Los circuitos lógicos digitales son una parte integral de una gran cantidad de proyectos. Estos circuitos se basan completamente en dos grandes familias de circuitos integrados que son compatibles entre sí. Estas familias tienen los componentes básicos para la mayoría de los proyectos, lo que facilita enormemente su uso práctico.
Una de las familias más importantes por su compatibilidad con los circuitos informáticos es la familia TTL. La familia TTL fue desarrollada originalmente por Texas Instruments, pero hoy en día muchos fabricantes de semiconductores producen sus circuitos principales.
Esta familia es reconocida principalmente por tener dos series que comienzan en el número 54 para componentes militares y 74 para componentes comerciales. Por lo tanto, podemos asociar rápidamente cualquier componente que comience con el número "74" a la familia TTL. En la figura 1 mostramos un puerto TTL típico.
Es una puerta NAND de dos entradas que es notable porque utiliza un transistor de doble emisor. La característica más importante de esta familia es el hecho de que se alimenta con una tensión de 5 volts.
Por lo tanto, para los componentes de esta familia, el nivel lógico 0 siempre está libre de voltaje o 0 V, mientras que el nivel lógico 1 siempre es voltaje +5 V. Los niveles lógicos a reconocer deben estar dentro de rangos bien definidos.
Como se muestra en la Figura 2, una puerta TTL reconocerá como tensiones de nivel 0 entre 0 y 0.8 V y como 1 aquellos en otro rango entre 2.4 y 5 V.
Hay cientos de circuitos integrados TTL disponibles en el mercado para proyectos. La mayoría de ellos están en gabinetes DIL de 14 y 16 pinos, como se muestra en la Figura 3.
Las funciones más simples son los puertos que están disponibles en cierta cantidad en cada circuito integrado de uso de pocos pines integrados.
Sin embargo, a medida que se desarrollaron nuevas tecnologías que permitían la integración de una gran cantidad de componentes, se hizo posible poner en un circuito integrado no solo unas pocas puertas y funciones adicionales como flip-flops, decodificadores y otros, sino también interconectados. cierta forma que se usa ampliamente o tiene una aplicación específica.
Se han logrado varios pasos para aumentar la integración al tomar nombres que son comunes hoy en día cuando hablamos de equipos digitales y computadoras en general, tales como:
SSI - integración a pequeña escala que corresponde a la serie normal de primeros TTL que contienen de 1 a 12 puertas lógicas en el mismo componente o circuito integrado.
MSI - Integración de escala media donde tenemos en un solo circuito integrado de 13 a 99 puertas o funciones lógicas.
LSI: integración a gran escala y que corresponde a circuitos integrados que contienen de 100 a 999 puertas o funciones lógicas.
VLSI - Integración de escala muy grande Integración de escala muy grande que corresponde a circuitos integrados que contienen más de 1000 puertas o funciones lógicas.
ULSI - integración a gran escala que reúne cientos o miles de funciones lógicas interconectadas.
Otras características de la familia TTL
Corrientes de entrada:
Cuando una entrada de una función lógica TTL está en el nivel 0, fluye una corriente desde la base al emisor del transistor multi-emisor del orden de 1.6 mA como se muestra en la Figura 4.
Cuando la entrada de una puerta lógica TTL está en un nivel alto, una corriente fluye en la dirección opuesta del orden de 40 uA, como se muestra en la figura 5.
Esta corriente circulará cuando ta tensión de entrada sea mayor a 2.0 V.
Corrientes de salida
Cuando la salida de un circuito TTL pasa al nivel 0 (o bajo), fluye una corriente del orden de 16 mA como se muestra en el circuito equivalente de la figura 6.
Esto significa que una salida TTL en el nivel 0 o inferior puede drenar una corriente máxima de 16 mA de una carga, es decir, puede "absorber" una corriente máxima de este orden. Por el contrario, cuando la salida de una función TTL está en el nivel 1 o superior, puede proporcionar una corriente máxima de 400 uA como se muestra en la figura 7.
