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.
.
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.
