En ingeniería informática , una familia lógica es uno de dos conceptos relacionados:
Antes del uso generalizado de los circuitos integrados, se utilizaban diversos sistemas lógicos de estado sólido y de tubos de vacío, pero nunca fueron tan estandarizados ni interoperables como los dispositivos de circuitos integrados. La familia lógica más común en los dispositivos semiconductores modernos es la lógica metal-óxido-semiconductor (MOS), debido al bajo consumo de energía, los pequeños tamaños de transistores y la alta densidad de transistores .
La lista de familias de lógica de bloques de construcción empaquetadas se puede dividir en categorías, enumeradas aquí en orden aproximadamente cronológico de introducción, junto con sus abreviaturas habituales:
Las familias (RTL, DTL y ECL) se derivaron de los circuitos lógicos utilizados en las primeras computadoras, implementados originalmente con componentes discretos . Un ejemplo es la familia de bloques de construcción lógicos NORBIT de Philips .
Las familias de lógica PMOS e I 2 L se utilizaron durante períodos relativamente cortos, principalmente en dispositivos de circuitos de integración personalizados a gran escala para propósitos especiales y, en general, se consideran obsoletas. 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 para el producto terminado. Los microprocesadores F14 CADC , Intel 4004 , Intel 4040 e Intel 8008 y sus chips de soporte eran PMOS.
De estas familias, solo las ECL, TTL, NMOS, CMOS y BiCMOS siguen utilizándose ampliamente en la actualidad. La ECL se utiliza para aplicaciones de muy alta velocidad debido a su precio y a las demandas de potencia, mientras que la lógica NMOS se utiliza 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 "básicas" 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 utilizaba circuitos lógicos de tubo de vacío acoplado a resistencias similares a RTL. Varias computadoras transistorizadas tempranas (por ejemplo, IBM 1620 , 1959) utilizaban RTL, donde se implementaba utilizando componentes discretos.
En 1962, Fairchild Semiconductor desarrolló una familia de circuitos integrados de lógica simple con resistencias y transistores para la computadora de guía 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. Esta fue fabricada por Texas Instruments como su serie "51XX".
Clase de circuitos digitales en los que la función de compuerta lógica (por ejemplo, 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 diodos-transistores (DTL) se utilizó en la IBM 608 , que fue la primera computadora totalmente transistorizada. Las primeras computadoras transistorizadas se implementaron utilizando transistores discretos, resistencias, diodos y capacitores.
Signetics introdujo la primera familia de circuitos integrados de lógica de diodos y transistores en 1962. Fairchild y Westinghouse también fabricaron DTL . Texas Instruments desarrolló una familia de circuitos integrados de lógica de diodos y de lógica de diodos y 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 umbral alto" incorporaba diodos Zener para crear un gran desfase entre los niveles de voltaje lógico 1 y lógico 0. Estos dispositivos generalmente funcionaban con una fuente de alimentación de 15 voltios y se utilizaban en el control industrial, donde el diferencial alto tenía como objetivo minimizar el efecto del ruido. [3]
La lógica MOS de 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 una capacidad de conducción de corriente equivalente, 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 ( huecos ) tienen una movilidad menor que los portadores de carga de canal n ( electrones ), y producir solo un tipo de MOSFET sobre un sustrato de silicio es más barato y técnicamente más simple. Estos fueron los principios impulsores en el diseño de la lógica NMOS que utiliza exclusivamente MOSFET de canal n. Sin embargo, al descuidar la corriente de fuga , a diferencia de la lógica CMOS, la lógica NMOS consume energía incluso cuando no se produce ninguna conmutación.
El MOSFET inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, tenía dispositivos pMOS y nMOS con un proceso de 20 μm . [4] [5] [6] [7] [8] Sus dispositivos MOSFET originales tenían una longitud de compuerta de 20 μm y un espesor de óxido de compuerta de 100 nm . [9] Sin embargo, los dispositivos nMOS eran poco prácticos, y solo el tipo pMOS eran dispositivos de trabajo prácticos. [8] Un proceso NMOS más práctico se desarrolló varios años después. NMOS fue inicialmente más rápido que CMOS , por lo que NMOS se usó más ampliamente para computadoras en la década de 1970. [10] 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 chips digitales.
ECL utiliza un amplificador diferencial de transistor de unión bipolar (BJT) sobrecargado con entrada de un solo extremo y corriente de emisor limitada.
La familia ECL, también conocida como lógica de modo actual (CML), fue inventada por IBM como lógica de dirección de corriente para su uso en la computadora transistorizada IBM 7030 Stretch , donde se implementó utilizando componentes discretos.
La primera familia lógica ECL disponible en circuitos integrados fue presentada por Motorola como MECL en 1962. [11]
En la lógica TTL, los transistores de unión bipolar realizan las funciones lógicas y de amplificación.
La primera familia de circuitos integrados de lógica transistor-transistor fue introducida por Sylvania como Sylvania Universal High–Level Logic (SUHL) en 1963. Texas Instruments introdujo la familia TTL de la serie 7400 en 1964. La lógica transistor-transistor utiliza transistores bipolares para formar sus circuitos integrados. [12] La TTL ha cambiado significativamente a lo largo de los años, con versiones más nuevas que reemplazan a los tipos más antiguos.
