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Curso de Electrónica - Electrónica Digital – Parte 3 - Familias de Circuitos Lógicos Digitales (CUR5003S)

3.1 - El transistor como llave electrónica

Un transistor puede funcionar como un interruptor, permitiendo que una corriente pase o no, como la aplicación de una tensión de control en su entrada.

Así, en la simulación de los circuitos que estudiamos, y en los que usamos llaves, es posible utilizar transistores con una serie de ventajas.

 

 

En el caso de las llaves, el operador era responsable de la entrada de la señal, porque es que, actuando con las manos en la llave, debe establecer el nivel lógico de entrada, manteniendo esta llave abierta o cerrándose como deseado 0 o 1.

Si usamos un transistor, tenemos una ventaja importante. El transistor puede funcionar con la tensión o el nivel lógico que es producido por otra función, y no necesariamente por una persona que necesita accionar una llave.

Así, las funciones lógicas implementadas con transistores tienen la ventaja de estar entrelazadas entre sí, ya que la señal que aparece en la salida de cada uno puede ser utilizada como entrada a otra. Más que eso, podemos tener una secuencia de pasos que funcionan automáticamente, procesando los niveles lógicos a medida que se mueven de un paso a otro.

 

Figura 61  El transistor como llave en una función inversor
Figura 61 El transistor como llave en una función inversor

 

 

En la figura 61 damos un ejemplo interesante de cómo podemos conseguir un inversor utilizando un transistor.

 Aplicando el nivel 1 en la base del transistor, lleva al punto de saturar, que hace que la tensión en su colector caiga a 0. Por otra parte, en ausencia de tensión en su base, que corresponde al nivel 0 de entrada, el transistor permanece cortado, y la tensión en su colector permanece alta que corresponde al nivel lógico 1.

 Otras funciones pueden ser alcanzadas con transistores como se muestra en la figura 62.

  

Figura 62 - Otras funciones implementadas con transistores
Figura 62 - Otras funciones implementadas con transistores

 

 

En (a) tenemos una puerta NAND de dos entradas. Las dos entradas deberán ser llevadas al nivel alto para que la salida sea baja. En cualquier otra combinación de niveles de entrada lógicos, uno de los transistores al menos no conduce y la salida permanece en el nivel alto.

 En (b) tenemos una puerta ni con un transistor bipolar solamente. Cuando una o la otra entrada va a alto nivel, el transistor conduce, y con eso la salida va al nivel bajo. La salida sólo estará en el nivel alto cuando las dos entradas estén a un nivel bajo también.

 Para estos ejemplos, nos dimos cuenta de que la elaboración de un circuito de lógica digital capaz de realizar operaciones complejas utilizando transistores es algo que se puede lograr con relativa facilidad. Está claro que otros dispositivos equivalentes como los transistores de efecto de campo también pueden usarse para el mismo propósito.

 

 

3.2 - Mejorando el rendimiento

Sin embargo, el uso de transistores en circuitos que corresponden a cada función, de forma no estandarizada, puede traer algunas dificultades.

En los primeros días de la electrónica digital, cada función fue montada con sus transistores, diodos y resistores en su plaquita para después, todos interconectados. Sin embargo, este procedimiento ha demostrado ser inconveniente por varias razones.

La primera fue la complejidad que el circuito adquiriría si tuviera que realizar muchas funciones. La recolección de un gran número de circuitos en una sola placa requirió un proyecto muy elaborado de la placa que se utilizará.

La segunda era la necesidad de estandarizar la forma en que cada circuito o función debía funcionar. Sería muy importante establecer que todos los circuitos operan con la misma tensión de alimentación y también proporcionan señales que los demás podrían reconocer como reconocer las señales generadas por el otro.

El desarrollo de la tecnología de los circuitos integrados, permitiendo la colocación en un único recinto de varios componentes ya interconectados, fue un paso fundamental para permitir un desarrollo muy rápido de la electrónica digital.

De hecho, lo que se hizo fue crear una serie de circuitos integrados que contenían en un solo inserto de silicio o "chip" las funciones lógicas digitales más utilizadas, y de tal manera proyectada, para que todos fueran compatibles entre sí, es decir, operasen con el mismas tensiones y reconocieran las mismas señales.

