Tema 5. Fundamentos de electrónica digital
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FUNDAMENTOS FISICOS Y TECNOLOGICOS (FFT) 1
Grado en Ingeniería Informática
Tema 5. Fundamentos de electrónica digital
5.1. Par5.1. Paráámetros caractermetros caracter íísticos de una familia sticos de una familia llóógicagica
5.2. Puertas l5.2. Puertas l óógicas con MOSFETgicas con MOSFET ´́ss
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5.1. Características de las familias lógicas
� Símbolo del Inversor lógico digital:
� Para un inversor ideal : la transición desde el estado alto al bajo es
abrupta, VOH representa el 1 lógico y VOL el 0 lógico.
5.2.1. Características de transferencia estáticas
Vi Vo
0 1
1 0
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�Característica de transferencia de un inversor real
VOH: Máxima tensión de salida uno lógicoVOL: Mínima tensión de salida cero lógicoVIL: Máxima tensión de entrada cero lógicoVIH: Mínima tensión de entrada uno lógicoVth: Tensión umbral del inversor Vth = Vin =Vout
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� Es necesario que VOL < VIL y VIH < VOH para asegurar que el nivel de
salida de una puerta lógica es un nivel de entrada apropiado para
una segunda puerta
Márgenes de ruido:
Margen de ruido alto: NMH= VOH –VIH
Margen de ruido bajo: NML= VIL -VOL
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� Número máximo de puertas que se pueden conectar a la entrada
sin estropear el funcionamiento.
� Si se excede este valor la puerta lógica producirá una salida es
un estado indeterminado o incorrecto.
� La señal de entrada puede resultar deteriorada por la carga
excesiva.
� Numero máximo de puertas que se pueden conectar a la salida
de la puerta.
Característica de entrada: FAN IN
Característica de salida: FAN OUT
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Características de transferencia dinámicas
� Debido a la no idealidad del inversor básico, las transiciones entre
los estados alto y bajo, cuando la señal de entrada es un pulso, no
son instantáneas, sino graduales debido a las capacidades parásitas
de los dispositivos.
� Se pueden definir algunos tiempos característicos para cuantificar el
retardo producido por dichas capacidades:
• tiempo de caída tf variación del 90% al 10% de la salida
• tiempo de subida tr variación del 10% al 90% de la salida
• tiempo de propagación alto bajo tPHL
• tiempo de propagación bajo alto tPLH
• tiempo de propagación de la puerta tP=0.5 (tPHL + tPLH )
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5.2 Tecnologías MOS y CMOS
LLóógica MOSgica MOS
Inversor MOS
Puertas NOR y NAND
Lógica CMOS
Inversor CMOS
Puertas NOR y NAND
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� Es una de las cuatro tecnologías más utilizadas para hacer circuitos digitales.
� Permite implementar con una mayor densidad:
• Cada transistor NMOS utilizado ocupa un espacio inferior al
de los bipolares.
• Simplicidad de la topología.
� Para entender el funcionamiento de esta lógica conviene ver el
NMOS como interruptor.
