Familias
Lógicas. Salida en Colector/Drenador abierto. Cálculo de
la resistencia de pull-up.
En esta página se describe el
uso de un
simulador electrónico, se lanza el applet y se proponen una serie de ejercicios.
1.-
Manejo del Simulador.
El Applet ejecutado a continuación simula el
comportamiento de una conexión entre dos puertas lógicas
de diferentes tecnologías, tecnología TTL y CMOS. Si bien
todos los parámetros de tensión pueden modificarse
dejando de tener los valores normalizados. El applet permite estudiar
si es posible conectar directamente dos puertas, es decir, si las
tensiones son compatibles en función de las corrientes de carga
y el valor de la resistencia Rpu necesaria siempre que la salida sea en
colector/drenador abierto.
Bloques del simulador: El simulador tiene cuatro
zonas diferenciadas:
Circuito: La ventana del
circuito muestra el circuito con los parámetros actualizados.
Hay que observar que las corriente se definen siempre como entrantes y
es el signo el que nos indica el sentido real de la corriente.
Resultados: Aparecen
comentarios sobre el estado en el que se encuentra la conexión,
si hay sobre corriente, si no se cumplen los valores de tensión,
o si la conexión es correcta.
Embudo de conexión: Esta
zona nos presenta de forma gráfica las tensiones involucradas en
la conexión. En azul los valores representa el “1” lógico
para la puerta de la familia A y para B y el rojo representa el
“0” lógico, en amarillo el valor actual de entrada a la puerta A
y a la puerta B.
Control de parámetros: Esta
zona se controla el valor de todos los parámetros del circuito.
Modificar el valor de los parámetros de los
elementos del circuito y del transistor es sencillo. Primero se
selecciona
el parámetro y después introduce el valor sin unidades y
sin múltiplos. El valor se modifica tecleándolo
directamente en el
cuadro de texto vapl o con la
barra de desplazamiento. Obsérvese que la barra recorre desde un
mínimo y un máximo que se pueden adecuar al experimento.
En el Applet aparecen todos los parámetros de
corriente relacionados con la definición del “1” y del “0”
tanto de entrada como de salida (IIH,IIL,IOH, IOL). Picando sobre las
opciones (CMOS y TTL) en la familia A o B se restablecen los valores
normalizados. En el caso de puertas lógicas CMOS es posible
cambiar la tensión de alimentación picando sobre Vcc y
Vdd para la familia correspondiente. Para observar la
degradación de los valores lógicos en función de
la carga se pueden variar los valores de corrientes de entrada y de
salida.
Elementos en el embudo
de conexión. Este embudo permite conocer si la
conexión es posible o no, si se forma un embudo la
conexión es posible. En caso contrario no lo es. Las barras
establecen
los valores de entrada y de salida de las familias. El punto amarillo
es la tensión de entrada
en la puerta. El embudo consiste en dos
lineas: una para el "1" lógico que va dirigida desde VOH hasta
VIH y otra para el "0". Cabe destacar que se muestra el margen de ruido
como NmH margen a nivel alto y NmL margen de ruido a nivel bajo.
Elementos en el diagrama
de corrientes. Dentro del esquema se pueden apreciar para la
salida de A y para la entrada de B, las cuatro corrientes que pueden
entrar en juego: en negro la
corriente real, en rojo el
valor máximo de corriente a nivel bajo, en azul la corriente
máxima a nivel alto y en verde
la corriente IRpu. El dibujo de las corrientes está
normalizado al valor más alto de las seis corrientes y son por
lo tanto gráficos orientativos. si la corriente real en negro
supera el máximo a nivel alto o bajo los valores lógicos
se
degradarán por encima o por debajo de los máximos y
mínimos.
Tensiones en las
salidas, El dato que aparece en VoutA y VinB debería ser
el mismo puesto pertenecen al mismo nodo eléctrico.
¿Cómo se debe interpretar? VoutA=Z significa que la
salida está en alta impedancia. VoutA=U significa que la entrada
esta en un tramo prohibido. La tensión que realmente aparece la
establece la resistencia Rpu y es igual a VinB.
2.- Lanzador applet.
3.- Ejercicios.
Tensión en la
salida.
Pincha sobre el selector TTL en la familia A y en B
para establecer los parámetros originales de TTL. A
continuación, selecciona el valor de tensión de entrada
(VinA) y con la barra de desplazamiento cambia progresivamente desde 5V
a 0V. Mientras desplazas , observa los valores a la salida de las
puertas. Fíjate en la bola amarilla del diagrama de
compatibilidad, estas representan la tensión de entrada de cada
puerta.
