Tema 8 Puertas lógicas y circuitos combinacionales

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA (Digital):
TEMA 8
PUERTAS LÓGICAS Y CIRCUITOS COMBINACIONALES

FLORIDA Universitària. Departament d´Enginyeria
ÍNDICE DE APARTADOS
1. El circuito integrado.
2. Tipos de encapsulados.
3. Escalas de integración.
4. Familias lógicas.
5. Puertas lógicas.
6. Circuitos combinacionales.
7. Fuentes didácticas.
Una vez terminado el tema, has de ser capaz de:
 Implementar funciones lógicas con puertas lógicas varias
 Implementar funciones lógicas con puertas NAND
 Implementar funciones lógicas con circuitos combinacionales
 Diseñar circuitos digitales basados en circuitos combinacionales
2

1. El Circuito Integrado (1) 3

1. El Circuito Integrado (2) 4

2. Tipos de encapsulado (1)
• DIP o DIL (Dual in line)
• Encapsulado más empleado.
• Puede ser cerámico (marrón) o de plástico (negro).
• Dato importante en todos los componentes es la distancia entre patillas que
poseen, en el tipo estándar se establece en 0,1 pulgadas (2,54mm).
• Se suelen fabricar a partir de 4, 6, 8, 14, 16, 22, 24, 28, 32, 40, 48 y 64
patillas.
• La patilla número uno se encuentra en un extremo señalado por un punto o
una muesca en el encapsulado y se continua la numeración en sentido anti
horario mirando al integrado desde arriba.
5

• FLAT-PACK
• Sus terminales tienen forma de ala de gaviota.
• Se diseñan para ser soldados en máquinas automáticas o semiautomáticas, ya que
por la disposición de sus patillas se pueden soldar por puntos.
• El material con el que se fabrican es cerámico.
• La numeración de sus patillas es exactamente igual al anterior.
• La distancia entre patillas es de 1,27mm, la mitad que en los DIP.
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• SOIC (Small Outline Integrated Circuit)
• Terminación de las patillas en forma de ala de gaviota.
• Circuito integrado de pequeño contorno.
• Son los más populares en los circuitos de lógica combinacional, tanto en TTL como en
CMOS.
• Se sueldan directamente sobre las pistas de la placa de circuito impreso, en un área
denominada footprint.
• La distancia entre patillas es de 1,27mm (0,05").
• La numeración de los pines es exactamente igual a los casos anteriores.
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• PLCC (Plastic Lead Chip Carrier) y LCCC ( Leaded Ceramic Chip Carrier)
• Se emplea en técnicas de montaje superficial pero, generalmente, montados en
zócalos, esto es debido a que por la forma en J que tienen sus terminales la
soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permite su uso en técnicas de
montaje convencional.
• Se fabrican en material plástico (PLCC) o cerámico (LCCC).
• El punto de inicio para la numeración se encuentra en uno de los lados del
encapsulado, coincidiendo con el lado de la cápsula que acaba en chaflán y siguiendo
el sentido anti horario.
• La distancia entre terminales es de 1,27mm.
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3. Escalas de integración
DENOMINACIÓN Nº COMPONENTES X
CHIP (n)
Nº PUERTAS X CHIP APLICACIONES
SSI (pequeña escala de
integración)
n<100 <10 Puertas lógicas y biestables
MSI (media escala de
integración)
100<n<1000 <100 Codificadores, sumadores,
registros...
LSI (gran escala de
integración)
1000<n<10000 <1000 Circuitos aritméticos
complejos, memorias...
VLSI (muy alta escala de
integración)
10000<n<105
<10000 Microprocesadores de gama
baja, CPLDs,
microcontroladores...
ULSI (ultra alta escala de
integración)
100000<n<106
<100000 Microprocesadores y FPGAs
de gama media-alta
GLSI (giga alta escala de
integración)
>106
>100000 Microprocesadores multicore
y FPGAs de última generación
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4. Familias Lógicas (1)
• Familia lógica: es el conjunto de circuitos integrados digitales que,
empleando la misma tecnología, están constituidos por los mismos
componentes y conservan una estructura base similar.
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4. Familias Lógicas (2)
• Las familias lógicas más extendidas hoy en día son: TTL (Lógica transistor-
transistor), ECL (Lógica de emisor acoplado), CMOS (Complementary Simetry
Metal Oxide Semiconductor).
• En el diseño, la elección de la familia lógica viene dada por la velocidad
necesaria (tiempo de retardo de propagación). Recordar que la frecuencia
máxima de funcionamiento suele ser fmáx=1/(4·retardo)
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TTL (Serie 74AS) ECL (Serie III) CMOS (Serie 74HC)
VOL 0,5V -1,75V 0,1V
VOH 3,5V -0,9V (Vcc-0,1)V
Excursión lógica 3V 0,85V (Vcc-0,2)V
Fan-out 33 70 >50
Disipación por
puerta en reposo
8mW 60mW 2,5μW
Retardo de
propagación
1,7ns 0,7ns 8ns

