En ingeniería informática , una familia lógica es uno de dos conceptos relacionados:
Antes del uso generalizado de los circuitos integrados, se utilizaban varios sistemas lógicos de estado sólido y de tubos de vacío, pero nunca fueron tan estandarizados e interoperables como los dispositivos de circuitos integrados. La familia lógica más común en los dispositivos semiconductores modernos es la lógica de semiconductores de óxido metálico (MOS), debido al bajo consumo de energía, los tamaños de transistores pequeños y la alta densidad de transistores .
La lista de familias lógicas de bloques de construcción empaquetadas se puede dividir en categorías, enumeradas aquí en orden cronológico aproximado de introducción, junto con sus abreviaturas habituales:
Las familias (RTL, DTL y ECL) se derivaron de los circuitos lógicos utilizados en las primeras computadoras, originalmente implementados mediante componentes discretos . Un ejemplo es la familia de bloques de construcción lógicos NORBIT de Philips .
Las familias lógicas PMOS e I 2 L se utilizaron durante períodos relativamente cortos, principalmente en dispositivos de circuitos de integración a gran escala personalizados para fines especiales y generalmente se consideran obsoletos. Por ejemplo, los primeros relojes digitales o calculadoras electrónicas pueden haber utilizado uno o más dispositivos PMOS para proporcionar la mayor parte de la lógica del producto terminado. Los microprocesadores F14 CADC , Intel 4004 , Intel 4040 e Intel 8008 y sus chips de soporte eran PMOS.
De estas familias, sólo ECL, TTL, NMOS, CMOS y BiCMOS siguen siendo de uso generalizado. ECL se utiliza para aplicaciones de muy alta velocidad debido a su precio y demanda de energía, mientras que la lógica NMOS se usa principalmente en aplicaciones de circuitos VLSI, como CPU y chips de memoria, que quedan fuera del alcance de este artículo. Los circuitos integrados de puertas lógicas "básicos" actuales se basan en las familias ECL, TTL, CMOS y BiCMOS.
Clase de circuitos digitales construidos utilizando resistencias como red de entrada y transistores de unión bipolar (BJT) como dispositivos de conmutación.
La computadora Atanasoff-Berry utilizó circuitos lógicos de tubos de vacío acoplados por resistencia similares a RTL. Varias de las primeras computadoras transistorizadas (por ejemplo, IBM 1620 , 1959) usaban RTL, donde se implementaba usando componentes discretos.
En Fairchild Semiconductor se desarrolló una familia de circuitos integrados lógicos de resistencia-transistor simples para la computadora de orientación Apollo. Texas Instruments pronto presentó su propia familia de RTL. Una variante con condensadores integrados, RCTL, tenía mayor velocidad, pero menor inmunidad al ruido que RTL. Esto fue fabricado por Texas Instruments como su serie "51XX".
Clase de circuitos digitales en los que la función de activación lógica (p. ej., AND) la realiza una red de diodos y la función de amplificación la realiza un transistor.
La lógica de diodos se utilizó con tubos de vacío en las primeras computadoras electrónicas de la década de 1940, incluida la ENIAC . La lógica de diodo-transistor (DTL) se utilizó en el IBM 608, que fue la primera computadora totalmente transistorizada. Las primeras computadoras transistorizadas se implementaron utilizando transistores, resistencias, diodos y condensadores discretos.
Signetics introdujo la primera familia de circuitos integrados con lógica de diodo-transistor en 1962. Fairchild y Westinghouse también fabricaron DTL . Texas Instruments desarrolló una familia de circuitos integrados de lógica de diodos y lógica de diodos-transistores para la computadora de guía D-37C Minuteman II en 1962, pero estos dispositivos no estaban disponibles para el público.
