05 u1 electrónica digital - familias lógicas - detección y corrección de fallas

7/26/2019 05 U1 Electrnica Digital - Familias Lgicas - Deteccin y Correccin de Fallas

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ElectrnicaDigital 22/05/20

Ing.LuisArmandoReyesCardoso

ElectrnicaDigital

Familias

Lgicas

Ing.LuisArmandoReyesCardoso 1

LuisArmandoReyesCardoso

IngenieroElectricista ITQ

PTC Mecatrnica.

email:

[email protected]

7329112MecatrnicaExt.412

Ing.LuisArmandoReyesCardoso 2


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CMOS

M.C.LuisArmandoReyesCardoso 5

Existe poco desacuerdo sobre cul es la tecnologa de circuitos, CMOS o TTL, ms

ampliamente utilizada.

Parece que CMOS est comenzando a ser la tecnologa dominante y podra

reemplazar a la tecnologa TTL en los CI de pequea y mediana escala.

Aunque TTL ha dominado durante muchos aos, principalmente debido a sus altas

velocidades de conmutacin y a una enorme variedad de tipos de dispositivos, la

tecnologa CMOS siempre ha tenido la ventaja de ofrecer una mucho menor

disipacin de potencia, aunque dicho parmetro depende de la frecuencia.

Las velocidades de conmutacin de CMOS han mejorado extremadamente y ahora

pueden competir con TTL, a la vez que la baja disipacin de potencia y otros factores

deseables se han mantenido a medida que la tecnologa avanzaba.

Series CMOS


Las categoras de CMOS en trminos de tensin de alimentacin continua son la

serie CMOS de 5 V, la serie CMOS de 3,3 V, la serie CMOS de 2,5 V y la serie CMOS de

1,8 V.

Las series CMOS de ms baja tensin son el resultado de un desarrollo ms reciente

y de un esfuerzo por reducir la disipacin de potencia.

Puesto que la disipacin de potencia es proporcional al cuadrado de la tensin, una

reduccin de 5 V a 3,3 V, por ejemplo, disminuye la potencia en un 34%, sin que el

resto de los factores varen.


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Series CMOS


Dentro de cada categora segn la tensin de alimentacin, hay

disponibles varias series de puertas lgicas CMOS.

Estas series pertenecientes a la familia CMOS difieren en sus

caractersticas de funcionamiento y se designan mediante los

prefijos 74 54, seguidos de una letra o letras que indican la serie y,

a continuacin, un nmero que indica el tipo de dispositivo lgico.

El prefijo 74 indica que se trata de un dispositivo comercial de

propsito general, y el prefijo 54 indica que es un dispositivo militar

para aplicaciones en entornos ms exigentes.

Series CMOS


La serie bsica CMOS de 5 V y sus denominaciones son las siguientes:

74HC y 74HCT. CMOS de alta velocidad (la T indica compatibilidad TTL)

74AC y 74ACT. CMOS avanzada

74AHC y 74AHCT. CMOS de alta velocidad avanzada

La serie bsica CMOS de 3,3 V y sus denominaciones son las siguientes:

74LV. CMOS de baja tensin 74LVC. CMOS de baja tensin.

74ALVC. CMOS de baja tensin avanzada.


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Series CMOS


Adems de la serie 74, todava existe la serie 4000, que es una

tecnologa CMOS ms antigua y de baja velocidad, aunque su uso

est limitado.

Adems de las series CMOS "puras" existen series que combinan

ambas tecnologas, CMOS y TTL, que se denominan BiCMOS. La

serie bsica BiCMOS y sus denominaciones son las siguientes:

74BCT. BiCMOS

74ABT. BiCMOS avanzada.

74LVT. BiCMOS de baja tensin. 74ALB. BiCMOS de baja tensin.

TTL


La tecnologa TTL ha sido y es todava una tecnologa de

circuitos integrados digitales muy popular.

Una ventajade esta tecnologa es que no es sensible a

las descargas electrostticas como lo es la tecnologa

CMOS y, por tanto, es ms prctica en la realizacin de

experimentos de laboratorio y la elaboracin de

prototipos, ya que no es necesario preocuparse por losproblemas de manipulacin.


