Esta columna examina la evolución de la tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS), inventada por Frank Wanlass en 1963.
Esta columna examina la evolución de la tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS), inventada por Frank Wanlass en 1963.
En mi última columna, analicé la evolución de las piezas de la lógica transistor-transistor (TTL) desde la familia lógica original de la serie 7400 hasta las piezas 74AS y 74ALS. El resultado de esta evolución son piezas más rápidas y un menor consumo de energía. Todo esto es genial, pero ninguna parte TTL puede igualar el ahorro de energía que obtiene de la tecnología complementaria de semiconductores de óxido de metal (CMOS).
El único factor que obstaculizó la adopción generalizada de CMOS en ese momento fueron los retrasos de propagación muy lentos asociados con la familia de componentes CMOS de la serie 4000.
Así que echemos un vistazo a la evolución de CMOS también. El primer circuito CMOS fue inventado y patentado por Frank Wanlass en 1963 mientras trabajaba en Fairchild Semiconductor. En 1968, RCA presentó la familia CD4000. En una columna hace un par de veces (vea la Parte 2 y la Parte 3 de los circuitos integrados lógicos), Hoja de datos CD4011.
Tiempo después apareció la serie 74C con pinouts compatibles con las piezas del 7400 TTL. Las piezas de la serie 74C000 son más rápidas que las de la serie 4000, tienen un rango de voltaje ligeramente más bajo y consumen un poco más de energía. Estos componentes CMOS más nuevos no eran tan rápidos como sus contrapartes TTL, por lo que si bien eran útiles para algunas aplicaciones, en realidad no reemplazaban a TTL.Hasta donde sé, la serie 74C00 está obsoleta, pero logré encontrar Esta hoja de datos para 74C00.
El siguiente gran paso adelante fue la serie 74HC. Esto dio una mejor (más rápida) propagación con menor consumo de corriente. El rango de tensión de funcionamiento no es tan bueno como el de la serie 4000, pero sigue siendo más amplio que el TTL. No lo pasé mal porque todavía puedo comprar piezas de 74HC. Esta hoja de datos para el 74HC00.
Los componentes 74HCxx tenían el mismo pinout que sus contrapartes TTL y eran similares en velocidad, por lo que pude colocarlos en una placa diseñada para el 7400 TTL. Esto estuvo bien siempre que pudiera reemplazar todos los componentes TTL, o al menos no tener salidas TTL para impulsar sus entradas CMOS (consulte mi columna anterior sobre este tema). Pero las buenas personas que idearon la serie 74HC anticiparon nuestra necesidad, por lo que también desarrollaron la serie 74HCT.
Todavía tengo algunos libros de datos de la serie 74HC. Uno de Texas Instruments (TI) y otro de National Semiconductor (ahora parte de TI).
Después de eso, se lanzaron las series 74AC/ACT y 74AHC, y la velocidad se incrementó aún más.Una vez más, estas piezas todavía están disponibles y encontré estas hojas de datos 74AC00 y 74AHC00.
También tengo el libro de datos FACT de National Semiconductor de 1989 que presenta la serie 74AC/ACT.
También descubrí que hay una serie 74VHC, pero aparte de eso, no estoy seguro. 74VHC00 hoja de datos Encontrado de Fairchild.
Así que echemos un vistazo a estas piezas y comparémoslas con el CD4011 que cubrí en una columna anterior. Comience con las partes regulares de CMOS y construya la tabla como lo hizo antes (veremos las partes diseñadas para interactuar con TTL por separado).
Si tomamos los parámetros de estas hojas de datos y los ponemos en una hoja de cálculo, podemos compararlos más fácilmente y obtenemos la siguiente tabla.
Lo primero que notará es la gran diferencia de velocidad entre el CD4011 y el 74C00. Casi tres veces más rápido. Por supuesto, todavía no es tan rápido como TTL, por lo que no se usó mucho fuera de las aplicaciones de bajo consumo. Además, el rango de la fuente de alimentación es bastante estrecho. Tenga en cuenta que en 74HC00 hay otro gran salto de velocidad. Esto viene con una reducción significativa en el rango de potencia.
Cuando aparecieron las piezas de la serie 74HC a principios de la década de 1980, su rendimiento era lo suficientemente bueno como para reemplazar las piezas TTL con piezas CMOS de potencia mucho menor en muchas aplicaciones. Se siguieron utilizando piezas TTL más rápidas en aplicaciones que exigen velocidad, pero estábamos trabajando en productos en los que el bajo consumo de energía era mucho más importante que la velocidad, por lo que rápidamente diseñamos estas nuevas piezas en nuestros sistemas.
Se realizaron más mejoras de velocidad a fines de la década de 1980 con las piezas 74AC y 74AHC. Las partes del 74VHC se parecen a las de la serie 74AC, pero no recuerdo exactamente cuándo. A fines de la década de 1980, las piezas CMOS eran adecuadas para su uso en todos los diseños, excepto en los de mayor velocidad.
Al armar la hoja de cálculo anterior, si bien es buena para comparar, quedó claro que esta hoja de cálculo no brindaba una imagen completa. Entonces, si bien es conveniente usar una hoja de cálculo como esta para realizar comparaciones, tendrá que volver a las hojas de datos de las partes que planea usar para obtener los detalles.
