Circuito digital Circuito Lógico es aquél que maneja

Circuito digital
Circuito Lógico es aquél que maneja la información en forma binaria, o sea con valores
de "1" y "0". Estos dos niveles lógicos de voltaje fijos representan:
"1" nivel alto o "high".
"0" nivel bajo o "low".
Definición
Los circuitos cuyos componentes realizan operaciones análogas a las que indican los
operadores lógicos se llaman "Circuitos Lógicos" o "circuitos digitales".
Los Circuitos Lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta
AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO) y otras combinaciones muy
complejas de los circuitos antes mencionados.
1.1.COMPUERTAS LOGICAS:
Una compuerta lógica es un circuito lógico cuya operación puede ser definida por una
función del álgebra lógica, cuya explicación no es el objeto de esta obra.
Veamos entonces las compuertas lógicas básicas, para ello definamos el termino
“tabla de la verdad”, por utilizarse a menudo en las técnicas digitales.
Se llama tabla de verdad de una función lógica a una representación de la misma
donde se indica el estado lógico “1” o “0” que toma la función lógica para cada una de
las combinaciones de las variables de las cuales depende.
1.1.1.Inversor:
Un inversor es un circuito lógico que tiene una sola entrada y una sola salida.
La salida del inversor se encuentra en el estado lógico “1” si y solo si la entrada se
encuentra en el estado lógico “0”. Esto significa que la salida toma el estado lógico
opuesto al de la entrada.
1.1.2.Compuerta lógica AND :
Las puertas lógicas AND (o Y en castellano) son circuitos de varias entradas y una
sola salida, caracterizadas porque necesitan disponer de un nivel 1 en todas las
primeras para que también la salida adopte ese nivel.
Basta con que una o varias entradas estén en el nivel 0 para que la salida suministre
también dicho nivel. Todas las unidades AND o derivadas del AND, deben tener señal
simultanea en todas sus entradas para disponer de señal de salida
Observando el funcionamiento de la unidad AND se comprende fácilmente que las
entradas pueden ser aumentadas indefinidamente. Las compuertas AND pueden tener
más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si cualquier entrada es 1.
1.1.3.Compuerta lógica NAND:
La función NO-Y, llamada mas comúnmente NAND es la negación de la función Y
(AND) precedente. Así como en una puerta Y se necesita que exista nivel 1 en todas
las entradas para obtener el mismo nivel en la salida, en una NAND el nivel de la
salida seria 0 en las mismas condiciones. Por el contrario, cuando hay un nivel 0 en
alguna de las entradas de una puerta Y la salida esta a nivel 0, mientras que en
iguales circunstancias en una puerta NAND el nivel de salida seria 1. Una designación
más adecuada habría sido AND invertido puesto que Es la función AND la que se ha
invertido
1.1.4.Compuerta lógica OR :
La función reunión, también llamada O, al traducir su nombre ingles OR, es la que solo
necesita que exista una de sus entradas a nivel 1 para que la salida obtenga este
mismo nivel. La expresión algebraica de esta función, suponiendo que disponga de
dos entradas, es la siguiente : s = a + b. Es suficiente que tenga señal en cualquiera
de sus entradas para que de señal de salida (OR). Las compuertas OR pueden tener
más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier entrada es 1.
1.1.5.Compuerta lógica NOR :
La función NOR consiste en la negación de la O, o sea, asi como esta suministra nivel
1 a su salida si cualquiera de las entradas que posee esta a nivel 1, una puerta NOR
se comporta justamente al revés. En la función NOR es suficiente aplicarle una
cualquiera de sus entradas para que niegue su salida. la NOR pueden tener más de
dos entradas, y la salida es siempre el complemento de las funciones AND u OR,
respectivamente.
1.1.6.Compuerta lógica EX – OR :
La función O exclusiva (“exclusive OR” según el idioma ingles) se caracteriza porque
su salida esta a nivel 1 siempre y cuando también lo estén un numero impar de sus
entradas.