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Series TTL


Al igual que con la tecnologa CMOS, hay disponibles varias series

de puertas lgicas TTL, las cuales operan todas ellas con 5 V de

alimentacin de continua.

Estas series pertenecientes a la familia TTL difieren en sus

caractersticas de funcionamiento y se denominan mediante los

prefijos 74 54 seguidos por una letra o letras que indican la serie y

un nmero que indica el tipo de dispositivo lgico de la serie.

Un circuito integrado TTL puede distinguirse de un circuito

integrado CMOS por las letras que siguen a los prefijos 74 y 54.

Series TTL


Las series bsicas TTL y sus denominaciones son las

siguientes:

74:TTL estndar(sinletra).

74S:TTL Schottky.

74AS:TTL Schottky avanzada.

74LS:TTL Schottky debajapotencia. 74ALS:TTL Schottky debajapotenciaavanzada.

74F:TTL rpida.


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FamiliasLgicasSerie74BasadasenlaTecnologadelosCircuitos


Tipos de Puertas Lgicas de Funcin Fija


Todas las operaciones lgicas bsicas: NOT, AND, OR,

NAND, NOR, ORexclusiva (XOR) y NORexclusiva

(XNOR) estn disponibles en las tecnologas CMOS y TTL.

Tambin estn disponibles puertas con salida bfer para

excitar cargas que requieran altas corrientes.

Los tipos de configuraciones de puerta normalmente

disponibles en los circuitos integrados se identificanmediante los dos o tres dgitos finales de la designacin

de la serie.


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Tipos de Puertas Lgicas de Funcin Fija


Cudruple NAND de dos entradas:00

CudrupleNOR dedosentradas:02

Inversorsxtuple:04

CudrupleANDdedosentradas:08

TripleNAND detresentradas:10

TripleANDdetresentradas:11

DobleNAND decuatroentradas:20

DobleANDdedosentradas:21

TripleNOR detresentradas:27

NAND deochoentradas:30

CudrupleOR dedosentradas:32 CudrupleXOR:86

CudrupleXNOR:266

Encapsulados de Circuitos

Integrados



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Encapsulados de Circuitos

Integrados


Diagramas de

Configuracin de los Pines



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Caractersticas y Parmetros de Funcionamiento


Existen varios puntos que definen el funcionamiento de un

circuito lgico.

Las caractersticas de funcionamiento son: la velocidad de

conmutacin medida en trminos del retardo de

propagacin, la disipacin de potencia, el fanout o

capacidad de excitacin, el producto velocidadpotencia,

la tensin de alimentacin continua y los niveles lgicos de

entrada/salida.

Tiempo de Retardo de Propagacin


Este parmetro limita la frecuencia o velocidad de

conmutacin a la que un circuito lgico puede operar.

Cuando se aplican a los circuitos lgicos, los trminos baja

velocidad y alta velocidad hacen referencia al retardo de

propagacin.

Cuanto menor sea el tiempo de propagacin, mayor ser la

velocidad del circuito y mayor ser la frecuencia a la quepuede operar.


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Tiempo de Retardo de Propagacin


El tiempo de retardo de propagacin, tP, de una puerta lgica es el intervalo de

tiempo entre la aplicacin de un impulso de entrada y la aparicin del impulso de

salida resultante.

Existen dos medidas diferentes del tiempo de retardo de propagacin asociado

con una puerta lgica, que se aplican a todos los tipos de puertas bsicas:

tPHL: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de

entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la

salida cambia del nivel ALTO (H) al nivel BAJO (L).

tPLH

: es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de

entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la

salida cambia del nivel BAJO (L) al nivel ALTO (H).

Ejemplo


Determinar los tiempos de propagacin en el inversor de la siguiente figura.


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Solucin


Los tiempos de propagacin,tPHLytPLH, se indican en la parte (b) de la figura.

