tema-1 circuitos digitales
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electrónica digitalTRANSCRIPT
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Tema 1. Circuitos digitales Electrnica Industrial
Andrs Iborra Garca
Departamento de Tecnologa Electrnica Sep?embre 2012
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ndice
Electrnica Industrial 2
ndi
ce
1. Circuitos digitales combinacionales. 1.1. Seales analgicas y digitales.
1.2. Seales digitales.
1.3. Disposi?vos lgicos combinacionales.
1.4. Circuitos integrados.
1.5. lgebra de Boole.
1.6. Diseo de circuitos combinacionales.
2. Circuitos digitales secuenciales 2.1 Flip-Flops y Latches.
2.2 Flip-ops ac?vados por anco.
2.3 Aplicaciones de los Flip-Flops.
3. Tecnologas TTL y CMOS 3.1 Familias Lgicas.
3.2 Parmetros caracters?cos.
3.3 Hojas de datos de los fabricantes de CI.
3.4 Conec?vidad entre CI de diferentes familias.
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ndice
Electrnica Industrial 3
ndi
ce
4. Circuitos integrados MSI. 4.1 Niveles de integracin de los CI digitales.
4.2 Operaciones aritm?cas.
4.3 Comparadores.
4.4 Codicadores.
4.5 Decodicadores.
4.6 Mul?plexores.
4.7 Demul?plexores.
5. Diseo de Sistemas Digitales con Circuitos Integrados LSI y MSI 5.1 Habilitacin de puertos de E/S.
5.2 Sistema de recuento de votos.
5.3 Display digital.
5.4 Teclado digital.
5.5 Display mul?plexado.
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Circuitos Digitales Combinacionales
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Interruptores Pulsadores Potencimetros LDRs Fotoclulas Encoders
Galgas extensom Termopares Acelermetros MEMs
SENSORES Solenoides, rels, piezoelctricos Motores de con?nua Motores paso a paso Servomotores Disposi?vos hidrulicos y neum?cos.
ACTUADORES
C. discretos Amplicadores
Filtros A/D
ACONDICIONADORES DE SEALES DE
ENTRADA E INTERFACES
Combinacionales Secuenciales P C
SoC Comunicaciones Algoritmos Socware
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL
D/A Amplicadores PWM
Transistores
ACONDICIONADORES DE SEALES DE SALIDA
E INTERFACES LEDs Displays LCD
CRT TFT
VISUALIZADORES
Sistemas mecnico
Circuitos Digitales Combinacionales
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Circuitos Digitales Combinacionales
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Seales analgicas y digitales En contraste con una seal analgica, en una seal digital solo existen niveles o
estados especcos y cambia su nivel en pasos discretos.
Seal Analgica
Seal Digital
En electrnica digital las seales sern de tensin. VH, H: Tensin o nivel alto; VL, L: Tensin o nivel bajo
H
L
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Seales digitales. Niveles de tensin
Voltajes tpicos TTL CMOS*
VHmax 5V 5V
VHmin 2V 3,5V
Zona incertidumbre
VLmax 0,8V 1V
VLmin 0V 0V
* Aunque los disposi?vos CMOS se pueden alimentar entre 3 y 18V, en este curso solo consideraremos la tensin de 5V para alimentar este ?po de disposi?vos.
VHmax
VHmin
VLmax
VLmin
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Seales digitales. Aspecto real.
Amplitud
Sobreimpulso o sobreoscilacin
Rizado
tw
Rizado
Subimpulso Tiempo de subida Tiempo de caida
Ancho del impulso
tr tf
90%
10%
50%
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Disposi?vos lgicos combinacionales Los disposi?vos lgicos combinacionales son disposi?vos digitales que convierten entradas binarias en salidas binarias en base en las reglas del lgebra de Boole. Los disposi?vos ms sencillos son las Puertas Lgicas.
A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
A S 0 1 1 0
A S 0 0 1 1
A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1
AND OR NOT BUFFER
NAND NOR XOR XNOR
Puertas bsicas
Puertas compuestas
Mejora el fan-out S=A.B S=A+B S=A
S=(A.B) S=(A+B) S=A.B+A.B S=A.B+A.B
S=A
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Circuitos Integrados. Empaquetado.