Luego vemos que podemos obtener una capacidad de excitación de salida mucho mayor de una puerta TTL cuando se lleva al nivel 0 que al nivel 1.
Fan In y Fan Out
Estos son términos técnicos que especifican dos características extremadamente importantes para los diseños que utilizan circuitos integrados de la familia TTL. Lo que sucede es que la salida de una función no necesariamente tiene que estar vinculada a una sola entrada de otra función. La misma salida se puede utilizar para excitar varias funciones.
Dado que la entrada de cada función necesita una cierta corriente y la salida de la función que se excita tiene un suministro limitado o una capacidad de drenaje de corriente, se debe establecer un límite para el número de entradas que se pueden excitar, como se muestra en la figura 8.
Por lo tanto, teniendo en cuenta los niveles actuales 1 y 0 de las entradas y salidas, definimos FAN OUT como el número máximo de entradas que se pueden conectar a una salida TTL.
Para los componentes normales o estándar de la familia TTL que estamos estudiando, FAN OUT es 10. Por otro lado, también puede suceder que al ingresar una función lógica TTL necesitemos conectar más de una salida TTL. FAN-IN indica el número máximo de salidas que podemos conectar a una entrada, como se muestra en la figura 9.
Velocidad
Los circuitos electrónicos tienen una velocidad de operación limitada que depende de varios factores. En el caso específico de los circuitos TTL, debemos considerar la configuración misma de las puertas que tienen inductancias y capacitancias parásitas que influyen en su velocidad de operación.
A medida que la señal pasa por las diversas etapas del circuito, debemos considerar el tiempo que tardan los componentes en cambiar con precisión debido a la capacitancia e inductancia parasitarias existentes, y otros factores que entran en juego.
El resultado es que para los circuitos integrados TTL hay un retraso entre el tiempo que la señal pasa del nivel 0 a 1 en la entrada y el momento en que la señal en la salida responde a esta señal del nivel 1 al 0 en caso de un inversor.
De manera similar, hay un retraso entre el instante en que la señal de entrada pasa del nivel 1 al 0 y el instante en que la señal de salida pasa del nivel 0 al 1 en el caso de un inversor.
Subfamilias TTL
Los primeros circuitos TTL que se desarrollaron pronto resultaron inadecuados para ciertas aplicaciones, como cuando se deseaba una mayor velocidad, menor consumo de energía o los dos factores combinados. Esto significaba que mantener las características de compatibilidad del circuito original y mantener las mismas funciones básicas creaba subfamilias que tenían una característica adicional diferenciada.
A partir de entonces, la familia original que se llamó "Estándar" surgió varias subfamilias. Para diferenciar estas subfamilias se agregaron en el número que identifica el componente, después del 54 o 74 con el que todos comienzan una o dos letras.
| Indicación familia | subfamilia | característica |
| 54/74 | estándar | - |
| 54L / 74L | Baja potencia | Baja potencia |
| 54H / 74H | Alta velocidad | Alta velocidad |
| 54S / 74S | Schottky | - |
| 54LS / 74LS | Shottky de baja potencia | - |
La versión estándar o estándar tiene los componentes de menor costo y también tiene la mayoría de las funciones. Sin embargo, la versión LS es la más adecuada para circuitos de computadora, ya que tiene la misma velocidad que los componentes familiares estándar con un consumo de energía mucho menor. Algunas características se pueden comparar para dar a los lectores una idea de las diferencias:
Velocidad
La velocidad de funcionamiento de una función TTL generalmente se especifica por el tiempo que tarda la señal en propagarse por el circuito. En un lenguaje más simple, este es el tiempo que tarda entre el instante en que aplicamos los niveles lógicos a la entrada y el instante en que obtenemos la respuesta.
Para los circuitos de la familia TTL es común especificar estos tiempos en nanosegundos o billonésimas de segundo.