Para conseguir la función O exclusiva de 3 entradas pueden usarse funciones O
exclusiva de dos entradas para acoplarse entre si.
1.1.7.Compuerta lógica EX – AND :
La función Y exclusiva (exclusive AND en ingles) se emplea para verificar
comparaciones entre sus entradas. En efecto su salida presenta nivel 1 cuando sus
entradas se encuentran en el mismo nivel, sin importar que dicho nivel sea 1 o 0
1.1.8.Compuerta lógica EX – NOR
Es la función negada de la compuerta EX – OR y es el contrario de la EX – OR, su
salida presenta nivel 1 cuando sus entradas se encuentran en el mismo nivel, sin
importar que dicho nivel sea 1 o 0, al igual que las EX – AND
1.1.9.Compuerta lógica EX – NAND :
Es la función negada de la compuerta EX – AND y es el contrario de la EX – AND,
Para conseguir la función O exclusiva de 3 entradas pueden usarse funciones O
exclusiva de dos entradas para acoplarse entre si.
1.4.ESPECIFICACIÓNES DE COMPUERTAS:
Nombre
Símbolo Gráfico
AND
Función
Algebraica
F=XY
OR
F=X+Y
INVERSOR
F = X’
NAND
F = (X Y)’
NOR
F = (X + Y)’
XOR
F = X’ Y + X
Y’
XNOR
F = X Y + X’
Y’
Tabla de
Verdad
XYF
000
010
100
111
XYF
000
011
101
111
XF
01
10
XYF
001
011
101
110
XYF
001
010
100
110
XYF
000
011
101
110
XYF
001
010
100
111
Usos:
Los principales usos de los circuitos electrónicos digitales son el control, el procesado,
la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica.
Estos dos usos implican la creación o la detección de campos electromagnéticos y
corrientes eléctricas.
Los circuitos digitales manipulan y almacenan la información
Generalmente, el propósito de un sistema digital es manipular información, esta
información pueden ser, números o letras en una computadora, imágenes en la
pantalla en juego de vídeo, ondas sonoras en un reproductor de CD, el control de
válvulas y motores en una lavadora de ropa, o casi cualquier otra tarea. Dentro del
sistema toda esta información está como señales digitales. Esto es, consiste en bits, o
lo que es lo mismo, "ceros" y "unos".
Para operar, un sistema digital primero toma información del exterior. Esta función se
llama entrada, como en el caso de una persona poniendo información en una
computadora o calculadora mediante el presionado de teclas.
Una vez traducida esta entrada a señales digitales, el sistema la usa para crear cierta
nueva información llamada datos procesados. Estos datos procesados son la base
que le permite al sistema tomar decisiones, como en el caso de cuándo una máquina
lavadora debe abrir o cerrar las válvulas de llenado del tambor, encender y apagar el
motor de agitación etc.
Para ayudar a tomar decisiones, la mayoría de los sistemas digitales almacenan cierta
cantidad de información para entonces usarla después. Esta función se llama
memoria. En la memoria la información se guarda como 0 y 1 tal y como si se
escribiera en un trozo de papel para no olvidarla, y se localiza en lugares específicos
para luego tomarla de ahí.
Finalmente el sistema hace uso del resultado de sus decisiones para hacer una
operación en el exterior. Esta función se llama salida y en general se traduce a una
señal utilizable por algún dispositivo externo. Como por ejemplo, escribir caracteres o
construir imágenes en la pantalla de un monitor.
En realidad casi cualquier cosa que pueda llamarse sistema hace uso de esas cuatro
funciones: entrada, decisiones, memoria y salida. El propio cuerpo humano lo hace,
por ejemplo; los ojos ven algo (entrada), el cerebro lo procesa y memoriza, y los
músculos finalmente ejecutan la acción (salida).
Clasificación De Los Circuitos Integrados
Existen dos clasificaciones fundamentales de circuitos integrados(CI): los análogos y
los digitales; los de operación fija y los programables; en este caso nos encargaremos
de los circuitos integrados digitales de operación fija. Estos circuitos integrales
funcionan con base en la lógica digital o álgebra de Boole, donde cada operación de
esta lógica, es representada en electrónica digital por una compuerta.