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
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Electrnica Industrial 10
Circuitos Integrados. Familias lgicas. Existen una gran variedad de familias de circuitos integrados dependiendo de sus
caracters?cas tecnolgicas de fabricacin. Las ms u?lizadas son:
TTL. Lgica Transistor-Transistor. CMOS. Semiconductores complementarios de xido metlico. ECL. Lgica de emisor acoplado.
Atencin! Los niveles lgicos varan dependiendo del ?po de familia.
Un diseador debe tener cuidado cuando mezcle diferentes ?pos de circuitos integrados digitales porque pueden tener caracters?cas incompa?bles (niveles de
tensin de entrada-salida, fan-out, corrientes, etc.)
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Circuitos Integrados. Ejemplos
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Circuitos Integrados. Fabricacin.
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lgebra de Boole. El lgebra de Boole se u?liza para el anlisis y sntesis de circuitos digitales.
Estados posibles.
Lgica posi?va: 0: Nivel de tensin bajo (LOW, L) 1: Nivel de tensin allto (HIGH, H)
Lgica nega?va: 1: Nivel de tensin bajo 0: Nivel de tensin alto
Las seales en los sistemas digitales se representan mediante caracteres alfab?cos A, B, X o una combinacin de letras y nmeros A1, A2, A3... y se corresponden con variables booleanas.
Pueden tomar dos valores (0 1). Se corresponden con seales de entrada, de salida o intermedias.
Seales elctricas y Variables Booleanas.
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lgebra de Boole. Axiomas.
(A1) X=0 si X1 (A1) X=1 si X0 OJO!!! Se cumple el principio de dualidad
Abstraccin digital.
Se postulan 5 pares de axiomas:
(A2) Si X=0 entonces X=1 (A2) Si X=1 entonces X=0 OJO!!! Se cumple el principio de dualidad
Funcin inversora.
(A3) 0.0 = 0 (A3) 1+1 = 1 (A4) 1.1 = 1 (A4) 0+0 = 0 (A5) 0.1 = 1.0 = 0 (A5) 1+0 = 0+1 = 1
Denicin formal de las operaciones bsicas.
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lgebra de Boole. Teoremas (I).
A+B = B+A A.B = B.A
Propiedad Conmuta?va.
OR AND NOT A+0 = A A.0 = 0 A=A A+1 = 1 A.1 = A A+A = A A.A = A A+A= 1 A.A= 0
Teoremas fundamentales.
(A+B)+C = A+(B+C) (A.B).C = A.(B.C)
Propiedad Asocia?va.
A.(B+C )= (A.B)+(A.C) A+(B.C) = (A+B).(A+C)
Propiedad Distribu?va.
Los teoremas se pueden demostrar por Induccin Perfecta o Teora de Conjuntos
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lgebra de Boole. Teoremas (II).
Teoremas de De Morgan.
A+(A.B)=A A.(A+B)=A A+(A.B)=A+B (A+B).(A+B)=A (A+B).(A+C)=A+(B.C) A+B+(A.B)=A+B (A.B)+(B.C)+(B.C)=(A.B)+C (A.B)+(A.C)+(B.C)=(A.B)+(B.C)
Otros Teoremas.
(A.B) = A+B (A . B) A+B A
B
A
B 2 Teorema
(A+B) = A.B
(A + B) A. B A
B
A
B
1er Teorema
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Diseo de circuitos combinacionales. Los circuitos combinacionales se caracterizan porque las salidas solo dependen del
estado actual de las entradas. Son circuitos que no almacenan ningn ?po de informacin y se pueden construir u?lizando exclusivamente puertas lgicas.
