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

4.1 – Circuitos integrados CMOS

CMOS significa " Complementary Metal-Oxide Semiconductor ", sigla que corresponde a un tipo de tecnología que utiliza transistores de efecto de campo, o " field effect transistor" (FET), en lugar de los transistores bipolares comunes (como en los circuitos TTL), para desarrollo de circuitos integrados digitales.

Existen ventajas y desventajas en el uso de transistores de efecto de campo, pero los fabricantes, con el desarrollo de nuevas tecnologías de fabricación, logran eliminar gradualmente las diferencias que existen entre las dos familias, aumentando aún más el Sus velocidades y la reducción de su consumo de energía.

 

 

En general, podemos decir que hay aplicaciones en las que es mucho más ventajoso utilizar circuitos integrados TTL y aplicaciones en las que es mejor utilizar circuitos integrados CMOS.

Los transistores de efecto de campo utilizados en los circuitos integrados CMOS o MOSFETs tienen la estructura básica mostrada en la figura 83 donde también aparece su símbolo.

 

Figura 83 – Estructura de un transistor MOS de canal N
Figura 83 – Estructura de un transistor MOS de canal N

 

 

Esta estructura ha sufrido cambios en cada generación de nuevos componentes, con el fin de obtener mayor velocidad y menor consumo. Sin embargo, el principio de funcionamiento que hemos estado estudiando, permanece. 

Como podemos ver, el electrodo de control es la compuerta o gate (g), donde aplica la señal que debe ser amplificada o que todavía debe ser utilizada para la llave del circuito. 

El transistor es entonces polarizado de modo que haya una tensión entre la fuente o "source" (s) y el drenaje o "drain" (d).

 Haciendo una analogía con el transistor bipolar, podemos decir que la puerta MOSFET es equivalente a la base del transistor bipolar, mientras que el drenaje es equivalente al colector, y la fuente al emisor, como se muestra en la figura 84.

 

Figura 84 – Equivalencia entre el transistor MOS y el bipolar
Figura 84 – Equivalencia entre el transistor MOS y el bipolar

 

 Tenga en cuenta que entre el electrodo de compuerta, que consiste en una placa de aluminio, y la parte que forma el sustrato o canal a través del cual pasa la corriente, no hay contacto eléctrico y ninguna juntura de materiales semiconductores, sino una capa muy delgada de óxido de aluminio u oxido Metálico, que da correctamente el nombre del dispositivo (metal-óxido).

 La polaridad del material semiconductor utilizado en el canal, que es la parte del transistor por la que circula la corriente controlada, determina su tipo y también la polaridad de la tensión que lo controla.

 Así, encontramos en la práctica transistores de efecto de campo tipo MOS de canal N, y transistores de efecto de campo tipo MOS de canal P.

 Es interesante notar que los transistores del canal N son más rápidos de que los de canal P, porque los portadores negativos de las cargas (electrones) son más rápidos que las lagunas.

 De hecho, los mismos transistores MOS todavía pueden dividirse en dos tipos: enriquecimiento y empobrecimiento que conducen a dos tipos de representación. Para nuestro curso, sin embargo, es suficiente recordar que hay transistores MOS tipo P y tipo N.

 En la figura 85 tenemos los símbolos adoptados para representar los dos tipos de transistores.

 

   Figura 85 – Tipos de transistores MOS con sus símbolos (observe la dirección de la flecha)
Figura 85 – Tipos de transistores MOS con sus símbolos (observe la dirección de la flecha)

 

 

Podemos decir, de una manera que no se puede tomar muy lejos, que estos transistores son equivalentes a los tipos NPN y PNP bipolares, si consideramos el sentido de la circulación de las corrientes que controlan.

 En un transistor de efecto de campo, la corriente que circula entre la fuente y el drenaje puede ser controlada por la tensión aplicado a la compuerta. Esto significa que, a diferencia de los transistores bipolares en los que la corriente del colector depende de la corriente baja, en el efecto de campo del transistor, la corriente del drenaje depende del tensión de la compuerta.

 Así, en el tipo P una tensión positiva de la compuerta aumenta su conducción, es decir, hace que se satura mientras que en el tipo N una tensión negativa de la puerta es la que conduce a la saturación.

 Una vez más haciendo una comparación con los tipos bipolares, podemos decir entonces que mientras que los transistores bipolares son amplificadores típicos de corriente, los transistores del efecto de campo del FETs o del MOS son amplificadores típicos de tensión.

 Esta diferencia lleva el transistor del efecto de campo del CMOS presentar características muy interesantes para los usos tanto en la electrónica digital como analógica.

 Uno de ellos es el hecho de que la impedancia de entrada del circuito es extremadamente alta, lo que significa que necesitamos prácticamente sólo el tensión para controlar los dispositivos CMOS. Así, consume una energía extremadamente baja para la señal que excitará la entrada de un circuito integrado del CMOS, puesto que virtualmente ninguna corriente circulara por este elemento.

 Esta característica hace que el transistor CMOS sea un dispositivo capaz de operar con cantidades de energía muy bajas, esto es, para tener un consumo adecuado para aplicaciones que son alimentadas por pilas y baterías.

 El otro es en el hecho que, desemejante de los transistores bipolares que comienzan solamente a conducir cuando un tensión del orden de 0,6 V dada la barrera potencial de su juntura del base-emisor, los FETs no tiene esta des continuidad de las características, lo que los hace mucho más lineales en cualquier aplicación que implique amplificación de señal.

 En la figura 86 tenemos las curvas características de un MOSFET de canal N.

 

Figura 86 – Característica del transistor MOSFET
Figura 86 – Característica del transistor MOSFET

 

 

Sin embargo, además de las ventajas, los transistores de efecto de campo MOS también tienen sus desventajas. Uno de ellos es que el electrodo de compuerta (gate) se comporta como la placa de un capacitor. Así, cuando aplicamos al transistor un tensión para conmutarlo, antes de que tenga cualquier efecto sobre el componente es necesario cargar este capacitor, que toma un cierto tiempo.

