Nombre: Jose Lumbano Clark Ciclo: VI Ciclo; Nivel 350 ‘A’ Fecha: 05-Mayo-2011 Asignatura: Arquitectura Computacional
Tipos de Circuitos Integrados. Aten Atendi dien endo do al nive nivell de inte integr grac ació ión n -núm -númer ero o de componentes- los circuitos integrados se pueden clasificar en:
SSI (Small Scale Integration). •
SSI es acrónimo del inglés S mall S cale mall- S cale I ntegration ntegration (integración a baja escala) y hace referencia a los primeros circuitos integrados que se desarrollaron. Cumplí Cumplían an funcio funciones nes muy básica básicas, s, como como puertas lógicas y abarca abarcan n desde desde unos unos pocos pocos transistores hasta una centena de ellos. Esti tipo de circuitos es de un pequeño nivel que proporciona de 10 a 100 comprend ende e los chips chips que contien contienen en menos menos de 13 compu compuert ertas. as. ejempl ejemplos: os: transistore transistoress y compr
compuertas y flip flops. los Circuitos Integrados SSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos y ecl. los primeros Circuitos Integrados eran SSI. Los circuitos SSI fueron cruciales en los primeros proyectos aerospaciales, y viceversa, ya que los programas espaciales como Apollo o el misil Minuteman necesitaban dispositivos digitales ligeros. El primero motivó y guió el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados, mientras que el segundo hizo que se realizara una producción masiva. Estos programas compraron prácticamente la totalidad de los circuitos integrados desde 1960 a 1963, y fueron los causantes de la fuerte demanda que originó un descenso de los precios en la producción de 1000 dólares la unidad (en dólares de 1960) hasta apenas 25 dólares la unidad (en dólares de 1963). 1963). El siguiente paso en el desarrollo de los circuitos integrados, que tuvo lugar a finales de los 60, introdujo dispositivos que contenían cientos de transistores en cada chip y fue llamado MSI: MSI: Escala de Media Integración ( MediumScale Integration ).
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MSI (Medium-Scale Integration).
A finales de los 60 se introdujeron dispositivos que contenían cientos de transistores cada chip, chip, llamados MSI, Integración a Media Escala ( Medium-Scale Integration). Es de medio nivel proporcionado de 101 a 1.000 transistore transistoress y comp compre rende nde los los chips chips que que conti contien enen en de 13 a 100 100 comp compue uert rtas as . ejem ejemplo plos: s: codificadores, registros, contadores , multiplexores, de codificadores y de multiplexores. los Circuitos Integrados MSI se fabrican empleando tecnologías ttl, cmos, y ecl. Económicamente eran circuitos atractivos porque mientras producirlos costaba ligeramente más que los dispositivos SSI, SSI, permitieron fabricar sistemas electrónicos más complejos utilizando placas impresas más pequeñas, menos trabajo al ensamblarlos (ya que contenían menos chips) y otras ventajas.
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LSI ( Large-Scale Integration). Integration).
Es una integración integración en alta escala escala y comprende comprende los chips que contienen contienen de 1001 a 10000 compuerta compuertas. s. Ejemplos: memorias, unidades aritméticas y lógicas (alu's), microprocesadores de 8 y 16 bits . los Circuitos Integrados LSI se fabrican principalmente empleando tecnologías i2l, nmos y pmos. Los Cuales estiende
desde 101 a 1000 transistores en un circuito lógico aquello que sirve para diseñar los Decoders, Multiplexores, y diseños Logicos. •
VLSI (Very Large Scale Integration).
VLSI es la sigla en inglés de V ery Large S cale I ntegration, integración en escala muy grande de 10.001 a 100.000 transistores y comprende los chips que contienen mas de 1000 compuertas ejemplos: microprocesadores de 32 bits, micro-controladores, sistemas de adquisición de datos. los Circuitos Integrados VSLI se fabrican también empleando tecnologías ttl, cmos y pmos.
