INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
La presente
actividad corresponde a la fase 2 del curso de Microelectrónica, las temáticas que acá abarcamos tienen que ver
con la introducción a la electrónica y procesos de fabricación, con los aspectos teóricos de
la electrónica digital, con la función y
diseño de los circuitos combinacionales, con las tecnologías para la integración
de circuitos y con los dispositivos lógicos programables. Se presentará un
video donde se puede observar el proceso de diseño de una compuerta AND CMOS
por medio del software microwind y se generará el correspondiente layout por
medio del software DSCH, todo lo anterior girará en torno a la discusión que
debemos generar los estudiantes para iniciar a dar solución a un caso de
estudio propuesto por el docente para tomarlo como base para aplicar los conocimientos
adquiridos a lo largo del curso.
RESUMEN DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS EN LA FASE 2
1- Cada estudiante se
apropió del conocimiento ofrecido por las lecturas tanto complementarias como
sugeridas que se encuentran en el entorno de conocimiento referente a la unidad
1.
2- En el foro para el
trabajo colaborativo de la fase 2 cada estudiante (participaron 4
estudiantes) analizó el caso de estudio planteado dentro de esta guía y propuso
el diseño de una cierta compuerta para dar solución al problema planteado para
esta fase, en este caso, cada estudiante generó su propio video mostrando el
paso a paso el desarrollo de la compuerta lógica seleccionada y desarrollada
bajo tecnología CMOS, haciendo uso de los software Microwind (diseño de la
lógica de la compuerta por medio de transistores PMOS y NMOS) y DSCH (generando
el layout de circuito integrado).
Caso de estudio
En el curso de
introducción a la ingeniería electrónica del pensum nuevo se tiene el problema
que el componente práctico del curso se usan unos dispositivos de programación
lógica llamados LEGO, estos dispositivos se pueden programar para que se usen
como seguidores de línea, evasores de obstáculos y distintos tipos de robots
automatizados, pero estos se encuentran descompuestos y no se pueden usar
dentro del curso, por lo que se debe solicita a los estudiantes del curso de
microelectrónica diseñar los diferentes integrados en cada Fase y sus layouts
para que se pueda suplir la necesidad de desarrollar el componente práctico del
curso:
Fase 2
Se solicita que los
estudiantes de curso de microelectrónica diseñen la compuerta que se va a utilizar
en los diferentes circuitos, para ello deben diseñar el layout de una compuerta
como por ejemplo AND, OR, XOR, entre tanto se dispone de un software de diseño
Microelectrónico denominado Microwind que se encuentra en el entorno de
aprendizaje práctico y cuya función es la de generar el layout solicitado.
3- Cada estudiante debió
realizar mínimo tres intervenciones respecto a las conclusiones y aspectos más
relevantes que encontró según las lecturas de la unidad 1, y usando la rúbrica TIGRE
retroalimentara mínimo a dos compañeros junto con sus aportes.
4- Se creó el presente
blog, el cual contiene lo solicitado para la presente actividad.
OBJETIVOS PARA LA FASE 2
-
Que mediante el desarrollo de las actividades propuestas para la fase 2, los
estudiantes analicen y pongan en práctica conceptos fundamentales de los
circuitos digitales aplicados a la microelectrónica, mediante el diseño de
compuertas lógicas CMOS, en el Software Microwind realiza el diseño
funcional de una compuerta lógica y en software DSCH genera el desarrollo del
integrado y genera su layout.
-
Que los estudiantes interpreten las características físicas propias de
compuertas lógicas.
-
El estudiante logre comprender e interpretar los diagramas esquemáticos y
layouts generados mediante simulaciones y uso de software Microwind y DSCH con
el fin de conocer el diseño de circuitos integrados.
-
El estudiante logre interpretar como se le puede dar uso a los dispositivos
lógicos programables mediante la búsqueda de solución a un caso de estudio
propuesto para el desarrollo del curso.
-
El estudiante genera un blog y por medio de este pone en práctica su capacidad
creativa y de investigación, exponiendo en el sitio creado tanto las
actividades llevadas a cabo durante la presente, así como dejando ya creados
los enlaces en mismo sitio para las restantes fases del curso.