La complejidad de un CI puede medirse por el número de puertas lógicas que
contiene. Los métodos de fabricación actuales de fabricación permiten construir Cis
cuya complejidad está en el rango de una a 105 o más puertas por pastilla.
Según esto los Cis se clasifican en los siguientes niveles o escalas de integración :
SSI ( pequeña escala ) : menor de 10 puertas.
MSI ( media escala ) : entre 10 y 100 puertas.
LSI ( alta escala ) : entre 100 y 10.000 puertas.
VLSI ( muy alta escala ) : a partir de 10.000 puertas.
La capacidad de integración depende fundamentalmente de dos factores :
El ÁREA ocupada por cada puerta, que depende a su vez del tipo y del número de
transistores utilizados para realizarla. Cuanto menor sea esta área mayor será la
capacidad de integración a gran escala.
El CONSUMO de potencia. En un circuito integrado se realizan muchas puertas en un
espacio reducido. El consumo total del chip es igual al consumo de cada puerta por el
número de puertas. Si el consumo de cada puerta es elevado se generará mucho calor
en el chip debido al efecto Joule, de forma que si este calor no es disipado
convenientemente se producirá un aumento de temperatura que puede provocar un
funcionamiento anómalo de los circuitos.
Aquí un ejemplo de funcionamiento de un circuito digital
Circuitos integrados digitales TTL
¿Cómo funciona un circuito integrado TTL?
1 - Si E1 o E2 están a un nivel de voltaje de 0 voltios, entonces el transistor conduce, y
Z = 0 Voltios
2 - Si E1 y E2 están a un nivel de voltaje de 5 voltios, entonces el transistor no
conduce, y Z = 5 Voltios
El inversor quedaría como se muestra en la figura de la izquierda. A la derecha
ejemplo del patillaje de un circuito integrado TTL
La serie de circuitos integrados TTL es la base de la tecnología digital. Siendo la
compuerta NAND el circuitos base de la serie 74 XX
Es importante tomar en cuenta que para su funcionamiento, la carga de entrada.
- Con la señal de entrada en nivel bajo (LOW = 0), la entrada de la compuerta entrega
corriente a la fuente de señal de aproximadamente 10 mA (miliamperio)
- Con la señal de entrada en nivel alto (HIGH = 1), la entrada de la compuerta pide a la
fuente de la señal de entrada una corriente de aproximadamente de uA
(microamperios)
- La entrada no conectada actúa como una señal de nivel alto (HIGH)
La carga mayor ocurre cuando la señal de entrada es de nivel bajo (LOW). En este
momento el transistor de salida tiene que aguantar mayor corriente.
Generalmente los transistores de esta serie aguantan hasta 100 mA (miliamperios).
Entonces solo se pueden conectar 10 entradas en paralelo (FAN IN = 10)
Notas:
- Las señales de entrada nunca deben de ser mayores que el voltaje de alimentación
ni inferiores al nivel de tierra.
- Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel alto, conectarla a Vcc (voltaje de
alimentación).
- Si alguna entrada debe estar siempre en un nivel bajo, conectarla a tierra
- Si hay entradas no utilizadas, en compuertas NAND, OR, AND, conectarlas a una
entrada que si se esté utilizando.
- Es mejor que las salidas no utilizadas de un compuertas estén a nivel alto pues así
consumen menos corriente.
- Evitar los cables largos dentro de los circuitos.
- Utilizar por lo menos un capacitor de desacople (0.01 uF a 0.1 uF) por cada 5 o 10
paquetes de compuertas, uno por cada 2 a 5 contadores y registros y uno por cada
monostable.
Estos capacitores de desacople eliminan los picos de voltaje de la fuente de
alimentación que aparecen cuando hay un cambio de estado en una salida TTL / LS.
(de alto a bajo y viceversa)
Estos capacitores deben tener terminales lo más cortos posible y conectarse entre Vcc
y tierra, lo mas cerca posible al circuito integrado.