Curso de electrónica digital básica segunda parte

ACTIVIDADES PRÁCTICAS
En esta sección, entregaremos las instrucciones para construir un comprobador lógico de circuitos digitales compuesto por seis módulos. .

Cada módulo está formado por un circuito impreso y varios componentes como resistencias, condensadores, diodos  led, interruptores, potenci6metros, bases para circuitos integrados, y circuitos integrados, entre otros. Su diseño está realizado de tal forma que se puedan conectar directamente al protoboard por medio de terminales sin alambres externos.

Una vez construido cada módulo, se utilizará ampliamente para realizar los experimentos correspondientes a las lecciones teóricas. Al terminar el curso, estos módulos se pueden emplear como instrumentos o herramientas de trabajo.

Además de construir estos módulos, usted aprenderá en estas actividades. a soldar, a elaborar circuitos impresos, a conocer componentes electrónicos especiales y otros temas prácticos muy útiles para todas las personas que tienen la electrónica como  estudio, profesión o hobby.

Los módulos del comprobador lógico son

Módulo 1. 4 monitores lógicos. Pern1ite visualizar simultáneamente la presencia de 1 's y O's en cuatro puntos de un circuito digital. Cada monitor se puede utilizar en forma independiente.

Módulo 2.4 interruptores lógicos. Permite suministrar una combinación hasta de cuatro l's y O's a las entradas de un circuito digital. Cada interruptor se puede utilizar en forma independiente.

Módulo 3. 1 pulsador lógico. PenI1ite suministrar manualmente un pulso libre de ruido a un circuito digital.

MódulO4.1 temporizador programable. Permite suministrar automáticamente un pulso de duración definida a cualquier circuito digital. Un pulso es una señal que permanece 1 ó en O durante un tiempo.

Módulo 5. 1 generador de pulsos digital. Permite suministrar automáticamente trenes 'de pulsos de varias frecuencias a cualquier circu~tp digital. Un tren de pulsos es una secuencia alterna de l’s y O’s.

Módulo 6.1 decodificador de display con memoria. Permite visualizar y almacenar números del O al 9 cuando recibe en sus entradas el código de 1's y O's correspondiente al número deseado.

CIRCUITOS DIGITALES INTEGRALES
Qué son los circuitos integrados.
Tecnologías de fabricación. Breve historia 
Escalas de integración 
Cómo se fabrican los circuitos integrados. 
Qué hay dentro de un circuito integrado.
Tendencia

Qué son los circuitos integrados

La principal razón para que los sistemas digita les hayan adquirido tanta popularidad y sean cada vez más sofisticados, compactos y económicos ha sido el alto grado de perfeccionamiento logrado en el desarrollo en masa de circuitos integrados.

Prácticamente, todos los equipos digitales modernos st fabrican usando circuitos integrados.

Un circuito integrado o CI es aquel en el cual to dos los componentes, incluyendo transistores, dio dos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio.

Una vez procesado, el chip se encierra en una cápsula plástica o de cerámica que contiene los pines de conexión a los circuitos externos..

Las cápsulas plásticas son más livianas pero las cerámicas son más resistentes y pueden trabajar a más altas temperaturas.

Una pastilla típica (figura 9) tiene aproximada mente de 2.5 a 6.5 mm de lado y 0.5 mm de espesor. Los chips digitales más pequeños contienen varios compon~ntes sencillos como compuertas, inversores y flipflops. Los más grandes contienen circuitos y sistemas completos como contadores, memorias, microprocesadores, etc.

Pastilla de silicio

La mayoría de los circuitos integrados digitales vienen en presentación tipo DIP (Dual Inline Package) o de doble hilera. El pin NI! 1 se identifica mediante una ranura o un punto grabado en la parte superior de la cápsula. La enumeración de los pines se realiza en sentido contrario al de las manecillas del reloj. (figura 10),

Las configuraciones mas comunes de los CI digitales tipo DIP son las de 8, 14, 16,24; 40 Y 64 pines.(figura 11). Estas dos últimas contienen generalmente microprocesadores y otras funciones digita les relativamente  complejas.

La cápsula trae impresa la información respecto al fabricante, la referencia del dispositivo y la fecha  de fabricación. Cada fabricante de circuitos integra dos (Natibnal, Texas, Fairchild, Motorola, etc.) se identifica mediante un logotipo distintivo (figura 12). La referencia (SN74LS73, CD4048B, etc.) de signa específicamente al dispositivo.