Lógica MOS
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Inversor NMOS
G
D
SNMOS
Carga� La carga puede ser:
• Resistencia
• NMOS en deplexión
• NMOS en enriquecimiento
� El NMOS driver funciona como interruptor:
DSoGSi VVVV == ,
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⇒≈⇒<⇒/=
0
0
D
tGSi
I
VVV lógico Si1)
lógico1=oV
⇒≠⇒>⇒=
0
1
D
tGSi
I
VVV lógico Si2)
lógico0/=oV
Interruptor abierto
Interruptor cerrado
VDD
Vo
VDD
Vo( )
−−=⇒−< 2
2
1DSDStGSDtGSDS VVVVkIVVV linealSi
( )2
2 tGSDtGSDS VVk
IVVV −=⇒−> sat.Si
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� Inversor NMOS con resistencia de carga
G
D
S
RD
⇒≈⇒⇒<=
0D
tGSi
I
VVV OFF NMOS Si1)
OHDDo VVV ==
tGSi VVV >= Si2)
DSoGSi VVVV == ,
Lineal en NMOS 2.b)
Saturación enNMOS2.a)
Análisis del inversor
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Sat. NMOSON NMOS
) teinicialmen
que suponiendo y mayor poco un (sólo Si2.a)
⇒
−>−>
⇒⇒
=>=
tGSDS
tio
DDo
tGSi
VVV
VVV
VV
VVV
( ) ⇒−=−=D
oDDtGSD R
VVVV
kI 2
2
−<−<
⇒
−=⇒
tGSDS
tio
tiooi
VVV
VVV
VV VVV
Lineal NMOS instante este en
que hasta disminuye aumenta Si2.b)
( )2
2 tiD
DDo VVRk
VV −⋅−=
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( )D
oDDDSDStGSD R
VVVVVVkI
−=
−−= 2
2
1
( ) ( )D
DDDtiD
D
tiDo Rk
VRkVVRk
Rk
VVRkV
⋅⋅⋅⋅−−⋅+
−⋅
−⋅+=211
2
( )DDOHioOL VVVVV ===
nintegració de problema
pequeñas disipadas potencias :grandes Con
pequeño un interesa Nos
⇒
⇒D
OL
R
V
Calculo de la tensión VOLIgualamos la corriente que pasa por la resistencia conla corriente que pasa por el NMOS
Para RD grande VOL pequeño
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Función de transferencia NMOS con resistencia de carga
Vi*
Vo*
OFF SAT. LINEAL
VT
Pendiente= -1
Pendiente= -1
VOH=VDD
VO ( Vi=VOH =VDD )= VOL
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� Inversor NMOS con carga de enriquecimiento
( )
( )21
1
21
11
2
2
toDD
tGSD
tGSDSDSGS
VVVk
VVk
I
VVVVV
−−=
=−=
−>⇒=
:saturación en
hace lo siempre conduce Si
:M1
iGSoDS VVVV =⇒= :M2
M1
M2
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Función de transferencia NMOS con carga en enriquecimi ento
Comparamos con inversor con RD: - Ventaja: ocupa menos área.
- Inconveniente: VOH es menor
IM1 SAT.M2 OFF
IIM1 SAT.M2 SAT.
IIIM1 SAT.M2 LINEAL
VT2
VOH=VDD – Vt1
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� Inversor NMOS con carga en deplexión
M1
M2
( )
( )( ) ( )
−−−−=
⇒−<−
−=
⇒>−⇒>=
211
1
21
11
1
1
2
1
2
0
oDDoDDtD
tDS
tD
tDS
tGS
VVVVVI
VV
Vk
I
-VV
VV
:Lineal Si
Saturación Si
ONsiempreM :M 11
oDStDS VVVV =⇒= 2 :M2
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DDo VV =
00 122 =⇒=⇒⇒< DDti IIVV OFFM Si I) 2
Análisis del inversor
( )
( ) ( )
⇒=
=
−−−−=
⇒≠−=
I
vVvVVkI
Vk
I
D
ODDODDtD
tD
0
02
22
11
21
11
cumpla se que para
lineal M 0 saturado M Si 11
linealM y disminuye aumenta, si luego-
,saturación enM primero-
ONM Si IV) y III) II)
2
2
2
oi
ti
VV
VV ⇒> 2
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Grado en Ingeniería Informática
III: M2 SAT
M1 SAT
IV: M2 LINEAL
M1 SAT
Función de transferencia NMOS con carga en deplexión
III
I: M2 OFF
M1 LINEAL
II: M2 SAT
M1 LINEAL
Problema lógicas NMOS: Consumo potencia estática
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Puertas NOR y NAND
Puerta NAND
� La salida será 0 sólo cuando ambas entradas estén a 1.