Una variante de DTL llamada "lógica de alto umbral" incorporó diodos Zener para crear una gran compensación entre los niveles de voltaje lógico 1 y lógico 0. Estos dispositivos generalmente funcionaban con una fuente de alimentación de 15 voltios y se encontraban en control industrial, donde el alto diferencial estaba destinado a minimizar el efecto del ruido. [3]
La lógica MOS tipo P (PMOS) utiliza MOSFET de canal p para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales . La lógica MOS de tipo N (NMOS) utiliza MOSFET de canal n para implementar puertas lógicas y otros circuitos digitales.
Para dispositivos con igual capacidad de conducción de corriente, los MOSFET de canal n se pueden hacer más pequeños que los MOSFET de canal p, debido a que los portadores de carga de canal p ( agujeros ) tienen menor movilidad que los portadores de carga de canal n ( electrones ) y producen solo uno. El tipo de MOSFET sobre un sustrato de silicio es más barato y técnicamente más sencillo. Estos fueron los principios rectores en el diseño de la lógica NMOS que utiliza exclusivamente MOSFET de canal n. Sin embargo, al ignorar la corriente de fuga , a diferencia de la lógica CMOS, la lógica NMOS consume energía incluso cuando no se produce ninguna conmutación.
Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng , después de inventar el MOSFET, fabricaron dispositivos pMOS y nMOS con un proceso de 20 μm en 1960. [4] Sus dispositivos MOSFET originales tenían una longitud de puerta de 20 μm y un espesor de óxido de puerta de 100 nm. . [5] Sin embargo, los dispositivos nMOS no eran prácticos, y sólo el tipo pMOS eran dispositivos de trabajo prácticos. [4] Varios años después se desarrolló un proceso NMOS más práctico. Inicialmente, NMOS era más rápido que CMOS , por lo que NMOS se utilizó más ampliamente para las computadoras en la década de 1970. [6] Con los avances en la tecnología, la lógica CMOS desplazó a la lógica NMOS a mediados de la década de 1980 para convertirse en el proceso preferido para los chips digitales.
ECL utiliza un amplificador diferencial de transistor de unión bipolar (BJT) saturado con entrada de un solo extremo y corriente de emisor limitada.
La familia ECL, ECL también conocida como lógica de modo actual (CML), fue inventada por IBM como lógica de dirección actual para su uso en la computadora transistorizada IBM 7030 Stretch , donde se implementó utilizando componentes discretos.
Motorola introdujo la primera familia lógica ECL disponible en circuitos integrados como MECL en 1962. [7]
En la lógica TTL, los transistores de unión bipolar realizan las funciones lógicas y de amplificación.
Sylvania introdujo la primera familia de circuitos integrados con lógica transistor-transistor como Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL) en 1963. Texas Instruments presentó la familia TTL de la serie 7400 en 1964. La lógica transistor-transistor utiliza transistores bipolares para formar sus circuitos integrados. . [8] TTL ha cambiado significativamente a lo largo de los años, y las versiones más nuevas reemplazan a los tipos más antiguos.
Dado que los transistores de una puerta TTL estándar son interruptores saturados, el tiempo de almacenamiento de la portadora minoritaria en cada unión limita la velocidad de conmutación del dispositivo. Las variaciones en el diseño TTL básico tienen como objetivo reducir estos efectos y mejorar la velocidad, el consumo de energía o ambos.
El físico alemán Walter H. Schottky formuló una teoría que predecía el efecto Schottky , lo que condujo al diodo Schottky y más tarde a los transistores Schottky . Para la misma disipación de potencia, los transistores Schottky tienen una velocidad de conmutación más rápida que los transistores convencionales porque el diodo Schottky evita que el transistor se sature y almacene carga; ver Abrazadera Baker . Las puertas construidas con transistores Schottky utilizan más energía que el TTL normal y cambian más rápido. [ se necesita aclaración ] Con Schottky (LS) de bajo consumo , se aumentaron los valores de resistencia interna para reducir el consumo de energía y aumentar la velocidad de conmutación con respecto a la versión original. La introducción de Schottky avanzado de bajo consumo (ALS) aumentó aún más la velocidad y redujo el consumo de energía. También se introdujo una familia lógica más rápida llamada FAST (Fairchild Advanced Schottky TTL) (Schottky) (F) que era más rápida que el Schottky TTL normal.
