familias logicas

Tema II.
Familias lógicas

Departamento de Ingeniería Electrónica de Sistemas Informáticos y Automática

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2.1. Introducción
A la hora de realizar un layout de un circuito integrado, debemos conocer el esquema a
nivel de transistores del circuito para poder disponer las diferentes capas en los lugares correspondientes. Por cuestiones de simetría (tanto geométrica como paramétrica),todas las puertas
(o como mínimo la mayoría) que sean necesarias construir se llevarán a cabo siguiendo unos
patrones comunes, es decir, utilizando una misma familia lógica.
Una familia lógica se puede definir como la estructura básica a partir de la
cual se pueden construir las diferentes puertas lógicas
La mayoría de familias lógicas utilizadas en el diseño microelectrónico se basan endispositivos semiconductores, y más concretamente en transistores. Podemos distinguir dos tipos
de transistores (de importancia contrastada): transistores bipolares y transistores MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), o más comúnmente conocidos como
MOS. Los símbolos de estos transistores se muestran en la figura 2.15. En ellos podemos ver
que son componentes de tres terminales(aunque en el caso del transistor MOS no es estrictamente cierto, puesto que dispone de cuatro terminales: el sustrato, el cual no suele aparecer
porque siempre está conectado al mismo punto).
Transistor bipolar

Transistor MOS

Colector
Puerta
(Gate)

Base
Emisor

Drenador
(Drain)
Fuente
(Source)

Figura 2.15. Símbolos de los principales transistores utilizados enMicroelectrónica.

Cualitativamente podemos indicar que ambos transistores operan de la misma forma, es
decir, como un interruptor controlado por la tensión de base (en el caso de los transistores
bipolares) o de puerta (en el caso de los transistores MOS); de tal forma que se permitirá o no
el paso de información entre los terminales restantes. No obstante, determinadas características
eléctricas handecantado la balanza hacia los transistores MOS ya que presentan un consumo
de potencia mucho menor que los transistores bipolares. Los transistores bipolares han quedado para aplicaciones de muy alta velocidad en el campo analógico.
Centrándonos en los transistores MOS, podemos indicar que existen dos tipos: transistores NMOS y PMOS, mostrados en la figura 2.16. En el comportamiento de los dostipos de
transistores, podemos observar que son complementarios, ya que alternan las situaciones de
conducción y de corte. También podemos observar una diferencia en la zona de conducción de
ambos transistores, de tal forma que uno de los valores lógicos pasa degradado a través del
transistor (el valor ‘1’=VDD en el caso del transistor NMOS, y el ‘0’=gnd en el caso del
PMOS). No obstante, en elmodelo de interruptores, esta degradación se suele despreciar (aunque dicha afirmación no es del todo cierta).

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NMOS

g

g

PMOS

s

d

s

d

p

p

n

n
p

n

d

d
G

d

G
s

G

vg =

d
(b)

G

s

s

vdd

vd=vdd -> vs=vdd-vth
vdd

(a)

id = 0
(c)

vg=

vd=0 --> vs = 0

s

vd=0 --> vs = -vth
0

0

vdd

vd=vdd --> vs=vdd

id = 0

S

vdd

D

S

D

S

D

(d)

vg =

vg =
0

S

D

0

Figura 2.16. Tipos de transistores MOS.
(a) Esquema físico, (b) símbolos, (c) comportamiento, (d) modelo de interruptores.

2.1.1. Análisis de una puerta lógica.
De forma previa a abordar el diseño de puertas lógicasutilizando diferentes familias,
vamos a ver cómo podríamos analizar una puerta, es decir, como podríamos obtener el valor
lógico de la salida para las diferentes combinaciones de entrada.
Supongamos la puerta mostrada en la figura 2.17, compuesta por dos transistores PMOS,
conectados en paralelo, y dos transistores NMOS, conectados en serie. Dicha puerta tiene dos
entradas, A y B, conectados a...