Circuitos combinacionales MSI

Circuitos combinacionales MSI:



La evolución de los circuitos integrados ha producido una gran variedad de circuitos que realizan
más que una simple función lógica. Estos circuitos, dependiendo de su complejidad y de la cantidad
de compuertas lógicas internas han sido clasificados como circuitos de:

• Baja Escala de Integración (SSI).- Hasta 12 compuertas lógicas o menos (funciones lógicas básicas).
• Media Escala de Integración (MSI).- Hasta 100 compuertas lógicas.
• Alta y muy Alta Escala de Integración (LSI y VLSI) .- Más de 100 compuertas lógicas.

Hay varias ventajas en el uso de los circuitos MSI. Además de que estos bloques funcionales
realizados en circuito integrado representan la experiencia y el trabajo de diseñadores de funciones
lógicas que es conveniente tener en cuenta para no repetir esfuerzos, su uso conlleva las siguientes
ventajas:

• Realizaciones más compactas (al tener soluciones completas en un sólo circuito integrado con algunas pocas puertas extra para realizar la adaptación en algunos casos).
• Menos alambrado (puesto que para usar los circuitos MSI sólo se requiere alambrar entradas y salidas, la función lógica que realizan ya está alambrada en su interior).
• Soluciones modulares (toda la lógica relacionada con una subfunción está contenida en un sólo circuito integrado).
• Facilidad de mantenimiento (por la misma razón que el punto anterior).

Los circuitos combinacionales comercializados en circuito integrado MSI se pueden clasificar dentro
de cuatro grandes divisiones:

• Generadores de paridad
• Multiplexores y demultiplexores
• Codificadores y decodificadores
• Circuitos aritméticos (sumadores y comparadores)

Familia CMOS

Familia CMOS:



Complementary metal-oxide-semiconductor o CMOS es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas.

En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales.


Ventajas:

La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales:

• El bajo consumo de potencia estática, gracias a la alta impedancia de entrada de los transistores de tipo MOSFET y a que, en estado de reposo, un circuito CMOS sólo experimentará corrientes parásitas. Esto es debido a que en ninguno de los dos estados lógicos existe un camino directo entre la fuente de alimentación y el terminal de tierra, o lo que es lo mismo, uno de los dos transistores que forman el inversor CMOS básico se encuentra en la región de corte en estado estacionario.
• Gracias a su carácter regenerativo, los circuitos CMOS son robustos frente a ruido o degradación de señal debido a la impedancia del metal de interconexión.
• Los circuitos CMOS son sencillos de diseñar.
• La tecnología de fabricación está muy desarrollada, y es posible conseguir densidades de integración muy altas a un precio mucho menor que otras tecnologías.

Inconvenientes:

Algunos de los inconvenientes son los siguientes:

• Debido al carácter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas nMOS-pMOS, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lógicas.
• Son vulnerables a latch-up: Consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura CMOS que entra en conducción cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentación de los circuitos integrados. El latch-up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación que acarrea la destrucción del dispositivo. Siguiendo las técnicas de diseño adecuadas este riesgo es prácticamente nulo. Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusión con suficiente regularidad, para asegurarse de que está sólidamente conectado a masa o alimentación.
• Según se va reduciendo el tamaño de los transistores, las corrientes parásitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinámicas (debidas a la conmutación de los dispositivos).

Flip-Flop

Flip-Flop:


Un biestable, también llamado (flip-flop en inglés), es un multivibrador capaz de permanecer en un estado determinado o en el contrario durante un tiempo indefinido. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables se dividen en:

• Asíncronos: sólo tienen entradas de control. El más empleado es el biestable RS.
• Síncronos: además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por lo general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las síncronas.

La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK, T y D.

Los biestables se crearon para eliminar las deficiencias de los latches.

Flip-Flop RS:

Dispositivo de almacenamiento no temporal de 14 estados (alto y bajo), cuyas entradas principales permiten al ser activadas:

Flip-flops RS con puertas NOR (a), NAND (c) y sus símbolos normalizados respectivos (b) y (d).