 Esta capacitancia de la compuerta es, por tanto, la principal responsable de la baja velocidad de estos componentes.

 Las tecnologías modernas han sido capaces de reducir en gran medida estas capacidades, y los circuitos que utilizan transistores MOS se están volviendo cada vez más rápidos, en algunos casos, y se pueden comparar a los circuitos bipolares utilizados en la tecnología TTL.

  

4.2 - Aplicaciones digitales

 De la misma manera que podemos elaborar funciones lógicas básicas utilizando transistores bipolares comunes, también podemos hacer lo mismo basándonos en los transistores de efecto de campo MOS. La tecnología CMOS (Complementary MOS) permite que los dispositivos tengan excelentes características para aplicaciones digitales.

 CMOS significa que en cada función tenemos ajustes en los que los transistores de canal N y el canal P se utilizan al mismo tiempo, es decir, usamos pares complementarios como se muestra en el diagrama del inversor lógico mostrado en la figura 88. (El C de complementar significa el uso de los dos tipos de transistores)

 

Figura 88 – Un inversor CMOS
Figura 88 – Un inversor CMOS

 

 Como explicamos en el artículo anterior, la polaridad dela tensión que controla la corriente principal en los transistores del efecto de campo MOS depende exacto del tipo de material usado en el canal, que puede ser del tipo P cuando del tipo N.

 Por lo tanto, si tenemos en cuenta que en los circuitos digitales tenemos dos posibles niveles de señal podemos percibir que dependiendo del nivel de esta señal aplicada a la puerta de los dos transistores al mismo tiempo, cuando uno de ellos se polariza con el fin de impulsar Completamente la corriente (saturada), la otra se polariza obligatoriamente para cortar esta corriente (corte).

 En el circuito indicado en la figura 88, cuando la entrada A está en el nivel bajo (0), el transistor Q2 lleva mientras Q1 permanece en el corte. Esto significa que Vdd que es la tensión positiva de la alimentación se coloca en la salida que corresponde al de nivel alto o 1.

 Por otro lado, cuando en la entrada se aplica el alto nivel, que corresponde a la Vdd (tensión de alimentación), es el transistor Q1 que lleva y, con esto, el nivel bajo o 0 V (también indicado por Vss) ' que se colocará en la salida.

 Como sabemos, estas características corresponden precisamente a la función inversa.

 Un inversor del CMOS es por lo tanto una configuración muy simple a poner en ejecución, porque utiliza solamente dos transistores complementarios.

 A partir de esta configuración, se puede implementar una gran cantidad de funciones basadas en transistores CMOS.

  

4.3 - Consumo y velocidad

 Analizando el circuito del inversor tomado como base para nuestras explicaciones, vemos que presenta dos características importantes.

 La primera es que siempre se cortará uno de los transistores, cualquiera que sea la señal de entrada (alta o baja), lo que significa que prácticamente no circula ninguna corriente entre la Vdd y el punto de tierra (0 V). La única corriente que circulará será eventualmente de un circuito externo excitado por la salida, como se muestra en la figura 89.

 

Figura 89 – La única corriente es la que pasa por el circuito externo
Figura 89 – La única corriente es la que pasa por el circuito externo

  

Esto significa una consumición extremadamente baja para este par de transistores bajo condiciones normales, puesto que en la entrada del bloque siguiente, que también será un circuito del CMOS, tendremos una alta impedancia y virtualmente ninguna corriente circula. Este consumo está en el orden de sólo 10 nW (nW = Nano Watt = 0,000 000 001 watt).

 La corriente más grande circula precisamente en el momento en que los transistores cambian, porque como vimos para excitar el siguiente paso que es la entrada de un CMOS, se debe cargar el capacitor que corresponde al electrodo de la comporta, como vamos a explicar con más detalle Adelante.

 Es fácil ver que si integramos 1 millón de estas funciones en un circuito integrado, ¡ consumirá solamente 1 mW! Por supuesto, en la práctica tenemos factores que hacen que este consumo sea mayor, por ejemplo, posibles fugas, la necesidad de uno u otro componente especial de excitación que requiere una mayor corriente, y la misma velocidad de operación que determina la velocidad con que el capacitor virtual de entrada debe estar cargada y descargada.

 Como hemos visto, junto a las buenas características también tiene sus problemas, y con razón uno de ellos es en el hecho de que el electrodo de control (comporta), que es una placa metálica fija en el material semiconductor y aislada por una capa de óxido, que actúa como el arma o placa de un capacitor, como se muestra en la figura 90.

 

Figura 90 – Un transistor MOS se componen como un capacitor
Figura 90 – Un transistor MOS se componen como un capacitor

  

Esto significa que mediante la aplicación de una señal de control a una función de este tipo, la tensión no sube inmediatamente al valor deseado, pero necesita una cierta cantidad de tiempo, el tiempo necesario para cargar el "capacitor" representado por el electrodo de la puerta.

 Aunque el electrodo tiene dimensiones extremadamente pequeñas, si tomamos en cuenta las impedancias implicadas en el proceso de carga y también la disponibilidad actual de los circuitos excitadores, el tiempo involucrado en el proceso no es despreciable y cierto retraso En la propagación de la señal ocurre.

 El retraso no es más que la diferencia horaria entre el instante en que aplicamos la señal en la entrada y en el instante en que recibimos una señal en la salida.

 En los circuitos integrados típicos de CMOS como los utilizados en aplicaciones digitales, para un inversor como ejemplo, este retraso es del orden de 3 nano segundos (3 ns).

 Esto puede parecer poco en las aplicaciones comunes, pero si una señal tiene que pasar por cientos de puertas antes de que llegue a un determinado punto donde se necesita, la suma de los retrasos puede causar una serie de problemas de funcionamiento, si no se prevé.

 Vea, sin embargo, que la carga de un capacitor en un circuito de tiempo, como se muestra en la figura 91 a un cierto nivel de tensión también depende de la tensión de alimentación.

