Capítulo 1. MICROCONTROLADORES PROGRAMABLES: LA SOLUCIÓN ESTÁ EN UN CHIP ........................................ 1
Capítulo 2. MICROCONTROLADORES DE 8 BITS: LOS «PIC» ........... 15
Capítulo 3. LOS SELLOS MÁGICOS DE PARALLAX ................. . . . 27
3.1. Acercando la tecnología .......... . .............................. 27
3.2. El nacimiento y desarrollo de una empresa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
v
1.1. ¿Qué es un microcontrolador? .................................... 1
1.1.1. Diferencia entre microprocesador y microcontrolador ........... 3
1.2. Arquitectura interna .................... . ........... . .... . ...... 5
1.2.1. El procesador ........................................... 5
1.2.2. Memoria de programa .... . . .............................. 6
1.2.3. Memoria de datos ........................................ 8
1.2.4. Líneas de E/S para los controladores de periféricos . ............ 8
1.2.5. Recursos auxiliares ...................................... 8
1.3. Programación de los microcontroladores ............................ 9
1.4. Instrumental de trabajo .......................................... 9
2.1. La elección ................................................... 15
2.2. La familia de los PIC ..... . ... . ....... . .............. . .......... 16
2.2.1. Gama baja o básica: PIC 16C5X con instrucciones de 12 bits ...... 17
2.2.2. Gama media: PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits ......... 17
2.2.3. Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits ........... 19
2.2.4. Gama mejorada: PIC18CFXXX con instrucciones de 16 bits ...... 20
2.2.5. Los enanos de 8 patitas ................................... 21
2.3. Descripción general y aplicaciones ................................ 23
vi CONTENIDO
Capítulo 4. PBASIC: EL LENGUAJE MÁS FÁCIL DEL MUNDO ........... 43
Capítulo 5. EL PRIMER CONTACTO CON EL PIC16F84 ................. 67
3.3. El microcontrolador es el cerebro del sistema ........................ 32
3.4. La memoria EEPROM. Presentación del bus I2C ..................... 35
3.5. Sección de la entrada/salida serie del PC ............................ 38
3.6. Sección del regulador de tensión .................................. 39
3.7. Sección de las líneas de E/S para información con el mundo exterior ...... 39
4.1. BASIC: el lenguaje más fácil del mundo .................. . ......... 43
4.1.1. Ventajas e inconvenientes .................................. 43
4.1.2. Los lenguajes usados pra microcontroladores .................. 44
4.2. El editor Stamp ....... . ........................................ 46
4.3. El repertorio de instrucciones PBASIC ............................. 49
4.4. El primer programa ............................... . ............. 52
4.5. Práctica 1: Manejando luz y sonido ................................ 56
4.5.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5.2. Fundamentos teóricos básicos e instrucciones empleadas ......... 57
4.5.3. Esquema electrónico ..................................... 57
4.5.4. Materiales necesarios ..................................... 57
4.5.5. Montaje práctico ........................ . ............... 58
4.5.6. Desarrollo de la práctica y ejecución del programa .............. 58
4.5.7. Trabajo personal ......................................... 59
4.6. Práctica 2: Control de un semáforo sonoro ........................... 60
4.6.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.6.2. Fundamentos teóricos básicos e instrucciones empleadas ......... 60
4.6.3. Esquema electrónico ..................................... 61
4.6.4. Materiales necesarios ..................................... 61
4.6.5. Montaje práctico ........................................ 61
4.6.6. Desarrollo de la práctica y ejecución del programa .............. 61
4.6.7. Trabajo personal ......................................... 63
4.7. Práctica 3: Contador binario de 8 bits con alarma ..................... 63
4.7.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.7.2. Fundamentos teóricos básicos e instrucciones empleadas ......... 63
4.7.3. Esquema electrónico ..................................... 64
4.7.4. Materiales necesarios ..................................... 65
4.7.5. Montaje práctico ........................................ 65
4.7.6. Desarrollo de la práctica y ejecución del programa .............. 65
5.1. Pequeño, pobre, pero resultón .................................... 67
5.1.1. Variantes del PIC 16X8X .................................. 68
5.1.2. Diferencias entre los modelos PIC 16X8X . . ................... 70
5.2. El aspecto externo ....................... . ...................... 70
5.3. La frecuencia de funcionamiento. El reloj .... . ...................... 71
5.3.1. Tipos de osciladores ...................................... 73
Capítulo 6. EN EL INTERIOR DEL PROCESADOR ...................... 81
Capítulo 8. INTERRUPCIONES, RESET Y RECURSOS AUXILIARES ...... 111
CONTENIDO vii
5.4. Reinicialización o Reset ........................................ . 75
5.5. El primer circuito práctico ....................................... 75
5.6. Una solución al diseño de proyectos: la tarjeta de prototipos ............ 77
6.1. Una arquitectura moderna y revolucionaria .......................... 81
6.1.1. Diferencias de la arquitectura del PIC16C84 con la de sus variantes. 84
6.2. Memoria de programa ............................ . ............. 85
6.2.1. El Contador de Programa y la Pila ........................... 85
6.3. Memoria de datos RAM ... . .................................... . 86
6.3.1. Memoria de datos RAM en el PIC16F84 y el PIC16CR84 ........ 89
6.3.2. Direccionamiento de la memoria de datos ..................... 91
6.4. El registro de ESTADO ......................................... 93
Capítulo 7. LOS RECURSOS FUNDAMENTALES: TEMPORIZADORES,
PUERTAS DE EIS Y EEPROM DE DATOS .................... 95
7.1. El papel de los temporizadores .................................... 95