• R: el borrado (reset en inglés), puesta a 0 ó nivel bajo de la salida.
• S: el grabado (set en inglés), puesta a 1 ó nivel alto de la salida

Si no se activa ninguna de las entradas, el biestable permanece en el estado que poseía tras la última operación de borrado o grabado. En ningún caso deberían activarse ambas entradas a la vez, ya que esto provoca que las salidas directa (Q) y negada (Q') queden con el mismo valor: a bajo, si el flip-flop está construido con puertas NOR, o a alto, si está construido con puertas NAND

Flip-Flop JK:

Es versátil y es uno de los tipos de flip-flop mas usados. Su funcionamiento es idéntico al del flip-flop S-R en las condiciones SET, RESET y de permanencia de estado. La diferencia está en que el flip-flop J-K no tiene condiciones no validas como ocurre en el S-R.
Este dispositivo de almacenamiento es temporal que se encuentra dos estados (alto y bajo), cuyas entradas principales, J y K, a las que debe el nombre, permiten al ser activadas:

Flip-flops JK activo a) por flanco de subida y b) por flanco de bajada

• J: El grabado (set en inglés), puesta a 1 ó nivel alto de la salida.
• K: El borrado (reset en inglés), puesta a 0 ó nivel bajo de la salida.

Si no se activa ninguna de las entradas, el flip-flop permanece en el estado que poseía tras la última operación de borrado o grabado. A diferencia del biestable RS, en el caso de activarse ambas entradas a la vez, la salida adquirirá el estado contrario al que tenía.

Flip-Flop D:

El flip-flop D resulta útil cuando se necesita almacenar un único bit de datos (1 o 0). Si se añade un inversor a un flip-flop S-R obtenemos un flip-flop D basico. El funcionamiento de un dispositivo activado por el flanco negativo es, por su puesto, idéntico, excepto que el disparo tiene lugar en el flanco de bajada del impulso del reloj. Recuerde que Q sigue a D en cada flanco del impulso de reloj.

Para ello, el dispositivo de almacenamiento temporal es de dos estados (alto y bajo), cuya salida adquiere el valor de la entrada D cuando se activa la entrada de sincronismo, C. En función del modo de activación de dicha entrada de sincronismo, existen dos tipos:

• Activo por nivel (alto o bajo), también denominado registro o cerrojo (latch en inglés).
• Activo por flanco (de subida o de bajada).

Flip-flops D a) activo por nivel alto y b) activo por flanco de bajada.

Flip-Flop T:

Dispositivo de almacenamiento temporal de dos estados (alto y bajo). El flip-flop T cambia de estado ("toggle" en inglés) cada vez que la entrada de sincronismo o de reloj se dispara. Si la entrada T está a nivel bajo, el biestable retiene el nivel previo. Puede obtenerse al unir las entradas de control de un biestable JK, unión que se corresponde a la entrada T.

Flip-flops T activo por flanco de subida.

Flip-Flop maestro-esclavo:

Aunque aún puede encontrarse en algunos equipos, este tipo de flip-flop, denominado en inglés J-K Flip-Flop Master-Slave, ha quedado obsoleto ya que ha sido reemplazado por el JK activo por flanco.

Su funcionamiento es similar al JK activo por flanco: en el nivel alto (o bajo) se toman los valores de las entradas J y K y en el flanco de bajada (o de subida) se refleja en la salida.

Flip-flops JK Maestro-Esclavo a) activo por nivel alto y b) activo por nivel bajo

Flip-Flop JK activo por flanco:

Junto con las entradas J y K existe una entrada C de sincronismo o de reloj cuya misión es la de permitir el cambio de estado del biestable cuando se produce un flanco de subida o de bajada, según sea su diseño. Su denominación en inglés es J-K Flip-Flop Edge-Triggered. A este modo de funcionamiento se le denomina modo de basculación (toggle en inglés).

Flip-flops JK activo a) por flanco de subida y b) por flanco de bajada

Contador

Contador:

Un contador (counter en inglés) es un circuito secuencial construido a partir de biestables y puertas lógicas capaz de realizar el cómputo de los impulsos que recibe en la entrada destinada a tal efecto, almacenar datos o actuar como divisor de frecuencia. Habitualmente, el cómputo se realiza en un código binario, que con frecuencia será el binario natural o el BCD natural (contador de décadas).


Clasificación de los contadores:

Según la forma en que conmutan los biestables, podemos hablar de contadores síncronos (todos los biestables conmutan a la vez, con una señal de reloj común) o asíncronos (el reloj no es común y los biestables conmutan uno tras otro).
Según el sentido de la cuenta, se distinguen en ascendentes, descendentes y UP-DOWN (ascendentes o descendentes según la señal de control).
Según la cantidad de números que pueden contar, se puede hablar de contadores binarios de n bits (cuentan todos los números posibles de n bits, desde 0 hasta 2n − 1), contadores BCD (cuentan del 0 al 9) y contadores Módulo N (cuentan desde el 0 hasta el N-cuarto.

