Familias de Circuitos Lógicos Digitales

 Solano Vega Wilber Eleazar

…familia lógica?

Una familia lógica es un conjunto de circuitos integrados que implementan distintas operaciones lógicas compartiendo la tecnología de fabricación y en consecuencia, presentan características similares en sus entradas, salidas y circuitos internos. La similitud de estas características facilita la implementación de funciones lógicas complejas al permitir la directa interconexión entre los chips pertenecientes a una misma familia. Teniendo en cuenta el tipo de transistores utilizados como elemento de conmutación, las familias lógicas pueden dividirse en dos grandes grupos: las que utilizan transistores bipolares y las que emplean transistores MOS.


Características generales a las familias lógicas

Todas las familias de tecnologías de fabricación de circuitos se clasifican en dos categorías bipolares y MOS.
Las características mas importantes de un circuito son:

० La velocidad

Mide la rapidez de respuesta de las salidas de un circuito digital a cualquier cambio en sus entradas. la velocidad es una consideración importante en el diseño de sistemas que estén realizar cálculos numéricos o en circuitos que trabajan con señales de alta frecuencia.

० El consumo de potencia

Mide la cantidad de corriente o de potencia que consume un circuito digital en operación. el consumo de potencia es una consideración importante en el diseño de sistemas operativos por baterías.

० La inmunidad al ruido

Mide su sensibilidad de un circuito digital al ruido electromagnético ambiental. la inmunidad al ruido es una consideración importante en el diseño de sistemas que deben trabajar en ambientes ruidosos como automóviles, maquinas, circuitos de control industrial entre otros.

० La confiabilidad

Mide el periodo útil de servicio de un circuito digital, es decir, cuanto tiempo se espera que trabaje sin fallar.

Especificaciones genéricas de una familia lógica 

Estas especificaciones son las que en general están incluidas en la hoja de datos correspondiente a cada circuito que brinda el fabricante. Dentro de ellas pueden encontrarse la tensión de alimentación y niveles de tensión y corriente de entrada y salida, son iguales para todos los circuitos de la familia con independencia de la función lógica que realiza cada uno de ellos, de esta manera se asegura fácil interconexión entre ellos para implementar funciones lógicas más complejas. 
Hay otras características que dependen de la función que ejecuta el circuito, por ejemplo el consumo de potencia y los tiempos de retardo, propagación y conmutación, y en consecuencia sus valores y características pueden diferir de un integrante a otro. Tensión de alimentación. Los circuitos pertenecientes a una familia comparten el mismo rango permitido de tensiones de alimentación. Independientemente de la amplitud del rango permitido, la simplicidad y seguridad de la interconexión se mantiene si todos los circuitos interconectados están conectados a la misma alimentación.

Corrientes máximas de entrada. Capacidad de carga en la salida. 

El requerimiento de potencia a la salida de un circuito lógico depende del estado de esa salida y de la carga conectada. Como ya se dijo, el fabricante estipula valores máximos para estas corrientes que aseguran el funcionamiento dentro de las especificaciones

Retardo de propagación 

Se define como retardo de propagación o tiempo de retardo el lapso que transcurre entre el instante en que la entrada conmutando alcanza el 50% del cambio total y el momento en que la salida alcanzó el 50% del cambio correspondiente tal como se ejemplifica en la figura 3-3

El retardo de propagación depende de la complejidad de la función que ejecute el circuito analizado. Para realizar comparaciones de velocidad de funcionamiento de distintas familias se toma como referencia el retardo correspondiente a la compuerta más simple, o sea la compuerta inversora. 

Consumo de potencia 

En un circuito lógico deben diferenciarse dos tipos de consumo de potencia: el estático y el dinámico. La potencia estática es la que el circuito disipa mientras permanece en un estado estable, y es muy dependiente del estado de sus entradas y salidas, fundamentalmente de estas últimas ya que las corrientes de entrada son, en general, mucho menores. Se define la potencia media estática consumida como el valor promedio de potencia consumida teniendo en cuenta ambos estados, o sea se toma la semisuma entre la corriente que consume cuando todas las salidas están en nivel alto y la corriente que consume cuando todas las salidas están en nivel bajo


Niveles de voltaje y estados lógicos

En todos los circuitos digitales prácticos lógicos 1 y 0 se implementan con niveles de voltaje. estos niveles tiene rangos muy definidos, separados por una zona de valores inválidos como se muestra en la siguiente imagen.
El nivel bajo valido es el rango de voltajes entre v0 y v1, mientras que el nivel alto valido es el rango de voltaje v2 y v3; los valores superiores a v3 ó inferiores a v0 generalmente son dañinos para el circuito y deben evitarse la zona de niveles entre v1 y v2 es critica , los circuitos digitales trabajan de forma errática ya que no saben como interpretar que tipo de señal están manejando.



Familia lógica TTL

La familia TTL es la mas antigua y común, ya que los circuitos SSI y MSI son fabricados usando esta tecnología.
Los circuitos integrados TTL implementan su lógica interna exclusivamente a base de transistores npn y pnp, diodos y resistencias.
La primera serie de dispositivos digitales TTL fur lanzada por texas instriments en 1964. Los chips TTL se usan en toda clase de aplicaciones ya que son muy rápidos, versátiles y economicos.

La familia TTL esta disponible en dos versiones, los 54 usados para apicaciones militares con un rango de operación de temperatura entre los -55 a 150° grados centigrados y los 74 que son usados para aplicaciones industriales y de propósito general con un rango de temperatura de 0 a 70°centigrados


Familias de los TTL

La familia TTL se dividen en las siguientes categorías
  • TTL estándar
  • TTL schottky (S)
  • TTL de baja potencia (L)
  • TTL schottky de baja potencia (SL)
  • TTL de alta velocidad (H)
  • TTL schottky (AS)
  • TTL schottky de baja potencia y avanzada (ALS)
  • TTL lógica de emisor acoplado (ECL)


Características de los circuitos integrados

Alta velocidad de operación

Pueden trabajar en frecuencias de 18 a 20Mhz y en algunos casos hasta 80Mhz. La velocidad de la operación se expresa en términos de tiempo o retardo de programación del chip; los tiempo de operación de los chips TTL son generalmente entre 2 a 30 nanosegundos por compuerta

Alta disipación de potencia

Es una desventaja asociada con la velocidad de operación, en general, cuan mas rápido sea un circuito mas tensión consume, la mayoría de los circuitos TTL consumen 1 a 25 milivatios por compuerta

Tensión alimentación nominal

Los circuitos TTL por lo general trabajan en un rango de tensión entre los 4.75 a 5.25V, si supera el valor de voltaje mayor puede que se queme el CI

Niveles voltaje estado bajo

En general los circuitos integrados interpretan cualquier voltaje entre 0 y 0.8 como bajo o un (0) lógico





[1]. Oscar Fernández. (Sept. 23, 2018). "Familias Lógicas de Circuitos integrados". [Online]. Disponible en: http://codigoelectronica.com/blog/familias-logicas-de-circuitos-integrados

[2]. M. Isabel Schiavon & Crepaldo Daniel. (---). "Familias Lógicas". [Online]. Disponible en: https://www.fceia.unr.edu.ar/eca1/files/teorias/Familias_logicas-2009.pdf


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