Circuitos Integrados

CIRCUITOS INTEGRADOS

INTEGRANTES SERGIO ANDRES ACEVEDO MAHECHA DAVID STEVEN REYES QADER

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES DIGITALES I BOGOTA D.C. 2020 CONTENIDO 1

Pág. Marco Teórico

3

1.1 Introducción 1.2 Teoría

3 3

Diseño de la práctica

12

2.1Materiales 2.2Diseño

12 12

Desarrollo de la práctica

15

Resultados

18

4.1Tablas de la verdad

18

Conclusión

25

Bibliografía

26

1.

Marco Teórico 2

1.1

Introducción

En la cotidianidad estamos rodeados de miles de millones de circuitos, sin embargo, no es común percibirlos, aun así, estos juegan un papel muy importante en el día a día de cualquier persona; desde que se levanta a mirar la hora en el celular hasta que se acuesta apagando el televisor. Estos procesos que a simple vista son simples, están respaldados por procedimientos electrónicos, y estos procedimientos son posibles realizarlos con los circuitos integrados. Por lo que es fundamental entender conceptos clave de este tipo de circuitos, con el fin de abarcar el tema y así poder hacer una práctica simple con estos:

1.2

Teoría

Circuitos Se le conoce como circuito a una trayectoria o camino a través el cual, puede fluir la corriente eléctrica, esta trayectoria puede estar cerrada (unida en ambos extremos) o puede estar abierta, donde el flujo de electrones se corta debido a que la trayectoria se rompe, lo cual no permite que la corriente fluya. Está red eléctrica es la conexión de dos o más componentes eléctricos o electrónicos. Estos pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento. Todos los circuitos eléctricos y electrónicos sin importar su complejidad, tienen tres factores asociados con ellos: corriente, voltaje y resistencia

Circuitos Integrados Los circuitos integrados están compuestos de diferentes capas de metalización, sin embargo, los componentes más importantes son los transistores, por esto hay diferentes pasos para poder construir un circuito integrado. Lo primero es tener una oblea semiconductora, con una determinada resistividad.

FUENTE: MC PRO, 17/08/2020, Extraído de >(1)

Posteriormente se realiza la formación de capas muy delgadas sobre esta oblea, de diferentes materiales, haciendo un crecimiento de películas semiconductoras. 3

Tras esta formación de películas de material, se dirige al siguiente paso, que es la litografía (Arte de dibujar o grabar en piedra preparada al efecto, para reproducir, mediante impresión, lo dibujado o grabado (definición RAE)), que se hace por difusión o implantación iónica. A este proceso litográfico se le hace el grabado, donde se puede seguir con la formación de películas delgadas. Últimamente se hace la comprobación que los chips de 1mm que están sobre la oblea estén en funcionamiento, con el fin de que el circuito funcione adecuadamente.

Encapsulado Saber el encapsulado de un circuito integrado “es muy importante para poder determinar el adaptador o programador que más se adecue a la función que el usuario quiera darle” (3). Por tal motivo existen diferentes tipos de encapsulados, los cuales son: -

DIP: Estos son los más antiguos, y se usan en la mayoria de veces para prácticas, por ejemplo, en protoboard ya que se facilita mucho. Estos están compuestos por una hilera de patas en cada lado, y con una muesca que identifica el switch número 1.

FUENTE: Mundo Electrónico, Encapsulados-Principales tipos en circuitos

-

PGA: Este tipo de encapsulado es común usarlo en microprocesadores, estos cuentan con un gran número de pines en la parte inferior del dispositivo. (3)

FUENTE: Mundo Electrónico, Encapsulados-Principales tipos en circuitos

4

-

SOP: Este encapsulado al igual que el DIP, cuenta con una hilera de pines a cada lado, sin embargo, este es usado para soldaduras superficial.

FUENTE: LIPTEKIN, NJU7313AM JRC SMD INTEGRATED CIRCUIT SOP-30, https://www.liptekin.xyz/index.php? main_page=product_info&products_id=231761

-

TSOP: Es parecido al SOP, pero este posee una mayor cantidad de pines a sus laterales, y comúnmente son usados para las memorias flash (dispositivo en forma de tarjeta, que se encuentra orientado a realizar el almacenamiento de grandes cantidades de datos en un espacio reducido, permitiendo la lectura y escritura de múltiples posiciones de memoria en la misma operación.) (5)

FUENTE: Mundo Electrónico, Encapsulados-Principales tipos en circuitos

-

SOJ: El presente encapsulado cuenta con pines por todos los lados del circuito, y “un espacio libre en el centro de forma cuadricular, este fue muy usado en las antiguas memorias SIMM” (4)

5

FUENTE: Mundo Electrónico, Encapsulados-Principales tipos en circuitos

-

QFJ: Este es común verlo en soldadura superficial, o en un zócalo, que según la página web “Sistemas Master Magazine” (6) (zona existente en la placa base para la colocación y conexión de diversos componentes electrónicos).

