Lecciones para Leer

Circuitos Integrados en México

Adalberto Bonfil

Circuitos Integrados en México

Durante más de 50 años del siglo xx la industria electrónica estuvo basada en la tecnología del tubo de vacío, más popularmente conocido como bulbo: los sistemas de comunicación y los televisores, así como diversos instrumentos de medición, que trabajaban con esta tecnología, no eran sistemas del todo funcionales debido a las características propias de los bulbos, como su fragilidad, su gran tamaño y, sobre todo, su gran consumo de energía. Ante tales limitaciones, la industria electrónica realizó innovaciones en los diseños e introdujo los sistemas basados en componentes electrónicos discretos, como la radio de transistores. Sin embargo, fue la invención del circuito integrado lo que produjo una verdadera revolución en la industria electrónica.

En la última década, el sector eléctrico – electrónico ha mostrado una importante evolución y crecimiento.

Este sector está integrado por la industria de manufacturas eléctricas, constituida por empresas dedicadas a la fabricación de equipos y accesorios para la transmisión, distribución y control de energía, y la industria electrónica, que abarca la producción de aparatos electrónicos para consumo final, como electrodomésticos, equipo médico, computadoras, equipo de telecomunicación móvil y semiconductores.

La industria de equipos y aparatos electrónicos es la segunda actividad manufacturera más importante de México. Su éxito se debe a las ventajas competitivas que ofrece nuestro país, que han atraído a los principales productores de países como Estados Unidos y Japón: los principales mercados de exportación del sector eléctrico – electrónico mexicano son Estados Unidos, Canadá, Países Bajos, Alemania y Colombia.

Un circuito integrado es una pastilla pequeña de material semiconductor, que se le conoce como Chip. El primer circuito integrado fue relativamente sencillo pero en los diseños que han existido a lo largo de su evolución su complejidad, su funcionalidad y su confiabilidad se han incrementado; En 1958 Jack Kilby de Texas Instruments construyó el primer circuito integrado.

IBM en el año 1964 produce la serie 360 con circuitos integrados, sustituyendo la serie 700, la cual estaba diseñada con transistores. Otra característica de estos aparatos era la memoria virtual. En 1964 se introduce el concepto de byte. Como la serie 360 empleaba grupos de 8 bits, se le dio el nombre de byte a la unidad básica de información compuesto de 8 bits.

Un circuito integrado de determinada generación incorpora mayor número de componentes, procesa mayor cantidad de señales en un tiempo menor, consume menor energía y, ante todo, su costo de producción se reduce en comparación con el de la generación anterior. Todo esto hizo que los circuitos integrados ganaran terreno rápidamente frente a otras tecnologías. Su evolución originó no sólo una diversificación de las aplicaciones de la electrónica sino también la sofisticación de las aplicaciones ya existentes.

Entre los circuitos integrados más complejos se encuentran los microprocesadores, que controlan desde computadoras hasta teléfonos celulares, memorias digitales y hornos microondas. Mientras que el costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción, el costo individual se reduce al mínimo. Su eficiencia es alta debido a que el pequeño tamaño de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilización de lógica de bajo consumo con altas velocidades.

Con el paso del tiempo los circuitos integrados van evolucionando, se fabrican en tamaños cada vez más pequeños, con mejores características, mejoran su eficiencia y su eficacia, al momento que su tamaño se reduce, mejora el costo y el consumo de energía, aumentando así el rendimiento. A pesar de estas ventajas actualmente existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar diseños cada vez más delgados. Este proceso, y lo esperado para los próximos años, está muy bien descrito por la International Technology Roadmap for Semiconductors.

Solo ha trascurrido medio siglo desde que se inició su desarrollo y los circuitos integrados están en todas partes en computadoras, teléfonos móviles y otras aplicaciones digitales que son ahora parte fundamental de la sociedad moderna. La informática, las comunicaciones, la manufactura y los sistemas de transporte, incluyendo Internet, todos dependen de la existencia de los circuitos integrados. De hecho, muchos estudiosos piensan que la revolución digital causada por los circuitos integrados es uno de los sucesos más significativos de la historia de la humanidad.

En la actualidad los procesos tecnológicos de fabricación han alcanzado un grado de madurez tal que la tarea de reproducción es muy alta. No obstante, los costos de fabricación se reducen considerablemente sólo para la producción de alto volumen. Entre algunas de las empresas fabricantes de circuitos integrados más importantes en el mundo están Analog Devices, Fairchild Semiconductor, AMD, Motorola, Freescale Semiconductor, ibm, Infineon Technologies, Intel, National Semiconductor, nec Corporation, Philips, Renesas, stMicroelectronics, Texas Instruments y Zilog, todas ellas ubicadas ya sea en Estados Unidos, Europa o Asia.

