fami loig

1. Fecha de Edición:Instituto TecnológicoSuperiorde
Coatzacoalcos.
Edición
No. 1
Unidad:
Febrero 2016
Departamento: IngenieríaElectrónica
Materia: DISEÑODIGITAL
1.2.2 FAMILIAS LÓGICAS (ANEXO)
Cuando el diseñador implementa las puertas (a medida) que necesita para su diseño, se
dice que ha realizado un diseño full-custom. Estas puertas estarán diseñadas utilizando
elementos de circuitos, principalmente transistores. En este diseño no nos tenemos que
limitar a utilizar las puertas típicas, sino que podemos crear las puertas lógicas que
necesitemos.
A la hora de construir las puertas lógicas, un criterio ampliamente seguido (realmente en
cualquier disciplina, no sólo en Electrónica) es el criterio de uniformidad, es decir, las
diferencias entre las diferentes puertas lógicas deben reducirse a las mínimas. Este criterio
es la base de la definición de familia lógica.
Una familia lógica se puede definir como la estructura básica a partir de la cual se pueden
construir las puertas lógicas.
En esta estructura estarán involucrados tanto los componentes que entran en juego, así
como sus valores (ya que si cambiamos estos valores, pasaremos a otra familia diferente),
ya que los parámetros van a depender de éstos.
Una familia lógica es un conjunto de circuitos integrados que implementan distintas
operaciones lógicas compartiendo la tecnología de fabricación y en consecuencia,
presentan características similares en sus entradas, salidas y circuitos internos. La similitud
de estas características facilita la implementación de funciones lógicas complejas al permitir
la directa interconexión entre los chips pertenecientes a una misma familia.
Como consecuencia de las diferentes técnicas de fabricación de los circuitos integrados ,
podemos encontrarnos con diversas familias lógicas, que se clasifican en función de los
transistores con los que están construidas.
De forma global los componentes lógicos se engloban dentro de una de las dos familias
siguientes:
TTL: diseñada para una alta velocidad.
CMOS: diseñada para un bajo consumo.
Así, cuando se utilizan transistores bipolares se obtiene la familia denominada TTL, y si
se utilizan transistores unipolares, se obtiene la familia CMOS. Cada una de estas familias
tiene sus ventajas e inconvenientes, por eso, para el diseño de equipos digitales se utilizará
la más adecuada en cada caso.
Las características de todas las familias lógicas integradas son las siguientes:
• Alta velocidad de propagación.
• Mínimo consumo.
• Bajo coste.
• Máxima inmunidad al ruido y a las variaciones de temperatura.
ALTA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN

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Departamento: IngenieríaElectrónica
Materia: DISEÑODIGITAL
Definimos como tiempo de propagación el tiempo transcurrido desde que la señal de
entrada pasa por un determinado valor hasta que la salida reacciona a dicho valor. Vamos
a tener dos tiempos de propagación:
Tphl = tiempo de paso de nivel alto a bajo.
Tplh = tiempo de paso de nivel bajo a alto.
Como norma se suele emplear el tiempo medio de propagación, que se calcula como:
Tpd = (Tphl + Tplh)/2
MARGEN DEL CERO
Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un cero lógico:
VIL máx: tensión máxima que se admite como cero lógico.
VIL mín: tensión mínima que se admite como cero lógico.
MARGEN DEL UNO
Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un uno lógico:
VIH máx: tensión máxima que se admite como uno lógico.
VIH mín: tensión mínima que se admite como uno lógico.
MARGEN DE TRANSICION
Se corresponde con el rango de tensiones en que la entrada es indeterminada y puede
ser tomada como un uno o un cero. Esta zona no debe ser empleada nunca, ya que la
puerta se comporta de forma incorrecta.
MT = VIH mín - VIL máx
AMPLITUD LOGICA
Debido a que dos puertas de la misma familia no suelen tener las mismas características
debemos emplear los valores extremos que tengamos, utilizando el valor de VIL máx más
bajo y el valor de VIH mín más alto.
AL máx: VH máx - VL mín
AL mín: VH mín - VL máx

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Materia: DISEÑODIGITAL
RUIDO
El ruido es el elemento más común que puede hacer que nuestro circuito no funcione
habiendo sido diseñado perfectamente. El ruido puede ser inherente al propio circuito
(como consecuencia de proximidad entre pistas o capacidades internas) o también como
consecuencia de ruido exterior (el propio de un ambiente industrial).
Si trabajamos muy cerca de los límites impuestos por VIH y VIL puede que el ruido impida
el correcto funcionamiento del circuito. Por ello debemos trabajar teniendo en cuenta un
margen de ruido:
VMH (margen de ruido a nivel alto) = VOH mín - VIH mín
VML (margen de ruido a nivel bajo) = VIL máx - VOL máx
VOH y VOL son los niveles de tensión del uno y el cero respectivamente para la salida de
la puerta lógica.
Supongamos que trabajamos a un nivel bajo de VOL = 0'4 V con VIL máx = 0'8 V. En
estas condiciones tendremos un margen de ruido para nivel bajo de:
VML = 0'8 - 0'4 = 0'4 V
FAN OUT
Es el máximo número de puertas que podemos excitar sin salirnos de los márgenes
garantizados por el fabricante. Nos asegura que en la entrada de las puertas excitadas:
VOH es mayor que VOH mín
VOL es menor que VOL mín
Para el caso en que el FAN OUT sea diferente a nivel bajo y a nivel alto, escogeremos el
FAN OUT más bajo para nuestros diseños.
Si además nos encontramos con que el fabricante no nos proporciona el FAN OUT
podemos calcularlo como:
FAN OUT = IOL máx / IIL máx
Donde IOL e IIL son las corrientes de salida y entrada mínimas de puerta.
POTENCIA DISIPADA

