Familias Lógicas programables
CMOS
La familia CMOS (complementary metal oxide semiconductor), contiene la mayor parte de los equivalentes chips TTL. Los chips CMOS tienen mucha menor necesidad de energía (consumen sobre 1 mA) y operan con un gran rango de voltajes de alimentación (normalmente de 3 a 18 voltios). La nomenclatura del modelo CMOS llevan una C en el centro de su numeración, por ejemplo el 74C04 es el CMOS equivalente del TTL 7404. Un gran inconveniente es la extrema sensibilidad a la electricidad estática -se deben proteger cuidadosamente contra las descargas de electricidad estática-.
Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de forma tal que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas, colocado en la placa base.
Ventajas
La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales:
• El bajo consumo de potencia estática, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS sólo experimentará corrientes parásitas. Gracias a su carácter regenerativo, los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradación de señal debido a la impedancia del metal de interconexión.
• Los circuitos CMOS son sencillos de diseñar.
• La tecnología de fabricación está muy desarrollada, y es posible conseguir densidades de integración muy altas a un precio mucho menor que otras tecnologías.
Desventajas
Algunos de los inconvenientes son los siguientes:
• Debido al carácter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nMOS-pMOS, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lógicas.
• Son vulnerables a latch-up: Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura CMOS que entra en conducción cuando la salida supera la alimentación.
• Según se va reduciendo el tamaño de los transistores, las corrientes parásitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinámicas (debidas a la conmutación de los dispositivos).
MOSFET
Al igual que en los transistores bipolares, la existencias de condensadores parásitos en la estructura MOS origina el retraso en la respuesta del mismo cuando es excitado por una señal de tensión o intensidad externa. La carga/descarga de los condensadores parásitos requiere un determinado tiempo, que determina la capacidad de respuesta de los MOSFET a una excitación. En la estructura y funcionamiento de estos transistores se localizan dos grupos de capacidades:
1) Las capacidades asociadas a las uniones PN de las áreas de drenador y fuente. Son no lineales con las tensiones de las uniones. Se denominan Capacidades de Unión.
2) Las capacidades relacionadas con la estructura MOS. Están asociadas principalmente a la carga del canal (iones o cargas libres) y varían notoriamente en función de la región de operación del transistor, de modo que no es posible, en general, considerar un valor constante de las mismas. Se denominan Capacidades de Puerta. De ellas, las capacidades de puerta suelen ser más significativas, y dentro de ellas, la capacidad de puerta fuente (Cgs) y de drenador-fuente (Cgd) son en general las dominantes.
El análisis dinámico de comportamiento de un transistor MOS es necesario realizarlo en dos contextos: 1) en el análisis de circuitos en PEQUEÑA SEÑAL, donde además del modelo estático del MOS, se incluyen las capacidades parásitas. Es propio del comportamiento lineal del MOSFET, como por ejemplo en amplificación.
2) En el análisis de circuitos en GRAN SEÑAL, donde se analiza la conmutación entre estados lógicos del transistor. En este caso, es necesario incorporar las capacidades parásitas al análisis de las diferentes regiones de operación que recorren los transistores (ruta dinámica) de estos circuitos. En el circuito se muestra un inversor CMOS con una capacidad de carga CL. Se supone que CL incluye tanto la capacidad de carga del circuito como las capacidades parásitas más importantes del mismo. La existencia de esta capacidad limita el tiempo mínimo necesario para realizar transiciones entre estados lógicos estables: cero y uno.
Nota: BiCMOS Combina transistores bipolares con transistores MOSFET
TTL
La familia lógica-transistor-transistor se desarrolló usando interruptores a transistor para las operaciones lógicas, y define los valores binarios como
0 V a 0,8 V = lógica 0
2 V a 5 V = lógica 1
La familia TTL es la mas grande de los circuitos integrados (ICs), pero la familia CMOS está creciendo rapidamente. No son caros, pero consumen mucha energía y deben alimentarse con +5 voltios. Las puertas individuales, puden consumir de 3 a 4 mA.
Las versiones Schottky de bajo consumo de chips TTL, solo consumen un 20% de energía pero son mas caras. Los números de piezas de estos chips llevan LS en el centro de su nomenclatura.
La tecnología TTL se caracteriza por tener tres etapas:
• Etapa de entrada por emisor: se utiliza un transistor multiemisor en lugar de la matriz de diodos de DTL
• Separador de fase: es un transistor conectado en emisor común que produce en su colector y emisor señales en contrafase
• Driver: está formada por varios transistores, separados en dos grupos. El primero va conectado al emisor del separador de fase El segundo grupo va conectado al colector del divisor de fase y produce el nivel alto.
Características
• Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75V y los 5,25V. Normalmente TTL trabaja con 5V.
• Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,0V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,2V y Vcc para el estado H (alto).
• La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc. y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS.
• Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de circuitos adicionales de transmisión.
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