Sección 1.6
1.6 Tecnologías de Circuitos Integrados

Una visión completa de las tecnologías, familias lógicas y parámetros que definen el comportamiento de los circuitos integrados digitales modernos.

Tipos de Transistores en Circuitos Integrados

Los tipos de transistores con los que se implementan los circuitos integrados pueden ser transistores bipolares o MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, transistor de efecto de campo por unión metal-óxido-semiconductor). Una tecnología de circuitos que utiliza MOSFET es la tecnología CMOS (Complementary MOS, MOS complementario). Un tipo de tecnología de CI de función fija que utiliza los transistores bipolares es la TTL (Transistor-Transistor Logic, lógica transistor-transistor). BiCMOS utiliza una combinación de las tecnologías CMOS y TTL.

Todas las puertas y otras funciones se pueden implementar con cualquier tipo de tecnología de circuitos. Generalmente, los circuitos SSI y MSI están disponibles en CMOS y en TTL. LSI, VLSI y ULSI suelen implementarse con tecnología CMOS o NMOS, porque requieren una menor superficie de chip y consumen menos potencia. En el Capítulo 3 se tratan más detalladamente estas tecnologías de circuitos integrados. Además, el Capítulo 14 proporciona información completa a nivel de circuito.

CMOS

Complementary MOS. Utiliza transistores MOSFET. Base de LSI, VLSI y ULSI.


TTL (RTL-DTL)

Transistor-Transistor Logic. Utiliza transistores bipolares. Función fija.



BiCMOS

Combinación de tecnologías CMOS y TTL para mayor versatilidad.



Precauciones para la Manipulación de Dispositivos CMOS

Debido a su estructura, los dispositivos CMOS son muy sensibles a las cargas estáticas y pueden resultar dañados por las descargas electrostáticas si no se manipulan correctamente. Al trabajar con dispositivos CMOS deberán tomarse las siguientes precauciones:

Almacenamiento

Los dispositivos CMOS deben ser suministrados y almacenados en espuma conductiva.

Instrumentos y bancos metálicos

Todos los instrumentos y bancos metálicos utilizados en las pruebas deberán conectarse a una toma de tierra.

Herramientas de trabajo

Las herramientas de trabajo deben conectarse a tierra a través de un cable y resistencias en serie de alto valor.

Extracción del circuito

No debe retirarse un dispositivo CMOS (o cualquier dispositivo) de un circuito mientras que la alimentación continua esté conectada.

Tensiones de señal

No deben conectarse tensiones de señal o corriente a un dispositivo CMOS cuando la alimentación continua esté apagada.

Familias Lógicas: Características
¿Qué son las familias lógicas?

Las familias lógicas son conjuntos de circuitos integrados digitales que comparten una misma tecnología de fabricación y presentan características eléctricas similares. Estas familias determinan cómo se comportan las compuertas lógicas en términos de velocidad, consumo de energía, niveles de voltaje y capacidad de carga.

Velocidad

Determina la rapidez con la que las compuertas lógicas pueden conmutar entre estados.

Consumo de energía

Cantidad de potencia disipada por el circuito durante su operación.

Niveles de voltaje

Rangos de tensión que definen los estados lógicos alto y bajo.

Capacidad de carga

Número de entradas que una salida puede manejar sin degradar la señal.

Principales Familias Lógicas
TTL — Transistor-Transistor Logic

Basada en transistores bipolares (BJT). Voltaje típico de operación: 5 V. Subfamilias: Standard, LS (Low Power Schottky), ALS, etc.

  • Alta velocidad (comparada con tecnologías antiguas)
  • Consumo de potencia moderado
  • Buena inmunidad al ruido
  • Fan-out típico: 10
ECL — Emitter-Coupled Logic

Basada en transistores bipolares en configuración diferencial.

  • Muy alta velocidad (la más rápida)
  • Alto consumo de potencia
  • Bajo margen de ruido
  • Uso en aplicaciones de alta frecuencia
CMOS — Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

Basada en transistores MOSFET (PMOS y NMOS). Voltaje de operación: amplio rango (3 V – 15 V).

  • Muy bajo consumo de potencia
  • Alta densidad de integración
  • Alta inmunidad al ruido
  • Menor velocidad en versiones antiguas, pero muy alta en familias modernas (74HC, 74HCT)
BiCMOS

Combina tecnologías CMOS y BJT.

Parámetros Característicos de las Familias Lógicas

BiCMOS presenta: alta velocidad (similar a TTL/ECL), bajo consumo (como CMOS) y buena capacidad de manejo de carga.

1
Niveles de voltaje

Nivel lógico bajo (0): VL

Nivel lógico alto (1): VH.

Definen cuándo una señal es interpretada como 0 o 1.

2
Margen de ruido

Capacidad de tolerar perturbaciones sin alterar el estado lógico.

3
Consumo de potencia

Energía que disipa el circuito. Importante en sistemas portátiles o de alta integración.

4
Velocidad de operación

Determinada por el tiempo de propagación (tp). A menor tiempo, mayor velocidad.

5
Fan-out

Número de entradas que una salida puede manejar sin degradar la señal.

6
Fan-in

Número de entradas que puede tener una compuerta lógica.

7
Compatibilidad

Capacidad de interconectar distintas familias lógicas (ej. TTL con CMOS).

Tabla comparativa de las familias
Aplicaciones
TTL

Sistemas industriales tradicionales (x).

CMOS

Microcontroladores, sistemas embebidos, dispositivos móviles.

ECL

Telecomunicaciones, sistemas de alta velocidad.

BiCMOS

Circuitos mixtos analógico-digitales.

Circuitos de Entradas Digitales

Los circuitos de entradas digitales requieren una configuración adecuada de resistencias para asegurar lecturas estables y evitar estados flotantes o de alta impedancia en los pines.

Resistencia Pull-up

Una resistencia de pull-up conecta el pin de entrada digital a Vcc. Esto garantiza que, cuando un interruptor está abierto, el pin mantenga un estado lógico alto (1L) bien definido. Al cerrar el interruptor, el pin se conecta a tierra (GND), registrando un estado bajo (0L). Este diseño previene lecturas erráticas causadas por ruido.


Resistencia Pull-down

A la inversa, una resistencia de pull-down conecta el pin de entrada digital a GND. Así, el pin mantiene un estado lógico bajo (0L) por defecto cuando el interruptor está abierto. Al activar el pulsador, el pin se conecta a Vcc, forzando la lectura a un estado alto (1L). Es ideal cuando se necesita una señal positiva con la acción del usuario.

Ejercicios: Lógica con Compuertas