En este caso, los retrasos se miden entre los puntos de pendiente del 50%

en los correspondientes flancos de los impulsos de entrada y salida. Los

valores de tPHLy tPLHno necesariamente son iguales pero, en la mayora de

los casos, s lo son.

ProblemaRelacionado

Una puerta lgica tiene una valor mximo especificado de 10 ns para tPHLy

tPLH

. Para otros tipos de puertas este valor es de 4 ns. Cul es la puerta que

puede trabajar a la frecuencia mayor?

Retardo de Propagacin


En las puertas TTL de la serie estndar, el retardo de

propagacin tpico es de 11 ns y para las puertas de la serie F

es de 3,3 ns.

Para las puertas CMOS de la serie HCT, el retardo de

propagacin es 7 ns, para la serie AC es de 5 ns y para la

serie ALVC es de 3 ns.

Todos los valores especificados dependen de determinadascondiciones de operacin, tal y como se establece en las

hojas de caractersticas.


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Tensin de Alimentacin Continua (Vcc)


La tensin de alimentacin continua tpica para CMOS puede ser 5 V; 3,3 V, 2,5 V

o 1,8 V, dependiendo de la categora.

Una ventaja de CMOS es que las tensiones de alimentacin pueden variar en un

rango ms amplio que los dispositivos TTL.

Los CMOS de 5 V pueden tolerar variaciones de alimentacin desde los 2 V a 6 V y

an as funcionarn adecuadamente, aunque el retardo de propagacin y la

disipacin de potencia se vean significativamente afectadas.

Los dispositivos CMOS de 3,3 V pueden operar con tensiones de alimentacin

desde 2 V hasta 3,6 V.

La tensin de alimentacin continua tpica para dispositivos TTL es 5,0 V con un

mnimo de 4,5 V y un mximo de 5,5 V.

Disipacin de Potencia


La disipacin de potencia, PD, de una puerta lgica es el producto de la tensin

de alimentacin continua y de la corriente media de alimentacin.

Normalmente, la corriente de alimentacin cuando la salida de la puerta est a

nivel BAJO es mayor que cuando la salida de la puerta est a nivel ALTO.

Generalmente, las hojas de caractersticas del fabricante especifican la corriente

de alimentacin para el estado de salida BAJO como I CCL y para el estado ALTO

comoICCH.

La corriente media de alimentacin se determina en funcin de un ciclo de

trabajo del 50% (nivel de salida BAJO la mitad del tiempo y la otra mitad nivel de

salida ALTO), por tanto la disipacin de potencia media de una puerta lgica es


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Disipacin de Potencia


Las puertas de la serie CMOS tienen disipaciones de potencia muy bajas en

comparacin con las series TTL.

Sin embargo, la disipacin de potencia en los dispositivos CMOS depende de la

frecuencia de funcionamiento.

Para una frecuencia cero, la potencia est normalmente en el rango de los

microvatios por puerta, y en la frecuencia mxima de funcionamiento puede

estar en el rango de los miliwatts; por tanto, algunas veces la potencia se

especifica para una frecuencia determinada. Por ejemplo, la serie HC tiene una

potencia de 2,75W/puerta para una frecuencia igual a 0 Hz y de 600W/puerta

para 1 MHz.

La disipacin de potencia para los dispositivos TTL es independiente de la

frecuencia. Por ejemplo, la serie ALS disipa 1,4 mW/puerta, independientemente de la

frecuencia y la serie F disipa 6 mW/puerta.

Niveles Lgicos de Entrada y Salida


VILes la tensin del nivel de entrada BAJO para una puerta lgica y VIHes la tensin de

entrada del nivel ALTO.

Los dispositivos CMOS de 5 V aceptan una tensin mxima de 1,5 V para VIL y una

tensin mnima de 3,5 V para VIH.

Los dispositivos TTL aceptan una tensin mxima de 0,8 V para VIL y una tensin

mnima de 2 V para VIH.

VOLes la tensin de salida para el nivel BAJO y VOHes la tensin de salida para el nivel

ALTO.

Para los dispositivos CMOS de 5 V, el valor mximo de VOL es de 0,33 V y el valormnimo paraVOHes de 4,4 V.

