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EIE 446 - SISTEMAS DIGITALES
Tema 3: Puertas Lógicas
Nombre del curso: “Sistemas Digitales”
Nombre del docente: Héctor Vargas
OBJETIVOS DE LA UNIDAD
● Describir el funcionamiento del inversor y de las puertas AND y OR.
● Describir el funcionamiento de las puertas NAND y NOR.
● Expresar las operaciones de las puertas NOT, AND, OR, NAND y NOR mediante
el álgebra de Boole.
● Describir el funcionamiento de las puertas OR-exclusiva y NOR-exclusiva.
● Reconocer y utilizar los símbolos distintivos y los símbolos rectangulares de
las puertas lógicas según el estándar ANSI/IEEE 91-1984.
● Elaborar diagramas temporales para ver la relación entrada/salida de las
diferentes puertas lógicas.
OBJETIVOS DE LA UNIDAD
● Establecer comparaciones básicas entre las principales tecnologías de
circuitos integrados: TTL y CMOS.
● Definir: tiempo de retardo de propagación, disipación de potencia, producto
velocidad-potencia y fan-out.
● Enumerar circuitos integrados de función fija que contengan varias puertas
lógicas.
● Utilizar cada puerta lógica en aplicaciones sencillas.
EL INVERSOR
A
X
● El inversor (circuito NOT) realiza la operación denominada inversión o
complementación. El inversor cambia un nivel lógico al nivel opuesto. En
términos de bits, cambia un 1 por un 0, y un 0 por un 1.
Input
Output
A
X
BAJO (0)
ALTO (1)
ALTO (1)
BAJO (0)
● La operación NOT (o complemento) se indica con una barra sobre la variable
de entrada. De esta manera, la expresión booleana para un inversor es X = A.
EL INVERSOR
A
X
● Diagrama de tiempos de un inversor:
A
X
● Un grupo de inversores puede ser usado para formar el complemento a 1 de
un número binario.
Número binario
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
Complemento a 1
0
A
&
A
X
X
B
B
● La puerta AND genera un nivel ALTO sólo cuando todas las entradas están a
nivel ALTO. Cuando cualquiera de sus entradas está a nivel BAJO, la salida se
pone a nivel BAJO.
LA PUERTA AND
TABLA DE VERDAD DE LA PUERTA AND
● La operación lógica de una puerta puede expresarse mediante una tabla de
verdad, en la que se enumeran todas las combinaciones de entrada con las
correspondientes salidas, como muestra la tabla siguiente.
Inputs
Output
A
B
X
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
A
&
A
X
X
B
B
● La operación AND se representa usualmente con un punto entre las variables
de entrada aunque, eventualmente, podrían los puntos no estar. De esta
manera, la operación AND se escribe como X = A·B o X = AB.
LA PUERTA AND
● Diagrama de tiempos de una puerta AND:
A
B
X
● La operación AND es utilizada en programación como una máscara selectiva.
Si se quiere retener ciertos bits de un número binario pero a la vez resetear
los otros bits a 0, se podría configurar una máscara con 1’s en la posición de
los bits retenidos.
LA PUERTA AND
A
B
X
A
B
&
X
¿Si el número binario 10100011 es pasado a través de
una puerta AND con máscara 00001111, cuál es el
resultado?
00000011
LA PUERTA AND
A
B
X
A
B
&
X
Sistema de alarma para el cinturón de seguridad.
LA PUERTA OR
A
B
A
B
X
≥1
X
● La puerta OR genera un nivel ALTO a la salida cuando cualquiera de sus
entradas está a nivel ALTO. La salida se pone a nivel BAJO sólo cuando todas
las entradas están a nivel BAJO.
TABLA DE VERDAD DE LA PUERTA OR
● La tabla de verdad siguiente describe el funcionamiento lógico de una puerta
OR de dos entradas. Esta tabla puede extenderse a cualquier número de
entradas e, independientemente del número de entradas, la salida es un
nivel ALTO cuando una o más entradas están a nivel ALTO.
Inputs
Output
A
B
X
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
LA PUERTA OR
A
B
X
A
B
≥1
X
● La operación OR se representa con un signo mas (+) entre las variables. De
esta manera, la operación OR se escribe como X = A + B.
● Diagrama de tiempos de la puerta OR:
A
B
X
● La operación OR se puede utilizar en programación para llevar ciertos bits de
un número binario a 1.
LA PUERTA OR
A
B
X
A
B
≥1
X
¿Las letras en ASCII tienen un 1 en el bit de la posición 5
para las letras minúsculas y un 0 en esta posición para las
mayúsculas. (Las posiciones de Bit se enumeran de
derecha a izquierda empezando con 0.) Cual será el
resultado si realizas la operación OR a una letra ASCII con
la máscara de 8-bit 00100000?
