Tema 1. Circuitos digitales Electrónica Industrial
Andrés Iborra García
Departamento de Tecnología Electrónica Sep?embre 2012
Índice
Electrónica Industrial 2
Índi
ce
1. Circuitos digitales combinacionales. 1.1. Señales analógicas y digitales.
1.2. Señales digitales.
1.3. Disposi?vos lógicos combinacionales.
1.4. Circuitos integrados.
1.5. Álgebra de Boole.
1.6. Diseño de circuitos combinacionales.
2. Circuitos digitales secuenciales 2.1 Flip-‐Flops y Latches.
2.2 Flip-‐flops ac?vados por flanco.
2.3 Aplicaciones de los Flip-‐Flops.
3. Tecnologías TTL y CMOS 3.1 Familias Lógicas.
3.2 Parámetros caracterís?cos.
3.3 Hojas de datos de los fabricantes de CI.
3.4 Conec?vidad entre CI de diferentes familias.
Índice
Electrónica Industrial 3
Índi
ce
4. Circuitos integrados MSI. 4.1 Niveles de integración de los CI digitales.
4.2 Operaciones aritmé?cas.
4.3 Comparadores.
4.4 Codificadores.
4.5 Decodificadores.
4.6 Mul?plexores.
4.7 Demul?plexores.
5. Diseño de Sistemas Digitales con Circuitos Integrados LSI y MSI 5.1 Habilitación de puertos de E/S.
5.2 Sistema de recuento de votos.
5.3 Display digital.
5.4 Teclado digital.
5.5 Display mul?plexado.
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 4
• Interruptores • Pulsadores • Potenciómetros • LDRs • Fotocélulas • Encoders
• Galgas extensom • Termopares • Acelerómetros • MEMs
SENSORES • Solenoides, relés, piezoeléctricos • Motores de con?nua • Motores paso a paso • Servomotores • Disposi?vos hidráulicos y neumá?cos.
ACTUADORES
• C. discretos • Amplificadores
• Filtros • A/D
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE
ENTRADA E INTERFACES
• Combinacionales • Secuenciales • μP • μC
• SoC • Comunicaciones • Algoritmos • Socware
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL
• D/A • Amplificadores • PWM
• Transistores
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA
E INTERFACES • LEDs • Displays • LCD
• CRT • TFT
VISUALIZADORES
Sistemas mecánico
Circuitos Digitales Combinacionales
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 5
Señales analógicas y digitales • En contraste con una señal analógica, en una señal digital solo existen niveles o
estados específicos y cambia su nivel en pasos discretos.
Señal Analógica
Señal Digital
En electrónica digital las señales serán de tensión. VH, H: Tensión o nivel alto; VL, L: Tensión o nivel bajo
H
L
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 6
Señales digitales. Niveles de tensión
Voltajes típicos TTL CMOS*
VHmax 5V 5V
VHmin 2V 3,5V
Zona incertidumbre
VLmax 0,8V 1V
VLmin 0V 0V
* Aunque los disposi?vos CMOS se pueden alimentar entre 3 y 18V, en este curso solo consideraremos la tensión de 5V para alimentar este ?po de disposi?vos.
VHmax
VHmin
VLmax
VLmin
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Electrónica Industrial 7
Señales digitales. Aspecto real.
Amplitud
Sobreimpulso o sobreoscilación
Rizado
tw
Rizado
Subimpulso Tiempo de subida Tiempo de caida
Ancho del impulso
tr tf
90%
10%
50%
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Electrónica Industrial 8
Disposi?vos lógicos combinacionales Los disposi?vos lógicos combinacionales son disposi?vos digitales que convierten entradas binarias en salidas binarias en base en las reglas del Álgebra de Boole. Los disposi?vos más sencillos son las Puertas Lógicas.
A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
A S 0 1 1 0
A S 0 0 1 1
A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1
AND OR NOT BUFFER
NAND NOR XOR XNOR
Puertas básicas
Puertas compuestas
Mejora el fan-‐out S=A.B S=A+B S=A’
S=(A.B)’ S=(A+B)’ S=A.B’+A’.B S=A.B+A’.B’
S=A
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Electrónica Industrial 9
Circuitos Integrados. Empaquetado.