Para los dispositivos TTL, el valor mximoVOLes de 0,4 V y el mnimoVOHes de 2,4 V.

Todos los valores dependende las condiciones de operacin, tal y como se especifica

en la hoja de caractersticas.


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1

Zona de

incertidumbre

0

VIH

0

EntradaVCC

VIL

1

0

VOH

0

SalidaVCC

VOL

VIH: Tensin de entrada mnima para asegurar que el nivel se interpreta como 1

VIL: Tensin de entrada mxima para asegurar que el nivel se interpreta como 0

VOH: Tensin de salida mnima a nivel alto

VOL: Tensin de salida mxima a nivel bajo



1

Zona de

incertidumbre

0

VIH

0

EntradaVCC

VIL

1

0

VOH

0

SalidaVCC

VOL

Para que una entrada y una salida sean compatibles en niveles de tensin:

VOH > VIH

VOL < VIL


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Niveles de corriente:

IOH: es la corriente mxima que puede suministrar una salida a nivel alto

IOL: es la corriente mxima que puede absorber una salida a nivel bajo

IIH: es la corriente que consume una entrada a nivel alto

IIL: es la corriente que consume una entrada a nivel bajo



El parmetro SPP (SpeedPower Product) puede utilizarse como una medida del

funcionamiento de un circuito lgico que tiene en cuenta el retardo de propagacin y

la disipacin de potencia.

Es especialmente til para comparar las distintas series de puertas lgicas de las

familias CMOS o TTL o para comparar una puerta CMOS con una puerta TTL.

El producto SPP de un circuito lgico es igual al producto del retardo de propagacin

por la disipacin de potencia, y se expresa en julios (J), que es una unidad de energa.

La frmula es


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Ejemplo


Una determinada puerta tiene un retardo de propagacin de 5 ns, ICCH= 1 mA eICCL= 2,5

mA, con una tensin de alimentacin continua de 5 V. Determinar el producto

velocidadpotencia.

Solucin

Problema relacionado

Si el retardo de propagacin de una puerta es 15 ns y su SPP es igual a 150 pJ, cul es

su disipacin de potencia media?

Fan Out y Carga


El fanout de una puerta lgica es el nmero mximo de entradas de la familia de

circuitos integrados de la misma serie que la puerta puede excitar, manteniendo a la

vez los niveles de salida dentro de los lmites especificados.

El fanout es un parmetro importante slo en la tecnologa TTL.

Dado que con los circuitos CMOS se asocian impedancias muy altas, el fanout es

muy alto, aunque depende de la frecuencia debido a los efectos capacitivos.

El fanout se especifica en trminos decargas unidad.

Una carga unidad para una puerta lgica es igual a una entrada de un circuito similar.

Por ejemplo, una carga unidad para una puerta NAND 74LS00 es igual auna entrada

a una puerta lgica en la serie 74LS (no necesariamente una puerta NAND).

Puesto que la corriente para una entrada a nivel BAJO (IIL) de una puerta 74LS00 esde 0,4 mA y la corriente que una salida a nivel BAJO (IIL) puede aceptar es de 8,0 mA,

el nmero de cargas unidad que una puerta 74LS00 puede excitar en el estado BAJO

es


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Cdigo

Disipacin

esttica

Disipacin a

100 kHz

Tpo.

propagacin

Fan-out

CMOS

Silicon-gate

74HC- 74HCT 2.5 nW 0.17 mW 8 ns *

CMOS

Metal-gate

4000B 1 W 0.1 mW 50 ns *

TTL

Estndard

74 10 mW 10 mW 10 ns 10

TTL

S

74S 19 mW 19 mW 3 ns 20

TTLLS

74LS 2 mW 2 mW 10 ns 20

TTL

ALS

74ALS 1 mW 1 mW 4 ns 20

TTL

AS

74AS 8.5 mW 8.5 mW 1.5 ns 40

Comparacin TTL - CMOS


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Hojas de Caractersticas





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1.4 Medidas de seguridad en el manejo de las familias lgicas TTL y CMOS.


