La selección de la
familia lógica más adecuada es un paso clave y decisivo en el diseño de
cualquier aplicación con circuitos integrados digitales. Algunos diseños
requieren operar a altas velocidades, otros con bajos consumos de potencia y
otros más con costos reducidos. Aquí se proporciona
toda la información necesaria para ayudar a los usuarios de chips TTL y CMOS a
escoger la subfamilia que mejor se adapta a sus necesidades particulares.
Una familia lógica es un grupo de dispositivos lógicos integrados (compuertas, flip flops, decodificadores, contadores, registros, etc.) que comparten una tecnología común de fabricación y son eléctricamente compatibles entre sí, es decir, tienen estandarizadas sus características de entrada y de salida. Como resultado de esta estandarización, la interconexión entre dispositivos lógicos de una misma familia es sencilla y directa, es decir no requiere de etapas adicionales de acoplamiento.
Actualmente, la mayor parte de los circuitos integrados digitales son de tecnología bipolar o MOS. Los primeros están basados en el uso de transistores bipolares NPN y/o PNP, y los segundos en el uso de MOSFETs o transistores de efecto de campo de compuerta aislada de canal N y/o canal P. Dentro de cada una de estas tecnologías existen varias familias y subfamilias, diferenciadas principalmente por sus características de velocidad, consumo de potencia y densidad de integración.
Las familias bipolares más utilizadas son la TTL (Transistor-Transistor Logic: lógica de transistor-transistor), la ECL (Emitter-Coupled Logic: lógica de emisor acoplado) y la I2L (Integrated Injection Logic: lógica de inyección integrada). En el pasado fueron también muy populares las familias DTL (Diode-Transistor Logic: lógica de diodo-transistor), RTL (Resistor-Transistor Logic: lógica de resistencia-transistor) y HLL (High Level Logic: lógica de alto nivel), hoy prácticamente obsoletas. Dentro de las familias MOS, las más conocidas son la PMOS (MOS de canal P), la NMOS (MOS de canal N) y la CMOS (MOS complementaria). También existen variantes estructurales de estos procesos como VMOS, DMOS, HMOS, COS/ MOS, etc.
Recientemente, como resultado de la evolución natural de los procesos de fabricación de circuitos integrados, han surgido otras nuevas tecnologías tendientes a incrementar la complejidad de las funciones lógicas que pueden implementarse en un chip y lograr que los circuitos lógicos operen a frecuencias cada vez más altas. Las mas avanzadas hasta el momento de basan en el uso de semiconductores de arseniuro de galio (GaAs) y de dispositivos superconductores. En nuestro caso nos referiremos exclusivamente a las familias TTL, CMOS, ECL e I2L.
Circuitos integrados TTL
Introducida originalmente por Texas Instruments en 1964, la familia TTL es de gran aceptación en el diseño de sistemas lógicos debido principalmente a su alta velocidad de operación, su fácil disponibilidad y su bajo costo. La mayor parte de los dispositivos TTL se especifican mediante una referencia de la forma AA74xxyy, donde AA es el código que identifica al fabricante (DM, SN, MM, TC, etc.), xx un código que identifica la subfamilia del dispositivo (LS, S, AS, etc.) y yy un número de dos o tres cifras que identifica la función del mismo.
El 74LS00, por
ejemplo, contiene 4 compuertas NAND de 2 entradas de tecnología TTL Schottky de
bajo consumo de potencia, mientras que el 7490 contiene un contador
decimal de 4 bits de tecnología TTL estándar. La serie 74, en general, se destina
para aplicaciones industriales y de propósito general. También se dispone de
una serie 54, funcionalmente equivalente a la serie 74, destinada a
aplicaciones militares. Esta última se caracteriza principalmente por su amplio
rango de temperaturas de operación (55°C a +125°C contra 0°C a +70°C).
Los circuitos integrados TTL, en general, operan con una tensión de alimentación nominal de +5V e interpretan niveles lógicos de voltaje como se indica en la figura 1. Específicamente, cualquier voltaje entre 0V y 0.8V (VIL,MAX) será interpretado por una entrada TTL como un bajo (0), y cualquier voltaje entre 2.0V (VIH,MIN) y 5.0V como un alto (1). Los voltajes de entrada entre 0.8V y 2.0V se consideran inválidos en TTL porque producen estados de salida indeterminados
Consecuentemente, los dispositivos TTL entregan voltajes de salida entre 0 y 0.4V (VOL,MAX) para el estado bajo (0) y entre 2.4V (VOH,MIN) y 5.0V para el estado alto (1). La diferencia de 0.4V entre VIL,MIN y VOL,MAX, y entre VOH,MIN y VIH,MIN, se denomina margen de ruido. Este margen de voltaje asegura que un pequeño transitorio de ruido (interferencia) en una línea de conexión no cambie el estado de la siguiente etapa.
