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ALUMNO: ARIVILCA NINA, EDWARD

EXPERIENCIA Nº 03

CARACTERIZACIÓN DE PUERTAS LÓGICAS: PUERTA NAND-TTL

I.- OBJETIVO:

El objetivo de esta caracterizar una puerta lógica de uso universal tanto su entrada como su salida en corriente y voltaje.

II.- INTRODUCCION TEORICA: El circuito integrado 7400 El circuito integrado (IC, integrated circuit) 7400 es un circuito que consta de cuatro puertas NAND de tecnología bipolar TTL. Esta es la primitiva serie bipolar 74 de alto consumo, a la que luego siguieron series mejoradas que utilizan transistores Schottky (74LS00), que serían utilizadas en sucesivas prácticas. La numeración de pines es la habitual en cualquier IC, se comienza desde la muesca u se va contando desde ella en sentido contrario a las agujas de reloj. En concreto para esta serie los pines 7 y 14 corresponden a la masa (GND) y a la tensión de alimentación VCC respectivamente. Las entradas y salidas e las puertas NAND se pueden comprobar en la hoja de especificaciones del integrado. En los esquemas de puertas lógicas que se emplean para representar los circuitos, no aparecen las conexiones de alimentación (GND y VCC), pero se debe recordar que siempre hay que alimentar al circuito integrado para que sea operativo. Al alimentar al circuito integrado se alimentan todas las puertas que contienen. Otra cosa que hay que tener en cuenta es que si utilizamos más de un IC todos deben tener una masa común.Es muy conveniente, para familiarizarse con el manejo de circuitos integrados, realizar un esquema de conexiones físicas (cableado) entre los diferentes pines del IC.

1.- Construir la tabla de verdad de la función NAND previa verificación en una de las cuatro puertas NAND del IC. Para esto, se utilizará la fuente de alimentación que utilizaremos para alimentar al IC con una tensión VCC = 5V. Las señales altas y bajas la obtendremos mediante cables auxiliares que conectaremos a la entrada de las puertas y a GND para obtener una entrada a la puerta en baja, y a

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VCC para obtener una entrada a alta. La salida la mediremos con el polímetro en su función voltímetro.

2.- Configurar la puerta NAND para que actúe como un inversor de las dos formas que se muestra en la Figura 1. Una vez configurada comprobar el comportamiento inversor de cada una de las configuraciones introduciendo una señal cuadrada TTL (X es una señal oscilante cuadrada entre 0 y 5V) y visualizando tanto la entrada X como la salida F en el osciloscopio. Dibujar las formas de ondas de entrada y salida de ambas configuraciones.

Figura 1: NAND actuando como inversor 3.- Conectar en serie dos inversores configurados del primer modo y comprobar con el osciloscopio alternativamente la salida del primer inversor y del segundo inversor. Sobre la salida del primer inversor medir los retardos de propagación tpHL y tpLH para calcular su promedio tp. Luego medir lo mismo retardos en la salida del segundo inversor y compararlos con el del primero. Comentar los resultados. 4.- Utilizar dos puertas NAND del 7400 para construir el circuito equivalente de una puerta AND, como se muestra en la Figura 2 y comprobar su tabla de verdad.

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Figura 2: AND equivalente con puertas NAND

5.- Utilizar tres puertas NAND del 7400 para construir el circuito equivalente de una puerta OR, como se muestra en la Figura 3 y comprobar su tabla de verdad.

Figura 3: OR equivalente con puertas NAND

6.- Demostrar mediante el álgebra de Boole las equivalencias de los anteriores circuitos (puntos 2, 4 y 5). Las equivalencias mostradas en los circuitos equivalentes o propiedad universal de las puertas NAND nos demuestra que cualquier función booleana puede realizarse mediante exclusivamente puertas NAND. Una vez que disponemos de las funciones NOT, OR y AND realizadas mediante puertas NAND, cualquier función por compleja que sea puede ser realizada mediante puertas NAND. Esto es demostrable mediante el álgebra de Boole y las funciones estándar suma de productos y productos de sumas.

III.- ELEMENTOS A UTILIZAR:

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01 Circuito Integrado 7400.

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01 Potenciómetro lineal de 5 KΩ.

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01 Resistencia de 100 Ω - ½ W.

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01 Voltímetro digital.

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01 Miliamperímetro digital.

IV.- PROCECIMIENTO

4 .1. Medida de las características I-V de entrada y salida Junto a la característica de transferencia de voltaje (VTC, voltage transfer characteristic) dada por Vout = f (Vin), que ya medimos para el caso de un inversor discreto en la Experiencia 02, la otra curva de caracterización de las puertas lógicas es la característica I-V de entrada y salida, que nos indica la dependencia entre la intensidad de corriente y el voltaje para la entrada y salida de la puerta lógica. 1.- Medir, mediante el circuito que se muestra en la Figura 4, la intensidad de corriente en la entrada de la puerta NAND. Medir Iin conforme se va disminuyendo la tensión de entrada Vin desde +5V hasta +1V. Construir la gráfica correspondiente y extrapolar el valor de Iin para el voltaje umbral de la puerta para la salida baja (VinL = 0,4V). Este valor se denomina IIL. Los valores obtenidos de intensidad estarán en los rangos de los miliamperios, por lo que hay que tener extremo cuidado en poner el rango del amperímetro correctamente. Otro enorme cuidado hay que poner al utilizar el multímetro como amperímetro ya que debe estar en serie y no en paralelo para realizar la medida.

