TTL y CMOS: Características y Diferencias

En el diseño de circuitos digitales, es fundamental tener en cuenta los márgenes de entrada y salida, tensiones e intensidades de las puertas lógicas. A continuación, se definen algunos conceptos clave:

• VIH (Voltage Input High): Tensión mínima de entrada para un nivel lógico alto.
• VIL (Voltage Input Low): Tensión máxima de entrada para un nivel lógico bajo.
• VOH (Voltage Output High): Tensión mínima de salida para un nivel lógico alto.
• VOL (Voltage Output Low): Tensión máxima de salida para un nivel lógico bajo.

DIBUJO (Diagrama de niveles de tensión)

En cuanto a la corriente, se definen los siguientes parámetros:

• IIL (Input Current Low): Corriente de entrada a nivel lógico bajo.
• IIH (Input Current High): Corriente de entrada a nivel lógico alto.
• IOL (Output Current Low): Corriente de salida a nivel lógico bajo.
• IOH (Output Current High): Corriente de salida a nivel lógico alto.

Fan-In y Fan-Out

El Fan-In y el Fan-Out indican la capacidad de conexión de una puerta lógica. El Fan-In se refiere al número de entradas que puede tener una puerta, mientras que el Fan-Out indica el número de puertas que se pueden conectar a una salida. Generalmente, el Fan-In admite una sola salida, mientras que el Fan-Out permite conectar varias entradas a una salida (TTL: 10 entradas; CMOS: 25 entradas).

Tiempo de Subida, Bajada y Propagación

El tiempo de subida se define como el tiempo que tarda una señal en pasar del 10% al 90% de su valor máximo. El tiempo de propagación es el tiempo que transcurre desde que se aplica un valor en la entrada hasta que aparece su respuesta en la salida. Para medir los tiempos de propagación, se suelen utilizar puertas NAND.

Margen de Ruido

El margen de ruido se refiere a la inmunidad de una puerta lógica a las perturbaciones. Se distingue entre el margen de ruido alto (posibilita el 1 lógico) y el margen de ruido bajo (posibilita el 0 lógico). Los circuitos integrados suelen incorporar un pequeño condensador de desacoplo para minimizar el ruido eléctrico en las señales digitales. Este condensador se conecta entre el positivo y el negativo de la alimentación.

DIBUJO (Diagrama de conexión del condensador de desacoplo)

Tecnología TTL

La tecnología TTL (Transistor-Transistor Logic) utiliza transistores bipolares.

DIBUJO (Esquema de un transistor bipolar)

Algunos circuitos TTL tienen salida de colector abierto, lo que significa que el colector del transistor de salida no tiene ninguna carga interna. En estos casos, es necesario conectar una carga externa, como una resistencia de 1K, para que funcione correctamente. No todos los integrados admiten esta configuración.

El Totem-Pole es una configuración de salida TTL que sí tiene carga interna, permitiendo conectar la salida directamente a la entrada de otra puerta sin necesidad de componentes adicionales. En los circuitos TTL, si una entrada no está conectada, se interpreta como un nivel lógico alto. Sin embargo, se recomienda conectar las entradas no utilizadas a un nivel lógico definido (0 o 1) para evitar tiempos de incertidumbre prolongados. Si se conecta a nivel alto, se puede hacer a través de una resistencia de 1K, pero conectarla directamente a la alimentación positiva puede dañar el circuito.

Tecnología CMOS

La tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) utiliza transistores de efecto campo (FET), en particular, una evolución de estos, los MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).

DIBUJO (Esquema de un transistor MOSFET)

En los MOSFET, una pequeña tensión en la puerta controla la corriente que circula entre el drenador y el surtidor. Los circuitos CMOS se caracterizan por su bajo consumo de energía, aunque suelen ser más lentos que los TTL. Su tensión de alimentación típica oscila entre 3V y 18V. La familia CMOS más común es la 40XX, aunque también existen las series 45XX y 74XXC (es importante que tenga la ‘C’ para indicar que es CMOS).

Comparación entre TTL y CMOS

Las familias TTL y CMOS tienen características distintas que las hacen adecuadas para diferentes aplicaciones. En general, la familia TTL es más rápida, consume más energía, tiene una menor relación señal/ruido, una menor densidad de integración y un Fan-Out menor que la familia CMOS.

Codificadores

Codificadores sin Prioridad

En los codificadores sin prioridad, solo una de las entradas puede estar activa a la vez. Si se activan varias entradas simultáneamente, la salida generará un código erróneo.

Codificadores con Prioridad

Los codificadores con prioridad permiten que varias entradas estén activas al mismo tiempo sin generar errores en la salida. En este caso, el codificador selecciona la entrada con mayor peso. Al analizar codificadores, es importante considerar los pesos de las entradas, de mayor a menor. Por ejemplo, el código binario 110 corresponde al número 6 en decimal.

Decodificadores

Un decodificador realiza la función inversa a un codificador. Recibe información codificada en binario en sus entradas y activa una única salida correspondiente al código de entrada.

Decodificadores no Excitadores

Los decodificadores no excitadores generan una corriente de salida muy pequeña, por lo que solo pueden conectarse a otros circuitos de la misma familia.

Decodificadores Excitadores

Los decodificadores excitadores pueden suministrar una mayor corriente de salida, lo que les permite controlar otros circuitos y dispositivos, como displays o relés.

Decodificador BCD a 7 Segmentos

Estos decodificadores pueden activar varias salidas simultáneamente y son capaces de proporcionar o absorber suficiente corriente para controlar displays de 7 segmentos.

Displays de 7 Segmentos

Los displays de 7 segmentos están formados por siete segmentos LED, identificados con letras. Cada segmento consume aproximadamente 10 mA y tiene una tensión de 1,6V.

Display de Ánodo Común

En un display de ánodo común, los ánodos de todos los LEDs están conectados a un terminal común, y el cátodo de cada LED se conecta a una salida del decodificador activa a nivel bajo. Se utiliza una resistencia limitadora para ajustar la corriente a 10 mA y la tensión a 1,6V. Solo se iluminarán los segmentos activos a nivel bajo.

Display de Cátodo Común

En un display de cátodo común, los cátodos de todos los LEDs están conectados a un terminal común, y los ánodos se conectan a la salida del decodificador activa a nivel alto. Se utiliza una resistencia limitadora entre el display y el decodificador. Solo se iluminarán los segmentos activos a nivel alto.