El  código de la fecha informa cuando fue manu facturado el chip. Las dos primeras cifras indican el año y las dos últimas se refieren al mes o semana de fabricación. Por ejemplo, "8307" significa la séptima semana de 1983.

SMT o de montaje superficial (figura 14). Los chip s SMT son casi 4 veces más pequeños que los DIP equivalentes y no requieren de perforaciones para su instalación: se sueldan directamente a los trazos de circuito impreso.

En la presentación tipo DIP, los pines de acceso están espaciados entre sí 2.5 mm. Para efectos de montaje experimental los CI pueden insertarse en un protoboard o tablero sin soldaduras. f

Para los montajes definitivos en circuito impreso pueden estar soldados directamente al cobre o montados sobre una base o "socket". La utilización de socket 1 simplifica la instalación durante el ensamble y el remplazo en caso de daño.

Circuitos integrados para montaje superficial

Fig.14

Además del tipo DIP, existen otras presentaciones comunes de los circuitos integrados digitales como la cápsula metálica (TO5), la plana y la "chip carrier" {figura 13). La TO5, aunque es muy resistente, está siendo remplazada en muchos casos por empaques plásticos, que son más  livianos.

Actualmente se dispone de una gran variedad de circuitos integrados digitales que utilizan cápsulas

La miniaturización introducida por la tecnología de m Je superficial o SMT (Surface Mount Tecology) es la que ha permitido, por ejemplo, tener calculadoras del tamaño de una tarjeta de crédito.

Este tipo de encapsulado es cada vez más popular y en el futuro será uno de los más utilizado por la sencillez de su manufactura y otras ventajas, especialmente económicas.

Tecnologías de fabricación 
Los circuitos integrados digitales se pueden clasificar en dos grandes grupos de  acuerdo al tipo de transistores utilizados para implementar sus funciones internas de conmutación: bipolares y MOS.

Los circuitos integrados bipolares se fabrican con transistores bipolares tipo NPN y PNP Y los de tipo MOS utilizan MOSFETs (transistores de efecto de campo de compuerta aislada).

Dentro de cada categoría, los fabricantes han desarrollado una amplia variedad de familias lógicas de circuitos integrados tanto Más como bipolares.

Una familia lógica es un grupo de chips o módulos funcionales, fabricados de acuerdo a la misma tecnología y eléctricamente compatibles, es decir se pueden interconectar directamente entre sí para configurar cualquier tipo de sistema digital.

Algunas veces es posible interconectar circuitos de dos familias diferentes adaptando los niveles de voltaje entre ellos mediante interfaces apropiadas.

Dependiendo de cómo se interconecten estos bloques lógicos, usted puede construir un computador, una calculadora, un sintetizador de música, un multímetro digital, un contador de eventos, un sistema de control industrial y miles más de posibilidades, limitadas únicamente por su imaginación.

Las familias bipolares más conocidas son la RTL (lógica de resistora transistor), la DTL (lógica de diodo a transistor), la 1TL (lógica de transistor a transistor), la ECL (lógica de emisor acoplado) y la I2L (lógica de inyección integrada).

Las dos primeras familias son completamente obsoletas en la actualidad pero fueron muy populares en los inicios de la electrónica digital.

Dentro de las familias bipolares, los circuitos más utilizados son los TTL. La familia ECL se utiliza principalmente en aplicaciones de muy alta frecuencia y la I2L en aplicaciones de control. Los dispositivos de esta última familia son generalmente hibridos, es decir realizan operaciones análogas y digitales en una misma pastilla.

Las familias MOS más conocidas son la CMOS (lógica de transistores MOSFET complementarios), la PMOS (lógica de transistores MOSFET canal P) y la NMOS (lógica de transistores MOSFET canal N). Los dispositivos de estas familias se caracterizan por su bajo consumo de potencia y su alta capacidad de integración.

Dentro de la familia MOS, los circuitos más utilizados son los CMOS. Las tecnologías PMOS y NMOS se utilizan principalmente en la fabricación de microprocesadores, memorias, calculadoras, etc.

Los circuitos integrados digitales TTL se caracterizan por su bajo costo, su alta velocidad, su moderada inmunidad al ruido y otros factores que ex- pondremos más adelante.

La serie más popular de esta familia es la 74XX, constituida por los chips cuya referencia comienza por 74 como el 7400, 7404, 7447, 74LSO4, 74L93, 74S181, 74ALSI035, etc.