Utilizando estos chips sería posible proyectar equipos capaces de realizar operaciones lógicas complejas, simplemente eligiendo las funciones básicas para su implementación y luego enlazarlas en la forma requerida para lograr los efectos deseados.

Luego surgieron "series" de circuitos integrados digitales que se popularizaron precisamente por la facilidad con la que se hizo posible desarrollar cualquier proyecto de electrónica digital.

Estas series de circuitos integrados eran conocidas como "Familias Lógicas".

Funcionaban como "bloques básicos", desde los cuales los proyectistas serían fáciles de encontrar todos los elementos para reunir sus circuitos digitales, desde los más simples hasta algunos de gran complejidad.

De hecho, los bloques se estaban volviendo cada vez más complejos, permitiendo la elaboración de circuitos de gran complejidad que sólo fueron sustituidos por la aparición de bloques de una generación superior, que ya contenían funciones completas como la microprocesadores y microcontroladores y DSPs.

Así, como se muestra en la figura 63, que necesita montar un circuito que utilizara una puerta AND dos NOR e inversores, el proyectista tendría disponibles componentes listos, es decir, circuitos integrados (chips) compatibles entre sí, que contengan estas funciones, y de tal manera que podrían estar entrelazados sin necesidad de componentes intermedios.

 

Figura 63 – Circuitos integrados con funciones independientes listas para su uso
Figura 63 – Circuitos integrados con funciones independientes listas para su uso

 

 El éxito de la llegada de estas familias fue enorme, ya que además del menor tamaño de los circuitos y el menor consumo de energía, también hubo la ventaja de un menor coste y la obtención de mayores velocidades de operación, así como la fiabilidad.

Varias familias han sido creadas desde la llegada de circuitos integrados, recibiendo cada una de ellas una denominación, según la tecnología empleada.

Las principales familias lógicas desarrolladas fueron:

RTL o Resistor Transistor Logic

RCTL o Resistor Capacitor Transistor Logic

DTL o Diode Transistor Logic

TTL o Transistor Logic

C-MOS o Complementary Metal Oxide Semiconductor

ECL o Emitter Coupled Logic

LVT o Low Voltage Technology

 

Actualmente las más utilizadas son las familias TTL y CMOS que aparecen en una gran cantidad de equipos digitales que van desde circuitos más simples hasta ordenadores hasta robots, equipos de telecomunicación y controles de máquinas industriales.

 

3.3 - La familia TTL

La familia TTL fue desarrollada originalmente por Texas Instruments, pero hoy en día, muchos fabricantes de semiconductores producen sus circuitos principales.

Esta familia se reconoce principalmente porque tiene dos series que empiezan con los números 54, para los componentes de uso militar, y 74 para los componentes de uso comercial. Así, podemos asociar rápidamente cualquier componente que comience con el número "74" o "54" a la familia TTL.

En la Figura 64 mostramos una puerta TTL típico. Se trata de una puerta NAND de dos entradas que pronto llama la atención por el hecho de utilizar un transistor de dos emisores.

 

 

Figura 64 – Puerta NAND (No-E) TTL
Figura 64 – Puerta NAND (No-E) TTL

 

 La característica más importante de esta familia está en el hecho de que se alimenta con una tensión de 5 volts.

Así pues, para los componentes de esta familia el nivel lógico 0 es siempre la ausencia de tensión o 0 V, mientras que el nivel lógico 1 es siempre una tensión de + 5 V.

En la práctica, sin embargo, debe considerarse la resistencia interna de los propios circuitos, lo que nos lleva a considerar, de manera más adecuada, el nivel 0, una tensión "cercana" de 0 V y de alto nivel, una tensión "cercana" de 5 V.

Esto significa que los niveles lógicos, a ser reconocidos, deben estar dentro de rangos bien definidos.

Como se muestra en la figura 65, una puerta TTL, o cualquier otra función de esa familia, reconocerá como nivel 0 las tensiones que están entre 0 y 0,8 V, y como 1 los que están en otro rango, entre 2,4 y 5 V.

 

 

Figura 65 – Bandas de funcionamiento de la lógica TTL d 5 V
Figura 65 – Bandas de funcionamiento de la lógica TTL d 5 V

 

 Entre estas dos pistas hay una región indefinida o que debe evitarse. No se puede predecir cómo se reconocerá una señal en este rango.