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
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Electrónica Industrial 10
Circuitos Integrados. Familias lógicas. • Existen una gran variedad de familias de circuitos integrados dependiendo de sus
caracterís?cas tecnológicas de fabricación. Las más u?lizadas son:
• TTL. Lógica Transistor-‐Transistor. • CMOS. Semiconductores complementarios de óxido metálico. • ECL. Lógica de emisor acoplado.
¡Atención! Los niveles lógicos varían dependiendo del ?po de familia.
Un diseñador debe tener cuidado cuando mezcle diferentes ?pos de circuitos integrados digitales porque pueden tener caracterís?cas incompa?bles (niveles de
tensión de entrada-‐salida, fan-‐out, corrientes, etc.)
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 11
Circuitos Integrados. Ejemplos
Circuitos Digitales Combinacionales
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Circuitos Integrados. Fabricación.
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Álgebra de Boole. El álgebra de Boole se u?liza para el análisis y síntesis de circuitos digitales.
Estados posibles.
Lógica posi?va: 0: Nivel de tensión “bajo” (LOW, L) 1: Nivel de tensión “allto” (HIGH, H)
Lógica nega?va: 1: Nivel de tensión “bajo” 0: Nivel de tensión “alto”
• Las señales en los sistemas digitales se representan mediante caracteres alfabé?cos “A”, “B”, “X” o una combinación de letras y números “A1”, “A2”, “A3”... y se corresponden con variables booleanas.
• Pueden tomar dos valores (0 ó 1). • Se corresponden con señales de entrada, de salida o intermedias.
Señales eléctricas y Variables Booleanas.
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Álgebra de Boole. Axiomas.
(A1) X=0 si X≠1 (A1’) X=1 si X≠0 OJO!!! Se cumple el principio de dualidad
Abstracción digital.
Se postulan 5 pares de axiomas:
(A2) Si X=0 entonces X’=1 (A2’) Si X=1 entonces X’=0 OJO!!! Se cumple el principio de dualidad
Función inversora.
(A3) 0.0 = 0 (A3’) 1+1 = 1 (A4) 1.1 = 1 (A4’) 0+0 = 0 (A5) 0.1 = 1.0 = 0 (A5’) 1+0 = 0+1 = 1
Definición formal de las operaciones básicas.
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Álgebra de Boole. Teoremas (I).
A+B = B+A A.B = B.A
Propiedad Conmuta?va.
OR AND NOT A+0 = A A.0 = 0 A’’=A A+1 = 1 A.1 = A A+A = A A.A = A A+A’= 1 A.A’= 0
Teoremas fundamentales.
(A+B)+C = A+(B+C) (A.B).C = A.(B.C)
Propiedad Asocia?va.
A.(B+C )= (A.B)+(A.C) A+(B.C) = (A+B).(A+C)
Propiedad Distribu?va.
Los teoremas se pueden demostrar por Inducción Perfecta o Teoría de Conjuntos
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 16
Álgebra de Boole. Teoremas (II).
Teoremas de De Morgan.
A+(A.B)=A A.(A+B)=A A+(A’.B)=A+B (A+B).(A+B’)=A (A+B).(A+C)=A+(B.C) A+B+(A.B’)=A+B (A.B)+(B.C)+(B’.C)=(A.B)+C (A.B)+(A.C)+(B’.C)=(A.B)+(B’.C)
Otros Teoremas.
(A.B)’ = A’+B’ (A . B)’ A’+B’ A
B
A
B 2º Teorema
(A+B)’ = A’.B’
(A + B)’ A’. B’ A
B
A
B
1er Teorema
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 17
Diseño de circuitos combinacionales. • Los circuitos combinacionales se caracterizan porque las salidas solo dependen del
estado actual de las entradas. Son circuitos que no almacenan ningún ?po de información y se pueden construir u?lizando exclusivamente puertas lógicas.
