Circuitos Integrados

Curso 63343
Identificación y Análisis de Circuitos Integrados y Compuertas Lógicas.
Aprendiz: Guido Carmona Girón Tutor: Ing. José Leonardo Simancas García

Actividad 1: Circuitos Integrados

En el módulo Fundamentos de la electrónica has visto una introducción a los conceptos básicos de
la electrónica y has examinado varias funciones lógicas.

Estas funciones se demostraron mediante el uso de interruptores, transistores y otros componentes
electrónicos.

Este módulo te presentará otros modos de representar las funciones lógicas que has estudiado: las
compuertas lógicas.

En este módulo explorarás las compuertas lógicas y los sistemas digitales.

Esta actividad incluye los siguientes temas:

Reseña general de los circuitos integrados
Niveles de integración de los circuitos integrados
Familias de circuitos integrados

OBJETIVOS

En esta actividad, realizarás lo siguiente:

Aprender acerca de los circuitos integrados lógicos (CI) y los niveles de integración.
Identificar y examinar circuitos de pequeña escala (SSI).
Aprender acerca del papel de los distintos factores en el rendimiento del circuito, incluyendo
tensión y corriente de alimentación, tiempo de aumento y disminución y convergencia de salida
(fan-out).
Comprender la división de los circuitos integrados en familias lógicas

Reseña general de circuitos integrados

¿Qué es un circuito integrado?

Los circuitos integrados, también conocidos como chips, comprenden miles, incluso millones de
componentes eléctricos, tales como transistores, resistores y condensadores, en una única pieza
de silicio, completamente sellada dentro de un contenedor.

El contenedor está hecho de plástico u otro material y posee pines especiales de conexión que
permiten que el circuito integrado que se encuentra en el interior se conecte al circuito electrónico.

Reseña general de circuitos integrados

Ventajas de los circuitos integrados

Un circuito integrado o chip permite la combinación de varios componentes electrónicos en un
espacio muy pequeño.

Además de permitir la construcción de productos más pequeños, esto hace que el proceso de
ensamble en su conjunto sea más simple y más eficiente.

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Los circuitos integrados pueden ser simples o extremadamente complejos, como lo son las
unidades de lógica aritmética que se usan en los computadores.

Estudio de los circuitos integrados

La figura muestra un circuito integrado.

Tales circuitos se arman sobre placas electrónicas.
Sobre las placas, los circuitos parecen pequeñas cajas negras.

En esta actividad, aprenderás acerca de los circuitos integrados lógicos. Los circuitos integrados
lógicos entran en una de dos categorías.

En una categoría, los niveles lógicos en la salida se determinan únicamente mediante los niveles
lógicos de la entrada del sistema.

En otras palabras, en cualquier momento dado, la entrada impacta directamente sobre la salida.

Un ejemplo de tal sistema sería un sistema de compuertas lógicas, acerca de las que aprenderás
más en actividades posteriores.


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En la segunda categoría, la salida del sistema se ve afectada por factores adicionales como la
señal del reloj.

Niveles de integración

Introducción.

El término nivel de integración se usa para indicar la cantidad de transistores en un chip de silicio.
Cuantos más transistores y otros componentes se ensamblen sobre un chip, más compuertas y
sistemas habrá en ese chip. Por lo tanto, podrán lograrse más funciones con menos chips.

La imagen muestra ejemplos de distintas calculadoras de las décadas de 1970 y 1980, cada una
de las cuales incorpora un nivel de integración diferente

Los niveles de integración comúnmente se definen del siguiente modo:

Integración de pequeña escala (SSI) - en el cual existe un pequeño número de compuertas o
funciones en un circuito integrado. Las próximas actividades se centrarán en este tipo de circuito.
Integración de mediana escala (MSI) - Un número relativamente grande de circuitos (varias
docenas) se ubican en una única pieza de silicio.
Integración de gran escala (LSI) - Varios cientos de compuertas y sistemas ubicados en un chip.
Integración de muy gran escala (VLSI) - Decenas de miles o aún millones de compuertas y otros
sistemas se ubican en una pieza de silicio. Ejemplos de tales componentes incluyen chips de
memoria, microprocesadores, controladores y más.