Es importante señalar, por un lado, que el mayor número de empresas de corte electrónico en México se encuentra en Puebla y Guadalajara, en donde cada vez más empresas de esta última ciudad están dedicadas a la electrónica, incorporando áreas de desarrollo de productos electrónicos con valor agregado para poder competir con empresas asentadas en países asiáticos. Esto implica la demanda de recursos humanos expertos en diseño para poder satisfacer las necesidades de la industria regional en el corto y mediano plazos. La estructuración de programas de formación de expertos en diseño por universidades ubicadas en esta región del país se convierte, pues, en una necesidad que, al ser atendida, puede provocar la llegada de más empresas de semiconductores, ya no de maquila sino de diseño, con un efecto positivo que se vería reflejado en el fortalecimiento del distrito electrónico y la generación de empleos en el país en el largo plazo.

México se encuentra en el mapa mundial de los productores de circuitos integrados. La evolución de esta tecnología, basada en la miniaturización de circuitos de alta integración y en el aumento en su velocidad de trabajo, implica que las empresas electrónicas mexicanas requieran de especialistas en los procesos de diseño y creación de circuitos integrados, que contribuyan a consolidar el cluster de la industria electrónica.

ELETRÓNICA DIGITAL

Adalberto Bonfil

.: Qué es Electrónica Digital...?

Obviamente es una ciencia que estudia las señales eléctricas, pero en este caso son señales discretas, es decir, están bien identificadas, razón por la cual a un determinado nivel de tensión se lo llama estado alto (High) o Uno lógico; y a otro, estado bajo (Low) o Cero lógico.
Los estados logicos pueden ser: "prendido o apagado", "abierto o cerrado, "Normalmente Abierto o Normalmente Cerrado"".

 Suponte que las señales eléctricas con que trabaja un sistema digital son 0V y 5V. Es obvio que 5V será el estado alto o uno lógico (1), pero bueno, habrá que tener en cuenta que existe la Lógica Positiva y la Lógica Negativa, veamos cada una de ellas.

.: Lógica Positiva

En esta notación al 1 lógico le corresponde el nivel más alto de tensión (positivo, si quieres llamarlo así) y al 0 lógico el nivel mas bajo (que bien podría ser negativo), pero que ocurre cuando la señal no está bien definida...?. Entonces habrá que conocer cuales son los límites para cada tipo de señal (conocido como tensión de histéresis), en este gráfico se puede ver con mayor claridad cada estado lógico y su nivel de tensión.

.: Lógica Negativa

Aquí ocurre todo lo contrario, es decir, se representa al estado "1" con los niveles más bajos de tensión y al "0" con los niveles más altos.

Por lo general se suele trabajar con lógica positiva, y así lo haremos en este tutorial, la forma más sencilla de representar estos estados es como se puede ver en el siguiente gráfico.

De ahora en más ya sabrás a que nos referimos con estados lógicos 1 y 0, de todos modos no viene nada mal saber un poco más... ;-)

.: Compuertas Lógicas

Las compuertas lógicas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos (encendido, apagado) mencionados y funcionan igual que una calculadora, de un lado ingresas los datos, ésta realiza una operación, y finalmente, te muestra el resultado.

Cada una de las compuertas lógicas se las representa mediante un Símbolo, y la operación que realiza (Operación lógica) se corresponde con una tabla, llamada Tabla de Verdad, vamos con la primera...

.: Compuerta NOT

Se trata de un inversor, es decir, invierte el dato de entrada, por ejemplo; si pones su entrada a 1 (nivel alto) obtendrás en su salida un 0 (o nivel bajo), y viceversa. Esta compuerta dispone de una sola entrada. Su operación lógica es s igual a a invertida

.: Compuerta AND

Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto entre ambas, no es un producto aritmético, aunque en este caso coincidan.
*Observa que su salida será alta si sus dos entradas están a nivel alto*

.: Compuerta OR

Al igual que la anterior posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas... Bueno, todo va bien hasta que 1 + 1 = 1, el tema es que se trata de una compuerta O Inclusiva es como a y/o b
*Es decir, basta que una de ellas sea 1 para que su salida sea también 1*

.: Compuerta OR-EX o XOR

Es OR EXclusiva en este caso con dos entradas (puede tener mas, claro...!) y lo que hará con ellas será una suma lógica entre a por b invertida y a invertida por b.
*Al ser O Exclusiva su salida será 1 si una y sólo una de sus entradas es 1*

Estas serían básicamente las compuertas mas sencillas. Es momento de complicar esto un poco más ahora que sabemos más... = )


.: Compuertas Lógicas Combinadas.

