INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Unidad Profesional Interdisciplinaria
En Ingeniería Y Tecnologías Avanzadas
U.P.I.I.T.A.
CIRCUITOS LÓGICOS
Docente: MIGUEL ANGEL RODRIGUEZ FUENTES
TAREA DE INVESTIGACIÓN
Integrantes
Grupo: 2MM7
Fecha: 18 de marzo 2025
CARACTERISTICAS MÁS IMPORTANTES DE LA FAMILIA LÓGICA TTL (TRANSISTOR
- TRANSISTOR LOGIC)
La serie de circuitos integrados (TTL) son la base de la tecnología digital, son una mejora
de la compuerta DTL. De los parámetros más importantes de las compuertas TTL son la
disipación de potencia (mW), el retardo de propagación (ns) y el producto de velocidadpotencia. Este último indica un retardo en la propagación con una disipación de potencia
determinada.
Todas las series TTL están disponibles en SSI, MSI y LSI, las cuales son escaladas de
integración baja, mediana y grande. Las diferencias entre las series no radican en la
lógica digital que ejecutan, sino en la construcción interna de la compuerta NAND
básica.
Cuentan con características generales importantes y específicas para su correcto
funcionamiento:
•
•
•
•
El voltaje de alimentación promedio es de 5 V, teniendo como valor mínimo 4.75
V y máximo un valor de 5.25 V, como se puede observar es un rango muy estrecho
y hay que tomar en cuenta que, para valores inferiores al mínimo, el circuito
integrado no funcionará de manera correcta y para valores superiores al máximo
se puede dañar.
Su fabricación se conforma de transistores bipolares multi-emisores.
Sus niveles lógicos están definidos por los siguientes rangos de tensión: entre
0.2V y 0.8V para el estado L (bajo) y de 2.4 V a 5 V para el estado de H(Alto).
Las señales de salida obtenidas por los TTL no perduran si no se transmiten a
través de circuitos auxiliares de transmisión. No pueden viajar más de 2 m por
cable sin graves pérdidas
Estos circuitos por lo regular llevan de prefijo el número 74 (en algunas series de uso
militar e industrial podemos encontrarlos con el número 54). A continuación, se muestra
una tabla con respecto a las series que conforman la familia TTL.
Estándar
Bajo consumo (low power)
Alta velocidad
Schottky (serie rápida)
Schottky de baja potencia
(low powe schottky)
74
74L
74H
74S
74LS
10
20
10
10
20
10
1
22
19
2
9
33
6
3
9.5
90
33
132
57
19
Schottky avanzado (advanced
shottky)
Schottky avanzado de baja
potencia
Rápido (Fast)
74AS
40
10
1.5
15
74ALS
20
1
4
4
74F
20
4
3
12
Tabla 1.- Series de la familia lógica TTL
Por último, podemos encontrar las compuertas TTL en 3 tipo de configuración de salida:
La primera de ellas es la salida de colector abierto
(Open Collector, OC). En está configuración, la
salida no tiene un transistor de pull-up interno,
traduciéndose en un impedimento para generar un
estado lógico alto por si mismo. Para lograr un nivel
alto, se debe conectar una resistencia pull-up externa
a VCC. Se usa en aplicaciones donde varias
compuertas deben compartir una misma línea de
datos (lógica cableada o wired-AND).
Figura 1.- Salida Colector Abierto
La siguiente es la salida en Totem-Pole. Es una salida estándar en la mayoría de los
TTL, su característica principal es que usa dos transistores en configuración
complementaria, lo que permite generar un nivel alto y bajo de manera activa. Ofrece
tiempos de conmutación rápidos, pero no permite que varias salidas se conecten
directamente. Se suele usar en la serie 74LS.
Salida tri-estado. Aquí se puede tener tres niveles: alto (1), bajo (0) y alta impedancia
(Z). Se usa en buses de datos donde varias compuertas deben compartir la misma línea
sin interferencias.
Por último, está la salida Amortiguada (Bus Driver o Buffer). Esta configuración
proporciona mayor capacidad de corriente de salida que una compuerta estándar. Se
usa para manejar cargas más grandes o largas distancias sin degradación de la señal.
