UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARAMDAS ESPEEL
DISEÑO ELECTRÓNICO FUNCIONALIDAD, ROBUSTEZ Y DESEMPEÑO DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES
Nombre: Ney Aucapiña Carrera: 7mo Mecatrónica Definir los siguientes términos.
EVOLUCIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS El circuito Integrado (IC),
es una pastilla o cip muy !elga!o en el "ue se encuentran una canti!a! enorme !e !ispositi#os microelectrónicos interactua!os, principalmente !io!os y transistores, a!em$s !e componentes pasi#os como resistencias o con!ensa!ores. (Moscoso, %&')
l primer Circuito Integra!o fue !esarrolla!o en '*+ por el Ingeniero -ac /t. Clair 0il1y, 2usto meses !espués !e a1er si!o contrata!o por la firma 3e4as 3e4as Instruments. 5os elementos m$s comunes !e los e"uipos electrónicos !e la época eran los llama!os 6tu1os !e #aco8, las l$mparas usa!as en ra!io y tele#isión y el transistor !e germanio (9e). n el #erano !e '*+ -ac 0il1y se propuso cam1iar las cosas. ntonces conci1ió el primer circuito electrónico cuyos componentes, tanto los acti#os como los pasi#os, estu#iesen !ispuestos en un solo pe!a:o !e material, semicon!uctor, "ue ocupa1a la mita! !e espacio !e un clip para su2etar papeles. (Moscoso, (Moscoso, %&') /u e#olución ra!ica !es!e el año '*;*<
Fig. 1 Linea de tiempo de los circuitos integrados.
4isten tres tipos !e circuitos integra!os (Moscoso, %&')<
Circuitos monolticos< 5a pala1ra es apropia!a por"ue los componentes son parte !e un cip. l Circuito monoltico es el tipo m$s com=n !e circuito integra!o, ya "ue !es!e su inter#ención los fa1ricantes an esta!o pro!ucien!o los circuitos integra!os monolticos para lle#ar a ca1o to!o tipo !e funciones. 5os tipos comercialmente !isponi1les se pue!en utili:ar como amplifica!ores, regula!ores !e #olta2e, conmuta!ores, receptores !e AM, circuito !e tele#isión y circuitos !e or!ena!ores. >ero tienen limita!ores !e potencia. Circuito ?i1ri!o !e capa fina< similares a los circuitos monolticos, pero a!em$s, contienen componentes !ifciles !e fa1ricar con tecnologa monoltica. Mucos con#ersores A@D D@A se fa1ricaron en tecnologa 1ri!a asta "ue progresos en la tecnologa permitieron fa1ricar resistencias precisas. Circuito i1ri!o !e capa gruesa< /e apartan 1astante !e los circuitos monolticos. De eco suelen contener circuitos monolticos sin c$psula (!ices), transistores, !io!os, etc., so1re un sustrato !ieléctrico, interconecta!os con pistas con!uctoras. 5imitaciones !e los circuitos integra!os< Disipación !e potencia y ele#amiento !el calor. Capaci!a!es y autoin!ucciones parasitas. Densi!a! !e integración.
MEDICIÓN DE LA CALIDAD DE UN DISEÑO l concepto !e cali!a! encuentra mucas !efiniciones posi1les. 5a m$s tra!icional se refiere al Bcon2unto !e cuali!a!es !e una persona o cosaB. /in em1argo, las !efiniciones #incula!as a las acti#i!a!es in!ustriales a1lan !e la me!i!a en "ue un pro!ucto o ser#icio satisface los re"uerimientos !e una función !a!a. De to!as formas, el concepto es su12eti#o. >or e2emplo, un !iseño electrónico "ue cumple con las e4pectati#as !e un usuario pue!e a1er si!o ela1ora!o sin conformi!a! con ciertas
normas !e fa1ricación. >or eso, la cali!a! siempre !epen!e !el punto !e #ista, pero, en general, in#olucra el cumplimiento !e un con2unto !e e4igencias. tros aspectos a tener cuenta pue!en ser la a!ecuación al uso y la ausencia !e !eficiencias. ntonces, "ué es la cali!a! !e un !iseño electrónicoE 4isten !os enfo"ues posi1les.