Los circuitos integrados CMOS se caracterizan, entre otras cosas, por su amplio rango de voltaje s de operación, su bajo consumo de corriente y su alta inmunidad al ruido.

Una de las series más populares de esta familia es la 40XXB, constituida por los chips' cuya referencia comienza por 40 6 45 Y termina en B como 4O17B, 40163B, 4522B, 4543B, etc.

Las familias lógicas TTL y CMOS se analizan extensamente en la lección 2. La mayoría de experimentos, proyectos y aplicaciones de este curso emplean circuitos integrados TTL y CMOS. Por esta razón es importante que usted conozca sus características y restricciones y los aprenda a utilizar eficientemente.

El cuadro de la figura 15 resume las dos grandes familias (bipolar y MOS) de circuitos integrados digitales y sus correspondientes subdivisiones.

Breve historia

El primer circuito integrado digital conocido fue concebido por Jack Kilby de Texas Instruments en 1959, más de una década después de la invención

del transistor en los Laboratorios Bell (1947). Se trataba de un flip-flop desarrollado enteramente sobre un sustrato de germanio.

El flip-flop de Kilby contenía apenas 4 transistores, una cifra insignificante comparada con los casi 1.000.000 (!Un millón) de transistores de un microprocesador moderno, como el 68030 de Moto- rola o el 80486 de Intel.

Veamos entonces, a grandes rasgos, cómo ha evolucionado la tecnología de los circuitos integrados desde sus comienzos hasta nuestros días.

La primera familia de circuitos integrados digitales comercialmente disponible fue la serie 900 de Fairchild Semiconductor, introducida en 1961. Los chips de esta familia, denominada RTL, operaban a 3.2 V Y utilizaban internamente resistencias y transistores para realizar operaciones lógicas.

En la figura 16 se muestra el circuito interno de un dispositivo RTL típico. RTL es un acrónimo de Resistor- Transitor Logic (lógica de resistencia a transistor).

La familia RTL dio paso a otra familia de circuitos integrados digitales construidos a base de dio- dos y transistores. A esta nueva familia se le denomino DTL, un acrónimo de Diode- Transistor Logic (lógica de diodo a transistor). En la figura 17 se muestra el circuito de un dispositivo DTL típico.

La siguiente familia en aparecer (1962) fue la TTL, que utilizaba sólo transistores y era más rápida que sus predecesoras. TTL es un acrónimo de Transistor- Transistor Logic (lógica de transistor a transistor). Los primeros trabajos en TTL fueron realizados por James Buie de Pacific Semiconduc- tors (ahora subsidiaria de TRW).

Con el tiempo se impuso en el mercado la serie TTL 74XX, lanzada originalmente por Texas Instrument  la cual sigue siendo una de las más utilizadas y económicas. En la figura 18 se muestra el circuito de un dispositivo TTL típico.

Mientras se desarrollaba la tecnología bipolar o TTL, algunos fabricantes, especialmente R.CA, concentraban sus esfuerzos en los transistores de efecto de campo (FETs) y sus aplicaciones. En 1957, John Wallmark de RCA patent6 el FET.

En 1962, Steven Hofstein y Frederic Heiman, también de RCA, desarrollaron el transistor MOS o MOSFET (FET de compuerta aislada). A finales de este año, Hofstein y Heiman lograron fabricar el primer circuito integrado MOS, el cual contenía 16 transistores MOSFET distribuidos sobre una pastilla de silicio de 0.063 mm de lado.

Para 1963, RCA ya producía chip s que contenían cientos de transistores MOSFET en una área muy reducida. El desarrollo del transistor MOS y su facilidad de integración permitió el surgimiento de familias como la MOS de canal P (PMOS), la MOS de canal N (NMOS) y la MOS complementaria (CMOS), todas de gran aceptación.

Dentro de las familias CMOS se impuso con el tiempo la serie 40XX, lanzada originalmente por la RCA, una de las más populares en la actualidad junto con la serie 74CXX de National. En la figura 19 se muestra el circuito interno de un dispositivo CMOS típico.

A pesar de que los circuitos integrados MOS prometían ser más simples de procesar, consumían menos potencia y permitían mayores niveles de integración que los bipolares, existían serios probleMOS en su fabricación, especialmente su extrema sensibilidad a la electricidad estática (ESD).

Además, los dispositivos MOS eran más lentos que los bipolares y requerían diferentes fuentes de alimentación. Debido a estos y otros inconvenientes, la tecnología MOS no tuvo mucha aceptación en sus comienzos.