Como se destacó anteriormente, este módulo tratará únicamente con componentes SSI

Circuitos SSI

Identificar circuitos SSI

Todo circuito integrado (CI) posee un número de identificación otorgado por el fabricante, así como
ciertos datos impresos en los componentes.

El número de identificación determina el tipo de componente.

En otras palabras, el número de identificación del circuito integrado determina el tipo de función (de
las funciones que has estudiado en el módulo de Fundamentos de la electrónica).

Además, el número de identificación determina la serie a la que pertenece el circuito integrado.
Aprenderás más acerca de las distintas series más adelante en este módulo.

Ejemplos de series de circuitos SSI

7400 - Cuádruple compuerta NAND con dos entradas
Este circuito integrado comprende cuatro compuertas NAND con dos entradas por cada
compuerta.
7402 - Cuádruple compuerta NOR con dos entradas
Este circuito integrado comprende cuatro compuertas NOR con dos entradas por cada compuerta.
7411 - Triple compuerta AND con tres entradas


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Este circuito integrado comprende tres compuertas NAND con tres entradas por cada compuerta
4002 - Doble compuerta NOR con cuatro entradas
Este circuito integrado tipo CMOS comprende dos compuertas NOR con cuatro entradas por cada
compuerta.
4049 Compuerta inversora (NOT) HAX
Este circuito de tipo CMOS comprende seis compuertas NOT.

Hojas de datos

El fabricante de un circuito integrado provee una hoja de datos que incluye todos los datos
necesarios para planificar y utilizar el circuito integrado.

Numeración de los pines

Orden de los pines

Ciertos datos son comunes a todos los circuitos integrados (CI). Esta sección y las siguientes
analizarán algunos de los datos más importantes de los CI.

Los CI que estudiarás en este módulo generalmente tendrán de catorce a dieciséis pines de
conexión. (Hay circuitos con tan solo cuatro pines). Hay CI con más pines, pero no los estudiarás
en este momento.


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El orden de los pines es idéntico en todos los circuitos integrados. En cada caso, debe identificarse
el pin 1.

Numeración de los pines

Identificar el primer pin.

Examina los siguientes circuitos integrados:

El pin 1 puede reconocerse de varias formas:

En un extremo del CI hay una muesca semicircular. Cuando la muesca se encuentra del lado
izquierdo, el pin debajo de ella (el que está más hacia la izquierda y más cercano a ti) es el Pin 1.
El pin 1 puede estar señalado con un punto blanco (o en el caso de que se trate de un
componente de color claro, un punto negro). El pin más cercano al punto es el Pin 1. Raramente, el
punto está en el lado inferior del circuito integrado.
Con las marcas identificatorias frente a ti, el Pin 1 es el que se encuentra más hacia la izquierda
en el lado más cercano a ti.
Uno de los extremos del componente posee una línea blanca. Cuando la línea está en la
izquierda, el pin cercano a la línea en el lado frente a ti es el Pin 1.

Numerar los otros pines

Todos los otros pines se numeran en relación con el Pin 1. Los otros pines se numeran en sentido
inverso a las agujas del reloj desde el pin 1, cuando el circuito se sostiene de forma tal que las
marcas identificatorias pueden verse desde arriba.


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En los dibujos eléctricos, los pines que suministran corriente y tierra generalmente no están
marcados, aunque claramente, deben existir.

Mueve el mouse sobre el circuito integrado que se muestra para ver la numeración de distintos
pines.


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Tiempo de retardo de propagación

Tiempo de retardo de propagación

Una entrada o salida de cualquier sistema digital puede tener uno de dos estados en cualquier
momento dado: 0 o 1.
Cuando hay actividad en el sistema, el estado de una entrada o salida puede variar.
El cambio de estado en la entrada o la salida no se refleja de inmediato.
Más bien, se requiere un cierto tiempo que el sistema debe considerar.

