Compuertas lógicas
Compuertas
Lógicas
Circuito básico
Mario Medina C.
[email protected]
n≥1 entradas binarias
1 o más salidas binarias
Implementa una función lógica de las entradas
Dispositivos físicos que representan las
operaciones binarias estudiadas
Eléctricos
Hidráulicos
Mecánicos
Ejemplos de sumadores
binarios
Tubos al vacío
Hecho en cartón
Compuertas lógicas
Hecho en madera
Usuario ve la compuerta como caja negra
Hecho con Legos
Ejemplo: sumador LEGO
Hecho en metal
Sólo importa su comportamiento de salida
No necesita conocer funcionamiento interno
Conocer las condiciones de operación
Toda expresión booleana puede
implementarse físicamente mediante la
interconexión de puertas lógicas
La representación de los elementos
interconectados se conoce como esquemático.
Compuertas lógicas
Puerta lógica AND
Puertas lógicas básicas
AND: intersección o producto lógico
OR: unión o suma lógica
NOT: complemento o inversión
NAND y NOR: basadas en las anteriores
XOR: OR exclusivo
NEXOR: equivalencia o NOT XOR
Buffers: acopladores
© 2014 Mario Medina C.
f = A*B
Símbolos más usados
Simbología militar o distintiva
Simbología rectangular o europea
1
Puerta lógica OR
Puertas AND de más entradas
La compuerta anterior puede extenderse
a más variables
f = A*B*C*D
f=A+B
Diferencia conceptual y funcional entre
producto lógico (AND) y suma lógica (OR), y
sus pares aritméticos, ^ y v.
7
Puerta lógica NOT
Puerta lógica NAND
f = A’
f = (A*B)’ = A’ + B’
Triángulo + burbuja
AND con salida negada
Triángulo: función acopladora (buffer)
Burbuja: función de inversión o
complementación
OR con entradas negadas
Otras notaciones
A|B (Sheffer Stroke)
AB (Sheffer Stroke)
Henry M. Sheffer
(1882 – 1964)
Puerta lógica NAND
NAND es más común que AND
Más fácil de fabricar
Eléctricamente más conveniente
NAND es conjunto funcionalmente completo
Es posible construir otras compuertas lógicas
utilizando solamente compuertas NAND
Puerta lógica NOR
f = (A + B)’ = A’*B’
OR con salida negada
AND con entradas negadas
Otras notaciones
AB (Peirce Arrow)
A†B (Quine Dagger)
Charles S. Peirce
(1839 – 1914)
© 2014 Mario Medina C.
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Puerta lógica XOR
f = A⊕B = A’B + AB’
Salida es 1 si las entradas son diferentes
Operador de desigualdad
Salida es 1 si paridad es impar
XOR de 2 entradas es común
Puerta lógica NEXOR
Salida es 1 si las entradas son iguales
Operador de equivalencia
Llamado también XNOR, NXOR
Salida es 1 si paridad es par
Posible XOR de 3 o más entradas, pero es raro
Puerta buffer
f = A≡B = AB + A’B’
f=A
Conjuntos funcionalmente
completos
Conjunto funcionalmente completo
Salida es igual a la entrada
Compuerta mejora características eléctricas
de la señal
Aumenta la corriente
Mejora las transiciones 0→1 y 1→0
Operadores pueden implementar cualquier
función de conmutación
Conjunto {AND, OR y NOT} es
funcionalmente completo
Pero, AND es OR con entradas y salida negadas
Y, OR es AND con entradas y salida negadas
Entonces, conjunto {OR, NOT} es completo
También lo es {AND, NOT}
Conjuntos funcionalmente
completos
Conjuntos funcionalmente
completos
NOR con ambas entradas unidas es un NOT
NAND con ambas entradas unidas es NOT
Las funciones {NAND} y {NOR} son, cada
una, conjuntos funcionalmente completos
Toda función de conmutación puede
implementarse usando sólo compuertas NAND
ó compuertas NOR
© 2014 Mario Medina C.