Circuito para conver?r números binarios de 3 bits a código Gray
Ejemplo
Conver?dor Binario / Código
Gray
A B C
X Y Z
Circuitos Digitales Combinacionales
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Definir el problema con
palabras
• Iden?ficar entradas y salidas
Obtener la tabla de verdad
Obtener forma canónica
• Obtener 1ª o 2ª Forma canónica
Minimizar función lógica
• Diagramas de Karnough
Obtener esquema lógico
Diseño. Flujo de trabajo
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 19
Diseño. Tabla de verdad
Conver?dor Binario / Código
Gray
A B C
X Y Z
A B C X Y Z
0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 1
0 1 0 0 1 1
0 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 0
1 0 1 1 1 1
1 1 0 1 0 1
1 1 1 1 0 0
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 20
Diseño. Mapas de Karnaugh (I)
A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
S A
0 1
B 0 0 1
1 1 0
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1
S BC
00 01 11 10
A 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0
A B C D S 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
S CD
00 01 11 10
AB 00 0 1 0 0 01 1 0 1 0 11 0 1 1 0 10 0 0 0 0
El método de Karnaugh es un procedimiento gráfico de minimización de circuitos lógicos combinacionales. Se basa en representar la información de la tabla de verdad sobre los mapas de Karnaugh y luego aplicar un conjunto de reglas de agrupamiento.
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 21
S BC 00 01 11 10
A 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0
S BC 00 01 11 10
A 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0
Diseño. Mapas de Karnaugh (II) Fundamento del Método.
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1
S BC 00 01 11 10
A 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1
Solo son posibles agrupamientos de 2n elementos………. 1, 2, 4, 8, 16, 32
S=A’B’C+A’BC=A’C(B’+B)=A’C S=A’BC+ABC=BC(A’+A)=BC S=C
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Diseño. Mapas de Karnaugh (III) Agrupamientos permi?dos.
AB
00 01 11 10
CD 00 0 1 1 0 01 0 0 0 0 11 1 1 0 1 10 0 0 0 1
AB
00 01 11 10
CD 00 1 1 1 1 01 0 0 0 0 11 0 0 1 1 10 0 0 1 1
BC’D’
A’CD AB’C
S=A’CD+BC’D’+AB’C
C’D’
AC
S=C’D’+AC
AB
00 01 11 10
CD 00 0 0 1 0 01 1 0 0 1 11 0 0 0 0 10 1 0 1 1
AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 1 1 01 0 0 1 0 11 0 0 1 0 10 1 0 1 1
ABD’
B’CD’
B’C’D
S=ABD’+B’C’D+B’CD’
AB
B’D’
S=AB+B’D’
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 23
Diseño. Mapas de Karnaugh (IV) Agrupamientos permi?dos.
S AB
00 01 11 10
CD 00 0 0 0 0 01 1 1 1 1 11 1 1 1 1 10 0 0 0 0
S AB
00 01 11 10
CD 00 0 1 1 0 01 0 0 1 1 11 0 0 1 1 10 1 0 0 0
D
S=D
BC’D’
AD
S=BC’D’+AD+A’B’CD’
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 1 01 1 0 0 1 11 1 0 0 1 10 1 0 0 1
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 1 1 1 01 1 1 1 1 11 1 1 1 1 10 1 1 1 1
B’
S=B’
AB
B’D’
S=1
A’B’CD’
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 24
Diseño. Mapas de Karnaugh (V) Agrupamientos no permi?dos.
No se permiten agrupamientos en L, ni diagonales
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 1 0 01 1 0 1 0 11 0 1 0 0 10 0 1 1 1
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 0 01 0 1 0 0 11 0 0 1 0 10 0 0 0 1
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 25
Diseño. Mapas de Karnaugh (VI) Agrupamientos alterna?vos.
Para un mismo mapa, la solución no ?ene por qué ser única.
AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 0 01 1 1 1 1 11 0 0 1 0 10 0 0 1 1
C’D
A’B’C’
ACD’ S=A’B’C’+C’D+ABD+ACD’
ABD
AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 0 01 1 1 1 1 11 0 0 1 0 10 0 0 1 1
C’D
A’B’C’
ACD’ S=A’B’C’+C’D+ABC+ACD’
ABC
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 26
Diseño. Mapas de Karnaugh (VII) Sistema?zación del método.
1º) Representar en un mapa de Karnough la función lógica o tabla de verdad que se deseé
minimizar. 2º) Se agruparan los “1” siguiendo las reglas que a con?nuación se citan:
• Deberán construirse primero los grupos de celdas más grandes; cada uno deberá contener 2n elementos.
• Deberán agregarse grupos cada vez más pequeños, hasta que cada celda que
contenga un “1” se haya incluido por lo menos una vez. • Deberán eliminarse los grupos redundantes (aun cuando se trate de grupos
grandes) para evitar la duplicación.
