Resumen – In actual practice on logical interfaces between families is a very basic and necessary practice, as it helps us to understand the functioning of families logical, it is also very necessary to know how you should connect properly because if the IC can connect suffered badly breakdowns or even damage the circuit, therefore you should review the datashit correct to connect mind.

Index Terms — TTL, CMOS, Interfaces.

I. INTRODUCCIÓN

La Electrónica Digital se fundamenta en transmitir y recibir información por medio de dos estados diferentes (Alto / Bajo – Verdadero / Falso).Una puerta lógica realiza una determinada función lógica digital.Existen dos grandes tecnologías digitales: TTL y CMOS.En 1.993 existían fundamentalmente seis subfamilias TTL y cuatro CMOS, cada una con unas características diferentes que las hacen propicias para cada tipo de aplicación.Los fabricantes han perseguido la reducción del parámetro “producto de Ene-2003 Departamento de Ingeniería de la Información y Comunicaciones Universidad de Murcia 3Los fabricantes han perseguido la reducción del parámetro “producto de potencia disipada – retardo propagación” (es decir, aumentar la velocidad, reduciendo el consumo).La evolución de las tecnologías TTL está en la mejora del circuito básico de sus puertas.La evolución de las tecnologías CMOS mantiene el circuito básico de sus puertas, mejorando las características de la fabricación de cada familia CMOS.Los requisitos de mercado de equipos portátiles ha propiciado la evolución de las tecnologías a tensiones de alimentación cada vez más reducidas (3.3 v, 2.5 v). [1]

II. OBJETIVOS.

Describir las razones por las cuales es necesario tener un circuito interfaz para trabajar con CI CMOS y TTL

Comprobar el funcionamiento de dos interfaces TTL – CMOS, al menos una interfaz para dispositivos CMOS con una fuente de alimentación diferente a 5V.

Comprobar el funcionamiento de dos interfaces CMOS - TTL, al menos una interfaz para dispositivos CMOS con una fuente de alimentación diferente a 5V.

Tomar datos de voltaje de cada interfaz para analizar el acondicionamiento de la señal en cada etapa del circuito.

III. MARCO TEÓRICO.

A. Interfaces entre familias lógicas.

FAMILIAS LÓGICAS

Una familia lógica es un grupo de dispositivos digitales que comparten una tecnología común de fabricación y tienen estandarizadas sus características de entrada y de salida; es decir, son compatibles entre sí. Como consecuencia de la estandarización, la interconexión entre dispositivos lógicos de una misma familia es particularmente sencilla y directa: no requiere de etapas adicionales de acoplamiento. [2]

Características generales de las familias lógicas.

Las características más importantes de un circuito digital son su velocidad, su consumo de potencia, su inmunidad al ruido y su confiabilidad. La velocidad mide la rapidez de respuesta de las salidas de un circuito digital a cualquier cambio en sus entradas. El consumo de potencia mide la cantidad de corriente o de potencia que consume un circuito digital en operación. La inmunidad al ruido mide la sensibilidad de un circuito digital al ruido electromagnético ambiental. La confiablidad mide el período útil de servicio de un circuito digital. [2]

FAMILIA LÓGICA TTL

La familia lógica TTL es la más común de todas las familias lógicas. Los circuitos integrados TTL implementan su lógica interna, exclusivamente basándose en transistores NPN y PNP, diodos y resistencias. La familia TTL está disponible en dos versiones: la serie 54 y la serie 74. La primera se destina a aplicaciones militares y la segunda a aplicaciones industriales y de propósito general. La familia TTL o bipolar se divide en las siguientes categorías o subfamilias básicas:

TTL estándar. TTL Schottky (S). TTL de baja potencia (L). TTL Schottky de baja potencia (LS). TTL de alta velocidad (H). TTL Schottky avanzada (AS). TTL Schottky de baja potencia avanzada (ALS).

1

Richard Ramos Tituana.e-mail: rramost@est.ups.edu.ec

PRÁCTICA No6: Interfaces entre familias lógicas

Tensión de alimentación (+ VCC).

Los circuitos TTL en general, pueden operar con tensiones entre 4.75 V. y 5.25 V. Pero el valor nominal de la tensión de trabajo es de + 5 volts.

Niveles de voltaje.

De 0 V. a 0.8 V. para el estado bajo.

De 2.4 V. A 5 V. para el estado alto.

