ESCALAS DE INTEGRACIÓN DE LOS CIRCUITOS LÓGICOS SSI, MSI Y LSI (2024)

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El hombre encuentra a Dios detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir. Albert Eisntein (1879-1955). Físico alemán. Premio Nobel de Física.
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El esfuerzo de la industria electrónica en la miniaturización de sus equipos se ha visto compensado ampliamente con el descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se ha conseguido construir miles de componentes dentro de la misma cápsula, cuyas dimensiones son similares a las de un simple -transistor. Pero la enorme reducción de volumen no ha sido la única ventaja por la que los circuitos integrados se han hecho indispensables en muchas industrias de vanguardia (militar, aeroespacial, medicina, etc.), sino que las que se reseñan a continuación tienen tanta o mayor importancia:

• Reducción de coste: Pues aunque el proyecto y los utillajes necesarios para fabricar un Cl son mucho más costosos que los de un elemento clásico, como consecuencia del alto número de unidades que se hacen de cada tipo, el bajo precio del material base y la automatización del proceso, se tiene que algunos modelos de Cl resultan de un precio inferior al de un solo transistor.
• Aumento considerable de la fiabilidad: Un circuito integrado tiene una fiabilidad, en cuanto a funcionamiento y duración, mucho mayor que otro circuito similar implementado con componentes discretos, no sólo porque en este último caso la fiabilidad depende de cada uno de los componentes que lo forman, sino también debido a:
• El esmerado estudio que exige el proyecto de un circuitos integrados.
• Las modernas técnicas de fabricación.
• La reducción de longitud en las interconexiones.
• La menor influencia de la temperatura sobre los diversos componentes, por estar todos contenidos en una mínima superficie y afectarles por igual
• El encapsulado total de los componentes, que aumenta su protección.
• La respuesta de un circuito integrado es mucho más rápida, pues el paso de la corriente depende de las longitudes de las interconexiones, que son mínimas.
• Reducción importante de las capacidades parásitas que existen entre los componentes, a causa de su proximidad
• Reducción de tiempo en la localización de averías, puesto que el sistema que ha de usarse es el de la sustitución de los. circuitos integrados defectuosos, ya que es imposible su reparación.
• Esta característica lleva aparejada una formación más completa y teórica de técnicos electrónicos, así corno el uso de instrumental más complejo.
• Reducción de stocks para las reparaciones y montajes.
• Eliminación de los posibles errores en el montaje e interconexión de componentes.
• Dado el bajo coste que en un circuitos integrados supone la fabricación de transistores y diodos, éstos se pueden utilizar con gran profusión, mejorando las especificaciones técnicas de los circuitos.
• También hay que tener en cuenta al emplear los circuitos integrados que existen ciertas limitaciones e inconvenientes, entre los que se citan:
• Los valores de las resistencias y condensadores integrados no pueden superar ciertos máximos y, además, con tolerancias importantes y coeficientes de temperatura pequeños; por este motivo, este tipo de componentes suelen quedar en el exterior del circuito integrado, aunque con las mejoras en los procesos de fabricación constantemente se están superando estas limitaciones.
• Dadas sus dimensiones, la potencia máxima que pueden disipar los circuitos integrados es reducida.
• Las grandes dificultades en la construcción de bobinas e inductancias en el circuitos integrados hacen que no sean integradas en la mayoría de los casos.
• No es conveniente, dado el bajo -rendimiento, integrar en el mismo chip los dos tipos de transistores: PNP y NPN.
• En países como España, en los que se fabrican pocos circuitos integrados, y están en la fase inicial de producción (la mayoría deben ser importados), es preciso escoger con cuidado los modelos con que se ha de trabajar, procurando que existan diferentes fuentes de suministro.
• La manipulación de circuitos integrados exige instrumental y herramientas adecuadas. Así, los soldadores especiales de punta fina, las pinzas extractoras, los desoldadores, los zócalos, las placas específicas de circuito impreso, osciloscopio de doble trazo, polímetro digital, generador de funciones y sondas lógicas, deben ser, entre otros, los nuevos elementos que han de incorporarse al taller electrónico.