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 27
Diseño. Ejemplo
Conver?dor Binario / Código
Gray
A B C
X Y Z
A B C X Y Z 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0
X AB
00 01 11 10
C 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1
Y AB
00 01 11 10
C 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1
Z AB
00 01 11 10
C 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1
X=A X=A’B+AB’=A + B X=BC’+B’C=B + C
A
B
C
X
Y
Z
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 28
Diseño. Condiciones indiferentes Diseñar un circuito que tome un número BCD y produzca una sola salida Y que esté ac?va si la entrada es: 1, 2, 5, 6 ó 9
Decimal A B C D S 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 0 0 1 0 1 3 0 0 1 1 0 4 0 1 0 0 0 5 0 1 0 1 1 6 0 1 1 0 1 7 0 1 1 1 0 8 1 0 0 0 0 9 1 0 0 1 1 10 1 0 1 0 X 11 1 0 1 1 X 12 1 1 0 0 X 13 1 1 0 1 X 14 1 1 1 0 X 15 1 1 1 1 X
S AB
00 01 11 10
CD 00 0 0 X 0 01 1 1 X 1 11 0 0 X X 10 1 1 X X
S=C’D+CD’=C + D
A
C
D
B
S
Circuitos Digitales Combinacionales
Electrónica Industrial 29
Diseño propuesto En un barco el piloto automá?co controla la navegación e indica mediante cuatro señales N, S, E y O que rumbo lleva. Diseñar el menor circuito que decodifique el rumbo sobre un display de 7-‐segmentos, según el siguiente criterio: • Si sigue rumbo norte, se ac?va el segmento a; si sur, el d. • Si sigue rumbo este, se ac?van los segmentos b y c; si oeste, se ac?van e y f. • Si sigue rumbo noreste se ac?van a y b; si noreste, a y f. • Si sigue rumbo sureste se ac?van c y d; si suroeste, d y e.
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 30
• Interruptores • Pulsadores • Potenciómetros • LDRs • Fotocélulas • Encoders
• Galgas extensom • Termopares • Acelerómetros • MEMs
SENSORES • Solenoides, relés, piezoeléctricos • Motores de con?nua • Motores paso a paso • Servomotores • Disposi?vos hidráulicos y neumá?cos.
ACTUADORES
• C. discretos • Amplificadores
• Filtros • A/D
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE
ENTRADA E INTERFACES
• Combinacionales • Secuenciales • μP • μC
• SoC • Comunicaciones • Algoritmos • Socware
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL
• D/A • Amplificadores • PWM
• Transistores
ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA
E INTERFACES • LEDs • Displays • LCD
• CRT • TFT
VISUALIZADORES
Sistemas mecánico
Circuitos digitales Secuenciales
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 31
Circuitos digitales secuenciales. Los circuitos secuenciales se caracterizan porque las salidas están determinadas no sólo por las entradas existentes sino también por la secuencia de entradas que condujeron al estado existente. ==> El circuito ?ene MEMORIA.
Circuito combinacional
E1 En
Entradas S1 Sn
Salidas
Memoria (Estado)
Se pueden clasificar en SÍNCRONOS y ASÍNCRONOS
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 32
Flip-‐Flops. • Los flip-‐flops son los elementos más sencillos para almacenar información. • Se caracterizan porque ?enen dos y sólo dos estados posibles de salida. Al ser dichos estados
“ESTABLES” se conocen también como biestables. • Dentro de los diferentes ?pos de flip-‐flops existentes, los más usados son los Latches y los Flip-‐
Flops ac?vados por flanco
Q S
R Q
Q
Q R
S
Q
Q S
R
Latches
Flip-‐Flops ac?vados por flanco
Q S
R Q
CK Q
Q R
S CK
Q
Q S
R
CK
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 33
Latches. Los latches (cerrojos) son los biestables más sencillos ya que no precisan señal de reloj para su ac?vación. Se u?lizan poco (circuitos asíncronos).
