Tema 8 Puertas lógicas y circuitos combinacionales

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA (Digital):

TEMA 8

PUERTAS LÓGICAS Y CIRCUITOS COMBINACIONALES

FLORIDA Universitària. Departament d´Enginyeria

ÍNDICE DE APARTADOS1. El circuito integrado.

2. Tipos de encapsulados.

3. Escalas de integración.

4. Familias lógicas.

5. Puertas lógicas.

6. Circuitos combinacionales.

7. Fuentes didácticas.Una vez terminado el tema, has de ser capaz de:

Implementar funciones lógicas con puertas lógicas varias Implementar funciones lógicas con puertas NAND Implementar funciones lógicas con circuitos combinacionales Diseñar circuitos digitales basados en circuitos combinacionales

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1. El Circuito Integrado (1) 3


1. El Circuito Integrado (2) 4


2. Tipos de encapsulado (1)

• DIP o DIL (Dual in line)• Encapsulado más empleado. • Puede ser cerámico (marrón) o de plástico (negro).• Dato importante en todos los componentes es la distancia entre patillas que

poseen, en el tipo estándar se establece en 0,1 pulgadas (2,54mm).• Se suelen fabricar a partir de 4, 6, 8, 14, 16, 22, 24, 28, 32, 40, 48 y 64 patillas.• La patilla número uno se encuentra en un extremo señalado por un punto o

una muesca en el encapsulado y se continua la numeración en sentido anti horario mirando al integrado desde arriba.

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• FLAT-PACK• Sus terminales tienen forma de ala de gaviota. • Se diseñan para ser soldados en máquinas automáticas o semiautomáticas, ya

que por la disposición de sus patillas se pueden soldar por puntos. • El material con el que se fabrican es cerámico. • La numeración de sus patillas es exactamente igual al anterior. • La distancia entre patillas es de 1,27mm, la mitad que en los DIP.

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• SOIC (Small Outline Integrated Circuit) • Terminación de las patillas en forma de ala de gaviota. • Circuito integrado de pequeño contorno. • Son los más populares en los circuitos de lógica combinacional, tanto en TTL como en CMOS. • Se sueldan directamente sobre las pistas de la placa de circuito impreso, en un área

denominada footprint.• La distancia entre patillas es de 1,27mm (0,05"). • La numeración de los pines es exactamente igual a los casos anteriores.

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• PLCC (Plastic Lead Chip Carrier) y LCCC ( Leaded Ceramic Chip Carrier)• Se emplea en técnicas de montaje superficial pero, generalmente, montados en zócalos, esto

es debido a que por la forma en J que tienen sus terminales la soldadura es difícil de verificar con garantías. Esto permite su uso en técnicas de montaje convencional.

• Se fabrican en material plástico (PLCC) o cerámico (LCCC). • El punto de inicio para la numeración se encuentra en uno de los lados del encapsulado,

coincidiendo con el lado de la cápsula que acaba en chaflán y siguiendo el sentido anti horario.

• La distancia entre terminales es de 1,27mm.

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3. Escalas de integración

DENOMINACIÓN Nº COMPONENTES X CHIP (n)

Nº PUERTAS X CHIP APLICACIONES

SSI (pequeña escala de integración)

n<100 <10 Puertas lógicas y biestables

MSI (media escala de integración)

100<n<1000 <100 Codificadores, sumadores, registros...

LSI (gran escala de integración)

1000<n<10000 <1000 Circuitos aritméticos complejos, memorias...

VLSI (muy alta escala de integración)

10000<n<105 <10000 Microprocesadores de gama baja, CPLDs, microcontroladores...

ULSI (ultra alta escala de integración)

100000<n<106 <100000 Microprocesadores y FPGAs de gama media-alta

GLSI (giga alta escala de integración)

>106 >100000 Microprocesadores multicore y FPGAs de última generación

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4. Familias Lógicas (1)

• Familia lógica: es el conjunto de circuitos integrados digitales que, empleando la misma tecnología, están constituidos por los mismos componentes y conservan una estructura base similar.

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4. Familias Lógicas (2)

• Las familias lógicas más extendidas hoy en día son: TTL (Lógica transistor-transistor), ECL (Lógica de emisor acoplado), CMOS (Complementary Simetry Metal Oxide Semiconductor).