La letra resultante será minúscula.
LA PUERTA OR
A
B
X
A
B
Sistema de intrusión simplificado.
≥1
X
LA PUERTA NAND
A
X
A
&
X
B
B
● La puerta NAND genera una salida a nivel BAJO sólo cuando todas las
entradas están a nivel ALTO. Cuando cualquiera de las entradas está a nivel
BAJO, la salida se pondrá a nivel ALTO.
Inputs
Output
A
B
X
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
● La operación NAND se representa con un punto entre las variables y una
barra superior que los cubre. De esta manera, la operación NAND se escribe
como X = A · B (Alternativamente, X = AB)
LA PUERTA NAND
A
X
B
A
&
X
B
● Diagrama de tiempos de la puerta NAND.
A
B
X
● La puerta NAND es particularmente útil porque es una puerta “universal” –
todas las otras puertas básicas se pueden construir desde puertas NAND.
¿Cómo conectaría una puerta NAND de 2 entradas
para formar un inversor?
LA PUERTA NAND
A
B
● Monitoreo de nivel de líquido.
X
A
B
&
X
LA PUERTA NOR
A
B
X
A
B
≥1
X
● La puerta NOR genera una salida a nivel BAJO cuando cualquiera de sus
entradas está a nivel ALTO. Solo cuando todas sus entradas estén a nivel
BAJO, la salida se pondrá a nivel ALTO.
Inputs
Output
A
B
X
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
● La operación NOR se representa con un signo mas (+) entre las variables y
una barra superior que las cubre. De esta manera, la operación NOR se
escribe como X = A + B.
LA PUERTA NOR
A
B
X
A
B
≥1
X
● Diagrama de tiempos de la puerta NOR.
A
B
X
● La operación NOR producirá un nivel BAJO si cualquier entrada es ALTA.
¿Cuándo está el LED en ON para el
circuito mostrado?
El LED estará encendido (ON)
cuando cualquiera de las cuatro
entradas esté en ALTO.
+5.0 V
330 W
A
B
C
D
X
LA PUERTA XOR (OR-exclusiva)
A
B
X
A
B
=1
X
● La salida de la puerta OR-exclusiva (XOR) se pone a nivel ALTO sólo cuando
las dos entradas están a niveles lógicos opuestos. Esta operación se puede
expresar, en función de dos entradas A y B y una salida X con la siguiente
tabla de verdad:
Inputs
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Output
X
0
1
1
0
● La operación XOR se puede expresar de la forma X = AB + AB.
Alternativamente, se puede escribir con un signo más encerrado en un
círculo entre las variables X = A + B.
LA PUERTA XOR (OR-exclusiva)
A
B
X
A
B
=1
● Diagrama de tiempos de la puerta XOR.
A
B
X
● Observe que la puerta XOR producirá un nivel ALTO solamente cuando
exactamente una entrada esté a nivel ALTO.
¿Si las formas de onda A y B son ambas invertidas,
como se afecta la salida?
No hay cambio en la salida.
X
A
X
A
X
=1
LA PUERTA XNOR
B
B
● La salida de la puerta XNOR (NOR-exclusiva) se pone a nivel BAJO cuando dos
niveles lógicos de entrada son opuestos. Esta función se puede expresar, en
función de dos entradas A y B y una salida X con la siguiente tabla de verdad:
Inputs
Output
A
B
X
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
● La operación XNOR se representa como X = A B + A B. Alternativamente, la
operación XNOR se puede representar con un punto encerrado por un circulo
entre las variables. De esta manera, se puede escribir como X = A · B.
LA PUERTA XNOR
A
B
X
A
B
=1
X
● Diagrama de tiempos de la puerta XNOR.
A
B
X
● Observe que la puerta XNOR producirá un nivel ALTO cuando ambas
entradas sean iguales. Esto la hace útil para funciones de comparación.
Si la forma de onda A se invierte pero B permanece
igual, ¿cómo se afecta a la salida?
La salida será invertida.
LÓGICA DE FUNCIÓN FIJA
● Las dos grandes familias de lógica de función fija son TTL y CMOS. Una
tercera tecnología es BiCMOS, que combina las dos primeras.
● Las operaciones NOT, AND, OR, NAND, NOR y OR-exclusiva son las mismas,
independientemente de la tecnología de circuitos integrados que se utilice;
es decir, una puerta AND tiene la misma función lógica se implemente con la
tecnología CMOS o TTL.
● La tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) se
implementa con un tipo de transistor de efecto de campo.