Al agregar una compuerta NOT a cada una de las compuertas anteriores, los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas llamadas NAND, NOR y NOR-EX... Veamos ahora como son y cual es el símbolo que las representa...

.: Compuerta NAND

Responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo a la salida de la compuerta AND.

.: Compuerta NOR

El resultado que se obtiene a la salida de esta compuerta resulta de la inversión de la operación lógica o inclusiva es como un no a y/o b. Igual que antes, solo agregas un círculo a la compuerta OR y ya tienes una NOR.

.: Compuerta EX-NOR o XNOR

Es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad, que bien podrías compararla con la anterior y notar la diferencia, el símbolo que la representa lo tienes en el siguiente gráfico.

.: Buffer's YES

Ya la estaba dejando de lado..., no se si viene bien incluirla aquí pero de todos modos es bueno que la conozcas, en realidad no realiza ninguna operación lógica, su finalidad es amplificar un poco la señal (o refrescarla si se puede decir). Como puedes ver en el siguiente gráfico, la señal de salida es la misma que de entrada.

 Suficiente... de todos modos es importante que busques la "hoja de datos" o "data sheet" del circuito integrado en cuestión, distribuido de forma gratuita por cada fabricante y disponible en Internet... donde más...? La complicación es que esta en inglés la información.


 .: Circuitos Integrados CI y Circuito de Prueba CP.

Existen varias familias de Circuitos integrados, pero sólo mencionaré dos, los más comunes, que son los TTL y CMOS:

Estos Integrados los puedes caracterizar por el número que corresponde a cada familia según su composición. Por ejemplo;

Los TTL se corresponden con la serie 5400, 7400, 74LSXX, 74HCXX, 74HCTXX etc. algunos 3000 y 9000.

Los C-MOS y MOS se corresponde con la serie CD4000, CD4500, MC14000, 54C00 ó 74C00. en fin...

.:Diferancia entre C-MOS y TTL

La pregunta de rigor... Cual es la diferencia entre uno y otro...?, veamos... yo comencé con los C-MOS, ya que disponía del manual de estos integrados, lo bueno es que el máximo nivel de tensión soportado llega en algunos casos a +15V, (especial para principiantes para no quemarlos...!!!), mientras que para los TTL el nivel superior de tensión alcanza en algunos casos a los +12V aproximadamente, pero claro estos son límites extremos, lo común en estos últimos es utilizar +5V y así no tendran que sufrir mucho y todos felices.

C-MOS
- tecnología Complementaria de Metal Óxido Semiconductor
- El 0 (cero) lógico es de 0.0 V a 0.8 V
- El margen de seguridad es de 0.8 V a 2.0 V
- El 1 (uno) lógico es de 2 V a 5 V

TTL
- Tecnología Lógica de Transistor a Transistor
- El 0 (cero) lógico es de 0.0 V a 1.5 V
- El margen de seguridad es de 1.5 V a 3.5 V
- El 1 (uno) lógico es de 3.5 V a 5.0 V

La velocidad de transmisión de datos, resulta ser, que los circuitos TTL son mas rápidos que los C-MOS, por eso su mayor uso en sistemas de computación.

Los circuitos integrados C-MOS es de menor consumo de potencia que los TTL.

Los C-MOS tienen una mayor inmunidad al ruido que los TTL.

Y ya por último los CI C-MOS presenta un mayor intervalo de voltaje y un factor de carga más elevado que los TTL.


Hasta aquí de teoría, nos interesa más saber como se hacen evidente estos estados en la práctica, y en qué circuitos integrados se las puede encontrar y más adelante veremos unas cuantas leyes que se pueden aplicar a estas compuertas para obtener los resultados que deseas...


Veamos lo que encontramos en uno de ellos; en este caso un Circuito integrado 74LS08, un TTL, es una cuádruple compuerta AND. Es importante que notes el sentido en que están numerados los pines y esto es general, para todo tipo de integrado...

Comenzaremos con este integrado para verificar el comportamiento de las compuertas vistas anteriormente. El representado en el gráfico marca una de las compuertas que será puesta a prueba, para ello utilizaremos un fuente regulada de +5V, un LED una resistencia de 220 ohm, y por supuesto el IC que corresponda y la placa de prueba.

El esquema es el siguiente...