FUENTE: Mundo Electrónico, Encapsulados-Principales tipos en circuitos

TTL Sus siglas significan Transistor – Transistor – Logic, que en español traduce, Lógica Transistor Transistor. Es una familia que es la principal competidora de la familia CMOS, algunas características del TTL “son que no son sensibles a las descargas electrostáticas, son prácticos en la realización de prototipos, junto a esto, esta familia opera con 5 v de alimentación” (Ingeniera Mónica Rico, Digitales I) (7) El funcionamiento de los TTL se presentará mediante el siguiente diagrama.

FUENTE: Electrónica Unicrom, Familia de circuitos Integrados TTL, < https://unicrom.com/familia-de-circuitos-integrados-ttl/>

1. Si E1 o E2 están a un nivel de voltaje de 0 voltios, entonces el transistor conduce, y Z = 0 Voltios. (Electrónica Unicrom) 2. Si E1 y E2 están a un nivel de voltaje de 5 voltios, entonces el transistor no conduce, y Z = 5 Voltios. (Electrónica Unicrom) La familia TTL es la base de toda la tecnología digital, esta familia posee compuertas lógicas con las siguientes especificaciones: 6

FUENTE: Electrónica Unicrom, Familia de circuitos Integrados TTL, < https://unicrom.com/familia-de-circuitos-integrados-ttl/>

CMOS Esta tecnología usa tecnología del campo NMOS y PMOS, es conocida el CMOS como (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), este término “complementario”, se refiere a que en la salida usa dos transistores, en una configuración de la familia TTL. Este usa conjuntos, (como ya se había dicho), de canal n (N-MOS) y de canal p (P-MOS), en el mismo circuito para obtener una ventaja en la familia del MOS. Por esta razón la tecnología CMOS es la más rápida y consume mucha menos potencia que otras familias, posicionándola en la dominante.

La actual competencia de la CMOS es la TTL, sin embargo, la CMOS sigue como dominante ya que el proceso de fabricación es más fácil y es más fácil de integrarle más circuitos en un área determinada, lo que reduce el costo por función. Esto no es la única ventaja del CMOS frente al TTL, además esta gran tecnología utiliza solo una fracción de la potencia que utiliza una TTL, lo que es perfecto para diferentes aplicaciones que utilizan a potencia de una batería o el soporte de una batería.

La única desventaja del CMOS es que es más lenta que la familia de la TTL, aun así, se haya creada en 1983 un CMOS que es más rápida, la familia TTL, sigue teniendo una ventaja en ese aspecto. La familia CMOS, tiene diferentes compuertas las cuales son: -

Inversores CMOS:

Hay que tener en cuenta que en la tecnología CMOS, se tienen dos canales el P y el N, los cuales con los inversores son llamados los P-MOSFET y N-MOSFET

7

FUENTE: SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS, extraída de:< http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf>

Ahora se mostrará el inversor, de acuerdo a los dos canales presentados anteriormente.

FUENTE: SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS, extraída de:< http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf>

“Como se observa, los transistores operan de forma complementaria. Cuando la tensión de entrada se encuentra en alto (1 lógico), el transistor NMOS entra en estado de conducción y el transistor PMOS entra en corte, haciendo que la salida quede en bajo (0 lógico). La situación inversa ocurre cuando la tensión se encuentra en bajo.” (José Antonio Sáez Muñoz, Familia Lógica CMOS) Ahora se presentará la tabla de la verdad para la compuerta lógica INVERSOR CMOS

FUENTE: SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS, extraída de:< http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf>

-

Compuerta NAND CMOS: 8

FUENTE: SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS, extraída de:< http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf>

La compuerta NAND CMOS funciona como un NAND, sin embargo, es como si los canales N y P tienen un INVERSOR básico, a continuación, se presenta la tabla de la verdad para la compuerta lógica NAND CMOS

FUENTE: SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS, extraída de:< http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf>

-

Compuerta lógica NOR CMOS:

La compuerta NOR CMOS, se forma a partir de un P-MOSFET en serie y un N-MOSFET, en paralelo al inversor básico.

