidor

Obsérvese, por ejemplo, para VGS = 10 V, la corriente de drenador aumenta casi linealmente al aumentar la tensión de drenador surtidor VDS. A los 12 mA de corriente de drenador, el canal se satura y la curva se hace plana. El sustrato B debe conectarse al potencial más negativo del circuito.

FET Canal P: La estructura y el símbolo esquemático del MOSFET Canal P es como sigue:

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LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR CANAL N 81

Sustrato P

pp

B

Si O2

AlS D

G

Canal P

pp

Sustrato N

D

B

SG

Canal P

El Canal P se induce aplicando un voltaje negativo al graduador, es decir, enriqueciendo el canal con cargas positivas inducidas.La curva del Canal P se muestra en la siguiente figura:

ID, mA

- 5- 10- 15 0

- 2,5

- 5- 7,5- 10- 12,5

VDS,V

VGS = - 15 V

- 10 V

- 5 V

No saturado

saturado

Obsérvese, que para una VGS = - 10 V y ID = -7 mA el transistor se satura.

El sustrato del FET Canal P debe conectarse al potencial más positivo del circuito.

Características de los FETMOS: En la zona de saturación los FETMOS, tanto Canal N como P, se comportan como fuentes de corriente constante ya que la corriente de drenador es constante e independiente de la tensión VDS.

Cuando no están saturados, se comportan como resistores debido a que la curva característica V - I es una línea recta. Por esto, conectando el graduador a una tensión fija puede usarse como resistencia de carga.

La impedancia de salida ( drenador-surtidor ) es del orden de los KΩ. La impedancia de entrada, por ser capacitiva es muy alta aproximadamente 1014 Ω .

Los FET Canal N pueden operar 2,5 veces más rápido debido a que los electrones se desplazan más rápido que las cargas positivas ( huecos ).

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Page 82: Pestaña de Internet Explorer

82 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

La tensión de umbral VT de un Canal P es alrededor de 2 V, mientras que en los N es aproximadamente de 1 V. El Canal N comienza a conducir cuando:

VG ≥ VS + VT

El canal P conduce cuando:

VG ≤ VS - VT

La tensión de umbral disminuye 2 mW por cada grado centígrado de aumento, por esto VT, se dice, es poco sensible a los cambios de temperatura.

Las ventajas de utilizar FETMOS son:Menor tamaño, menor consumo de energía, facilidad y economía de fabricación y elevada impedancia de entrada.

Sus desventajas son:Menor velocidad y susceptibilidad a la rotura del óxido por efecto de campos eléctricos fuertes.

7.2. COMPUERTA NOT CON NMOS:

D

B

S

D

B

S

+12 V

X

T1

Y 1X Y

NOT

X Y NB NA NA NB

T1 trabaja como una resistencia debido a que su graduador está conectado aun voltaje constante, siendo esta una de las ventajas de utilizar FETs, ya que no es necesario la realización de resistencias en forma integrada.

Si en la entrada X tenemos un NB ( entre 0 y 1 V ), entonces T2 no conducirá y la salida estará a través de T1 a un NA ( aproximadamente 12 V ).

T2 ha sido diseñado de tal forma que cuando en la entrada haya un NA ( entre 1,5 V y 12 V ), entonces se induzca el canal N en el transistor T2 y éste comience a

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LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR CANAL N 83

conducir colocando la salida a tierra, o sea, a NB. La compuerta así obtenida es una NOT.

7.3. COMPUERTA OR-NOT CON NMOS

D

B

S

D

B

S

+12 V

B

T4

Y

D

BS

D

BS

T1 T2 T3A C

A B C YNB NB NB NANB NB NA NBNB NA NB NB . . . . . . . . . . . .NA NA NA NB

Si cualquiera de las entradas A, B o C está(n) en NA, el (los) transistor(es) correspondiente(s) conducirá(n) y la salida estará prácticamente a tierra NB (máximo a 0,8 V ).

Solamente cuando las tres entradas estén en NB, T1, T2 y T3 no conducirán y la salida estará mínimo a +10 V, o sea, un NA.

7.4. COMPUERTA AND-NOT CON NMOS

En la siguiente figura se muestra el circuito de la compuerta AND-NOT lógica positiva realizada con NMOS:

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Page 84: Pestaña de Internet Explorer

84 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

D

B

S

D

B

S

+12 V

A

T4

T1

D

B

S

B T2

D

B

S

C T3

Y

En la actualidad NMOS se emplea para realizar C.I. LSI y VLSI como: Memorias RAM, microprocesadores, microcontroladores, etc.

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LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR COMPLEMENTARIA 85

8. LOGICA METAL-OXIDO SEMI-CONDUCTOR COMPLEMENTARIA CMOS

8.1. SERIES Y SUBFAMILIAS CMOS

Los C.I. fabricados con tecnologías CMOS se agrupan en las siguientes subfamilias: [ ] [ ]

• CMOS estándar.• CMOS de Alta Velocidad HC.• CMOS Alta Velocidad compatible con TTL HCT.• CMOS equivalente a TTL C.

CMOS estándar: Comprende principalmente los dispositivos que se designan como 40xx ( 4012, 4029, etc. ) y 45xx ( 4528, 4553, etc. ). Existen dos series dentro de los dispositivos estándar designados como la serie A y la serie B.

No todos los dispositivos de la serie A traen el sufijo en su denominación, por ejemplo: 4011A, 4020, 4028A, etc. Los de la serie B siempre llevan el sufijo, por ejemplo: 4029B, 4069B, etc.

La diferencia entre las series radica en que los CMOS B contienen una circuitería interna de protección que reduce el riesgo de daño del dispositivo por el fenómeno de descarga electroestática. Además los B tienen frecuencias de operación más altas, tiempos de propagación mas cortos y mayor capacidad de salida ( fan-out ).

Las características generales más importantes de los CMOS son:

• Baja velocidad de operación. Pueden operar a frecuencias hasta de 10 MHz con tiempos de propagación hasta de 60 nS por compuerta.

• Amplias márgenes de tensión de alimentación. Los de la serie A trabajan con tensiones de alimentación entre +3 y +15 V y los de la serie B entre +3 y +18 V. Debido a estos amplios rangos se pueden usar fuentes de alimentación no reguladas.

• Niveles de voltaje desde 0 V hasta 0,3 VDD para el NB, y de 0,7 VDD a VDD

para el NA. Por ejemplo, para un VDD de 10 V, el NA estaría entre 7 y 10V y el NB entre 0 y 3V.

• Alta inmunidad al ruido.

CMOS equivalente a TTL: Comprende los dispositivos designados como 74Cxx y 74Cxxx. Son pin por pin y función por función equivalentes a los dispositivos TTL correspondientes, en especial a los 74L. Conservan todas las características

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86 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

comunes a los CMOS estándares: Baja disipación de potencia, amplios márgenes de voltaje ( como la serie B ), alta inmunidad al ruido, etc.Es un 50% mas rápido que las series 40 y 45, pero disipan un 50% más de potencia.

