La familia lógica de MOS complementarios está caracterizada por su bajo consumo. Es la más reciente de todas las grandes familias y la única cuyos componentes se construyen mediante el proceso MOS. El elemento básico de la CMOS es un inversor.
Los transistores CMOS tienen características que los diferencian notablemente de los bipolares:
*Bajo consumo, puesto que una puerta CMOS sólo consume 0,01 mW en condiciones estáticas (cuando no cambia el nivel). Si opera con frecuencias elevadas comprendidas entre 5 y 10 MHz, el consumo es de 10 mw.
*Los circuitos CMOS poseen una elevada inmunidad al ruido, normalmente sobre el 30 y el 45 % del nivel lógico entre el estado 1 y el 0. Este margen alto sólo es comparable con el de la familia HTL.
Las desventajas que sobresalen en la familia CMOS son su baja velocidad, con un retardo típico de 25 a 50 ns o más, especialmente cuando la puerta tiene como carga un elemento capacitivo; también hay que citar que el proceso de fabricación es más caro y complejo y, finalmente, la dificultad del acoplamiento de esta familia con las restantes.
Una característica muy importante de la familia CMOS es la que se refiere al margen de tensiones de alimentación, que abarca desde los 3 a los 15 V, lo que permite la conexión directa de los componentes de dicha familia con los de la TTL, cuando se alimenta con 5 V a los circuitos integrados CMOS.
La serie 4000 de circuitos integrados CMOS es muy popular y consta, entre otros, de los siguientes modelos.
4000 Dos puertas NOR de 3 entradas y un inversor.
4001 4 puertas NOR de 2 entradas.
4002 2 puertas NOR de 4 entradas.
4011 4 puertas NAND de 2 entradas.
4012 2 puertas NAND de 4 entradas.
4013 2 biestables tipo D.
4015 2 registros de desplazamiento de 4 bits.
4017 Divisor-contador de décadas con 10 salidas.
4020 Contador binario de 14 etapas.
4023 3 puertas NAND de 3 entradas.
4025 3 puertas NOR de 3 entradas.
4027 2 bíestables J-K.
4028 Decodificador BCD/decimal.
4035 Registro de desplazamiento con entrada serie/paralelo y salida paralelo.
4042 4 registros D.
4043 4 RS con puertas NOR.
4044 4 RS con puertas NAND.
4049 6 buffer inversores.
4051 Multiplexor/de multiplexor analógico de 8 canales.
4052 2 multiplexores/de multiplexores de 4 canales.
4068 Una puerta NAND de 8 entradas.
4069 6 inversores.
4070 4 puertas EOR de 2 entradas.
4071 4 puertas OR de 2 entradas.
4072 2 puertas OR de 4 entradas.
4081 4 puertas AND de 2 entradas.
Dentro de la familia CMOS, se ha citado la serie 4000, que se caracteriza por tener una tensión de alimentación de 3 a 18 V, un consumo por puerta de 2,5 nW y un tiempo de propagación por puerta de 40 ns. En el mismo grupo hay dos subfamilias, cada vez más empleadas, que son:
HCMOS (CMOS de Alta Velocidad), con tensión de alimentación entre 2 y 6 V, consumo de 2,5 nW y tiempo de retraso de 9 ns. Es la serie 74HC.
HCMOS (CMOS de alta velocidad y compatible con TTL), con tensión de alimentación de 5 V, consumo de 2,5 nW y tiempo de retraso por puerta de 9 ns. Es la serie 74HCT.
Así como cuando se trabaja con puertas TTL si una entrada no utilizada se deja sin polarizar actúa como entrada con nivel alto, en las de tecnología CMOS se deben de unir directamente a la alimentación o a masa, según se desee se comporten con nivel alto o bajo, respectivamente
.
A continuación se exponen los valores más relevantes de los parámetros de la familia CMOS, alimentada a 5 V, y los de la TTL.
FAMILIA TTL C-MOS
Alimentación + (voltios) +5 +3 a +15
FAN-OUT 10 50
Inmunidad al ruido (v) 0,4 1
Máx. Frecuencia (MHz) 35 10
-MARGEN DE RUIDO
El ruido es un tema de vital importancia, que se debe tener presente en el diseño de sistemas electrónicos, tanto analógicos como digitales. En muchas ocasiones, el ruido es fuente de problemas para el diseñador, ya que no es fácil conocer el origen del mismo y sus efectos sobre el equipo o sistema diseñado.
Se entiende por ruido toda perturbación no voluntaria que pueda modificar de forma inadecuada los niveles de salida de un integrado, es decir, que aparezca en una salida un nivel de tensión alto cuando debería ser bajo o viceversa. Las fuentes de ruido más importantes suelen ser:
Ruido ambiental, radiado en las cercanías del sistema digital. Algunos ejemplos son: motores con escobillas, contactores, relés, máquinas de soldadura, etc.