 

Figura 91 - Carga del capacitor en función de la tensión
Figura 91 - Carga del capacitor en función de la tensión

 

 Así, con más tensión la carga es más rápida y esto nos lleva a una característica muy importante de los circuitos digitales del CMOS que se deben tener en cuenta en cualquier uso: con una energía más alta del tensión los circuitos integrados CMOS son más rápidos.

 De esta manera, mientras que en los circuitos integrados TTL encontramos una velocidad máxima de operación para cada tipo (incluso porque su tensión de alimentación es fija 5 volts), en los manuales CMOS encontramos las velocidades asociadas a las tensiones de alimentación (puesto que los circuitos integrados CMOS pueden ser alimentados por una amplia gama de tensiones).

 Un ejemplo de ello se puede observar en las características de un circuito CMOS integrado formado por seis inversores (hex inverters ) donde tenemos las siguientes frecuencias máximas de operación:

 

4049 - Seis inversores

 El circuito integrado CMOS 4049 consta de seis inversores, con el pino de la cubierta DIL de 14 pinos que se muestra en la figura 92.

 

 

Figura 92 – El circuito integrado 4049
Figura 92 – El circuito integrado 4049

 

 

Frecuencia máxima de funcionamiento:

 Con Vdd = 5 V-1,66 MHz (típico)

Vdd = 10 V-4,00 MHz (típico)

Vdd = 15 V-5,00 MHz (típico)

 

Vea entonces que el circuito es mucho más rápido cuando lo alimentamos con una tensión de 15 V que cuando lo alimentamos con una tensión de sólo 5 volts. Este hecho es muy importante cuando, por ejemplo, debemos elaborar un oscilador con un circuito CMOS integrado que opera a su límite de velocidad o cuando vamos a utilizar circuitos CMOS con otras tecnologías más rápidas.

 

En la figura 93 tenemos una gráfica que relaciona la velocidad de conmutación con la corriente consumida.

 

Figura 93 –  Corriente consumida X velocidad de conmutación
Figura 93 – Corriente consumida X velocidad de conmutación

 

 

De hecho, las tecnologías especiales han logrado reducir la capacitancia de entrada de los circuitos CMOS a valores muy bajos.

 Hoy en día, las familias integradas CMOS están disponibles que pueden operar a bajas tensiones y con velocidades que se acercan a las obtenidas con algunas familias TTL.

 La gran ventaja es mantener un bajo consumo, incluso a altas velocidades de operación.

  

4.4 – Familias y Subfamilias CMOS

 Las familias CMOS Standards del comienzan con el 4000. De la misma manera que en el caso de las familias TTL también tenemos sufijos que indican las subfamilias.

 También es importante notar que los números 4000 indicativos del tipo están acompañados por un prefijo (juegos de letras) que indican el fabricante, por ejemplo, CD4001, etc.

 De la misma manera que en el caso de la familia de circuitos integrados TTL, también en el CMOS fueron creados Subfamilias Con características especiales, algunos incluso con el mismo pino de los equivalentes TTL, siguiendo, Así la misma nomenclatura.

 Estas familias creadas a partir de 1972 en adelante, dirigido a la sustitución directa de circuitos TTL por CMOS equivalentes, sin la necesidad de modificar en un layout de placa, porque el pino era el mismo.

 A continuación, tenemos las siguientes subfamilias CMOS con nomenclatura TTL, con sus características:

 

Standard 74C00 – esta es la familia normal de CMOS con nomenclatura TTL, pero actualmente está obsoleta. Tenga en cuenta la presencia de la "C" entre el 74 y el número de componente, para indicar que es CMOS.

High Speed 74HC00 (High Speed significa alta velocidad) – esta subfamilia apareció en 1980. Con los dispositivos de esta familia tenemos la misma velocidad que los dispositivos TTL standard, pero con las características del consumo de dispositivos CMOS.

High Speed 74HCT00 (alta velocidad) - esta subfamilia se caracteriza por el hecho de que los dispositivos tienen entradas para ser compatibles con las salidas TTL.

Advanced High Speed 74AC00 (alta velocidad avanzada) – con tiempos de propagación típicos de sólo 5 nS

Advanced High Speed 74ACT00 (alta velocidad avanzada) – con entradas compatibles con TTL y tiempos de propagación de 7 nS.

 

La tabla debajo de las características principales de estas subfamilias cuando está comparada con CMOS convencional de la serie 4000.

 

Faja de tensiones

Corriente quiescente

por puerta

Tiempo de propagación por puerta

Frecuencia máxima de operación

Fan-out para entradas TTL LS

4000B

3 – 15 V

0,01 uA

125 ns (5V)

50 ns (10 V)

40 ns (15 V)

2 MHz ( 5 V)

5 MHz (10 V)

9 MHz (15 V)

1

4000UB

3 – 15 V

0,01 uA

90 ns (5 V)

50 ns (10 V)

40 ns (15 V)

3 MHz (5 V)

5 MHz (10 V)

8 MHz (15 V)

1

74HC00

2 – 6 V

0,02 uA

8 ns

40 MHz

10

74HCT00

4,5 – 5,5 V

0,02 uA

10 ns

-

10

74AC00

2 – 6 V

0,02 uA

6 ns

100 MHz

10

74ACT

4,5 – 5,5 V

0,02 uA

7 ns

-

60

TTL LS

4,75 – 5,25 V

0,5 mA

9 ns

40 MHz

20

 

 

4.5 – Sensibilidad a la manipulación

La presencia de una capa muy delgada de óxido que aísla la escotilla del sustrato, extremadamente sensible a las descargas eléctricas, hace que los dispositivos que utilizan transistores MOS muy delicados.

 De hecho, la propia carga eléctrica acumulada en herramientas o en nuestro cuerpo, cuando caminamos sobre una alfombra en un día seco, o todavía tenemos objetos en nuestra ropa, puede ser suficiente para dañar irremediablemente los dispositivos MOS. Para que el lector tenga una idea, caminando sobre una alfombra en un día seco, su cuerpo puede acumular una carga estática que alcanza potenciales de hasta más de 10 000 volts.

