CIRCUITOSDIGITALES

COMPUERTAS LOGICAS

Una compuerta logica es un dispositivo que nos permite obtener resultados, dependiendo de los valores de las señales que le ingresemos. Es necesario aclarar entonces que las compuertas lógicas se comunican entre sí (incluidos los microprocesadores), usando el sistema BINARIO. Este consta de solo 2 indicadores 0 y 1 llamados BIT dado que en electrónica solo hay 2 valores equivalentes 0=0volt 1=5volt (conectado-desconectado). Es decir que cuando conectamos una compuerta a el negativo equivale a introducir un cero (0) y por el contrario si derivamos la entrada a 5v le estamos enviando un uno (1). Ahora para comprender como se comporta cada compuerta se debe ver su TABLA DE VERDAD. Esta nos muestra todas las combinaciones lógicas posibles y su resultado.

COMPUERTA BUFFER

La compuerta BUFFER es la más basica de todas, simplemente toma el valor que se le entrega y lo deja pasar tal cual. Esto sirve para ajustar y aislar niveles lógicos ya que no se pueden conectar infinita cantidad de compuertas a una misma señal, ya que el voltaje del nivel 1 empieza a decaer y el sistema falla.

Tabla de verdad A X 0 0 1 1

COMPUERTA NOT

La compuerta NOT es un tanto parecida al buffer salvo por que invierte el valor que se le entrega. También tiene la utilidad de ajustar niveles pero tomando en cuenta que invierte la señal.

Tabla de verdad A X 0 1 1 0

COMPUERTA AND

La compuerta AND hace la función de multiplicación lógica. Es decir toma los valores que le aplicamos a sus entradas y los multiplica.

Tabla de verdad AND A B X 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

COMPUERTA NAND

La compuerta NAND también hace la función de multiplicación, pero entrega el valor negado. Esto es muy util, dado que si estubieramos usando una AND normal tendriamos que usar otro chip con un NOT para negar el resultado.

Tabla de verdad NAND A B X 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

COMPUERTA OR

La compuerta OR realiza la función de suma lógica. Cuando se le aplica un uno a cualquiera de sus entradas el resultado de salida será uno, independiente del valor de la otra entrada. Excepto cuando las dos entradas esten en 0 la salida será 0.

Tabla de verdad OR A B X 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

COMPUERTA NOR

La compuerta NOR realiza la función de suma, pero entrega el resultado invertido, ahorrandonos un NOT. Su salida será 1 solo si las dos entradas son 0.

Tabla de verdad NOR A B X 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

COMPUERTA X-OR

Esta compuerta XOR (or-exclusiva) se comporta de una manera especial. Su caracteristica especial es que el resultado de salida será 1 si las dos entradas son distintas, sean 0-1 ó 1-0.

Tabla de verdad X-OR A B X 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

COMPUERTA X-NOR

Esta compuerta XNOR o Nor exclusiva, también se comporta de una manera especial. Su caracteristica es que el resultado de salida será 1 si las dos entradas son del mismo valor, sean 0-0 ó 1-1.

Tabla de verdad X-NOR A B X 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1

CIRCUITOS
COMPUERTAS

COMP LOGICAS
ALGEBRA BOOLEANA
APLICACION

SIMULADOR LOGICO

SIMULACION 2

LABORATORIO VIRTUAL

SIMULADOR LABORATORIO

DESCARGAR SIMULADOR

ALGEBRA BOOLEANA

MAPAS DE KARNAUGH
     
 simulador   kmap12

TEOREMA DE MORGAN



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LA FAMILIA DE LOS TTL
La familia lógica TTL es quizás la más antigua y común 
de todas las familias lógicas de circuitos integrados 
digitales. La mayor parte de los chips SSI y MSI se 
fabrican utilizando tecnología TTL.
Los circuitos integrados TTL implementan su lógica 
interna, exclusivamente, a base de transistores NPN y 
PNP, diodos y resistencias.
La primera serie de dispositivos digitalesTTL fue 
lanzada por Texas Instruments en 1964. Los chipsTTL
se usan en toda clase de aplicaciones digitales, desde 
el más sencillo computador personal hasta el más 
sofisticado robot industrial. Los circuitos TTL son 
rápidos, versátiles y muy económicos.
La familia TTL esta disponible en dos versiones: la 
serie 54 y la serie 74. La primera se destina a las 
aplicaciones militares y la segunda  a aplicaciones 
industriales y de propósito general. Los dispositivos de 
la serie 54 tienen rangos de operación de temperatura 
y voltaje más flexible (desde -55 hasta 125ºC contra 0 
a 70ºC de la serie 74).
La familia TTL., o bipolar se divide en las siguientes
Categorías o subfamilias básicas:
TTL STANDART
TTL SHOTTKY (S)
TTL DE BAJA POTENCIA (L)
TTL SHOTTKY DE BAJA POTENCIA (LS)
TTL DE ALTA VELOCIDAD (H)
TTL SHOTTKYAVAVNZAD (AS)
TTL SHOTTKY DE BAJA POTENCIAAVANZADA(ALS)
Otra familia bipolar muy popular es la ECL (Lógica de 
emisor acoplado). Los dispositivos de esta familia se 
caracterizan por su rapidez, pero consumen mucha 
potencia, son costosos y su manufactura es 
relativamente compleja. Su uso se limita a aplicaciones 
de muy alta velocidad.