Q S
R Q
Q
Q R
S
Q
Q S
R
Latch SR
S R Qn Q’n Estado 0 0 Qn-‐1 Q’n-‐1 Sin cambio 0 1 0 1 RESET 1 0 1 0 SET 1 1 0 0 Estado Ambiguo
S’ R’ Qn Q’n Estado 0 0 1 1 Estado Ambiguo 0 1 1 0 SET 1 0 0 1 RESET 1 1 Qn-‐1 Q’n-‐1 Sin Cambio
R
S
Q Q
Q Q
S
R
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 34
Flip-‐Flops ac?vados por flanco (I). En los flip-‐flops la señal de reloj (CK) sincroniza todos los cambios de los estados de salida del disposi?vo. Esto permite el diseño de circuitos complejos (μP y μC), donde todos los cambios se disparan o ac?van con una señal de reloj común. Flip-‐Flops SR S R CK Qn Q’n
0 0 é Qn-‐1 Q’n-‐1 0 1 é 0 1 1 0 é 1 0 1 1 é NA X X 0, 1, ê Qn-‐1 Q’n-‐1
Q S
R Q
CK
R
S
CK
Q
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 35
Flip-‐Flops ac?vados por flanco (II).
Flip-‐Flops ?po D
D CK Qn Q’n 0 é 0 1 1 é 1 0 X 0, 1, ê Qn-‐1 Q’n-‐1
Q D
Q
CK
Q S
R Q
CK CK D Q
Q
R
CK
Q
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 36
Flip-‐Flops ac?vados por flanco (III). Flip-‐Flops ?po JK
Q J
K Q
CK
J K CK Qn Q’n 0 0 é Qn-‐1 Q’n-‐1 0 1 é 0 1 1 0 é 1 0 1 1 é Q’n-‐1 Qn-‐1 X X 0, 1, ê Qn-‐1 Q’n-‐1
J
K
CK
Q
Q S
R Q
CK CK J Q
Q K
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 37
Flip-‐Flops ac?vados por flanco (IV).
Flip-‐Flops ?po T
Q T
Q
CK
T CK Qn Q’n 0 é Qn-‐1 Q’n-‐1 1 é Q’n-‐1 Qn-‐1 X 0, 1, ê Qn-‐1 Q’n-‐1
Q J
K Q
CK CK T Q
Q
T
CK
Q
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 38
Flip-‐Flops ac?vados por flanco (V). Entradas de control asíncronas
Se u?lizan para poner la salida de un flip-‐flop a “0” o a “1” en cualquier momento. Reciben diferentes denominaciones (PRESET, CLEAR, DC SET, DC CLEAR, SET, RESET, DIRECT SET, DIRECT CLEAR).
Q J
K Q
CK
Preset
Clear
J
K
CK
Preset
Clear
Q
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 39
Aplicaciones de los Flip-‐Flops (I). Eliminación de rebotes (deboucing) en interruptores
Se u?lizan para poner la salida de un flip-‐flop a “0” o a “1” en cualquier momento. Reciben diferentes denominaciones (PRESET, CLEAR, DC SET, DC CLEAR, SET, RESET, DIRECT SET, DIRECT CLEAR).
Q
Q
S’
R’
Interruptor SPDT (1 polo, 2 direcciones)
Interruptor SPST (1 polo, 1 dirección)
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 40
Aplicaciones de los Flip-‐Flops (II). Registros de datos Los FF se pueden poner en cascada para construir registros de datos de tantos bits como se quiera. Configuraciones �picas son de 4, 8, 16, 32, 64 o 128 bits. Se suelen u?lizar en los microprocesadores para retener datos para cálculos aritmé?cos. Los Registros son más caros que los dispositivos de memoria de las CPU pero mucho más rápidos.
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 41
Aplicaciones de los Flip-‐Flops (III). Registros de desplazamiento Los registros de desplazamiento se suelen u?lizar para implementar conver?dores paralelo serie-‐serie paralelo con objeto de comunicar disposi?vos (USB, Fireware, HD Serial ATA, etc.).
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 42
Aplicaciones de los Flip-‐Flops (IV). Contadores asíncronos
Circuitos Digitales Secuenciales
Electrónica Industrial 43
Aplicaciones de los Flip-‐Flops (V). Contadores síncronos
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 44
Familias Lógicas • Una familia lógica es una colección de Circuitos Integrados que ?enen caracterís?cas
eléctricas similares en cuanto a sus entradas, salidas y circuitería interna. Las familias más usuales son la CMOS (Complementary Metal-‐Oxide-‐Semiconductor Field Effect Transistor), TTL (Transistor Transistor Logic) y ECL (Emi�er Coupled Logic).