Circuito para conver?r nmeros binarios de 3 bits a cdigo Gray
Ejemplo
Conver?dor Binario / Cdigo
Gray
A B C
X Y Z
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Denir el problema con
palabras
Iden?car entradas y salidas
Obtener la tabla de verdad
Obtener forma cannica
Obtener 1 o 2 Forma cannica
Minimizar funcin lgica
Diagramas de Karnough
Obtener esquema lgico
Diseo. Flujo de trabajo
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Diseo. Tabla de verdad
Conver?dor Binario / Cdigo
Gray
A B C
X Y Z
A B C X Y Z
0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 1
0 1 0 0 1 1
0 1 1 0 1 0
1 0 0 1 1 0
1 0 1 1 1 1
1 1 0 1 0 1
1 1 1 1 0 0
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Circuitos Digitales Combinacionales
Electrnica Industrial 20
Diseo. Mapas de Karnaugh (I)
A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
S A
0 1
B 0 0 1
1 1 0
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1
S BC
00 01 11 10
A 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0
A B C D S 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1
S CD
00 01 11 10
AB 00 0 1 0 0 01 1 0 1 0 11 0 1 1 0 10 0 0 0 0
El mtodo de Karnaugh es un procedimiento grco de minimizacin de circuitos lgicos combinacionales. Se basa en representar la informacin de la tabla de verdad sobre los mapas de Karnaugh y luego aplicar un conjunto de reglas de agrupamiento.
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Circuitos Digitales Combinacionales
Electrnica Industrial 21
S BC 00 01 11 10
A 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0
S BC 00 01 11 10
A 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0
Diseo. Mapas de Karnaugh (II) Fundamento del Mtodo.
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1
S BC 00 01 11 10
A 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1
A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1
Solo son posibles agrupamientos de 2n elementos. 1, 2, 4, 8, 16, 32
S=ABC+ABC=AC(B+B)=AC S=ABC+ABC=BC(A+A)=BC S=C
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Electrnica Industrial 22
Diseo. Mapas de Karnaugh (III) Agrupamientos permi?dos.
AB
00 01 11 10
CD 00 0 1 1 0 01 0 0 0 0 11 1 1 0 1 10 0 0 0 1
AB
00 01 11 10
CD 00 1 1 1 1 01 0 0 0 0 11 0 0 1 1 10 0 0 1 1
BCD
ACD ABC
S=ACD+BCD+ABC
CD
AC
S=CD+AC
AB
00 01 11 10
CD 00 0 0 1 0 01 1 0 0 1 11 0 0 0 0 10 1 0 1 1
AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 1 1 01 0 0 1 0 11 0 0 1 0 10 1 0 1 1
ABD
BCD
BCD
S=ABD+BCD+BCD
AB
BD
S=AB+BD
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Diseo. Mapas de Karnaugh (IV) Agrupamientos permi?dos.
S AB
00 01 11 10
CD 00 0 0 0 0 01 1 1 1 1 11 1 1 1 1 10 0 0 0 0
S AB
00 01 11 10
CD 00 0 1 1 0 01 0 0 1 1 11 0 0 1 1 10 1 0 0 0
D
S=D
BCD
AD
S=BCD+AD+ABCD
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 1 01 1 0 0 1 11 1 0 0 1 10 1 0 0 1
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 1 1 1 01 1 1 1 1 11 1 1 1 1 10 1 1 1 1
B
S=B
AB
BD
S=1
ABCD
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Diseo. Mapas de Karnaugh (V) Agrupamientos no permi?dos.
No se permiten agrupamientos en L, ni diagonales
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 1 0 01 1 0 1 0 11 0 1 0 0 10 0 1 1 1
S AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 0 01 0 1 0 0 11 0 0 1 0 10 0 0 0 1
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Circuitos Digitales Combinacionales
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Diseo. Mapas de Karnaugh (VI) Agrupamientos alterna?vos.
Para un mismo mapa, la solucin no ?ene por qu ser nica.
AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 0 01 1 1 1 1 11 0 0 1 0 10 0 0 1 1
CD
ABC
ACD S=ABC+CD+ABD+ACD
ABD
AB
00 01 11 10
CD 00 1 0 0 0 01 1 1 1 1 11 0 0 1 0 10 0 0 1 1
CD
ABC
ACD S=ABC+CD+ABC+ACD
ABC
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Circuitos Digitales Combinacionales
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Diseo. Mapas de Karnaugh (VII) Sistema?zacin del mtodo.
1) Representar en un mapa de Karnough la funcin lgica o tabla de verdad que se dese
minimizar. 2) Se agruparan los 1 siguiendo las reglas que a con?nuacin se citan:
Debern construirse primero los grupos de celdas ms grandes; cada uno deber contener 2n elementos.
Debern agregarse grupos cada vez ms pequeos, hasta que cada celda que
contenga un 1 se haya incluido por lo menos una vez. Debern eliminarse los grupos redundantes (aun cuando se trate de grupos
grandes) para evitar la duplicacin.