Hay cientos de circuitos integrados TTL disponibles en el mercado para la realización de los proyectos. La mayoría de ellos están en envolturas DIL de 14, 16 y 20 pino, como se muestra en la figura 66.

 

 

Figura 66 – Una buena parte de los circuitos integrados TTL está disponible en estas cubiertas
Figura 66 – Una buena parte de los circuitos integrados TTL está disponible en estas cubiertas

 

 

También podemos encontrar funciones TTL en cubiertas SMD (para montaje en superficie) que están indicados para la producción en masa, fabricados por máquinas automáticas, como se muestra en la misma figura.

Así, las funciones más sencillas que aparecen en las puertas, y que están disponibles en una determinada cantidad en cada una integrada, son aquellas que utilizan circuitos integrados de pocos pinos.

Sin embargo, a medida que se han desarrollado nuevas tecnologías, permitiendo la integración de un gran número de componentes, ha surgido la posibilidad de ponerse en un circuito integrado, no sólo unas pocas puertas y funciones adicionales que serán estudiadas en el futuro, así como flip-flops, descodificadores y otros pero ya interconectados de una cierta manera que es ampliamente utilizado o tiene una aplicación específica.

Varios pasos para aumentar la integración se obtuvieron al recibir nombres que son comunes hoy en día cuando hablamos de equipos digitales y computadoras en general.

A continuación, contamos con las siguientes clasificaciones para el grado de integración de los circuitos digitales:

 

SSI - Small Scale Integration o Integración en Pequeña Escala que coincida con la serie normal de la primera TTL. Esta serie contiene 1 a 12 puertas lógicas en el mismo componente o circuito integrado.

 

MSI - Medium Scale Integration o Integración a Media Escala en la que disponemos de un único circuito integrado de 13 a 99 puertas o funciones lógicas.

 

LSI - Large Scale Integration o Integración a Gran Escala y que corresponde a circuitos integrados que contengan 100 a 999 puertas o funciones lógicas.

 

VLSI - Very large Scale Integration o Integración en Escala muy grande que corresponde a circuitos integrados que contienen más de 1000 puertas o funciones lógicas.

 

ULSI - Ultra Large Scale of Integration o Integración de Escala Extremadamente Grande que corresponde a circuitos que contienen cientos de miles o incluso millones de puertas o funciones lógicas, como DSPs, microcontroladores, microprocesadores y otros.

 

3.3.1.- Consumo & Velocidad

Cuanto mayor es la velocidad de un circuito de lógica digital, mayor es su consumo de energía. Del mismo modo, cuanto mayor sea la cantidad de funciones integradas en un chip, mayor será su consumo.

Para los proyectistas digitales de los chips es por lo tanto de importancia fundamental pensar en estos dos factores principalmente cuando se trata de un chip que se utilizará en el equipo alimentado por batería.

Así, una tendencia actual es que los dispositivos que tienen escalas de integración muy altas como microprocesadores y DSPs utilizan tecnologías distintas a la TTL, como la CMOS (que veremos más adelante en este curso) que se caracteriza por tener un consumo de energía mucho más bajo.

Al principio, había una restricción al uso del CMOS dado su velocidad mucho más baja que las virutas de la tecnología de la TTL, pero actualmente, dispositivos del CMOS ya funcionan a velocidades muy altas, nada dejando el deber a los dispositivos de tecnología TTL.

 

3.4 - Otras Características de la Familia TTL

Para utilizar correctamente los circuitos integrados TTL, e incluso saber cómo probarlos, cuando presentan algún problema de funcionamiento, es importante conocer algunas de sus características adicionales.

Analizamos las principales características, recordando los niveles lógicos de entrada y salida que se admiten:

 

3.4.1 - Corrientes de entrada:

Cuando una entrada de una función de la lógica TTL está en el nivel 0, una corriente de la base fluye al emisor del transistor multe emisor del orden de 1,6 mA, como se muestra en la figura 67.

 

Figura 67 – Corriente de entrada con el nivel bajo (0 V)
Figura 67 – Corriente de entrada con el nivel bajo (0 V)

 

 

Esta corriente debe tenerse en cuenta en cualquier proyecto, ya que debe ser suministrado por el circuito que va a excitar la puerta.

Cuando la entrada de una puerta TTL lógico está en el nivel alto fluye una corriente en la dirección opuesta del orden de 40 uA, como se muestra en la figura 68.