FAMILIA LÓGICA CMOS

La familia lógica CMOS, utiliza transistores MOSFET complementarios canal N y canal P como elementos básicos de conmutación. Los circuitos integrados digitales fabricados mediante tecnología CMOS se pueden agrupar en las siguientes categorías o subfamilias básicas:

CMOS estándar. CMOS de alta velocidad (HC). CMOS compatible con TTL (HCT). CMOS equivalente a TTL (C).

Familia CMOS estándar.

La familia CMOS estándar comprende principalmente los dispositivos que se designan como 40XX (4012, 4029, etc.) y 45XX (4528, 4553, etc.). Existen dos series generales de dispositivos CMOS designadas “A” y “B”.

Los dispositivos de la serie “A” se designan con el sufijo “A” o simplemente no lo traen impreso (4011A = 4011). Todos los dispositivos de la serie “B” llevan el sufijo B. La principal diferencia entre los dispositivos de las series A y B está en que los CMOS “B” contienen una circuiteria interna de protección que reduce el riesgo de daño al dispositivo por el fenómeno de descarga electrostática.

Tensión de alimentación (+ VDD).

Tienen un amplio margen de tensión comprendido entre + 3 V. y + 18 V.

Niveles de voltaje.

De 0 V. a 0.3 VDD para el estado bajo.

De 0.7 VDD a VDD para el estado alto.

PRECAUCIONES A TOMAR EN EL MANEJO DE DISPOSITIVOS CMOS.

Todos los dispositivos CMOS son muy susceptibles al daño ocasionado por descarga electrostática entre cualquier par de pines. La electrostática o electricidad estática consiste en la creación de altos voltajes en la superficie de un material aislante por efecto de fricción o frotamiento.

1. Conservar el circuito integrado en su contenedor original hasta que sea insertado en el circuito de aplicación.

2. Conectar todas las entradas no empleadas a un nivel estable. No dejarlas sin conectar.

3. Verificar la polaridad de la fuente de alimentación. El positivo debe ir al pin +VDD y el negativo o tierra al pin VSS.

INTERFACES LOGICAS.

Una interface es la interconexión eficiente de dos dispositivos, circuitos o sistemas que no son compatibles entre sí y tienen características eléctricas diferentes. Las interfaces lógicas o reales permiten que dispositivos de diferentes familias o subfamilias puedan comunicarse entre sí. Interfaces entre familias lógicas Existen situaciones donde se hace necesario interconectar dispositivos pertenecientes a diferentes familias lógicas con el fin de aprovechar las ventajas que cada tecnología ofrece. Para que esta interconexión sea eficiente, deben conocerse las características de entrada y de salida de las familias lógicas comprometidas. Cada familia lógica interpreta de manera diferente un nivel alto o bajo de voltaje y tiene sus propios requisitos de corriente de entrada y de salida. Por esta razón, dos familias lógicas no se pueden conectar directamente: necesitan de una interface que las comunique y acople sus características de voltaje y corriente.

Interfaces de TTL a CMOS

Una entrada CMOS es relativamente fácil de manejar a partir de una salida TTL cuando los dispositivos involucrados en la interface operan a partir de una misma fuente de + 5 V. Las características de corriente de salida de TTL son más que adecuadas para manejar entradas CMOS. Sólo deben hacerse compatibles los niveles de voltaje.

Interface TTL estándar a CMOS con resistencia.

La resistencia R acopla los niveles de voltaje de ambas familias. Su valor fluctúa entre 330 Ω y 15 KΩ. Un valor típico es de 1 KΩ.

FIG. 1. Interface TTL estándar a CMOS con resistencia. [2]

Interface TTL-LS a CMOS con resistencia.

La resistencia R acopla los niveles de voltaje de ambas familias. Su valor fluctúa entre 1.2 KΩ y 15 KΩ. Un valor típico es de 2.2 KΩ.

2

FIG. 2. Interface de TTL-LS a CMOS con resistencia. [2]

Interface de TTL a CMOS con colector abierto.

Este método emplea una salida de TTL de colector abierto de alto voltaje conectada a la entrada CMOS a través de una resistencia de pull-up. Este método es muy apropiado para muchas aplicaciones, pero presenta el inconveniente de ser muy susceptible al ruido.

FIG. 3. Interface de TTL a CMOS con colector abierto. [2]

Interface básica de TTL a CMOS con transistor.