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Diseo. Ejemplo
Conver?dor Binario / Cdigo
Gray
A B C
X Y Z
A B C X Y Z 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0
X AB
00 01 11 10
C 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1
Y AB
00 01 11 10
C 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1
Z AB
00 01 11 10
C 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1
X=A X=AB+AB=A + B X=BC+BC=B + C
A
B
C
X
Y
Z
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Circuitos Digitales Combinacionales
Electrnica Industrial 28
Diseo. Condiciones indiferentes Disear un circuito que tome un nmero BCD y produzca una sola salida Y que est ac?va si la entrada es: 1, 2, 5, 6 9
Decimal A B C D S 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 0 0 1 0 1 3 0 0 1 1 0 4 0 1 0 0 0 5 0 1 0 1 1 6 0 1 1 0 1 7 0 1 1 1 0 8 1 0 0 0 0 9 1 0 0 1 1 10 1 0 1 0 X 11 1 0 1 1 X 12 1 1 0 0 X 13 1 1 0 1 X 14 1 1 1 0 X 15 1 1 1 1 X
S AB
00 01 11 10
CD 00 0 0 X 0 01 1 1 X 1 11 0 0 X X 10 1 1 X X
S=CD+CD=C + D
A
C
D
B
S
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Circuitos Digitales Combinacionales
Electrnica Industrial 29
Diseo propuesto En un barco el piloto autom?co controla la navegacin e indica mediante cuatro seales N, S, E y O que rumbo lleva. Disear el menor circuito que decodique el rumbo sobre un display de 7-segmentos, segn el siguiente criterio: Si sigue rumbo norte, se ac?va el segmento a; si sur, el d. Si sigue rumbo este, se ac?van los segmentos b y c; si oeste, se ac?van e y f. Si sigue rumbo noreste se ac?van a y b; si noreste, a y f. Si sigue rumbo sureste se ac?van c y d; si suroeste, d y e.
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 30
Interruptores Pulsadores Potencimetros LDRs Fotoclulas Encoders
Galgas extensom Termopares Acelermetros MEMs
SENSORES Solenoides, rels, piezoelctricos Motores de con?nua Motores paso a paso Servomotores Disposi?vos hidrulicos y neum?cos.
ACTUADORES
C. discretos Amplicadores
Filtros A/D
ACONDICIONADORES DE SEALES DE
ENTRADA E INTERFACES
Combinacionales Secuenciales P C
SoC Comunicaciones Algoritmos Socware
SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL
D/A Amplicadores PWM
Transistores
ACONDICIONADORES DE SEALES DE SALIDA
E INTERFACES LEDs Displays LCD
CRT TFT
VISUALIZADORES
Sistemas mecnico
Circuitos digitales Secuenciales
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 31
Circuitos digitales secuenciales. Los circuitos secuenciales se caracterizan porque las salidas estn determinadas no slo por las entradas existentes sino tambin por la secuencia de entradas que condujeron al estado existente. ==> El circuito ?ene MEMORIA.
Circuito combinacional
E1 En
Entradas S1 Sn
Salidas
Memoria (Estado)
Se pueden clasicar en SNCRONOS y ASNCRONOS
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 32
Flip-Flops. Los ip-ops son los elementos ms sencillos para almacenar informacin. Se caracterizan porque ?enen dos y slo dos estados posibles de salida. Al ser dichos estados
ESTABLES se conocen tambin como biestables. Dentro de los diferentes ?pos de ip-ops existentes, los ms usados son los Latches y los Flip-
Flops ac?vados por anco
Q S
R Q
Q
Q R
S
Q
Q S
R
Latches
Flip-Flops ac?vados por anco
Q S
R Q
CK Q
Q R
S CK
Q
Q S
R
CK
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 33
Latches. Los latches (cerrojos) son los biestables ms sencillos ya que no precisan seal de reloj para su ac?vacin. Se u?lizan poco (circuitos asncronos).
