Tecnologías TTL y CMOS: características y comparativa de circuitos integrados

Resumen

El documento compara las familias lógicas TTL y CMOS, describiendo sus ventajas, la estructura de los transistores PMOS y NMOS y las diferencias en el tratamiento de las entradas no conectadas. Incluye también los parámetros generales de las familias lógicas, como fan-out, margen de ruido o tiempo de propagación, y la clasificación de los sistemas lógicos en combinacionales y secuenciales.

Puntos clave

La tecnología TTL ofrece buena velocidad de conmutación, alto fan-out, alta inmunidad al ruido y gran flexibilidad.
El transistor multiemisor en TTL reduce el área de integración y aumenta la velocidad al disminuir las capacidades parásitas.
CMOS combina transistores PMOS y NMOS; los NMOS son generalmente más rápidos y pequeños, por lo que se usan ampliamente en sistemas LSI como microprocesadores.
En TTL, una entrada flotante actúa como nivel lógico alto; en CMOS las entradas deben conectarse a Vdd o a GND para evitar estados indeterminados y consumo excesivo.
El tiempo de propagación medio (tpd) es la media aritmética entre tpLH y tpHL.
Los sistemas combinacionales dependen solo del estado actual de las entradas, mientras que los secuenciales dependen también de estados previos (memoria).

Ponte a prueba

Tecnologías de Circuitos Integrados: TTL y CMOS

Tecnología TTL (Transistor-Transistor Logic)

Ventajas de la Tecnología TTL

Buena velocidad de conmutación.
Alto FAN-OUT.
Alta inmunidad al ruido.
Gran flexibilidad.

Ventajas del Transistor Multiemisor en TTL

Reducción del área de integración.
Aumento de la velocidad de conmutación, al reducirse las capacidades parásitas.

Tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

La tecnología CMOS se basa en la combinación de transistores de efecto de campo de tipo P (PMOS) y de tipo N (NMOS).

PMOS: Transistores de material semiconductor P. Son fáciles de fabricar.
NMOS: Transistores de canal N. Son generalmente más rápidos y más pequeños que los PMOS.

La estructura básica de un circuito CMOS es la suma de ambos tipos de transistores: PMOS + NMOS = CMOS.

Características de los Transistores PMOS

En los PMOS, las tensiones de alimentación suelen ser negativas. Se utiliza lógica negada, por lo que se le asigna un 1 lógico a las tensiones negativas y un 0 a masa (tierra).

Características de los Transistores NMOS

Los NMOS son similares a los PMOS, pero se diferencian en la polaridad de las alimentaciones. Debido a su mayor velocidad y menor tamaño, se utilizan ampliamente en sistemas LSI (Large-Scale Integration) para la fabricación de microprocesadores.

Consideraciones de Entrada TTL vs. CMOS

En las puertas TTL, si una entrada se deja sin polarizar (flotante), actúa como una entrada con nivel lógico alto. En contraste, las entradas CMOS deben unirse directamente a la alimentación (Vdd) o a masa (GND), según se desee que se comporten con nivel alto o bajo, respectivamente, para evitar estados indeterminados y consumo excesivo.

Características Generales de las Familias Lógicas

FAN-OUT: Máximo número de puertas lógicas que pueden ser gobernadas por una sola puerta de salida.
FAN-IN: Máximo número de entradas que puede tener una puerta lógica.
Tensión Umbral (V_T): Tensión a la que una puerta lógica comienza a cambiar de estado lógico.
Margen de Ruido (Noise Margin): La variación máxima de la tensión a la entrada del elemento lógico sin que la salida cambie de estado.
Curva de Inmunidad al Ruido: La cantidad de ruido que puede superponerse a una señal lógica sin que el elemento al que está aplicada cambie de estado. Cualquier ruido que sobrepase la cantidad especificada causará un cambio en la salida del elemento lógico.
Tiempo de Propagación Medio (t_pd): Media aritmética entre los tiempos de propagación del cambio de estado de la entrada a la salida, considerando los casos en que esta cambia de 0 a 1 (t_pLH) y viceversa (t_pHL).
Potencia Disipada (P_D): Es la potencia disipada por una puerta lógica, generalmente medida bajo un ciclo de trabajo del 50%.

Clasificación de Sistemas Lógicos

Los sistemas lógicos se dividen en dos grandes categorías:

Sistemas Lógicos Combinacionales: Se caracterizan por generar unas salidas que son función exclusiva del estado actual de las entradas.
Sistemas Lógicos Secuenciales: Se caracterizan por generar unas salidas que son función, además del estado actual de las entradas, de los estados previos por los que ha pasado el sistema (memoria).

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia de tratamiento de las entradas no conectadas entre TTL y CMOS?

En TTL, una entrada sin polarizar (flotante) se comporta como nivel lógico alto. En CMOS, las entradas deben unirse directamente a Vdd o a GND según el nivel deseado, para evitar estados indeterminados y consumo excesivo.

¿Qué son los sistemas lógicos combinacionales y secuenciales?

Los combinacionales generan salidas que dependen únicamente del estado actual de las entradas. Los secuenciales generan salidas que dependen del estado actual de las entradas y también de los estados previos del sistema, es decir, tienen memoria.

¿Por qué se usan ampliamente los transistores NMOS en microprocesadores?

Porque son generalmente más rápidos y más pequeños que los PMOS, lo que resulta adecuado para sistemas LSI (integración a gran escala) como los microprocesadores.