El número máximo de estados por los que pasa un contador se denomina módulo del contador. Este número viene determinado por la expresión 2^n donde n indica el número de bits del contador.

Señales de reloj

Señales de reloj:

En electrónica y especialmente en circuitos digitales síncronos, una señal de reloj es una señal usada para coordinar las acciones de dos o más circuitos.

Una señal de reloj oscila entre estado alto o bajo, y gráficamente toma la forma de una onda cuadrada.

Los circuitos que utilizan la señal de reloj para la sincronización pueden activarse en el flanco ascendente, flanco descendente o en ambos, por ejemplo, las memorias DDR SDRAM son activadas en ambos flancos.

La mayoría de los circuitos integrados complejos utilizan una señal de reloj para sincronizar sus diferentes partes y contar los tiempos de propagación. A medida que se fue incrementando la complejidad de los circuitos, se volvió más complicada la sincronización a través del reloj. Un ejemplo de circuito integrado complejo es el microprocesador.

Señal de reloj en los microprocesadores:

Los microprocesadores son circuitos digitales altamente complejos, que utilizan una señal de reloj para funcionar.

En algunos microprocesadores antiguos se utilizaban reloj multifase , pero actualmente la mayoría utiliza un reloj de una única fase.

La señal de reloj puede ser combinada con un controlador de señal que se encarga de permitir o no la señal de reloj para ciertas partes de un circuito. Esta técnica es especialmente utilizada para ahorrar energía, apagando porciones de un circuito digital que no están en uso.

Lógica secuencial

Lógica secuencial:

A diferencia de la lógica combinacional, en la lógica secuencial, los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también dependen del estado anterior o estado interno. El sistema secuencial más simple es el biestable, de los cuales, el de tipo D es el más utilizado actualmente.

La mayoría de los sistemas secuenciales están gobernados por señales de reloj. A éstos se los denomina "síncronos" o "sincrónicos", a diferencia de los "asíncronos" o "asincrónicos" que son aquellos que no son controlados por señales de reloj.

A continuación se indican los principales sistemas secuenciales que pueden encontrarse en forma de circuito integrado o como estructuras en sistemas programados:

• Contador
• Registros

En todo sistema secuencial nos encontraremos con:

a) Un conjunto finito, n, de variables de entrada (X1, X2,..., Xn).

b) Un conjunto finito, m, de estados internos, de aquí que los estados secuenciales también sean denominados autómatas finitos. Estos estados proporcionarán m variables internas (Y1,Y2,..., Ym).

c) Un conjunto finito, p, de funciones de salida (Z1, Z2,..., Zp).

Construcción de compuertas

Construcción de compuertas:




La construcción de las compuertas lógicas, está basada en componentes discretos (Transistores, Diodos, y Resistencias), pero con la enorme ventaja de que en un solo circuito integrado podemos encontrar 1, 2, 3 o 4 compuertas (dependiendo de su número de entradas y propiedades).


AND


OR


NAND


NOT


NOR

Utilidades de un relé

Utilidades de un relé







Su función es controlar el flujo de energía eléctrica en un circuito, es decir, como parte de un circuito eléctrico, abre y cierra contactos según las condiciones dadas por el que diseño tal circuito o equipo, de manera tal que tiene contactos normalmente cerrados y normalmente abiertos que cambian de estado cada que se des-energiza o se energiza la bobina del relevador.

En general, el uso de un relé es usar una pequeña cantidad de energía en el electroimán – por ejemplo de un circuito electrónico de baja potencia – para mover la armadura de a su vez es capaz de conmutar una cantidad de energía mucho mayor. Par aponer un ejemplo, puede que quieras que el electroimán se active usando 5 voltios y 50 miliamperios, mientras que la armadura puede soportar 220 voltios a 2 amperios.

Los relés son muy comunes en aplicaciones y aparatos que tenemos en casa, donde haya un sintonizador de control electrónico o algo como puede ser un motor o una luz. También son comunes en coches, donde el suministro eléctrico de 12 voltios significa que prácticamente todo necesita una gran cantidad de corriente. En modelos de coche posteriores, los fabricantes han empezado a combinar paneles de relés en la caja de fusibles para hacer el mantenimiento más sencillo.

En los sitios donde una gran cantidad de energía necesita ser conmutada, los relés suelen ponerse en cascada. En este caso, relés pequeños son los encargados de conmutar la energía necesaria para activar un relé mucho mayor, y ese segundo relé conmuta la energía para conducir la carga eléctrica.