• En el diseño, la elección de la familia lógica viene dada por la velocidad necesaria (tiempo de retardo de propagación). Recordar que la frecuencia máxima de funcionamiento suele ser fmáx=1/(4·retardo)

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TTL (Serie 74AS) ECL (Serie III) CMOS (Serie 74HC)

VOL 0,5V -1,75V 0,1V

VOH 3,5V -0,9V (Vcc-0,1)V

Excursión lógica 3V 0,85V (Vcc-0,2)V

Fan-out 33 70 >50

Disipación por puerta en reposo

8mW 60mW 2,5μW

Retardo de propagación

1,7ns 0,7ns 8ns


4. Familias Lógicas (3) 12

FAMILIA VENTAJAS INCONVENIENTES

TTL - MENOR PRODUCTO RETARDOxPOTENCIA- BAJA IMPEDANCIA DE SALIDA- INMUNIDAD AL RUIDO- VARIEDAD DE FUNCIONES DISPONIBLES

- GENERACIÓN DE RUIDO- FAN-OUT MENOR QUE EN ECL Y

CMOS

ECL - MENOR RETARDO DE PROPAGACIÓN - BAJA IMPEDANCIA DE SALIDA- INMUNIDAD AL RUIDO- BAJA GENERACIÓN DE RUIDO- ALTO FAN-OUT

- CONSUMO MAYOR QUE EN TTL Y CMOS

- NECESIDAD DE CIRCUITOS PARA ADAPTACIÓN CON OTRAS FAMILIAS LÓGICAS

CMOS - MENOR CONSUMO DE POTENCIA- AMPLIO RANGO DE TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN- INMUNIDAD AL RUIDO- ALTO FAN-OUT Y FAN-IN

- MENOS RÁPIDA QUE LAS FAMILIAS ECL Y TTL


5. Puertas Lógicas (1)

Puerta ORTambién llamada puerta suma por implementar esta función lógica.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE

Ejemplo de implementación de una ecuación algebraica:

baF b

a

dcbaF

ab

cd

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Puerta ANDTambién llamada puerta producto por implementar esta función lógica.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE


baF b

a

dcbaF

ab

cd

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Puerta NOTLa puerta inversora NOT, es la más sencilla e implementa la función

negación.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE

aF

Estructura interna TTL Los dos transistores T1 y T2 trabajaran en conmutación:

Si a=0 voltios, el emisor de T1 queda conectado a masa y por tanto el transistor T1 conduce absorbiendo por

su colector la corriente de base de T2 o bajando a un nivel bajo la tensión en su base. Por tanto, T2 no

conduce, teniendo en el colector toda la tensión de alimentación Vcc, es decir, F=1.

Si a=1, es decir +5V, T1 no conduce, ya que la tensión de emisor es superior a la de base y por tanto la tensión

en el colector de T1 será alta. Esta tensión será la que polarizará a la base de T2 haciéndole conducir , por

tanto F=0.

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0V = 0 Lógico

VBE>0.7V T1 On

IB

0V

T2 Off

5V = 1 Lógico



Puerta NOTLa puerta inversora NOT, es la más sencilla e implementa la función

negación.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE

aF

Estructura interna TTL Los dos transistores T1 y T2 trabajaran en conmutación:

Si a=0 voltios, el emisor de T1 queda conectado a masa y por tanto el transistor T1 conduce absorbiendo por

su colector la corriente de base de T2 o bajando a un nivel bajo la tensión en su base. Por tanto, T2 no

conduce, teniendo en el colector toda la tensión de alimentación Vcc, es decir, F=1.

Si a=1, es decir +5V, T1 no conduce, ya que la tensión de emisor es superior a la de base y por tanto la tensión

en el colector de T1 será alta. Esta tensión será la que polarizará a la base de T2 haciéndole conducir , por

tanto F=0.

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+5V = 1 LógicoVBE<0.7V

T1 Off

VBE>0.7V

T2 On

0V = 0 Lógicop

pn

n



Puerta NORTambién llamada puerta suma negada por implementar esta función lógica.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE


baF b

a

dcbaF

ab

cd

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Puerta NANDTambién llamada puerta producto negada por implementar esta función

lógica, es la más usada comercialmente.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE

Estructura interna TTL

Los transistores trabajarán en conmutación:

Si a=0 y b=0. El transistor T1 estará en conducción y por tanto T2 no conduce. La tensión en la base de T3

será elevada y la tensión en la base de T4 será baja. Por tanto, F=1.

