Act 4: Lección Evaluativa No. 1 MICROELECTRONICA La Microelectrónica y el siglo XX Las técnicas de integración de circuitos se beneficiaron de los avances tecnológicos. Los procesos de implantación iónica y litografía permitieron realizar líneas de conexión en la oblea de silicio con anchuras del orden de micras. Además, el avance en las tecnologías de integración introdujeron los circuitos PMOS y CMOS, con unas características de tiempos de propagación y potencia consumida cada vez mejores. La eficiencia, velocidad y producción han mejorado continuamente en los transistores de unión y efecto de campo, a la vez que el tamaño y el costo se ha reducido considerablemente. En poco tiempo, se pasó de construir elementos discretos a sistemas integrados con más de un millón de transistores en una sola pastilla. La evolución ha sido espectacular: así, en 1951 se fabricaron los primeros transistores discretos, en 1960 se construyeron los primeros circuitos monolíticos con 100 componentes, en 1966 estos circuitos alcanzaron 1000 componentes, en 1969 se llegó a 10000, y actualmente se están fabricando circuitos integrados con varios millones de transistores.   Este tipo de preguntas consta de un enunciado, problema o contexto a partir del cual se plantean cuatro opciones numeradas de 1 a 4, el estudiante debe seleccionar la combinación de dos más opciones que responda adecuadamente a la pregunta y marcarla en la hoja de respuesta, de acuerdo con la siguiente información:El avance en las tecnologías de integración introdujeron los circuitos PMOS y CMOS, dos de sus principales características son:1. Menor consumo de potencia2. Menor velocidad3. Mejor tiempo de propagación4. Menos eficientes | Su respuesta : 1 y 3 son correctas Correcto!! Faster, cheaper Una consecuencia no detectada desde el principio, pero relacionada íntimamente con los procesos físicos que ocurrían en el transistor, fue que la miniaturización implicaba un aumento de velocidad del procesamiento. En la medida que las distancias a recorrer dentro del silicio por los lentos portadores de carga eran cada vez menores, los transistores podían trabajar cada vez a mayor velocidad. En el Cuadro 2 se presenta la historia de los procesadores de Intel y alguna especulación acerca del futuro.   Cuadro: Evolución de los chips de Intel en sus diversas características] chip | lanzamiento | precio | transistores | MIPS | 4004 | 11/71 | 200 | 2,3 K | 0.06 | 8008 | 4/72 | 300 | 3,5 K | 0.06 | 8080 | 4/74 | 300 | 6 K | 0.6 | 8086 | 6/78 | 360 | 29 K | 0.3 | 8088 | 6/79 | 360 | 29 K | 0.3 | 286 | 2/82 | 360 | 134 K | 0.9 | 386 | 10/85 | 299 | 275 K | 5 | 486 | 4/89 | 950 | 1,2 M | 20 | Pentium | 3/93 | 878 | 3,1 M | 100 | Pentium pro | 5/95 | 974 | 5,5 M | 300 |

786 ? | 1997 | 1000 | 8 M | 500 | 886 ? | 2000 | 1000 | 15 M | 1.000 | 1286 ? | 2011 | ? | 1 G | 100.000 |

De acuerdo a la anterior información podemos afirmar sobre las características de evolución de los circuitos integrados que: | Su respuesta : Entre más pequeños más rápidos Eso es correcto!! adelante Fabricación de BJT Y FET El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET, como todos los transistores, pueden plantearse como resistencias controladas por voltaje. La mayoría de los FET están hechos usando las técnicas de procesado de semiconductores habituales, empleando la oblea monocristalina semiconductora como la región activa o canal. La región activa de los TFTs (thin-film transistores, o transistores de película fina), por otra parte, es una película que se deposita sobre un sustrato (usualmente vidrio, puesto que la principal aplicación de los TFTs es como pantallas de cristal líquido o LCDs). Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET). Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es el terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente. El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos. De acuerdo a la lectura anterior, seleccione la respuesta correcta: | Su respuesta :El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.Correcto! | ------------------------------------------------- Principio del formulario Configuraciones de amplificadores operacionales

Comparador

Esta es una aplicación sin la realimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos. Seguidor Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada

Inversor

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados. El voltaje de salida está dado por: Vout = -Vin ( Rf/Rin ) En un amplificador inversor, si queremos tener una ganancia de 50, los valores adecuados de Rf y Rin son respectivamente: | Su respuesta : Rf=100 y Rin=2 Correcto!! la ganancia es Rf/Rin Proceso de diseño En todos estos los pasos de diseño de circuitos integrados podemos distinguir dos tipos de acciones: crear zonas de difusión y de well, que alterará la composición interna de la oblea; y la deposición de material sobre la oblea. La primera acción se puede conseguir a través de dos proceso diferentes: difusión e implantación iónica. • El proceso de difusión consiste en depositar sobre la oblea un material desde el cual obtener las impurezas deseadas y calentarla oblea a una temperatura elevada. De esta forma, los espacios intersticiales del semiconductor aumentan, y así las impurezas pueden ocupar estos espacios. • El proceso de implantación iónica consiste en bombardear la oblea con las impurezas que se quieren difundir. Dicha difusión sólo se producirá en las zonas que no se encuentren protegidas por una máscara de material. En cuanto a la segunda acción, el proceso más utilizado es la fotolitografía. Dicha técnica consiste en depositar por todo el circuito una capa de material en cuestión (polisilicio o metal, también se utiliza con el óxido para separar las diferentes capas, pero dicho proceso es transparente para el diseñador, la única acción del diseñador en esta capa son los contactos en los que no debe haber dicha capa de óxido), y encima de ella una máscara fotorresistiva, la cual evitará la pérdida del material que se encuentre bajo ella. Después de haber eliminado el material sobrante del circuito, se elimina la máscara dejando el circuito preparado para una nueva capa. Por lo tanto, para cualquiera de los procesos anteriores, es necesario conocer y verificar una serie de características geométricas como son el tamaño del material depositado sobre el circuito. Dichas características son denominadas reglas de diseño, y gracias a ellas se asegura que los dispositivos descritos en el layout estarán en el circuito físico. Si algunas de estas reglas son violadas no se asegura la correcta creación del circuito electrónico. El proceso de implantación iónica consiste en depositar sobre la oblea un material desde el cual obtener las impurezas deseadas y calentarla oblea a una temperatura elevada. | Su respuesta : Falso Correcto

Compuerta NOR CMOS Una compuerta NOR CMOS se forma agregando un P-MOSFET en serie y un N-MOSFET en paralelo al inversor básico Figura abajo. Una vez más este circuito se puede analizar entendiendo que un estado BAJO en cualquier

entrada enciende P-MOSFET (QP1 y QP2 entran a conducción) y apaga el N-MOSFET (QN1 y QN2 entran a corte) correspondiente. La salida pasa a alto (1) a través de QP1 y QP2. Las entradas en un estado ALTO, hacen que los transistores QP1 y QP2 entren en corte y ambos transistores QN1 y QN2 en conducción (la salida pasa a bajo (0) a través de QN1 y QN2). En las parejas de transistores ya sean de canal n ó de canal p, si cualquier entrada es baja, uno de los transistores entra a corte y otro a conducción. La salida pasa a bajo (0) acoplándose a través de transistores en conducción a tierra.

Para obtener un alto a la salida, los valores de A y B deben ser respectivamente: | Su respuesta : A=0 y B=0 Correcto Diagramas de tiempos, retardos Al llegar una señal a la entrada de una puerta lógica, la respuesta a dicha señal no aparece instantáneamente en la salida, sino que existe un cierto tiempo de retardo; este tiempo es diferente según la transición de estado de la puerta sea de 0 a 1 o de 1 a 0: * Retraso de propagación de bajo a alto, tPLH * Retraso de propagación de alto a bajo, tPHL .- tiempo transcurrido desde que la señal de entrada sube (pasa por el 50%) hasta que la señal de salida baja (pasa por el 50%)..- tiempo transcurrido desde que la señal de entrada baja (pasa por el 50%) hasta que la señal de salida sube (pasa por el 50%). El hecho de subida y bajada se debe a que las principales familias son negativas, es decir, la salida que obtenemos es el valor negado de dicha función. * Retraso de propagación * Tiempo de transición de bajo a alto, tTLH. * Tiempo de transición de alto a bajo, tTHL .- tiempo transcurrido desde que la señal empieza a bajar (pasa por el 90%) hasta que llega a un nivel bajo (pasa por el 10%).- tiempo transcurrido desde que la señal empieza a subir (pasa por el 10%) hasta que llega a un nivel alto (pasa por el 90%)..- valor medio de tPLH y tPHL. Es decir, se considera que una transición se ha completado cuando pasamos de los umbrales del 10% y el 90%. Este hecho es debido a que la forma de onda a partir de esos valores cambia, pudiendo no llegar nunca a los valores del 0% o al 100%. El tiempo transcurrido desde que la señal empieza a subir (pasa por el 10%) hasta que llega a un nivel alto (pasa por el 90%) es llamado: | Su respuesta : Tiempo de transición de bajo a alto, tTLH Correcto El flip-flop D Está compuesto por dos compuertas NAND encargadas de enviar la señal de habilitación a las compuertas OR (al igual que el flip- flop SR se puede construir con otras compuertas lógicas). La salida de una compuerta OR se transforma en la entrada de la otra (retroalimentación). Se puede observar la similitud con el flip- flop SR, solamente difieren en una entrada de habilitación y en que la entrada de Reset es igual a la de Set negada. Diagrama lógico del FF D:   