• El diseño lógico de un circuito digital es independiente de la tecnología usada, sin embargo para la realización �sica de los circuitos si se debe tener en cuenta. En concreto, hay que considerar los siguientes factores:
-‐Márgenes de ruido -‐Entorno de trabajo del circuito -‐Fan-‐out -‐Necesidad de: -‐Velocidad -‐Salidas en colector abierto -‐Consumo -‐Salidas Tri-‐State -‐Alimentación disponible
Los chips de una misma familia lógica se pueden interconectar directamente
Los chips de familias lógicas diferentes no ?enen porque ser compa?bles
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 45
Familias Lógicas. Tecnología CMOS
La lógica CMOS u?liza pares complementarios MOSFET (NMOS y PMOS) como elemento básico.
Inversor CMOS
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 46
Familias Lógicas. Tecnología TTL
La lógica TTL u?liza transistores bipolares como elementos básicos
Inversor TTL
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 47
Parámetros caracterís?cos (I)
TTL => 5V CMOS => 5V, 3.3V y 2.7V
Tensión de alimentación
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 48
Parámetros carácterís?cos (II) VCC VCC
ICCL ICCH
Si el ciclo de trabajo es el 50% => ICC = (ICCH +ICCL)/2 => PD=VCC.ICC La disipación de potencia en un circuito TTL se puede considerar constante dentro de su rango de frecuencias de operación. En CMOS la disipación de potencia depende de la frecuencia. En condiciones está?cas es extremadamente baja y aumenta cuando aumenta la frecuencia.
Los CMOS presentan baja disipación estáNca y una significaNva disipación dinámica.
Por ejemplo: TTL Scho�kly => 2,2 mW (siempre). HCMOS => 2,75 µW (DC) y 170 µW (100 KHz).
Potencia consumida
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 49
Parámetros carácterís?cos (III)
5V.
2V.
0.8V. 0V.
Entrada TTL
1 lógico
No permitido
0 lógico V IL(max) V IL(min)
V IH(max)
V IH(min)
Salida TTL
1 lógico
No permitido
0 lógico V OL(max) V OL(min)
V OH(max)
V OH(min)
5V.
2.7V.
0.5V. 0V.
5V.
3.5V.
1.5V.
0V.
Entrada CMOS
1 lógico
No permitido
0 lógico V IL(max)
V IL(min)
V IH(max)
V IH(min)
V OH(max) Salida CMOS
1 lógico
No permitido
0 lógico V OL(max) V OL(min)
V OH(min) 5V.
4.95V.
0.05V. 0V.
Niveles de entrada y salida CMOS y TTL
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 50
Parámetros carácterís?cos (IV)
5V.
2V.
0.8V. 0V.
Entrada TTL
1 lógico
No permitido
0 lógico V IL(max) V IL(min)
V IH(max)
V IH(min)
Salida TTL
1 lógico
No permitido
0 lógico V OL(max) V OL(min)
V OH(max)
V OH(min)
5V
2.7V
0.5V 0V
Márgenes de ruido
VNH = V OH(min) – V IH(min) VNL = V IL(max) – V OL(max)
VNH
VNL
VIHmin
VH VH
Señal real que incluye una componente de ruido
Picos de ruido fuera de los límites permitidos
Glitch debido al ruido
Inmunidad al ruido
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 51
Parámetros carácterís?cos (V)
Una puerta excitadora TTL (fuente) entrega corriente a las entradas de las puertas de carga en el estado ALTO (IIH) y absorbe corriente de las puertas de carga en el estado BAJO (IIL).
Cuantas más puertas de carga se conectan a la fuente, mayor es la carga de la misma. La corriente que suministra la fuente aumenta con cada puerta de carga que se añade. Al aumentar esta corriente, la caída de tensión interna de la puerta excitadora aumenta., haciendo que la tensión de salida VOH disminuya. Si se conecta un número excesivo de puertas de carga, la tensión VOH cae por debajo de su valor mínimo V OH(min)
Capacidad de carga de una puerta TTL cuando la salida está nivel ALTO
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 52
Parámetros carácterís?cos (VI)
Una puerta excitadora TTL (sumidero) absorbe corriente de las puertas de carga en el estado BAJO (IIL).
La corriente de sumidero también aumenta con cada entrada de carga que se añade. Al aumentar esta corriente, la caída de tensión interna de la puerta excitadora aumenta, haciendo que VOL aumente. Si se conecta un número excesivo de puertas de carga, la tensión VOL se hará mayor que VOL(max)
V OL
I IL(1)
I IL(2)
I IL(n)
+ 5 V.