4. Familias Lógicas (3) 12
FAMILIA VENTAJAS INCONVENIENTES
TTL - MENOR PRODUCTO RETARDOxPOTENCIA
- BAJA IMPEDANCIA DE SALIDA
- INMUNIDAD AL RUIDO
- VARIEDAD DE FUNCIONES DISPONIBLES
- GENERACIÓN DE RUIDO
- FAN-OUT MENOR QUE EN ECL Y
CMOS
ECL - MENOR RETARDO DE PROPAGACIÓN
- BAJA IMPEDANCIA DE SALIDA
- BAJA GENERACIÓN DE RUIDO
- ALTO FAN-OUT
- CONSUMO MAYOR QUE EN TTL Y
CMOS
- NECESIDAD DE CIRCUITOS PARA
ADAPTACIÓN CON OTRAS
FAMILIAS LÓGICAS
CMOS - MENOR CONSUMO DE POTENCIA
- AMPLIO RANGO DE TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN
- ALTO FAN-OUT Y FAN-IN
- MENOS RÁPIDA QUE LAS
FAMILIAS ECL Y TTL

5. Puertas Lógicas (1)
 Puerta OR
 También llamada puerta suma por implementar esta función lógica.
SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE
Ejemplo de implementación de una ecuación algebraica:
baF b
a
dcbaF 
a
b
c
d
13

 Puerta AND
 También llamada puerta producto por implementar esta función lógica.
baF b
a
dcbaF 
a
b
c
d
14

 Puerta NOT
 La puerta inversora NOT, es la más sencilla e implementa la función
negación.
aF 
Estructura interna TTL Los dos transistores T1 y T2 trabajaran en conmutación:
 Si a=0 voltios, el emisor de T1 queda conectado a masa y por
tanto el transistor T1 conduce absorbiendo por su colector la
corriente de base de T2 o bajando a un nivel bajo la tensión en
su base. Por tanto, T2 no conduce, teniendo en el colector toda
la tensión de alimentación Vcc, es decir, F=1.
 Si a=1, es decir +5V, T1 no conduce, ya que la tensión de
emisor es superior a la de base y por tanto la tensión en el
colector de T1 será alta. Esta tensión será la que polarizará a la
base de T2 haciéndole conducir , por tanto F=0.
15
0V = 0 Lógico
VBE>0.7V T1 On
IB
0V
T2 Off
5V = 1 Lógico

 Puerta NOT
 La puerta inversora NOT, es la más sencilla e implementa la función
negación.
aF 
Estructura interna TTL Los dos transistores T1 y T2 trabajaran en conmutación:
 Si a=0 voltios, el emisor de T1 queda conectado a masa y por
tanto el transistor T1 conduce absorbiendo por su colector la
corriente de base de T2 o bajando a un nivel bajo la tensión en
su base. Por tanto, T2 no conduce, teniendo en el colector toda
la tensión de alimentación Vcc, es decir, F=1.
 Si a=1, es decir +5V, T1 no conduce, ya que la tensión de
emisor es superior a la de base y por tanto la tensión en el
colector de T1 será alta. Esta tensión será la que polarizará a la
base de T2 haciéndole conducir , por tanto F=0.
16
+5V = 1 Lógico
VBE<0.7V
T1 Off
VBE>0.7V
T2 On
0V = 0 Lógicop
p
n
n