7.2. Temporizador/contador TMRO .................................... 95
7.2.1. El registro OPTION ...................................... 98
7.3. El Perro Guardián (WDT) .......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.4. Las puertas de E/S ............................................. 1 01
7.4.1. La Puerta A ............................... . . . . . . . . . . . . . 1 02
7.4.2. La Puerta B ............................................. 1 04
7.5. La Palabra de Configuración .......................... . . . . . . . . . . . 1 04
7.5.1. Palabras de Identificación (ID) ............................. 106
7.6. La memoria EEPROM de datos ................................... 1 06
8.1. Importancia de las interrupciones .................................. 111
8.2. Causas de interrupción .......................................... 112
8.2.1. El Registro de Control de Interrupciones INTCON .............. 1 1 2
8.2.2. Interrupción externa INT .................................. 116
8.2.3. Interrupción por desbordamiento del TMRO .............. . .... 117
8.2.4. Interrupción por cambio de estado en las líneas RB4 : RB7 de la
Puerta B ............................................... 118
8.2.5. Interrupción por finalización de escritura en la EEPROM de datos .. 118
8.3. Reinicialización o Reset ......................................... 119
8.3.1. Reset por fallo en la alimentación («Brown Out») .............. 1 21
8.4. El modo de Reposo o de bajo consumo ............................. 123
8.5. Programación en serie de los PIC16X8X ............................ 1 23
viii CONTENIDO
Capítulo 9. MANEJANDO EL REPERTORIO DE INSTRUCCIONES ....... 125
Capítulo 10. HERRAMIENTAS Y DISEÑO DE PROYECTOS .............. 139
Capítulo 11. EJERCICIOS DE PROGRAMACIÓN EN ENSAMBLADOR .... 159
9.1. Repertorio RISC . ............... . ...... . ....... . ....... . ....... 125
9.2. Tipos de formato ...................................... . ........ 126
9.2.1. Operaciones orientadas a manejar registros de tamaño byte .... . . . 127
9.2.2. Operaciones orientadas a manejar bits ........................ 128
9.2.3. Operaciones que manejan un valor inmediato o literal ........... 129
9.2.4. Operaciones incondicionales de control de flujo del programa ..... 129
9.2.5. Operaciones de salto condicional ............................ 1 29
9.3. Precisiones sobre nomenclatura y símbolos .......................... 1 30
9.4. Instrucciones que manejan registros ................................ 1 32
9.5. Instrucciones que manejan bits .................. . ................. 133
9.6. Instrucciones de brinco (skip) ..................................... 1 34
9.7. Instrucciones que manejan operandos inmediatos ..................... 135
9.8. Instrucciones de control y especiales ............................... 136
10.1. Fases de diseño ................................................ 1 39
1 0.2. Herramientas accesibles ......................................... 1 41
1 0.2.1. La cabeza ..................................... . ....... 142
1 0.2.2. Editor de textos ........................................ 1 42
10.2.3. Ensamblador o Compilador ............................... 1 42
10.2.4. Simulador software ..................................... 143
10.2.5. El grabador............................................ 143
10.2.6. Sistema de desarrollo .................................... 144
10.2.7. Tarjeta de prototipos ..................................... 145
10.3. Emulador en circuito ................ . ........... . . ............. 1 45
10.4. Introducción al diseño de proyectos: puesta en hora ....... . ........... 146
10.5. Un dado electrónico ............................................ 1 51
1 0.6. Semáforo regulable ............................................. 1 53
1 0.7. Presentador de mensajes ......................... . ......... . ..... 155
10.8. Clave de acceso ................................................ 155
11.1. Introducción .................................................. 1 59
11.2. El primer programa: Aprendiendo a sumar .......................... 159
11.3. El segundo programa de calentamiento: Explorando interruptores y encendiendo
luces .................................................. 1 68
11.4. El tercer programa con diseño hardware ............................ 174
11.5. El cuarto programa: Contando y visualizando ...... . . ........ . . ...... 181
11.6. El quinto programa de aprendizaje: Controlando el tiempo .............. 1 85
11.7. Las interrupciones .............................................. 193
11.8. El sexto ejercicio práctico: Manejando interrupciones .................. 193
CONTENIDO i x
11.9. Séptimo ejercicio: Programas con un poco de todo, manejando el registro de
trabajo W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Capítulo 12. LOS PRIMEROS DISEÑOS PRÁCTICOS .................... 207
1 2.1. Presentación ................................................. 207
12.2. PRÁCTICO 0: Herramientas de desarrollo ......................... 207
12.2.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
12.2.2. Herramientas hardware ................................. 208
12.2.3. Herramientas software ................................. . 210
12.2.4. Tutoria l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
12.3. PRÁCTICA l: Sencillo ejemplo de manejo de la E/S .......... . ..... . 214
12.3.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
12.3.2. Fundamentos teóricos básicos . ........................... 214
1 2.3.3. Esquema electrónico ................................... 215
12.3.4. Materiales necesarios ................................... 215
12.3.5. Montaje práctico ...... . .................. . ............ 216
1 2.3.6. Desarrollo de la práctica ................................ 216
1 2.3.7. Trabajo personal....................................... 216
1 2.4. PRÁCTICA 2: Control de una lámpara desde dos interruptores ......... 217