Las puertas lógicas CMOS utilizan disposiciones complementarias de transistores de efecto de campo de canal N y canal P en modo de mejora . Dado que los dispositivos iniciales utilizaban puertas metálicas aisladas por óxido, se les llamó CMOS (lógica complementaria de semiconductores de óxido de metal). A diferencia de TTL, CMOS casi no usa energía en el estado estático (es decir, cuando las entradas no cambian). Una puerta CMOS no consume más corriente que una fuga cuando está en un estado estable de 1 o 0. Cuando la puerta cambia de estado, se extrae corriente de la fuente de alimentación para cargar la capacitancia en la salida de la puerta. Esto significa que el consumo de corriente de los dispositivos CMOS aumenta con la velocidad de conmutación (normalmente controlada por la velocidad del reloj).
RCA introdujo la primera familia CMOS de circuitos integrados lógicos como CD4000 COS/MOS , la serie 4000 , en 1968. Inicialmente la lógica CMOS era más lenta que LS-TTL. Sin embargo, debido a que los umbrales lógicos de CMOS eran proporcionales al voltaje de la fuente de alimentación, los dispositivos CMOS estaban bien adaptados a sistemas operados por baterías con fuentes de alimentación simples. Las puertas CMOS también pueden tolerar rangos de voltaje mucho más amplios que las puertas TTL porque los umbrales lógicos son (aproximadamente) proporcionales al voltaje de la fuente de alimentación y no a los niveles fijos requeridos por los circuitos bipolares.
La superficie de silicio necesaria para implementar tales funciones CMOS digitales se ha reducido rápidamente. La tecnología VLSI, que incorpora millones de operaciones lógicas básicas en un chip, utiliza casi exclusivamente CMOS. La capacitancia extremadamente pequeña del cableado en el chip provocó un aumento en el rendimiento de varios órdenes de magnitud. Se han vuelto comunes velocidades de reloj en chip de hasta 4 GHz, aproximadamente 1000 veces más rápidas que la tecnología en 1970.
Los chips CMOS suelen funcionar con una gama más amplia de voltajes de alimentación que otras familias lógicas. Los primeros circuitos integrados TTL requerían un voltaje de fuente de alimentación de 5 V, pero los primeros CMOS podían usar de 3 a 15 V. [9] Reducir el voltaje de suministro reduce la carga almacenada en cualquier capacitancia y, en consecuencia, reduce la energía requerida para una transición lógica. La energía reducida implica una menor disipación de calor. La energía almacenada en una capacitancia C y que cambia en V voltios es ½ CV 2 . Al reducir la fuente de alimentación de 5 V a 3,3 V, la potencia de conmutación se redujo en casi un 60 por ciento ( la disipación de energía es proporcional al cuadrado del voltaje de alimentación). Muchas placas base tienen un módulo regulador de voltaje para proporcionar los voltajes de fuente de alimentación aún más bajos que requieren muchas CPU.
Debido a la incompatibilidad de la serie de chips CD4000 con la familia TTL anterior, surgió un nuevo estándar que combinaba lo mejor de la familia TTL con las ventajas de la familia CD4000. Se conocía como 74HC (que usaba fuentes de alimentación de 3,3 V a 5 V (y usaba niveles lógicos relativos a la fuente de alimentación)), y con dispositivos que usaban fuentes de alimentación de 5 V y niveles lógicos TTL .
La interconexión de dos familias lógicas cualesquiera a menudo requería técnicas especiales, como resistencias pull-up adicionales o circuitos de interfaz especialmente diseñados, ya que las familias lógicas pueden usar diferentes niveles de voltaje para representar los estados 1 y 0, y pueden tener otros requisitos de interfaz que solo se cumplen dentro del mismo. familia lógica.