De acuerdo a la tabla mostrada para el Flip Flop D, la salida Q se pone en alto sólo cuando la entrada D=1 y ocurre un flanco de reloj. | Su respuesta : Verdadero Correcto FPGAs Las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) contienen bloques lógicos relativamente independientes entre sí, con una complejidad similar a un PLD de tamaño medio. Estos bloques lógicos pueden interconectarse, mediante conexiones programables, para formar circuitos mayores. Existen FPGAs que utilizan pocos bloques grandes (Pluslogic, Altera y AMD) y otras que utilizan muchos bloques pequeños (Xilinx, AT&T, Plessey, Actel). A diferencia de los PLDs, no utilizan arquitectura de matriz de puertas AND seguida de la matriz de puertas OR y necesitan un proceso adicional de ruteado del que se encarga un software especializado. La primera FPGA la introdujo Xilinx en el año 1985. La programación de las FPGAs de Xilinx basadas en RAM estática es diferente a la programación de los PLDs. Cada vez que se aplica la tensión de alimentación, se reprograma con la información que lee desde una PROM de configuración externa a la FPGA. Una FPGA basada en SRAM (RAM estática) admite un número ilimitado de reprogramaciones sin necesidad de borrados previos. En general la complejidad de una FPGA es muy superior a la de un PLD. Los PLD tienen entre 100 y 2000 puertas, las FPGAs tienen desde 1200 a 20.000 puertas y la tendencia es hacia un rápido incremento en la densidad de puertas. El número de flip-flops de las FPGA generalmente supera al de los PLD. Sin embargo, la capacidad de la FPGA para realizar lógica con las entradas suele ser inferior a la de los PLD. Por ello: "los diseños que precisan lógica realizada con muchas patillas de entrada y con pocos flip-flops, pueden realizarse fácilmente en unos pocos PLDs, mientras que en los diseños en los que intervienen muchos registros y no se necesita generar combinaciones con un elevado número de entradas, las FPGAs pueden ser la solución óptima".

Este tipo de preguntas consta de un enunciado, problema o contexto a partir del cual se plantean cuatro opciones numeradas de 1 a 4, el estudiante debe seleccionar la combinación de dos más opciones que responda adecuadamente a la pregunta y marcarla en la hoja de respuesta, de acuerdo con la siguiente información:Dos de las diferencias entre un PLD y FPGA son:1.El número de flip-flops de las PLD generalmente supera al de los FPGA2.Los FPGA tienen mayor número de compuertas que los PLD3.Los PLD tienen mayor número de compuertas que los FPGA4.El número de flip-flops de las FPGA generalmente supera al de los PLD | Su respuesta : 2 y 4 son correctas Correcto Consumo de corriente en los PLDs En la fabricación de PLDs se utiliza tecnología bipolar TTL o ECL y tecnología CMOS. Los dispositivos bipolares son más rápidos y consumen más que los dispositivos CMOS. Actualmente los PLDs bipolares presentan retardos de propagación inferiores a 7 nsg y los consumos típicos rondan los 100-200 mA para un chip con 20-24

patillas. Mientras los PLDs bipolares sólo pueden programarse una vez, la mayoría de los PLDs CMOS son reprogramables y permiten una fácil verificación por parte del usuario. A los PLDs CMOS borrables por radiación ultravioleta se les denomina EPLD y a los borrables eléctricamente se les conoce por EEPLD. Los EEPLD con encapsulados de plástico son más baratos que los EPLD provistos de ventanas de cuarzo que obligan a utilizar encapsulados cerámicos. También existen las PALCE16V8Q (Quarter Power Icc = 55 mA) y las PALCE16V8Z (Zero Power) con un bajísimo consumo estático de potencia. Acostumbrados a trabajar con dispositivos CMOS con un consumo prácticamente nulo a frecuencia cero, resulta sorprendente una PAL CMOS con un consumo de 90 mA a la máxima frecuencia de operación (15 Mhz), pero que todavía tendrá un consumo apreciable a frecuencia cero. En la actualidad, solamente una pequeña fracción de los PLDs del mercado se anuncian como Zero Power. Mientras los PLDs CMOS sólo pueden programarse una vez, la mayoría de los PLDs bipolares son reprogramables y permiten una fácil verificación por parte del usuario. | Su respuesta : Falso Correcto