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COMPUERTAS LOGICAS

Compuertas Lógicas.

Una compuerta lógica es un dispositivo digital que realiza las operaciones básicas de suma, producto, y complementación.- Una compuerta puede tener ¨n¨ variables de entrada y una sola salida en función de las variables de entrada. 

Compuerta Or (O)

Esta compuerta realiza la operación suma lógica.- Su expresión lógica booleana, es: 

                                            f = A + B

La operación OR produce un resultado "1", cuando cualquiera de las variables de entrada es 1, y produce un 0, sólo cuando todas las variables de entrada son cero.- La figura 1.1 muestra su tabla de verdad y simbología. 

Figura 1.1 Símbolo y tabla de verdad de la compuerta Or

A nivel de circuitos integrados tenemos de 2, 3, y 4 entradas en las familias TTL y CMOS .- La 74LS32 y 4071B son compuertas OR cuádruples de dos entradas, la 4075B es una compuerta OR triple de tres entradas, y la 4072B es una compuerta OR dual de cuatro entradas.- 

En la figura 1.2 se muestra la figura del IC 74LS32 

Figura 1.2  Pin out y distribución de la compuerta Or

Utilizando el simulador digital y el simulador Circuit-Maker comprueba la tabla de verdad como se muestra en la fig-1-3

Figura 1.3 Comprobación de la Logica de la compuerta Or.

En el siguiente video se observa como funciona una compuerta OR explicado desde un simulador digital, veamos.

CIRCUITOS INTEGRADOS

2.1         Circuitos Integrados ( IC, CHIPS)

Los circuitos integrados son la base fundamental del desarrollo de la electrónica en la actualidad, debido a la tendencia a facilitar y economizar las tareas del hombre.- Un circuito integrado es una cápsula que generalmente es de silicio o de algún otro material semiconductor, que utilizando propiedades de los semiconductores, es capaz de hacer las funciones lógicas por la unión en un circuito, de varios elementos electrónicos, como: resistencias, condensadores, transistores, etc

2.1.1            Clasificación de los Circuitos Integrados.

          Existen dos clasificaciones de los circuitos integrados : los Análogos y los Digitales; los de operación fija y los programables; es este caso haremos referencia de los circuitos integrados de operación fija .- Estos circuitos integrados funcionan en base a la lógica digital o Álgebra de Boole (AdB), donde cada operación de esta lógica , es representada en electrónica digital por una compuerta.- La complejidad de in IC puede medirse por el número de compuertas lógicas que contiene.- Los métodos de fabricación actuales permiten construir ICs cuya complejidad está en el rango de una a 105 o más compuertas por pastilla.- Según esto los ICs se clasifican en los siguientes niveles o escalas de integración:

Aunque los modernos componentes electrónicos digitales son el resultado de años de desarrollo y evolución, no hay un conjunto ideal de circuitos que satisfaga todos los requerimientos.- Por lo tanto existen varias familias lógicas, cada una de las cuales ofrece ventajas particulares.- La velocidad, consumo de potencia y densidad de componentes son cuestiones a tomar en cuenta.

La primer familia lógica fue la RTL(lógica resistor-transistor).- De estas primera celdas se derivó la lógica TTL(lógica transisitor-transistor) cuya principal característica es el empleo de transistores BJT con múltiples emisores.

         

La utilización de MOSFET, permite mayores densidades de componentes y mucho menor consumo de potencia.- Originalmente se fabricaron PMOS, pero la mejora en los procesos de fabricación condujo a los NMOS por presentar mayor velocidad.- Las configuraciones MOS de simetría complementaria CMOS, que emplean ambos tipos de dispositivos (PMOS y NMOS) se han situado a la cabeza de las tecnologías digitales en la actualidad.

PARÁMETROS LÓGICOS

1.1         Introducción a la técnica digital.

         La Electrónica Digital se puede decir que es la rama de la electrónica más moderna y que evoluciona más rápidamente, contando cada vez con mayor número de aplicaciones.- En ella se basan, por ejemplo las computadoras, calculadoras, teléfonos celulares, automatismo de control industrial, etc.

         Hoy en día difícilmente nos encontramos con aparatos electrónicos en los cuales no intervengan las técnicas digitales.- Hasta en los aparatos más típicos de electrónica lineal ( o analógica ), como son por ejemplo, los televisores y equipos de sonido, intervienen en gran parte las técnicas digitales.- Algunos aparatos, sin la electrónica digital ni siquiera existirían; es el caso de los teléfonos celulares de hoy en día.

         En cuanto al control industrial, sin las técnicas digitales electrónicas todavía nos encontraríamos en la era de los equipos con reles, y no contaríamos con: autómatas programables, robótica, control numérico, computadoras, etc. Todos estos equipos están basados en un componente denominado microprocesador que no es más que un sistema digital programable integrado en un solo chip; es decir, un circuito integrado digital ¨IC¨.

          El  tratamiento  de  la  información  en  electrónica  se  puede  realizar  de  dos  formas, mediante técnicas analógicas o mediante técnicas digitales. El tratamiento analógico requiere un  análisis  detallado  de  las  señales,  ya  que  éstas  pueden  pasar  por  infinidad  de  valores, mientras que, el concepto digital de las señales las limita a niveles o valores (el cero y el uno lógicos).