Q S
R Q
Q
Q R
S
Q
Q S
R
Latch SR
S R Qn Qn Estado 0 0 Qn-1 Qn-1 Sin cambio 0 1 0 1 RESET 1 0 1 0 SET 1 1 0 0 Estado Ambiguo
S R Qn Qn Estado 0 0 1 1 Estado Ambiguo 0 1 1 0 SET 1 0 0 1 RESET 1 1 Qn-1 Qn-1 Sin Cambio
R
S
Q Q
Q Q
S
R
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 34
Flip-Flops ac?vados por anco (I). En los ip-ops la seal de reloj (CK) sincroniza todos los cambios de los estados de salida del disposi?vo. Esto permite el diseo de circuitos complejos (P y C), donde todos los cambios se disparan o ac?van con una seal de reloj comn. Flip-Flops SR S R CK Qn Qn
0 0 Qn-1 Qn-1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 NA X X 0, 1, Qn-1 Qn-1
Q S
R Q
CK
R
S
CK
Q
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 35
Flip-Flops ac?vados por anco (II).
Flip-Flops ?po D
D CK Qn Qn 0 0 1 1 1 0 X 0, 1, Qn-1 Qn-1
Q D
Q
CK
Q S
R Q
CK CK D Q
Q
R
CK
Q
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 36
Flip-Flops ac?vados por anco (III). Flip-Flops ?po JK
Q J
K Q
CK
J K CK Qn Qn 0 0 Qn-1 Qn-1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 Qn-1 Qn-1 X X 0, 1, Qn-1 Qn-1
J
K
CK
Q
Q S
R Q
CK CK J Q
Q K
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 37
Flip-Flops ac?vados por anco (IV).
Flip-Flops ?po T
Q T
Q
CK
T CK Qn Qn 0 Qn-1 Qn-1 1 Qn-1 Qn-1 X 0, 1, Qn-1 Qn-1
Q J
K Q
CK CK T Q
Q
T
CK
Q
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 38
Flip-Flops ac?vados por anco (V). Entradas de control asncronas
Se u?lizan para poner la salida de un ip-op a 0 o a 1 en cualquier momento. Reciben diferentes denominaciones (PRESET, CLEAR, DC SET, DC CLEAR, SET, RESET, DIRECT SET, DIRECT CLEAR).
Q J
K Q
CK
Preset
Clear
J
K
CK
Preset
Clear
Q
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 39
Aplicaciones de los Flip-Flops (I). Eliminacin de rebotes (deboucing) en interruptores
Se u?lizan para poner la salida de un ip-op a 0 o a 1 en cualquier momento. Reciben diferentes denominaciones (PRESET, CLEAR, DC SET, DC CLEAR, SET, RESET, DIRECT SET, DIRECT CLEAR).
Q
Q
S
R
Interruptor SPDT (1 polo, 2 direcciones)
Interruptor SPST (1 polo, 1 direccin)
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 40
Aplicaciones de los Flip-Flops (II). Registros de datos Los FF se pueden poner en cascada para construir registros de datos de tantos bits como se quiera. Conguraciones picas son de 4, 8, 16, 32, 64 o 128 bits. Se suelen u?lizar en los microprocesadores para retener datos para clculos aritm?cos. Los Registros son ms caros que los dispositivos de memoria de las CPU pero mucho ms rpidos.
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 41
Aplicaciones de los Flip-Flops (III). Registros de desplazamiento Los registros de desplazamiento se suelen u?lizar para implementar conver?dores paralelo serie-serie paralelo con objeto de comunicar disposi?vos (USB, Fireware, HD Serial ATA, etc.).
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 42
Aplicaciones de los Flip-Flops (IV). Contadores asncronos
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Circuitos Digitales Secuenciales
Electrnica Industrial 43
Aplicaciones de los Flip-Flops (V). Contadores sncronos
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 44
Familias Lgicas Una familia lgica es una coleccin de Circuitos Integrados que ?enen caracters?cas
elctricas similares en cuanto a sus entradas, salidas y circuitera interna. Las familias ms usuales son la CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Eect Transistor), TTL (Transistor Transistor Logic) y ECL (Emier Coupled Logic).