Una solución más adecuada es emplear un transistor de propósito general conectado en la configuración de emisor común. El transistor y las resistencias R1 y R2 desplazan los niveles 32 necesarios para operar los niveles de voltaje de la salida TTL, a los valores necesarios para operar la entrada CMOS.

FIG. 4. Interface básica de TTL a CMOS con transistor. [2]

Interfaces de CMOS a TTL

Una salida CMOS puede manejar directamente una entrada 74LS ó 74L cuando ambos dispositivos operen a partir de una misma fuente de + 5 V.

FIG. 5. Interface directa de CMOS a TTL-LS. [2]

Interface de CMOS a TTL con buffer CMOS.

Para poder manejar entradas TTL estándar, una buena solución consiste en emplear un buffer. Se conecta la entrada TTL estándar a una salida CMOS mediante un buffer CMOS 4049 ó 4050. Estos dispositivos manejan normalmente hasta dos entradas de la serie 74.

FIG. 6. Interface de CMOS a TTL con buffer CMOS. [2]

Interface de CMOS a TTL con 40107B.

El circuito integrado 40107B consta de dos compuertas NAND de 2 entradas de drenador abierto. Puede manejar voltajes de carga de + 20V y tiene, típicamente una capacidad de corriente de salida de 136 mA. Trabaja con tensiones de alimentación de + 3V hasta + 18V.

FIG. 7. Interface de CMOS a TTL con 40107B. [2]

3

Interface de CMOS a TTL con buffer CMOS.

Una forma muy sencilla de conectar una salida CMOS a una entrada TTL consiste en emplear un buffer CMOS 4049 ó 4050. Las entradas de estos dispositivos aceptan voltajes superiores al de alimentación. En este caso, el 4049 recibe voltajes de entrada entre 0 V y 9V y suministran voltajes de salida entre 0 V y 5V.[2]

FIG. 8. Interface de CMOS a TTL con buffer CMOS. [2]

Interface de CMOS a TTL con 40107B.

Cuando los dispositivos involucrados en la interface operan a diferentes voltajes, una forma de interfazarlos es mediante un buffer de drenador abierto 40107B con resistencia de pull-up. El buffer opera a partir de la fuente de alimentación del dispositivo CMOS. La resistencia de pull-up se conecta a la fuente del dispositivo TTL.[2]

FIG. 9. Interface de CMOS a TTL con 40107B. [2]

Interface de CMOS a TTL con transistor.

Este método emplea un transistor NPN de propósito general. Este transistor, en conjunto con sus resistencias de polarización (R1, R2 y R3), convierte niveles lógicos CMOS en niveles lógicos TTL. [2]

FIG. 10. Interface de CMOS a TTL con transistor. [2]

IV. MATERIALES.

Cantidad Descripción

Precio

8 R 1KΩ 0.752 Cmos 0.752 TTL 0.752 Dip switch 0.251 Protoboard …….1 Fuente …….1 Multímetro …….

Total 5,25

V. PROCEDIMIENTO.

1. TTL – CMOS.Circuito número 1.

R11kΩ

R21kΩ

J1

VCC5V

U1

74LS08N

1A1B1Y2A2B2YGND 3Y

3A3B4Y4A4BVCC R3

1kΩ

U2

4069BCP_5V

1A 1Y2A 2Y3A 3Y

VSS

4Y4A5Y5A6Y6A

VDD

U3

DC 10MOhm

4.999 V+ -

U4

DC 10MOhm

4.999 V+ -

U5

DC 10MOhm

5.000 V+ -

U6

DC 10MOhm

0.000 V+ -

Tabla 1. Mediciones en laboratorio.

A B X Q1.6mv 1.8mv 288mv 4.69v H1mv 4.95v 288mv 4.69v H4.95v 1.5mv 288mv 4.96v H4.96v 4.96v 4.95v 3.01v L

4

Circuito número 2.