 Si toca un grifo o una puerta manejar la descarga de su cuerpo en esta ruta de la tierra puede causar un choque fuerte.

 Si, de manera similar, usted toca un terminal en un dispositivo CMOS, la carga de su cuerpo que drena a través de este dispositivo puede destruir fácilmente la capa muy delgada de óxido que separa el sustrato de los sustratos y, por lo tanto, el componente no se utilizará.

 En otras palabras, los dispositivos que utilizan transistores CMOS son extremadamente sensibles para descargas estáticas, como se muestra en la figura 94.

 

Figura 94 – Cómo las cargas estáticas destruyen componentes CMOS
Figura 94 – Cómo las cargas estáticas destruyen componentes CMOS

 

 

Así, la primera preocupación en el uso y manejo de estos componentes es evitar, en cualquier caso, las tensiones peligrosas que pueden causar daños entre los terminales de los componentes.

 Para los transistores del CMOS, y otros componentes que utilicen los terminales axiales, hay la posibilidad de darles un pequeño anillo del metal que cortocircuito sus terminales, como se muestra en la figura 95, y que se eliminan sólo después de soldar el componente en la placa de circuito impreso.

 

Figura 95 – Protegiendo de transistor (FET o MOSFET) sensible de descargas estáticas
Figura 95 – Protegiendo de transistor (FET o MOSFET) sensible de descargas estáticas

 

 

Este anillo coloca en corto los terminales del componente, manteniéndolos todos en el mismo potencial, así evitando las tensiones que pueden dañar la parte movible sensible interna.

 Para circuitos integrados con envolturas DIL, y otros tipos, hay varias maneras de hacer su transporte sin el peligro de que las cargas estáticas acumuladas en objetos puedan causar daños.

 Uno consiste en el uso de una esponja conductora en la cual sus terminales se roscan y por lo tanto se mantienen en cortocircuito, como se muestra en la figura 96.

 

Figura 96 – Uso de una esponja conductora
Figura 96 – Uso de una esponja conductora

 

 Los circuitos integrados del CMOS se deben guardar en estas esponjas hasta que se utilicen, bajo pena que algún tacto accidental con el dedo cargado con la estática cause daño.

 Otra posibilidad es transportar circuitos integrados CMOS en envases de plásticos antiestéticos como se muestra en la figura 97.

 

Figura 97 – Embalaje antiestética para circuitos integrados
Figura 97 – Embalaje antiestética para circuitos integrados

 

 De cualquier manera, la regla general es: Nunca toque con los dedos en los terminales de los componentes CMOS, ya sean circuitos integrados los transistores.

 El laboratorio o taller en el que trabaja con circuitos integrados CMOS debe tomar precauciones especiales para que en ningún momento ocurran acumulaciones de cargas estáticas. Los bancos de banco con los componentes de esta tecnología deben tener piezas metálicas puestas a tierra y los propios profesionales deben utilizar los recursos que permiten la descarga de cargas de su cuerpo.

 En empresas con circuitos CMOS es común el uso de brazaletes metálicos por profesionales, siendo estas pulseras conectadas a un cable de tierra. (Vea el volumen 2 – Electrónica Analógica, lección que trata de FETs).

 Para el lector, que sólo a veces se puede ver delante de estos componentes, sólo es necesario recordar que uno no debe tocar los terminales de los componentes y con esto tenemos una buena garantía para su integridad.

 Otro punto importante que debe tenerse en cuenta es que se recomienda no dejar ninguna entrada de un circuito CMOS integrado desconectado, especialmente en las aplicaciones más sensibles.

 Lo que pasa es que la sensibilidad de estas entradas es suficientemente alta para que las tensiones inducidas en el propio circuito se capturen tomando las dos Transistores a un estado intermedio entre el corte y la saturación o todavía oscilando en la frecuencia de la señal capturada.

 Esto, además de elevar el consumo del circuito integrado, puede provocar inestabilidades que afecten al funcionamiento general del circuito.

 Una regla práctica es tomar las entradas de las funciones no utilizadas en un integrado en los niveles de tensión definidos, es decir, para conectar a la VDD o al punto 0 V.

 El nivel que debe establecerse en las entradas no utilizadas depende de la función considerada. Se debe tener cuidado para asegurarse de que las salidas no utilizadas no estén conectadas a niveles opuestos a los establecidos por la conexión. Por lo tanto, se recomienda mantener las salidas desactivadas. En la figura 98 tenemos ejemplos que dependen de la puerta.

 

Figura 98 – Cómo conectar entradas no utilizadas
Figura 98 – Cómo conectar entradas no utilizadas

 

 Otro punto importante para tener en cuenta es que las tensiones negativas por debajo de Vss (0 V) no deben aplicarse a los circuitos tecnológicos MOS, ya que pueden dañarlos irreversiblemente.

 

 

4.6 – Las Configuraciones CMOS

 Las funciones lógicas elaboradas de los transistores CMOS es mucho más simple que hacer lo mismo con los transistores bipolares.

 De hecho, si analizamos el circuito de una función de lógica TTL, veremos que se utilizan, además de los transistores bipolares, varios otros componentes pasivos como resistores (en buena cantidad), diodos e incluso capacitores en algunos casos.

 Con el uso de los transistores del CMOS, las elaboraciones de funciones son mucho más simples, porque necesitamos solamente un tipo de componente prácticamente: los transistores.

 No encontramos en la mayoría de las funciones básicas, pero los transistores.

 Podemos empezar por tomar como ejemplo la figura 99 en la que tenemos la configuración utilizada para un puerta NOR de 2 entradas CMOS en la que se utilizan cuatro transistores.

 

Figura 99 – Puerta NOR CMOS
Figura 99 – Puerta NOR CMOS

 

 Tenga en cuenta la simplicidad de esta función CMOS en comparación con las funciones de TTL equivalente. Con los circuitos CMOS sólo necesitamos transistores para tener la función deseada, mientras que en el equivalente de TTL necesitamos mucho más que transistores.