Actualmente, la familia TTL comprende varias subfamilias que representan la búsqueda de un compromiso entre la necesidad de obtener altas velocidades de operación y la de reducir el consumo de potencia. Las más importantes son la estándar (74), la de baja potencia (74L), la de alta velocidad (74H), la Schottky (74S), la Schottky de bajo consumo (74LS) y las Schottky avanzadas (74AS y 74ALS). A continuación se resumen las características generales de cada una.
Familia
TTL estándar. Comprende los dispositivos identificados como 74xx,
por ejemplo 7402 o 74157. Se caracteriza por su alta velocidad de operación
(típicamente por encima de 20MHz) y su alto consumo de potencia (1 a 25 mW por compuerta). En la
figura 2 se muestra la estructura básica de una compuerta TTL estándar.
Con ligeras modificaciones, esta configuración se mantiene para las otras
familias TTL.
TTL de
baja potencia (L). Comprende los dispositivos identificados en
forma genérica como 74Lxx, por ejemplo 74L04 o 74L574. Consume 10 veces menos
potencia que TTL estándar pero es 4 veces más lenta. Esto se debe a que utiliza
resistencias de valores relativamente altos. Por ejemplo, algunas resistencias
de 4kohms y 1.6kohms de la configuración estándar son sustituidas por
resistencias de 40kohms y 20k, respectivamente.
TTL de
alta velocidad (H). Comprende los dispositivos identificados como
74Hxx, por ejemplo 74H08 o 74H368. Consume 2.5 veces más potencia que TTL estándar
pero es 2 veces más rápida. Esto se debe a que utiliza resistencias de valores
relativamente bajos. Por ejemplo, algunas resistencias de 4kohms y 1.6kohms de
la configuración estándar son sustituidas por resistencias de 2.8k ohms y 760
ohms, respectivamente.
TTL
Schottky. Comprende los dispositivos identificados como 74Sxx,
por ejemplo 74S30 o 74S244. Consume 1.8 veces más potencia que TTL estándar
pero es 4 veces más rápida. Esto se debe a que utiliza diodos Schottky entre
la base y el colector de cada transistor, constituyendo lo que se denomina un transistor
Schottky, figura 3. Estos últimos trabajan como interruptores no saturados
y pueden cambiar rápidamente de un estado a otro. En la figura 4 se
muestra la estructura típica de una compuerta TTL-S.
TTL Schottky de baja potencia. Comprende los dispositivos designados como 74LSxx, por ejemplo 74LS51 o 74LS373. Consume 5 veces menos potencia que TTL estándar y es igual de rápida. Esto se debe a que utiliza transistores Schottky no saturados y valores de resistencia relativamente altos comparados con la serie 74S. Es la subfamilia TTL más utilizada. En la figura 5 se muestra la estructura típica de una compuerta TTL-LS.
TTL Schottky avanzada. Comprende los dispositivos designados como 74ASxx, por ejemplo 74AS157 o 74AS240. Proporciona las más altas velocidades que el estado actual de la tecnología bipolar puede ofrecer (más de 600 MHz) y su consumo es intermedio entre TTL estándar y TTL-LS (menos de 7mW por compuerta).
TTL Schottky avanzada de baja potencia. Comprende los dispositivos designados en forma genérica como 74ALSxx, por ejemplo, 74ALS86 o 74ALS574. Consume la mitad de potencia de TTL LS y es dos veces más rápida. Una compuerta 74ALS tiene típicamente una disipación de potencia del orden de 1mW y un tiempo de propagación del orden de 4 ns.
Además de sus características de velocidad y potencia, las subfamilias TTL anteriores se diferencian también por sus características de carga, es decir la corriente que demanda una entrada de la fuente de señal y la corriente que puede entregar una salida al circuito de carga. Estas características, denominadas respectivamente abanico de entrada (fan-in) y abanico de salida (fan-out), determinan el número máximo de entradas de una misma subfamilia que pueden ser conectados a una salida de la misma u otra subfamilia.
Una entrada TTL
estándar, por ejemplo, se comporta como una fuente de corriente de 1.8mA. A
este valor se le asigna un fan-in de 1. Una salida TTL estándar, por su parte,
se comporta como una fuente de voltaje con una capacidad de corriente máxima de
18mA. Esto implica que puede impulsar hasta 10 entradas TTL del mismo tipo. En
otras palabras, tiene un fan out de 10. En la tabla 1 se
relacionan las características de carga típicas de otras subfamilias TTL
comunes.
Tabla 1. Características de carga de subfamilias TTL comunes
(*): Se asume que
tanto el dispositivo CMOS como el TTL operan a +5V. Se supone que se utiliza
una resistencia de valor adecuado entre la salida TTL y +5V. Esta resistencia,
denominada resistencia de amarre o de pull-up (RPU), mejora la
definición de los niveles altos vistos por las entradas CMOS.