R41kΩ

R51kΩ

J2

VCC5V

U7

74LS08N

1A1B1Y2A2B2YGND 3Y

3A3B4Y4A4BVCC

R6

1kΩ

U8

DC 10MOhm

4.999 V+ -

U9

DC 10MOhm

4.999 V+ -

Q1

2N2222A

R710kΩ

U11

DC 10MOhm

10.000 V+ -

U12

DC 10MOhm

0.695 V+ -

VDD

9V

U10A

4009BCL_10V

Tabla 2. Mediciones en laboratorio.A B X Y Q

3.7mv 3.7mv 147mv 8.97v 0.3mv3mv 4.95v 148mv 8.98v 0.4mv4.95v 4.4mv 148mv 8.99v 0.5mv4.95v 4.95v 0.7v 12mv 8.79v

2. CMOS – TTL.Circuito número 1.

U13

4050BP_5V

VDDY1A1Y2A2Y3A3

VSS

A4 Y4A5 Y5

NC1

A6 Y6

NC2

U14

4081BP_5V

1A1B

1Y

2Y2A2B

VSS

3A3B

3Y

4Y4A4B

VDD

U15

74LS04D

1A1Y2A2Y3A3YGND 4Y

4A5Y5A6Y6AVCC

R81kΩ

R91kΩ

J3

VCC5V

U16

DC 10MOhm

5.000 V+ -

U17

DC 10MOhm

0.050n V+ -

U18

DC 10MOhm

0.050n V+ -

U19

DC 10MOhm

0.000 V+ - U20

DC 10MOhm

0.000 V+ -

Tabla 3. Mediciones en laboratorio.A B X Y Z

30mv 39mv 15mv 25mv 3.32v19mv 4.96v 21mv 30mv 3.32v4.95v 23mv 16mv 25mv 3.32v4.95v 4.96v 4.96v 4.95v 152mv

Circuito número 2.

U21A

4081BT_10V

R101kΩ

R111kΩ

J4

VCC

9V

U22

4050BP_5V

VDDY1A1Y2A2Y3A3

VSS

A4 Y4A5 Y5

NC1

A6 Y6

NC2

U23

74LS04D

1A1Y2A2Y3A3YGND 4Y

4A5Y5A6Y6AVCC

U24

DC 10MOhm

0.000 V+ -

VDD

5V

U25

DC 10MOhm

8.999 V+ -

U26

DC 10MOhm

8.999 V+ -

U27

DC 10MOhm

10.000 V+ - U28

DC 10MOhm

5.000 V+ -

Tabla 4. Mediciones en laboratorio.

A B X Y Z4mv 5.2mv 2mv 50mv 4.38v

2.3mv 8.7v 1.6mv 50mv 4.39v8.8v 4mv 1.6mv 50mv 4.39v8.9v 8.9v 8.9v 4.95v 203mv

SIMULACIONES.

1. TTL - CMOS.

R11kΩ

R21kΩ

J1

VCC

5V

U1

74LS08N

1A1B1Y2A2B2YGND 3Y

3A3B4Y4A4BVCC R3

1kΩ

U2

4069BCP_5V

1A 1Y2A 2Y3A 3Y

VSS

4Y4A5Y5A6Y6A

VDD

U3

DC 1e-009Ohm

0.015 A+ -

R12330Ω

U4

DC 10MOhm

0.050n V+ -

U5

DC 10MOhm

0.050n V+ -

U6

DC 1e-009Ohm

-5.000m A+ -

U30

DC 1e-009Ohm

0.000 A+ -

Tabla 5. Corrientes.A B X Y Q0 0 -5mA 0A 0.015A0 1 -5mA 0A 0.015A1 0 -5mA 0A 0.015A1 1 0.888uA 0.888uA 0A

Como podemos observar al salir de compuerta TTL podemos darnos cuenta que al pasar de la resistencia de 1k podemos observar un decrecimiento de la corriente totalmente ya que el cmos funciona con corrientes bajas.

R41kΩ

R51kΩ

J2

VCC

5V

U7

74LS08N

1A1B1Y2A2B2YGND 3Y

3A3B4Y4A4BVCC

R6

1kΩ

U8

DC 10MOhm

4.999 V+ -

U9

DC 10MOhm

4.999 V+ -

Q1

2N2222A

R710kΩ

VDD

9V

U10A

4009BCL_10VU11

DC 1e-009Ohm

0.030 A+ -

R13330Ω

U12

DC 1e-009Ohm

1.735n A+ -

U29

DC 1e-009Ohm

4.304m A+ -

Tabla 6. Corrientes.A B X Y Q0 0 -0.013nA 1.776uA 0A0 1 -0.013nA 1.776uA 0A1 0 -0.013nA 1.776uA 0A1 1 4.304mA 1.735nA 0.030A

Como podemos observar en la tabla las corrientes que salen del TTL SON MUY BAJAS Y cuando ingresa al BJT podemos observar que a la salida del BJT la corriente es igual baja por ende la corriente de salida del CMOS también es

5

baja, esto dependerá también de como ingresemos los voltajes en A y en B.