Importancia de conjuntos funcionalmente
completos y equivalencias entre funciones
No disponibilidad de uno o varios tipos de
puertas lógicas
X ó X’ disponibles,pero no ambas
Requerimientos eléctricos específicos
Costos de implementación
Menor número de puertas generalmente no
implica simplicidad de implementación
3
Equivalencias entre puertas
AND + NOT
OR + NOT
Lógica positiva y negativa
NOR
NAND
AND
En la práctica, compuertas lógicas no
funcionan con 0s y 1s
Manuales de fabricantes especifican niveles
lógicos de voltajes H y L
Lógica positiva asume que H = 1 y L = 0
Lógica negativa asume que H = 0 y L = 1
Interpretación de H y L asigna funciones
lógicas diferentes al mismo circuito
OR
NAND
NOR
Lógica positiva y negativa
Lógica positiva y negativa
Fabricantes expresan el comportamiento
físico real
El usuario interpreta las señales
El equivalente en lógica negativa de una
función en lógica positiva es el dual de la
función
Las definiciones de puertas (AND, OR, etc) se
refieren siempre a lógica positiva para
entradas y salidas.
Datos Fabricante
Lógica Positiva
Lógica Negativa
A
B
f
A
B
f
A
B
f
L
L
L
0
0
0
1
1
1
L
H
L
0
1
0
1
0
1
H
L
L
1
0
0
0
1
1
H
H
H
1
1
1
0
0
0
Lógica positiva y negativa
Para evitar confusiones, use solo lógica
positiva o negativa en el diseño
Puede haber lógicas mezcladas
Esto no siempre es posible
Una salida activa alta puede conectarse a una
entrada activa baja
Una señal activa alta (baja) indica que la
acción esperada se produce cuando el voltaje
es alto (bajo)
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Ejemplo: apertura de una
válvula
Válvula se abre sólo si se cumplen A y B
A: petición de llenado
B: estanque vacío
C: apertura de válvula
A
(activa alta)
B
(activa
alta)
Lógica Positiva
C
(activa alta)
A
(activa baja)
C
(activa baja)
B
(activa baja)
Lógica Negativa
4
Ejemplo: apertura de una
válvula
Puede resultar confuso interpretar el tipo de
lógica con que se diseña un esquemático.
Ejemplo: apertura de una
válvula
Esquema anterior cumple con lo requerido
Convenciones
Todas las puertas usan lógica positiva
Marcar explícitamente señales activas bajas
Burbuja en la entrada o salida correspondiente
A
(activa baja)
C
(activa baja)
Complicado de entender por ops. de inversión
Convención
hacer corresponder las entradas activas bajas de una
A puerta, con salidas activas bajas (bubble matching)
(activa baja)
C
A
(activa baja)
(activa baja)
C
B
(activa baja)
(activa
baja)
B
(activa baja)
Notaciones alternativas
B
(activa baja)
Bubble
mismatch
Circuitos integrados
Conjunto de resistencias, diodos y
transistores fabricados en una sola pieza de
material semiconductor (generalmente
silicio) llamada sustrato (die)
El chip se encuentra dentro de un
receptáculo plástico o cerámico que tiene
pines para la interconexión
Ejemplos de circuitos
integrados
DIPs, SOICs y PLCCs
Dual Inline Package (DIP)
Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC)
Encapsulados típicos de SSI y
MSI
Componentes DIP
Componentes SOIC
(Dual In-line Package) (Small Outline Inline
Package)
0.335 – 0.334 in.
14 13 12 11 10
0.740 – 0.770 in.
14 13 12 11 10 9
0.250 0.010 in.
1
2
3
4
5
6
8
6
7
0.228 – 0.244 in.
7
1
Pin no.1
identifiers
9
8
2
3
4
5
Lead no.1
identifier
14
1
14
1
© 2014 Mario Medina C.
5
Encapsulados típicos de LSI
Clasificación de complejidad
de circuitos integrados
Circuitos integrados digitales
Conjunto de puertas logicas fabricadas sobre
una misma base semiconductora
Han tenido un desarrollo sostenido tendiente a:
Reducir el tamaño físico
Reducir el retardo
Reducir el consumo de potencia
Incluir funciones más complejas
Reducir los costos de fabricación
Clasificación de CI por escala
de integración
Chips SSI y MSI vistos en clases se usan
como interfaz para CI más complejos
Complejidad
Compuertas por chip
Small Scale Integration (SSI)
100 a 9999
Very Large Scale Integration (VLSI)
10000 a 99999
Ultra Large Scale Integration (ULSI)
100000 a 999999
1000000 o más
Familia TTL (TransistorTransistor Logic)
Utilizan transistores bipolares (PNP - NPN)
Familia más popular de circuitos integrados
Todos los chips de esta serie comienzan con este
número (7400, 7402, 7438, etc)
Subfamilias derivadas incorporan nuevas tecnologías
Idéntica configuración de pines y operación lógica
Diferencias están en características eléctricas
(potencia, velocidad, etc)
C. I. de la familia TTL usan 0V y 5V (Vcc) como
estados lógicos 0 y 1
© 2014 Mario Medina C.