1 ESCALAS DE INTEGRACIóN DE LOS CIRCUITOS LóGICOS SSI, MSI, LSI Y VLSI

La rapidez del desarrollo tecnológico ha dado lugar a que se puedan integrar simultáneamente en un mismo dispositivo un número determinado de puertas entre sí, que realizan una función concreta, así a principio de los años sesenta llegó la aparición del circuito integrado

A partir de entonces se han ido mejorando las técnicas de fabricación de forma espectacular, hasta llegar a la actualidad, donde es posible encontrar en una superficie de algo más de 1 cm cuadrado cientos de miles de puertas lógicas.

Dependiendo del número de elementos puertas que se encuentren integrados en el chip se dice que ese circuito está dentro de una determinada escala de integración.

Las escalas que aquí vamos a tratar son las siguientes:

• SSI (Short Scale Integration): Es la escala de integración mas pequeña de todas, y comprende a todos aquellos integrados compuestos por menos de 12 puertas
• MSI (Médium Scale Integration): Esta escala comprende todos aquellos integrados cuyo número de puertas oscila ente 12 y 100 puertas. Es común en sumadores, multiplexores,... Estos integrados son los que se usaban en los primeros ordenadores aparecidos hacia 1970.
• LSI (Large Scale Integration): A esta escala pertenecen todos aquellos integrados que contienen más de 100 puertas lógicas (lo cual conlleva unos 1000 componentes integrados individualmente), hasta las mil puertas. Estos integrados realizan una función completa, como es el caso de las operaciones esenciales de una calculadora o el almacenamiento de una gran cantidad de bits. La aparición de los circuitos integrados a gran escala, dio paso a la construcción del microprocesador . Los primeros funcionaban con 4 bits (1971) e integraban unos 2.300 transistores; rápidamente se pasó a los de 8 bits (1974) y se integraban hasta 8.000 transistores. Posteriormente aparecieron los microprocesadores de circuitos integrados VLSI
• VLSI: (Very Large Scale Integration) de 1000 a 10000 puertas por circuito integrado, los cuales aparecen para consolidar la industria de los integrados y para desplazar definitivamente la tecnología de los componentes aislados y dan inicio a la era de la miniaturización de los equipos apareciendo y haciendo cada vez mas común la manufactura y el uso de los equipos portatiles.

2 CARACTERíSTICAS GENERALES DE LAS PUERTAS INTEGRADAS

Las características funcionales de los circuitos integrados a tener en cuenta en el proceso de diseño, montaje, comprobación y uso, son las siguientes:

2.1 TENSIÓN DE ALIMENTACIóN Y TOLERANCIA

La tensión típica de los circuitos de los circuitos integrados es de 5 v. Dicha tensión es común en las series TTL, cuya tensión oscila entre 4´75 y 5´25 v, requiriendo de esta forma una fuente de alimentación bien filtrada y estabilizada. Las puertas CMOS poseen un margen de alimentación mucho más amplio (entre 3 y 18 v), y no requieren ni estabilidad ni ausencia de rizado en estas.

2.2 TEMPERATURA MáXIMA DE TRABAJO:

Existe un intervalo de temperaturas para el cual está garantizado el funcionamiento de los circuitos integrados digitales: el intervalo "normal" de funcionamiento va de -40ºC a 85ºC para CMOS y de 0ºC a 70ºC en TTL (en ambos casos con indicativo 74).

Existen, además, series denominadas "militares" para aplicaciones que requieren mayor rango de temperaturas, de -55ºC a 125ºC se distinguen porque su numeración empieza por 54 y su encapsulado es cerámico.

Ha de tenerse en cuenta que las características de una puerta lógica varían fuertemente con la temperatura; en general empeoran al aumentar la temperatura, lo cual se refleja en reducción de los márgenes de ruido y de la velocidad de trabajo y en aumento del consumo. El mismo circuito desprende calor, como consecuencia de la disipación de la energía que utiliza en su funcionamiento, y causa una elevación de su propia temperatura que, en ocasiones, puede ser importante. Por ello, el diseño de un sistema digital ha de tener en cuenta el rango de temperaturas en el que va a trabajar y, si es preciso, debe incluir un mecanismo de refrigeración adecuado.