Cali!a! funcional. Fefle2a en "ué me!i!a el !iseño electrónico cumple con o se a2usta a un !etermina!o o12eti#o, 1asa!o en re"uerimientos funcionales. Gstos a1arcan las acti#i!a!es "ue in#olucran procesamiento !e !atos !e entra!a o sali!a. Cali!a! estructural. Fefle2a en "ué me!i!a el !iseño cumple con los re"uerimientos no funcionales, como ren!imiento, capaci!a! !e mantenimiento o escala1ili!a!.
/e pue!en referencias un con2unto !e caractersticas glo1ales para e#aluar la cali!a! !e un !iseño electrónico<
Huncionali!a!. 5as funciones !el !iseño electrónico son a"uellas "ue 1uscan satisfacer las necesi!a!es !el usuario. Confia1ili!a!. 5a capaci!a! !el !iseño electrónico !e mantener su ren!imiento 1a2o ciertas con!iciones !urante cierto pero!o !e tiempo. sa1ili!a!. Jasa!a en el esfuer:o necesario para utili:ar el !iseño electrónico por parte !e un grupo !e usuarios. ficiencia. Jasa!a en la relación entre el ni#el !e ren!imiento !el !iseño electrónico y el #olumen !e recursos utili:a!o, 1a2o ciertas con!iciones. Capaci!a! !e mantenimiento. Jasa!a en el esfuer:o necesario para reali:ar mo!ificaciones especficas. >orta1ili!a!. Jasa!a en la capaci!a! !el !iseño electrónico para ser transferi!o !e un entorno a otro.
l cui!a!o !e estos aspectos !urante to!o el ciclo !e #i!a !el !iseño electrónico re!un!ar$ en pro!uctos "ue no sólo satisfar$n las e4igencias !el usuario, sino "ue a!em$s ser$n m$s f$ciles !e mantener y mo!ificar una #e: reali:a!a su entrega para una posterior implementación. (Dimaggio, %&')
LEY DE MOORE 5a 5ey !e Moore es un término inform$tico origina!o en la !éca!a !e '*& y "ue esta1lece "ue la #eloci!a! !el procesa!or o el po!er !e procesamiento total !e las computa!oras se !uplica ca!a !oce meses. n un principio, la norma no era muy popular pero s se sigue utili:an!o asta el !a !e oy. Kuien la acuñó fue 9or!on Moore, el cofun!a!or !e la conoci!a empresa Intel !e microprocesa!ores. Cuan!o las re#istas !e electrónica le preguntaron cómo se !esarrollara el $rea en los pró4imos !ie: años, él escri1ió un artculo en el "ue pre!i2o el funcionamiento !el merca!o. (Hernan!e:, %&')
NIVELES DE ABSTRACCIÓN no !e los o12eti#os principales !e un sistema !e 1ase !e !atos es proporcionar a los usuarios una #isión abstracta !e la información. s !ecir, el sistema oculta ciertos !etalles relati#os a la forma como los !atos se almacenan y mantienen. (/ae!ra, %&'%)
5os sistemas !e 1ase !e !atos mucas #eces son utili:a!os por personal "ue no cuenta con conocimientos !e computación, esta comple2i!a! !e1e estar escon!i!a para los usuarios. >ara ocultarla, se !efinen #arios ni#eles !e a1stracción en los "ue pue!e o1ser#arse la 1ase !e !atos. (/ae!ra, %&'%) •
•
•
Ni#el fsico< este es el ni#el m$s 1a2o !e a1stracción, en el "ue se !escri1e cómo se almacenan realmente los !atos. Ni#el conceptual< ste es el siguiente ni#el m$s alto !e a1stracción, en el "ue se !escri1e cuáles son los !atos reales "ue est$n almacena!os en la 1ase !e !atos y "ué relaciones e4isten entre los !atos. Ni#el !e #isión< ste es el ni#el !e a1stracción m$s alto, en el cual se !escri1e solamente una parte !e la 1ase !e !atos. Aun"ue en el ni#el conceptual se utili:an estructuras m$s simples, to!a#a "ue!a una forma !e comple2i!a! "ue resulta !el gran tamaño !e la 1ase !e !atos.