Durante la mayor parte de los años 60's, sólo dos compañías, General Microelectrónicas y General Instruments producían chips MOS. Incluso RCA, pionero de la tecnología Más, desplazó la mayor parte de su interés hacia la tecnología bipolar, que era económicamente más rentable.

Sin embargo, la tecnología MOS resurgió con fuerza en 1967 cuando Fairchild lanzó al mercado la primera memoria MOS (una ROM de 64 bits) y se consolidó definitivamente en junio de 1971 con la introducción, por parte de lntel Corporation, del primer microprocesador (el 4004, de 4 bits).

Posteriores avances en los procesos de fabricación de los circuitos integrados aceleraron el crecimiento de una industria ya en expansión. En .1972, Mostek Corporatión lanza la primera memoria de alta densidad (una RAM dinámica de 1024 bits) e Intel ofrece los primeros microprocesadores de 8 bits (el 8008 y el 8080).

En los años siguientes, .otras industrias como Nátional Semiconductor, Rockwell, AMI, Signetics Western Digital, RCA, Motorola y Zilog producen sus propios microprocesadores (1802, TMS1000, 6800, Z80, 8048, 8086, Z8000, 68000, etc.).

Para mediados de la década de los 70's, existían cerca de 40 microprocesadores diferentes en el mercado. Actualmente, la cifra de microprocesadores disponibles es muy alta.

Escalas de integración

De acuerdo a su complejidad, los circuitos integrados digitales se clasifican en 4 categorías básicas llamadas SSI, MSI, LSI y VLSI. Esta clasificación se fundamenta en la cantidad de compuertas utilizadas para implementar la función propia del chip. Como sabemos, las compuertas son los bloques constructivos básicos de todos los circuitos digitales.

SSI significa Small Scale Integration (integración en pequeña escala) y comprende los chips que contienen menos de 13 compuertas. Ejemplos: compuertas y flip-flops. Los C1 SSI se fabrican principalmente empleando tecnologías 1TL, CMOS. y ECL. Los primeros circuitos integrados eran SSI.

MSI significa Medium Scale Integration (integra- ción en mediana escala) y comprende los chips que contienen de 13 a 100compuenas. Ejemplos: codificadores, registros, contadores, multlplexores, decodificadores, demultiplexores. Los CI MSI se fabrican empleando tecnologías TTL, CMOS y ECL.

LSI significa Large Scale Integration (integración en alta escala) y comprende los chips que contienen de 100 a 1000 compuertas. Ejemplos: memorias, unidades aritméticas y lógicas (ALU's}; microprocesadores de 8 y 16 bits. Los CI LSI se fabrican principalmente empleando tecnologías J2L, NMOS y PMOS.

VLSI significa Very Large Scale Integration (integración en muy alta escala) y comprende los chip s que contienen más de 1000 compuertas. Ejemplos: microprocesadores de 32 bits, microcontroladores, sisteMOS de adquisición de datos. Los CI VLSI se fabrican también empleando tecnologías J2L, NMOS y PMOS. -

Cómo se fabrican los circuitos integrados

Prácticamente, todos los CI digitales disponibles en la actualidad se fabrican a partir de pastillas de silicio, aunque están apareciendo otras tecnologías como la basada en el arseniuro de galio (GaAs). El procesamiento del silicio para obtener Cls o chips es relativamente complicado pero intentaremos describirlo de una forma sencilla.

El silicio utilizado para la fabricación de chips es de una pureza del orden del !99.9999999%j y se produce químicamente a partir del bióxido de silicio (Si O2), el principal constituyente de la arena. Una vez sintetizado, el silicio se funde en una atmósfera inerte y se cristaliza en forma de barras cilíndricas de hasta 10 cm de diámetro y 1 m de largo.
Cada barra se corta en pastillas de 0.25 a 0.50 mm de espesor y las superficies de estas últimos se pulen hasta quedar brillantes (figura 20). Dependiendo de su tamaño, se obtienen varios cientos de circuitos idénticos (chips) sobre ambas superficies mediante un proceso llamado planar, el mismo utilizado para producir transistores en masa.

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Para fabricar un chip, las pastillas de silicio se procesan primero para hacer transistores. Una pastilla de silicio por sí misma es aislante y no conduce corriente. Los transistores se crean agregando impurezas como fósforo o arsénico a determinadas regiones de la pastilla. Las conexiones se realizan a través de líneas metálicas.