Wafer de silicio de 5”
con cientos de
pequeñas “IC dies”
12 a 99
Large Scale Integration (LSI)
menos de 12
Medium Scale Integration (MSI)
Giga Scale Integration (GSI)
Fabricación de circuitos
integrados
Familia TTL
Chip ID.
Función
7400
Quad 2 input NAND
7408
Quad 2 input AND
7432
Quad 2 input OR
7486
Quad 2 input XOR
7410
Triple 3 input NAND
7411
Triple 3 input AND
7427
Triple 3 input NOR
7420
Dual 4 input NAND
7421
Dual 4 input AND
7404
Hex Not
7430
8-input NAND
6
Configuraciones de IC típicos
VCC
VCC
14 13 12 11 10 9
1
2
3
4
5
6
'00
8
7
GND
VCC
2
3
4
5
6
'10
8
7
GND
VCC
2
3
4
5
6
' 02
7
GND
1
2
3
4
5
'27
6
8
7
GND
2
3
4
5
6
'11
1
2
3
4
5
9
8
6
7
GND
'04
8
7
GND
1
2
3
4
'30
5
6
8
7
GND
2
3
4
5
9
6
'20
1
2
3
4
5
6
'08
8
7
GND
8
7
GND
1
2
3
4
2
3
4
'32
5
9
6
8
7
GND
5
6
'21
14 13 12 11 10 9
1
2
3
4
Tecnología Schottky: alta frecuencia de
conmutación y uso eficiente de la potencia
Serie TTL
14 13 12 11 10 9
8
7
GND
VCC
14 13 12 11 10
1
14 13 12 11 10 9
VCC
14 13 12 11 10
VCC
14 13 12 11 10 9
1
VCC
14 13 12 11 10
VCC
14 13 12 11 10 9
VCC
14 13 12 11 10 9
1
1
8
VCC
14 13 12 11 10 9
1
VCC
14 13 12 11 10 9
Familias TTL
5
'86
6
8
7
GND
7404
Baja potencia
74L
74L04
Alta velocidad
74F
74F04
Schottky
74S
74S04
Schottky baja potencia
74LS
74LS04
Schottky avanzada
74AS
74AS04
Schottky avanzada de baja potencia
74ALS
74ALS04
Bajo voltaje (3.3V)
74LV
74LV04
Familias CMOS
Posteriores a tecnología TTL
Menor consumo de potencia
Usan VDD en rango 4V a 15V como 1 lógico
Familia 4000: alternativa independiente a TTL
Familia 74C: funcionalidad compatible con TTL
74C04 es lógicamente igual a 7404
Familia 74CT: Voltajes compatibles con TTL
Retardos en puertas lógicas
Serie CMOS
Estándar CMOS
Prefijo
Ejemplo
74C
74C04
High-Speed CMOS
74HC
74HC04
Very High-Speed CMOS
74VHC
74VHC04
Fast CMOS
High-Speed TTL Compatible
Advanced CMOS
74FC
74FC04
74HCT
74HCT04
74AC
74AC04
Advanced High-Speed CMOS
74AHC
74AHC04
Bajo voltaje (3.3V, 5V)
74LVX
74LVX04
Retardos de las compuertas
Salida depende sólo de la combinación de las
entradas al circuito
Considerar comportamiento dinámico
Cómo varía la salida en función del tiempo
La mayoría son eléctricamente compatibles
con TTL
Hemos considerado sólo el comportamiento
estático de los circuitos combinacionales
Ejemplo
74
Familias CMOS
Prefijo
Estándar
Propagación de señales por los cables no es instantánea
Distintas puertas lógicas presentan retardos diferentes
Señales en un circuito viajan por múltiples caminos
con retardos diferentes
Puede producir pulsos espurios en la salida (glitches)
© 2014 Mario Medina C.
7
Comportamiento dinámico de
un pulso lógico
Retardos en puertas TTL
Retardos 1→0 (1) y 0→1 (2) suelen ser
distintos
Especificados por el fabricante
Máximo
Componente TTL
7400
74H00
74L00
74LS00
74S00
74LS02
74LS86A
tpHL
15
10
60
15
5
15
22
© 2014 Mario Medina C.
Típico
tpLH
22
10
60
15
4.5
15
30
tpHL
7
6.2
31
10
3
10
13
tpLH
11
5.9
35
9
3
10
20
8