El diseo lgico de un circuito digital es independiente de la tecnologa usada, sin embargo para la realizacin sica de los circuitos si se debe tener en cuenta. En concreto, hay que considerar los siguientes factores:
-Mrgenes de ruido -Entorno de trabajo del circuito -Fan-out -Necesidad de: -Velocidad -Salidas en colector abierto -Consumo -Salidas Tri-State -Alimentacin disponible
Los chips de una misma familia lgica se pueden interconectar directamente
Los chips de familias lgicas diferentes no ?enen porque ser compa?bles
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 45
Familias Lgicas. Tecnologa CMOS
La lgica CMOS u?liza pares complementarios MOSFET (NMOS y PMOS) como elemento bsico.
Inversor CMOS
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 46
Familias Lgicas. Tecnologa TTL
La lgica TTL u?liza transistores bipolares como elementos bsicos
Inversor TTL
-
Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 47
Parmetros caracters?cos (I)
TTL => 5V CMOS => 5V, 3.3V y 2.7V
Tensin de alimentacin
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 48
Parmetros carcters?cos (II) VCC VCC
ICCL ICCH
Si el ciclo de trabajo es el 50% => ICC = (ICCH +ICCL)/2 => PD=VCC.ICC La disipacin de potencia en un circuito TTL se puede considerar constante dentro de su rango de frecuencias de operacin. En CMOS la disipacin de potencia depende de la frecuencia. En condiciones est?cas es extremadamente baja y aumenta cuando aumenta la frecuencia.
Los CMOS presentan baja disipacin estNca y una signicaNva disipacin dinmica.
Por ejemplo: TTL Schokly => 2,2 mW (siempre). HCMOS => 2,75 W (DC) y 170 W (100 KHz).
Potencia consumida
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 49
Parmetros carcters?cos (III)
5V.
2V.
0.8V. 0V.
Entrada TTL
1 lgico
No permitido
0 lgico V IL(max) V IL(min)
V IH(max)
V IH(min)
Salida TTL
1 lgico
No permitido
0 lgico V OL(max) V OL(min)
V OH(max)
V OH(min)
5V.
2.7V.
0.5V. 0V.
5V.
3.5V.
1.5V.
0V.
Entrada CMOS
1 lgico
No permitido
0 lgico V IL(max)
V IL(min)
V IH(max)
V IH(min)
V OH(max) Salida CMOS
1 lgico
No permitido
0 lgico V OL(max) V OL(min)
V OH(min) 5V.
4.95V.
0.05V. 0V.
Niveles de entrada y salida CMOS y TTL
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 50
Parmetros carcters?cos (IV)
5V.
2V.
0.8V. 0V.
Entrada TTL
1 lgico
No permitido
0 lgico V IL(max) V IL(min)
V IH(max)
V IH(min)
Salida TTL
1 lgico
No permitido
0 lgico V OL(max) V OL(min)
V OH(max)
V OH(min)
5V
2.7V
0.5V 0V
Mrgenes de ruido
VNH = V OH(min) V IH(min) VNL = V IL(max) V OL(max)
VNH
VNL
VIHmin
VH VH
Seal real que incluye una componente de ruido
Picos de ruido fuera de los lmites permitidos
Glitch debido al ruido
Inmunidad al ruido
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 51
Parmetros carcters?cos (V)
Una puerta excitadora TTL (fuente) entrega corriente a las entradas de las puertas de carga en el estado ALTO (IIH) y absorbe corriente de las puertas de carga en el estado BAJO (IIL).
Cuantas ms puertas de carga se conectan a la fuente, mayor es la carga de la misma. La corriente que suministra la fuente aumenta con cada puerta de carga que se aade. Al aumentar esta corriente, la cada de tensin interna de la puerta excitadora aumenta., haciendo que la tensin de salida VOH disminuya. Si se conecta un nmero excesivo de puertas de carga, la tensin VOH cae por debajo de su valor mnimo V OH(min)
Capacidad de carga de una puerta TTL cuando la salida est nivel ALTO
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 52
Parmetros carcters?cos (VI)
Una puerta excitadora TTL (sumidero) absorbe corriente de las puertas de carga en el estado BAJO (IIL).
La corriente de sumidero tambin aumenta con cada entrada de carga que se aade. Al aumentar esta corriente, la cada de tensin interna de la puerta excitadora aumenta, haciendo que VOL aumente. Si se conecta un nmero excesivo de puertas de carga, la tensin VOL se har mayor que VOL(max)
V OL I IL(1)
I IL(2)
I IL(n)
+ 5 V.