La integración en escala muy grande de sistemas de circuitos basados en transistores en circuitos integrados comenzó en los años 1980, como parte de las tecnologías de semiconductores y comunicación que se estaban desarrollando. Los primeros chips semiconductores contenían sólo un transistor cada uno. A medida que la tecnología de fabricación fue avanzando, se agregaron más y más transistores, y en consecuencia más y más funciones fueron integradas en un mismo chip. El microprocesador es un dispositivo VLSI. La primera generación de computadoras dependía de válvulas de vacío. Luego vinieron los semiconductores discretos, seguidos de circuitos integrados. Los primeros CIs contenían un pequeño número de dispositivos, como diodos, transistores, resistencias y capacitores (aunque no inductores), haciendo posible la fabricación de compuertas lógicas en un solo chip. La cuarta generación ( LSI) consistía de sistemas con al menos mil compuertas lógicas. El sucesor natural del LSI fue VLSI (varias decenas de miles de compuertas en un solo chip). Hoy en día, los microprocesadores tienen varios millones de compuertas en el mismo chip. Hacia pricipios de 2006 se comercializaban microprocesadores con tecnología de hasta 65 nm, en 2010 se comercializan chipsets con tecnología de 32 nm.
Compañías más importantes que producen VLSI Intel. Texas Instruments . • Samsung. • Analog Devices • ATI Technologies • Advanced Micro Devices (AMD) • STMicroelectronics • Freescale Semiconductor • Infineon • IBM
NEC Toshiba • NVIDIA • Qualcomm • National Semiconductor . • Renesas • Broadcom • Micron • Transmeta
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TECNOLOGIA TTL TTL es la sigla en inglés de transistor-transistor logic, es decir, "lógica transistor a transistor". Es una familia lógica o lo que es lo mismo, una tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales. En los componentes fabricados con tecnología TTL los elementos de entrada y salida del dispositivo son transistores bipolares.
Características Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75v y los 5,25V (como se ve un rango muy estrecho). Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,2V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto). •
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La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de los 250 MHz. Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de circuitos adicionales de transmisión (no pueden viajar más de 2 m por cable sin graves pérdidas).
Familias TTL Los circuitos de tecnología TTL se prefijan normalmente con el número 74 (54 en las series militares e industriales). A continuación un código de una o varias cifras que representa la familia y posteriormente uno de 2 a 4 con el modelo del circuito. Con respecto a las familias cabe distinguir: • • • • • • • • • •
TTL : Serie estándar TTL-L (low power) : Serie de bajo consumo TTL-S (schottky) : Serie rápida (usa diodos Schottky) TTL-AS (advanced schottky) : Versión mejorada de la serie anterior TTL-LS (low power schottky) : Combinación de las tecnologías L y S (es la familia más extendida) TTL-ALS (advanced low power schottky) : Versión mejorada de la serie AS TTL-F (FAST : fairchild advanced schottky) TTL-AF (advanced FAST) : Versión mejorada de la serie F TTL-HCT (high speed C-MOS) : Serie HC dotada de niveles lógicos compatibles con TTL TTL-G (GHz C-MOS) : GHz ( From PotatoSemi).
Versiones A la familia inicial 7400, o 74N, pronto se añadió una versión más lenta pero de bajo consumo, la 74L y su contrapartida rápida, la 74H, que tenía la base de los transistores dopada con oro para producir centros de recombinación y disminuir la vida media de los portadores minoritarios en la base. Pero el problema de la velocidad proviene de que es una familia saturada, es decir, los transistores pasan de corte a saturación. Pero un transistor saturado contiene un exceso de carga en su base que hay que eliminar antes de que comience a cortarse, prolongando su tiempo de respuesta. El estado de saturación se caracteriza por tener el colector a menos tensión que la base. Entonces un diodo entre base y colector, desvía el exceso de corriente impidiendo la introducción de un exceso de cargas en la base. Por su baja tensión directa se utilizan diodos de barrera Schottky. Así se tienen las familias 74S y 74LS, Schottky y Schottky de baja potencia. Las 74S y 74LS desplazaron por completo las 74L y 74H, debido a su mejor producto retardo·consumo. Mejoras en el proceso de fabricación condujeron a la reducción del tamaño de los transistores que permitió el desarrollo de tres familias nuevas: 74F (FAST: Fairchild Advanced Schottky Technology) de Fairchild y 74AS (Advanced Schottky) y 74ALS (Advanced Low Power Schottky) de Texas Instruments. Posteriormente, National Semiconductor redefinió la 74F para el caso de búferes e interfaces, pasando a ser 74F(r).
