reporte laboratorio - familias logicas ttl y cmos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

DIGITAL II

REPORTE DE LABORATORIO #1

FAMILIAS LOGICAS TTL Y CMOS

ELABORADO POR:

Carlos Huber Castillo Vado 2007 – 21766

Manuel Isaac García Martínez 2007 – 22171

Aldert Ignacio Olivas Ortiz 2007 – 22161

Francisco Xavier Sevilla Rubí 2007 – 21835

DOCENTE:

Ing. Marlon Robleto

GRUPO:

3T1 – Electrónica Grupo de Trabajo # 3

Managua, Viernes 2 de Octubre de 2009

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA_______________________________________

Dpto. Sistemas Digitales y Telecomunicaciones – Digital II 2

REPORTE DE LABORATORIO #1: FAMILIAS LOGICAS TTL Y CMOS

INTRODUCCION

La familia TTL (Lógica de Transistor - Transistor) La cual fue la primera familia de éxito

comercial, se utilizó entre 1965 y 1985. Los circuitos TTL utilizan transistores bipolares y

algunas resistencias de polarización, así como los Circuitos Lógicos CMOS (Metal Óxido

Semiconductor Complementario) La tecnología CMOS que es la más utilizada

actualmente para la construcción de circuitos integrados digitales.

Sobre dichas tecnologías se basa el siguiente informe.

El presente reporte detalla las asignaciones plantadas en las hojas de trabajo de

laboratorio donde se hizo uso de dispositivos como: 74LS00, 7400 y 74HC00, las cuales

el informe destaca un análisis de características de las familias lógicas TTL, así como el

análisis de características de la familia CMOS, donde aquí se abarca las mediciones del

producto retraso (PDP) y las características de transferencia.

Además se presentan las mediciones de las características de transferencia tanto de la

familia lógica CMOS así como las TTL, también como la medición retraso potencia (PDP)

Para los CMOS.

Al final se anexan unas series de tablas e imágenes que refuerzan el contenido de dicho

trabajo.



MATERIALES Y METODOS

La práctica se desarrolló en el laboratorio de Electrónica Analógica RUSB – UNI, los días

31 de Agosto y 7 de Septiembre de 2009.

INSTRUMENTOS Y DISPOSITIVOS UTILIZADOS

Se utilizaron los siguientes Instrumentos y Dispositivos:

Osciloscopio

Generador de Funciones

Multímetro

Tabla de conexiones

2 - 74LS00 (Puerta NAND TTL)

2 – 7400 (Puerta NAND TTL)

2 - 74HC00 (Puerta NAND CMOS)

Resistor de 100Ω

Resistor de 1kΩ

2 – Diodos de propósito general (1N4007)

7 – Capacitores de cerámica 47pF

PROCEDIMIENTO DESARROLLADO

La práctica se desarrolla en dos secciones:

Análisis de características eléctricas Familia TTL

Análisis de características eléctricas Familia CMOS

Cada una de las secciones consta de de dos sub-secciones:

Medición del Producto Retraso-Potencia (PDP).

Características de Transferencias.



MEDICIÓN DEL PRODUCTO RETRASO-POTENCIA (PDP).

Se realizó de la siguiente manera:

Medición de ICCPROM

Medición de Tp

Para la familia TTL:

1. Utilizamos el integrado 74LS00 (Puerta NAND) para medir la ICCPROM , para ello nos

auxiliamos de la hoja de dato del fabricante para obtener la definición de pines y

así conectar el circuito correctamente.

2. Para medir cada una de las corrientes (ICCH e ICCL) se conectó un amperímetro en

serie entre la fuente de suministro y el pin Vcc del integrado.

3. Todas las entradas de cada una de las 4 compuertas NAND del integrado se

conectaron a un mismo interruptor, de manera que se controle la salida en ALTO y

BAJO de cada compuerta en común, garantizando que la medición corresponderá

a la ICCH e ICCL respectivamente, esto representa las corrientes ESTATICAS que se

encuentran en la tabla 1

4. Luego se conectó el punto en común que controla los estados ALTO y BAO de las

compuertas al generador de funciones, de esta forma aplicamos una señal

sinusoidal de 10Hz, 100KHz y 1Mhz, anotamos los resultados de las corrientes en

la tabla 1

5. Se procedió a montar el circuito de la figura 1, que corresponde al oscilador de

anillos. Con ayuda del osciloscopio apreciamos la forma de onda y su respectivo

periodo de oscilación. Obtuvimos el Tp de una sola compuerta, ubicamos el

resultado en la tabla 2.