12.4.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
12.4.2. Fundamentos teóricos básicos ............................ 217
1 2.4.3. Esquema electrónico ................................... 218
12.4.4. Materiales necesarios ............................... . ... 218
12.4.5. Montaje práctico .... . ................................. 219
1 2.4.6. Desarrollo de la práctica ................................ 219
12.4.7. Trabajo personal ............... . ...... . ............. . . . 219
12.5. PRÁCTICA 3: Ejemplo combinacional .... . ......... . ............. 219
12.5.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
12.5.2. Fundamentos teóricos básicos ............................ 220
12.5.3. Esquema electrónico ....... . ........................... 221
12.5.4. Materiales necesarios ................................ . . . 221
12.5.5. Montaje práctico ...................................... 221
12.5.6. Desarrollo de la práctica ............................. . . . 222
12.5.7. Trabajo personal ....................................... 222
1 2.6. PRÁCTICA 4: Ejemplo secuencial ............................... 223
1 2.6.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
12.6.2. Fundamentos teóricos básicos ............................ 223
12.6.3. Esquema electrónico ..................... . ............. 223
1 2.6.4. Materiales necesarios ................................... 224
1 2.6.5. Montaje práctico ........... . .... . .................... . 224
1 2.6.6. Desarrollo de la práctica ................................ 224
12.6.7. Trabajo personal ....................................... 226
1 2.7. PRÁCTICA 5: El TMR0, juego de luces .................. . . ....... 226
12.7.1. Objetivo s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
12.7.2. Fundamentos teóricos básicos .................... . ....... 226
x CONTENIDO
Apéndice A: Guía Rápida del PIC16X84 ................................ ... 245
12.7.3. Esquema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
12.7.4. Materiales necesarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
12.7.5. Montaje práctico ...................................... 227
12.7.6. Desarrollo de la práctica ................................ 227
1 2.7.7. Trabajo personal ....................................... 229
12.8. PRÁCTICA 6: Usando el preescaler, otro juego de luces .............. 229
1 2.8.1. Objetivos ............................................ 229
12.8.2. Fundamentos teóricos básicos ............................ 229
12.8.3. Esquema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
12.8.4. Materiales necesarios .................. . ... . ........ . ... 230
12.8.5. Montaje práctico ............ . ......................... 230
12.8.6. Desarrollo de la práctica ...... . ......................... 230
1 2.8.7. Trabajo personal ....................................... 232
12.9. PRÁCTICA 7: Manejando el WDT y el modo SLEEP . . .............. 232
12.9.1. Objetivos ............................................ 232
12.9.2. Fundamentos teóricos básicos ............................ 232
12.9.3. Esquema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 233
1 2.9.4. Materiales necesarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
12.9.5. Montaje práctico ...................................... 233
12.9.6. Desarrollo de la práctica ............................ . ... 233
12.9.7. Trabajo personal ...................... . ................ 235
12.10. PRÁCTICA 8: El TMRO como contador de pulsos externos ............ 235
1 2.10.1. Objetivos ........................................... 235
12.10.2. Fundamentos teóricos básicos ................... . ....... 235
12.10.3. Esquema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
12.10.4. Materiales necesarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
1 2.10.5. Montaje práctico ........ . ............................ 236
12.10.6. Desarrollo de la práctica ............................... 236
12.10.7. Trabajo personal ......... . ............................ 238
12.11. PRÁCTICA 9: La interrupción del TMRO .......................... 238
12.11.1. Objetivos ........................................... 238
12.11.2. Fundamentos teóricos básicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
12.11.3. Esquema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
1 2.11.4. Materiales necesarios ............ . ............ . ........ 239
12.11.5. Montaje práctico ..................................... 239
12.11.6. Desarrollo de la práctica ............................... 239
1 2.11.7. Trabajo personal ...................... . ............... 240
12.12. PRÁCTICA 10: Más interrupciones ............................... 241
12.12.1. Objetivos ........................................... 241
1 2.12.2. Fundamentos teóricos básicos ........................... 241
12.12.3. Esquema electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
1 2.12.4. Materiales necesarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
12.12.5. Montaje práctico ..................................... 242
12.12.6. Desarrollo de la práctica ............................... 242
1 2.12.7. Trabajo personal ...................................... 243
CONTENIDO Xi
Apéndice B: Guía del usuario del SIM2000 . ............. . ........ . ...... . . 255
Apéndice C: Breve descripción del Micro'PIC Trainer ..... . .... . .......... . . 257
Apéndice D: La familia PIC al completo .......... . ........................ 265
Apéndice E: Contenido del CD .......... . ............................. ... 273
Apéndice F: Proyectos con el PIC16F84 ......... . .............. . .......... 279
Bibliografía y direcciones de interés relacionadas con los PIC ................. 353
índice................................................................ 355

CAPITULO 1
Introducción a los microcontroladores ( Microcontroladores PIC de Microchip)
CAPITULO 2
Programación en lenguaje ensamblador
CAPITULO 3
Técnicas en lenguaje ensamblador
CAPITULO 4
Experimentos Introductorios