FAN-IN/ FAN OUT Fan-in es
el n=mero !e entra!as !e una puerta pue!e mane2ar. >or e2emplo, el a1anico !e entra!a para la puerta L se muestra en la figura . 5as puertas lógicas es fsico con un gran a1anico !e entra!a tien!en a ser m$s lento "ue los "ue tienen un pe"ueño #entila!or !e entra!a. sto se !e1e a la comple2i!a! !e la circuitera !e entra!a aumenta la entra!a !e capacitancia !el !ispositi#o. l uso !e puertas lógicas con un mayor a1anico !e entra!a ayu!ar$ a re!ucir la profun!i!a! !e un circuito lógico. (iipe!ia, %&'') l Fan-out una puerta lógica !e sali!a es el n=mero !e entra!as !e la puerta se pue!e alimentar o conectar. n la mayora !e los !iseños, las puertas lógicas son conecta!as para formar circuitos m$s comple2os. /i 1ien no sali!a !e la puerta m$s !e una lógica est$ conecta!a a una entra!a =nica, es com=n para una sali!a para conectarse a #arias entra!as. 5a tecnologa utili:a!a para implementar puertas lógicas por lo general permite un cierto n=mero !e entra!as !e la puerta para ser conecta!o !irectamente entre s sin circuito interfa: a!icional. l Maximum fan-out !e potencia mi!e su capaci!a! !e carga !e con!ucción< es el mayor n=mero !e entra!as !e puertas !el mismo tipo para el "ue la sali!a se pue!e conectar !e forma segura. (iipe!ia, iipe!ia.org, %&'+)
CONSUMO DE POTENCIA Y ENERGA 5a !iferencia entre potencia y energa es m$s sencilla !e lo "ue parece, lo primero "ue #amos a acer es leer la !efinición !e ca!a concepto<
nerga eléctrica< Horma !e energa "ue resulta !e la e4istencia !e una !iferencia !e potencial entre !os puntos, lo "ue permite esta1lecer una corriente eléctrica entre am1os. /e mi!e en #atios ora (). (Oera, %&'%) >otencia eléctrica< s la relación !e paso !e energa !e un flu2o por uni!a! !e tiempo. /e mi!e en #atios (), "ue es el e"ui#alente a ' 2ulio por segun!o (' -@s). (Oera, %&'%)
>ara e2emplificar< Consumo de energía:
Tabla 1. Consumo de energia de una casa. Po!e"#$a %&' Fr$or,$#o '&& &&
E)!.a a*1e"a Co"2."!o 3 bomb$**a)
(ora) a* +,a +e ."#$o"am$e"!o %;
E"er,a !o!a* a* +,a %&0' %;&&
% '&&
& 4 +
Te*e4$)$1"
'&& +
*&
La4a+ora
;+& ',+
'+&&
%%+&
56377 &0 Producción de potencia:
Tabla 2. Producción de potencia de una central eléctrica.
INMUNIDAD AL RUIDO 5a inmuni!a! al rui!o es el gra!o !e tolerancia a las #ariaciones no !esea!as en el ni#el !e la señal !e entra!a, esto al mismo tiempo se encuentra asocia!o con el margen !e rui!o. 3o!os los circuitos lógicos !e1en !e tener inclui!a la capaci!a! !e tolerar fluctuacionesP en la tensión !e sus entra!as sin "ue se llegue a cam1iar es esta!o !e la tensión original !e entra!a "ue se le !enomina margen !e rui!o, el cual se caracteri:a por ser la !es#iación m$4ima en el #alor !e la señal frente a los "ue se garanti:an los ni#eles lógicos. (?ern$n!e:, %&'&)
CARACTERSTICAS DE TRANSFERENCIAS DE VOLTA8E 5os siguientes son las !efiniciones !e ni#eles !e #olta2e "ue !efine el fa1ricante como mnimos y m$4imos para los ni#eles altos y 1a2os !e una compuerta. (3o#ar, %&&)
O?< Oolta2e !e sali!a mnimo "ue una compuerta entrega cuan!o su sali!a est$ en el ni#el alto.
O5< Oolta2e !e sali!a m$4imo "ue una compuerta entrega cuan!o su sali!a est$ en el ni#el 1a2o. OI?< Oolta2e mnimo "ue pue!e ser aplica!o en la entra!a !e una compuerta y ser reconoci!a como ni#el alto. OI5< Oolta2e m$4imo "ue pue!e ser aplica!o en la entra!a !e una compuerta y ser reconoci!a como ni#el 1a2o.
