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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Elementos lógicos desde el interior. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Radioaficionado principiante Los microcircuitos digitales están diseñados para procesar, convertir y almacenar información digital. Se emiten en serie. Dentro de cada serie, hay grupos de dispositivos unidos por funcionalidad: elementos lógicos, disparadores, contadores, elementos de dispositivos aritméticos (que realizan diversas operaciones matemáticas), etc. Cuanto más amplia sea la composición funcional de la serie, mayores serán las capacidades de un dispositivo digital hecho sobre la base de microcircuitos de esta serie. Los microcircuitos incluidos en cada serie tienen un único diseño y diseño tecnológico, una única tensión de alimentación, los mismos niveles de señales lógico 0 y lógico 1. Todo ello hace compatibles los microcircuitos de una misma serie. La base de cada serie de microcircuitos digitales es el elemento lógico básico. Como regla general, los elementos lógicos básicos realizan operaciones AND-NOT u OR-NOT y, de acuerdo con el principio de construcción, se dividen en los siguientes tipos principales: elementos de lógica de diodo-transistor (DTL). lógica de transistores resistivos (RTL), lógica de transistores a transistores (TTL), lógica de transistores acoplados a emisores (ESTL), microcircuitos en las denominadas estructuras MIS complementarias (CMDP). Los elementos KMDP de los microcircuitos digitales utilizan pares de transistores MIS (con una estructura de metal-dieléctrico-semiconductor), con canales de tipo p y n. Los elementos básicos de otros tipos están hechos en transistores bipolares. En la práctica de la radioafición, los microcircuitos más utilizados son la serie TTL y KMDP. La Figura 1 muestra el diagrama de circuito de una puerta TTL NAND básica. El transistor multiemisor VT1 se enciende en la entrada del elemento. Si se aplican voltajes de alto nivel a todos sus emisores, la unión del emisor del transistor se cerrará. Al mismo tiempo la corriente. que fluye a través de la resistencia R1 y la unión del colector del transistor VT1 abrirá el transistor VT2. La caída de tensión en la resistencia R3 será suficiente para abrir el transistor VT5. El voltaje en el colector del transistor VT2 es tal que el transistor VT3 se cierra y el transistor VT4 se cierra en consecuencia. Como resultado, aparecerá un voltaje de bajo nivel correspondiente a la lógica 0 en la salida del elemento. Si se aplica un voltaje de bajo nivel a al menos una de las entradas del elemento, entonces la unión del emisor del transistor VT1 se abrirá y los transistores VT2 y VT5 se cerrarán. El transistor VTZ se abrirá debido a la corriente que fluye a través de la resistencia R2 y entrará en modo de saturación. En consecuencia, el transistor VT4 se abrirá y en la salida del elemento aparecerá un voltaje de alto nivel correspondiente al lógico 1. En consecuencia, el elemento considerado realiza la función Y-NO. Los microcircuitos de la serie TTL también incluyen un elemento lógico NAND sin carga de colector en la etapa de salida. Este es el llamado elemento NAND de colector abierto. Está diseñado para funcionar con una carga externa, que pueden ser relés electromagnéticos, dispositivos indicadores, etc.; los circuitos de colector abierto también se utilizan en buses de transmisión de datos en los casos en que dos o más salidas están conectadas a una línea física, Figura 1.
Recuerde que la estructura CMDS es un interruptor de voltaje ideal. Dicho interruptor contiene dos transistores MIS con canales de tipo p y n. Cuando se aplica un voltaje de alto nivel a la entrada del interruptor, el transistor de canal n se abre y el de canal p se cierra. La Figura 2 muestra los diagramas de los elementos básicos de AND-NOT (a) y OR-NOT (b) de los microcircuitos KMDP. Un voltaje de bajo nivel (0 lógico) estará en la salida del elemento AND-NOT solo si los voltajes de alto nivel (1 lógico) se aplican simultáneamente a todas las entradas X1-X1. Si el voltaje en al menos una de las entradas (por ejemplo, X6) es bajo, entonces el transistor de canal n VT1 se cerrará y el transistor de canal p VTXNUMX se abrirá, a través del cual la salida del elemento es conectado a la fuente de alimentación. Por lo tanto, la salida tendrá un voltaje de alto nivel correspondiente al 1 lógico. Para implementar el elemento lógico básico OR-NOT en estructuras CMOS, las secciones del circuito que contienen transistores conectados en serie y en paralelo deben intercambiarse en la Figura 2, b.