En el esquema está marcada la compuerta, como 1 de 4 disponibles en el Integrado 74LS08, los extremos a y b son las entradas que deberás llevar a un 1 lógico (+5V) ó 0 lógico (GND), el resultado en la salida s de la compuerta se verá reflejado en el LED, LED encendido (1 lógico) y LED apagado (0 lógico), no olvides conectar los terminales de alimentación que en este caso son el pin 7 a GND y el 14 a +5V. Montado en la placa de prueba te quedaría algo así...

.: Un poco de Leyes.

Antes de seguir... Lo primero y más importante es que trates de interpretar la forma en que realizan sus operaciones cada compuerta lógica, ya que a partir de ahora las lecciones se complican un poco más. Practica y verifica cada una de las tablas de verdad.

.: Leyes de De Morgan

Se trata simplemente de una combinación de compuertas, de tal modo de encontrar una equivalencia entre ellas, esto viene a consecuencia de que en algunos casos no dispones del integrado que necesitas, pero si de otros que podrían producir los mismos resultados que estas buscando.

Para interpretar mejor lo que viene, considera a las señales de entrada como variables y al resultado como una función entre ellas. El símbolo de negación (operador NOT) lo representaré por "~".

Por ejemplo: a . ~ b significa a AND NOT b, se entendió...?

.: 1º Ley:

El producto lógico negado de varias variables lógicas es igual a la suma lógica de cada una de dichas variables negadas. Si tomamos un ejemplo para 3 variables tendríamos..
                                                              ~ (a.b.c) = ~a + ~b + ~c

El primer miembro de esta ecuación equivale a una compuerta NAND de 3 entradas, representada en el siguiente gráfico y con su respectiva tabla de verdad.

El segundo miembro de la ecuación se lo puede obtener de dos formas...

Fíjate que la tabla de verdad es la misma, ya que los resultados obtenidos son iguales. Acabamos de verificar la primera ley.

.: 2º Ley:

La suma lógica negada de varias variables lógicas es igual al producto de cada una de dichas variables negadas...
                                                                    ~ (a + b + c) = ~a . ~b . ~c

El primer miembro de esta ecuación equivale a una compuerta NOR de 3 entradas y la representamos con su tabla de verdad...

El segundo miembro de la ecuación se lo puede obtener de diferentes forma, aquí cité solo dos...

Nuevamente... Observa que la tabla de verdad es la misma que para el primer miembro en el gráfico anterior. Acabamos así de verificar la segunda ley de De Morgan.

Para concluir... Con estas dos leyes puedes llegar a una gran variedad de conclusiones, por ejemplo...

Para obtener una compuerta AND puedes utilizar una compuerta NOR con sus entradas negadas, o sea...
a . b = ~( ~a + ~b)

Para obtener una compuerta OR puedes utilizar una compuerta NAND con sus entradas negadas, es decir...
a + b =~( ~a . ~b)

Para obtener una compuerta NAND utiliza una compuerta OR con sus dos entradas negadas, como indica la primera ley de De Morgan...
~ (a.b) = ~a + ~b

Para obtener una compuerta NOR utiliza una compuerta AND con sus entradas negadas, ...eso dice la 2º ley de De Morgan, así que... habrá que obedecer...
~(a + b) = ~a . ~b

La compuerta OR-EX o XOR tiene la particularidad de entregar un nivel alto cuando una y sólo una de sus entradas se encuentra en nivel alto. Si bien su función se puede representar como sigue...
s = a . ~b + ~a . b

te puedes dar cuenta que esta ecuación te indica las compuertas a utilizar, y terminarás en esto...

Para obtener una compuerta NOR-EX o XNOR agregas una compuerta NOT a la salida de la compuerta OR-EX vista anteriormente y ya la tendrás. Recuerda que su función es...
s = ~(a . ~b + ~a . b)

Para obtener Inversores (NOT) puedes hacer uso de compuertas NOR o compuertas NAND, simplemente uniendo sus entradas.

Existen muchas opciones más, pero bueno... ya las irás descubriendo, o las iremos citando a medida que vayan apareciendo, de todos modos valió la pena. No crees...?

.: Más sobre funciones y operadores lógicos.

 A estas alturas ya estamos muy familiarizados con las funciones de todos los operadores lógicos y sus tablas de verdad, todo vino bien..., pero... qué hago si dispongo de tres entradas (a, b y c) y deseo que los estados altos sólo se den en las combinaciones 0, 2, 4, 5 y 6 (decimal)...? Cómo combino las compuertas...? y lo peor, Qué compuertas utilizo...?. No te preocupes, yo tengo la solución, ...all is well... :o))

Trataré de dar una solución verdadera a tu problema, preparado...?

http://r-luis.xbot.es/edigital/ed02.html