Así tenemos:
Tiempo (s) de propagación de familia / subfamilia
TTL Standard 10
Baja potencia 33
Schottky 10 de baja potencia
Alta velocidad 6
Schottky 3
Disipación
Cuando utilizamos una gran cantidad de funciones, esta característica se vuelve importante tanto para el tamaño de la fuente de alimentación como para el diseño de la placa y el dispositivo en sí, que deben tener medios para disipar el calor generado.
Disipación de puerta de familia / subfamilia (mW)
Estándar 10
Baja potencia 1
Schottky 2 de baja potencia
Alta velocidad 22
Schottky 20
Compatibilidad entre subfamilias
Lo que debemos observar con mucho cuidado es que las corrientes que circulan en las entradas y salidas de los componentes de las distintas subfamilias son completamente diferentes, lo que significa que cuando nos movemos de una a otra tratando de interconectar sus componentes, las reglas de Fan-In y Fan-Out cambian por completo.
Colector Abierto y Tótem Pole
Los circuitos comunes TTL (Figura 1) tienen una configuración en la cual cualquiera de los transistores conduce corriente dependiendo de si el nivel de salida es 0 o 1. Inadecuado para ciertas aplicaciones, como el cableado de puerto paralelo, existe una alternativa que es la configuración llamada Open Collector que se muestra en la figura 10.
Los circuitos integrados TTL que tienen esta configuración se indican como "colector abierto" y cuando se usan requieren la conexión de una resistencia externa llamada pull-up normalmente de 2000 ohms o cerca.
Como su nombre lo indica, el transistor interno tiene el "colector abierto" y para funcionar necesita una resistencia de polarización, conectada como se muestra en la Figura 11.
Tri-estado
Tri-estado significa tercer estado o tres estados y es una configuración que también se puede encontrar en algunos circuitos integrados TTL, principalmente para el uso de computadoras y controles industriales que implican el uso de microcontroladores, microprocesadores y DSP.
En la Figura 12 tenemos un circuito típico de una puerta NAND de tres estados que servirá como ejemplo.
Lo que sucede es que puede haber aplicaciones donde dos puertos tienen sus salidas conectadas al mismo circuito, como se muestra en la figura 13.
Una puerta está asociado con un primer circuito y el otro puerto con un segundo circuito. Cuando un circuito envía sus señales a la puerta, el otro debe estar en espera.
Ahora, si el circuito en espera está en el nivel 0 o nivel 1, estos niveles serán interpretados por el próximo puerto como información y esto no puede suceder.
Lo que debería suceder es que cuando un puerto envía sus señales a otro puerto debe estar en una situación en la que en su salida no tenemos ni 0 ni 1, es decir, debe estar en un circuito apagado, circuito abierto o tercer estado ( tri-estado). Esto se logra a través de una entrada de control llamada "enable" que en inglés se llama "enable" y abreviada por EN.
Cuando EN está en el nivel del circuito de la Fig. 13, el transistor Q5 no conduce y no sucede nada en el circuito que funciona normalmente.
Sin embargo, si EN se lleva al nivel 1, el transistor Q5 se satura, lo que hace que tanto Q3 como Q4 se corten, es decir, ambos se comportarán como circuitos abiertos, independientemente de las señales de entrada.
En la salida Y, lo que tenemos es un estado de alta impedancia o circuito abierto. Una función de tres estados tiene tres estados posibles en su salida:
Nivel lógico 0
Nivel lógico 1
Alta impedancia
Las funciones de tres estados se usan ampliamente en los circuitos de computadora, en los llamados buses de datos o "buses de datos", donde varios circuitos deben aplicar sus señales al mismo punto o compartir la misma línea de transferencia.
En muchas máquinas industriales que deben recopilar información de varios circuitos de sensores al mismo tiempo y, por lo tanto, conectadas en el mismo punto, este tipo de lógica también se usa ampliamente, al igual que los robots y otros equipos mecatrónicos.
Una unidad de procesamiento de computadora envía y recibe datos a / desde múltiples periféricos usando una sola línea o bus. Todos los circuitos conectados a estas líneas deben tener sus salidas de tres estados.