Otra indicación de temperatura que proporcionan los catálogos es el rango que soportan los circuitos integrados para su almacenamiento, que suele ser de -65ºC a 150ºC

2.3 FAN - OUT:

Este término se emplea para indicar el máximo número de entradas que se pueden conectar a un determinado circuito. Está relacionado directamente con la máxima corriente que puede circular por la salida de un determinado circuito digital, expresada en unidad de carga (la corriente máxima que circula por una entrada de la puerta básica de la familia lógica considerada).

Si una puerta tiene un fan-out de 15 , lo que nos quiere decir es que no se pueden conectar más de 10 entradas a esa salida (siempre de la misma familia)

La familia lógica TTL tiene un fan-out de 10, mientras que la familia lógica CMOS tiene un fan-out de 50.

2.4 NIVELES DE TENSIóN DE ENTRADA Y SALIDA:

Dada una determinada familia lógica con una alimentación concreta, existirán una serie de valores de tensión para la entrada mediante los cuales ésta podrá discernir el valor de voltaje que por ella introduzca interpretándolo como nivel bajo, "0" lógico o nivel alto, "1" lógico.

A la salida sucede igualmente, es decir, habrá dos niveles de tensión que delimitarán el estado Alto o Bajo de ella.

• Cualquier valor comprendido entre +2,5 y la alimentación (=+5V) aplicada a la entrada de una puerta lógica, ésta lo interpretará como un "1" lógico. Por lo que existe un valor mínimo para la tensión del estado alto que denominamos VIHmin. (El valor máximo para el nivel alto en la entrada coincide aproximadamente con la alimentación).
• Igual podemos decir que, cuando la tensión en una de sus entradas está comprendida entre 0 y +1,5 V., la puerta interpretará que se trata de un "0" lógico; por lo tanto existe un valor máximo de tensión a la entrada que representa un "0" lógico y que denominamos VILmax.
• Para la salida, en 0: una puerta que responde con un nivel alto ("1" lógico) el valor de la tensión estará comprendido entre +3 y +5V.
• Cuando el valor de la tensión de salida está comprendido entre 0 y +1 voltio, se interpreta que hay un "0" lógico, por lo que valor máximo a la salida para niveles bajos VOLmax es de 1V y entra dentro de los valores admitidos a la entrada como niveles bajos.
• Con un valor de tensión la entrada, comprendido entre +1,5 y +2,5 V no hay garantía de que la puerta lo interprete correctamente.
• A la salida, una puerta que dé una tensión, comprendida entre +1 y +3 V no funciona de manera correcta dado que puede entregar un valor a la entrada de la siguiente puerta, dentro de un rango prohibido.

2.5 MARGEN DE RUIDO

El ruido es un tema de vital importancia, que se debe tener presente en el diseño de sistemas electrónicos, tanto analógicos como digitales. En muchas ocasiones, el ruido es fuente de problemas para el diseñador, ya que no es fácil conocer el origen del mismo y sus efectos sobre el equipo o sistema diseñado.

Se entiende por ruido toda perturbación no voluntaria que pueda modificar de forma inadecuada los niveles de salida de un integrado, es decir, que aparezca en una salida un nivel de tensión alto cuando debería ser bajo o viceversa. Las fuentes de ruido más importantes suelen ser:

• Ruido ambiental, radiado en las cercanías del sistema digital. Algunos ejemplos son: motores con escobillas, contactores, relés, máquinas de soldadura, etc.
• Ruido exterior al sistema digital, que se acoplan por la fuente de alimentación.
• Picos en la alimentación provocados por cambios bruscos de consumo. Por ejemplo, conmutaciones sobre líneas de alterna o continua con cargas fuertes.
• Ruido acoplado en conexiones o- líneas cercanas.
• Ruido producido por reflexiones y oscilaciones en líneas mal adaptadas.
• Los tipos de acoplo entre las fuentes de ruido y el circuito susceptible a él son:
• Acoplo por impedancia común.
• Acoplo magnético o inductivo.
• Acoplo electrostático
• Acoplo por radiación
• El ruido se puede presentar en un sistema digital de dos formas:
• Como una tensión de variación aleatoria, pero con una cierta componente continua (o pulsos de larga duración) que se suma algebráicamente a los niveles de las tensiones del circuito sacando a éstas de sus márgenes permitidos Este tipo de ruido se denomina ruido en continua (D. C.) o analógico.
• Como impulsos de menor duración que, según su amplitud, pueden ser interpretados como niveles altos o como bajos. Este tipo de ruido, cuyo camino de acoplo suele ser capacitivo, se denomina ruido en alterna (A. C.).

En determinados casos, cuando el nivel de ruido es del orden de magnitud de la señal eléctrica, esta puede llegar a ser enmascarada con el con-siguiente mal funcionamiento del circuito, como veremos a continuación:

Supongamos que a la salida de la puerta A, hay un "0" lógico, esto significa que la tensión en ese punto puede ser cualquier valor comprendido entre 0 y +1 Voltio, como a la entrada de la puerta B cualquier valor comprendido entre 0 y +1,5 Voltios.

Lo interpreta como "0" lógico estaría dentro del margen de seguridad, pero si la puerta A generase una cantidad de ruido mayor a 0,5 Voltios, o la entrada a la puerta B lo captase, significaría esto que la entrada de la puerta B se encontraría con una tensión mayor de +1,5 Voltios que es la VILmax que nos garantiza el buen funcionamiento del circuito; luego podemos decir que el margen de ruido permitido (en las peores condiciones) es de 0,5 V. O lo que es lo mismo, la inmunidad al ruido para niveles bajos es de 0,5 V.

Como el ruido puede hacer que la señal eléctrica aumente o disminuya su valor como indica la figura anterior para un nivel alto de salida en la puerta A de +3 V está dentro del margen de entrada aceptado por la puerta B no estaría garantizado, por lo que igualmente la inmunidad al ruido a nivel alto sería también 0,5 V.

Resumiendo podemos decir que los márgenes entre VOLmax, VILmax por un lado y VOHmin, VIHmin por otro han de ser lo más grande posible posible al objeto de que un circuito sea lo más inmune posible al ruido y tenga las máximas garantías de funcionamiento.

2.6 TIEMPO DE PROPAGACIóN MEDIO:

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:

Tplh = Tiempo de paso de nivel alto a bajo: es el tiempo entre un determinado punto del impulso de entrada y el correspondiente impulso de salida, cuando la salida cambia de 0 a 1.

Tphl = Tiempo de paso de nivel bajo a alto: es el tiempo entre un determinado punto del impulso de entrada y el correspondiente impulso de salida, cuando la salida cambia de 1 a 0.

Como norma se suele emplear el tiempo medio de propagación, que se calcula como:

Tpd = (Tphl + Tplh)/2

2.7 DISIPACIóN DE POTENCIA

Teniendo presente que los niveles de tensión de entrada y salida de los circuitos digitales pueden adoptar dos valores perfectamente definidos (L o H) y la disipación de potencia para cada uno de estos dos estados es diferente, la disipación de potencia en circuitos digitales se define bajo las condiciones de un ciclo de trabajo del 50 %; es decir, trabajando en un régimen en que la mitad del tiempo hay niveles bajos y la otra mitad niveles altos.

Si se llama PL, a la potencia disipada cuando hay un nivel bajo Y PH a la potencia disipada ante un nivel alto, se tendrá que la potencia media total, PT, valdrá:

Cuanto menor sea el consumo por puerta lógica, para una determinada tecnología de fabricación, mayor será el número de puertas que se podrán integrar sobre un mismo chip sin superar los límites de disipación del sustrato del mismo. De ahí la importancia, para altas densidades de integración, de que la disipación de potencia sea lo menor posible.