Fig. 2. Niveles de transferencia de voltaje.
M9RGENES DE RUIDO
s el m$4imo #olta2e !e rui!o agrega!o a la señal !e entra!a !e un circuito !igital "ue no cause un cam1io in!esea1le, a la sali!a !el circuito. /e e4presa en #oltios (O). (3o#ar, %&&) ?ay !os tipos !e rui!o "ue !e1en !e consi!erarse<
Fui!o DC, causa!o por la !es#iación en los ni#eles !e #olta2e !e la señal. Fui!o AC, es el pulso aleatorio "ue pue!e ser crea!o por otras señales conmuta!as.
De esta forma el rui!o es el término usa!o para !enotar una señal in!esea1le so1repuesta a una señal !e operación normal. (3o#ar, %&&)
PROPIEDADES REGENERATIVAS 5a propie!a! regenerati#a es a"uella por la cual partien!o !e señales !e entra!a !egra!a!as se o1tiene una señal !e sali!a no !egra!a!a. sta propie!a! es fun!amental para "ue la !egra!ación !e las señales !e una puerta por efecto !el rui!o no afecte a las "ue se encuentren conecta!as a ella. (-iméne:, %&'&)
RETARDOS DE PROPAGACIÓN s el tiempo prome!io !e !emora en la transición !e propagación !e una señal !e la entra!a a la sali!a, cuan!o las señales 1inarias cam1ian !e #alor. /e e4presa en nanosegun!os (Qs). (3o#ar, %&&) 5as señales "ue #ia2an !e las entra!as !e un circuito !igital a las sali!as pasan por una serie !e compuertas. 5a suma !e las !emoras !e propagación a tra#és !e las compuertas es la !emora total !e la propagación !el circuito. (3o#ar, %&&)
BIBLIOGRAFA •
•
•
•
Dimaggio, M. ('+ !e Mayo !e %&'). 4R. 1teni!o !e ttp<@@RRR.;rsoluciones.com@nosotros@ Hernan!e:, >. (' !e Mayo !e %&'). Batanga. 1teni!o !e ttp<@@RRR.1atanga.com@curiosi!a!es@;*@"ueSesSlaSleyS!eSmooreSySparaS"ueSsir#e ?ern$n!e:, C. ('% !e ctu1re !e %&'&). 1teni!o !e ttp<@@ci!igitales.1logspot.com@%&';@&*@"ueSesSlaSinmuni!a!SalSrui!oSe"uipoSi.tml -iméne:, F. (' !e Agosto !e %&'&). 1teni!o !e ttp<@@RRR.u
[email protected]:@MICF5C3FNICA@intro!uccion.p!f
•
•
•
•
•
•
Moscoso, . ('7 !e Mayo !e %&'). undo !igital . 1teni!o !e ttp<@@RRR.mun!o!igital.net@laSistoriaS!eSlosScircuitosSintegra!os@ /ae!ra, >. (%7 !e Diciem1re !e %&'%). "ordpres.com. 1teni!o !e ttps<@@israfi#es.Ror!press.com@%&'%@'%@&7@'S+Sni#elesS!eSa1straccion@ 3o#ar, /. ('+ !e No#iem1re !e %&&). 1teni!o !e ttp<@@s.ama:onaRs.com@pptS !oRnloa!@circuitosSintegra!osS'%%77+;;;+;'7+S.pptEresponseScontentS !ispositionTattacmentU/ignatureTM7DV%HICDLmilWV%J&prWstmMDmo VDU4piresT';'%%UA/Access0eyI!TA0IA-D/MX/A/X?DAK Oera, M. (%' !e He1rero !e %&'%). 1teni!o !e ttp<@@actitu!ecologica.com@!iferenciaS entreSpotenciaSRSySenergiaSR@ iipe!ia. ('% !e -ulio !e %&''). 1teni!o !e ttps<@@en.Riipe!ia.org@Rii@HanSin iipe!ia. ('% !e nero !e %&'+). "i#ipedia.org . 1teni!o !e ttps<@@en.Riipe!ia.org@Rii@HanSout