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Es la media de potencia disipada a nivel alto y bajo. Se traduce en la potencia media que
la puerta va a consumir
FRECUENCIA MAXIMA DE FUNCIONAMIENTO
Se define como:
Fmáx = 1 / (4 * Tpd)
Familia lógica TTL
Las siglas TTL signifi can Lógica Transistor-Transistor (del inglés, Transistor-Transis tor
Logic). En este caso, las puertas están constituidas por resistencias, diodos y
transistores.Esta familia comprende varias series, una de las cuales es la 74, y cuyas
características son:
• Tensión comprendida entre 4,5 y 5,5 V.
• Temperatura entre 0 y 70 ºC.
• VIH mín. 5 2,0 V.
• VIL máx. 5 0,8 V.
Otra serie es la 54, que presenta las mismas características que la serie 74, con la diferencia
de que la temperatura de trabajo está comprendida entre 255 ºC y 125 ºC. Esta serie se
utiliza en aplicaciones espaciales. Las puertas más utilizadas son las de la serie 74, que
son más comerciales. En concreto, las más empleadas son las que tienen como referenc ia
74Lxx, donde la L significa Low-power, y cuyas características son:
• Potencia disipada por puertas: 1 mW.
• Tiempo de propagación: 33 ns.
A su vez, la S (74Sxx) signifi ca Schottky, y sus características son:
• Potencia disipada por puertas: 19 mW.
• Tiempo de propagación: 3 ns.
Finalmente, LS (74LSxx) signifi ca Low-power Schottky, y sus características son:
• Potencia disipada por puertas: 2 mW.
• Tiempo de propagación: 10 ns.

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Familias TTL actuales
 S
 LS
 AS
 ALS
 F
 Shottky TTL
 Low-power Shottky TTL
 Advanced Shottky TTL
 Advanced Low-power Shottky TTL
 Fast TTL
Familia lógica CMOS
En esta familia el componente básico es el transistor MOS (Metal-Óxido-Semiconductor).
Los circuitos integrados CMOS son una mezcla entre la NMOS, constituida por transistores de
canal N, y la PMOS, cuyo elemento fundamental es el transistor MOS de canal P.
La familia CMOS básica que aparece en los catálogos de los fabricantes es la serie 4 000. Sus
características más importantes son:
• La tensión de alimentación varía entre 3 y 18 V.
• El rango de temperaturas oscila entre 240 y 85 ºC.
• Los niveles de tensión son: VIL mín. 5 3,5 V; VIL máx. 5 1,5 V; VOH mín. 5 4,95 V;
VOL máx. 5 0,05 V.
• Los tiempos de propagación varían inversamente con la tensión de alimentación, siendo
de 60 ns para 5 V y de 30 ns para 10 V.
• La potencia disipada por puerta es de 10 nW.
Inicialmente, se fabricaron circuitos CMOS con la misma disposición de las puertas en los
circuitos integrados que en las familias TTL. Así, se generó la familia 74C, compatible con la
familia TTL, cuyas características son muy parecidas a las de la familia 4 000. Debido a las
mejoras en la fabricación, se desarrollaron las series 74HC (alta velocidad) y la 74HCT (alta
velocidad compatible con los niveles TTL). Estas series poseen características muy parecidas
a las LS de la familia TTL, pero con consumos inferiores.
Las series más utilizadas son las 74HCxx, donde HC significa High speed CMOS. El tiempo de
propagación de estas series ofrece valores del orden de 8 ns y se alimentan con tensiones de
entre 2 y 6 V.
Compatibilidad entre las familias lógicas TTL y CMOS
Si queremos conectar las distintas familias lógicas entre sí, tenemos que tener en cuenta su
compatibilidad, tanto de corriente como de tensión.
• Compatibilidad de corriente

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Materia: DISEÑODIGITAL
Para conectar la salida de un circuito con la entrada de otro, el circuito de la salida debe
suministrar suficiente corriente en su salida, tanta como necesite la entrada delotro circuito.
Por tanto se tiene que cumplir que:
– IOH máx. > IIH máx. nivel alto
– IOL máx. > IIL máx. nivel bajo
• Compatibilidad de tensión
Si queremos conectar la salida de un circuito con la entrada de otro circuito, se tiene que
verificar que:
– VOL máx. < VIL máx. nivelbajo
– VOH mín. > VIH mín. nivelalto
Dado que la primera condición se cumple casi siempre, lo que tenemos es que verificar que se
cumple la última (de nivel alto).
Ejemplo:
PARAMETRO TTL
estándar
TTL
74L
TTL Schottky de
baja potencia
(LS)
Fairchild 4000B
CMOS (con
Vcc=5V)
Fairchild 4000B
CMOS (con
Vcc=10V)
Tiempo de propagación
de puerta
10 ns 33 ns 5 ns 40 ns 20 ns
Frecuencia máxima de
funcionamiento
35 MHz 3 MHz 45 MHz 8 MHz 16 MHz
Potencia disipada por
puerta
10 mW 1 mW 2 mW 10 nW 10 nW
Margen de ruido
admisible
1 V 1 V 0'8 V 2 V 4 V
Fan out 10 10 20 50 (*) 50 (*)