CAPITULO 5
Experimentos avanzados

1. INTRODUCCION A LOS MICROCONTROLADORES.................................... 1
1.1 CONTROLADOR Y MICROCONTROLADOR................................................................ 1
1.2 DIFERENCIA ENTRE MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR. .......................... 2
1.3 APLICACIONES DE LOS MICROCONTROLADORES..................................................... 4
1.4 EL MERCADO DE LOS MICROCONTROLADORES. ...................................................... 5
1.5 ¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR? ................................................................. 6
1.6 RECURSOS COMUNES A TODOS LOS MICROCONTROLADORES. ................................. 9
1.6.1 Arquitectura básica ....................................................................................... 9
1.6.2 El procesador o UCP .................................................................................. 10
1.6.3 Memoria... 11
1.6.4 Puertas de Entrada y Salida ........................................................................ 14
1.6.5 Reloj principal............................................................................................. 14
1.7 RECURSOS ESPECIALES............................................................................... 14
1.7.1 Temporizadores o "Timers" ........................................................................ 15
1.7.2 Perro guardián o "Watchdog" .................................................................... 16
1.7.3 Protección ante fallo de alimentación o "Brownout"................................... 16
1.7.4 Estado de reposo ó de bajo consumo ........................................................... 16
1.7.5 Conversor A/D (CAD) ................................................................................. 17
1.7.6 Conversor D/A (CDA) ................................................................................ 17
1.7.7 Comparador analógico................................................................................ 17
1.7.8 Modulador de anchura de impulsos o PWM ................................................ 17
1.7.9 Puertas de E/S digitales ............................................................................... 18
1.7.10 Puertas de comunicación........................................................................... 18
1.8 HERRAMIENTAS PARA EL DESARROLLO DE APLICACIONES.................................... 19
2. LA FAMILIA DE LOS PIC COMO ELECCIÓN. ............................................. 21
2.1 CARACTERÍSTICAS RELEVANTES. ........................................................................ 22
2.1.1 Arquitectura. ............................................................................................... 22
2.1.2 Segmentación. ............................................................................................. 22
2.1.3 Formato de las instrucciones. ...................................................................... 23
2.1.4 Juego de instrucciones................................................................................. 23
2.1.5 Todas las instrucciones son ortogonales ...................................................... 23
2.1.6 Arquitectura basada en un "banco de registros"......................................... 23
2.1.7 Diversidad de modelos de microcontroladores con prestaciones y recursos
diferentes ... 23
2.1.8 Herramientas de soporte potentes y económicas .......................................... 24
2.2 LAS GAMAS DE PIC ............................................................................................ 24
2.2.1 La gama enana: PIC12C(F)XXX de 8 patitas .............................................. 25
2.2.2 Gama baja o básica: PIC16C5X con instrucciones de 12 bits...................... 26
2.2.3 Gama media. PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits............................... 28
2.2.4 Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits.................................. 29
3. LOS REGISTROS DE LA GAMA MEDIA........................................................ 31
3.1 ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA DE DATOS ......................................................... 31
3.2 REGISTROS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 32
4. REPERTORIO DE INSTRUCCIONES.............................................................. 35
4.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES ........................................................................... 35
II
4.2 DEFINICIONES Y ABREVIATURAS ......................................................................... 35
4.3 REPERTORIO DE INSTRUCCIONES DE LA GAMA MEDIA........................................... 37
4.4 INSTRUCCIONES DE LA GAMA BAJA...................................................................... 41
5. PROGRAMACIÓN DE LOS mCONTROLADORES PIC................................. 42
5.1 INTRODUCCIÓN................................................................................................... 42
5.2 EL ENTORNO DE TRABAJO MPLAB ..................................................................... 44
5.2.1 El ensamblador ........................................................................................... 44
5.2.2 Creando un nuevo proyecto ......................................................................... 46
5.2.3 Ensamblando............................................................................................... 48
5.2.4 Simulación bajo windows ............................................................................ 49
5.2.5 Otras opciones del MPLAB.......................................................................... 50
5.3 EJEMPLOS BÁSICOS DE PROGRAMACIÓN............................................................... 51
5.3.1 El sistema de E/S. interrupciones y LED's ................................................... 51