Los niveles lógicos TTL son diferentes de los de CMOS; generalmente una salida TTL no aumenta lo suficiente como para ser reconocida de manera confiable como un 1 lógico por una entrada CMOS. Este problema se resolvió con la invención de la familia de dispositivos 74HCT que utiliza tecnología CMOS pero niveles lógicos de entrada TTL. Estos dispositivos sólo funcionan con una fuente de alimentación de 5V. Forman un reemplazo para TTL, aunque HCT es más lento que el TTL original (la lógica HC tiene aproximadamente la misma velocidad que el TTL original).
Otras familias de circuitos CMOS dentro de los circuitos integrados incluyen la lógica de conmutación de voltaje en cascodo (CVSL) y la lógica de transistor de paso (PTL) de varios tipos. Estos se utilizan generalmente "en chip" y no se entregan como circuitos integrados básicos de mediana o pequeña escala. [10] [11]
Una mejora importante fue combinar entradas CMOS y controladores TTL para formar un nuevo tipo de dispositivos lógicos llamados lógica BiCMOS , de los cuales las familias lógicas LVT y ALVT son las más importantes. La familia BiCMOS tiene muchos miembros, incluida la lógica ABT, la lógica ALB, la lógica ALVT, la lógica BCT y la lógica LVT.
Con la lógica HC y HCT y la lógica LS-TTL compitiendo en el mercado, quedó claro que se necesitaban más mejoras para crear el dispositivo lógico ideal que combinara alta velocidad, con baja disipación de energía y compatibilidad con familias lógicas más antiguas. Ha surgido toda una gama de familias más nuevas que utilizan la tecnología CMOS. Una breve lista de los designadores de familia más importantes de estos dispositivos más nuevos incluye:
Hay muchos otros, incluida la lógica AC/ACT, la lógica AHC/AHCT, la lógica ALVC, la lógica AUC, la lógica AVC, la lógica CBT, la lógica CBTLV, la lógica FCT y la lógica LVC ( LVCMOS ).
La lógica de inyección integrada (IIL o I 2 L) utiliza transistores bipolares en una disposición de dirección de corriente para implementar funciones lógicas. [12] Se utilizó en algunos circuitos integrados, pero ahora se considera obsoleto. [13]
Las siguientes familias lógicas se habrían utilizado para construir sistemas a partir de bloques funcionales como flip-flops, contadores y puertas, o se habrían utilizado como lógica "pegamento" para interconectar dispositivos de integración a muy gran escala, como memorias y procesadores. . No se muestran algunas de las primeras familias de lógicas oscuras de principios de la década de 1960, como DCTL (lógica de transistores de acoplamiento directo), que no estuvieron ampliamente disponibles.
El retraso de propagación es el tiempo que tarda una puerta NAND de dos entradas en producir un resultado después de un cambio de estado en sus entradas. La velocidad de conmutación representa la velocidad más rápida a la que podría funcionar un flip flop JK. La energía por puerta es para una puerta NAND individual de 2 entradas; normalmente habrá más de una puerta por paquete de circuitos integrados. Los valores son muy típicos y variarán ligeramente según las condiciones de la aplicación, el fabricante, la temperatura y el tipo particular de circuito lógico. El año de introducción es cuando al menos algunos de los dispositivos de la familia estuvieron disponibles en volumen para usos civiles. Algunas aplicaciones militares son anteriores al uso civil. [14] [15]
Varias técnicas y estilos de diseño se utilizan principalmente en el diseño de CPU y circuitos integrados específicos de aplicaciones (ASIC) de un solo chip, en lugar de familias lógicas genéricas destinadas a su uso en aplicaciones de múltiples chips.
Estos estilos de diseño normalmente se pueden dividir en dos categorías principales, técnicas estáticas y técnicas dinámicas sincronizadas . (Ver lógica estática versus dinámica para una discusión sobre las ventajas y desventajas de cada categoría).