El proceso de agregado de impurezas se denomina dopado. Los transistores y las líneas metálicas de contacto se denominan rasgos: El dopado se rea- liza por difusión a altas temperaturas, exponiendo la pastilla al vapor de las impurezas para que sus átomos penetren selectivamente en el silicio.

Cada rasgo se forma sobre la pastilla rociando en las regiones seleccionadas un químico protector sensible a la luz llamado photoresist, el cual forma

una película muy delgada sobre la superficie de la pastilla. La pastilla es entonces bombardeada con luz, mediante un proyector deslizante muy preciso llamado alineador  óptico.

El alineador posee un dispositivo muy pequeño llamado máscara, que evita que la luz incida sobre puntos específicos de la pastilla. Cuando la luz alcanza un área determinada de la pastilla, elimina el photoresist presente en esa zona. A este proceso se le denominafotolitografla.

Mediante un proceso de revelado, el químico (fósforo, arsénico o metal) se deposita en las regiones descubiertas por la luz e ignora las encubiertas por la máscara. Estas últimos zonas aún permanecen recubiertas de" photoresist”.

La precisión del alineador óptico deteffi1ina qué tan fino puede hacerse un rasgo. A comienzos de los 70's, era difícil hacer transistores de menos de 10 micras de tamaño. Ahora, los transistores alcanzan tamaños inferiores a una micra. Esto per- mite una alta densidad y mejora la velocidad de res- puesta de los dispositivos.

A continuación, la pastilla se calienta a altas temperaturas. Esto origina que el silicio no procesado. de la superficie se convierta en óxido de silicio SiO2 El SiO2 se esparce. sobre la superficie de la pastilla y forma sobre la misma una delgada película aislante de unas pocas micras de espesor.

De este modo se obtiene el primer nivel de metalizacióndel chip. Para obtener una nueva capa de metalización, el SiO2 se trata nuevamente con "photoresist" y se expone al alineador óptico, repitiéndose el mismo procedimiento seguido con el silicio del primer nivel (figura 21).

Las diferentes capas van creciendo una sobre otra formando  una estructura parecida a un sandwich, con el SiO2 como el pan y el metal o el silicio dopado como la salchicha (figura 22). Por .cuestiones prácticas, la mayoría de CI's no se hacen  más de tres capas de metalización.

Los circuitos integrados no remplazaron los circuitos de componentes discretos de la noche a la mañana. Los primeros chips eran frecuentemente más lentos y costosos y consumían más potencia que sus contrapartes discretas a transistores. Esto creó cierta resistencia a la nueva tecnología.

Los circuitos integrados de hoy resultan ser mu- La tensión de alimentación (+V) se obtiene mucho más baratos y rápidos que hace dos décadas y del circuito bajo prueba. Cuando se aplica un bajo se ha prestado particular atención al desarrollo de a la entrada de un monitor, el LEO respectivo se nuevos chips que consuman menos potencia que apaga, y cuando se aplica un alto o la entrada está sus predecesores. Un ejemplo de esta búsqueda es al aire, el LEO permanece iluminado. el circuito integrado 7555, la versión CMOS del popular CI 555 (figura 23).

En la figura A 1 se muestra el diagrama esquemático del módulo 1. Cada monitor consiste de una resistencia de 1 K,Ω , un LED y una compuerta NAND conectada como inversor. Las 4 compuertas NAND provienen de un circuito integrado CMOS 4011B. Todos estos componentes se montan sobre una taIjeta de circuito impreso.

Los chips de baja potencia representan una de las más importantes tendencias en la tecnología de los circuitos integrados digitales modernos. En los años venideros, los chips CMOS seguramente dominarán el mercado, desplazando a los TTL.

En La figura Al se muestra el diagrama esquemático del módulo 1. Cada monitor consiste de una resistencia de 1 K,Q, un LED y una compuerta NANO conectada como inversor. Las 4 compuertas NAND provienen de un circuito integrado CMOS 40llB. Todos estos componentes se montan sobre una tarjeta de circuito impreso.

La tensión de alimentación (+ V) se obtiene del circuito bajo prueba. Cuando se aplica un bajo a la entrada de un monitor, el LEO respectivo se apaga, y cuando se aplica un alto o la entrada está al aire, el LEO permanece iluminado.

En la figura A2 se muestran el circuito impreso a tamaño natural y la guía de localización de componentes del módulo 1. En las siguientes actividades (página 26) suministraremos las instrucciones de ensamble, paso a paso, de este módulo.