5.3.2 Contar y visualizar ...................................................................................... 55
5.3.3 Teclado matricial ........................................................................................ 57
5.3.4 Tablas y subrutinas...................................................................................... 60
5.3.5 Manejo de interrupciones ............................................................................ 63
5.3.6 Manejo de una pantalla LCD. Creación de una librería. ............................. 67
5.3.7 Uso de una librería: LCD.LIB ..................................................................... 77
5.3.8 El Watchdog ................................................................................................ 81
5.3.9 Notas para el profesor sobre la elaboración de estos programas ................. 81
6. EL COMPILADOR DE C.................................................................................... 83
6.1 INTRODUCCIÓN................................................................................................... 83
6.2 EL PRIMER PROGRAMA EN C................................................................................ 83
6.3 ¿ QUÉ PODEMOS USAR DEL C CONVENCIONAL? .................................................... 86
6.4 LIBRERÍAS Y FUNCIONES ..................................................................................... 89
6.4.1 La librería GETCHAR................................................................................. 89
6.4.2 La librería IO .............................................................................................. 90
6.4.3 Librería EE_READ...................................................................................... 90
6.4.4 Librería EE_WRITE .................................................................................... 90
6.4.5 TAMBIÉN CONVIENE SABER.............................................................................. 91
7. EL PROGRAMADOR.......................................................................................... 92
7.1 INTRODUCCIÓN................................................................................................... 92
7.2 DE LA PROGRAMACIÓN PARALEIA A LA PROGRAMACIÓN SERIE............................. 93
7.3 SOFTWARE Y UTILIZACIÓN.................................................................................. 96
7.4 INSTRUCCIONES DE USO RESUMIDAS DEL PROGRAMADOR................................... 100
8. APLICACIÓN PRÁCTICA: UN CONTADOR CONTROLADO POR
INTERRUPCIÓN................................................................................................... 103
9. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................ 107
9.1 BIBLIOGRAFÍA ESCRITA..................................................................................... 107
9.2 BIBLIOGRAFÍA ELECTRÓNICA. ........................................................................... 108

1.1 Introducción... 23
1.1.1. Sistemas integrados de proceso digital .............................................................................. 27
1.1.2 Sistemas de telecomunicación ............................................................................................ 29
1.1.3 Conclusión ... 31
1.2 Principios, subsistemas y diseño ................................................................................................ 32
Referencias ... 34
2 Tecnología de circuitos integrados
2.1 Introducción... 37
2.2 Fundamentos de los dispositivos MOS ...................................................................................... 38
Índice
Diseño de circuitos y sistemas integrados
16
2.2.1 Estructura básica: Condensador MOS ................................................................................ 38
2.2.2. Concepto de inversión de portadores en una película de la superfi cie del semiconductor,
tensión umbral... 40
2.2.3 Estructura de un transistor MOS......................................................................................... 41
2.2.4 Característica I/V de un transistor MOS............................................................................. 42
2.2.5 Parámetros y características de los dispositivos y las intercon. en tecnología CMOS....... 45
2.2.6 Modelo analítico del transistor MOS.................................................................................. 47
2.2.7 Características eléctricas de los circuitos CMOS ............................................................... 49
2.2.8 Capacidades en un transistor MOS..................................................................................... 50
2.2.9 Modelo de pequeña señal de un MOS en saturación .......................................................... 51
2.3 Fundamentos de la tecnología de fabricación de circuitos integrados CMOS........................... 52
2.3.1 Fundamento de la fabricación de circuitos integrados........................................................ 52
2.3.2 Relación de mascaras físicas y capas de diseño en una tecnología CMOS twin-well ........ 53
2.3.3 Fases del proceso de fabricación ........................................................................................ 54
2.3.4 Concepto de oblea... 60
2.4 Tendencias en la evolución tecnológica. Modelos de escalado microelectrónico...................... 61
2.4.1 La evolución de la tecnología microelectrónica y la ley de Moore .................................... 61
2.4.2 Modelos de escalado tecnológico para dispositivos CMOS............................................... 62
2.4.3 Modelos de escalado tecnológico para las interconexiones................................................ 63
2.4.4 Evolución de las principales caracterísitcas eléctricas de los circuitos integrados CMOS 65
2.4.5 Limitaciones de los modelos de escalado. Escenarios de escalado tecnológico realistas .. 67