Precauciones para la Manipulacin de Dispositivos CMOS

Debido a su estructura, los dispositivos CMOS son muy sensibles a las cargas

estticas y pueden resultar daados por las descargas electrostticas si no se

manipulan correctamente. Al trabajar con dispositivos CMOS debern tomarse

las siguientes precauciones:

Los dispositivos CMOS deben ser suministrados y almacenados en espuma

conductiva.

Todos los instrumentos y bancos metlicos utilizado en las prueban debern

conectarse a una toma de tierra.

Las herramientas de trabajo deben conectarse a tierra a travs de un cable y

resistencias en serie de alto valor. No debe retirarse un dispositivos CMOS (o cualquier dispositivo) de un

circuito mientras que la alimentacin continua est conectada.

o deben conectarse tensiones de seal o corriente a un dispositivo CMOS

cuando la alimentacin continua est apagada.

1.4 Medidas de seguridad en el

manejo de las familias lgicas

TTL y CMOS.


Las entradas de puerta no utilizadas para TTL y CMOS deberan conectarse

al nivel lgico apropiado (ALTO o BAJO).

Para las puertas AND y NAND, es recomendable que las entradas no

utilizadas se conecten a VCC (a travs de una resistencia de 1,0 k para

TTL), y para las puertas OR y NOR, las puertas no utilizadas deberan

conectarse a tierra.


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1.5 Deteccin, Localizacin y Eliminacin de Fallas


La localizacin de averas es el proceso de reconocer, aislar y

corregir un fallo en un sistema o circuito.

Para poder localizar las averas de forma efectiva, debe entender

cmo se supone que trabaja el circuito o sistema y debe estar en

disposicin de reconocer un funcionamiento incorrecto.

Por ejemplo, para determinar si una puerta lgica tiene un fallo,

debe saber cul debe ser la salida para unas entradas dadas.

Fallos Internos en las Compuertas Lgicas de los CI


Los circuitos abiertos y los cortocircuitos son los fallos ms

comunes en las puertas internas del CI.

Se pueden producir tanto en las entradas como en la salida de una

puerta contenida en el encapsulado del CI.

Antes de intentar solucionar cualquier avera, compruebe que la

alimentacin continua y la masa son correctas.


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Fallos Internos en las Compuertas Lgicas de los CI


Efectos de una entrada que se encuentra en circuito abierto internamente.

Un circuito abierto interno es el resultado de un componente en circuito abierto o

de una ruptura en la conexin entre el chip y el pin del encapsulado.

Una entrada en circuito abierto impide que una seal de impulsos en esta entrada

d lugar a una salida, como se muestra en la Figura (a) para la puerta NAND de 2

entradas.

Una entrada TTL en abierto acta como un nivel ALTO, por lo que los impulsos

aplicados a la entrada que est en buen estado pasan a travs de la puerta NAND

hasta la salida, como se muestra en la Figura (b).

Condiciones para Probar las Compuertas


Al probar una puerta NAND o una puerta AND, debe asegurarse

siempre de que las entradas a las que no se aplican impulsos se

encuentren a nivel ALTO, para activar la puerta.

Cuando pruebe una puerta NOR o una puerta OR, debe asegurarse

siempre de que las entradas a las que no se aplican impulsos se

encuentran a nivel BAJO.

Cuando se prueba una puerta XOR o XNOR, el nivel de la entrada a

la que no se aplican impulsos no importa, ya que los impulsos

aplicados en la otra entrada forzarn a que las entradas seencuentren, alternativamente, en el mismo nivel o en niveles

opuestos.


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Localizacin de Fallo: Entrada en Circuito Abierto


La localizacin de este tipo de fallo es, en la mayora de los casos,

muy fcil utilizando un osciloscopio y un generador de funciones,

como se muestra en la Figura, para el caso de una puerta NAND de

2 entradas.

Al medir las seales digitales con un osciloscopio, emplee siempre

el acoplamiento en continua.

Localizacin de Fallo: Entrada

en Circuito Abierto


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