Desde el punto de vista global de un equipo digital, la potencia disipada es un parámetro importante (que depende del consumo de cada uno de los elementos que lo constituyen), que deberá reducirse en la medida de lo posible, ya que ello supone minimizar los costos de refrigeración, fuente de alimentación y líneas de distribución.

En algunas tecnologías apenas existe consumo de energía cuando los niveles de tensiones no varían, pero sí que existe cuando se producen transiciones de nivel alto a bajo o viceversa. En estos casos es común distinguir entre disipación de potencia en condiciones estáticas (sin transiciones entre niveles) y en condiciones dinámicas (con transición de niveles). En este último caso la disipación de potencia depende fuertemente de la rapidez de las transiciones de niveles, es decir, de la frecuencia de las señales involucradas.

3 FAMILIA TTL

La familia lógica transistor-transistor es la más usada. Todos los fabricantes de cierta importancia tienen una línea de productos TTL y, en general, los Cl TTL son producidos por casi todas las compañías. La familia TTL consta a su vez de las siguientes subfamilias:

• TTL estándar
• TTL de baja potencia o bajo consumo
• TTL de alta velocidad
• TTL Schottky
• TTL Schottky de baja potencia

TTL es estandar

El circuito funciona con una alimentación única de + 5V, ± 5 % y es compatible con todos los circuitos de otras subfamilias TTL, así como también con la familia lógica DTL. Tiene un retraso típico de 10 ns, temperatura de trabajo de 0ºC a 70ºC, fan-out de 10, margen de ruido en estado 0 y en 1 de 400 mV, una potencia de disipación de 10 mW or puerta y una frecuencia maxima para los flip-flop de 35 MHz. Corresponde a la serie SN 54174 de Texas, conocida y utilizada mundialmente.

TTL de baja potencia " LPTTL, serie 54174 L)

Tiene un retraso de propagación típico de 33 ns, una potencia de consumo por puerta de 1 mW y una frecuencia máxima de 3 MHz de funcionamiento para los flip-flop. Su empleo se especializa en aplicaciones de bajo consumo y mínima disipación.

TTL de alta velocidad (HTTL, Serie SN 54 H174 H)

Los parámetros típicos de esta subfamilia son: retraso en la propagación por puerta de 6 ns, consumo de 22 mW por puerta y frecuencia operativa máxima de flip-flop de 50 MHz.

TTL Schottky" (STTL, Serie SN 54 S/74/S)

El circuito TTI, Schottky ha sido uno de los más recientes desarrollos y constituye el más rápido de las subfamilias TTL, aproximándose su velocidad a la familia lógica ECL. Se caracterizan por su rapidez, ya que no almacenan cargas y porque son muy sencillos de fabricar.

El circuito es similar al TTL de alta velocidad, pero la base de cada transistor está conectada al colector a través de un diodo de Schottky. El diodo actúa como desviador de] exceso de corriente de base cuando el transistor se activa, y guarda una carga almacenada, evitando la saturación de los transistores. La ausencia de-una carga almacenada reduce el tiempo del cambio del transistor y aumenta la velocidad del circuito. La subfamilia Schottky tiene una propagación típica de 3 ns, un consumo de 19 mW y una frecuencia máxima de flip-flop de 125 MHz.

TTL Schottky de baja potencia- (LSTTL, Serie 54 LS174 LS)

El circuito TTL Schottky de baja potencia es el mas reciente de la familia TTL y con él se ha intentado llegar a un compromiso entre la velocidad y la potencia consumida..

Tiene una propagación típica de 10 ns (igual que la TTL estándar) y un consumo por puerta de sólo 2 mW, con una frecuencia máxima de flip-flop de 35 MHz.

FAMILIA CMOS

La familia lógica de MOS complementarios está caracterizada por su bajo consumo. Es la más reciente de todas las grandes familias y la única cuyos componentes se construyen mediante el proceso MOS. El elemento básico de la CMOS es un inversor.