CMOS alta velocidad: Comprende los dispositivos designados como 74HCxx y 74HCxxx. Tienen las mismas características de entrada de los CMOS estándares y son pin por pin compatibles con los dispositivos TTL LS correspondientes.Emplea fuente de alimentación entre 2 y 6 V.La serie HC ofrece velocidades de operación comparables a los de la serie 74LS y superiores a los de las series 40, 45 y 74C. En los demás aspectos siguen siendo similares a los 40 y 45, igual que sensibles al daño por electricidad estática.

CMOS de alta velocidad compatible con TTL: Comprende los dispositivos designados como 74HCTxx y 74HCTxxx. Poseen las mismas características de los HC, excepto que sus entradas son compatibles con los niveles lógicos de TTL. Tienen la misma configuración de pines de los 74LS. Operan a partir de una fuente de 5 V.

8.2. NIVELES LOGICOS Y PROTECCION CONTRA EL RUIDO

VOH = VDD - 0,01 VDD ≈ VDD

VOL = 0,01 V ≈ 0 VVIH = 0,7 x VDD

VIL = 0,3 x VDD

Donde VDD es el valor de la fuente de alimentación conectada entre los pines VDD y VSS. Este último correspondería al pin GND de los TTL.

Obsérvese que el voltaje mínimo del nivel alto de salida es prácticamente igual al valor de la fuente. De la misma forma el voltaje máximo de nivel bajo de salida es casi igual a 0 V.

En el siguiente gráfico se ilustra la inmunidad al ruido: [ ]

Como se puede observar del gráfico, para un voltaje de alimentación VDD de 10V CMOS estándar tiene una inmunidad cercana a los 3 V tanto para el NA como para el NB.

La protección contra el ruido de los CMOS es muy superior a la de los TTL, esto los hace excelentes para aplicaciones industriales donde son comunes los altos niveles de ruido. Al hacer mas alto VDD, también aumenta la zona de inmunidad al ruido.

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Page 87: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR COMPLEMENTARIA 87

15 V

10 V

7 V

3 V

0 V3 V 5 V 15 V10 V

VDD

Protección contra Ruido NA

70% VDD = VIH

VDD -- 0.01 = VOH

Protección contra Ruido NB

30% VDD = VIL

0.01 V = VOL

8.3. COMPUERTA NOT

Los circuitos CMOS utilizan los dos tipos de FETs para realizar las compuertas lógicas. Los graduadores de los FETs se unen para formar la entrada y los dos drenajes forman la salida: [ ]

DB

S

D

BS

VDD = 10 V

X

P

Y 1X Y

NOT

X Y NB NA NA NB

N

G

VSS = 0 V

Si aplicamos un NB (0 V ) a X , el transistor canal N estará bloqueado porque VGS

es inferior a VT. En cambio el canal P está conduciendo porque su graduador es más negativo que VT. La salida estará unida a VDD a través del canal P. Un FET MOS en conducción presenta una caída aproximada de 0,01 V entre drenador y surtidor, es decir la salida estará prácticamente a 10 V.

Canal N: 0 V ≥ 0 V + 1 V No conduce.Canal P: 0V ≤ 10 V - 2 V Conduce.

Cuando la entrada está en NA (10 V ) el canal N conduce porque VGS es mayor que VT. El canal P estará bloqueado porque VGS es menor que VT. Por tanto la

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Page 88: Pestaña de Internet Explorer

88 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

salida se encuentra a tierra ( VSS ) y estará en NB. Este NB debido de a la caída de drenador a surtidor será de 0,01 V.

Canal N: 10 V ≥ 0 V + 1 V Conduce.Canal P: 10V ≤ 10 V - 2 V No conduce

8.4. COMPUERTA OR-NOT

Si hay por lo menos un NA en las entradas, entonces el canal P conectado a ésta(s) se bloqueará y el N conducirá, de ésta forma la salida quedará conectada a tierra y tendremos un NB (Observar la figura siguiente). [ ]

Solamente si las dos entradas están en NB los transistores canal N se bloquearán y los canal P conducirán conectando la salida a VDD.El anterior circuito pertenece al 4001B de Motorola (14001) y realiza para la lógica positiva una compuerta NOR.

Los diodos D1 y D2 constituyen uno de los métodos usados para proteger a los CMOS de las descargas eléctricas.

D

B

S

D

B

S

VDD

T1

Y

VSS = 0 V

T2

D2 D1

A

B

D

B

S

D

B

S

T3T4

A B Y NB NB NA NB NA NB NA NB NB NA NA NB

8.5. COMPUERTA AND-NOT

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Page 89: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR COMPLEMENTARIA 89

VSS = 0 V

D

B

S

D

B

S

T2

T1

VDD

Y

D

B

S

D

B

ST4

T3

D1

D2 A

B

A B Y NB NB NA NB NA NA NA NB NA NA NA NB

8.6. CARACTERISTICAS DE LOS CMOS [ ] [ ]

A. Corriente de corto circuito de salida: El corto circuito de salida de un MOS a VDD o a VSS puede hacer que la disipación exceda el límite de seguridad de 200 mW en algunos elementos de alta corriente como el 4007.Las salidas de los dispositivos pueden conectarsen directamente a VDD o VSS

siempre y cuando: VDD - VSS ≤ 5 V

B. Fuentes de alimentación y picos de corriente: Ya habíamos dicho que los CMOS estándar podían funcionar con fuentes de alimentación para la serie A entre 3 y 15 V y para la serie B entre 3 y 18 V, conectada entre los pines VDD y VSS.

En realidad no importa los valores de voltajes que empleemos, siempre y cuando VDD sea mas positivo que VSS y que la diferencia de potencial esté entre 3 y 15 o 3 y 18 V según sea la serie.

Debido a éstas amplias márgenes y a la baja disipación de potencia los CMOS pueden utilizar fuentes de voltajes no reguladas y baterías. Por esto es la tecnología empleada para la realización de calculadores, relojes, y demás instrumentos portátiles.

Los picos de corriente se producen durante la conmutación debido a que juntos transistores, el N y el P se encuentran conduciendo durante un breve instante en la transición entre los niveles lógicos.

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90 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Para frecuencias altas de conmutación hay que emplear condensadores de desacoplo. En la práctica se instala uno por cada C.I. de 0,01 µF lo más cerca posible a los pines de alimentación.

C. Disipación de potencia: En régimen estático ( no conmutación ) la disipación de potencia es muy baja debido a que las entradas CMOS son en realidad un condensador. Una vez cargado o descargado las entradas solo permiten una mínima corriente de fuga. [ ]

Para el caso del 14001 esta corriente es igual a 5 nA con VDD = 5 V. La disipación de potencia del 14001 en éstas condiciones ( régimen estático ) solo es de 25 nW por C.I.

En la medida que aumenta la frecuencia, la disipación dinámica PD ( en conmutación ) va predominando como se muestra en el siguiente gráfico:

Temperatura Ambiente (TA) = 25 ºC

1

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

10 210 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8

Frecuencia de entrada ( f ) , Hz

10

VDD = 15 V

10 V 5 V

5 V 3,5 V

Capacitancia de cargaCL = 50 pFCL = 15 pF

Cuando la frecuencia se hace superior a 1 MHz predomina la disipación dinámica.Esta disipación es debida a la carga y descarga de la capacidad externa de carga CL ( entradas CMOS por ejemplo ) y de la capacidad interna del circuito.