Una característica que no se cubre en estas comparaciones (aunque podría serlo) es el rango de temperatura de estas partes. Las piezas de la serie 7400 tienen un rango de temperatura de funcionamiento de 0 °C a 70 °C, mientras que las piezas de la serie 4000 tienen un rango de temperatura de -55 °C a 125 °C. Dado que estas partes CMOS están numeradas 74xx, puede esperar que tengan el mismo rango de temperatura que las partes 7400 TTL. Es una agradable sorpresa descubrir que los dispositivos CMOS tienen un rango de temperatura más amplio que sus contrapartes TTL (aunque no tanto como la serie 4000).
Otro tema muy importante es el consumo de energía de estos componentes. Mirando la fila de corriente de suministro en la hoja de cálculo, podría pensar que la corriente de suministro no es una gran preocupación. Después de todo, son solo microamperios.
Aquí es donde realmente necesita prestar atención a la hoja de datos. El número ingresado en la hoja de cálculo es la corriente de reposo. Esta es la corriente que se ve cuando el dispositivo se enciende con todas las entradas a 0 V o V.CC Y su salida no requiere corriente. Se admitirá que ésta no es una condición muy interesante. Después de todo, ¿cuál es el punto si tienes un circuito lógico y no funciona?
Entonces, ¿cómo encuentras la potencia necesaria para un circuito lógico CMOS que realmente hace algo? En la mayoría de estas hojas de datos encontrarás el parámetro C.PD, que aparece como capacidad de consumo de energía. Tengo que tener cuidado con este número porque puede ser por puerta o puede que no sea obvio, pero todavía no sé cómo usar este número.
Desafortunadamente, las hojas de datos que estamos viendo no tienen la respuesta (aunque he visto que sí). Este informe de aplicación de TI Acerca del consumo de energía CMOS. Se recomienda encarecidamente la lectura de este documento, ya que no solo proporciona las fórmulas, sino que también explica las causas del consumo de energía. Tenga en cuenta que dije “expresión” (plural). Esto se debe a que el consumo de energía de un CMOS IC consta de tres partes, cada una con su propia fórmula.
Primero, el consumo de energía estática (también llamada estática) (PS.). Esta es la cantidad de energía que consume la pieza cuando está encendida y no hace nada. Esta fórmula es:
PAG.S. = yoCC *VCC
donde vCC es el voltaje de suministro, yoCC es la corriente de suministro de la hoja de datos.
Luego está el consumo de energía dinámico. Esto se divide además en dos partes. Consumo de energía temporal (Pt) es la potencia disipada cuando el transistor está en el interruptor del chip, y la potencia disipada en la carga capacitiva (Pl) es la potencia requerida para cargar la capacitancia de carga externa en la salida. Ambas partes del consumo de energía dinámico dependen de la frecuencia. Estas fórmulas son:
PAG.t =CPD *VCC2 *FI *NORTESUDOESTE
PAG.l =Cl *VCC2 *F〇 *NORTESUDOESTE
Por otro lado, C.PD es la capacidad de disipación de potencia de la hoja de datos, NSUDOESTE es el número de bits de conmutación, fI y f〇 son las frecuencias de entrada y salida, respectivamente.
Finalmente, si queremos encontrar el consumo de energía total, necesitamos encontrar la potencia dinámica de la frecuencia de entrada de cada puerta y la capacitancia de carga de cada salida de puerta y sumarlas a la energía estática.
Todo esto suena como mucho trabajo, pero lo es si quieres números exactos. Afortunadamente, la mayoría de las veces necesita una aproximación para saber cuánta corriente necesita de su fuente de alimentación y/o qué tan caliente se calentará este chip. En estos cálculos aproximados iniciales, fI y f〇 La máxima frecuencia que tendrás, que NSUDOESTE es igual al número de salidas y que Cl Dado que todas las salidas son iguales al máximo Cl cualquiera de ellos. El uso de estas suposiciones da la potencia máxima que el circuito puede disipar.
Ahora ejecutemos algunos cálculos de ejemplo y veamos los resultados como se muestra en la siguiente hoja de cálculo.
Todos estos cálculos se realizaron utilizando 1 MHz a 5,5 V (5 V +10 %) para facilitar la comparación. Excepto por la potencia transitoria CD4011 obtenida usando el gráfico en la página 2 de la hoja de datos. Asegúrese de que todas las unidades, excepto la potencia total, estén en μW. Usar mW no tiene sentido hasta que calcule la potencia total.
Al observar estos resultados, es fácil ver que la potencia transitoria (incluso a 1 MHz) es mucho mayor que la potencia estática. Además, la potencia de carga es menor que la potencia transitoria, pero sigue siendo importante. De hecho, dimensionar una fuente de alimentación utilizando solo energía estática puede llevar a sorpresas desagradables.
Por supuesto, como joven ingeniero, debo admitir que descuidé estos cálculos. Afortunadamente, mi circuito aún funcionaba porque la fuente de alimentación tenía un tamaño original para 74LS TTL.
Desafortunadamente, me estoy quedando sin tiempo nuevamente, así que tendré que guardar la siguiente parte de mi viaje CMOS (incluidas las partes compatibles con TTL) para la siguiente columna. Mientras tanto, agradecemos sus comentarios, preguntas y sugerencias.