Nota: hasta aquí concluye el primer día de laboratorio (lunes 31 de agosto 2009), continúa

lunes 07 de Septiembre 2099

6. Utilizamos el integrado 7400 (Puerta NAND) y montamos el oscilador de anillo

(figura 1), los datos obtenidos se muestran en la tabla 2

7. Añadimos capacitores de 47pF en cada nodo de las compuertas del lazo,

simulamos así el factor de carga (fan out), resultados en la tabla 2.

MEDICION DE LAS CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA

Para la familia TTL:

1. Utilizamos el integrado 7400 y montamos el circuito de la figura 2, con una

frecuencia del generador de 100Hz.

2. Calibramos el osciloscopio para que muestre la función de Salida vs Entrada,

usamos la función que muestre XY, los resultados se muestran en la figura 3, junto

con la tabla 3.

3. Variamos la frecuencia del generador a 100Hz, 1KHz y 10KHz



MEDICION DE LAS CARACTERISTICAS DE TRANSFERENCIA

Para la familia CMOS:

1. Utilizamos el integrado 74HC00 (Puerta NAND) y montamos el circuito de la figura

2. Polarizamos Vdd con 5V

2. Fijamos una la frecuencia de generación a 60KHZ con una amplitud de 10Vpp,

obtuvimos las características de transferencia.

3. Incrementamos la frecuencia del generador a 200KHz

4. Aumentamos la amplitud a 20Vpp.

5. Aumentamos la frecuencia a 200KHz.

Resultados en la tabla 3

MEDICIÓN DEL PRODUCTO RETRASO-POTENCIA (PDP).

Para la familia CMOS

Se realizó de la siguiente manera:

Medición de Tp

Medición de ICCPROM

1. Utilizamos el integrado 74HC00 (Puerta NAND) y montamos el oscilador de anillo

(figura 1)

2. Agregamos a cada nodo de las compuertas del lazo capacitores de 47pF,

simulamos el factor de carga.



RESULTADOS

TABLAS

TABLA 1: CORRIENTE DEMANDADA DE LA FUENTE

FAMILIA ESTÁTICA (mA)

Corrientes (mA) Hoja de Datos del fabricante (mA)

10Hz 100KHz 1MHz

TTL (74LS00)

ICCH =0.816 ICCL =2.545 ICCPROM = 1.68


ICCPROM = 1.714

ICCPROM = 2.274


CMOS (74HC00)

ICCPROM = 20μA

Nota:

a) Para obtener las frecuencias de 10Hz y 100KHz se utilizó el generador provisto

por la tabla de conexiones. Para obtener la frecuencia de 1MHz se utilizó el

generador de funciones del laboratorio.

TABLA 2: RETRASO DE PROPAGACIÓN POR COMPUERTA

FAMILIA Sin Capacitores (Sin efecto de Fan Out)

Hoja De Datos Del Fabricante Tp (ns)

Con Capacitores (Efecto de Fan Out)

Frecuencia (MHz)

Periodo (ns)

Tp (ns)

Frecuencia (MHz)

Periodo (ns)

Tp (ns)

TTL (74LS00)

14.21 70.37 5.09 9.5 ----- ----- -----

TTL (7400)

8.70 114.9 8.21 9 5.4 185.18 13.22

CMOS (74HC00)

14.05 71.00 5.07 8 8.642 115.71 8.26

TABLA 3: VALORES ASINTOTICOS Y PUNTOS DE QUIEBRE (CURVA DE

TRANSFERENCIA)

FAMILIA PARAMETROS

FRECUENCIA (Hz)

VPP (V)

VOH (V)

VIH (V)

VOL (V)

VIL (V)

TTL (7400)

100 5 4.8 1.6 0.2 1.2

CMOS (74HC00)

60k 10 5 3 0.2 2.2



Nota:

Tp: Retraso de propagación promedio por compuerta

IMÁGENES

FIGURA 1: OSCILADOR DE ANILLO

FIGURA 2: DIAGRAMA PARA MEDICION DE CARACTERISTICAS DE

TRANSFERENCIA

FIGURA 3: CURVA DE TRANSFERENCIA (SALIDA VS ENTRADA) TTL 7400 (100Hz)