La disipación en régimen dinámico se calcula de la siguiente forma:

PD = V x I = V x Q/T, pero Q = V x CL y f = 1/T

entonces: PD = CL x V2 x f por integrado. Donde:CL - número total de Entradas conectadas al integrado.

Por ejemplo, si VDD = 5 V, CL = 10 pF y f = 10 MHz, entonces PD = 2,5 mW.

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LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR COMPLEMENTARIA 91

D. Impedancias: La impedancia de entrada en cualquier estado es aproximadamente de 1012 Ω en valor típico. La capacidad de cada entrada es de 5 pF. Las impedancias de salida varían de un dispositivo a otro, normalmente son iguales en juntos estados y de 1 KΩ o menos.

E. Tiempos de propagación: Debido a la alta impedancia de salida éstos tiempos son largos. Para el 14001 tPLH = tPHL = 60 nS con VDD = 5 V y 15 nS con VDD

= 10 V y una carga de 15 pF para juntos casos.

Al aumentar la tensión de alimentación aumenta la velocidad de conmutación, debido a que las salidas cargarán más rápido los condensadores de las entradas haciendo más rápidas las conmutaciones.

La aparición de dispositivos CMOS sobre sustrato de zafiro SOS ha aumentado la frecuencia de funcionamiento hasta 30 MHz. La frecuencia de operación máxima se haya de la misma forma que para los dispositivos TTL.

8.7. CURVAS DE TRANSFERENCIA

Temperatura Ambiente, TA

VENTR, V

0 2 4 6 8 10 12 14 16

2

4

6

8

10

12

14

16 VDD = 15 V

VDD = 10 V

VDD = 5 V

ab

ab

ab

a TA = +125 ºCb TA = - 55 ºC

Nótese que en la región de transición las curvas son prácticamente verticales, esto redunda en una alta inmunidad al ruido debido a que no se pierde un rango largo de valores de voltaje para la conmutación.

8.8. COMPUERTAS Y ENTRADAS NO UTILIZADAS

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92 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Todas las entradas no utilizadas, incluyendo las de las compuertas sobrantes, deben ser llevadas a VDD o VSS según convenga desde el punto de vista lógico.Debido a la alta impedancia de las entradas no se garantiza ningún nivel lógico en aquellas que se dejen “ flotando “ ( sin conexión eléctrica ). En ellas pueden aparecer voltajes altos que inducen ruido y no permitirán el funcionamiento normal del dispositivo.

8.9. EFECTO DE CARGA Y FAN-OUT

Debido a que las entradas CMOS son en realidad un condensador, en régimen estático ( no conmutaciones ) ellas solo permiten una pequeña corriente de fuga igual a 0,01 nA tanto para el NA, como para el NB. Para efectos prácticos se toma 1 µA. [ ] [ ]Por esto el fan-out de los CMOS no está limitado por la capacidad de corriente de salida, sino por el deterioro de los tiempos de conmutación.

D

S

D

S

VDD

X

G

VSS

Y

IOH = 0

NA

NB

IOL = 0

IIL = 0

IIH = 0

IIH = 0

IIL = 0

Régimen Estático

En régimen dinámico ( en conmutación ) la carga y descarga de los condensadores de entrada requiere de tiempos relativamente largos debido a la alta impedancia de salida que reduce las corrientes de carga y descarga. Observar la siguiente gráfica.

Cada entrada CMOS representa una capacitancia típica de 5 pF que al conectarsen a una salida quedan en paralelo (por esto el valor de CL final para una Salida es la suma de la capacitancia de cada Entrada conectada a Ella), aumentando de ésta forma los tiempos de conmutación. Esto se debe a que el producto RC se hace mayor.

Por ejemplo, para el 14001 los retardos de propagación se hallan según la siguiente fórmula tomada del Manual de C.I. CMOS de Motorola:

con VDD = 5 V: tPLH = tPHL = 1.8 nS/pF x CL + 33 nS

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LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR COMPLEMENTARIA 93

con VDD = 10 V: tPLH = tPHL = 0.73 nS/pF x CL + 14 nS

con VDD = 15 V: tPLH = tPHL = 0.6 nS/pF x CL + 10 nS

Donde: CL → Valor de la capacitancia de carga.

D

S

D

S

VDD

X

G

VSS

Y

Régimen Dinámico

ICARGA

IDESCARGA

NB NA

NA NB

Teóricamente se ha tomado un fan-out de 50, que tiene carácter más comparativo que práctico. En la realidad la cargabilidad de salida se determina de acuerdo a la frecuencia a la cual vaya a trabajar el diseño.

En general, los CMOS son 10 veces más sensibles a las cargas capacitivas que los elementos TTL por cuanto su impedancia de salida es aproximadamente 10 veces mayor.

8.10. COMPUERTAS CON TERCER ESTADO

Si en G tenemos un NB (observar el siguiente gráfico), entonces se crea el canal P en T1 y éste conducirá. El nivel aplicado a G se invierte y llega al graduador de T4 un NA, que crea el canal N necesario para que éste conduzca.Como T1 y T4 conducen, el valor de voltaje en la salida depende de la entrada X.

Si en G tenemos un NA tanto T1 como T4 se bloquearán y sin importar el estado de la entrada A en la salida tenemos un tercer estado o estado de alta impedancia.La compuerta NOT utilizada en el circuito también es realizada con CMOS.

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94 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

D

B

S

D

B

S

VDD

X Y

T3

VSS

D

B

S

D

B

S

T1

T4

T2

1G

G X Y NB NB NANB NA N BNA NB XXNA NA XX

1X

G

Y

Simbolo Lógico

8.11. BUFFERES Y COMPUERTAS SCHMITT TRIGGERS

Schmitt Triggers: Para las series 40, 45 y 74C con una tensión de alimentación de 9 V los umbrales de conmutación tienen los siguientes valores:

• Umbral para ir al NA VTH : 5,8 V• Umbral para ir al NB VTL : 3,8 V

Ejemplos de compuertas Schmitt Triggers son: 4093B, 40106, 74C14, etc.

Los bufferes son compuertas con mayor manejo de corriente. Ejemplos son : 4049B, 4050B, ..... estos dispositivos presentan las siguientes características:

VDD 5 V 15 VIOH, mA 2,5 10IOL, mA 6 40

8.12. CARACTERISTICAS DE LAS SUBFAMILIAS CMOS

Los valores de voltaje para los niveles lógicos se muestran en el siguiente gráfico. Los dispositivos de la serie 74HC operan con tensiones de 2 a 6 V y los rangos de voltaje para el NA y el NB se definen en forma similar a las series 40 y 74C. Las series 40 tipo B y 74C operan con fuente de alimentación entre 3 y 18V.

SUBFAM. VDD VIH VIL VOH VOL

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LOGICA METAL - OXIDO - SEMICONDUCTOR COMPLEMENTARIA 95

40B, 74C 10 7,0 3,0 9,95 0,0574HC 5 3,5 1,0 4,9 0,174HCT 5 2,0 0,8 4,3 0,3Todos los valores se encuentran en voltios.

Los dispositivos de la serie 74HCT operan a partir de una fuente de 5 V. Los NA y NB de entrada de esta subfamilia se definen de la misma manera que para TTL, y los NA y NB de salida son similares a los de las demás dispositivos CMOS.