 Es importante notar que el no uso de resistor aporta enormes ventajas cuando se piensa en términos de potencia disipada. Los resistores convierten la energía eléctrica en calor y su ausencia en un circuito significa que no tenemos tanta generación de calor y por lo tanto desperdiciamos energía.

 En la figura 100 tenemos la configuración utilizada para una puerta NAND de dos entradas CMOS en las que también usamos sólo 4 transistores.

 

  Figura 100 – Puerta  NAND CMOS
Figura 100 – Puerta NAND CMOS

 

 

En este circuito, cuando ambas entradas, o una de ellas está en el nivel bajo (0), uno o ambos transistores del canal P estarán en la conducción y la salida estará en el nivel alto.

 Sin embargo, cuando las dos entradas están en el nivel 1, entonces los dos transistores de canal N conducirán al mismo tiempo llevando la salida al nivel bajo.

 Para las otras funciones lógicas tenemos ajustes del mismo tipo, cambiando sólo la disposición y la cantidad de transistores utilizados.

 Tomando estas dos funciones como ejemplo, creemos que el lector ya puede tener una idea de cómo se hacen mientras trabajan.

 Se puede encontrar más información sobre todas las funciones lógicas en los manuales de los fabricantes.

 Estos manuales normalmente pueden ser "descargados" de los sitios web de los fabricantes en Internet, o incluso de la página web del autor de este libro.

 La información también se puede obtener escribiendo directamente desde el tipo de componente en los motores de búsqueda como Google,

 

4.7 - Especificaciones

La familia principal de los circuitos integrados del CMOS es el 4000 donde la mayor parte de los componentes son designados por números que comienzan con 4, por ejemplo 4001, 4011, 4017, 4096, etc. Existen excepciones para los componentes más avanzados de la línea, pero es fácil saber que son compatibles porque normalmente se incluyen en los mismos manuales que los demás.

 Los circuitos integrados comunes del CMOS funcionan con voltajes de alimentación de 3 a 15 volts. Le recordamos que hay una serie CMOS más antigua con el sufijo A en el que la tensión de alimentación está en el rango de 3 a 12 volts y algunas series que van hasta 18 V.

 También hay que tener en cuenta que existen las subfamilias que ya hemos estudiado en artículos anteriores.

 En cualquier forma, en duda acerca de cualquier característica de un circuito CMOS integrado que tiene cualquier sufijo que puede indicar variaciones en las especificaciones normales, siempre es bueno para consultar su manual o incluso el Internet.

 La mayoría de los fabricantes coloca databooks disponibles con información de todos sus componentes en la propia internet, simplemente escribiendo el tipo en su " search " (búsqueda).

 Al igual que en el caso de los circuitos integrados TTL ' necesito saber cómo interpretar algunas de las especificaciones principales que son:

 

a) Tensión de salida - a nivel lógico bajo (0) la tensión de salida se aproxima a 0 V siendo máximo 0,01 volt para los tipos comunes con alimentación en la pista de 5 a 10 V. En el alto nivel lógico, la tensión de salida es prácticamente la tensión de alimentación Vdd o al máximo 0,01 volt más bajo.

b) Corriente de salida – diferentemente de los circuitos integrados TTL, en los cuales tenemos una mayor capacidad de drenaje la corriente en la salida que proporcionar, para los circuitos integrados del CMOS la capacidad de drenaje y de suministrar salida actual es prácticamente la misma. Así, para una alimentación de 5 volts las salidas pueden proporcionar (cuando en el alto nivel) o drenaje (cuando en el nivel bajo) una corriente de hasta 0,88 mA, y esta corriente sube a 2,25 mA cuando la alimentación pasa a 10 V. Para una tensión de 15 V la corriente máxima drenada o suministrada tiene un valor típico de 8,8 mA. Estas corrientes, como se muestra en la figura 101, son designadas por IOL y IOH en las hojas de especificaciones de los circuitos integrados CMOS. Le recordamos que hay algunas funciones especiales en las que, además de estas corrientes tienen diferentes valores de los indicados, también puede ser diferente cuando la salida es de alto nivel o bajo nivel. Hay algunas funciones especiales están específicamente indicadas para excitar una carga de drenaje o el suministro de una corriente.

 

Figura 101 – Las corrientes de salida de los circuitos integrados CMOS
Figura 101 – Las corrientes de salida de los circuitos integrados CMOS

 

 

c) Corriente de la salida en la entrada - si la compuerta se aísla del circuito del dreno-fuente, con una resistencia que teóricamente sería infinita, en la práctica una pequeña fuga puede ocurrir. Esto, del orden de 10 pA (1 pico ampere = 0,000 000 000 001 ampere) para una alimentación de 10 V debe ser considerado cuando necesitamos calcular la corriente de entrada de un circuito CMOS en una aplicación más crítica.

d) Potencia - Los circuitos integrados CMOS consumen mucho menos energía que los circuitos integrados TTL. Para los tipos comunes la fuente de alimentación, especificada por Idd, está típicamente en el orden de 1 en típicamente con un máximo de 0,05 uA para la energía de 5 V que corresponde a una disipación de 5 nW en promedio para la energía de 5 V y 10 nW para la fuente de alimentación de 10 V.

e) Velocidad - Los tipos comunes CMOS son mucho más lentos que TTL, pero las familias especiales están apareciendo con velocidades cada vez mayores y en muchos casos éstos están acercándose al TTLS más rápido. Las frecuencias máximas, como ya hemos explicado, dependen de la tensión de alimentación, ya que un mayor número de componentes a recorrer significa una mayor demora de la señal. Así, en los manuales encontramos la especificación de velocidad dada tanto en términos de frecuencia como en términos de retraso de señal. Para el caso del retraso de la señal, observamos que puede ser especificado tanto para una transición de alto nivel a un nivel bajo como viceversa y en algunos circuitos o tensión de energía puede ocurrir diferencias. En cualquier forma, las familias normales de los circuitos integrados CMOS tienen velocidades que a lo sumo alcanzan los 10 MHz a diferencia de algunas subfamilias TTL que pueden llegar a más de 100 MHz.