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA COMPUERTA AND CMOS
DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA COMPUERTA AND CMOS
SUSTENTACIÓN
DE LA COMPUERTA ELEGIDA
Revisando la literatura
sugerida para la unidad 1 del curso, noto que para diseñar los circuitos de los
dispositivos de programación lógica para dar solución al caso de estudio, creo
que podemos hacerlo con PLD´s o dispositivos lógicos programables y para
fabricar los que a mi criterio más se pueden ajustar para generar la solución
son los PAL, estos están compuestos básicamente por compuertas AND y OR y la
parte programable del PAL se realiza por medio de las compuertas AND, las
compuertas OR son fijas o no programables, en mi escogencia anterior yo había
seleccionado y diseñado una compuerta OR, pero vemos que se requiere la
compuerta AND, he extraído apartes de la literatura de los PLD´s para sustentar
lo que acá les menciono.
CIRCUITOS
INTEGRADOS A MEDIDA (ASIC) DISPOSITIVOS LOGICOS PROGRAMABLES (PLD)
¿Qué es la lógica programable?
La lógica programable, como el
nombre implica, es una familia de componentes que contienen conjuntos de
elementos lógicos (AND, OR, NOT, LATCH, FLIP-FLOP) que pueden configurarse en
cualquier función lógica que el usuario desee y que el componente soporte. Hay
varias clases de dispositivos lógicos programables: ASICs, FPGAs, PLAs, PROMs,
PALs, GALs, y PLDs complejos.
DISPOSITIVOS
LÓGICOS PROGRAMABLES
Un dispositivo lógico
programable, o PLD (Programmable Logic Device), es un dispositivo cuyas
características pueden ser modificadas y almacenadas mediante programación. El
principio de síntesis de cualquier dispositivo lógico programable se fundamenta
en el hecho de que cualquier función booleana puede ser expresada como una suma
de productos. El dispositivo programable más simple es el PAL (Programmable
Array Logic). El circuito interno de un PAL consiste en un arreglo, o matriz,
de compuertas AND y un arreglo de compuertas OR. El arreglo AND es programable
mientras que el OR generalmente es fijo. Mediante una matriz de conexiones se
seleccionan cuales entradas serán conectadas al arreglo AND, cuyas salidas son
conectadas al arreglo OR y de esta manera obtener una función lógica en forma
de suma de productos. Una matriz de conexiones es una red de conductores
distribuidos en filas y columnas con un fusible en cada punto de intersección. Los
dispositivos con arquitectura PAL son los más populares y los más utilizados.
La mayoría de los PLDs están
formados por una matriz de conexiones, una matriz de compuertas AND, y una
matriz de compuertas OR y algunos, además, con registros. Con estos recursos se
implementan las funciones lógicas deseadas mediante un software especial y un
programador.
La mayoría de los PLDs CMOS son reprogramables y permiten
una fácil verificación por parte del usuario.
Extraído
de:
Robayo, F. (2009). Tecnologías para la integración de
Circuitos Y Dispositivos Lógicos Programables. Bogotá D.C. Universidad Nacional
Abierta y/a Distancia. Recuperado de http://hdl.handle.net/10596/11266
EXPLICACIÓN
ESQUEMA COMPUERTA AND CMOS
En este caso la compuerta AND está diseñada con una
compuerta NAND en serie con una compuerta negadora o NOT, en el pasado
documento explicábamos la NAND así:
O sea:
TABLA DE VERDAD NAND
|
||
In A
|
In B
|
Out
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
EXPLICAMOS
AHORA EL INVERSOR O NOT CON CMOS DE UNA
ENTRADA
COMPUERTA
NOT O INVERSOR DE 1 ENTRADA CON CMOS
Explicación
-
Si en la entrada hay un 1, el transistor NMOS
conducirá y llevará un O fuerte a la salida.
-
Si en la entrada hay un 0, el transistor PMOS
conducirá y llevará un 1 fuerte a la salida.
Finalmente, la tabla de AND quedaría así:
TABLA DE VERDAD NAND
|
AND
|
||
In A
|
In B
|
Out
|
Out NOT (NAND)
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
Por medio del link DISEÑO DE UNA COMPUERTA AND puedes acceder a observar cómo se lleva a cabo el
diseño de una compuerta AND CMOS en el software Microwind y como se genera el integrado
y su layout por medio del software DSCH, esperamos sea de su agrado y sirva
para una mejor compresión de cómo se ejecutan dichos procesos.