La aplicación más importante de los HCT es proporcionar una interface directa entre los TTL y los CMOS.

Las características de corriente con VDD = 5 V son:

SUBFAM. IOH IIH IOL IIL

40, 74C 400 µA 1 µA 400 µA 1 µA74HC 4 mA 1 µA 4 mA 1 µA

Descargas electromagnéticas: La serie B contiene circuitería de protección contra las descargas electromagnéticas. Esta circuitería está compuesta esencialmente por redes de diodos.

El fenómeno de las descargas electromagnéticas consiste en la creación de altos voltajes en las superficies de los materiales aislantes por efecto de fricción o frotamiento.

La sensibilidad de los MOS a este fenómeno se debe a la alta impedancia de entrada que los caracteriza.Esta alta impedancia permite que se desarrollen voltajes elevado, capaces de destruir la delgada capa de óxido aislante de los graduadores.

La idea básica para proteger éstos dispositivos es mantener los pines a un mismo potencial y evitar la manipulación más de lo necesario. Los MOS vienen, generalmente, en espumas y fundas antiestáticas o espumas recubiertas de papel aluminio.

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Page 96: Pestaña de Internet Explorer

96 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

9. LOGICA ACOPLADA POR EMISOR Y DE INYECCION INTEGRADA

9.1. LOGICA ACOPLADA POR EMISOR

Posee otros nombres tales como Lógica en Modo de Corriente ( CML ), Lógica de Control de Corriente ( CSL ) y Lógica no saturada.

Emplea para su realización transistores bipolares que trabajan solamente en región activa y de corte, evitando la saturación y haciendo, de ésta forma, más rápidas las conmutaciones debido a que no se presentan los retardos por almacenamiento de carga.

La lógica ECL es la más rápida de las disponibles actualmente, alcanzando tiempos de conmutación de menos de 1 nS por compuerta, sin embargo la ECL no se ha acreditado popularmente como la TTL o la CMOS debido a que es más costosa, más difícil de enfriar e interconectar, además siempre se ha considerado que tiene menos inmunidad al ruido.

Se han desarrollado varias generaciones de ECL, llegando a ser más rápidos con cada generación, pero aumentando el consumo de energía. La primeras generaciones requerían de tres voltajes para su funcionamiento.

Esta lógica utiliza una fuente de alimentación típica de:

VEE - VCC = -5,25 V

Siendo normalmente VCC el terminal a tierra ( 0 V ).

Los niveles lógicos son aproximadamente:

VH = -0,9 V VL = -1,75 V

En contraste con los TTL y los CMOS estos dispositivos utilizan tensiones negativas.

El principal productor de ECL es Motorola, aunque existen otros fabricantes importantes como Fairchild. La siguiente tabla hace un resumen general, con las características más importantes de las series 10000, 100000, MECL III.

10 K 100 K MECL IIITiempos de propagaciónpor compuerta, nS. 2 0,75 1Velocidad de conm. para el flip-flop D, MHz. 125 500 500Disipación de potencia por compuerta, mW. 25 65 60

LIGR

Page 97: Pestaña de Internet Explorer

LOGICA ACOPLADA POR EMISOR Y DE INYECCION INTEGRADA 97

Actualmente se utilizan para realizar dispositivos LSI y MSI de alta velocidad. El diseño y la interconexión de ellos es bastante complejo y requiere de un estudio muy detallado, ya que tan solo la longitud del cableado puede provocar problemas de sincronismo entre los dispositivos, sin hablar de la baja inmunidad al ruido.

9.2. LOGICA DE INYECCION INTEGRADA

La I2L representa un esfuerzo en la utilización de la tecnología bipolar para mantener los niveles de integración y consumo de potencia de los MOS conservando la alta velocidad de los transistores bipolares.

Comparados con los MOS, la tecnología bipolar permite mayor velocidad, pero requiere de resistencias, el tamaño del transistor es mayor y ocupa más espacio en el semiconductor para su realización, además su disipación de potencia es alta.

Para solucionar éste problema se han realizado varios diseños tendientes a usar el mismo espacio de un transistor para dos o más elementos.

La I2L no está concebida para realizar interconexiones entre compuertas como por ejemplo TTL, pero se utiliza en grandes arreglos LSI y VLSI.

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Page 98: Pestaña de Internet Explorer

98 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

PARTE III SINCRONIZACION E INTERFACES

10. CIRCUITOS DE PULSOS

10.1. PULSOS

Existen dos tipos de dispositivos lógicos:

Aquellos en los cuales los estados lógicos de las salidas dependen exclusivamente de los estados en las entradas, es decir, ante determinada combinación en las entradas siempre habrá los mismos valores en las salidas. La lógica de este tipo de dispositivos no varía con el tiempo y recibe el nombre de lógica combinacional. Ejemplos de dispositivos combinacionales son: Los codificadores, decodificadores, multiplexores, etc., que serán estudiados en cursos más avanzados.

Y aquellos donde el estado de las salidas no solo dependen del estado de sus entradas, sino que además dependen de los estados anteriores. La lógica de este tipo de dispositivos varía con el tiempo y por esto recibe el nombre de lógica secuencial. Ejemplos de este tipo de dispositivos son: Flip-flops, contadores, registros, autómatas, microprocesadores, etc., que también serán estudiados más adelante.

Los dispositivos secuenciales para su funcionamiento necesitan de una señal que les permita la sincronización y cambio de estado a su debido tiempo en las salidas. Esta señal recibe el nombre de señal de pulsos.

Un pulso es una señal que realiza una transición de un estado al otro y regresa al estado inicial después de cierto tiempo.

NA

NBNB

V

Pulso activo en alto

Flanco de bajada NA NA

NB

Pulso activo en bajo

Si los cambios se producen en forma continua entonces recibe el nombre de tren de pulsos. Al instante en que la señal pasa de NA a NB se le conoce como flanco de bajada y al caso contrario ( NB a NA ) como flanco de subida.

A los dispositivos generadores de pulsos se le llama multivibradores. Existen cuatro tipos: Los semi-monoestables o multivibradores de flancos, los monoestables o one-shot, los astables o relojes y los osciladores controlados por voltaje. En este curso solo estudiaremos los monoestables y los astables. Información concerniente a los

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Page 99: Pestaña de Internet Explorer

CIRCUITOS DE PULSOS 99

semi-monoestables y a los osciladores controlados por voltaje se puede obtener de las revistas de electrónica digital de la CEKIT.

10.2. CARACTERISTICAS DE LOS PULSOS

Debido a que los dispositivos digitales reales no cambian de estado en tiempo igual a cero, se hace imposible obtener señales lógicas ideales. Por esto los pulsos tienen en realidad la siguiente forma:

V

t

90 %

10 %

ts tb

Donde: tS → tiempo de subidatb → tiempo de bajada

Las características de los pulsos son:

A. Frecuencia, f: Indica la cantidad de veces que se repite la onda básica en la unidad de tiempo.

B. Periodo, T: Es el tiempo que dura un ciclo de la onda.C. Ciclo útil, D: Se expresa en porcentaje y es la relación entre el ancho del pulso y

el periodo.

