Docente: Camerina Laura Ramírez Gallegos

Materia: Arquitectura de computadoras

Una familia lógica es un conjunto de circuitos integrados que implementan distintas operaciones lógicas compartiendo la tecnología de fabricación y en consecuencia, presentan características similares en sus entradas, salidas y circuitos internos. La similitud de estas características facilita la implementación de funciones lógicas complejas al permitir la directa interconexión entre los chips pertenecientes a una misma familia.   Teniendo en cuenta el tipo de transistores utilizados como elemento de conmutación, las familias lógicas pueden dividirse en dos grandes grupos: las que utilizan transistores bipolares y las que emplean transistores MOS.

La primera familia lógica en aparecer en el mercado, a principios de la década del 60, fue implementada con lógica de transistores bipolares acoplados por emisor (ECL, Emitter Coupled Logic). A fin de desarrollar circuitos de alta velocidad los transistores conducen en zona activa y de esta manera se minimiza el tiempo de conmutación entre conducción y corte. Casi inmediatamente aparecieron otras familias lógicas basadas en transistores bipolares conmutando entre corte y saturación a fin de reproducir dentro de un chip los circuitos que hasta ese momento se realizaban utilizando componentes discretos. La primera de estas familias fue implementada con resistencias y transistores bipolares y se la identifica como lógica RTL (Resistor Transistor Logic). La integración de resistencias demanda gran cantidad de área de silicio, reduciendo la cantidad de compuertas que se podían incluir dentro de un mismo chip. Para mejorar el aprovechamiento del área algunas resistencias de los circuitos comenzaron a ser reemplazadas por diodos, principalmente en las etapas de entrada, dando lugar a la aparición de la lógica de diodos y transistores identificada como DTL (Diode Transistor Logic). Finalmente, los transistores multiemisor reemplazaron los diodos y se llegó a una topología circuital que dio lugar a una familia lógica basada fundamentalmente en transistores bipolares y una mínima cantidad de resistencias. Esta familia, denominada lógica TTL (Transistor Transistor Logic), se popularizó rápidamente y mantiene, aún en la actualidad, su vigencia.

Con el correr del tiempo la familia TTL se convirtió en un conjunto de familias lógicas que si bien entre sí difieren en velocidad, consumo de energía y costo, mantienen características de entrada y salida compatibles de manera que en un sistema digital pueden mezclarse componentes de distintas familias TTL.  Los principales inconvenientes de los circuitos con transistores bipolares son el alto consumo y, como consecuencia, la baja escala de integración admisible (cantidad de dispositivos posibles de integrar en un mismo chip) que se relaciona directamente con una baja complejidad del circuito. Como alternativa para soslayar estos inconvenientes y facilitar el aumento del nivel de integración surgieron las familias basadas en transistores de efecto de campo de compuerta aislada (MOS, metal oxide semiconductor) de enriquecimiento. En esta tecnología, los circuitos lógicos pueden ser implementados íntegramente con transistores MOS evitando la presencia de resistencias, en consecuencia, para implementar una función lógica dada se ocupa menor área de silicio con un proceso de fabricación más simple. Además del hecho que, dado que los transistores MOS son controlados por tensión y no permiten la circulación de corriente en sus entradas, requieren menos potencia para su funcionamiento facilitando el aumento de la escala de integración.

Teniendo en cuenta que los transistores MOS tienen un único tipo de portadores, y en el caso de los transistores con canal tipo N (NMOS) los portadores son electrones que tienen una movilidad  considerablemente mayor que la de los huecos responsables de la conducción en los de canal P (PMOS), las primeras familias lógicas de transistores MOS se basaban en transistores de canal tipo N, siendo conocida como familia NMOS.

A fines de los setenta surgieron procesos tecnológicos que permitían integrar transistores canal N y canal P simultáneamente en una misma pastilla. De esta manera surge la tecnología de transistores MOS complementarios (CMOS, complementary MOS). El conjunto de familias CMOS posee ventajas indudables sobre la TTL, y aún sobre la misma NMOS; sobre todo en cuanto al mínimo consumo de potencia haciendo que rápidamente se estableciera como el estándar dando lugar a un aumento vertiginoso de la escala de integración hasta llegar a poner cientos de millones de transistores en un mismo chip.

Las familias TTL no han experimentado cambios importantes en los últimos años, mientras que la permanente evolución de la tecnología CMOS puso a disposición familias CMOS capaces de reemplazar en forma directa los integrados TTL incluso con mejor rendimiento. Las familias TTL siguen estando presentes en el mercado si bien a partir de mediados de los ochenta los circuitos CMOS fueron ganando rápidamente el primer lugar en preferencias.

El importante y permanente desarrollo de la tecnología CMOS llevó a la aparición de circuitos con cada vez mayor velocidad de respuesta y nivel de complejidad, imponiéndose como la preferida en el diseño de microprocesadores y microcontroladores. En los ochenta, la sistematización del diseño de circuitos integrados CMOS abrió la posibilidad de implementar circuitos integrados a medida del usuario surgiendo importantes líneas de trabajo alrededor del desarrollo de circuitos integrados de aplicación específica (ASIC, Application Specific Integrated Circuits), con esta tecnología surgen y se desarrollan los dispositivos de lógica programable en campo, y procesos que permiten integrar un sistema complejo completo dentro de un único chip. Hoy la tecnología CMOS ha reemplazado casi totalmente a las tecnologías basadas en transistores bipolares no sólo en circuitos digitales sino también en circuitos analógicos.

Información obtenida de http://web.fceia.unr.edu.ar/