Algunos ejemplos serían el 74LS244 y 74LS245, utilizados para manejar buses de datos
en sistemas digitales.
Figura 2.- Salida Totem-Pole
Figura3.- Salida Triestado
Características más importantes de la familia lógica CMOS
La familia lógica CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) es una clase de
tecnología de circuitos integrados que utiliza dos tipos de dispositivos de canal n y canal
p para realizar funciones lógicas, de ahí viene la parte de “complementary” ya que utiliza
transistores MOSFET de cada uno de los canales ya mencionados para que trabajen en
conjunto de forma complementaria: cuando uno conduce, el otro no y de forma inversa
igual aplica. [4]
CMOS es popular por su alta eficiencia energética y poca corriente de fugas, lo que lo
hace perfecto en donde el bajo consumo de energía es un factor muy importante para
considerar. Además, CMOS también es conocido por su alta fiabilidad y estabilidad, y por
su capacidad para funcionar a altas frecuencias. Estas y otras características más
importantes, que serán mencionadas, hacen que el CMOS sea utilizado en distintos
dispositivos como sistemas de control (microcontroladores, microprocesadores),
memorias (RAM, EEPROM, FLASH), entre otras tecnologías.
Entre las características más importantes encontramos:
•
•
Las series 4000 y 74C funcionan con voltajes de alimentación (VDD) que van de
3 a 15 V.
Cuando las salidas CMOS manejan sólo entradas CMOS, los niveles de voltaje
de la salida pueden estar muy cercanos a 0V para el estado bajo, y a VDD para
el estado alto.
Los requerimientos de voltaje en la entrada para dos estados lógicos se expresa
como un porcentaje del voltaje de alimentación. Estas especificaciones se
entienden mejor con el siguiente esquema.
Figura 4.- Niveles de voltaje en la entrada
•
Figura 5.- Niveles de voltaje en la salida
Estos circuitos tienen una gran inmunidad al ruido la cual es definida como “la
capacidad para tolerar fluctuaciones en la tensión no deseadas en sus entradas
sin que cambie el estado de salida”. [5]
Los fabricantes establecen un margen de seguridad para no sobrepasar los
valores críticos de tensión conocido como margen de ruido.
Margen de ruido a nivel bajo:
Margen de ruido a nivel alto:
•
𝑉𝑁𝐼𝐿 = 𝑉𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑂𝐿𝑚𝑎𝑥
𝑉𝑁𝐼𝐻 = 𝑉𝑂𝐻𝑚𝑖𝑛 − 𝑉𝐼𝐻𝑚𝑖𝑛
Una de sus más grandes caracteristicas es su muy bajo consumo de potencia,
esto derivado a que cuando un circuito CMOS esta estático o en reposo su
disipacion de potencia es muy baja y aumenta cuando sube la velocidad de
conmutacion en el circuito, la desventaja es que la potencia disipada siempre se
disparara cuando se trabaje a altas frecuencias de conmutacion.
Tabla comparativa de características de los TTL y CMOS
TTL
CMOS
Retrasos de propagación alrededor de
10 nanosegundos
Retrasos de propagación de entre 20 y
50 nanosegundos
Su nivel de alimentación promedio es de
4.75 V a 5.25 V
Niveles de alimentación variadas, yendo
desde los 3 V hasta alrededor de los
15 V
No muy buena eficiencia energética, por
lo que su consumo suele ser alto
Alta eficiencia energética, por lo que su
consumo es muy bajo
puede tolerar hasta 0.8V de ruido en el
nivel bajo y hasta 3V en el nivel alto sin
sufrir errores.