D = Ancho de pulso

T 100∗

D. Amplitud, V: Es el valor de voltaje que toma la onda en NA.

10.3. MULTIVIBRADORES ASTABLES

Es un dispositivo que tiene dos estados en la salida ( NA y NB ) no estables. La salida oscila contantemente de nivel a nivel a una determinada frecuencia, produciendo aproximadamente una onda cuadrada ( ciclo útil de 50% ).

Los astables en C.I. están disponibles en ECL, CMOS y TTL. Ejemplos de ellos son el 555, 7555, 4047, 4060, etc.

El símbolo lógico es:

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Page 100: Pestaña de Internet Explorer

100 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

G

Los multivibradores astables reciben también el nombre de relojes. Ellos pueden ser realizados además con compuertas lógicas, con cristales de cuarzo, o implementados con otros métodos.

El C.I. 555 se emplea muy frecuentemente en los diseños debido a su alta estabilidad, bajo costo y facilidad de adquisición en el mercado, por esto lo estudiaremos detenidamente cuando funciona como astable y como monoestable.

Las características eléctricas del LM555 de National Semiconductor son:

• Rango de voltaje de alimentación: entre 4,5 a 18 V• Máxima disipación de potencia: 760 mW• Consumo de corriente sin carga y V = 5 V: 3 a 5 mA• VOL = 0,25 V con V = 5 V• VOH = 3 V con V = 5 V• Máxima corriente de salida. 200 mA

La distribución de pines y bloques del 555 es la siguiente:

Ra

+ V

C1

Rb

THR

CNT

C2 TRG

Rc

DSC

GND

RS

R Q

S Q

RST

B1 OUT

RST

1

4

3

2

7

5

6

8

T1

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Page 101: Pestaña de Internet Explorer

CIRCUITOS DE PULSOS 101

Internamente el 555 se compone de los siguientes elementos: Dos comparadores C1 y C2, un flip-flop RS, un buffer B1, un transistor T1 y tres resistencias Ra, Rb y Rc.

Para que el 555 trabaje como astable es necesario agregar un RC externo que permita este funcionamiento, como se muestra en el siguiente esquema:

Ra

+ V

C1

Rb

C2

Rc

RS

R Q

S Q

RST

B1 OUT

1

4

3

2

7

5

6

8

T1

+ V

R1

R2

C

El tiempo de carga se evalúa según:

Tc = 0,693 ( R1 + R2 ) C

El proceso de descarga se realiza a través solo de R2 y durante este tiempo la salida Q permanece en NB.

Td = 0,693 x R2 x C

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Page 102: Pestaña de Internet Explorer

102 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Tc VSALIDA

Vc 2/3 de +V

1/3 de +V

T = Tc + Td f = 1 / T

10.4. MULTIVIBRADORES MONOESTABLES

Un monoestable o one-shot genera un pulso de salida de corta duración en respuesta al flanco de subida o de bajada de una señal de disparo aplicada a la entrada. Los multivibradores monoestables también son conocidos como temporizadores.

Igual que los astables, necesitan un circuito RC para su funcionamiento. Existen dos tipos de monoestables: No redisparables y redisparables.

El funcionamiento de ellos es el mismo, fu diferencia consiste en la forma en que se comportan ante un nuevo flanco de disparo en su entrada.

Los no redisparables una vez activados, y mientras estén en ese estado, no reaccionan a nuevos flancos de disparo en su entrada. Los redisparables inician un nuevo ciclo cada vez que aparece una nueva señal de activación, sin importar el estado en que se encuentre.

Pueden ser realizados con compuertas lógicas y con C.I. especializados. Entre los C.I. más utilizados están:

No redisparables: 74121, 74221, 74C221.Redisparables: 74122, 74123, 9601, 4098, 4047, 4528.

Para que el 555 trabaje en régimen monoestable se requiere adicionar un RC externo que se muestra en la siguiente figura:

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Page 103: Pestaña de Internet Explorer

CIRCUITOS DE PULSOS 103

Ra

+ V

C1

Rb

C2

Rc

RS

R Q

S Q

RST

B1 OUT

1

4

3

2

7

5

6

8

T1 C

+ V

R1 R2

S

El tiempo que tarda el monoestable en regresar a su estado inicial se calcula según la siguiente fórmula:

T = 1,1 x R1 x C

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Page 104: Pestaña de Internet Explorer

104 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

11. INTERFACES

Se entiende por interface la conexión correcta de dos dispositivos no compatibles entre sí. Si estos dispositivos tienen naturaleza electrónica, entonces una interface entre ellos hará compatibles sus voltajes y corrientes de entrada y de salida.

En general las interfaces se dividen en lógicas y reales. Las primeras se refieren a aquellos circuitos necesarios para poder hacer conexiones entre C.I. con dispositivos tipo interruptores, LEDs, displays, relevadores, zumbadores, sensores, etc.

11.1. INTERFACES ENTRE FAMILIAS LOGICAS

A. TTL a CMOS con fuente de 5 V: En este caso deben hacerse compatibles solo los niveles lógicos, esto se logra conectando una resistencia entre +5 V y la salida TTL. Ejemplo:

1

TTLestándar

1 CMOS40B, 74C

5 V

Vcc VDDR 1 K Ω

GND, V

R = 330 Ω ... 15 KΩ

Para interfasar TTL LS con CMOS la resistencia R varía entre 1,2 KΩ y 15 KΩ, siendo típicamente igual a 2,2 KΩ.

Otra forma es utilizando una compuerta de alta velocidad 74HCT, que han sido diseñadas con este fin. Las entradas de los dispositivos HCT tienen los mismos niveles de voltaje de salida de los TTL y los mismos de salida de los CMOS. Ejemplo:

1 1 1

5 VVDD VDDVcc

CMOS40B, 74C

74HCT34

TTL74, 74LS

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Page 105: Pestaña de Internet Explorer

INTERFACES 105

B. TTL a CMOS con voltaje de alimentación diferente: Se puede emplear un dispositivo TTL de colector abierto de alto voltaje, o también, puede ser un transistor en configuración de emisor común.

1 1 1

5 V

VDD VDDVccCMOS

40B, 74C

7406

TTL74, 74LS

9 V

10 K Ω

Con transistor:

1

TTL74, 74LS

5 V

1 K Ω

R1

1

CMOS40B, 74C2N3904

9 V

R210 K Ω

El transistor y las resistencias R1 y R2 desplazan los niveles de voltaje de la salida TTL a los necesarios para la entrada CMOS.

C. CMOS a TTL con fuente de 5 V: Una salida CMOS ( 40, 74C ) puede operar directamente una entrada 74LS o 74L, ya que las corrientes requeridas son suministradas o recibidas por los CMOS.

Sin embargo se pueden emplear otros métodos más confiables para organizar estas interfaces. Debido a su bajo manejo de corriente las salidas CMOS no son capaces de manejar entradas TTL estándar 74S, 74H.Un método más eficiente consiste en utilizar los C.I. 4001B y 4002B controlan una entrada TTL estándar, esto quiere decir que la conexión se puede hacer en forma directa.

Los bufferes 4049 y 4050 pueden manejar en forma directa mínimo una entrada 74, una 74H, 14 74L, 7 74LS, 1 74S.