           La electrónica digital analiza y estudia los criterios para procesar estos niveles de forma que  permitan  el  diseño  de  sistemas  electrónicos  que  sustituyan  o  complementen  a  los analógicos.

   

1.2         Sistemas Analógicos y Digitales.

    El hombre desarrolla una gran cantidad de sistemas para interaccionar con el medio que   le   rodea.   Estos   sistemas   generalmente   perciben   magnitudes   físicas,   tales   como temperatura, humedad, posición, intensidad de luz, tiempo, etc. y generan un cambio en ellas.

Muchos de estos sistemas emplean circuitos electrónicos porque resulta muy sencillo representar   magnitudes   físicas   mediante   señales   eléctricas   y,   además,   estas   señales eléctricas  son  fáciles  de  procesar  mediante  circuitos  electrónicos  económicos  y  fiables,  se pueden transmitir a largas distancias y almacenarse para reproducirlas más tarde.

Los sistemas electrónicos se clasifican en analógicos y digitales:

1.  Los primeros trabajan con señales analógicas, que son señales continuas.

2.     Los  sistemas  digitales  son  aquellos  que  trabajan  con  señales  digitales,  que  son señales discretas.

    Señales  continuas  son  aquellas  que  pueden  tomar  un  número  infinito  de  valores  y cambian  interrumpidamente  sin  escalonamientos  ni  discontinuidades.  La  mayoría  de magnitudes   físicas   de   la   naturaleza   varían   de   forma   continua.   Por   ejemplo,   la temperatura  (ver  figura  1-1) no varía de 20ºC a 25ºC de forma instantánea, sino que alcanza los infinitos valores que hay en ese rango.

Señales   discretas   son   aquellas   que   no   cambian   de   forma   uniforme,   presentan discontinuidades (varían bruscamente de un instante a otro) y sólo pueden adquirir un número finito de valores.

En algunos casos interesa representar las magnitudes analógicas de forma digital. Si simplemente  medimos  la  temperatura  cada  hora,  obtenemos  muestras  que  representan  la temperatura a lo largo de intervalos de tiempo (cada hora). De esta forma, se ha convertido la magnitud continua en una magnitud discreta, que se puede digitalizar, representando cada

valor  muestreado  mediante  un  código  digital.  La  figura  1-2  representa  el  resultado   de muestrear la evolución de la temperatura cada hora.

La  electrónica  digital  emplea  sistemas  binarios,  en  los  que  sólo  existen  dos  estados posibles, un nivel de tensión alto HI, llamado ‘1’ ( a veces 5V, verdadero, interruptor cerrado) y un nivel de tensión bajo LO, llamado ‘0’ (a veces 0V, falso, interruptor abierto) (ver figura 1-3).

En los sistemas digitales la combinación de estos dos estados se denomina código y se utiliza para representar números e información en general.- Un dígito se denomina bit. La información binaria que manejan los sistemas digitales aparece en forma de señales que representan secuencias de bits.

1.3         Ventajas e inconvenientes de las técnicas digitales frente a las analógicas.

Existe una creciente dependencia de las técnicas digitales más que de las analógicas debido a que presentan:

1)   Facilidad para transmitir, procesar y almacenar información, y de forma más fiable y eficiente.

2)   Mayor exactitud y precisión. La representación de una magnitud analógica que puede tomar  un  número  infinito  de  valores,  mediante  una  digital  que  puede  tomar  sólo  un número finito, supone siempre una aproximación. Sin embargo el proceso de medición siempre representa una aproximación, por lo que si se realiza la aproximación digital con la definición suficiente (empleando un número alto de dígitos de precisión), las señales digitales  obtenidas  no  deben  reducir  la  precisión  de  la  medición.  En  los  sistemas analógicos  la  precisión  está  limitada,  a  tres  o  cuatro dígitos, ya que los valores de los voltajes y corrientes dependen de los componentes del circuito.

3)   Los sistemas digitales son más fáciles de diseñar. Esto se debe a que los circuitos empleados son circuitos de conmutación, donde no son importantes los valores exactos de corriente y voltaje, sino el rango donde se encuentran (ALTO o BAJO).

4)   Mayor  estabilidad.  Se  ven  menos  afectados  por  ruidos,  mientras  que  los  sistemas analógicos varían con la temperatura, por la tolerancia de los componentes, etc.

5)   Flexibilidad. El comportamiento de un circuito digital se puede reprogramar fácilmente.

Como  inconveniente  cabe  destacar,  que  dado  que las variables reales (temperatura, presión,  humedad,  etc.)  son  de  carácter  continuo  y  por  tanto  analógico,  para  realizar  el procesamiento digital es necesario incorporar al sistema convertidores   analógicos-digitales (A/D) y/o digitales-analógicos (D/A) que encarecen el coste del sistema.

En  la  figura  1-4  se  observa  un  ejemplo  de  Procesamiento  de  Señal  en  el  que  se utilizan ambas técnicas (analógicas y digitales). La señal analógica será una representación de la magnitud física objeto de procesamiento (en la figura 1-4, temperatura) y la señal digital será una aproximación de esta señal analógica.