+ 5 V.
+ 5 V.
Capacidad de caga de una puerta TTL cuando su salida está a nivel BAJO
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 53
Parámetros Carácterís?cos (VII)
Existe un límite para el número de entradas de carga que una puerta puede excitar. Este límite se denomina fan-‐out de la puerta. El fan-‐out para las puertas TTL standard es de 10 entradas y hasta 40 para TTL Scho�ky.
Fan-‐out
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 54
Parámetros carácterís?cos (VIII) Comportamiento dinámico de las puertas CMOS
Fuente: Wakerly, John F. Diseño digital : principios y prác?cas / John F. Wakerly. -‐-‐ 3 ed. Pearson Educación, 2001
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 55
Hojas de datos de los fabricantes de CI
Familia Características
74 Es la más antigua, fue introducida por Silvana en 1963 y popularizada por Texas Instruments.
74H 74L
High Speed TTL Low Power TTL Tienen la misma estructura pero cambian los valores de los resistores
El desarrollo de los transistores Schottky y su introducción en los años 70 en la familia TTL hizo obsoletas las familias 74, 74H, 74L
74S Schottky TTL Es la primera familia que utiliza transistores Schottky Mejora mucho la velocidad de la serie 74 pero con mucho más consumo.
74LS Low power Schottky TTL Es la TTL más utilizada y la menos costosa Iguala la velocidad de la serie 74 TTL pero consume una quinta parte.
74AS Advanced Shottky TTL Ofrece el doble de velocidad que la 74S con la mitad de consumo
74ALS Advanced Low Power Schottky TTL Ofrece velocidades y consumos mejores que la LS. Rivaliza con la LS
74F Fast TTL Esta posicionada entre la AS y la ALS
Familia TTL
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 56
Hojas de datos de los fabricantes de CI
Familia Características 4000 Es la más antigua, ha sido sustituida por el resto de familias.
Eran lentas, presentaban un bajo consumo frente a las TTL de la época. Pero se conectaban mal con las TTL
74 FAM nn 74HC30, 74HCT30, 74AC30,74HCT30,74AHC30
Puertas NAND de 8 entradas HC HCT
High Speed CMOS High Speed CMOS, TTL Compatible
Tienen mayor velocidad y mejor capacidad de consumo y de suministro de corriente que la 4000
VHC VHCT
Very High Speed CMOS Very High Speed CMOS, TTL Compatible
Son el doble de rápidas que las HC y HCT, siendo compatibles eléctricamente.
Familia CMOS
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 57
Hojas de datos de los fabricantes de CI
h�p://focus.?.com/docs/prod/folders/print/sn7400.html
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 58
Conec?vidad entre CI de diferentes familias • Cuando se diseñan sistemas digitales se recomienda usar solo una familia de disposi?vos (TTL
o CMOS) pero a veces puede ser necesario conectar disposi?vos de dis?ntas familias, para ello es necesario que sean compa?bles en tensión e intensidad.
Conec?vidad desde TTL a otros disposi?vos digitales
TTL
TTL
1KΩ
5 V
Salida Entrada
Muchos CMOS
Hasta 10 TTL
O 40 LS TTL
Tecnologías TTL y CMOS
Electrónica Industrial 59
Conec?vidad entre CI de diferentes familias Conec?vidad desde CMOS a otros disposi?vos digitales
CMOS
CMOS Muchos CMOS
Hasta 2TTL o
10 LS TTL
Salida Entrada
Buffer 4049B
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 60
Niveles de integración de los CI digitales
Nivel de integración Nº de transistores Nº de puertas Fecha Tipo
SSI (Small Scale Integra?on)
10 a 100 1 a 10 1.960 Puertas Flip-‐Flops
MSI (Medium Scale Integra?on)
100 a 1.000 10 a 100 1.965 Contadores Mul?plexores Decodificadores Etc.