Circuitos integrados
CMÓS
La familia CMOS o
MOS complementaria es de gran aceptación en el diseño de sistemas digitales
debido principalmente a su bajo consumo de potencia, su alta capacidad de
integración, su buena inmunidad al mido, su fácil disponibilidad y su bajo
costo. Incluye principalmente las siguientes series o subfamilias:
CMOS estándar. Llamada
también serie 4000B. Comprende los dispositivos identificados como 40xxB,
45xxB y 47xxB, por ejemplo 4011B, 4528B y 4724B. Se caracteriza por
su baja disipación de potencia (cerca de 10nW por compuerta) y su moderada
velocidad de operación (menos de 10MHz). Opera con tensiones de alimentación
(VDD) desde 3V hasta 18V e interpreta niveles de voltaje de entrada como se
indica en la figura 6, es decir desde 0 hasta 1/3 de VDD como bajos
(Os) y desde 2/3 de VDD hasta VDD como altos (1s). Consecuentemente,
produce niveles de salida muy próximos a 0V para el estado bajo (0) y
muy próximos a +VDD para el estado alto (1). En la figura 7 se
muestra la estructura típica de una compuerta CMOS.
También se dispone
de una serie CMOS estándar 4000A, más económica, formada por
dispositivos identificados como 40xxA o 40xx, digamos 4002A o 4013, que opera
con tensiones de alimentación desde 3V hasta 15V y tiene la misma definición de
niveles de la serie 4000B. Sin embargo, opera a frecuencias más bajas y tiene
una menor capacidad de corriente de salida. Además, es más sensible al daño por
electricidad estática o ESD (Electrostatic Damage).
CMOS
equivalente a TTL. Comprende los dispositivos designados como 74Cxx,
por ejemplo 74C14 y 74C164: Los mismos son funcionalmente equivalentes a
los de la serie TTL 74L y tienen la misma distribución de pines. Es un 50% más
rápida que la serie 4000B, pero consume un 50% más de potencia. Opera con
tensiones de alimentación desde 3V hasta 15V, excepto algunos casos
particulares, y responde a niveles lógicos CMOS estándares. Muchas funciones
CMOS de
alta velocidad. Compren-de los dispositivos designados como 74HCxx,
por ejemplo 74HC74 o 74HC259. Los mismos son funcionalmente equivalentes a
los de la serie TTL 74LS, tienen la misma distribución de pines y ofrecen
velocidades de conmutación comparables. Opera con tensiones de alimentación
desde 2V hasta 6V y niveles lógicos CMOS estándares. Es la tecnología que proporciona
actualmente el mejor compromiso entre velocidad de operación y consumo de
potencia.
CMOS de
alta velocidad con entradas TTL. Comprende los
dispositivos designados como 74HCTxx, por ejemplo 74HCT04 o 74HCT374.
Los mismos son funcionalmente equivalentes a los de la serie 74HC, operan
con el mismo rango de tensiones de alimentación y tienen la misma distribución
de pines, excepto que sus entradas son compatibles con niveles lógicos TTL. Es
la mejor alternativa de que se dispone actualmente para convertir sistemas
basados en lógica TTL a lógica CMOS.
Otras subfamilias CMOS
menos conocidas, caracterizadas principalmente por su alta velocidad, son las
series 74HVCxx (CMOS de muy alta velocidad), 74VHCTxx (HVC compatible
con TTL), 74ABT (BiCMOS avanzada compatible con TTL), 74ACxx (CMOS
avanzada), 74ACT (AC compatible con TTL), 74FCT (CMOS rápida
compatible con TTL), etc. También se dispone de dispositivos CMOS y TTL para
lógica de 3.3V, como las populares familias 74VCX, 74LCX, 74LVX, 74LVXT,
74LVQ, 74LVCH y 74LVT de Fairchild, Toshiba y otros fabricantes.
Circuitos integrados
ECL
Introducida por
Motorola en 1962 como MECL I, la tecnología ECL (Emitter-Coupled Logic), basada
en el uso de transistores bipolares actuando como interruptores no saturados,
se caracteriza principalmente por proveer tiempos de propagación muy cortos, típicamente
entre 1ns y 8ns, comparables a los de la subfamilia TTL Schottky avanzada. Por
esta razón es muy utiliza-da en aplicaciones de alta frecuencia. Sus principales
desventajas son el alto consumo de potencia y su incompatibilidad con TTL. En la
figura 8 se muestra la estructura típica de una compuerta ECL.
Circuitos integrados
I2L
La tecnología I2L (Integrated
Injection Logic), se caracteriza principalmente por su bajo consumo de
potencia y su alta capacidad de integración. Por esta razón se utiliza principalmente
en chips de alta densidad como relojes, sintetizadores de sonidos,
microprocesadores, etc., combinada generalmente con circuitería análoga. En la figura
9 se muestra la estructura típica de una compuerta I2L. Los
transistores Q1 y Q2, en particular, actúan como fuentes de corriente
constante, el valor de la cual, llamada corriente de inyección, se
programa mediante una resistencia externa.