2.4.6 Tendencias futuras en la evolución tecnológica.................................................................. 69
2.5 Efectos de la integración y la miniaturización en el comportamiento de los dispositivos......... 72
2.5.1 Latch-up, desapareamiento y otras consecuencias de la integración.................................. 72
2.5.2 Efectos de canal corto y portadores calientes ..................................................................... 73
2.6 Defectos y desviaciones del proceso de fabricación, rendimiento del proceso.......................... 75
2.6.1 Perturbaciones en el proceso de fabricación de un circuito integrado................................ 76
2.6.2 Rendimiento del proceso de fabricación............................................................................. 78
2.6.3 Impacto del rendimiento de fabricación en el costo unitario de un circuito integrado....... 80
2.6.4 Desviación de parámetros debido al proceso...................................................................... 81
Problemas ... 83
Referencias ... 86
3 Metodologías de diseño de circuitos integrados
3.1 Metodologías de diseño... 89
3.1.1 Niveles de abstracción y representaciones de un circuito microelectrónico ...................... 89
3.1.2 Diagrama de la "Y" y procedimientos involucrados en el diseño ...................................... 91
3.1.3 Variables de diseño para cada nivel de abstracción ............................................................ 93
Índice
17
3.1.4 Escenarios de objetivos de implementación ...................................................................... 96
3.2 Diagrama de fl ujo de diseño y herramientos de ayuda al diseño ............................................... 97
3.2.1 Diseño descendente, diseño ascendente.............................................................................. 98
3.2.2 Flujo de diseño típico en ASIC's ........................................................................................ 99
3.2.3 Herramientas CAD ... 105
3.2.4 Entornos EDA... 108
3.2.5 Tendencias futuras en CAD .............................................................................................. 108
3.3 Lenguajes de descripción y formatos ....................................................................................... 108
3.3.1 Modelos y simuladores físicos.......................................................................................... 109
3.3.2 Modelos y simuladores eléctricos..................................................................................... 109
3.3.3 Modelos y simuladores lógicos......................................................................................... 113
3.3.4 Modelos y simuladores de alto nivel ................................................................................ 117
3.4 Automatización del diseño microelectrónico ........................................................................... 119
3.4.1 Síntesis de alto nivel ... 120
3.4.2 Síntesis y optimización lógica .......................................................................................... 123
3.4.3 Síntesis a nivel físico: colocación y conexionado ............................................................ 124
3.5 Costes de la fase de diseño ... 129
3.5.1 Costes de personal ... 129
3.5.2 Costes de herramientas de diseño ..................................................................................... 130
3.5.3 Costes fi jos ... 131
3.6 Costes de diferentes alternativas de diseño de circuitos integrados......................................... 131
3.6.1 Full Custom... 131
3.6.2 Standard Cell ... 132
3.6.3 Gate Array ... 132
3.6.4 FPGA ... 132
3.6.5 Comparación entre alternativas ........................................................................................ 133
Problemas ... 135
Referencias ... 138
4 Interconexiones, componentes pasivos y de interfaz
4.1 Interconexiones ... 141
4.1.1 Jerarquía de interconexiones............................................................................................. 141
4.1.2 Efectos parásitos de las interconexiones........................................................................... 142
4.1.3 Modelación de las interconexiones................................................................................... 144
4.1.4 Cálculo simplifi cado de parámetros eléctricos ................................................................. 147
4.2 Encapsulados ... 152
4.2.1 Conexión electrica del chip............................................................................................... 153
4.2.2 Tipos de encapsulado ... 154
Diseño de circuitos y sistemas integrados
18
4.2.3 Modelación térmica ... 154
4.3 Componentes pasivos ... 157
4.3.1 Resistores ... 157
4.3.2 Condensadores ... 158
4.3.3 Inductores... 158
4.4 Buffers y celdas de Entrada/Salida ........................................................................................... 159
4.4.1 Control de nodos con gran capacidad. Fanin y Fanout.................................................... 159
4.4.2 Optimización de buffers... 160
4.4.3 Celdas E/S... 163
4.5 Diseño de bajo ruido... 168
4.5.1 Acoplamientos entre líneas ............................................................................................... 168
4.5.2 Ruido de conmutación ... 171
4.5.3 Ruido acoplado a través del substrato............................................................................... 173
Problemas ... 175
Referencias ... 176
5 Funciones digitales del sistema
5.1 Introduccion... 179
5.2 Prestaciones básicas de las familias lógicas ............................................................................. 179
5.3 Lógica CMOS estática... 181
5.3.1 Lógica CMOS estática convencional................................................................................ 181
5.3.2 Lógicas estásticas de transistores de paso......................................................................... 185