 Puerta NOR
 También llamada puerta suma negada por implementar esta función lógica.
baF b
a
dcbaF 
a
b
c
d
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 Puerta NAND
 También llamada puerta producto negada por implementar esta función
lógica, es la más usada comercialmente.
Estructura interna TTL
Los transistores trabajarán en conmutación:
Si a=0 y b=0. El transistor T1 estará en conducción y por tanto
T2 no conduce. La tensión en la base de T3 será elevada y la
tensión en la base de T4 será baja. Por tanto, F=1.
Si cualquiera de las dos entradas del transistor multiemisor se
pone a 0V (a=1 o b=1), sucederá lo mismo, ya que hacen que
el transistor T1 entre en conducción.
Si a=1 y b=1, T1 no conduce, la tensión en el colector de T1
será alta y polarizará a la base de T2 haciéndole conducir , así,
T4 estará polarizado y F=0.
baF 
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b
a
 Puerta EXOR (XOR)
 También llamada puerta suma directa o exclusiva por implementar esta
función lógica.
baF 
dcbaF 
a
b
c
d
babaF 
19

b
a
 Puerta EXNOR (XNOR)
 También llamada puerta suma directa o exclusiva por implementar esta
función lógica.
baF 
dcbaF 
a
b
c
d
20

• Equivalencias y serie 74
21

6. Circuitos combinacionales (1)
• Circuitos combinacionales: son aquellos que tienen un número de entradas y
otro de salidas, y el valor de estas últimas depende exclusivamente del estado
momentáneo de las entradas y la estructura interna del propio circuito.
“Es decir, que para una entrada determinada el circuito presentará la misma
salida independientemente de cual fuera su estado anterior”
• Los principales circuitos integrados combinacionales se engloban en:
Tipo de circuito Denominación
CIRCUITOS DE COMUNICACIÓN
Codificadores con y sin prioridad.
Decodificadores excitadores y no excitadores.
Multiplexores y Demultiplexores.
CIRCUITOS ARITMÉTICOS
Comparadores.
Sumadores.
Restadores.
Unidad aritmético-lógica. (UAL o ALU)
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• MULTIPLEXORES
23

• MULTIPLEXORES(Cont.)
24
74151

25

26

27
a bcd 000 001 010 011 100 101 110 111
0 0 0 1 0 1 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 0 1
1 1

• DEMULTIPLEXORES
28
d

• CODIFICADORES
29

• CODIFICADORES (Cont.)
• Codificador Decimal/BCD (74147 TTL)
• Codificador Octal/BCD (74148 TTL)
30
74147
74148

• DECODIFICADORES
31

• DECODIFICADORES (Cont.)
• Decodificador BCD/Decimal (7442 TTL)
• Decodificador BCD/Octal (74138 TTL)
32
7442
74138

• Decodificadores BCD/7 segmentos (7447-7448 TTL)
33
7447
7448
7447

• En general, para implementar un demultiplexor a partir de un decodificador
usaremos su entrada de habilitación como entrada de datos y las entradas del
decodificador serán las entradas de selección del demultiplexor. Ej: 74138
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OBSERVAR QUE CUANDO G1=L TODAS LAS SALIDAS
ESTÁN EN ESTADO HIGH (YA QUE LAS SALIDAS SON
ACTIVAS A NIVEL BAJO) Y CUANDO G1=H SE ACTIVA
ÚNICAMENTE LA SALIDA CORRESPONDIENTE A LA
ENTRADA DE SELECCIÓN.

35

36

• COMPARADORES
37

• COMPARADORES
• Los más usuales son los comparadores de dos palabras de 4 bits (7485
TTL) y el de dos palabras de 8 bits (74866 TTL).
• En la siguiente figura se muestra el esquema y tabla de verdad del 7485.
38

• COMPARADORES (Cont.)
39

• SUMADORES
40

• SUMADORES (Cont.)
41

• ALU
42

• ALU (Cont.)
43

7. Fuentes didácticas
• Electrónica general. Dispositivos y sistemas digitales
• Antonio J. Gil Padilla y otros.
• Ed. Mc Graw Hill
• Dispositivos y sistemas digitales.
• Antonio J. Gil Padilla.
• Electrónica digital y microprogramable.
• Antonio J. Gil Padilla y otros.
• Schaum. Electrónica digital.
• Luis Cuesta y otros.
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