FIGURA 4: CURVA DE TRANSFERENCIA (SALIDA VS ENTRADA) CMOS 74HC00 (A

60KHz)

FIGURA 5: OSCILADOR DE ANILLO CON 74HC00

FIGURA 6: OSCILADOR DE ANILLO CON 74HC00 (CON CAPACITORES)



ANALISIS DE RESULTADOS

1. Calculamos el PDP del TTL 74LS00:

𝑃𝐷𝑃 = 𝐼𝑐𝑐𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑉𝑐𝑐

4 𝑥 𝑇𝑃

𝑃𝐷𝑃 = 1.68 𝑚𝐴 5 𝑉

4𝑥 5.09 𝑛𝑠 ⟹ 𝑷𝑫𝑷 = 𝟏𝟎. 𝟔𝟖 𝒑𝑱

TABLA 4

Condiciones de prueba Vcc (V)

Pp(integrado) (mW)

Pp(compuerta) (mW)

PDP (pJ)

ESTATICO 5 8.4 2.1 10.68

10Hz 5 8.45 2.11 10.75

100kHz 5 8.57 2.14 10.90

1MHz 5 11.37 2.84 14.46

2. Calculamos el PDP del CMOS 74HC00:

𝑃𝐷𝑃 = 𝐼𝑐𝑐𝑝𝑟𝑜𝑚 𝑉𝑐𝑐

4 𝑥 𝑇𝑃

𝑃𝐷𝑃 = 𝑚𝐴 5 𝑉

4𝑥 𝑛𝑠 ⟹ 𝑷𝑫𝑷 = 𝒑𝑱

TABLA 5

Condiciones de prueba Vcc (V)

Pp(integrado) (mW)

Pp(compuerta) (mW)

PDP (pJ)

ESTATICO 5

10Hz 5

100kHz 5

1MHz 5

3. Curvas de Transferencia (Figura 3 y Figura 4, Tabla 3)



CONCLUSIONES

a) La corriente demanda de la fuente (𝐼𝑐𝑐𝑝𝑟𝑜𝑚 ), en el caso de la Familia TTL: no varía

considerablemente al aumentar la frecuencia de cambio del estado ALTO a BAJO

y viceversa, manteniendo una disipación de potencia estable. TABLA 4

b) No sucede lo mismo en la Familia CMOS, donde al aumentar la frecuencia

aumenta la 𝐼𝑐𝑐𝑝𝑟𝑜𝑚 , esto se debe a que proporcional a la frecuencia aumentan las

espigas de corriente que se generan en la transición BAJO a ALTO por las

capacitancias de carga, por tanto obtenemos una inestabilidad del PDP del CMOS

con la frecuencia.

c) Al colocar los capacitores en el oscilador de anillos, donde simulamos el factor de

carga, vemos claramente un aumento en el tiempo de retraso de propagación

debido a que aumentamos la constante de tiempo RC.

d) Debido a que las corrientes de entrada en la Familia CMOS son demasiada

pequeñas por la alta impedancia de la entrada del MOSFET, la capacidad de

carga en CMOS dependerá del máximo retraso de propagación permisible o

aceptable por el circuito. En cambio en la Familia TTL, este factor de carga

depende exclusivamente de las corrientes de entrada.

e) El margen de ruido en CMOS es mayor que en TTL, esto se aprecia en la TABLA

3

f) Respecto a la características de transferencia, en TTL , no sufren variaciones los

voltajes asintóticos y puntos de quiebre con la frecuencia.

g) EN la familia CMOS, al aumentar la frecuencia la curva de transferencia sufre

variaciones considerables.

h) El integrado CMOS (74HC00) posee un retraso de propagación similar a TTL.

DISCUSION O COMENTARIOS

a) La práctica se realizó en dos días debido a problemas en el sistema eléctrico.

b) El tablero de conexiones no dispone de todas las frecuencias utilizadas en la

práctica. Se recurrió al generador de funciones del laboratorio.

c) Los integrados utilizados fueron diferentes en cada una de las prácticas e incluso

con la guía de laboratorio.

REFERENCIAS/FUENTES DE INFORMACION

Tocci, J Ronald. “Sistemas Digitales” 10ed. Pearson Prentice Hall, 2007

Sedra, Smith. “Circuitos Microelectrónicos” 5ed.Oxford, 2007

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