+ 5 V.
+ 5 V.
Capacidad de caga de una puerta TTL cuando su salida est a nivel BAJO
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 53
Parmetros Carcters?cos (VII)
Existe un lmite para el nmero de entradas de carga que una puerta puede excitar. Este lmite se denomina fan-out de la puerta. El fan-out para las puertas TTL standard es de 10 entradas y hasta 40 para TTL Schoky.
Fan-out
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 54
Parmetros carcters?cos (VIII) Comportamiento dinmico de las puertas CMOS
Fuente: Wakerly, John F. Diseo digital : principios y prc?cas / John F. Wakerly. -- 3 ed. Pearson Educacin, 2001
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 55
Hojas de datos de los fabricantes de CI
Familia Caractersticas
74 Es la ms antigua, fue introducida por Silvana en 1963 y popularizada por Texas Instruments.
74H 74L
High Speed TTL Low Power TTL Tienen la misma estructura pero cambian los valores de los resistores
El desarrollo de los transistores Schottky y su introduccin en los aos 70 en la familia TTL hizo obsoletas las familias 74, 74H, 74L
74S Schottky TTL Es la primera familia que utiliza transistores Schottky Mejora mucho la velocidad de la serie 74 pero con mucho ms consumo.
74LS Low power Schottky TTL Es la TTL ms utilizada y la menos costosa Iguala la velocidad de la serie 74 TTL pero consume una quinta parte.
74AS Advanced Shottky TTL Ofrece el doble de velocidad que la 74S con la mitad de consumo
74ALS Advanced Low Power Schottky TTL Ofrece velocidades y consumos mejores que la LS. Rivaliza con la LS
74F Fast TTL Esta posicionada entre la AS y la ALS
Familia TTL
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 56
Hojas de datos de los fabricantes de CI
Familia Caractersticas 4000 Es la ms antigua, ha sido sustituida por el resto de familias.
Eran lentas, presentaban un bajo consumo frente a las TTL de la poca. Pero se conectaban mal con las TTL
74 FAM nn 74HC30, 74HCT30, 74AC30,74HCT30,74AHC30
Puertas NAND de 8 entradas HC HCT
High Speed CMOS High Speed CMOS, TTL Compatible Tienen mayor velocidad y mejor capacidad de consumo y de suministro de corriente que la 4000
VHC VHCT
Very High Speed CMOS Very High Speed CMOS, TTL Compatible Son el doble de rpidas que las HC y HCT, siendo compatibles elctricamente.
Familia CMOS
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 57
Hojas de datos de los fabricantes de CI
hp://focus.?.com/docs/prod/folders/print/sn7400.html
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 58
Conec?vidad entre CI de diferentes familias Cuando se disean sistemas digitales se recomienda usar solo una familia de disposi?vos (TTL
o CMOS) pero a veces puede ser necesario conectar disposi?vos de dis?ntas familias, para ello es necesario que sean compa?bles en tensin e intensidad.
Conec?vidad desde TTL a otros disposi?vos digitales
TTL
TTL
1K
5 V
Salida Entrada
Muchos CMOS
Hasta 10 TTL
O 40 LS TTL
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Tecnologas TTL y CMOS
Electrnica Industrial 59
Conec?vidad entre CI de diferentes familias Conec?vidad desde CMOS a otros disposi?vos digitales
CMOS
CMOS Muchos CMOS
Hasta 2TTL o
10 LS TTL
Salida Entrada
Buer 4049B
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Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 60
Niveles de integracin de los CI digitales
Nivel de integracin N de transistores N de puertas Fecha Tipo
SSI (Small Scale Integra?on)
10 a 100 1 a 10 1.960 Puertas Flip-Flops
MSI (Medium Scale Integra?on)
100 a 1.000 10 a 100 1.965 Contadores Mul?plexores Decodicadores Etc.