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Datos simulados en cadence orcad Vin (V) 5 4 3 2 1.5 1.3 1 0.4

Iin (uA) 20.35 20.35 20.35 20.35 147.2 680.9 797.7 944.9

Simulado

Datos experimentales Vin (V) 5 4 3 2 1.2 1.1 1.05 1.0

Iin (mA) 0 0 0 0 5 21 31 46

Experimental

2.- Comprobar que no es posible llevar la fuente de tensión para Vin a ese valor. Razonar por qué sucede esto teniendo en cuenta que estamos efectuando una medida estática. Extrapolando la corriente para una tensión de 0.4 Página | 5

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1 − 0.4 𝐼 = 46 − (31 − 46) ∗ ( ) 1.05 − 1 𝐼 = 246 𝑚𝐴

Es conveniente añadir una resistencia R=100Ω en paralelo a la entrada de la puerta para facilitar la medida de intensidad. 3.- Mediante el circuito de la Figura 5, medir la característica de salida para una salida baja. Los valores se van obteniendo al modificar el valor de la resistencia variable.

Datos simulados Iout (mA) 1 2.4 4.9 10 23.7 45.9 86.1 158.4 258.4 377.6 491 613

Datos experimentales Vout (mV) 97 107 124.1 160.2 256 411 693 1200 1900 2700 3500 4400

Iout (mA) 1.1 2.4 5 10 21.3 40 60 150 172 190

Vout (mV) 0.2 234 284 362 534 1900 2160 3600 3990 4320

Circuito simulado en orcad

Curva simulada

curva real

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La medida de la intensidad de corriente debe efectuarse con el multímetro o bien indirectamente mediante la ley de Ohm y; la del voltaje de salida bien utilizado el multímetro o bien mediante el osciloscopio. En cualquier caso, hay que poner gran cuidado en intercambiar para cada medida las conexiones y la función del multímetro. Una vez tomadas las medidas, representar gráficamente los valores obtenidos para la función 4.- Extrapolar el valor de Iout para el voltaje V = 0,4V, que corresponde al voltaje umbral de la entrada de una supuesta puerta que se conectará en serie. Este valor de Iout se denomina IOL.

Para Vout=0.4 se tendrá una Iout=13 mA

4.2. Cálculo de los parámetros de funcionamiento de la puerta NAND

A partir de magnitudes que se han medido en apartados anteriores, calcular las siguientes figuras de mérito que describen las prestaciones de las puertas NAND-TTL-LS. 1.- El fan-out, FO, es el número máximo de puertas de carga que pueden conectarse a la salida de una puerta dada sin impedir su correcto funcionamiento. Depende en una primera aproximación de la cantidad de corriente que puede aportar a las puertas que ataca y de la cantidad de corriente que éstas consumen, es decir:

𝐹𝑂 =

𝐼𝑂𝐿 𝐼𝐼𝐿

=

1.1∗10−3 1∗10−6

= 11

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En apartados anteriores se ha calculado IOL e IIL, a partir de esos valores calcular el fan-out.

2.- El consumo de potencia de una puerta lógica viene dada por la expresión:

𝐼𝑂𝐻 + 𝐼𝑂𝐿 190 ∗ 10−3 + 1.1 ∗ 10−3 𝑃𝐷 = 𝑉𝑐𝑐 ∗ ( )= 5∗( ) = 477.7 𝑚𝑊 2 2

Donde las corrientes IOH e IOL que aparecen son las corrientes de salida para una salida alta y baja respectivamente. En apartados anteriores se ha calculado IOL, por lo que es necesario efectuar una medida para una salida alta, como se muestra en la Figura 6 y obtener IOH midiendo sobre el siguiente circuito, en este caso es necesario fijar la resistencia variable de forma que Vout = VIL = +0,4V y tomar solamente el valor de Iout para este voltaje, es decir IOH. 3.- A partir de los datos medidos en los anteriores puntos se puede calcular fácilmente el producto velocidad-potencia, que viene dado por:

Figura 6

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Vout (V) 3.5 3.47 3.44 3.42 3.38 3.06 2.7 2.26 1.67 1.36 0.5 0.18

Iout (mA) 1 2 3 4.2 5.3 10 14.7 20 25 30 40 43

V.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

    

Se puede encontrar la característica de entrada Iin en función de Vin. Se puede encontrar la característica de salida Iout en fncion de Vout. Es necesario energizar el circuito integrado antes de hacer las conexiones. Se debe utilizar un miliamperímetro analógico para obtener mejores lecturas. Tener mucho cuidado con la escala que se usa en los instrumentos.

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