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FAMILIAS LÓGICAS AVANZADAS

 

A continuación vamos a ver los circuitos que representan la antesala por así decirlo de lo que son actualmente las puertas lógicas.

 

El eslabón entre las primeras puertas lógicas y las puertas DTL fueron las llamadas RCTL, lógica de resistencia, condensador y transistor. Son iguales que las RTL, pero añadiendo condensadores en paralelo con las resistencias de las bases de los condensadores, como podemos observar en la ilustración correspondiente. De este modo, se consigue una mayor velocidad de propagación, debido a que las capacidades base-emisor de los transistores se cargan y descargan a través de los condensadores C1, C2 y C3. Además, nos permitirán tener una menor disipación de potencia, ya que podemos utilizar unos valores más elevados de resistencias.

 

Familia lógica RCTL, semejante a la RTL pero que añade un condensador en paralelo a cada resistencia de entrada

 

El funcionamiento es análogo al de las RTL y, por lo tanto, se mantienen sus ventajas e inconvenientes:

 

- Baja capacidad de salida o fan-out.

- Bajo margen de ruido.

- Mejora, únicamente, su velocidad de propagación.

 

La familia DTL

 

Con este tipo de familia se construyen, principalmente, las puertas NAND y NOR. Recordemos que ambas son una combinación entre una puerta NOT y una puerta AND o OR. La familia DTL se construye con una puerta de diodos y otra RTL.

 

La familia lógica DTL, la cual incorpora dos tecnologías de diodos y RTL

 

Analicemos, en primer lugar, cómo se construye una puerta NOT o inversora. El circuito transistor de la ilustración siguiente presenta un inversor para lógica positiva, donde consideraremos un nivel bajo de 0,2 V. correspondiente a la tensión colector-emisor del transistor utilizado y un nivel alto igual a la tensión de alimentación Vcc. Si en la entrada hay un 0 lógico, es decir, su tensión es de 0,2 V, el transistor se encontrará a corte, y en la salida tendremos un 1. Si por el contrario, la tensión en la variable de entrada es Vcc, el transistor pasará a saturación y en la salida tendremos un 0 lógico.

 

La puerta inversora con tecnología RTL, donde el transistor hace de inversor

 

A la hora del diseño de los inversores hay que tener en cuenta ciertas características del transistor:

 

- La tensión de polarización inversa de la unión de emisor no debe sobrepasar la de ruptura emisor-base (normalmente indicada por el fabricante).

 

 

Para el cálculo de la curva de transferencia de una puerta DTL se utiliza su circuito equivalente, de dos diodos en oposición y dos uniones base - emisor

 

La corriente inversa de saturación de colector aumenta aproximadamente el 7% por ºC, por lo que no es posible despreciar el efecto de esta corriente para temperaturas elevadas.

 

 

Ya hemos visto cómo funciona la puerta AND en la lógica de diodos, y ahora analizaremos el modo en que actúan conjuntamente ambas tecnologías, esto es, unidas en la familia DTL.

 

Para la fabricación de circuitos integrados con tecnología DTL es necesario sustituir la resistencia y el condensador en paralelo por dos diodos en serie, D y D'

 

Si cualquier entrada está conectada a nivel bajo su diodo correspondiente (D1, D2 o D3) derivará a tierra la corriente que pasa por la resistencia R1. En este caso, la tensión en el ánodo de cualquiera de los diodos viene fijada por el nivel bajo de entrada más la caída de tensión del diodo correspondiente. Cuando esta tensión es inferior a tres caídas de diodo el transistor de salida pasará a corte.

 

Basta con que una de las entradas esté a nivel bajo para que esto ocurra. Si el resto de las entradas se encontrara a nivel alto, lo único que sucedería es que los diodos correspondientes dejarían de conducir, ya que la tensión de sus ánodos está fijada por el diodo de la entrada que conduce y la tensión de los cátodos sería superior a la de los ánodos quedando polarizados inversamente.

 

En resumen, podíamos decir que, estando a nivel bajo cualquiera de las entradas, el transistor de salida pasará a corte y la tensión de su colector estará a nivel alto. Sólo cuando todas las entradas están a nivel alto conducirá el transistor y la tensión de su colector será baja, siendo la salida un 0 lógico.

 

El condensador C que se coloca en paralelo con R2 es para mejorar la respuesta transitoria del inversor. Este condensador colabora en la eliminación de la carga de saturación almacenada en la base cuando la señal pasa abruptamente de un estado lógico al otro. Recordemos que un transistor no puede salir de saturación hasta tanto esta carga no abandone la región de base. El tiempo necesario para eliminar esta carga de saturación se denomina tiempo de almacenamiento.

 

Como casi todas las puertas lógicas se fabrican en circuitos integrados, y en algunos casos los valores elevados de resistencias y condensadores no nos lo van a permitir, y como los transistores y diodos son extraordinariamente baratos de fabricar, la puerta que hemos descrito con resistencia y condensador en la base del transitor Q1, se modifica de manera que R2 y C se sustituyen por diodos. El funcionamiento es análogo al descrito en párrafos anteriores.

 

Estas puertas se pueden mejorar todavía más si sustituimos el diodo D por un transistor Q2, tal como se indica en la ilustración siguiente. Cuando Q2 está conduciendo se encuentra en su región activa y no en saturación. Esta conclusión se obtiene a partir del hecho de que en la resistencia R2 la corriente está en la dirección de la polarización inversa de la unión del colector del transistor Q2. Como la corriente del emisor de este transistor alimenta la corriente de base de Q1, éste está excitado por una corriente de base mucho mayor que el transistor del circuito anterior con dos diodos. Tomando transistores con iguales características para uno y otro circuito se observa claramente que este último circuito tiene una corriente de colector mucho mayor y, por lo tanto, una capacidad de salida o fan-out mayor.

 

Para mejorar las puertas DTL, con respecto a su capacidad de salida, se sustituye uno de los diodos por un transistor

 

 

Características de la familia DTL

 

De entre las características de cualquier familia lógica hay una serie de ellas que nos definen qué ventajas e inconvenientes nos encontraremos a la hora de aplicarlas a nuestros circuitos.

La primera de ellas es la velocidad de conmutación, en el caso que estamos considerando viene fijada por:

 

- La velocidad de los dispositivos que la componen.

 

- Las constantes de tiempo de los circuitos.

 

En las DTL se observa que la impedancia de salida a nivel alto es tres veces mayor que en RTL. Si consideramos que una puerta DTL va a excitar a una serie de puertas de su misma familia conectadas a su salida, y que cada una de ellas tiene una capacidad parásita a masa, veremos que las capacidades de las puertas de carga aparecen en paralelo y de la que nos resultará una constante de tiempo de valor igual al producto del número de puertas por la capacidad parásita y por la resistencia de salida de la puerta que soporta la carga. De donde resultará, como principal consecuencia o característica, que nos disminuirá considerablemente la velocidad de conmutación en las transiciones de un nivel a otro.

 

Otro aspecto que hay que considerar es la inmunidad al ruido, debido básicamente a las interferencias producidas por el ambiente exterior al circuito y a la alta impedancia que suelen ofrecer estas puertas. Para evitar esto último se crearon las puertas HTL, de funcionamiento análogo a las DTL, introduciendo un diodo zener en lugar del diodo convencional utilizado para las puertas DTL.

 

La familia HTL representa una mejora con respecto al ruido de las DTL

 

En esta curva comparativa se puede ver la diferencia en los niveles de inmunidad al ruido, entre las puertas DTL y HTL

 

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