Revista circ dig

Familias lógicas y
circuitos lógicos
I U P ” S A N T I A G O M A R I Ñ O ”
E X T E N S I Ó N M A T U R I N
B a c h i l l e r : J o s é O r t i z
0 1 / 0 3 / 2 0 1 9
 Característicasde las
principales familias
lógicas (TTL, CMOS, etc)
 Ejemplos de circuitos
lógicos (TTL, CMOS entre
otras).

Circ. Dig. Y microprocesador
Bachiller: JoséOrtiz
a era de la electrónica con semiconductores
comienzaconla invencióndel transistoren 1948
y a partir de ahí la evolución de la tecnología
electrónicainiciaunarápidacarrera.En 1952, se sustituye el
empleo de germanio por el silicio y en 1958 se fabricó el
primer JFET (transistor de unión de efecto campo), lo que
condujo a la aparición del transistor metal-
óxidosemiconductor de efecto campo (MOSFET).
L
HISTORIA
Continuas mejoras en el diseño y
fabricación de los sistemas de computación, han
hecho de los MOSFET los dispositivos más
universalmente empleados. Para mejorar las
conexiones de diferentes componentes
electrónicosse propusolafabricaciónde todos los
componentes del circuito, junto con su
interconexionado, sobre una misma oblea de
silicio. A esta solución se la denominó circuito
integrado monolítico, y en 1959 la empresa Texas
Instruments ® desarrolla el primer circuito
integrado con tecnología RTL (lógica resistencia-
transistor bipolar).

Clasificacióndelasfamiliaslógicas
os circuitosintegrados digitales se dividen en familias
lógicas. Cada familia particular está basada en un tipo
particular de circuito. Todos los elementos de una
familialógicasoncompatibles entre sí, es decir, operan con
los mismos niveles lógicos, pudiendo la salida de un
elemento alimentar la entrada de otro.
L
Los modernos componentes electrónicos
digitales son el resultado de años de
desarrollo y evolución, no hay un conjunto
ideal de circuitos que satisfaga todos los
requerimientos. Por tanto existen varias
familias lógicas, cada una de las cuales
ofrece ventajas particulares. La velocidad,
consumo de potencia y densidad de
componentes son cuestiones a tener en
cuenta.
Tecnología TTL:Las siglas
en inglés significan transistor-transistor logic
(lógica transistor a transistor). Tecnología de
construcción de circuitos integrados electrónicos
digitales basada en el uso de transistores
bipolares, es característico el uso de transistores
multiemisores. TTL sucedió a las tecnologías RTL
(lógica resistencia-transistor) y DTL (lógica diodo-
transistor).

Descripcion
La familia TTL tuvo su origen en los estudios de
Sylvania, pero fue Texas Instruments quien la insertó en el
mercado con la fabricación de la serie 74xx, de mayor
velocidadymejorrelaciónseñal-ruido, convirtiéndose esta
serie en el estándar de la familia. Aunque estos
componentesactualmente sonutilizados, su mayor empleo
ocurrió en las décadas de 1960 y 1970.
La familiaoriginal 74XXya obsoletadiolugaravarias
subfamilias, buscando mejoras en el funcionamiento y
compatibilidad con otros componentes. A qué subfamilia
pertenece el componente, se indica en el centro de su
nombre con una o varias letras después del número 74/54.
Ejemplo 74LS00.
Características Generales
 Tensiónde alimentación:5V típica, con rango entre
los4,75V y los5,25V para la74 y 4,5 V a 5,5 V para la
54.
 Lógica positiva:el “1”lógicoesde mayortensiónque
el “0” lógico.
 Rango de temperatura:de 0 °C a 70 °C para la serie
74 y de -55º a 125 °C para la54.
 Nivelesde tensiónde entradaparael “0” lógico(VIL):
entre 0V y 0,8V.
 Nivelesde tensiónde entradaparael “1” lógico
(VIH):entre 2,4V y VCC
 Velocidadde transmisiónentre losestadoslógicos:
alrededorde 400 Mhz.
Aplicaciones
 Microprocesadores,comoel 8X300, de
Signetics,lafamilia2900 de AMD y otros.
 Memorias
 Circuitosdigitales,entre ellos,contadores,
compuertas,biestables,registrosde
desplazamiento, etc.
 PAL (arreglológicoprogramable),para
diseñarmatricesdecodificadoras.