La inmunidad al ruido es alrededor de el
45% y 50% de la oscilación
Aplicaciones de alta velocidad y sistemas
de memoria
Dispositivos que funcionan con baterías,
circuitos integrados de alta densidad
Uso de la tecnología del transistor de
unión bipolar
Usan tecnología MOSFET
Suelen ser de mayor tamaño debido al
uso de transistores bipolares
Son encapsulados más pequeños
DIP-14, 19.2 × 6.4 × 4.6
DIP-16, 19.2 × 7.1 × 4.6
PDIP-20, 24.6 × 7.1 × 4.6
SOIC-14, 8.65 × 3.9 × 1.75
TSSOP-14, 5.0 × 4.4 × 1.2
SMD Desde 1.5 × 1.5 × 0.5
Tabla 2.- Comparativa TTL-CMOS
Familia lógica LVTTL Y LVCMOS
LVTTL (Low Voltage Transistor Transistor Logic)
Debido a la falta de actividad en los niveles de energía que van desde los 2.4 V hasta los
5 V, no es la mejor de las opciones para mejorar el margen del ruido, esto incrementará
el consumo de energía sin razón aparente.
Vcc: 5V; VOH>=2.4V; VOL<=0.5V; VIH>=2V; VIL<=0.8V.
El LVTTL surgió para reducir el consumo de energía y mejorar la compatibilidad con
circuitos de menor voltaje. Estos dispositivos con voltajes de 1.8 V, 1.5 V y 1.2 V son
comunes en memorias de alta velocidad y procesadores FPGA.
Aplicaciones del LVTTL:
•
•
•
•
•
•
Microcontroladores y microprocesadores
Memorias y dispositivos de almacenamiento
Interfaces de comunicación
Placas base y sistemas embebidos
Circuitos de señalización
Electrónica automotriz
De manera general está dividido en 3.3 V y 2.5 V:
Parámetros
Voltaje de alimentación
(Vcc)
Nivel lógico alto (VOH)
Nivel lógico bajo (VOL)
Umbral de entrada alto
(VIH)
Umbral de entrada bajo
(VIL)
LVTTL 3.3 V
3.3 V
LVTTL 2.5 V
2.5 V
≥ 2.4 V
≤ 0.4 V
≥ 2.0 V
≥ 2.0 V
≤ 0.2 V
≥ 1.7 V
≤ 0.8 V
≤ 0.8 V
Tabla 3.- Parámetros
Figura 6.- Niveles de voltaje
LVCMOS (Low Voltage Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
El voltaje de nivel lógico es cercano al voltaje de la fuente de alimentación, y el nivel
lógico 0 es cercano a 0 V. Además, tiene una amplia tolerancia al ruido.
Vcc: 5V; VOH>=4.45V; VOL<=0.5V; VIH>=3.5V; VIL<=1.5V.
Este cuenta con un margen mayor de ruido, y la impedancia de entrada es mucho
mayor a la del TTL lo que significa un menor consumo de corriente en estado estático,
además que mejora el consumo de energía y la compatibilidad con dispositivos
modernos. El precio del funcionamiento con menor voltage típicamente es el uso es el
reducido rango de operación del voltaje, sin embargo para modelos digitales más
actuales se proporciona un mucho mejor balance entre eficiencia energética y
desempeño del dispositivo.
Aplicaciones: LVCMOS se utiliza ampliamente en sistemas digitales modernos, como:
•
•
•
•
Microcontroladores y microprocesadores
Dispositivos de memoria
Diseños de FPGA
Interfaces de comunicación
Parámetros
Voltaje de alimentación
(Vcc)
Nivel lógico alto (VOH)
Nivel lógico bajo (VOL)
Umbral de entrada alto
(VIH)
Umbral de entrada bajo
(VIL)
LVCMOS 3.3 V
3.3 V
LCMOS 2.5 V
2.5 V
≥ 3.2 V
≤ 0.1 V
≥ 2.0 V
≥ 2.0 V
≤ 0.1 V
≥ 1.7 V
≤ 0.7 V
≤ 0.7 V
Tabla 4.- Parámetros LVCMOS
Figura 7.- Niveles de voltaje CMOS
Ejemplos de aplicaciones relacionados con la mecatrónica
Forma de interconectar una compuerta TTL con una LVTTL.