Tipos y Aplicaciones de las TTL:
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Microprocesadores. El microprocesador, o simplemente procesador, es el circuito integrado central y más complejo de una computadora u ordenador; a modo de ilustración, se le suele asociar por analogía como el "cerebro" de una computadora. El procesador es un circuito integrado constituido por millones de componentes electrónicos integrados. Constituye la unidad central de procesamiento (CPU ) de un PC catalogado como microcomputador.
Desde el punto de vista funcional es, básicamente, el encargado de realizar toda operación aritmético-lógica, de control y de comunicación con el resto de los componentes integrados que conforman un PC, siguiendo el modelo base de Von Neumann. También es el principal encargado de ejecutar los programas, sean de usuario o de sistema; sólo ejecuta instrucciones programadas a muy bajo nivel, realizando operaciones elementales, básicamente, las aritméticas y lógicas, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas binarias y accesos a memoria. •
Memorias RAM. La memoria de acceso aleatorio (en inglés: random-access memory, cuyo acrónimo es RAM) es la memoria desde donde el procesador recibe las instrucciones y guarda los resultados. Su capacidad se mide en bytes, y dada su naturaleza siempre binaria, sus múltiplos serán representados en múltiplos binarios tales como Kilobyte, Megabyte, Gigabyte, y así sucesivamente.
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Memorias PROM .
PROM es el acrónimo de Programmable Read-Only Memory (ROM programable). Es una memoria digital donde el valor de cada bit depende del estado de un fusible (o antifusible), que puede ser quemado una sola vez. Por esto la memoria puede ser programada (pueden ser escritos los datos) una sola vez a través de un dispositivo especial, un programador PROM. Estas memorias son utilizadas para grabar datos permanentes en cantidades menores a las ROMs, o cuando los datos deben cambiar en muchos o todos los casos. •
PAL, Programmable Array Logic , consistente en una PROM que interconecta las entradas y cierto número de puertas lógicas.
Tecnología CMOS (Complementary metal oxide semiconductor ). 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 mi croprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales.
Principio de funcionamiento.
En un circuito CMOS, la función lógica a sintetizar se implementa por duplicado mediante dos circuitos: uno basado exclusivamente en transistores pMOS (circuito de pull-up), y otro basado exclusivamente en transistores nMOS (circuito de pull-down). El circuito pMOS es empleado para propagar el valor binario 1 (pull-up), y el circuito nMOS para propagar el valor binario 0 (pull-down). Véase la figura. Representa una puerta lógica NOT o inversor. Cuando la entrada es 1, el transistor nMOS está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a tierra ( 0), el valor 0 se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pMOS, por el contrario, está en estado de no conducción. Cuando la entrada es 0, el transistor pMOS está en estado de • conducción. Al estar su fuente conectada a la alimentación (1), el valor 1 se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor nMOS, por el contrario, está en estado de no conducción. •
Otra de las características importantes de los circuitos CMOS es que son regenerativos: una señal degradada que acometa una puerta lógica CMOS se verá restaurada a su valor lógico inicial 0 ó 1, siempre y cuando aún esté dentro de los márgenes de ruido que el circuito pueda tolerar.
Ventajas e inconvenientes. Ventajas La familia lógica tiene una serie de ventajas que la hacen superior a otras en la fabricación de circuitos integrados digitales: •
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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: •
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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).