 

Todas estas características son importantes cuando se realiza cualquier proyecto que utilice circuitos integrados CMOS.

 También es necesario considerar que las gamas de tensiones de entrada reconocidas como nivel y nivel bajo dependen de la tensión de alimentación, lo que nos lleva a la curva de transferencia mostrada en la figura 102.

 

Figura 102 – Curva de transferencia de un inversor CMOS con entrada A y salida X
Figura 102 – Curva de transferencia de un inversor CMOS con entrada A y salida X

 

 A diferencia de los circuitos integrados TTL, en los que tenemos un tensión fijo de alimentación, cuando trabajamos con circuitos integrados CMOS es necesario estar al tanto de lo que pasa con la velocidad, las corrientes de salida y los niveles lógicos cuando usamos diferentes Tensiones de suministro.

 También es necesario tener en cuenta que actualmente hay muchos fabricantes de circuitos integrados CMOS. Así, un componente particular de un fabricante puede tener características ligeramente diferentes del mismo componente realizado por otro fabricante.

 En la mayoría de los casos, las diferencias son demasiado pequeñas para que cualquier anormalidad ocurra en un proyecto, pero si un componente es substituido por otra cosa, el profesional debe prestar la atención a este detalle.

  

4.7.1 – Desacoplamiento

 Las transiciones rápidas de los niveles de señal que ocurren en un circuito CMOS integrado, como en cualquier otro, causan picos de corriente que pueden propagarse a través del circuito.

 El resultado de esta propagación es una inestabilidad de los otros circuitos integrados del equipo que pueden ser tomados indebidamente a un cambio de estado.

 Para evitar este problema, lo que normalmente se hace es desacoplar la alimentación del circuito integrado con la ayuda de un capacitor cerámico, normalmente 100 nF. Este capacitor, como se muestra en la figura 103, debe estar conectado entre lo positivo y lo negativo (GND) de la alimentación.

 

Figura 103 – Desacoplamiento de la alimentación del circuito integrado CMOS
Figura 103 – Desacoplamiento de la alimentación del circuito integrado CMOS

 

  

4.8 – Interconectando

Interfacear o interconectar es conectar dos circuitos para que uno pueda transferir señales a la otra. En aplicaciones que implican circuitos electrónicos digitales, la interconexión no es sólo un procedimiento común, pero es necesario principalmente cuando se desea transmitir datos de un equipo a otro.

 Sin embargo, el principal problema que puede ocurrir en un caso de interconexión es que el equipo interconectado opera con diferentes tecnologías. Incluso dentro de un equipo podemos encontrar sectores con diferentes tecnologías.

 Debido a que las dos principales tecnologías encontradas en los equipos digitales son CMOS y TTL, es importante que el lector sepa cómo proceder cuando tenga que interactuar con ellas.

 Así, incluso teniendo un amplio rango de voltaje y diferentes características de los circuitos integrados TTL, existe la posibilidad de interconexión de los circuitos CMOS con el TTL tanto para enviar señales como para recibir señales.

 Por esta razón, existen varias posibilidades de interconexión entre circuitos digitales TTL y circuitos digitales CMOS que analizaremos a continuación.

 El lector debe estar atento a estas técnicas de interconexión, ya que consisten en un punto muy crítico de los proyectos que involucran tanto a las tecnologías como a circuitos análogos como los que hacen uso de los amplificadores operacionales.

 

Analizamos los diversos casos:

 

a) La salida TTL debe excitar la entrada CMOS (alimentación de 5 V para ambos).

 Si los dos circuitos funcionan con una tensión de alimentación de 5 volts no hay ningún problema y la interconexión puede ser directa.

Debido a que las entradas CMOS tienen una impedancia muy alta (sin requerir prácticamente ninguna corriente) la salida TTL no existe peligro de que el circuito CMOS "cargue" la salida TTL.

Sin embargo, hay un problema a considerar: las entradas del CMOS reconocen solamente como nivel 1 una tensión de por lo menos 3,5 volts mientras que en el de alto nivel, el tensión mínimo que el TTL puede proporcionar en estas condiciones es 3,3 volts.

Esto significa que es necesario asegurarse de que la entrada CMOS reconoce el alto nivel TTL que se consigue mediante la adición de un resistor de externo de pull-up, como se muestra en la figura 104.

 

Figura 104 – TTL de Interconexión con CMOS
Figura 104 – TTL de Interconexión con CMOS

 

 

Este resistor de 2,2 k ohm está conectado al positivo de alimentación de 5 volts.

 

b) TTL para CMOS con diferentes tensiones

Si el circuito CMOS a ser excitado por un TTL es alimentado con tensión superior a 5 volts, por ejemplo, 12 volts, un circuito intermedio de matrimonio de características debe ser utilizado.

 En la figura 105 se muestra el circuito a utilizar con un transistor 2N2222.

 

Figura 105 - Interconexión TTL con CMOS de tensión diferente
Figura 105 - Interconexión TTL con CMOS de tensión diferente

 

 Le recordamos que el transistor, en la configuración del emisor común, actúa como un inversor de nivel lógico. Así, el nivel lógico aplicado en la entrada del circuito integrado CMOS es el inverso de la salida TTL.

 

c) TTL (colector abierto para CMOS) - tensiones iguales.

 Debemos utilizar un transistor de conmutación, como el 2N222 y dos resistores, siendo el de 10k, pull-up, como se muestra en la figura 106.

 

 

Figura 106 – TTL colector abierto para CMOS
Figura 106 – TTL colector abierto para CMOS

 

 La tensión de alimentación del CMOS debe ser superior a 5 V.

  

d) TTL colector abierto para CMOS con diferentes tensiones

 En este caso, simplemente ponga un resistor de pull-up de 10 k ohm en el circuito de salida del TTL con colector abierto, como se muestra en la figura 107.

 

 

Figura 107 – TTL colector abierto para CMOS con 5 V
Figura 107 – TTL colector abierto para CMOS con 5 V

 

 

 

e) CMOS excitando una entrada TTL – alimentación de 5 V para ambos.