2. CMOS – TTL.

U13

4050BP_5V

VDDY1A1Y2A2Y3A3

VSS

A4 Y4A5 Y5

NC1

A6 Y6

NC2

U14

4081BP_5V

1A1B

1Y

2Y2A2B

VSS

3A3B

3Y

4Y4A4B

VDD

U15

74LS04D

1A1Y2A2Y3A3YGND 4Y

4A5Y5A6Y6AVCC

R81kΩ

R91kΩ

J3

VCC

5V

U17

DC 10MOhm

0.050n V+ -

U18

DC 10MOhm

4.999 V+ -

U16

DC 1e-009Ohm

0.000 A+ -

U19

DC 1e-009Ohm

0.000 A+ -

R14330Ω

U20

DC 1e-009Ohm

0.015 A+ -

Tabla 7. Corrientes.A B X Y Q0 0 0A 0A 0.015A0 1 0A 0A 0.015A1 0 0A 0A 0.015A1 1 0.888uA 0.888uA 0A

Como podemos observar la corriente que sale del CMOS es muy baja pero cuando sale después del buffer se mantiene igual pero cuando ingresa a la TTL se puede notar un gran incremento de corriente a la salida de la TTL.

U21A

4081BT_10V

R101kΩ

R111kΩ

J4

VCC5V

U22

4050BP_5V

VDDY1A1Y2A2Y3A3

VSS

A4 Y4A5 Y5

NC1

A6 Y6

NC2

U23

74LS04D

1A1Y2A2Y3A3YGND 4Y

4A5Y5A6Y6AVCC

VDD9V

U25

DC 10MOhm

0.050n V+ -

U26

DC 10MOhm

0.050n V+ -

U24

DC 1e-009Ohm

0.000 A+ -

R15330Ω

U27

DC 1e-009Ohm

0.000 A+ -

U28

DC 1e-009Ohm

0.000 A+ -

Tabla 8. Corrientes.A B X Y Q0 0 0A 0A 0.015A0 1 0A 0A 0.015A1 0 0A 0A 0.015A1 1 1.776uA 0.888uA 0A

Como podemos observar en el circuito es parecido al análisis anterior que las corrientes de salida de la CMOS y el buffer se mantiene mientras que la salida de la TTL cambia considerablemente respecto del ingreso.

VI. CONCLUSIONES.

Como hemos podido observar existen diferentes maneras de acoplar las dos familias de circuitos, ya sean estas de TTL a CMOS o viceversa. Entre los métodos de interfaz tenemos mediante una buffer, que sirve para acoplar una familia TTL con CMOS. Por otro lado también podemos acoplar la familia CMOS con una TTL mediante un transistor. Este método es el más simple que se pude realizar en caso de que se quiera obviar una buffer que disminuya el voltaje de 15v a 5v que se necesita en las familias lógicas TTL.

Un aspecto importante que se debe considerar es que a los integrados CMOS se los debe tener un cuidado especial, ya que si se tiene mucho tiempo en contacto con las manos se pueden quemar.Cabe recalcar que todo lo que aprendimos en esta práctica nos servirá de mucho a futuro, en donde tengamos que acoplar dos tipos de familia, lo cual no nos resultara difícil si aplicamos de forma correcta los conocimientos adquiridos.

VII. BIBLIOGRAFÍA.

[1] INTRODUCCION A LA ELECTRONICA DIGITAL. FAMILIAS LOGICAS. AUTOR: PROFESOR. GERMÁN VILLALBA MADRID, MIGUEL A. ZAMORA IZQUIERDO. Disponible en: http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemas-electronicos/material-de-clase-1/tema-7.-introduccion-a-la-electronica-digital-familias-logicas.pdf

[2] FAMILIAS LOGICAS. Disponible en: http://www.fileden.com/files/2012/1/28/3256423/Interface%20TTL%20-%20CMOS.pdf

[3] FAMILIAS LOGICAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS. DISPONIBLE EN: http://jussantacruz.gov.ar/mario/DIGITAL/circuitos_integrados.html

Autor

Estudiante de la Universidad Politécnica Salesiana en la Carrera de Ingeniería Electrónica cursando el Quinto nivel.

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