Familias Logicas

Familias Lógicas

Si bien existen muchas familias tecnológicas disponibles, estas pueden ser divididas rigurosamente en tres grandes categorías: Lógica Transistor-Transistor (TTL), lógica de Semiconductor Complementario de Metal-Óxido (CMOS), y lógica de Emisor Acoplado (ECL). TTL y ECL son tecnologías bipolares que difieren en la técnicas de implementación, en tanto que CMOS (una tecnología MOS) difiere en la estructura y operación fundamental de los transistores.

TTL

La designación " bipolar" se refiere esencialmente al componente básico utilizado en la construcción de esta familia de circuitos integrados, el transistor bipolar. El uso de un transistor bipolar en el driver de salida y en el buffer de entrada de una función lógica, da lugar a una conexión directa Transistor-a-Transistor (TTL). Tecnologías más antiguas eran interconectadas mediante componentes pasivos como resistencias o diodos.

Desde el diseño TTL original, varias mejoras han sido empleadas para reducir la potencia e incrementar la velocidad. Común a estos ha sido el uso de diodos Schottky, los cuales, ironicamente no dan lugar a conexiones estrictamente TTL. Consecuentemente, los dos nombres, Schottky y TTL, son usados en combinación: LS (Schottky de Baja Potencia), ALS (Schottky Avanzado de Baja Potencia), y FASTTM (Schottky Avanzado) TTL.

La característica superior de los TTL comparado a CMOS, en el pasado, ha sido su rapidez relativamente alta y elevada corriente de salida; estas ventajas están disminuyendo rápidamente como se verá en la próxima sección. Una familia de elementos, ABT (Tecnología BiCMOS Avanzada), utiliza circuitería TTL en las entradas y salidas, y tecnología CMOS entre medio -- intentando combinar las ventajas de los bipoleares y de CMOS.

CMOS

Los transistores de Efecto de Campo del tipo Semiconductor Complementario de Metal-Óxido(CMOS) difieren de los bipolares tanto en estructura como en operación. Las ventajas básicas de los CMOS son su baja disipación de potencia y pequeña geometría física. Los adelantos en el diseño y fabricación han originado elementos CMOS de igual velocidad y capacidad de corriente de salida que los TTL. Una vez más, las mejoras han resultado en la evolución de clasificaciones adicionales: MG (CMOS Compuerta de Metal), HC (CMOS Compuerta de Silicio de Alta Velocidad), y FACTTM (CMOS Avanzado).

La evolución más reciente en lógica CMOS ha sido la reducción del voltaje de alimentación sin sacrificar el desempeño. La nueva familia LCX es un producto de esta tendencia. Esta familia resulta de los esfuerzos conjuntos de un truinvirato de compañías que incluye a Motorola, National, y Toshiba. Aun cuando cada compañía ha hecho su propio diseño y fabricación, han acordado entregar especificaciones de desempeño idénticas. Además del voltaje de operación de 3V, las entradas y salidas LCX son tolerantes a la interconexión con elementos de 5V.

ECL

La lógica de Emisor Acoplado(ECL) deriva su nombre de la configuración de amplificador diferencial donde cada lado del amplificador consiste de transistores bipolares de entradas múltiples con sus emisores enlazados entre si. Una polarización de entrada en el lado opuesto del amplificador diferencial provoca que el amplificador opere continuamente en el modo activo. Consecuentemente, ECL consume una cantidad relativamente importante de potencia en ambos estados (uno o cero) pero también resulta en las más rápidas velocidades de conmutación de todas las familias lógicas. Un beneficio inherente de ECL es el estrecho nivel de variación de la conmutación entre elementos (aproximadamente 800 mV) lo cual ayuda a reducir la generación de ruido.

Han habido también muchos avances evolucionarios en ECL, siendo los siguientes algunos de los más prominentes: 100K (1975), 10KH (1981), y ECLinPSTM (1987). De muy reciente cosecha es la familia ECLinPS LiteTM de elementos de una función. Al enfocarse en la simplicidad, esta familia logra un muy elevado desempeño, reduciendo al mismo tiempo el tamaño del paquete.

Velocidad

La velocidad es típicamente el primer parámetro considerado por un diseñador y cuando a los ingenieros de diseño se les pregunta que características de una familia lógica a ellos les gustaría mejorar, usualmente ellos desean más velocidad. Pero el aumento de la velocidad frecuentemente trae consigo muchos potenciales problemas tales como: aumento del ruido generado, mayor consumo de potencia, un crecido costo de sistemas y componentes, complicados diagramas de placas, etc. Usualmente se requiere una evaluación de los otros parámetros de una familia antes de tomar una decisión final.

En la Tabla previa, la velocidad por familias es comparada mediante tres parámetros usando valores típicos: retardo de la propagación a traves de una única compuerta OR, frecuencia de transición flip-flop, y tiempo de conmutación de salida. Los valores típicos pueden conducir a error en tanto son especificados, a menudo, de acuerdo a distintos criterios del fabricante pero, usualmente están cerca de un promedio de valores máximos y mínimos. Para una evaluación final del desempeño de un componente particular, se deben examinar los valores máximos y mínimos provistos en la mayoría de las hojas de datos de los fabricantes. Además, la taza de conmutación (borde) es altamente dependiente de la carga y, de nuevo, es necesario comparar los valores de las hojas de datos.

Consumo de Potencia

La cantidad de potencia que consume una aplicación (y el subsecuente calor generado) es frecuentemente de gran importancia. Una de las mayores diferencias entre las tres familias, el parámetro de potencia también puede limitar las opciones de los diseñadores.

TTL consume una cantidad moderada de potencia y es casi constante sobre frecuencias de operación de hasta 10MHz; por encima de 10MHz comienza a crecer rápidamente. Aunque sólo unos pocos miliWatts se consumen en cada elemento, un sistema completo puede utilizar una cantidad sustancial de potencia.

Por otra parte el consumo de potencia en un CMOS es altamente dependiente de la frecuencia. En el modo estacionario (quiescent mode, frecuencia cero), casi no se consume potencia, midiendose en microWatts por elemento. Sin embargo, el consumo crece casi linealmente con la frecuencia de modo tal que a la máxima frecuencia de operación puede ser de varios miliWatts por elemento. La gran ventaja de reducción de potencia de los CMOS, deriva del hecho de que, en muchas aplicaciones,

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