 

Figura 68 – Corriente de entrada en el nivel alto (5 V).
Figura 68 – Corriente de entrada en el nivel alto (5 V).

 

 

Vea que esta corriente corresponde a la polarización inversa (fuga) de la juntura base-emisor del transistor multe emisor de entrada.

Esta corriente circulará cuando la tensión de entrada sea superior a 2,0 V.

Si el dispositivo que va a excitar una entrada de una función lógica es otro circuito TTL, no necesitamos preocuparnos mucho por ello, ya que ya está proyectado para proporcionar las corrientes necesarias. El problema es mayor cuando el dispositivo que debe excitar la entrada es un circuito de otra tecnología como, por ejemplo, un paso de transistor que utiliza un sensor, o incluso directamente un sensor.

 

3.4.2 - Corrientes de salida

Cuando la salida de un circuito TTL va a nivel 0 (o bajo) fluye una corriente del orden de 16 mA, como se muestra en el circuito equivalente de la figura 69.

 

 

Figura 69 – La corriente de salida a bajo nivel
Figura 69 – La corriente de salida a bajo nivel

 

 

Esto significa que una salida TTL en el nivel 0, o bajo, puede drenaje de una carga una corriente máxima de 16 mA, es decir, puede "absorber" una corriente máxima de este orden.

Por otro lado, cuando la salida de una función TTL está en el nivel 1, o alta, puede proporcionar una corriente máxima de 400 uA, como se muestra en la figura 70.

 

Figura 70 – Corriente de salida a alto nivel
Figura 70 – Corriente de salida a alto nivel

 

 

Vea entonces que podemos lograr una capacidad de excitación de salida mucho más alta de un puerta TTL cuando se toma en el nivel 0 que en el nivel 1. Esto justifica el hecho que en muchas funciones del indicador, en las cuales conectamos un LED en la salida, por ejemplo, la hacemos encendida cuando la salida va al nivel 0 (y por lo tanto La corriente es mayor), y no en el nivel 1 como se muestra en la figura 71.

 

Figura 71 – Accionamiento de nivel alto y bajo
Figura 71 – Accionamiento de nivel alto y bajo

 

 

También damos preferencia a la unidad a bajo nivel cuando la carga que requiere una corriente más grande es un transistor de controlador, u otro dispositivo que necesita más corriente.

Si la unidad necesita ser hecha en el alto nivel, necesitamos utilizar un paso adicional que tenga una ganancia de corriente más alta.

 

3.4.3 - Fan In y Fan Out

Fan In y Fan Out son términos técnicos que especifican dos características de extrema importancia para los proyectos que utilizan circuitos integrados de la familia TTL. Dicen de manera técnica, todo lo que podemos llamar a la entrada o salida de una función de lógica TTL.

Lo que ocurre es que la salida de una función no necesariamente tiene que estar enlazada a una única entrada de otra función. La misma salida se puede utilizar para excitar varias funciones al mismo tiempo.

Como la entrada de cada función necesita una cierta corriente, y la salida de la función que excitará tiene una capacidad limitada de la fuente o la corriente del dren, es necesario establecer un límite para la cantidad de entradas que pueden ser excitadas, según lo demostrado en el figura 72.

 

 

Figura 72 – Una salida puede excitar varias entradas
Figura 72 – Una salida puede excitar varias entradas

 

 Así, teniendo en cuenta las corrientes en los niveles 1 y 0 de las entradas y salidas, se configura el FAN OUT como el número máximo de entradas TTL que podemos conectar a una salida TTL.

Para los componentes de la familia TTL Normal o Standard que es la que estamos estudiando el FAN OUT es 10.

Esto significa que una salida única de un circuito integrado TTL puede excitar hasta 10 entradas TTL al mismo tiempo.

Por otro lado, también puede ocurrir que en la entrada de una función de lógica TTL necesita conectar más de una salida TTL. Teniendo en cuenta que las corrientes circulan en estas conexiones, y que los circuitos tienen capacidades de conducción limitadas, necesitamos saber cuántas conexiones se pueden hacer en cada entrada.

A continuación, usamos el término FAN IN para indicar el número máximo de salidas que podemos conectar a una entrada, como se muestra en la figura 73.