LSI (Large Scale Integra?on)
1.000 a 10.000 100 a 1.000 1.970 Microprocesadores Memorias Disposi?vos programables ASIC
VLSI (Very Large Scale Integra?on)
10.000 a 100.000 1.000 a 10.000 1.978
ULSI (Ultra Large Scale Integra?on)
100.000 a 1.000.000
10.000 a 100.000 1.985
GLSI (Giga Large Scale Integra?on)
> 1.000.000 > 100.000 1.995
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 61
Operaciones aritm?cas
A
B
C in
C out
1100
0110
1
0011
1
A B Cin Cout
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 0 0 1
0 1 1 1 0
1 0 0 0 1
1 0 1 1 0
1 1 0 1 0
1 1 1 1 1
74LS283
74LS283
A B C in
C out
74LS283
A B C in
C out
0010 1110
0000 1
1 0010 0010
0101 0
1110 (A) 0010
0010 0010 (B)
0101 0000
+
Sumadores
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 62
Operaciones aritm?cas
A
B
B in
B out
D 0010
1010
0
1000
1
A B Bin Bout D
0 0 0 0 0
0 0 1 1 1
0 1 0 1 1
0 1 1 1 0
1 0 0 0 1
1 0 1 0 0
1 1 0 0 0
1 1 1 1 1
74LSXXX
74LSXXX
A B B in
D B out
74LSXXX
A B B in
D B out
1010 0010
1000 1
1 0010 0110
0011 0
0010 (A) 0110
0010 1010 (B)
0011 1000
_
Restadores
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 63
Comparadores
A
B
A>B
A=B
AB
A=B AB
A=B AB
A=B AB
A=B AB
A=B AB
A=B A
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 64
Codicadores
7 8 9
4 5 6
1 2 3
0 . +/-
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Codificador decimal / BCD
1001
1
Codificador Gray / Binario
A
B
C
X
Y
Z
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 65
Decodicadores
Display 7 Segmentos
BCD
1001
a
b
c d
e
f g 111 0011
Decodificador de cuatro bits (74154)
Decodificador BCD a 7 Segmentos
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 66
Mul?plexores (I) La funcin bsica de un mul?plexor es dirigir la informacin digital procedente de diversas fuentes a una nica lnea para ser transmi?da a travs de dicha lnea a un des?no comn.
S1 S0 Entrada Seleccionada
0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3
Y
0
1
0 1
2 3
MUX S0 S1
D0 D1
D2 D3
S0
S1
D0
D1
D2
D3
Y
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 67
Mul?plexores (II) Los multiplexores nos permiten construir cualquier funcin combinacional. Para ello, tan solo hay que fijar las entradas del multiplexor a los niveles lgicos de la tabla de verdad que se quiere reproducir.
A B C S
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
S= ABC+ABC
A B C
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
0
0
1
0
0
0
MUX
Una funcin combinacional de n variables requiere un MUX de 2n canales de entrada
-
Circuitos Integrados MSI
Electrnica Industrial 68
Demul?plexores La funcin bsica de un demul?plexor es realizar la funcin contraria al mul?plexor. Toma datos de una lnea y los distribuye a un determinado nmero de lneas de salida.
S1 S0 Salida Seleccionada
0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3
Y
0
1 0 1
2 3
DEMUX S0 S1 D0
D1
D2 D3
S0
S1
D0
D1
D2
D3
Entrada de Datos
Y
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Diseo de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrnica Industrial 69
Diseo de Sistemas Digitales con CI Los circuitos integrados se pueden usar como bloques para crear la funcionalidad deseada
simplemente interconectndolos entre ellos.
No existe una metodologa predenida, los diseos se realizan en base a la experiencia y las notas de aplicacin que proporcionan los fabricantes.
Es importante ver diseos ya existentes para aprender a disear nuevos.
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Diseo de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrnica Industrial 70
Habilitacin de puertos de E/S
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
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Diseo de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrnica Industrial 71
Sistema de recuento de votos
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
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Diseo de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrnica Industrial 72
Display digital
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
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Diseo de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrnica Industrial 73
Teclado digital
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
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Diseo de Sistemas con Circuitos Integrados
Electrnica Industrial 74
Display mul?plexado
Fuente: Thomas L. Fundamentos de Electrnica Digital. 9 edicin, Pearson-Pren?ce Hall. 2009.
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Dr. Andrs Iborra Universidad Politcnica de Cartagena Campus Muralla del Mar, s/n 30202 Cartagena
Tel. +34 968 32 56 54 Fax. +34 968 32 53 45 E-mail [email protected] Twier @aiborra Www www.aiborra.com