9

FUENTE: SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS, extraída de:< http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf>

A continuación, se presentará la tabla de la verdad para la compuerta NOR CMOS:

FUENTE: SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS, extraída de:< http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pdf>

-

Compuertas AND CMOS y OR CMOS:

Estas dos compuertas se forman a partir de la combinación de CMOS, con sus respectivos inversores.

NAND CMOS y NOR

Datasheet Un Datasheet es una hoja de datos la cual proporciona información acerca de los circuitos integrados que uno esté interesado, estos son hechos por los fabricadores del circuito, ya que ellos saber el funcionamiento específico, y la manera de cómo se deben usar estos, por lo que los Datasheet propicia esa valiosa información al usuario que lo necesite. 10

Como los Datasheet son escritos por ingenieros y para ingenieros, por lo que “al principio son difíciles de leer, pero con un poco de práctica se puede sacar mucho provecho de estos textos, que son el mejor lugar donde encontrar detalles para diseñar o reparar un circuito” (9) Lo que está escrito en estas hojas de datos depende del componente que se quiera averiguar, por lo que hay de 1 hoja hasta miles de hojas explicando “microcontroladores, procesadores o componentes con muchas características y detalles” (9)

Lógica Programable Los dispositivos lógicos programables son circuitos integrados, los cuales permiten combinar millones de compuertas en el mismo encapsulado lo cual le permiten al usuario saber cómo deben unirse. Las aplicaciones son combinaciones y secuenciales. En diferentes aplicaciones los PLDs, o más específicamente las matrices lógicas programables son muchos más usados que los SSI (Small-Scale Integration y hace referencia a los primeros circuitos integrados que se desarrollaron) y MSI (dispositivos que contenían cientos de transistores cada chip, llamados MSI, Medium-Scale Integration.), por su bajo costo y la reducción de sus etapas. Estos PLDs están formados por matrices de compuertas AND y OR las cuales son posibles programarlas para dar funciones lógicas específicas. Se sabe que existen cuatro dispositivos de PLDS, los cuales son: 

  

La memoria programable de sólo lectura (Programmable Read Only Memory, PROM). (J. ALVAREZ DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES Y MEMORIAS)(2) La matriz lógica programable PLA (Programmable Logic Array). (J. ALVAREZ DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES Y MEMORIAS)(2) La matriz lógica programable PAL (Programmable Array Logic). (J. ALVAREZ DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES Y MEMORIAS)(2) La matriz lógica genérica GAL (Generic Array Logic). (J. ALVAREZ DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES Y MEMORIAS)(2)

11

2.

Diseño de la práctica

2.1

Materiales  

Simulador Multisim. Dip Switch de los circuitos integrados.

2.2

Diseño

1. Primeramente, se analizarán los Datasheet de los diferentes circuitos integrados con los que se trabajarán, para este informe se analizarán los de 3 circuitos integrados que son el NAND (74ALS00N), NOT (74AS04N) y el XOR (74LS14N). Con esto sabremos las características, el funcionamiento de cada pin, y datos importantes que es importante saber de los circuitos integrados. DATA SHEET 7400

12

DATA SHEET 7404

13

DATA SHEET 7414

Observamos algunas características de estos circuitos con los Datasheet u hojas de datos, se puede observar características como los voltajes mínimos y máximos, las aplicaciones que tienen, la temperatura a la cual puede operar cada circuito, e incluso la composición, con lo cual esta hecho los circuitos. Como se dijo algunos Dtatsheet son más extensos que otros ya que esto depende de los componentes y funcionamientos que tengan los dispositivos.

Con estos circuitos integrados ya establecidos, se procederán a montarlos en las compuertas lógicas con las que obtendremos resultados booleanos, con este ejercicio práctico que se llevará a cabo en el programa Multisim, que es un simulador SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis), el cual ayuda a visualizar y analizar el comportamiento de los circuitos electrónicos, por lo que ayuda a la retención de toda la teoría de los circuitos en el plan de estudios de la Ingeniería.

Las compuertas lógicas que se comprobarán son las siguientes: 2. 3. 4. 5. 6. 7.