 

  Figura 73 – El Fan IN en las puertas TTL
Figura 73 – El Fan IN en las puertas TTL

 

 

En la práctica, debido a los problemas que pueden ocurrir si una salida va en un nivel bajo cuando otro está en el alto nivel, no se recomienda que en cualquier proyecto que tengamos Fan IN de más de 1, a menos que las características de la protección sean utilizadas, por ejemplo , diodos, cuyo propósito es evitar que las salidas de funciones excitantes se colocan en cortocircuito.

 

3.4.4 - Velocidad

Los circuitos electrónicos tienen una velocidad de operación limitada que depende de varios factores.

Estos factores incluyen el tiempo de tránsito de los portadores de carga en los materiales semiconductores de los cuales se forma el chip, la capacitancia que, con la resistencia de entrada de los circuitos, forma un circuito de tiempo, además de las inductancias parásitas.

En el caso específico de los circuitos TTL, tenemos que considerar principalmente la configuración misma de las puertas que presentan inductancia y capacidades parásitas que influyen en su velocidad de operación de una manera muy acentuada.

Así que si tomamos en cuenta la configuración típica de una puerta, como se muestra en el circuito de la figura 74, vemos que si se establece una transición muy rápida de la tensión de entrada, las tensiones en los distintos puntos del circuito no cambian a la misma velocidad.

 

Figura 74 – Las capacitancias parásitas de una entrada TTL
Figura 74 – Las capacitancias parásitas de una entrada TTL

 

 Esta señal tiene antes de cargar las capacidades parásitas existentes, de modo que la tensión de entrada suba gradualmente, tomando un cierto tiempo que se debe considerar en cualquier proyecto de alta velocidad en el cual el dispositivo es.

Del mismo modo, a medida que la señal pasa por las diferentes etapas del circuito, debemos considerar los tiempos que los componentes conducen a cambiar, precisamente por las capacidades y las inductancias parásitas Existente.

El resultado es que para los circuitos integrados TTL, hay un retraso, no despreciable, entre el instante en que la señal pasa del nivel 0 al 1 en la entrada, y el instante cuando la señal en la salida responde a esta señal, pasando del nivel 1 al 0 , en el caso de un inversor tomado como ejemplo.

Del mismo modo, hay un retraso entre el momento en que la señal de entrada pasa del nivel 1 al 0, y el instante en que la señal de salida pasa del nivel 0 al 1, en el caso del mismo inversor tomado como ejemplo.

Estas dos veces se muestran en la figura 75 y son muy importantes en las especificaciones del circuito TTL, especialmente cuando trabajamos con un proyecto de dispositivo muy rápido.

 

Figura 75 – Los tiempos de transición de las señales en una puerta TTL
Figura 75 – Los tiempos de transición de las señales en una puerta TTL

 

 

Estos tiempos se amplían aún más si el dispositivo reúne muchas funciones lógicas.

El principal problema que estas señales causan, y que podemos avanzar al lector, es que, si dos señales que deben llegar al mismo tiempo en un punto determinado del circuito, no lo hacen porque uno se ralentiza más que el otro, al pasar por ciertas funciones , esto puede generar interpretaciones erróneas del propio circuito que funcionarán de manera anormal.

El circuito todavía tendrá un 0 en una entrada (a), esperando la llegada de un 1, cuando la (b) ya ha recibido el 1 de otro circuito, proporcionando una salida que corresponde a 0 y 1 entrada, y no 1 y 1. Esto puede cambiar todo el comportamiento del circuito que conduce a resultados que no se esperan.

 

3.5 - Subfamilias TTL

Los primeros circuitos integrados TTL que se desarrollaron, pronto resultaron inapropiados para ciertas aplicaciones, por ejemplo, cuando se deseaba una mayor velocidad, menor consumo de energía o incluso los dos factores ensamblados. En ese momento, las otras tecnologías que podrían reemplazar los circuitos integrados TTL todavía estaban mal desarrolladas.

Esto causó, manteniendo las características originales de compatibilidad entre los circuitos, y manteniendo las mismas funciones básicas, se crearon subfamilias, agregando una característica adicional diferenciada.

Así, de la familia original, que fue llamada "Standard" o "Normal", varias subfamilias emergieron. Para diferenciar estas subfamilias se agregaron en el número que identifica el componente, después del 54 o 74 con el que todos comienzan, una letra o dos letras.