5.3.3 Lógica CVSL (Cascode Voltage Switch Logic) ................................................................ 187
5.4 Lógica dinámica ... 188
5.4.1 Bases de la lógica dinámica .............................................................................................. 188
5.4.2 Lógica C2MOS (Clocked CMOS Logic) ........................................................................... 190
5.4.3 Lógica CMOS dinámica de precarga y evaluación (PE Logic) ........................................ 190
5.4.4 Lógica CMOS Dominó... 191
5.4.5 Lógica NP Dominó (o Zipper) .......................................................................................... 193
5.4.6 Lógica CVSL (dinámica) .................................................................................................. 193
5.4.7 Lógica TSPC (True Single Phase Clock Logic)................................................................ 194
5.4.8 Comparación y utilidad de las diferentes lógicas dinámicas ............................................ 195
5.5 Diseño avanzado de subsistemas digitales ............................................................................... 195
5.5.1 Sumadores... 196
5.5.2 Multiplicadores ... 201
5.5.3 Decodifi cadores y multiplexores ...................................................................................... 204
5.5.4 Unidades aritmético-lógicas ............................................................................................. 205
5.5.5 Subsistemas secuenciales avanzados ................................................................................ 206
Índice
19
5.6 Diseño digital de bajo consumo ............................................................................................... 210
5.6.1 Análisis del consumo en circuitos integrados digitales CMOS ........................................ 210
5.6.2 Minimización de la potencia estática................................................................................ 216
5.6.3 Minimización de la potencia debida a corrientes de fugas ............................................... 216
5.6.4 Minimización de la potencia de cortocircuito................................................................... 217
5.6.5 Minimización de la potencia dinámica ............................................................................. 218
5.7 Generación y distribución del reloj .......................................................................................... 225
5.7.1 Restricciones temporales asociadas al reloj...................................................................... 225
5.7.2 Estrategias de distribución de reloj ................................................................................... 227
5.7.3 Generación del reloj... 230
5.7.4 Sincronización del reloj. Uso de DPLLs .......................................................................... 231
5.8 Memorias... 235
5.8.1 Tipos de memorias ... 235
5.8.2 Estructura externa de una memoria semiconductora ........................................................ 236
5.8.3 Estructura interna de una memoria semiconductora......................................................... 238
5.8.4 Memoria RAM estática: SRAM ....................................................................................... 238
5.8.5 Memoria RAM dinámica: DRAM.................................................................................... 241
5.8.6 Algunas variantes sobre memorias volátiles..................................................................... 243
5.8.7 Memorias semiconductoras no volátiles........................................................................... 244
5.8.8 Memorias Flash ... 245
Problemas ... 248
Referencias ... 251
6 Funciones analógicas del sistema
6.1 Introducción... 255
6.2 Referencias de tensión... 255
6.2.1 Defi nición de la función... 255
6.2.2 Parámetros que afectan al comportamiento de la función. Figuras de mérito.................. 256
6.2.3 Estrategias de diseño. Topología de circuitos ................................................................... 258
6.3 Referencias de corriente ... 268
6.3.1 Defi nición de la función................................................................................................... 268
6.3.2 Parámetros que afectan al comportamiento de la función. Figuras de mérito.................. 269
6.3.3 Estrategias de diseño. Topologías de circuitos ................................................................. 269
6.4 Amplifi cación ... 276
6.4.1 Características eléctricas de los amplifi cadores................................................................ 276
6.4.2 Implementaciones de una sola etapa................................................................................. 277
6.4.3 Etapa de ganancia cascodo ............................................................................................... 284
6.4.4 Amplifi cador diferencial ................................................................................................... 285
Diseño de circuitos y sistemas integrados
20
6.4.5 Amplifi cador operacional básico ...................................................................................... 287
6.4.6 Amplifi cadores de salida................................................................................................... 291
6.4.7 Amplifi cadores de bajo consumo y baja tensión............................................................... 294
6.5 Circuitos de capacidades conmutadas ...................................................................................... 298
6.5.1 Introducción a las capacidades conmutadas ..................................................................... 298
6.5.2 El integrador como circuito básico ................................................................................... 299
6.5.3 Limitaciones prácticas de los circuitos con capacidades conmutadas.............................. 301