1.4       Clasificación de los Circuitos Digitales.

Los circuitos digitales según su funcionamiento los podemos dividir en combinacionales y secuenciales (ver figura 1-5):

1.   Los sistemas combinacionales son aquellos en los cuales la salida sólo depende de la combinación  de las entradas (se estudiarán en la unidad 2).

2.   En los sistemas secuenciales la salida depende no sólo de la combinación de las entradas   sino   también   del   estado   anterior.   Son   sistemas   con   memoria   (se estudiarán en la unidad 3).

1.4          Lógica Binaria.

La lógica binaria trata con variables que toman dos valores discretos y con operaciones que asumen un significado lógico.- Los dos valores que las variables asumen pueden llamarse de diferentes maneras:

1 lógico	0 lógico
VERDADERO	FALSO
ALTO (HIGH)	BAJO (LOW)
SI	NO
Interruptor cerrado	Interruptor Abierto

Para nuestro propósito conviene pensar en términos de bits y asignar los valores de 1 y 0.- La lógica binaria se usa para describir de una manera matemática el procesamiento y manipuleo de la información binaria.- Se acomoda muy bien para el análisis y diseño de los sistemas digitales.- Los circuitos digitales de la fig.1-5, que realizan la aritmética binaria, son circuitos cuyo comportamiento se expresa más convenientemente en términos de variables binarias y operaciones lógicas.- la lógica binaria que se introduce en el análisis de sistemas digitales es un tipo de álgebra llamada álgebra de Boole.

          La lógica binaria consiste en variables y operaciones y operaciones lógicas.- Las variables se identifican mediante las letras del alfabeto tales como A, B, C, D, w, x, y, z etc. y cada variable tendrá dos y solo dos valores posibles: 1 y 0.- Hay tres operaciones básicas: AND(*), OR(+), y NOT( ¯ ).

·    Operación Producto (AND): Esta operación se representa por un punto o por la ausencia de un operador.- Por ejemplo:           A*B=C, AB=C, A AND B=C, A y B=C, implican que C=1 si y sólo si A=1 y B=1, de otra forma C=0.

·         Operación Suma (OR): Esta operación se representa por un signo más.- Por ejemplo: A+B=C, A OR B=C, A o B=C, implican que C=1 si A=1 ó B=1,  C=0 si A=0 y B=0.    

                                             

·         Operación de Complemento (NOT): Esta operación se representa por un apóstrofe o una barra.- Por ejemplo: À = C , Ā = C , implica que si A=0 entonces C=1, pero si A=1 entonces C=0.

          Existe un valor de C especificado por la definición de la operación lógica, por cada combinación de valores A y B.- Estas definiciones pueden listarse en una forma compacta usando tablas de verdad.- Una tabla de verdad es una tabla de todas las combinaciones posibles de las variables que muestra la relación entre los valores que las variables pueden tomar(variables de entrada) y el resultado de la operación (variable de salida).- Las tablas de verdad se listan en la tabla 1-8

                     

1.5         Señales Binarias y Circuitos de Conmutación.

El uso de las variables binarias y la aplicación a la lógica binaria se demuestra por los circuitos sencillos de conmutación de la fig.1-6.- Supongamos que los interruptores A y B representan dos variables binarias de entrada, con valores iguales a 0 cuando el interruptor esta abierto e igual a 1 cuando el interruptor este cerrado.- Simultáneamente asúmase que la lámpara L es la variable de salida y será igual a 1 cuando la lámpara este encendida e igual a 0 cuando esta apagada.

1.6          Señales Binarias y Circuitos de Conmutación.

El uso de las variables binarias y la aplicación a la lógica binaria se demuestra por los circuitos sencillos de conmutación de la fig.1-6.- Supongamos que los interruptores A y B representan dos variables binarias de entrada, con valores iguales a 0 cuando el interruptor esta abierto e igual a 1 cuando el interruptor este cerrado.- Simultáneamente asúmase que la lámpara L es la variable de salida y será igual a 1 cuando la lámpara este encendida e igual a 0 cuando esta apagada.

En vez de cambiar manualmente el interruptor el circuito de interrupción electrónico usa señales binarias para controlar el estado de conducción o no conducción del elemento activo.- Las señales eléctricas tales como voltajes o corrientes existen por todo el sistema digital en cualquiera de los dos valores reconocibles.- 

Los circuitos operados por voltaje responden a dos niveles separados los cuales representan una variable binaria igual a la lógica 1 como una señal de valor de 2.4 voltios en adelante  y la lógica 0 como una señal de voltaje de 0 a 0.4 voltios.- Como se muestra en la fig.1-7 cada nivel de voltaje tiene una desviación aceptable de la nominal.- La región intermedia entre las regiones permitidas se cruza solamente durante las transiciones de estado.- Los terminales de entrada de los circuitos digitales aceptan señales binarias dentro de las tolerancias permisibles y responden en el terminal de salida con señales binarias que caen dentro de las tolerancias específicas.

El siguiente video muestra las bases de un sistema digital y sus aplicaciones.