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Page 106: Pestaña de Internet Explorer

106 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Es necesario aclarar que en la práctica la capacidad de manejo de las salidas de los C.I. anteriores se debe determinar por las corrientes de salida y de entrada para los NA y NB de los dispositivos que se deseen interfasar.

D. CMOS a TTL con voltaje de alimentación diferente: Se puede realizar empleando un diodo:

1

CMOS40, 74C

9 V

1

5 V

68 K ΩTTL 74LS

1N270

El diodo bloquea el voltaje de la salida CMOS cuando este está en NA y R coloca la entrada TTL en NA.

La forma más empleada por su sencillez consiste en emplear los bufferes 4049 o 4050. Un ejemplo con el 4050 se puede observar en la siguiente figura:

Estos dispositivos en sus entradas pueden aceptar voltajes superiores a los de la alimentación. Como se puede ver e en el circuito el 4050 recibe voltajes de entrada hasta de 9 V y suministra entre 0 y 5 V en su salida.

1 1 1

5 V

TTL74, 74LS

4050

CMOS40, 74C

9 V

11.2. INTERFACES REALES

- Con diodos LEDs: Los diodos emisores de luz, LEDs, se utilizan ante todo con el fin de monitorear señales digitales o para transmitir información.

LED

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Page 107: Pestaña de Internet Explorer

INTERFACES 107

AnodoCátodoSímbolo Lógico

Para su conexión se deben tener en cuenta los siguientes parámetros suministrados por los fabricantes: VF Y IF.VF es la caída de voltaje entre los terminales del LED en PD y IF es la máxima corriente que puede circular por él en PD, conocida también como corriente nominal.

La cantidad de luz es proporcional a la corriente circulante, pero esta no puede exceder IF, por esto casi siempre se hace necesario conectarlos en serie con una resistencia limitadora. El valor de esta resistencia se halla según la siguiente fórmula:

( )R =

V - V

IS

CC F

F

Un valor mínimo de RS es 220 Ω y típico 1 KΩ. Ejemplos:

1

+5 V

CMOS

Figura A

1

+5 VCMOS

Figura B

Interface de LED con salidas CMOS y VDD = 5 V. En A el LED enciende cuando la salida está en NA, en el caso de B sucede lo contrario, es decir enciende cuando la salida está en NB.

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Page 108: Pestaña de Internet Explorer

108 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

1

+9 V

CMOS

Figura A

1 K Ω

1 K Ω

1

Figura B

+9 V

CMOS

Interface de LED con salida CMOS y fuente de alimentación de 9 V.

1

+5 V

TTL

Figura A

1 K Ω

1 K Ω

1

Figura B

+5 V

TTL

Interface de LED con salida TTL. En A el LED enciende cuando la salida está en NA, y en B cuando está en NB.

Si aparte de monitorear la salida se hace necesaria la conexión de esta a entradas de compuertas, entonces se debe aumentar el valor de R para limitar el consumo de corriente, o bien si no es posible, entonces emplear un transistor como amplificador. Ejemplo:

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Page 109: Pestaña de Internet Explorer

INTERFACES 109

1

+5 V

33 K Ω2N3904

CMOSo

TTL

Entr

220 Ω

Salida

Figura A

1

+5 V

33 K Ω2N3906

CMOSo

TTL

Entr

220 Ω

Salida

Figura A

En A el transistor NPN conduce cuando la entrada ( Entr ) está en NB. En este caso la salida estará en NB y la corriente circula de +5 V, por R, LED, base-emisor y a tierra. El LED encenderá. Cuando la entrada está en NA el transistor pasa a corte, por la salida circula una corriente de poca magnitud y el LED permanece apagado. En este momento habrá un NA en la salida.

En B el transistor PNP conduce cuando la entrada está en NA. En la salida tenemos entonces un NB y el LED encenderá.

- Displays 7 segmentos: Uno de los códigos más empleados para la visualización de cantidades numéricas es el BCD ( Binary Coded Decimal - Codificación Binaria de Decimales ). Este código asigna a cada dígito decimal una combinación binaria de 4 cifras.

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Page 110: Pestaña de Internet Explorer

110 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Binario Decimal0000 00001 10010 2 . . . . 1001 9

Para la entrada de este tipo de información se emplea generalmente un codificador de 10/4, también conocido como DEC/BCD, debido a que convierte de decimal a BCD.

DEC / BCD D C B A

5 K Ω

+5 V

0

. . . 1

. . . 2

. . . 3

. . . 4

. . . 9

.

.

.

Para la visualización se emplean displays 7 segmentos controlados por decodificadores BCD/7-segmentos.

BCD / 7 D a C b B c A d e f g

d

f b

g

e c d

Display 7- segmentos

Existen dos tipos de displays 7-segmentos: Los realizados con diodos LEDs y los realizados con cristal líquido LCD.

Los fabricados con LEDs pueden ser de dos tipos: ánodo común o de cátodo común, como se muestra en la siguiente figura. Los displays de ánodo común requieren un decodificador con salidas en lógica inversa, es decir, un NB enciende el segmento conectado a ella.

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Page 111: Pestaña de Internet Explorer

INTERFACES 111

a

b

g

a

b

g

.

.

.

.

.

.

Cátodo Común

a

b

g

a

b

g

.

.

.

.

.

.

Anodo Común

Para interfasar este tipo de displays se deben tener en cuenta los mismos cuidados explicados para la conexión con LEDs.

Los displays LCD operan bajo un principio diferente al de los de LEDs. Cada segmento está construido de un fluido viscoso, que normalmente es transparente e invisible a la vista humana, pero que se opaca cuando se energiza mediante un voltaje de corriente alterna de poca magnitud y de baja frecuencia.El voltaje es, generalmente, una onda cuadrada de 3 a 15 V de amplitud y de 25 a 60 Hz. Se aplica entre el pin de acceso al segmento y el llamado backplane, que es el común a todos lo segmentos. Ejemplo:

=11

=11

=11

=11

=10

=10

=11

+9V

a

b

c

d

e

f

g

BP

30 HZ

10 K Ω

Existen otros tipos de presentadores visuales como las matrices de puntos, que también pueden ser realizados con LEDs o con cristal líquido LCD.

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Page 112: Pestaña de Internet Explorer

112 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

- Interruptores electromecánicos: Se encuentran en el mercado diferentes tipos de interruptores: Pulsadores, de 3 posiciones, deslizantes, de codillo, dipswitch, etc. Ejemplos:

1

+5 VS

R2

1

+5 V

S

R1CMOSTTL

R1

100 K

10 K

R2

100 K

330 Ω

Ω

Ω

Ω

Se pueden emplear tanto para CMOS como TTL.

Estos ejemplos son sencillos, pero son sensibles al fenómeno conocido como rebote. Debido a su funcionamiento mecánico los contactos de un interruptor rebotan varias veces antes de cerrarsen definitivamente, provocando una serie de pulsos que hacen que los circuitos oscilen durante un tiempo determinado.

Dispositivos tales como flip-flops, contadores, registros, etc. susceptibles a pulsos resultan afectados y su funcionamiento será errado debido al fenómeno de rebote. Para este tipo de dispositivos se deben organizar interruptores antirebote, como los expuestos a continuación:

&

+5 V

&

+5 V

S

10 K

10 K

Ω

Ω 7400

Salida1

+9 V

S

4,7 K

4093

100 K

0,1 uF

ΩΩ

En el caso que el interruptor a conectar sea un pulsador, entonces se puede emplear un 555 en configuración de monoestable. Existen una gran variedad de conexiones antirebote de interruptores de todos los tipos, para mayor información se pueden consultar el curso de Electrónica Digital de la Cekit.