Este período se conoce como tiempo de retardo de propagación o simplemente tiempo de
propagación.

El cambio en los niveles lógicos normalmente se grafica para permitir el análisis del cambio como
una función de tiempo. En ese tipo de gráfico, conocido como diagrama de tiempo, el eje
horizontal es en realidad una línea de tiempo.

El tiempo de propagación es el tiempo que transcurre desde el momento en que se modifica la
entrada hasta el momento en que se modifica la salida.
Cuanto más corto es el período, con más rapidez opera el sistema.


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Diagrama de tiempo de alto a bajo
Examina el gráfico que se muestra.
El gráfico refleja una función NOT, que significa que la salida está siempre en posición opuesta a la
entrada.
El gráfico muestra el cambio en la salida resultante del cambio en la tensión de entrada como una
función de tiempo.
Cuando la entrada cambia de alta a baja, transcurrido un tiempo ocurre un cambio en la salida.
Este lapso se llama . T, por supuesto, es la variable común que se utiliza para representar el
tiempo.

Diagrama de tiempo de alto a bajo
El subíndice "plh" significa "propagation low to high," (propagación de bajo a alto), o en otras
palabras, el tiempo que demora el sistema en pasar de posición baja a posición alta luego de una
cambio en la señal de entrada.


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Diagrama de tiempo de alto a bajo.
Hay un lapso similar cuando un sistema pasa de alto a bajo luego de un cambio en la señal de
entrada de bajo a alto.

El diagrama que se muestra ilustra este lapso. Observa que el lapso aquí se llama .

Diagrama de tiempo de alto a bajo.

El subíndice "phl" significa "propagation from low to high" (propagación de bajo a alto). En otras
palabras, es el tiempo que le toma al sistema caer desde la posición alta a la posición baja luego
de un cambio en la señal de entrada.

Generalmente y no son idénticos para un componente dado. Sin embargo, el más largo de
los dos es el que generalmente se usa como tiempo de propagación típica para un componente. A
veces se representa como . El subíndice "pd" se refiere a "propagation delay" (retardo de
propagación).

Por supuesto, si hay una serie de compuertas, el tiempo de retardo en la propagación aumentará
en proporción a la cantidad y a los tipos de compuerta.


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Tiempo de ascenso y descenso

¿Qué es el tiempo de ascenso/descenso?

En los diagramas de tiempo que has analizado hasta ahora, la transición entre estados era
instantánea.
Luego del retardo de propagación, la salida cambiaba directamente de baja a alta y viceversa.
En la realidad, esto no ocurre. Los niveles lógicos, representados por distintas tensiones, requieren
un cierto tiempo para estabilizarse.

Estudia el diagrama que se muestra.
Este diagrama ilustra el tiempo necesario para pasar de una tensión alta a una tensión baja.
El tiempo necesario para cambiar de tensión baja a tensión alta se llama tiempo de ascenso y se
representa .
El tiempo necesario para cambiar de tensión alta a tensión baja se llama tiempo de descenso y se
representa . Los tiempos de ascenso y descenso son generalmente insignificantes y no se tienen
en cuenta en la planificación del sistema.

Tensiones y corrientes

Tensión y corriente de alimentación

La tensión suministrada a un CI se llama tensión de alimentación y se representa como .
La corriente de alimentación de un CI se representa como .
Cada grupo o familia de CI tiene tensiones y corrientes de alimentación típicas.
Normalmente, los esquemas electrónicos no señalan las tensiones de alimentación, pero asumen
que existen.

Como ya has aprendido, los niveles lógicos en la entrada y la salida están representados por dos
niveles de tensión.
En las hojas de datos del componente, el fabricante anota los valores de las tensiones que reflejan
los diferentes estados.

Esto es aplicable en CI de TTL.


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Notación estándar para la tensión de alimentación

Las notaciones estándar son las siguientes:

- Tensión de entrada en la posición lógica 1.
- Tensión de entrada en la posición lógica 0.
- Tensión de salida en la posición lógica 1.
- Tensión de salida en la posición lógica 0.