� Tabla de verdad:
A B Vo
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
� Sabiendo la filosofía del interruptor es muy fácil analizar y construir cualquier función lógica con NMOS
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Puertas NOR
A B Vo
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
� REGLA : Vemos cuando queremos la salida a 0 y se coloca la red NMOS adecuada teniendo en cuenta que multiplicar es colocar transistores en serie y sumar es colocarlos en paralelo.
� La salida será 0 sólo cuando ambas entradas estén a 0.
� Tabla de verdad:
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Lógica CMOS
Lógica con transistores NMOS y PMOS
Con esta construcción se pretende que el consumo de potencia sea reducido.
Esto se consigue gracias a que cuando el transistor NMOS conduce, el PMOS está en corte y viceversa.
Ventajas : Consumo de potencia estática nuloGran FAN OUTGrandes Márgenes de Ruido VOH=VDD y VOL=0
Desventaja: mayor numero de transistores
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Inversor CMOS
M2
M1
GS
D
G
S
D
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+≤
+>⇒>−⇒>⇒
⇒
−=−=
tpDDi
tpDDitpDDitpGS
DDoDS
DDiGS
VVV
VVVVVVVV
VVV
VVV
si ON M
si OFF M
:M
2
2
2
( )( ) ( )
( )22
2
2
2
si Saturación M
2
1
si Lineal M
tpDDip
D
tpoitpGSDS
DDoDDotpDDipD
tpoi
tpDDiDDotpGSDS
VVVk
I
VVVVVV
VVVVVVVkI
VVV
VVVVVVVV
−−=
+≥⇒−≤
−−−−−=
+<⇒
⇒−−>−⇒−>
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>⇒><⇒<
⇒
==
tnitnGS
tnitnGS
oDS
iGS
VVVV
VVVV
VV
VV
si ON M
si OFF M
:M
2
2
1
( )
( )2
2
2
1
2
si Saturación M
2
1
si Lineal M
tnin
D
tnoitniotnGSDS
ootninD
tnoitniotnGSDS
VVk
I
VVVVVVVVV
VVVVkI
VVVVVVVVV
−=
+≤⇒−≥⇒−≥
−−=
+>⇒−<⇒−<
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I: M1 OFF
M2 LINEAL
II: M1 SAT
M2 LINEAL
III: M1 SAT
M2 SAT
IV: M1 LINEAL
M2 SAT
V: M1 LINEAL
M2 OFF
I II IV V
V*i -|Vttp|
tpoi VVV +=
Tnoi VVV +=
thV
III
tnV tpDD VV +
Función de transferencia CMOS
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p
n
p
ntntpDD
th
k
k
k
kVVV
V
+
++=
1
Tensión umbral del inversor CMOS
CMOS simétrico Vth=VDD/2 Cuando Vtn = |Vtp| y kn=kp
Igualando las corrientes del NMOS y PMOS, los dos están en saturación:
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7.2.2. Puertas NAND y NOR
� La idea es similar a la de la lógica NMOS.
� Cuando queremos sintetizar una función:
• vemos los 0 que tiene e implementamos con la red de NMOS la
NOT de la función que queremos,
• colocar una red de transistores PMOS en la carga con una
topología complementaria a la de los NMOS:
Red NMOS: x: NMOS en serie +: NMOS en paralelo
Red PMOS: x: PMOS en paralelo +: PMOS en serie
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� Cuando queremos obtener la función lógica que implementa
un circuito:
• ver los NMOS y los PMOS como interruptores,
• para cada combinación de entradas se ve si hay un
camino hasta tierra o si es hacia la fuente, sabiendo que por
la topología de esta lógica siempre va a sólo uno de los dos.
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Puerta NAND
0ONONOFFOFF11
1OFFONONOFF01
1ONOFFOFFON10
1OFFOFFONON00
VoM4M3M2M1BA
BAVo ⋅=
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Puerta NOR
BAVo +=
0ONONOFFOFF11
0OFFONONOFF01
0ONOFFOFFON10
1OFFOFFONON00
VoM4M3M2M1BA