Los microcircuitos TTL están diseñados para una tensión de alimentación de 5 V ± 10 %. La mayoría de los microcircuitos basados en estructuras CMOS funcionan de manera estable a un voltaje de suministro de 3-15 V, algunos, a un voltaje de 9 V ± 10%. Los niveles lógicos 0 y 1 deben diferir tanto como sea posible. Hay umbral lógico 1 U1thor: el voltaje de alto nivel más pequeño en la entrada del microcircuito, en el que el voltaje de salida cambia del nivel de 0 lógico al nivel de 1 lógico, así como el voltaje de umbral de 0 lógico U0thor - el voltaje de bajo nivel más alto en la entrada del microcircuito, en el que el voltaje de salida cambia del nivel de 1 lógico al nivel de 0 lógico. Antes de proceder a una consideración detallada de las series más comunes de microcircuitos y dispositivos digitales basados en ellos, detengámonos en los principales parámetros de los elementos lógicos. Estos incluyen el voltaje de la fuente de alimentación, los niveles de voltaje lógico 0 y lógico 1, la capacidad de carga, la inmunidad al ruido y la velocidad, el consumo de energía. Para microcircuitos de la serie TTL U1por = 2,4 V; U0por =0,4 V. Voltaje de nivel alto y bajo en la salida de los microcircuitos TTL U1out>=2,4V, U1out<=0,4V. Para microcircuitos basados en estructuras KMDP U1por>0,7* Upit, U0pore>0,3* Upal mismo tiempo, las desviaciones de los voltajes de salida U0out y U1out desde cero y el voltaje de la fuente de alimentación, respectivamente, alcanzan solo unas pocas decenas de milivoltios. La capacidad de un elemento para funcionar con un cierto número de entradas de otros elementos sin dispositivos de adaptación adicionales se caracteriza por la capacidad de carga. Cuanto mayor sea la capacidad de carga, menos elementos se pueden necesitar a la hora de implementar un dispositivo digital. Sin embargo, con un aumento en la capacidad de carga, otros parámetros de los microcircuitos se deterioran: la velocidad y la inmunidad al ruido disminuyen y aumenta el consumo de energía. En este sentido, como parte de varias series de microcircuitos, existen los llamados elementos de amortiguación con una capacidad de carga que es varias veces mayor que la de los elementos principales. Cuantitativamente, la capacidad de carga se estima por la cantidad de unidades de carga que se pueden conectar simultáneamente a la salida del microcircuito. A su vez, una sola carga es la entrada del elemento lógico principal de esta serie. El factor de ramificación de salida para la mayoría de los elementos lógicos de la serie TTL K155 es 10, para los microcircuitos de la serie K561 KMDP, hasta 100. La inmunidad al ruido de los elementos lógicos básicos se evalúa en modos estático y dinámico. En este caso, la inmunidad al ruido estático está determinada por el nivel de voltaje suministrado a la entrada del elemento en relación con los niveles lógicos 0 y 1, en los que el estado en la salida del circuito no cambia. Para elementos TTL, la inmunidad al ruido estático es de al menos 0,4 V, y para microcircuitos de la serie KMDP, al menos el 30% de la tensión de alimentación. La inmunidad al ruido dinámico depende de la forma y amplitud de la señal perturbadora, así como de la velocidad de conmutación del elemento lógico y de su inmunidad al ruido estático. Los parámetros dinámicos de los elementos básicos se evalúan, en primer lugar, por su velocidad. Cuantitativamente, el rendimiento se puede caracterizar por la frecuencia operativa límite, es decir, la frecuencia máxima de conmutación del disparador realizado en estos elementos básicos. La frecuencia operativa máxima de los chips TTL de la serie k155 es de 10 MHz. y los microcircuitos de las series k176 y k561 en estructuras CMDP son solo de 1 MHz. El rendimiento se define de la misma manera que el tiempo medio de retardo de propagación de la señal.
tzd.r.av.=0,5(t1,0zd.r+t0,1zd.r), donde t1,0zd.r y t0,1zd.r son los tiempos de retardo de propagación de la señal al encender y apagar, Figura 3. El tiempo medio de retardo de propagación de la señal es un parámetro más universal de los microcircuitos desde que lo conocemos. Puede calcular el rendimiento de cualquier circuito lógico complejo sumando tz.r.sr para todos los microcircuitos conectados en serie. Para los microcircuitos de la serie K155, tz.r.sr es de aproximadamente 20 ns, y para los microcircuitos de la serie K176, 200 ns. La potencia consumida por el microcircuito en modo estático es diferente en los niveles de cero lógico (P0) y uno lógico en la salida (P1). En este sentido, se mide el consumo medio de energía Рср=(Р0+Р1)/2. El consumo de energía promedio estático de los elementos básicos de la serie K 155 es de varias decenas de milivatios, y de los elementos de las series K176 y K561 es más de mil veces menor. Por tanto, si es necesario construir dispositivos digitales con bajo consumo de corriente, es recomendable utilizar microcircuitos basados en estructuras KMDP. Sin embargo, hay que tener en cuenta que cuando se opera en modo dinámico aumenta la potencia consumida por los elementos lógicos. Por lo tanto, además de Рср, también se establece la potencia Рdin, medida a la frecuencia de conmutación máxima. Debe tenerse en cuenta. que al aumentar la velocidad aumenta la potencia consumida por el microcircuito Autor: -=GiG=-, gig@sibmail; Publicación: cxem.net
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