Esta serie de artículos proporciona una descripción general de los conceptos básicos y está destinada a los ingenieros de hardware y software que trabajan con sistemas integrados. En sesiones anteriores, cubrimos algunos de los circuitos electrónicos básicos que subyacen a los sistemas integrados. Hoy continuamos nuestra revisión de conceptos de circuitos digitales.
Esta serie de artículos proporciona una descripción general de los conceptos básicos y está destinada a los ingenieros de hardware y software que trabajan con sistemas integrados. En sesiones anteriores, cubrimos algunos de los circuitos electrónicos básicos que subyacen a los sistemas integrados. Hoy continuamos nuestra revisión de conceptos de circuitos digitales.
¿Qué es un circuito integrado digital?
La abreviatura IC significa “circuito integrado” y en realidad significa un chip basado en semiconductores que contiene un conjunto integrado de circuitos digitales. Hay muchos tipos de circuitos integrados digitales. La siguiente lista muestra los tipos de circuitos integrados utilizados para diversas aplicaciones.
- Microcomputadora: Un IC que realiza varios procesos.
- Memoria: Un IC que almacena datos.
- Circuitos integrados lógicos estándar: circuitos integrados ensamblados en varias combinaciones para implementar funciones específicas.
- IC de lógica personalizada: un circuito patentado original implementado por o para las necesidades de un usuario específico.
Un circuito integrado lógico estándar es un paquete integrado único y pequeño que contiene los componentes básicos y las funciones comunes de un circuito lógico. Estos circuitos integrados son los componentes centrales de los circuitos lógicos. La sesión de hoy sobre circuitos integrados digitales se centrará en este tipo de circuitos integrados.
Circuitos integrados lógicos estándar: la base de los circuitos digitales
Hay alrededor de 600 tipos de circuitos integrados lógicos estándar, que van desde chips básicos hasta unidades aritméticas sofisticadas. Hay dos tipos diferentes de implementaciones: TTL y CMOS.
- TTS (lógica transistor-transistor) IC: El circuito principal consta de transistores bipolares. Estos chips funcionan con una fuente de alimentación de 5 V.
- CI CMOS (Semiconductor de óxido de metal complementario): el circuito principal consta de un par de transistores de efecto de campo (MOSFET) semiconductores de óxido de metal tipo p y tipo n. Los voltajes utilizados para impulsar estos chips abarcan una amplia gama.
Si un diseño requiere el paso de señales entre circuitos integrados digitales, el diseñador debe conocer las condiciones lógicas que producen un nivel alto o bajo y los rangos de voltaje que representan estas condiciones. Los rangos de tensión correspondientes a las condiciones lógicas se denominan niveles lógicos. Los circuitos integrados de comunicación deben utilizar los mismos niveles lógicos. El uso de diferentes niveles puede impedir la comunicación e incluso dañar el IC.
Por convención, TTL IC utiliza los siguientes niveles:
- Señal de entrada: 0 V a 0,8 V es L; 2,0 V y superior es H.
- Señal de salida: 0 V a 0,4 V es L, 2,4 V o más es H.
Los fabricantes de circuitos integrados TTL deben diseñar sus circuitos integrados para cumplir con los estándares de interfaz TTL anteriores. Los diseñadores lógicos que se ocupan de las comunicaciones TTL IC no deben preocuparse por los niveles lógicos, ya que estos valores ahora son estándar.
La situación es diferente para los circuitos integrados CMOS, donde hay muchas series diferentes con diferentes niveles lógicos, que también pueden diferir según el voltaje suministrado. Esto significa que los diseñadores deben tener cuidado de usar niveles lógicos consistentes al conectar diferentes circuitos integrados CMOS.
Importancia de la distribución
Al conectar circuitos integrados lógicos estándar, se debe tener cuidado de no conectar demasiados circuitos integrados a una salida. Para los circuitos integrados TTL, la corriente de salida limita el número de conexiones de circuitos integrados. El término fanout se refiere a la cantidad máxima de circuitos integrados a los que se puede conectar una salida. Recuerde que los circuitos integrados TTL se componen principalmente de transistores bipolares. Por lo tanto, se requiere corriente para realizar la conmutación. El fanout de un IC TTL es la relación entre su corriente de salida y la corriente utilizada por cada entrada (consulte la Figura 3). Exceder el fanout puede evitar que las salidas mantengan los niveles lógicos de salida adecuados.
En el caso de un CMOS IC con muy poca corriente fluyendo a través de los pines de entrada, no es posible juzgar el fanout observando la corriente. En cambio, el fanout está determinado por la capacitancia de carga. (Consulte la Fig. 4) La capacitancia de carga enumerada en la hoja de datos de CMOS IC se puede encontrar midiendo el retraso de propagación. Si se excede la capacidad de carga, el retardo de propagación se vuelve más largo y puede ocurrir un mal funcionamiento.
Drenaje abierto: salidas de cable juntas
En la configuración de drenaje abierto, no hay MOSFET en el lado VCC de la etapa de salida del CMOS IC de propósito general (Fig. A izquierda), por lo que la salida no sube (Fig. A derecha). La salida puede ser de baja o alta impedancia (cuando el pin de salida está desconectado del circuito y no puede generar voltaje o corriente).
El estado de alta impedancia es inestable porque el nivel de salida es indeterminado. Por lo tanto, la salida se conecta a la fuente de alimentación a través de una resistencia pull-up y se conecta en alto. Las salidas conectadas a las resistencias pull-up no tienen que tener el mismo voltaje que el voltaje de suministro. Esto hace posible conectar circuitos integrados con diferentes niveles lógicos.
lógica combinatoria
La lógica combinacional se refiere a los circuitos digitales cuya salida es una función de la señal de entrada actual únicamente. Por el contrario, la lógica secuencial está determinada no solo por las entradas de corriente, sino también por los circuitos de memoria internos y los circuitos de sincronización.
En la sesión de hoy, veamos la lógica combinatoria.
Un circuito lógico combinacional es una serie de puertas lógicas como AND, OR, NOT y XOR. (Las puertas lógicas se analizaron en la sesión anterior). Puede usar la combinación correcta de puertas lógicas para implementar una amplia variedad de funciones. Veamos dos tipos comunes de lógica combinatoria: multiplexores y decodificadores.