 En este caso, debemos considerar que una salida CMOS de bajo nivel puede drenaje una corriente de aproximadamente 0,5 mA y en el alto estado, la misma intensidad.

 Para polarizar la entrada TTL usamos un resistor de tierra de 1 k como se muestra en la figura 108.

 

Figura 108 – CMOS excitando TTL, ambos con 5 V
Figura 108 – CMOS excitando TTL, ambos con 5 V

 

  

f) CMOS para TTL - tensiones diferentes

 En este caso, es necesario utilizar una etapa de adaptación intermediaria con un transistor que funcione como inversor. Cualquier transistor de conmutación puede usarse para este propósito, como se muestra en la figura 109.

 

 

Figura 109 – CMOS a TTL con diferentes tensiones
Figura 109 – CMOS a TTL con diferentes tensiones

 

  

g) CMOS a TTL con un Buffer – Tensiones diferentes

 En la figura 110 mostramos la forma de hacer el interconexión de una salida CMOS con alimentación superior a 5 V con una entrada TTL. Para este propósito usamos un "buffer" CMOS alimentado por 5 V. El buffer recomendado es el 4049.

 

Figura 110 – CMOS para TTL  con buffer
Figura 110 – CMOS para TTL con buffer

 

 

h) Amplificador Operacional para el CMOS - misma tensión

 En la figura 111 mostramos cómo enganchar una salida de amplificador operacional a la entrada de una función CMOS. Tenga en cuenta que en este circuito, el amplificador operacional no está utilizando una fuente simétrica.

 

Figura 111 – Operacional para CMOS
Figura 111 – Operacional para CMOS

 

 

i) TTL a CMOS con el Acoplador Óptico

 Cuando se utilizan diferentes tecnologías en un proyecto, como CMOS y TTL, puede ser importante asegurar el paso de la señal de un paso a otro, pero con el aislamiento más completo. Esto se puede lograr con facilidad a través de un acoplador óptico.

 En la figura 112 mostramos cómo se puede hacer esto, para transferir señales TTL a una entrada CMOS de cualquier tensión de alimentación.

 

Figura 112 – Usando el acoplador óptico
Figura 112 – Usando el acoplador óptico

 

  

4.9 - Fuentes de alimentación

 Los circuitos integrados TTL necesitan un tensión continuo en la pista de 4,5 a 5,5 V para poder funcionar y son muy sensibles a las fluctuaciones de tensión de suministro. Es suficiente que la tensión salga de esta vía que, por un lado, tendrá el peligro de no funcionar y la otra quemando el dispositivo.

 Los circuitos CMOS son mucho menos sensibles a esto, ya que pueden operar en una gama más amplia de tensión, como hemos visto. Los circuitos integrados del CMOS pueden funcionar satisfactoriamente con tensión a partir del 3 a 15 V.

 Esto facilita grandemente el proyecto de las fuentes e incluso permite la alimentación directa de las pilas o de las baterías, sin la necesidad de los circuitos reguladores críticos y estable, lo que puede significar no sólo la mejora de un proyecto, sino también contribuir a una buena parte del consumo de energía.

 De esta manera, las fuentes de energía de los circuitos que utilizan la tecnología de CMOS pueden ser mucho más simples no siendo raros en los casos donde se omiten los reguladores de tensión, o incluso los tipos simplificados elegidos.

 Vea que, el hecho de que los circuitos integrados del CMOS funcionan inconsútil con tensión comunes como 3, 6, 9 y 12 volts, que se obtienen fácilmente de las pilas y de las baterías, los hace ideales para los usos donde se utiliza este tipo de fuente.

 El bajo consumo, por otro lado, es otro factor que debe tenerse en cuenta, ya que las pilas comunes, incluso las de menor capacidad, pueden alimentar fácilmente proyectos que utilizan muchos circuitos integrados CMOS durante largos intervalos de tiempo.

 De hecho, el consumo de energía de los circuitos CMOS es tan bajo que en algunos casos, incluso fuentes alternativas de energía de baja potencia, como las células solares, pueden ser utilizados.

 Seguimos una serie de circuitos fuente, que también sirven TTL, si se programan a 5 V, y que pueden tener varias tensión, todos basados en los CIs de la serie 7800 de 1 A.

 La serie de los circuitos integrados 78XX donde el XX se sustituye por un número que indica la tensión de salida, consta de reguladores de tensión positivos con corriente de hasta 1 amperio de salida y que se presentan en la cubierta TO-220 como se muestra en la figura 113.

 

Figura 113 – Los circuitos integrados 78xx
Figura 113 – Los circuitos integrados 78xx

 

 

Varios son los fabricantes que poseen los circuitos integrados de esta serie en su línea de productos y las tensiones de salida pueden variar sensiblemente de uno a otro. Sin embargo, los valores básicos para estas tensiones, que son dados por los dos últimos dígitos del tipo de componente son:

 

7805 = 5 volts

7806 = 6 volts

7808 = 8 volts

7885 = 8,5 volts

7812 = 12 volts

7815 = 15 volts

7818 = 18 volts

7824 = 24 volts

 

La tensión de entrada máximo para los tipos de 5 a 18 volts es de 35 volts. Para el tipo de 24 volts la tensión de entrada máximo es de 40 volts.

 En cualquier caso, para una buena operación el tensión de entrada debe ser por lo menos 2 volts más alto que el tensión que usted desea en la salida.

 Los circuitos integrados de la serie 78xx tienen protección interna contra cortocircuito en la salida y no requieren ningún componente externo.

 Damos a seguir las características principales del 7805 que sirve como base para evaluar los otros tipos de la serie:

 

 

7805 – Características

  Min. Tip. Max.  
Tensión de Salida 4,8 5,0 5,2 bolts
Ajuste de línea - 3 50 mV
Ajuste de carga - 15 50 mV
Corriente quieta - 4,2 6,0 mA
Rechazo de ripple  60 70 - dB
Resistencia de la salida - 17 - Ohms

 

Tenga en cuenta que el radiador de calor debe dimensionarse según la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida, ya que cuanto mayor sea el calor, el componente se disipará.