El principio que se aplica aquí ya lo has aprendido: hay una diferencia (según la tensión de
entrada) entre el nivel lógico 1 y el nivel lógico 0.
Entre los dos hay un rango indefinido.

La figura que se muestra ilustra las tensiones en la compuerta que opera a una tensión de
alimentación de 5V.
Cualquier tensión por debajo de 0,8 voltios se define como 0 lógico.
Cualquier tensión por encima de 3,5 voltios se define como 1 lógico.
Las tensiones entre 0,8 y 3,5 no están definidas y no existirán en un sistema que funcione
correctamente.
Estos números son correctos sólo para una fuente de alimentación de 5 voltios.
Una tensión diferente tendrá otros niveles altos y bajos.


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Notación estándar para la corriente de alimentación

La corriente de alimentación se define de manera similar a la tensión de alimentación:

- Corriente de entrada en la posición lógica 1.
- Corriente de entrada en la posición lógica 0.
- Corriente de salida en la posición lógica 1.
- Corriente de salida en la posición lógica 0.

Convergencia de salida

Convergencia de salida máxima

En los sistemas reales (en oposición a los sistemas teóricos) una única compuerta de salida está
conectada usualmente a varias compuertas de entrada. (En próximas actividades analizarás tales
circuitos).

Cada entrada - ya sea para una compuerta o para otros componentes - necesita de algún tipo de
corriente de entrada.
La salida de una compuerta se limita a la corriente que puede suministrar la compuerta.
Si la compuerta está sobrecargada, existe cierto riesgo de que la corriente no se suficiente para
todas las entradas y que por lo tanto los niveles lógicos sean incorrectos.

El mayor número de entradas que pueden conectarse a una única salida sin afectar el
funcionamiento del sistema se llama convergencia de salida máxima o simplemente convergencia
de salida.
La convergencia de salida no siempre es idéntica para el 1 lógico y para el 0 lógico.
Por lo tanto, al planificar un sistema, debe tenerse en cuenta el menor (peor) de los dos casos.

La convergencia de salida para un componente puede consultarse en la hoja de datos del
componente.
Si se conectan varios componentes, debe considerarse cada uno en forma individual.

Familias lógicas

Repaso general

Existen varias tecnologías para fabricar circuitos integrados.
Un grupo de circuitos integrados que se fabrica con la misma tecnología se llama una familia de
dispositivos lógicos o simplemente una familia lógica.
Cada una de estas familias posee varias características distintivas.

Dentro de los componentes lógicos existen en realidad dos familias principales que se subdividen
en subfamilias.


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Familia lógica transistor-transistor TTL.

Notación para la familia lógica transistor-transistor

La familia lógica transistor-transistor (TTL) es una de las familias lógicas más comunes.

El número del fabricante estampado en los componentes de esta familia siempre comienza con
uno de dos números:

74 - representa una familia lógica para uso civil.

54 - representa una familia lógica para uso militar.

Existen ligeras diferencias entre los componentes fabricados para uso civil y los componentes para
uso militar.
Generalmente, aquellos fabricados para uso militar son más resistentes a los cambios de
temperatura y se empacan en cajas cerámicas y no plásticas.

Sub-familias TTL

El número de identificación del fabricante para los componentes de una familia TTL será el
siguiente:

54 XX YYY O 74 XX YYY

XX representa la sub-familia del componente.
La siguiente es una lista parcial de varias subfamilias:

La ausencia de letras indica un componente TTL común.
S indica un componente TTL de tipo Schotty.
LS indica un componente TTL de tipo Schotty de baja potencia.
AS o ALS indica un componente TTL avanzado tipo S- o LS-.
F indica un componente más rápido que los mencionados anteriormente.


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Tipos de componentes

YYY en el número de identificación indica el tipo de circuito, según lo determina el fabricante.
Este número se usa para identificar el circuito particular.