LSI (Large Scale Integra?on)
1.000 a 10.000 100 a 1.000 1.970 Microprocesadores Memorias Disposi?vos programables ASIC
VLSI (Very Large Scale Integra?on)
10.000 a 100.000 1.000 a 10.000 1.978
ULSI (Ultra Large Scale Integra?on)
100.000 a 1.000.000
10.000 a 100.000 1.985
GLSI (Giga Large Scale Integra?on)
> 1.000.000 > 100.000 1.995
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 61
Operaciones aritmé?cas
A
B
C in
C out
∑ 1100
0110
1
0011
1
A B Cin Cout Σ
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 0 0 1
0 1 1 1 0
1 0 0 0 1
1 0 1 1 0
1 1 0 1 0
1 1 1 1 1
74LS283
74LS283
A B C in
∑ C out
74LS283
A B C in
∑ C out
0010 1110
0000 1
1 0010 0010
0101 0
1110 (A) 0010
0010 0010 (B)
0101 0000
+
Sumadores
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 62
Operaciones aritmé?cas
A
B
B in
B out
D
0010
1010
0
1000
1
A B Bin Bout D
0 0 0 0 0
0 0 1 1 1
0 1 0 1 1
0 1 1 1 0
1 0 0 0 1
1 0 1 0 0
1 1 0 0 0
1 1 1 1 1
74LSXXX
74LSXXX
A B B in
D B out
74LSXXX
A B B in
D B out
1010 0010
1000 1
1 0010 0110
0011 0
0010 (A) 0110
0010 1010 (B)
0011 1000
_
Restadores
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 63
Comparadores
A
B
A>B
A=B
A<B
0 (BAJO)
0100
1100
1 (ALTO)
0 (BAJO)
7485
A>B
A=B A<B
A
B
A>B
A=B A<B
0100
1100
7485
A>B
A=B A<B
A
B
A>B
A=B A<B 1 (ALTO)
0 (BAJO)
0 (BAJO)
7485
A>B
A=B A<B
A
B
A>B
A=B A<B
0100
0100
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 64
Codificadores
7 8 9
4 5 6
1 2 3
0 . +/-
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Codificador decimal / BCD
1001
1
Codificador Gray / Binario
A
B
C
X
Y
Z
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 65
Decodificadores
Display 7 Segmentos
BCD
1001
a
b
c
d
e
f g
111 0011
Decodificador de cuatro bits (74154)
Decodificador BCD a 7 Segmentos
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 66
Mul?plexores (I) La función básica de un mul?plexor es dirigir la información digital procedente de diversas fuentes a una única línea para ser transmi?da a través de dicha línea a un des?no común.
S1 S0 Entrada Seleccionada
0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3
Y
0
1
0 1
2 3
MUX S0 S1
D0 D1
D2 D3
S0
S1
D0
D1
D2
D3
Y
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 67
Mul?plexores (II) Los multiplexores nos permiten construir cualquier función combinacional. Para ello, tan solo hay que fijar las entradas del multiplexor a los niveles lógicos de la tabla de verdad que se quiere reproducir.
A B C S
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
S= A’B’C+AB’C’
A B C
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
0
0
1
0
0
0
MUX
Una función combinacional de n variables requiere un MUX de 2n canales de entrada
Circuitos Integrados MSI
Electrónica Industrial 68
Demul?plexores La función básica de un demul?plexor es realizar la función contraria al mul?plexor. Toma datos de una línea y los distribuye a un determinado número de líneas de salida.
S1 S0 Salida Seleccionada
0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3
Y
0
1 0 1
2 3
DEMUX S0 S1 D0
D1
D2 D3
S0
S1
D0
D1
D2
D3
Entrada de Datos
Y
Diseño de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrónica Industrial 69
Diseño de Sistemas Digitales con CI • Los circuitos integrados se pueden usar como bloques para crear la funcionalidad deseada
simplemente interconectándolos entre ellos.
• No existe una metodología predefinida, los diseños se realizan en base a la experiencia y las notas de aplicación que proporcionan los fabricantes.
• Es importante ver diseños ya existentes para aprender a diseñar nuevos.
Diseño de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrónica Industrial 70
Habilitación de puertos de E/S
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Diseño de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrónica Industrial 71
Sistema de recuento de votos
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Diseño de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrónica Industrial 72
Display digital
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Diseño de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrónica Industrial 73
Teclado digital
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Diseño de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrónica Industrial 74
Display mul?plexado
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrónica Digital. 9ª edición, Pearson-‐Pren?ce Hall. 2009.
Dr. Andrés Iborra Universidad Politécnica de Cartagena Campus Muralla del Mar, s/n 30202 Cartagena
Tel. +34 968 32 56 54 Fax. +34 968 32 53 45 E-‐mail [email protected] Twi�er @aiborra Www www.aiborra.com