Familias
Los circuitosde tecnologíaTTL se prefijannormalmenteconel número74 (54 enlas
seriesmilitarese industriales).A continuaciónuncódigode unao variascifrasque
representalafamiliayposteriormente unode 2a 4 con el modelodel circuito.
Con respectoalas familiascabe distinguir:
 TTL: serie estándar.
 TTL-L (lowpower):serie de bajoconsumo.
 TTL-S (schottky):serie rápida(usadiodosSchottky).
 TTL-AS (advancedschottky):versiónmejoradade laserie anterior.
 TTL-LS (lowpowerschottky):combinaciónde lastecnologíasLy S (esla familia
más extendida).
 TTL-ALS (advancedlow powerschottky):versiónmejoradade laserie LSS.
 TTL-F (FAST: fairchildadvancedschottky).
 TTL-AF (advancedFAST):versiónmejoradade laserie F.
 TTL-HCT (highspeedC-MOS):Serie HCdotadade niveleslógicoscompatibles
con TTL.

Compuertas CMOS o
MOS Complementarias
(Complementary Metal-Oxide
Semiconductor), el término
complementario se refiere a la utilización
de dos tipos de transistores en el circuito
de salida, en una configuración similar a la
tótem-pole de la familia TTL.
Se usan conjuntamente MOSFET (MOS
Field-Effect transistor, transistor de efecto
campo MOS) de canal n (NMOS) y de canal
p (PMOS ) en el mismo circuito, para
obtener varias ventajas sobre las familias
P-MOS y N-MOS. La tecnología CMOS es
ahora la dominante debido a que es más
rápiday consume aúnmenos potencia que
las otras familias MOS. Estas ventajas son
opacadas un poco por la elevada
complejidaddelprocesode fabricación del
CI y una menor densidad de integración.
De este modo, los CMOS todavía no
puedencompetircon MOS en aplicaciones
que requieren lo último en LSI.
Diferencias entre CMOS y TTL
Las diferencias más importantes entre ambas familias son: a) En la fabricación de los
circuitos integrados se usan transistores bipolares par el TTL y transistores MOSFET para la
tecnologíaCMOS b) Los CMOS requierende mucho menos espacio (área en el CI) debido a lo
compacto de los transistores MOSFET. Además debido a su alta densidad de integración, los
CMOS están superando a los CI bipolares en el área de integración a gran escala, en LSI -
memorias grandes, CI de calculadora, microprocesadores-, así como VLSI. c) Los circuitos
integradosCMOSesde menorconsumode potencia que los TTL. d) Los CMOS son más lentos
encuanto a velocidadde operaciónque los TTL. e) Los CMOS tienen una mayor inmunidad al
ruido que los TTL. f) Los CMOS presenta un mayor intervalo de voltaje y un factor de carga
más elevado que los TTL. En resumen podemos decir que: TTL: diseñada para una alta
velocidad.CMOS:diseñadaparaun bajo consumo. Actualmente dentro de estas dos familias
se han creado otras, que intentan conseguir lo mejor de ambas: un bajo consumo y una alta
velocidad. La familia lógica ECL se encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Esta familia
nació como un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumo de CMOS, pero en
raras ocasiones es empleada.

Ventaja de CMOS sobre las TTL
La lógica CMOS ha emprendido
un crecimiento constante en el área de
la MSI, principalmente a expensas de la
TTL, con la que compite directamente.
El proceso de fabricación de CMOS es
más simple que el TTL y tiene una
mayor densidad de integración, lo que
permite que se tengan más circuitos en
un área determinada de sustrato y
reduce el costo por función. La gran
ventaja de los CMOS es que utilizan
solamente una fracción de la potencia
que se necesita para la serie TTL de
baja potencia (74L00), adaptándose de
una forma ideal a aplicaciones que
utilizan la potencia de una batería o con
soporte en una batería. El
inconveniente de la familia CMOS es
que es más lenta que la familia TTL,
aunque la nueva serie CMOS de alta
velocidad "HCMOS" (SERIES HC y HCT),
que vio la luz en 1983, puede competir
con las series bipolares avanzadas en
cuanto a velocidad y disponibilidad de
corriente, y con un consumo menor,
con las series 74 y 74LS

