Ya hemos escrito sobre las puertas lógicas. Pero, ¿Sabías qué es el FAN-IN y FAN-OUT de estos elementos de electrónica digital? Si no lo conoces, aquí te lo explicamos de forma sencilla y cómo afecta esto a las entradas y salidas de estos elementos…
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¿Qué es el FAN-IN?
El fan-in de una puerta lógica se refiere al número de entradas que dicha puerta puede manejar en su diseño físico. Por ejemplo, una puerta AND con un fan-in de 3, solo podrá tener tres entradas para funcionar bien. A medida que el fan-in aumenta, también lo hace la complejidad del diseño de la puerta. Esto se debe a la necesidad de más transistores y conexiones internas para manejar las múltiples entradas.
Un fan-in elevado puede aumentar el retardo de propagación, ya que cada entrada adicional introduce una capacitancia extra que la puerta debe cargar o descargar. Esto afecta la velocidad de operación.
Por otro lado, más entradas implican una mayor capacitancia total en la puerta, lo que incrementa el consumo de corriente para alternar entre estados lógicos.
Es decir, tenemos el incremento de los retardos en la propagación de la señal en una puerta con más entradas frente a una puerta con menos entradas, así como mayor complejidad de diseño, lo que significa usar más elementos electrónicos o transistores (más área de chip ocupada), y degradación de la señal, produciendo una caída en los voltajes de entrada debido a la capacitancia.
Soluciones del FAN-IN
En lugar de diseñar puertas con fan-in muy elevado, se pueden construir circuitos jerárquicos usando puertas con menor fan-in. Por ejemplo, dividir un AND de 8 entradas en dos etapas con AND de 4 entradas.
Utilizar buffers intermedios puede ayudar a mitigar problemas de degradación de la señal, ya que pueden actuar paliando los problemas generados por el uso de más entradas en la puerta lógica, aunque esto supone usar más transistores y superficie en el chip.
¿Qué es el FAN-OUT?
El fan-out de una puerta lógica se refiere al número máximo de entradas de otras puertas que puede controlar (en su salida) sin degradar significativamente su funcionamiento. Por ejemplo, si una puerta lógica puede controlar simultáneamente cuatro puertas sin afectar su desempeño, tiene un fan-out de 4.
El fan-out se determina principalmente comparando la corriente de salida máxima de la puerta lógica con la corriente de entrada requerida por las puertas conectadas. Matemáticamente:
Donde Ioutmax es la corriente máxima que puede suministrar la puerta de salida, mientras que Iinreq es la corriente requerida por una sola entrada de las puertas conectadas.
Cada puerta conectada introduce capacitancia adicional en la salida de la puerta conductora. La suma de estas capacitancias afecta el tiempo de carga/descarga y, por lo tanto, el retardo de propagación.
La capacidad de manejar múltiples puertas también depende de los niveles de voltaje lógico. Si el voltaje de salida se degrada debido a un fan-out excesivo, las puertas receptoras podrían no interpretar correctamente el nivel lógico, se necesitará aumentar el voltaje, por tanto el consumo y la temperatura, lo cual no es óptimo.
El tiempo de propagación aumenta con un fan-out elevado debido al crecimiento de la capacitancia total de carga. Y no solo eso, con un fan-out excesivo, la señal puede no alcanzar niveles lógicos adecuados.
Diferentes familias lógicas (e.g., TTL, CMOS) tienen capacidades de corriente y voltaje diferentes, lo que puede limitar el fan-out efectivo si se usan circuitos con varias familias a la vez. Por ejemplo, las tecnologías CMOS más avanzadas tienen mayor capacidad FAN-OUT debido a sus necesidades inferiores en cuanto a corriente de entrada. Sin embargo, una TTL tiene mayor necesidad de corriente, por lo que tendría más problemas para funcionar correctamente.
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Soluciones del FAN-OUT
Al igual que comenté con el FAN-IN de las puertas lógicas, el FAN-OUT también tiene algunas formas para solucionarlo. Uno de ellos pasa también por usar buffers entre puertas, evitando la sobrecarga en la salida de la puerta conductora. Sin embargo, eso implica mayor complejidad.
Otra alternativa es optimizar el diseño, centrándose en reducir el número de puertas conectadas a una única salida distribuyendo la carga de manera equilibrada entre múltiples etapas.
Relación entre FAN-IN y FAN-OUT
El fan-in y el fan-out están interrelacionados, ya que el fan-in elevado de las puertas receptoras aumenta la capacitancia de entrada total, afectando el fan-out máximo de la puerta conductora. Este equilibrio debe manejarse cuidadosamente en el diseño de circuitos para evitar problemas de rendimiento.
No olvides dejar tus comentarios con dudas o sugerencias sobre la materia…