Ejemplos de estos números son los tipos de "series" que has estudiado anteriormente: 7400, 7402,
7411, y así sucesivamente.
Un componente que posee el número de serie 7400, por ejemplo, es una compuerta NAND
cuádruple con 2 entradas.

Familia MOS (Semiconductor de óxido metálico)

Características particulares de la familia MOS

La familia MOS (semiconductor de óxido metálico) es un sistema relativamente nuevo que se está
expandiendo rápidamente por el mercado de los CI.
Al igual que la familia TTL, la familia MOS posee varias subfamilias.
La más común de estas es la sub-familia MOS Complementario (CMOS).

La familia MOS posee varias ventajas por sobre la familia TTL:

Un amplio rango de tensiones de alimentación. Los componentes TTL funcionan únicamente con
una tensión de alimentación de 5 voltios. Los componentes CMOS funcionan con una variedad de
tensiones que van de los 3 a los 18 voltios. (Por supuesto, el 0 y el 1 lógicos variarán de acuerdo
con ello).
La energía que requieren estos componentes es significativamente más baja que la tensión que
necesitan los componentes TTL.


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Componentes CMOS

El número de fabricante para esta familia es:

[1] 40 YYY

[1] es la identificación internacional para Motorola.
40 indica que el CI es del tipo CMOS.
YY es el número de serie que le otorga el fabricante (para indicar la serie).

Los circuitos integrados de esta familia no tienen los mismos números de serie que los CI de la
familia TTL con la misma función.
El orden de los pines en el componente tampoco es igual.
La mayor desventaja de los componentes CMOS es sus tiempos de retardo de propagación más
largos.

Componentes con rasgos de varias familias

Uniformidad en la numeración de componentes


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Para lograr cierta uniformidad, se desarrolló otra familia de CI.
El número de fabricante de esta familia se ve del siguiente modo:

54CYY O 74CYY

Esta familia lógica posee los rasgos de la familia CMOS, pero el nombre del componente y el orden
de los pines es idéntico al de la familia TTL.

Otras familias "híbridas"

Se ha desarrollado otra familia con rasgos tanto de la familia CMOS como de la familia TTL. Los CI
de esta familia se identifican como:

54HCYY O 74HCYY

En esta familia los nombres de los componentes y el orden de los pines son los mismos que para
la familia TTL.
Esta familia combina las ventajas de los componentes TTL con las ventajas de los componentes
CMOS.
Los componentes de esta familia tienen un consumo de energía reducido, una amplia gama de
tensiones de alimentación y tiempos de propagación cortos.

Combinación de familias

Dadas las diferentes características eléctricas de los distintos componentes (incluso dentro de las
sub-familias), es preferible no combinar los componentes de diferentes familias en un mismo
circuito.
Si es necesario hacer tal tipo de combinación, deben usarse componentes adaptadores
adecuados.

En esta actividad

Conclusión


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En esta actividad se han presentado los circuitos integrados. El siguiente es un resumen de los
datos sobre los CI que has estudiado en esta actividad:

El tiempo de retardo de propagación (o tiempo de propagación) es el tiempo que transcurre
desde el momento en que se produce un cambio en el nivel lógico de entrada hasta que el cambio
se refleja en la salida.
Los tiempos de ascenso y descenso son el tiempo que le toma a la tensión pasar de baja a alta o
viceversa.
Los niveles lógicos de entrada y salida se representan mediante tensiones altas o bajas según el
nivel necesario. Estas tensiones deben estar dentro del rango definido por el fabricante.
La convergencia de salida define el grado hasta el cual puede cargarse una compuerta y otro
componente lógico. En otras palabras, esto indica el número de entradas que pueden conectarse a
la salida sin afectar negativamente su funcionamiento correcto.
Cada uno de los tipos de datos posee tres valores: mínimo, máximo y típico. Usualmente los tres
valores figuran en las hojas de datos de los componentes, pero con frecuencia, es suficiente con
tener uno sólo de los valores.
Hay dos familias principales de CI: TTL y MOS. Cada una tiene sub-familias.


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