NOT (74AS04N) OR (74LS32N) AND (74AS08N) XOR (74LS14N) NOR (74AS02N) NAND (74ALS00N)

14

3.

Desarrollo de la práctica

Para el laboratorio II era por medio del simulador “Multisim” lo cual debíamos incorporar mediante Circuitos integrados las practicas que realizamos y comprobar por medio de las tablas de verdad que los valores sean los que se debían dar de acuerdo con el tipo de compuerta lógica que se estaba manejando, para la incorporación de los circuitos integrados ingresamos al programa y hacemos los siguientes pasos: 

Ingresamos al simulador MULTISIM



En la parte superior izquierda en los símbolos de compuertas buscamos los tipos TTL



Seleccionamos los que necesitamos. 15



Nos aparece una nueva ventana para confirmar las cantidades de salidas que deseamos de ese circuito. En este caso tenemos un máximo de 4 (ABCD)



Si necesitamos una única salida seleccionamos letra “A”

16



Hacemos las conexiones correspondientes

17

4. Resultados Ya hecho los diferentes montajes de las compuertas NOT, OR, AND, X OR, NAND, X NOR, se hacen las respectivas tablas de la verdad con el fin de confirmar y relacionar lo presentado en la teoría, el diseño y la práctica. Los resultados se mostrarán por cada una de las compuertas realizadas por Multisim, con imágenes que lo soportan:

4.1

Tablas de la verdad

Compuerta Lógica NOT Entradas

Salida

1

0

0

1

Montaje

 

Compuerta lógica AND Entradas

Salida

Montaje

18

0

0

0

 

0

1

0

 

1

0

0

 

1

1

1

  Compuerta lógica OR Entradas

Salida

Montaje 19

0

0

0

 

1

0

1

 

0

1

1

 

1

1

1

 

Compuerta lógica X OR 20

Entradas

1

Salida

1

Montaje

0

 

0

0

0

 

0

1

1

 

1

0

1

 

Compuerta Lógica NAND Entradas

Salida

Montaje

21

0

0

1

 

1

0

1

 

0

1

1

 

1

1

0

 

Compuerta lógica NOR Entradas

Salida

Montaje 22

1

1

0

 

0

1

0

 

1

0

0

 

0

0

1

 

Ahora se realizará un circuito el cual contenga diferentes compuertas lógicas, en este caso se usaron las compuertas lógicas XOR (74LS14N), NAND (74ALS00N), NOT (74AS04N) .

23

24

5.

Conclusión

Cuando se realiza la incorporación de los circuitos integrados observamos que las tablas de verdad respecto al primer laboratorio son iguales puesto que los circuitos integrados hacen la función correspondiente a la compuerta que se maneja entonces en este orden de ideas incorporar los Circuitos integrados y los switch son las dos maneras que hay para comprobar las compuertas lógicas.

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Bibliografía Tomado de: -

(1) https://www.muycomputerpro.comesto-es-lo-que-cobra-tsmc-por-cada-oblea-desilicio-segun-el-proceso-de-fabricacion-utilizado

-

(2)J.ALVAREZ , DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES Y MEMORIAS: https://www.infor.uva.es/~jjalvarez/asignaturas/fundamentos/apuntes/digital/Tema4 _memorias.pdf

-

(3) Mundo Electrónico, Encapsulados-Principales tipos en circuitos integrados, https://www.1tech.es/blog/encapsulados_tipos/

-

(4) SAES MUÑOS, FÁMILIA LÓGICA CMOS: http://electronica.ugr.es/~amroldan/asignaturas/curso0405/ftc/pdf/trab_familia_cmos.pd f

-

-

(5) Culturación, Que es una memoria flash, https://culturacion.com/que-es-una-memoria-flash/ (6) Sistemas Master Magazine, Definición de Zócalo, 2016 https://sistemas.com/zocalo.php (7) Mónica Rico, Digitales I, https://newava.ucatolica.edu.co/ava2/pluginfile.php/454314/mod_resource/content/ 1/ultimomaterial.pdf (8) Electrónica Unicrom, Familia de circuitos integrados TTL, https://unicrom.com/familia-de-circuitos-integrados-ttl/ (9) Paguayo, MCI capacitación, ¿Cómo leer una hoja de datos?, 18/06/2019, https://cursos.mcielectronics.cl/2019/06/18/como-leer-una-hoja-de-datos/

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