A continuación, tenemos la siguiente tabla que identifica a las subfamilias de la familia TTL standard:

 

Indicación: 54/74

Familia/subfamilia: Normal o Standard

Características: bajo costo, media velocidad

 

Indicación: 54L/74L

Familia/subfamilia: Low Power

Característica: bajo consumo

 

Indicación: 574H/74H

Familia/subfamilia: High Speed

Característica: de alta velocidad

 

Indicación: 54S/74S

Familia/subfamilia: Schottky

Característica: de alta velocidad

 

Indicación: 54LS/74LS

Familia/subfamilia: Low Power Schottky

Característica: alta velocidad y bajo consumo

 

La versión estándar o normal muestra los componentes con el menor costo y también tiene el mayor número de funciones.

Sin embargo, la versión LS es la que más se adapta a los circuitos computadoras y la instrumentación rápida y el equipo portátil, ya que tiene la misma velocidad que los componentes familiares estándar con un consumo mucho menor.

Algunas características pueden ser comparadas para que los lectores tengan una idea de las diferencias:

 

Velocidad

La velocidad de funcionamiento de una función TTL suele especificarse en el momento en que la señal tarda en propagarse a través del circuito. En un Lenguaje más simple, este es el tiempo que ocurre entre el momento en que aplicamos los niveles lógicos en la entrada y en el instante en que recibimos la respuesta, como se muestra en la forma de onda que vimos en la figura 75.

Para los circuitos de la familia TTL es común especificar estos tiempos en Nano segundos el billonésimo de un segundo.

Así que tenemos:

 

Familia/Subfamilia = Tiempo de propagación (ns)

TTL Standard = 10

Low Power = 33

Low Power Schottky = 10

High Speed = 6

Schottky = 3

 

En muchos manuales de componentes TTL, sin embargo, en lugar del tiempo de propagación en nano segundos, podemos encontrar la velocidad máxima o la frecuencia de funcionamiento del dispositivo, que se dará en mega Hertz.

Así, un puerta TTL común que tiene un tiempo de propagación de 10 ns, cuando convertimos este valor a términos de frecuencia, obtenemos una frecuencia de operación máxima del orden de 100 MHz.

 

Disipación

Otro punto importante en el proyecto de circuitos digitales es la cantidad de energía o energía consumida y por lo tanto disipada en forma de calor.

En particular, la energía consumida se vuelve muy importante cuando pensamos en dispositivos alimentados por baterías.

En la práctica, en nuestros días, como los dispositivos de tecnología CMOS tienen un consumo mucho menor que los equivalentes de TTL, que se han preferido cuando se trata de proyectos alimentados por baterías y baterías.

Otra ventaja de estos dispositivos es que pueden funcionar con tensión mucho más bajos que los usados por los circuitos de la tecnología de TTL.

También debemos tener en cuenta los casos en los que debemos utilizar un gran número de funciones en un circuito.

Cuando utilizamos un gran número de funciones, esta característica se vuelve importante tanto para el dimensionamiento de la fuente como para el proyecto de la tabla y el aparato que debe tener medios de disipar el calor generado.

Podemos entonces comparar las disipaciones de las distintas familias, tomando como base a una puerta o “gate”:

 

Familia/ Subfamilia = Disipación por la puerta (mW)

Standard = 10

Low Power = 1

Low Power Schottky = 2

High Speed = 22

Schottky = 20

 

El lector debe haberse dado cuenta ya de que un problema importante que se manifiesta es que cuando aumentamos la velocidad el consumo también aumenta. Por lo tanto, el proyectista debe tener cuidado en la elección de la subfamilia que une las dos características en la medida correcta de su exactitud, incluyendo el precio de los componentes.

También debe ser consciente de la posibilidad de utilizar otras tecnologías, con ventaja, por ejemplo, la CMOS que vamos a estudiar más adelante.

 

Inmunidad al ruido

Otra característica importante que debe observarse al utilizar una determinada familia de circuitos integrados TTL es su inmunidad al ruido.

Los ambientes ruidosos, como el interior de un vehículo, una fábrica o incluso en la calle, pueden requerir que los circuitos utilizados sean inmunes a la presencia de ruidos. Los picos de ruido pueden interpretarse como señales y causar un procesamiento erróneo.