Los transistores CMOS tienen características que los diferencian notablemente de los bipolares:

• Bajo consumo, puesto que una puerta CMOS sólo consume 0,01 mW en condiciones estáticas (cuando no cambia el nivel). Si opera con frecuencias elevadas comprendidas entre 5 y 10 MHz, el consumo es de 10 mw.
• Los circuitos CMOS poseen una elevada inmunidad al ruido, normalmente sobre el 30 y el 45 % del nivel lógico entre el estado 1 y el 0. Este margen alto sólo es comparable con el de la familia HTL.

Con las ventajas reseñadas, la familia CMOS se emplea en circuitos digitales alimentados por baterías y en sistemas especiales que tienen que funcionar durante largos períodos de tiempo, con bajos niveles de potencia. La elevada inmunidad al ruido es la ventaja principal para su aplicación en los automatismos industriales.

Las desventajas que sobresalen en la familia CMOS son su baja velocidad, con un retardo típico de 25 a 50 ns o más, especialmente cuando la puerta tiene como carga un elemento capacitivo; también hay que citar que el proceso de fabricación es más caro y complejo y, finalmente, la dificultad del acoplamiento de esta familia con las restantes.

Una característica muy importante de la familia CMOS es la que se refiere al margen de tensiones de alimentación, que abarca desde los 3 a los 15 V, lo que permite la conexión directa de los componentes de dicha familia con los de la TTL, cuando se alimenta con 5 V a los circuitos integrados CMOS.

La serie 4000 de circuitos integrados CMOS es muy popular y consta, entre otros, de los siguientes modelos.

• 4000 Dos puertas NOR de 3 entradas y un inversor.
• 4001 4 puertas NOR de 2 entradas.
• 4002 2 puertas NOR de 4 entradas.
• 4011 4 puertas NAND de 2 entradas.
• 4012 2 puertas NAND de 4 entradas.
• 4013 2 biestables tipo D.
• 4015 2 registros de desplazamiento de 4 bits.
• 4017 Divisor-contador de décadas con 10 salidas.
• 4020 Contador binario de 14 etapas.
• 4023 3 puertas NAND de 3 entradas.
• 4025 3 puertas NOR de 3 entradas.
• 4027 2 biestables J-K.
• 4028 Decodificador BCD/decimal.
• 4035 Registro de desplazamiento con entrada serie/paralelo y salida paralelo.
• 4042 4 registros D.
• 4043 4 RS con puertas NOR.
• 4044 4 RS con puertas NAND.
• 4049 6 buffer inversores.
• 4051 Multiplexor/demultiplexor analógico de 8 canales.
• 4052 2 multiplexores/demultiplexores de 4 canales.
• 4068 Una puerta NAND de 8 entradas.
• 4069 6 inversores.
• 4070 4 puertas EOR de 2 entradas.
• 4071 4 puertas OR de 2 entradas.
• 4072 2 puertas OR de 4 entradas.
• 4081 4 puertas AND de 2 entradas.

Dentro de la familia CMOS, se ha citado la serie 4000, que se caracteriza por tener una tensión de alimentación de 3 a 18 V, un consumo por puerta de 2,5 nW y un tiempo de propagación por puerta de 40 ns. En el mismo grupo hay dos subfamilias, cada vez más empleadas, que son:

• HCMOS (CMOS de Alta Velocidad), con tensión de alimentación entre 2 y 6 V, consumo de 2,5 nW y tiempo de retraso de 9 ns. Es la serie 74HC.
• HCMOS (CMOS de alta velocidad y compatible con TTL), con tensión de alimentación de 5 V, consumo de 2,5 nW y tiempo de retraso por puerta de 9 ns.. Es la serie 74HCT.

Así como cuando se trabaja con puertas TTL si una entrada no utilizada se deja sin polarizar actúa como entrada con nivel alto, en las de tecnología CMOS se deben de unir directamente a la alimentación o a masa, según se desee se comporten con nivel alto o bajo, respectivamente.

A continuación se exponen los valores más relevantes de los parámetros de la familia CMOS, alimentada a 5 V, y los de la TTL.