Observa que mientras la tensión de entrada
esté por encima de
VIHminA la entrada será considerada un "1" lógico y en la
salida aparecerá un "0" lógico, ¿La entrada de la
puerta B entiende la tensión como un "0" lógico?
¿Qué ocurre si la tensión VinA
está
por debajo de VILmaxA? ¿En qué estado se encuentra la
salida de A?, ¿Qué tensión aparece en la
conexión, ¿La puerta B lo entiende como un "1"?
¿Qué tensión pone B en su salida? ¿Otra
puerta de la misma tecnología la interpretaría como "1"
lógico?.
Aumento de la carga en
la salida. El "0" lógico.
En una familia TTL es la saturación de
un transistor BJT la que
provoca una tensión muy pequeña en la salida, es decir,
el "0" lógico. Esta tensión se corresponde con la
tensión VCE(sat) típica de un transistor BJT. Un aumento
de corriente de salida
provoca un aumento de la potencia disipada y un aumento en la
tensión de salida. El primer factor tiene un límite
establecido por la tecnología
de fabricación y se puede consultar en las hojas de
características del chip, el segundo factor puede llegar a
desvirtuar el "0"
lógico. Para observar este efecto se experimentará
con diferentes
valores de la Rpu cuando en la entrada hay un "1" lógico.
Restablezca
los parámetros originales de TTL. Seleccione el valor Rpu que
estará a 2KΩ, y en la casilla de valor máximo (abajo a la
derecha) introduzca el valor 2000 y pulse [intro]. (Con esta
operación no se modifica el valor de Rpu sino el rango de
valores que se aplicarán a tocar con el ratón la barra de
desplazamiento).
Con la barra de desplazamiento establece un valor de 1KΩ para la
resistencia Rpu. ¿Qué corrientes aumentan?
Reduce el valor de Rpu a 500Ω. La corriente de salida de la
puerta A (IOA),
¿Es inferior al límite (IOLmaxA)?
¿Qué ocurre si Rpu es aprox. 200Ω? ¿La
corriente está entre límites IOA es inferior a IOLmax?
¿La tensión es interpretada como un "0" lógico por
la entrada de la puerta B?
¿Qué ocurre si Rpu es aprox. 100Ω? ¿La
salida es
un "0" lógico para la puerta B?.
Nota: probablemente con una
resistencia de 100Ω se haya superado el límite de superior de
potencia. Para comprobarlo mira el datasheet
de cualquier puerta de la familia TTL.
Aumento de la carga en la
salida. El "1" lógico
La familia TTL en colector abierto no fuerza
ningún valor de
tensión para el "1" lógico, todo lo contrario, se
desconecta
de la salida y deja que sea la Rpu y la tensión Vpu los que
establezcan la tensión para este valor lógico. Para
observar este efecto en el circuito se trabajará con diferentes
valores de Rpu y la
Vpu.
Establezca como entrada (VinA) una tensión
inferior a
VILmax, es decir, un "0" lógico, configure una Rpu de 2KΩ y un
valor máximo para este
parámetro de 100000.
Con la barra de desplazamiento establezca un valor de 4KΩ para la
resistencia Rpu. ¿Qué valor de tensión de salida
aparece? ¿La entrada B lo entiende como un "1" lógico?.
Para una Rpu=8KΩ ¿Qué valor de tensión de
salida aparece? ¿La entrada B lo entiende como un "1"
lógico?.
Para una Rpu=80KΩ ¿Qué valor de tensión de
salida aparece? ¿La entrada B lo entiende como un "1"
lógico?.
Establezca un valor que haga que la entrada sea otra vez un "1",
por ejemplo, una Rpu=30KΩ. A la salida ¿Hay un "1"
lógico?, ahora cambia el valor de Vpu a 3V. ¿Hay un "1"
lógico a la entrada de B? ¿Cuál es el valor de
salida de B?
En resumen:
Hay que considerar dos casos cuando aumenta la carga
Para una salida a "0". Un valor pequeño de
Rpu aumenta la
disipación de potencia y la tensión de salida llegando
incluso a desvirtuar el "0" lógico o quemar el chip.
Para una salida a "1". Un valor de Rpu grande hace
disminuir la
tensión en la salida hasta valores que desvirtúan el "1"
lógico.