La inmunidad al ruido se expresa en milivolts (mV) o volts (V), indicando cual es la amplitud máxima del ruido que puede ser sobrepuesta a la señal lógica, sin causar una interpretación errónea de la función.

 

3.6 - Compatibilidad entre las subfamilias

Un punto importante que debe tenerse en cuenta cuando se trabaja con la familia Standard y las subfamilias TTL es la posibilidad de interconectar los distintos tipos.

Esto ocurre realmente ya que todos los circuitos integrados de la familia TTL, y de las subfamilias se alimentan con 5 volts.

Lo que debemos observar, y con mucho cuidado, es que las corrientes que circulan en las entradas y salidas de los componentes de las diferentes subfamilias son completamente diferentes, lo que significa que cuando nos movemos de uno a otro intentando interconectar sus componentes, las reglas de Fan In y Fan Out cambian completamente.

De hecho, no podemos hablar de Fan In y Fan Out cuando conectamos circuitos de diferentes familias. Lo que existe es la posibilidad de elaborar una tabla, basada en las características de los componentes, en la que el número máximo de chips de la subfamilia dada puede ser vinculado en la salida de otra subfamilia.

Esta tabla, dada a seguir:

 

SALIDA 74L 74 74LS 74H 74S
74L 20 40 40 50 100
74LS 2,5 10 5 12,5 12,5
ENTRADA 74L 74 74LS 74H 74S
74H 2 8 4 10 10
74S 2 8 4 10 10

 

 Observamos de esta tabla, que una salida 74 (Standard o Normal) puede excitar convenientemente 10 entradas 74LS (low Power Schottky ).

En la figura 76 mostramos cómo se puede hacer esto.

 

Figura 76 – Interconexión entre funciones
Figura 76 – Interconexión entre funciones

 

 

3.7 - Open Collector e Totem-Pole

Los circuitos comunes TTL que hemos estudiado hasta ahora, y que tiene la configuración que se muestra en la figura 54 de esta lección, se denominan Totem Pole.

En estos circuitos tenemos una configuración en la cual uno u otro transistor conduce la corriente como el nivel establecido en la salida sea 0 o 1.

Este tipo de circuito presenta un inconveniente si conectamos dos puertas en paralelo, como se muestra en la figura 77.

 

Figura 77 – Conflicto de niveles en la salida de una puerta
Figura 77 – Conflicto de niveles en la salida de una puerta

 

 

Si una de las puertas tiene su salida hacia el nivel alto (1) al mismo tiempo el otro va al nivel bajo (0), se establece un cortocircuito en la salida que puede causar su quema. La intensa corriente que circula por el circuito, sin limitación alguna, es la causa del problema.

Esto significa que los circuitos integrados TTL con esta configuración nunca pueden tener sus salidas interconectadas como se indica.

Éste es uno de los problemas que evita que una entrada sea despertada por varias salidas TTL "Tótem pole" conectadas en paralelo.

En algunas aplicaciones, sin embargo, es necesario conectar varias salidas a una entrada de excitación, no al mismo tiempo, pero en diferentes instantes. Para ello, existe la posibilidad de desarrollar un circuito en el que las salidas de puerta estén interconectadas con transistores internos en una configuración diferente. Esto se logra con la configuración denominada Open Collector o Colector Abierto que se muestra en la figura 78.

 

  Figura 78 – Salida Open-Collector o colector abierto
Figura 78 – Salida Open-Collector o colector abierto

 

 

Los circuitos integrados TTL que tienen esta configuración, se indican como "Open-Collector " y cuando se utilizan, requieren la conexión de una resistor externo llamado "pull-up", generalmente de 2000 ohms o cerca de eso.

Como el nombre en inglés dice, el transistor interno está con el "colector abierto" (open-collector) y a la función necesita un resistor de la polarización. El valor 2 000 ohms o 2 200 ohms está estandarizado para proporcionar la polarización que el circuito necesita para funcionar, sin problemas.

La ventaja de esta configuración es la posibilidad de interconectar diferentes puertas en el mismo punto, como se muestra en la figura 79.

 

Figura 79 – El resistor pull-up
Figura 79 – El resistor pull-up

 

 

Sin embargo, la desventaja está en reducir la velocidad de funcionamiento del circuito que se vuelve más lento, con la presencia del resistor, ya que tiene una cierta impedancia que afecta al rendimiento del circuito, "atrasando" la señal lógica que cruza la función.