● La tecnología TTL (Transistor-Transistor Logic) se implementa mediante
transistores bipolares.
● CMOS y TTL sólo difieren en el tipo de componente de circuito y los valores
de sus parámetros, y no en las operaciones lógicas básicas.
LÓGICA DE FUNCIÓN FIJA
● Encapsulados de los circuitos integrados. Todos los CMOS de la serie 74 son
compatibles en su patillaje con respecto a los mismos tipos de dispositivos en
la tecnología TTL.
● Abajo se muestra el encapsulado de la lógica de función fija.
0.335 – 0.334 in.
0.740 – 0.770 in.
14 13 12 11 10 9
14 13 12 11 10
2
3
4
5
6
8
6
7
8
0.250 ± 0.010 in.
1
9
0.228 – 0.244 in.
7
1
Pin no.1
identifiers
2
3
4
5
Lead no.1
identifier
14
1
Encapsulado DIP
Montaje de inserción
14
1
Encapsulado SOIC
Montaje superficial
LÓGICA DE FUNCIÓN FIJA
● Algunas configuraciones de puertas comunes se muestra a continuación:
VCC
VCC
14 13 12 11 10 9
1
2
3
4
5
6
8
7
GND
VCC
14 13 12 11 10 9
1
2
3
'00
6
7
GND
2
3
4
5
6
8
7
GND
1
2
3
4
5
6
8
7
GND
'27
5
6
8
7
GND
5
6
7
GND
2
3
4
'30
1
2
3
5
6
8
7
GND
2
3
4
5
6
6
7
GND
8
7
GND
14 13 12 11 10 9
1
2
3
4
5
6
8
7
GND
'21
VCC
14 13 12 11 10 9
1
5
VCC
14 13 12 11 10 9
1
4
8
'08
VCC
14 13 12 11 10 9
1
4
14 13 12 11 10 9
'20
VCC
14 13 12 11 10 9
4
3
'11
VCC
3
2
VCC
14 13 12 11 10 9
'10
2
1
8
'04
VCC
14 13 12 11 10 9
1
5
VCC
14 13 12 11 10 9
' 02
VCC
1
4
8
2
3
4
'32
5
6
8
7
GND
14 13 12 11 10 9
1
2
3
4
'86
5
6
8
7
GND
LÓGICA DE FUNCIÓN FIJA
● Los símbolos lógicos muestran las puertas y números de pin asociados.
VCC
(14)
(1)
(3)
(2)
(4)
(6)
(5)
(9)
(8)
(10)
(12)
(11)
(13)
(7)
GND
(1)
(2)
(4)
(5)
(9)
(10)
(12)
(13)
&
(3)
(6)
(8)
(11)
Características y parámetros de funcionamiento
● Existen varios parámetros que definen el funcionamiento de un circuito o
puerta lógica.
● Las características de funcionamiento son:





La velocidad de conmutación medida en términos del retardo de
propagación.
La disipación de potencia.
El fan-out o capacidad de excitación.
El producto velocidad-potencia.
La tensión de alimentación continua y los niveles lógicos de
entrada salida.
Características y parámetros de funcionamiento
● Tiempo de retardo de propagación. El tiempo de retardo de propagación tp
de una puerta lógica es el intervalo de tiempo entre la aplicación de un
impulso de entrada y la aparición del impulso de salida resultante.
● Existen dos tipos de medidas diferentes del tiempo de retardo de
propagación que se aplican a todas las puertas:
● tPHL: Es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el
impulso de entrada y el correspondiente punto de referencia en el
impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel ALTO al nivel BAJO.
● tPLH: Es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el
impulso de entrada y el correspondiente punto de referencia en el
impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel BAJO al nivel ALTO.
Características y parámetros de funcionamiento
Características y parámetros de funcionamiento
● Tensión de alimentación continua (Vcc). La tensión de alimentación
continua típica para CMOS puede ser 5 V; 3.3 V; 2.5 V o 1.8 V, dependiendo
de la categoría. Una ventaja de CMOS es que la tensión de alimentación
puede variar en un rango más amplio que los dispositivos TTL.
● Disipación de potencia. La disipación de potencia PD de una puerta lógica es
el producto de la tensión de alimentación continua y de la corriente media
de alimentación.
I 
I
PD  VCC  CCH CCL 
2


● Donde:
 VCC = Tensión de alimentación.
 ICCL = Corriente de alimentación para el estado de salida BAJO.
 ICCH = Corriente de alimentación para el estado de salida ALTO.