Dado que los transistores de una compuerta TTL estándar son interruptores saturados, el tiempo de almacenamiento de portadores minoritarios en cada unión limita la velocidad de conmutación del dispositivo. Las variaciones del 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 , que condujo al diodo Schottky y posteriormente 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; consulte abrazadera de Baker . Las puertas construidas con transistores Schottky usan más energía que los TTL normales y conmutan más rápido. [ aclaración necesaria ] Con Schottky de baja potencia (LS), los valores de resistencia interna se aumentaron para reducir el consumo de energía y aumentar la velocidad de conmutación con respecto a la versión original. La introducción de Schottky avanzado de baja potencia (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 usaban puertas metálicas aisladas de óxido, se las llamó CMOS (lógica complementaria de metal-óxido-semiconductor). 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 corriente más que la de 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 tasa de conmutación (controlada por la velocidad del reloj, generalmente).
La primera familia CMOS de circuitos integrados lógicos fue presentada por RCA como CD4000 COS/MOS , la serie 4000 , en 1968. Inicialmente, la lógica CMOS era más lenta que la LS-TTL. Sin embargo, debido a que los umbrales lógicos de CMOS eran proporcionales al voltaje de la fuente de alimentación, los dispositivos CMOS se adaptaron bien a los sistemas que funcionaban con 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.
El área de silicio necesaria para implementar estas 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 del rendimiento de varios órdenes de magnitud. Se han vuelto comunes las frecuencias de reloj en el chip de hasta 4 GHz, aproximadamente 1000 veces más rápidas que la tecnología en 1970.
Los chips CMOS a menudo funcionan con un rango más amplio de voltajes de suministro de energía que otras familias lógicas. Los primeros CI TTL requerían un voltaje de suministro de energía de 5 V, pero los primeros CMOS podían usar de 3 a 15 V. [13] 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 menos disipación de calor. La energía almacenada en una capacitancia C y cambiando 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 suministro). Muchas placas base tienen un módulo regulador de voltaje para proporcionar los voltajes de suministro de energía aún más bajos requeridos por 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 lo conocía como 74HC (que utilizaba fuentes de alimentación de entre 3,3 V y 5 V (y utilizaba niveles lógicos relativos a la fuente de alimentación)), y con dispositivos que utilizaban fuentes de alimentación de 5 V y niveles lógicos TTL .
La interconexión de dos familias lógicas 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 estados 1 y 0, y pueden tener otros requisitos de interfaz que solo se cumplen dentro de la familia lógica.
Los niveles lógicos TTL son diferentes a los de CMOS: por lo general, una salida TTL no aumenta lo suficiente como para que una entrada CMOS la reconozca de manera confiable como un 1 lógico. 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 solo funcionan con una fuente de alimentación de 5 V. 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 cascada (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 escala media o pequeña. [14] [15]
Una mejora importante fue la combinación de 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, entre ellos la lógica ABT, la lógica ALB, la lógica ALVT, la lógica BCT y la lógica LVT.
Con la competencia en el mercado de la lógica HC y HCT y la lógica LS-TTL, se hizo evidente que se necesitaban más mejoras para crear el dispositivo lógico ideal que combinara alta velocidad, baja disipación de potencia y compatibilidad con las familias lógicas más antiguas. Ha surgido toda una gama de familias más nuevas que utilizan tecnología CMOS. Una breve lista de los designadores de familia más importantes de estos dispositivos más nuevos incluye:
Hay muchos otros, incluidos 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 un arreglo de dirección de corriente para implementar funciones lógicas. [16] Se utilizó en algunos circuitos integrados, pero ahora se considera obsoleto. [17]
Las siguientes familias lógicas se habrían utilizado para construir sistemas a partir de bloques funcionales como flip-flops, contadores y puertas, o bien se habrían utilizado como lógica de "pegamento" para interconectar dispositivos de integración a gran escala como memorias y procesadores. No se muestran algunas familias lógicas poco conocidas de principios de los años 1960, como DCTL (lógica de transistores acoplados directamente), que no llegaron a estar ampliamente disponibles.
El retardo de propagación es el tiempo que tarda una compuerta 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 potencia por compuerta es para una compuerta NAND individual de dos entradas; normalmente habría más de una compuerta por paquete de CI. Los valores son muy típicos y variarían ligeramente según las condiciones de 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 estaban disponibles en volumen para usos civiles. Algunas aplicaciones militares precedieron al uso civil. [18] [19]
En el diseño de grandes circuitos integrados específicos para aplicaciones (ASIC) y CPU de un solo chip se utilizan principalmente varias técnicas y estilos de diseño, en lugar de familias lógicas genéricas destinadas a su uso en aplicaciones de varios chips.
Estos estilos de diseño se pueden dividir en dos categorías principales: técnicas estáticas y técnicas dinámicas sincronizadas . (Consulte lógica estática versus lógica dinámica para obtener más información sobre las ventajas y desventajas de cada categoría).