 

3.8 - Tri-State

Tri-state significa "tercer estado" o "tres estados" y es una configuración que también se puede encontrar en algunos circuitos integrados TTL, principalmente de uso en informática y controles industriales que envuelven el uso de microcontroladores, microprocesadores y DSPs.

Los circuitos lógicos con salidas tri-state tienen características que adaptan su conexión a circuitos externos, los cuales pueden ser salidas como entradas de señal.

En la figura 80 tenemos un circuito típico de una puerta NAND tri-state que servirá de ejemplo.

 

Figura 80 – Una puerta NAND Tri-state
Figura 80 – Una puerta NAND Tri-state

 

 

Lo que ocurre es que puede haber aplicaciones en las que dos puertas tienen sus salidas conectadas al mismo circuito, como se muestra en la figura 81.

 

 

Figura 81 - Cuando A estuviera enviando señales C, B debe estar desactivada
Figura 81 - Cuando A estuviera enviando señales C, B debe estar desactivada

 

 

Una puerta está asociada con un primer circuito y la otra puerta a un segundo circuito. Cuando un circuito envía sus señales para la puerta, el otro debe permanecer en espera.

Ahora, si el circuito que está en espera está en el nivel 0 o nivel 1, estos niveles serán interpretados por la próxima puerta como información y esto no puede ocurrir.

Lo que debería suceder es que cuando un puerta envía sus señales a otro puerta, debe estar en una situación en la que en su salida no tenemos ni 0 ni 1, es decir, debe estar en un estado de circuito desconectado, circuito abierto o tercer estado (tri-state).

Esto se logra a través de una entrada de control denominada "habilitación", que en inglés se dice "Enable", y abreviada por EN.

Así que cuando EN está en el nivel de habilitación 0, en el circuito de la figura 80, el transistor Q5 no conduce, y no pasa nada en el circuito que funciona normalmente.

Sin embargo, si EN es llevado al nivel 1, el transistor Q5 se satura llevando tanto el Q3 como el Q4 al corte, o sea, los dos empiezan a comportarse como circuitos abiertos, independientemente de las señales de entrada. En la salida Y lo que tenemos es entonces un estado de alta impedancia o circuito abierto.

Podemos concluir que una función tri-state tiene tres estados posibles en su salida:

 

Nivel lógico 0

Nivel lógico 1

Alta impedancia

 

 

Las funciones tri-state son ampliamente utilizadas en los circuitos de computadores, en los llamados buses de datos o "data bus", donde varios circuitos deben aplicar sus señales al mismo punto o deben compartir la misma línea de transferencia de estos datos.

Con el uso de salidas tri-state conectadas a estos buses no se producen problemas cuando los datos deben entrar como deben salir.

En muchas máquinas industriales, que deben recoger la información de varios circuitos del sensor al mismo tiempo y por lo tanto conectado con el mismo punto, este tipo de lógica es también ampliamente utilizado, ocurriendo el mismo con los robots y otros equipos de la mecatrónica.

El circuito que está funcionando debe estar habilitado y los que no están funcionando, para que sus salidas no influyan en los demás, siempre deben ser llevados al tercer estado.

En la figura 82 tenemos un ejemplo de aplicación en la que se utilizan circuitos tri-state

 

Figura 82 – Circuito de Interconexión con componentes tri-state
Figura 82 – Circuito de Interconexión con componentes tri-state

 

 

Una unidad de procesamiento de un equipo envía y recibe datos a/desde varios periféricos, utilizando una sola línea o bus. Todos los circuitos conectados a estas líneas deben tener sus salidas del tipo tri-state.

 


Sumário

Curso de Electrónica - Electrónica Digital (CUR5000)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital – Parte 1 (CUR5001S)

Curso de Electrónica Digital – Parte 2 - El Álgebra de Boole (CUR5002S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital – Parte 3 - Familias de Circuitos Lógicos Digitales (CUR5003S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital – Parte 4 - La Familia de Circuitos Integrados CMOS (CUR5004S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 5 - Combinando Funciones Lógicas (Lógica Combinacional) (CUR5005S)

 Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 6 - Los Elementos Biestables (CUR5006S)

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