Si cualquiera de las dos entradas del transistor multiemisor se pone a 0V (a=1 o b=1), sucederá lo mismo, ya

que hacen que el transistor T1 entre en conducción.

Si a=1 y b=1, T1 no conduce, la tensión en el colector de T1 será alta y polarizará a la base de T2 haciéndole

conducir , así, T4 estará polarizado y F=0.

baF

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b

a


Puerta EXOR (XOR)También llamada puerta suma directa o exclusiva por implementar esta

función lógica.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE


baF

dcbaF

ab

cd

babaF

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b

a


Puerta EXNOR (XNOR)También llamada puerta suma directa o exclusiva por implementar esta

función lógica.SÍMBOLO TABLA DE VERDAD CIRCUITO EQUIVALENTE


baF

dcbaF

ab

cd

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• Equivalencias y serie 74

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6. Circuitos combinacionales (1)

• Circuitos combinacionales: son aquellos que tienen un número de entradas y otro de salidas, y el valor de estas últimas depende exclusivamente del estado momentáneo de las entradas y la estructura interna del propio circuito.“Es decir, que para una entrada determinada el circuito presentará la misma salida independientemente de cual fuera su estado anterior”

• Los principales circuitos integrados combinacionales se engloban en:

Tipo de circuito Denominación

CIRCUITOS DE COMUNICACIÓNCodificadores con y sin prioridad.

Decodificadores excitadores y no excitadores.Multiplexores y Demultiplexores.

CIRCUITOS ARITMÉTICOSComparadores.

Sumadores.Restadores.

Unidad aritmético-lógica. (UAL o ALU)

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• MULTIPLEXORES

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• MULTIPLEXORES(Cont.)

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74151




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a bcd 000 001 010 011 100 101 110 111

0 0 0 1 0 1 0 1 1

1 1 0 0 0 1 1 0 1

1 1



• DEMULTIPLEXORES

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d



• CODIFICADORES

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• CODIFICADORES (Cont.)• Codificador Decimal/BCD (74147 TTL)

• Codificador Octal/BCD (74148 TTL)

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74147

74148



• DECODIFICADORES

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• DECODIFICADORES (Cont.)• Decodificador BCD/Decimal (7442 TTL)

• Decodificador BCD/Octal (74138 TTL)

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7442

74138



• DECODIFICADORES (Cont.)• Decodificadores BCD/7 segmentos (7447-7448 TTL)

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7447

7448

7447



• DECODIFICADORES (Cont.)• En general, para implementar un demultiplexor a partir de un decodificador

usaremos su entrada de habilitación como entrada de datos y las entradas del decodificador serán las entradas de selección del demultiplexor. Ej: 74138

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OBSERVAR QUE CUANDO G1=L TODAS LAS SALIDAS ESTÁN EN ESTADO HIGH (YA QUE

LAS SALIDAS SON ACTIVAS A NIVEL BAJO) Y CUANDO G1=H SE ACTIVA ÚNICAMENTE LA

SALIDA CORRESPONDIENTE A LA ENTRADA DE SELECCIÓN.



• DECODIFICADORES (Cont.)

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• DECODIFICADORES (Cont.)

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• COMPARADORES

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• COMPARADORES• Los más usuales son los comparadores de dos palabras de 4 bits (7485

TTL) y el de dos palabras de 8 bits (74866 TTL).• En la siguiente figura se muestra el esquema y tabla de verdad del 7485.

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• COMPARADORES (Cont.)

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• SUMADORES

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• SUMADORES (Cont.)

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• ALU

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• ALU (Cont.)

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7. Fuentes didácticas

• Electrónica general. Dispositivos y sistemas digitales• Antonio J. Gil Padilla y otros.• Ed. Mc Graw Hill

• Dispositivos y sistemas digitales.• Antonio J. Gil Padilla.• Ed. Mc Graw Hill

• Electrónica digital y microprogramable.• Antonio J. Gil Padilla y otros.• Ed. Mc Graw Hill

• Schaum. Electrónica digital.• Luis Cuesta y otros.• Ed. Mc Graw Hill

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Engineering

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