CONCLUSIONES RESPECTO DE LA
FASE 2
-
A pesar de
haber escogido un compuerta AND CMOS para la solución para la fase 2 por ser la
programable en un PLD PAL, podemos decir que según los circuitos expuestos en
el foro colaborativo, vemos que para diseñar una compuerta AND CMOS, una forma
es tomar una compuerta NAND y colocarla en serie con una NOT, también podemos
decir que a pesar de que la compuerta AND es la que se programa en los
circuitos lógicos programables PAL, se requieren también de las compuertas OR,
estas no se usan para programarlas, pero deben hacer parte del integrado,
finalmente, para diseñar una compuerta OR, requerimos de dos compuertas, una
NOR en serie con una NOT, por lo que pudiéramos decir que en el caso nuestro,
para diseñar un integrado PAL para generar las AND requeriríamos de NAND y NOT
y para generar las OR unas NOR y NOT, o sea que realmente requeriríamos
NAND,NOR y NOT, cabe aclarar que puede haber otra lógica para poder generar las
AND y OR y en ese caso, posiblemente se requerirían otras compuertas base para
generar las requeridas.
-
Solo un
estudiante sustentó la escogencia de la compuerta, por lo que la actividad de
debate con la rúbrica TIGRE no fue posible realizarla adecuadamente, así mismo,
solo un estudiante presentó las tres conclusiones respecto de las lecturas de la
unidad 1, por lo cual conclusiones no fueron enriquecidas, esperamos que para
los próximos trabajos colaborativos podamos generar el debate constructivo
solicitado.
-
Al leer que
en la actualidad los PLDs se utilizan en casi todos los nuevos equipos
electrónicos de control, industriales, de consumo, de oficina, de
comunicaciones, etc., en lo personal quedé un poco sorprendido, esto debido a
que lo que más se menciona en la literatura actual respecto a la electrónica de
control son los sistemas embebidos y esto a su vez relacionan a los
microcontroladores, pero si es cierto que hoy se utilizan mucho los PLD’s, consideraría
que el uso y aplicación de los mismos puede estar disminuyendo, esto debido a
que una revolución tecnológica está en marcha y tiene que ver con el internet
de la cosas o IoT (Internet of Things), en los sistemas embebidos se usan mucho
los microcontroladores, con IoT, se requieren equipos inteligentes y estos se
distinguen por ser casi autónomos y por poderse conectar a la nube, entonces
pienso que los PLD pueden estar perdiendo terreno con los microcontroladores,
además porque ya se encuentran en el mercado unos a un muy bajo precio.
RECOMENDACIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
RECOMENDACIONES
-
Es
recomendable hacer énfasis en la necesidad de sustentar por cada estudiante el por
qué escogemos una u otra compuerta lógica para posteriormente hacer uso de
ella, de esa manera se propicia el debate constructivo y el uso de la rúbrica
TIGRE.
-
Es
recomendable que por medio algún medio, por ejemplo web conferencia, se
facilite un explicación del proceso automático de generación de las diferentes
capas del integrado en el software DSCH, esto permite una mayor comprensión al
estudiante y se le puede pedir al mismo que exponga en el caso particular de su
escogencia (compuerta), cómo funciona el proceso.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Robayo, F. (2009).
Introducción a la Microelectrónica y Procesos de Fabricación. Bogotá D.C.
Universidad Nacional Abierta y/a Distancia. Recuperado de http://hdl.handle.net/10596/11264
Robayo, F. (2009).
Repaso de Electrónica Digital y Circuitos Combinacionales. Bogotá D.C.:
Universidad Nacional Abierta y/a Distancia. Recuperado de http://hdl.handle.net/10596/11265
Robayo, F. (2009).
Tecnologías para la integración de Circuitos Y Dispositivos Lógicos
Programables. Bogotá D.C. Universidad Nacional Abierta y/a Distancia.
Recuperado de http://hdl.handle.net/10596/11266
Alvarado, P. (2006).
Introducción a la fabricación de Circuitos Integrados. Recuperado de http://palvarado.ietec.org/LabActivos/Fabricacion_Chips_061009.pdf
Vallejo, H. (2005).
Los controladores lógicos programables. Recuperado de http://www.todopic.net/utiles/plc.pdf
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