Los siguientes son varios circuitos prácticos que involucran los circuitos integrados de la serie 78XX. El XX después del 78 indica que el mismo circuito puede ser utilizado para cualquier tensión en la pista de 5 a 18 volts con la elección del componente apropiado.

En la figura 114 tenemos la aplicación inmediata en un regulador positivo de 1 ampere para tensiones de 5 a 24 volts con corriente de salida de hasta 1 ampere.

 

Figura 114 – Circuito básico con el regulador 78xx
Figura 114 – Circuito básico con el regulador 78xx

 

 

El capacitor de 330 nF desacopla la entrada del estabilizador mientras que el 100 nF, que debe ser de buena calidad de cerámica, está diseñado para evitar oscilaciones a altas frecuencias y también desacoplar la salida.

Usando un amplificador operacional 741 podemos hacer variable la tensión de salida de un regulador 7805, obteniendo con ella una fuente de 7 a 30 volts. La tensión de entrada debe ser de 35 volts y el potenciómetro de 10 k ohms debe ser lineal. Los capacitores de desacoplamiento deben ser de cerámica de buena calidad.

Este circuito se muestra en la figura 115, y en su entrada debemos aplicar una tensión continua no regulada, pero con buena filtración.

 

Figura 115 – Fuente 7 a 30 V con funcionamiento 741
Figura 115 – Fuente 7 a 30 V con funcionamiento 741

 

 

Recuerde que la tensión máxima de los circuitos integrados CMOS es de 15 V.

Para obtener una corriente superior a 1 ampere, podemos usar un Booster, como se muestra en la figura 116. El transistor puede ser sustituido por equivalente con corrientes de colector en la pista de 5 a 10 amperes para obtener una fuente de 2 a 5 amperes de corriente de salida.

 

Figura 116 – Para obtener corrientes superiores a 1 A, se puede utilizar este circuito.
Figura 116 – Para obtener corrientes superiores a 1 A, se puede utilizar este circuito.

 

Las fórmulas que permiten escalar los distintos elementos del circuito se dan al lado del diagrama.

Tenemos en la figura 117 básicamente la misma configuración de circuito Anterior Pero con la adición de un sistema de protección de cortocircuito en la salida.

 

Figura 117 – Fuente de alta corriente con protección contra cortocircuitos
Figura 117 – Fuente de alta corriente con protección contra cortocircuitos

 

 

El transistor Q1 debe conducir cuando la caída de tensión en RS y si es mayor que 0,6 volts ocurriendo entonces el corte de la polarización baja del transistor de potencia. Los valores de los componentes son dados por las fórmulas al lado de su propio diagrama.

El circuito integrado fijará el valor de la tensión de salida, observando que hay una caída de tensión de 0,6 volts en el transistor y debe ser considerado.

El circuito que se muestra en la figura 118 consiste en un regulador positivo que funciona aquí como un regulador negativo. Así que tenemos una fuente de tensión negativa.

 

Figura 118 – Fuente con regulación negativa utilizando el 78xx
Figura 118 – Fuente con regulación negativa utilizando el 78xx

 

 

El capacitor del filtro debe dimensionarse de acuerdo con la tensión y la corriente de salida, así como el nivel de ripple requerido para la aplicación.

Los diodos y el transformador también deben dimensionarse para proporcionar a la entrada del circuito integrado, por lo menos 5 volts más que el valor de la tensión requerida en la salida.

Si la tensión de entrada es mayor que 35 o 40 volts, máximo permitido por el regulador de circuito integrado podemos hacer una reducción inicial con la ayuda de un paso como se muestra en la figura 119.

 

Figura 119 – Circuito para altas tensiones de entrada
Figura 119 – Circuito para altas tensiones de entrada

 

 

El transistor debe poder soportar la corriente máxima de 1 ampere de colector requerido por el integrado, y tener una especificación de tensión máxima entre el colector y el emisor según la caída de tensión que debe proporcionar en el circuito.

El diodo Zener, por otro lado, necesita tener una potencia de acuerdo con lo requerido por el circuito. El resistor R estabiliza la corriente del diodo Zener de modo que, como mínimo, no haya variaciones de la tensión aplicada a la integrada.

El proceso más simple de obtener una caída de tensión de entrada para un regulador de la serie 78CC cuando la corriente de carga debe ser constante se muestra en la figura 120.

 

Figura 120 – Obtención de una caída de tensión en la entrada con la ayuda de un resistor
Figura 120 – Obtención de una caída de tensión en la entrada con la ayuda de un resistor

 

El resistor se calcula de manera que se proporcione la caída de tensión requerida de acuerdo con los techos admitidos por el integrado. Podemos calcularlo por:

R = (Vi - Vx)/I

Donde:

Vi es la tensión de entrada del circuito (volt)

Vx es la tensión de entrada del circuito integrado (máximo 40 V para los 24 V y 35 V para el 5 a 18 V)

I es la intensidad de la corriente de carga (A)

 

Vea que, despreciamos la corriente requerida por el propio circuito integrado regulador de tensión, puesto que es bastante baja.

 

La disipación del resistor será dada por:

Donde las grandezas son de las mismas de la fórmula anterior, excepto:

P es la potencia que debe expresarse en watts.

 


 

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)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 7 - Los Flip-Flops y Funciones Integradas en Circuitos Integrados (CUR5007S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 8 - Los Multivibradores Astables y Monoestables (CUR6001S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 9 - Contadores Digitales (CUR6002S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 10 - Aplicaciones para los contadores digitales y decodificadores (CUR6003S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 11 - Cómo Funcionan los Registros de desplazamiento (Shift-Registers) (CUR6004S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 12 - Multiplexores, demultiplexores, decodificadores y displays (CUR6005S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 13 - Memorias, ADCs y DACs (CUR6006S)

Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 14 - Microprocesadores, Microcontroladores, DSPs y FPGAs (CUR6007S)


 

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