- Lámparas y zumbadores de baja potencia: Las lámparas se emplean como elementos de iluminación y monitoreo en muchas aplicaciones como linternas, iluminación de mensajes en vehículos, aviones, electrodomésticos, etc. Para conectar este tipo de dispositivos se pueden emplear transistores de amplificación.

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Page 113: Pestaña de Internet Explorer

INTERFACES 113

1

1 K Ω2N3904

TTLo

CMOS

+5 V

5 V 50 mA

Los zumbadores se utilizan como anunciadores sonoros de bajo consumo. Tienen aplicación en relojes, alarmas, buscapersonas, etc. Absorben entre 3 y 5 mA cuando suena. Una salida TTL estándar puede manejar directamente un zumbador.Tienen polaridad, que debe respetarse para su normal funcionamiento.

1

2,2 K Ω2N3904

TTLo

CMOS

+5 V

1N4004

El diodo evita que los picos de voltaje generados por el zumbador se rieguen en forma de ruido y afecten la operación de los demás C.I. conectados a la misma fuente.

- Relevadores: Son dispositivos electromecánicos muy utilizados en control para activar o desactivar cargas. Los constituyen una bobina y varios contactos, unos normalmente abiertos NA y otros normalmente cerrados NC.

NC

Común

NA

Bobina

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Page 114: Pestaña de Internet Explorer

114 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Cuando se hace circular corriente por la bobina los contactos NA se cierran y los NC se abren. En el siguiente ejemplo se expone una forma de interfasar relevadores a salidas lógicas TTL o CMOS.

1

2,2 K Ω2N3904

TTLo

CMOS

+5 V

1N4004

Relé 5 V 500 Ω

NC

ComúnNA

Este circuito se puede emplear para relevadores que necesiten menos de 30 mA para energizar la bobina.

- Par optoacoplador y tiristor: El par optoacoplador y tiristor se utiliza para interfasar señales de baja potencia en circuitos de alta, ofreciendo un completo aislamiento eléctrico entre los dispositivos.

Los tiristores pueden considerarse interruptores de estado sólido con tres o más uniones PN. Los más empleados en control son los SCR y los triacs.

Los CSR, rectificador controlado de silicio, es un dispositivo de tres uniones semiconductoras.

N

P

N

P

Cátodo

Compuerta

G

Cátodo

Anodo

G

La función de la compuerta es controlar el inicio de la conducción en el SCR. Una vez aparece la corriente de ánodo a cátodo puede desactivarse la compuerta y el SCR continuará conduciendo. Los SCR se utilizan para controlar circuitos de corriente continua.

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Page 115: Pestaña de Internet Explorer

INTERFACES 115

Los triacs permiten conducir sin importar la polaridad del voltaje de carga en el circuito principal, y se mantienen en este estado mientras exista la corriente de graduador.La corriente de graduador puede ser positiva o negativa para activar el triac. Se emplean para controlar circuitos de corriente alterna.

P

N

P

P

Term. 1 Compuerta

Term. 2

NN

N

MT1

MT2

G

Compuerta

Un ejemplo de triac es el TIC263 para 25 A con tensiones entre 200 y 600 V ca. de Texas. Sus datos técnicos son:

VDR M: TIC263B = 200 VTIC263D = 400 VTIC 263E = 500 VTIC263M = 600 V

ITS M = 25 AIGTN = 50 mA corriente mínima para activar el triac.

TIC263

MT1

MT2

G

Los optoacopladores también son conocidos como optoaisladores o fotoacopladores. Se utilizan para acoplar señales de un circuito a otro por medio de un rayo de luz, proporcionando un completo aislamiento eléctrico entre ambos.Son compatibles con las compuertas lógicas, poseen el mismo tamaño de estas y son muy confiables. Ejemplos de optoacopladores son:

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Page 116: Pestaña de Internet Explorer

116 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Anodo

Cátodo

Colector

Emisor

Base

2N26

Salida con fototransistor

1

2

5

4

6

Anodo

Cátodo

Colector

Emisor

Base

2N26

Salida con fotodarlington

1

2

5

46

Anodo

Cátodo

1

2

6

4

MT1

MT2

MOC3010

Salida con fototriac

Los parámetros eléctricos de voltaje y corrientes se encuentran en las fichas técnicas de los manuales de elementos ópticos.

A continuación veremos algunos ejemplos de empleo del par optoacoplador tiristor.

1

2

5

4

6

24 V C C

4N262,2 K Ω

1

+5 V

TTL o CMOS

10 K Ω

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Page 117: Pestaña de Internet Explorer

INTERFACES 117

El optoacoplador convierte un voltaje de 0 V en un NA de 5 V, y un voltaje de 24 V cc en un NB de 0 V.

Base

4N331

+5 V

TTL o CMOS

35 uF

470Ω

56 K Ω

115 V

1N4004

Este circuito convierte 115 V ca a un NA de 5 V, y 0 V en un NB de 0 V. Se pueden utilizar para monitorear una línea de 115 V corriente alterna.

5 V

1

1 K Ω

TTLo

CMOS

MOC3010

220 Ω

TRIAC

G

0.01 uF

39 Ω2N6154

Rcarga

fusible

60 HZ

115 V

Rcarga puede ser una lámpara de 100 W, o cualquier otro artefacto que trabaje con 115 V ca, 60 Hz y que consuma menos de 100 W.Un NA TTL o CMOS activan el circuito de 115 V ca, y un NB hará que el triac funcione como un interruptor abierto.

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Page 118: Pestaña de Internet Explorer

118 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

PARTE IV FUENTE DE ALIMENTACION

12. DISEÑO FUENTE DE ALIMENTACION

Debido a que los dispositivos TTL y algunas subfamilias CMOS trabajan únicamente con 5 V ± 5 %, se hace necesario el empleo de fuentes reguladas de este valor.

Una fuente regulada de 5 V y 1 A será suficiente para llevar a cabo los laboratorios y proyectos de este curso y los subsiguientes de la línea de hardware.

12.1. ESTRUCTURA INTERNA

En la siguiente figura se ilustra el diagrama de bloques de la fuente de alimentación a diseñar:

5 V120 V60 HZ

Transformación FiltradoRectificación Regulación

Protección

Transformación: En esta fase la señal de 120 V ca utilizando un transformador es disminuida a un valor cercano al voltaje requerido. La frecuencia sigue siendo de 60 Hz.Para la fuente tratada aquí en concreto la señal de salida del transformador es de 10 V ca 60 Hz.

V

t0

120 V

170 V

Entrada al transformador

V

t0

110 V

Salida

Rectificación: La tensión de ca se convierte en un ondulado compuesto solo por las ondas positivas de la señal de salida del transformador.

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Page 119: Pestaña de Internet Explorer

DISEÑO FUENTE DE ALIMENTACION 119

V

t

10 V

Salida del rectificador

Filtrado: Suaviza las “ protuberancias “ en la onda rectificada, quedando solamente un rizado en la salida.