Familia Logica
RTL
Está compuesta por resistencias
y transistores. Los elementos que
desarrollan la lógica serán transistores
en combinación con resistencias
(Resistor-Transistor-Logic).
Esta clase de circuitos
integrados fue la primera que
proporcionó en el mercado
componentes lógicos discretos a bajo
costo con los cuales se empezaron a
implementar muchas funciones lógicas
básicas. Aunque todavía no había
alguna "estandarización" llevada a cabo
por las empresas que iniciaron la
fabricación de circuitos integrados RTL,
por vez primera se empezaron a
fabricar muchos tipos de circuitos que
además de funciones lógicas básicas
implementaban algunas funciones algo
más sofisticadas, como contadores
binarios o registros de transferencia.
Implementación
INVERSOR RTL
Un interruptor de transistor
bipolar es la puerta RTL más simple
(inversor o puerta NO) que implementa
la negación lógica. [2] Consiste en una
etapa de emisor común con una
resistencia de base conectada entre la
base y la fuente de voltaje de entrada.
El rol de la resistencia de base es
expandir el muy pequeño rango de
voltaje de entrada del transistor
(aproximadamente 0.7 V) al nivel lógico
"1" (aproximadamente 3.5 V)
convirtiendo el voltaje de entrada en
corriente. Su resistencia se establece
mediante un compromiso: se elige lo
suficientemente bajo para saturar el
transistor y lo suficientemente alto
para obtener una alta resistencia de
entrada. La función de la resistencia de
colector es convertir la corriente de
colector en voltaje; su resistencia se
elige lo suficientemente alta como para
saturar el transistor y lo
suficientemente baja para obtener una
baja resistencia de salida (alto abanico
de salida).
Puerta de un transistor RTL NOR
Con dos o más resistencias base
(R3 y R4) en lugar de una, el inversor se
convierte en una compuerta RTL NOR
de dos entradas (consulte la figura de la
derecha). La operación lógica OR se
realiza aplicando consecutivamente las
dos operaciones de suma y
comparación aritméticas (la red de
resistencias de entrada actúa como un
verano de voltaje paralelo con entradas
ponderadas por igual y la siguiente
etapa de transistor de emisor común
como un comparador de voltaje con un
umbral de aproximadamente 0.7 V) . La
resistencia equivalente de todas las
resistencias conectadas al "1" lógico y
la resistencia equivalente de todas las
resistencias conectadas al "0" lógico

forman las dos patas de un divisor de
voltaje compuesto que impulsa el
transistor. Las resistencias de base y el
número de entradas se eligen (limitan)
de modo que solo un "1" lógico es
suficiente para crear una tensión de
emisor de base que exceda el umbral y,
como resultado, saturar el transistor.
Multi-transistor RTL NOR puerta
Las limitaciones de la compuerta
RTL NOR de un transistor se superan
con la implementación de RTL de
múltiples transistores. Consiste en un
conjunto de interruptores de
transistores conectados en paralelo
controlados por las entradas lógicas
(consulte la figura de la derecha). En
esta configuración, las entradas están
completamente separadas y el número
de entradas está limitado solo por la
pequeña corriente de fuga de los
transistores de corte en la salida lógica
"1". La misma idea se usó más adelante
para construir puertas DCTL, ECL,
algunas TTL (7450, 7460), NMOS y
CMOS.
Ventajas
La principal ventaja de la
tecnología RTL era que utilizaba un
número mínimo de transistores. En los
circuitos que utilizan componentes
discretos, antes de los circuitos
integrados, los transistores eran el
componente más caro de producir. La
producción de lógica IC temprana
(como Fairchild en 1961) utilizó el
mismo enfoque brevemente, pero pasó
rápidamente a circuitos de mayor
rendimiento como la lógica diodo-
transistor y luego la lógica transistor-
transistor (a partir de 1963 en
Sylvania), ya que los diodos y
transistores no existían. Más caro que
las resistencias en el IC.
Limitaciones
La desventaja de RTL es su alta
disipación de potencia cuando el
transistor está encendido, por la
corriente que fluye en el colector y las
resistencias de base. Esto requiere que
se suministre más corriente y que se
elimine el calor de los circuitos RTL. En
contraste, los circuitos TTL con etapa
de salida "tótem" minimizan estos dos
requisitos.

"La conclusión es que
sabemos muy poco y sin
embargo es asombroso lo
mucho que conocemos. Y
más asombroso todavía que
un conocimiento tan
pequeño pueda dar tanto
poder."
(BertrandRussell)

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