La problemática principal radica en los niveles de tensión que maneja cada categoría,
recordemos que en los TTL el voltaje en alto es de 5v y para una compuerta LVTTL es
de 3.3v, por ello, para que sea posible una interconexión entre ambas compuertas se
tiene lo siguiente:
•
Por medio de un divisor de voltaje. Se crea un circuito con dos resistencias en
serie las cuales se pueden calcular sin ningún problema extraordinario usando la
formula de divisor de voltaje, de modo que a la salida de 3.3V
Figura 8.- Divisor de voltaje
•
•
Otra forma es colocar un diodo Zener de 3.3 v en paralelo con una resistencia
limitadora en serie con la señal de 5v. El diodo será el encargado de limitar el
voltaje a 3.3 v.
De igual forma, es posible mediante un regulador de voltaje lineal o conmutado
que reduzca el voltaje de 5 v a 3.3 v, la ventaja de esto es que proporciona una
salida estable y regulada.
Forma de interconectar una compuerta LVTTL a un TTL.
En este caso es lo contrario a lo anterior, se requiere incrementar una tensión de 3.3 v a
5 v. Podemos realizar alguna de las siguientes opciones:
•
Una de las opciones principales es utilizar un nivel Shifter bidireccional o
conversor de nivel lógico, son comúnmente utilizados en sistemas que necesitan
interconectar componentes que operan a diferentes niveles de voltaje. Permiten
una comunicación fácil y segura entre los dispositivos, algunos tienen la capacidad
de convertir desde 1.5 v hasta 18 v.
Figura 9.- Conversor de nivel lógico
•
Otra posibilidad es utilizar un buffer para amplificar el voltaje, esto se logra gracias
a un transistor que opera en su región activa, donde funciona como un
amplificador de voltaje. Es importante mencionar que previenen la distorsión y
pérdida de potencia, siendo esenciales en sistemas de audio y comunicaciones.
Dos ejemplos de aplicaciones relacionadas con la mecatrónica, donde se utilizan
los FPGAs en la solución del problema.
1.- En el ámbito de los vehículos autónomos es posible diseñar un ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit) especializado que integre algoritmos de procesamiento de
imagen y fusión de sensores para un vehículo autónomo, el ASIC procesa imágenes de
cámaras en tiempo real, detectar peatones, señales de tráfico y obstáculos, y envía datos
al sistema de control del vehículo. Para la implementación de dicho ASIC se utiliza un
FPGA como plataforma donde se realiza el prototipo para simular, validar y puntualmente
en esta aplicación también para reducir los desperdicios de lógica y con esto aumentar
el rendimiento. Durante el proceso de testeo del algoritmo puede haber errores que se
modifican y reconfiguran rápidamente en el FPGA y permite validar el comportamiento
del ASIC junto con el software de control del vehículo en escenarios del mundo real antes
de pasar a la fabricación, de esta manera nos aseguramos de que el ASIC funcionara
correctamente antes de llevar a cabo de su fabricación y evitar costos extras de creación
en caso de que resultase defectuoso. la combinación de un ASIC con FPGA permite una
mayor optimización en el procesamiento de imágenes y la fusión de sensores, ya que los
cálculos más críticos pueden realizarse en el ASIC mientras que el FPGA maneja tareas
complementarias y ajustes en tiempo real.
2.- Control del movimiento de vehículos submarinos autónomos. En un supuesto, se
requiere un control preciso para desplazarse en entornos submarinos donde las
condiciones pueden cambiar de manera inesperada debido a factores como la
profundidad del agua, la vegetación y la fauna submarina, entre otras. Aquí es donde los
FPGAs son útiles. Por ejemplo:
•
•
procesamiento en tiempo real: estos dispositivos permiten la ejecución paralela
de diversos algoritmos, lo que permite detectar cambios en el entorno en cuestión
de nanosegundos, de esta forma mejorando el control de la trayectoria del
submarino.
Eficiencia energética: los FPGAs a diferencia de procesadores convencionales
pueden ser más eficientes en términos de consumo de energía, así prolongando
la autonomía de los AUVs.
•
Integración de otros sensores: Debido a lo ya mencionado con el
procesamiento en tiempo real, al contar con procesos paralelos, pueden
implementarse múltiples sensores, como giroscopios, acelerómetros, sensores de
presión, etc. Esto sin afectarse ningún proceso.