V

tVPICO = VRIZADO + VC SALIDA DEL FILTRO

0

VPICO

VRIZADO

VC

Regulación: Entrega en su salida un voltaje constante, sin importar las variaciones en la tensión de alimentación ( 120 V ca ), las variaciones en la carga para un valor máximo de corriente de salida, la frecuencia, temperatura, etc. En nuestro caso el regulador será de 5 V y 1 A de corriente.

t

V

0

+ V

Protección contra sobrecarga: Protege la fuente cuando el circuito, al cual alimenta, requiere más corriente que aquella para la cual ella fue diseñada. La protección contra sobrecarga también evitará el daño de la fuente por corto circuito.Esta parte no se tendrá en cuenta en el diseño, mayor información se encuentra en el libro “ Construya un computador en base al Z-80 “

12.2. DISEÑO

Las primeras consideraciones a tener en cuenta son el voltaje y la corriente máxima de salida. Como se aclaró anteriormente una fuente regulada de 5 V y 1 A son las características de la fuente a diseñar.

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120 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Regulador: Como reguladores emplearemos las series 78xx y 79xx. Los 78xx regulan voltajes positivos, por ejemplo, el 7805 y 7812 que regulan +5 V y +12 V respectivamente para corrientes hasta de 1 A.Los 79xx se utilizan para voltajes negativos, por ejemplo, 7905 y 7912 que regulan -5 V y -12 V respectivamente para corrientes hasta de 1 A.

Este tipo de reguladores tiene tres terminales:

7805

IN(1) OUT(3)

El 7805 reúne los requisitos necesarios, para la fuente. Sus características técnicas son:

VOUT = 5 VIOUT = 1 AVIN = 7 a 20 VVoltaje de caída entre los terminales del regulador = 2 V.

El 7805 necesita un voltaje de entrada mínimo de 7 V y máximo de 20 V, para regular los 5 V de salida.

Escogemos un valor seguro, no muy alto que aumente la disipación de potencia y no muy bajo que altere el funcionamiento del regulador. Tomamos un VIN = 10 V, aunque 9 V también podrían ser suficientes.

Filtro: Ya habíamos dicho que el filtro entrega un VPICO, VRI ZA DO y VC. Observar gráfico en 12.1 filtrado.Debido a que el VIN escogido para el 7805 es de 10 V, entonces el filtro debe abastecer un VC igual a este valor.Hallamos VPICO según la siguiente fórmula.

VPICO = 1,25 x VC 0 12,5 VVRI ZA DO = 2,5 V

La capacitancia del filtro la calculamos según la siguiente fórmula:

C = I x dt/dv

Donde: I → corriente máxima de descarga. En este caso 1 A.

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DISEÑO FUENTE DE ALIMENTACION 121

dt → tiempo de carga del condensador. Como el rectificador es de onda completa la

frecuencia de carga es el doble de la de ca, es decir, 120 Hz. Entonces: dt = 8,3 mS.

dv → tensión de rizado admisible. dv = 2,5 V.

C = 1 x 8,3 x 10-3 / 2,5 = 3320 µF

Un valor superior de C aportará un mejor filtrado ( con menos rizado ) en la señal de salida.

7805

330 uF

Vin Vout

Común 5 V , 1 A

Rectificador: En general se emplean dos formas de rectificación de media onda y de onda completa.Los de media onda se realizan de la siguiente forma:

Común

Fase

Vout

D Vout

tMedia Onda

0

Los rectificadores de onda completa pueden utilizar dos fases. Se pueden realizar en la siguiente forma:

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122 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

Común

Fase1 D1

Figura A

Fase2 D2

Vout

Vout

tOnda Completa

0

Fase1D1

Figura B

D4 D2

D3

c a

c a

Vout

Común

Vout

tOnda Completa

0

En A D1 y D2 se PD en forma consecutiva cuando llega la onda positiva de cada fase. Ya sabemos que la caída de potencial entre los terminales de cada diodo PD es de 0,7 V. Este valor debe ser considerado para realizar los cálculos del transformador.

Observe que se utiliza un total de tres líneas de salida en el secundario del transformador: Dos fases y el común. Cuando en la fase1 se encuentra la onda positiva D1 se PD y la corriente fluye por D1, carga el filtro, por el 7805, a la carga y regresa por el común. En estos instantes D2 se encuentra en PI debido a que en la fase2 se encuentra la onda negativa de ca. Cuando a la fase2 llega la onda positiva, entonces D2 se PD y D1 se PI. La corriente fluye por D2 y regresa por el común.

Si se utiliza un puente, como en B, solo se necesita una fase y el común, haciendo el transformador más sencillo. Cuando en la fase1 se encuentra la onda positiva de ca, entonces D1 y D3 se PD y permiten el flujo de corriente.La corriente circulará de la fase1, D1, cargará el filtro, por el 7805, a la resistencia de carga y regresa por D3 al común.Cuando en la fase1 se encuentra la onda negativa, entonces D2 y D4 se PD.

Debido a que la corriente circula por dos diodos, el voltaje en la salida del rectificador realmente es inferior en 1,4 V, que deben ser considerados en el momento de elegir el transformador.

Utilizaremos un puente para la fuente:

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DISEÑO FUENTE DE ALIMENTACION 123

Fase1

D4 D2

D3

c a

c a

Común

7805

330 uF

Vin Vout

Común

5 V cc , 1 A

Los parámetros a tener en cuenta son:ISOB → Corriente de sobrecarga. Al encender la fuente el filtro se encuentra

totalmente descargado y como la única resistencia en serie con él es la del devanado del transformador RS, entonces aparece una corriente de carga bastante alta. Si consideramos el valor de RS igual a 0,1 Ω , entonces:

ISOS = VPICO / RS = 12,5 / 0,1 = 125 A

La constante de tiempo será igual a:

T = RS x C = 0,1 x 3300 x 10-6 = 330 µS

Si ISOS del diodo es mayor que ISOS del circuito y T es menor que 8,3 mS, entonces la sobrecarga de corriente no producirá ningún daño en los diodos rectificadores.

IF → Máxima corriente continua en PD. Esta debe ser superior mínimo a 2 A, que es la máxima abastecida por el 7805 en instantes de picos.

PIV → Voltaje máximo aplicable al diodo en PI. Son normales en las líneas de 120 V ca transitorios con picos de 400 V. Esto hace que VPICO se eleve a 43 V. Se recomienda utilizar diodos con PIV no inferiores a 50 V.

Los puentes pueden ser realizados con diodos discretos, o se pueden adquirir en forma monolítica. Las características de un puente pueden ser:

IF = 12 A, ISOS = 300 A, PIV = 100 V

Transformador: La tensión ( Valor cuadrático medio ) se calcula según la siguiente fórmula:

V = ( VC + VRI ZA DO + VRECT ) / 2 = ( 10 + 2,5 + 1,4 ) / 1,41

V = 9,82 V

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124 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DIGITALES

El secundario del transformador debe tener una fase de 10 V ca y abastecer mínimo 2 A de corriente. El diagrama eléctrico de la fuente es:

Fase1

D4 D2

D3

Común

7805

330 uF

Vin Vout

Común

5 V cc , 1 A

120 V60 HZ

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