Ruido exterior al sistema digital, que se acopla por la fuente de alimentación.
Picos en la alimentación provocados por cambios bruscos de consumo. Por ejemplo, conmutaciones sobre líneas de alterna o continua con cargas fuertes.
Ruido acoplado en conexiones o- líneas cercanas.
Ruido producido por reflexiones y oscilaciones en líneas mal adaptadas.
Los tipos de acoplo entre las fuentes de ruido y el circuito susceptible a él son:
Acoplo por impedancia común.
Acoplo magnético o inductivo.
Acoplo electrostático
Acoplo por radiación
El ruido se puede presentar en un sistema digital de dos formas:
Como una tensión de variación aleatoria, pero con una cierta componente continua (o pulsos de larga duración) que se suma algebraicamente a los niveles de las tensiones del circuito sacando a éstas de sus márgenes permitidos Este tipo de ruido se denomina ruido en continua (D. C.) o analógico.
Como impulsos de menor duración que, según su amplitud, pueden ser interpretados como niveles altos o como bajos. Este tipo de ruido, cuyo camino de acoplo suele ser capacitivo, se denomina ruido en alterna (A. C.).
En determinados casos, cuando el nivel de ruido es del orden de magnitud de la señal eléctrica, esta puede llegar a ser enmascarada con el con-siguiente mal funcionamiento del circuito, como veremos a continuación:
Supongamos que a la salida de la puerta A, hay un "0" lógico, esto significa que la tensión en ese punto puede ser cualquier valor comprendido entre 0 y +1 Voltio, como a la entrada de la puerta B cualquier valor comprendido entre 0 y +1,5 Voltios.
Lo interpreta como "0" lógico estaría dentro del margen de seguridad, pero si la puerta A generase una cantidad de ruido mayor a 0,5 Voltios, o la entrada a la puerta B lo captase, significaría esto que la entrada de la puerta B se encontraría con una tensión mayor de +1,5 Voltios que es la VIL máx. que nos garantiza el buen funcionamiento del circuito; luego podemos decir que el margen de ruido permitido (en las peores condiciones) es de 0,5 V. O lo que es lo mismo, la inmunidad al ruido para niveles bajos es de 0,5 V.
Como el ruido puede hacer que la señal eléctrica aumente o disminuya su valor como indica la figura anterior para un nivel alto de salida en la puerta A de +3 V está dentro del margen de entrada aceptado por la puerta B no estaría garantizado, por lo que igualmente la inmunidad al ruido a nivel alto sería también 0,5 V.
Resumiendo podemos decir que los márgenes entre VOLmax, VILmax por un lado y VOHmin, VIHmin por otro han de ser lo más grande posible al objeto de que un circuito sea lo más inmune posible al ruido y tenga las máximas garantías de funcionamiento.
Función de Transferencia
La función de transferencia de tecnología CMOS se aproxima más a la ideal en comparación con la tecnologia TTL. Entre las razones más importantes se encuentran los estados bajo (0) y alto (1) sin carga, el umbral de conmutación y el margen de transición nulo.
Características de Entrada
Los estados en los niveles de tensión de entrada y salida se explicaron en la lección 1. En la familia TTL los niveles lógicos bajos son más importantes que los niveles altos. De las gráficos 9.1.4. y 9.1.5. se puede concluir la preferencia de un valor VILmáx lo más elevado posible y un valor VIHmín lo más reducido posible.
Características de Salida
Las entradas de las compuertas CMOS nunca deben dejarse flotantes. La estructura de entrada de un elemento TTL contiene una resistencia que proporciona un camino a Vss. La estructura de los dispositivos CMOS no contiene la resistencia y tiene una impedancia de entrada extremadamente alta. Por la anterior, un ruido pequeño hace que la entrada sea baja ó alta. En el caso de un ruido entre el nivel lógico 0 y 1, los dos transistores de entrada pueden estar en conducción y puede circular una corriente excesiva. En ocasiones la corriente afecta la fuente de tensión y crea una oscilación de alta frecuencia en la salida del dispositivo. Según especificación del fabricante es necesario conectar la entrada de estos dispositivos a Vss, tierra u otra fuente. Las figuras 9.1.4. y 9.1.5. establecen la diferencia de salida entre las familias TTL y CMOS.
Cargabilidad de Salida (Fan-Out)
La cargabilidad se puede establecer de acuerdo a número máximo de cargas que se pueden conectar a la salida de una compuerta, para una tensión de salida a nivel bajo de 0.3 V (VOL= 0.3 V). La referencia 4000B tiene un fan - out menor en comparación a la familia TTL estándar.
Disipación de Potencia
Por razones económicas predominan los dispositivos de baja disipación de potencia. La diferencia de potencia CMOS es un millón de veces menor a la familia TTL.