Características y parámetros de funcionamiento
● Niveles lógicos de entrada y salida. VIL es la tensión del nivel de entrada
BAJO para una puerta lógica y VIH es la tensión de entrada del nivel ALTO. VOL
es la tensión de salida para el nivel BAJO y VOH es la tensión de salida para el
nivel ALTO.

Ejemplo. Los dispositivos CMOS de 5 V aceptan una tensión máxima de
1.5 para VIL y una tensión mínima de 3.5 V para VIH. Los dispositivos TTL
aceptan una tensión máxima de 0.8 V para VIL y una tensión mínima de 2
V para VIH.
● Producto velocidad-potencia. El parámetro SPP (Speed-Power Product)
puede utilizarse como una medida del funcionamiento del circuito lógico que
tiene en cuenta el retardo de propagación y la disipación de potencia.
SPP  t p PD
Características y parámetros de funcionamiento
● Fan-out y carga. El fan-out de una puerta lógica es el número máximo de
entradas de la familia de circuitos integrados de la misma serie que la puerta
puede excitar, manteniendo a la vez los niveles de salida dentro de los
límites especificados.
 Nota: El fan-out es un parámetro importante sólo en la tecnología TTL. Dado que
los circuitos CMOS se asocian impedancias muy altas, el fan-out es muy alto,
aunque depende de la frecuencia debido a los efectos capacitivos.
● El fan-out se especifica en términos de cargas unidad. Una carga unidad para
una puerta lógica es igual a una entrada de un circuito similar. Por ejemplo,
una carga unidad para una puerta NAND 74LS00 es igual a una entrada a una
puerta lógica en la serie 74LS. Puesto que la corriente para una entrada a
nivel BAJO (IIL) de una puerta 74LS00 es de 0.4 mA y la corriente que una
salida a nivel BAJO (IIL) puede aceptar es de 8.0 mA, el número de cargas
unidad que una puerta 74LS00 puede excitar en el estado BAJO es:
I
8 mA
Cargas unidad  OL 
 20
I IL 0.4 mA
Características y parámetros de funcionamiento
● La salida de la puerta NAND LS TTL admite como carga máxima la entrada de
20 puertas LS TTL.
Hoja de características
● El Datasheet incluye límites y condiciones indicados por el fabricante así
como características de continua y alterna DC y AC. A continuación se
muestran algunas características de ejemplo para el CI 74HC00A:
MAXIMUM RATINGS
Symbol
Parameter
Value
Unit
VCC DC Supply Voltage (Referenced to GND)
– 0.5 to + 7.0 V
V
V in
DC InputVoltage (Referenced to GND)
– 0.5 to VCC +0.5 V V
V out DC Output Voltage (Referenced to GND)
– 0.5 to VCC +0.5 V V
I in
DC Input Current, per pin
± 20
mA
Iout
DC Output Current, per pin
± 25
mA
ICC DC Supply Current, VCC and GND pins
± 50
mA
PD
Power Dissipation in Still Air, Plastic or Ceramic DIP †
750
mW
500
SOIC Package †
TSSOP Package †
450
Tstg
Storage Temperature
–65 to + 150
°C
TL
Lead Temperature, 1 mm from Case for 10 Seconds
°C
260
Plastic DIP, SOIC, or TSSOP Package
300
Ceramic DIP
PALABRAS CLAVES DE LA UNIDAD
Inversor
Tabla de verdad
Diagrama de
tiempos
Algebra
booleana
Puerta AND
Un circuito lógico que invierte o complementa sus
entradas.
Una tabla que muestra las entradas y salidas
correspondientes de un circuito lógico.
Un diagrama de formas de onda que muestra las
propiedades y relaciones de tiempo de todas las formas
de onda.
La matemática de los circuitos lógicos.
Una puerta lógica que produce un nivel de salida ALTO
solamente cuando todas sus entradas son altas.
PALABRAS CLAVES DE LA UNIDAD
Puerta OR
Puerta NAND
Una puerta lógica que produce un ALTO en su salida
cuando uno o más entradas son ALTAS.
Una puerta lógica que produce una salida BAJA
solamente cuando todas sus entradas son ALTAS.
Puerta NOR
Una puerta lógica que produce una salida BAJA cuando
una o más de sus entradas son ALTAS.
Puerta ORexclusiva
Una puerta lógica que produce una salida ALTA
solamente cuando sus dos entradas están en los
niveles opuestos.
Puerta NOR
exclusiva
Una puerta lógica que produce una salida BAJA
solamente cuando sus dos entradas están en los
niveles opuestos.
BIBLIOGRAFÍA
Libro base: “Fundamentos de Sistemas Digitales”. Autor: Tomas L. Floyd.
Libro complemento: “Principios de Diseño Digital”. Autor: Daniel D. Gaski.