6.5.4 Técnicas de diseño de fi ltros con capacidades conmutadas.............................................. 306
6.5.5 Circuitos de capacidades conmutadas con baja tensión.................................................... 313
6.5.6 Implementaciones actuales y aplicaciones ....................................................................... 315
6.6 Convertidores Digital/Analógico ............................................................................................. 316
6.6.1 Defi niciones y conceptos básicos de la conversión digital/analógico .............................. 317
6.6.2 Técnicas básicas de conversión digital/analógico............................................................. 320
6.6.3 Implementaciones actuales y limitaciones tecnológicas................................................... 329
6.7 Convertidores Analógico/Digital.............................................................................................. 332
6.7.1 Defi niciones y conceptos básicos de la conversión analógico/digital .............................. 332
6.7.2 Muestreadores... 333
6.7.3 Técnicas básicas de conversión analógico/digital............................................................. 336
6.7.4 Implementaciones actuales y limitaciones tecnológicas................................................... 348
Problemas ... 352
Referencias ... 355
7 Integración del sistema mixto
7.1 Introducción... 359
7.2 Tecnologías complementarias a CMOS ................................................................................... 359
7.2.1 Tecnología BiCMOS (Bipolar CMOS) ............................................................................. 359
7.2.1.1 Proceso típico BiCMOS ............................................................................................ 360
7.2.1.2 Inversor BiCMOS ... 360
7.2.1.3 Puertas NAND y NOR BiCMOS .............................................................................. 361
7.2.1.4 Ejemplos de aplicación de tecnología BiCMOS ....................................................... 361
7.2.2 Tecnología SOI (Silicon On Insulator) ............................................................................. 362
7.2.2.1 Introducción ... 362
7.2.2.2 Características y aplicaciones de CMOS SOI ........................................................... 363
7.2.3 Tecnología MCM (Multichip Module).............................................................................. 364
7.2.4 Tecnologia MEMS (MicroElectro-Mechanical Systems) ................................................. 366
7.2.4.1 Introducción ... 366
7.2.4.2 Características mecánicas del silicio ......................................................................... 367
7.2.4.3 Métodos de fabricación ............................................................................................. 368
Índice
21
7.2.4.4 Áreas de aplicación ................................................................................................... 370
7.3 Circuitos integrados de radiofrecuencia ................................................................................... 371
7.3.1 Arquitecturas receptoras y transmisoras para RF ............................................................. 371
7.3.2 Circuitos básicos para radiofrecuencia ............................................................................. 375
7.3.3 Aspectos de integración de sistemas RF en tecnología CMOS ........................................ 386
7.4 Ejemplo 1: Microsistema autocalibrado transmisor/receptor de ultrasonidos ......................... 387
7.4.1 Descripción de las membranas de silicio.......................................................................... 389
7.4.2 Diagrama de bloques del circuito ..................................................................................... 390
7.4.3 La fuente de ultrasonidos.................................................................................................. 390
7.4.4 El receptor de ultrasonidos ............................................................................................... 392
7.4.5 Implementación ... 393
7.5 Ejemplo 2: Sensor de imagen CMOS....................................................................................... 393
7.5.1 Principio de funcionamiento............................................................................................. 394
7.5.2 Estructura general del sensor ............................................................................................ 397
7.5.3 Operacion del pixel... 397
7.5.4 Lectura de la señal de columna......................................................................................... 400
7.5.5 Variaciones entre pixels y entre columnas ........................................................................ 403
7.5.6 Conclusiones... 405
7.6 Ejemplo 3: Sistema audiométrico analógico-digital integrado ................................................ 406
7.6.1 Diagrama de bloques ... 407
7.6.2 Generador de señales digital ............................................................................................. 408
7.6.3 Sección analógica ... 410
7.6.4 Implementación del sistema.............................................................................................. 413
7.7 Ejemplo 4: Receptor monolítico de teléfonos inalámbricos para la normativa DECT ............ 414
7.7.1 Diagrama de bloques ... 415
7.7.2 Análisis de los bloques del sistema................................................................................... 416
7.7.3 Implementación ... 419
7.8 Ejemplo 5: Sistema en Chip (SoC) para aplicaciones Bluetooth.............................................. 420
7.8.1 Introducción a Bluetooth................................................................................................... 421
7.8.2 Implementación de módulos Bluetooth ............................................................................ 423
Problemas ... 430
Referencias ... 431