Figuras 11 y 12.- Ilustrativas
CONCLUSIONES
Las familias lógicas TTL y CMOS han sido fundamentales en el desarrollo de la
electrónica digital. TTL se destaca por su velocidad de operación y robustez, robusto en
el aspecto de que es usualmente utilizado en sectores como la industrias donde se
necesita de grandes esfuerzos lógicos y también gran velocidad. En cambio, CMOS ha
ganado protagonismo por su bajo consumo de energía, alta densidad de integración, es
decir, que es capaz de contener mayor cantidad de componentes lógicos en áreas más
reducidas y versatilidad, lo que lo convierte en la opción preferida para dispositivos
portátiles y sistemas modernos de alta complejidad. La evolución de la tecnología ha
llevado a que el CMOS domine en la actualidad, aunque el TTL sigue teniendo
aplicaciones específicas donde se valora su fiabilidad y velocidad. En resumen, podemos
decir que TTL fue diseñada para una alta velocidad y CMOS para un bajo consumo.
Actualmente dentro de estas dos familias se han creado otras, que intentan conseguir lo
mejor de ambas: un bajo consumo y una alta velocidad. La familia lógica ECL se
encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Esta familia nació como un intento de
conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumo de CMOS, pero en raras ocasiones es
empleada.
Las familias lógicas LVTTL y LVCMOS representan avances en las tecnologías digitales
que permiten operar a bajos niveles de voltaje, LVTTL se basa en la lógica TTL
tradicional, adaptada para trabajar con voltajes más bajos (normalmente 3.3V),
manteniendo una buena velocidad de conmutación y compatibilidad con sistemas TTL.
LVCMOS ofrece una mayor eficiencia energética y puede operar a voltaje menores, 1.2v
o incluso meno, siendo ideal para aplicaciones de alta velocidad y densidad, lo que los
hace ideal en aplicaciones como los FPGA. Ambas familias son esenciales en sistemas
digitales modernos, aunque LVCMOS se ha convertido en la primera opción por su mayor
eficiencia energética y versatilidad.
Las FPGA son dispositivos de lógica programable que ofrecen gran flexibilidad, alta
velocidad de procesamiento y capacidad de personalización para una amplia variedad
de aplicaciones. Su arquitectura permite que los diseñadores implementen sistemas
digitales complejos sin necesidad de fabricar un circuito integrado específico, lo que
reduce costos de desarrollo y tiempos de producción, esto sirve en la creación de ASIC
como se describió en la segunda aplicación. Además, las FPGAs destacan por su
capacidad de reconfiguración en tiempo real, lo que facilita actualizaciones y
adaptaciones a nuevas necesidades. Gracias a estas ventajas, las FPGAs son utilizadas
en campos como telecomunicaciones, procesamiento de señales, inteligencia artificial,
sistemas embebidos y prototipado de hardware.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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https://www.youtube.com/watch?v=mLeErI6Cq4k
[2]
https://tutorialcid.es.tl/Familia-TTL.htm
[3]
Administrador. (2023). Familia de Circuitos integrados TTL. Recuperado de
https://unicrom.com/familia-de-circuitos-integrados-ttl/
[4]
Your connected workspace for wiki, docs & projects | Notion. (s. f.). Notion.
https://didyde.notion.site/Introducci-n-a-la-Familia-L-gica-CMOS07c2f18f3df24735b70303368603b5fd
[5]
Roldán, D. A. FAMILIA LÓGICA CMOS.
https://www.academia.edu/download/32401860/trab_familia_cmos.pdf
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Luis Alegría Cerda, J. de J., & Franco Zamora, B. (2022). Tabla comparativa de la familia TTL
vs CMOS [Documento técnico]. Universidad Tecnológica de Querétaro.
https://www.studocu.com/es-mx/document/universidad-tecnologica-dequeretaro/equipo-de-computo/tabla-comparativa-de-la-familia-ttl-vs-cmos/34774521
[7]
FPGAKEY. (s.f.). TTL vs. CMOS: What's the difference? FPGAKEY. Recuperado
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