TTL estandard
Estándar La familia estándar comprende 
principalmente los dispositivos que se designan como 
74xx (7400, 7447, etc.). 74xxx (74123, 74193, etc.), 
8xxx (8370, 8552, etc.) Y 96xx (9601, 9615, etc.), 
Trataremos con preferencia la 1º series 74xx y 74xxx 
que son las más utilizadas en los circuitos modernos.
Existe una gran cantidad de funciones lógicas que se 
realizan con esta tecnología. Entre las principales
tenemos: compuertas, decodificadores, contadores, flip
flop, sumadores, multiplexores y muchas otras que 
estudiaremos mas adelante.
Características de los circuitos integrados
TTL
Las características que más se notan de los circuitos 
integrados de la familia TTL, estándar son, los 
siguientes:
Alta velocidad de operación. Pueden trabajar con 
frecuencias de 18 a 20 Mhz y en algunas veces hasta
80 Mhz. La velocidadoperación se expresa casi 
siempre en términos del tiempo o retardo de 
propagación del CI.
El tiempo o retardo de propagación de un circuito 
digital es el tiempo que toma un cambio lógico en la 
entrada en propagarse a través del dispositivo y 
producir un cambio lógico en la salida.
Los tiempos de propagación en TTL normalmente del 
orden de 2 a 30 nanosegundos por compuerta.
Alta disipación de potencia. Es una desventaja
asociada con la alta velocidad de operación. En 
general, cuanto más rápido sea un circuito, más 
potencia consume y viceversa. La mayoría de los 
circuitosTTL disipan típicamente, de 1 a 25 milivatios 
por compuerta.
Tensión de alimentación nominal de +5V. Los circuitos 
TTL en general pueden operar con tensiones de CC 
entre 4.75 y 5.25 V pero el valor nominal de la tensión 
de trabajo es +5 V. Por esta razón, los aparatos que 
incluyen circuitos integrados TTL se deben alimentar
con una fuente regulada de 5 voltios.
Niveles de voltaje de 0 a 0.08 V para el estado bajo y 
de 2.4 a 5.0 V para el estado alto. En general, los 
circuitosTTL interpretan cualquier voltaje entre 0 y 
0.8V como un cero (0) lógico o bajo y cualquier voltaje
entre 2.4 y 5V como un (1) lógico o alto.
El máximo voltaje positivo que puede aplicarse a una 
entradaTTL es +5.5V y el máxino negativo es -0.5V.Al
excederse estos parametros, los dispositivos TTL
generalmente se destruyen.

Abanicos de entrada (fan-in) y de salida (fan-
out)
La familia TTL utiliza a dos parámetros para determinar 
cuántos dispositivos TTL se pueden conectar entre sí. 
Estos parámetros se denominan abanico de entrada 
(fan-out).

TTL (Transistor- Transistor Logic) o "Lógica Transistor a Transistor".

Es una familia lógica o lo que es lo mismo, una tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales. En los componentes fabricados con tecnología TTL los elementos de entrada y salida del dispositivo son transistores bipolares.

CARACTERISTICAS

• Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75v y los 5,25V (como se ve un rango muy estrecho).
• Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,2V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto).
• La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc. y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de los 250 MHz.
• Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de circuitos adicionales de transmisión (no pueden viajar más de 2 m por cable sin graves pérdidas).

Los circuitos de tecnología TTL se prefijan normalmente con el número 74 (54 en las series militares e industriales). A continuación un código de una o varias cifras que representa la familia y posteriormente uno de 2 a 4 con el modelo del circuito.

La compuerta TTL fue una mejora introducida a la compuerta DTL. Los parámetros más importantes de las compuertas TTL son el retardo de propagación (ns), la disipación de potencia (mW), y el producto velocidad -potencia (pJ). El producto velocidad-potencia indica un retardo en la propagación con una disipación de potencia determinada.

Con respecto a las familias cabe distinguir:

• TTL : Serie estándar
• TTL-L (low power) : Serie de bajo consumo
• TTL-S (schottky) : Serie rápida (usa diodos Schottky)
• TTL-AS (advanced shottky) : Versión mejorada de la serie anterior
• TTL-LS (low power shottky) : Combinación de las tecnologías L y S (es la familia más extendida)
• TTL-ALS (advanced low power shottky) : Versión mejorada de la serie AS
• TTL-F (FAST : fairchild advanced schottky)
• TTL-AF (advanced FAST) : Versión mejorada de la serie F
• TTL-HC (high speed C-MOS) : Realmente no se trata de tecnología TTL bipolar sino CMOS.
• TTL-HCT (high speed C-MOS) : Serie HC dotada de niveles lógicos compatibles con TTL
• TTL-G (GHz C-MOS) : GHz ( From Potato Semi)

TTL estandar

El circuito funciona con una alimentación única de + 5V, ± 5 % y es compatible con todos los circuitos de otras subfamilias TTL, así como también con la familia lógica DTL. Tiene un retraso típico de 10 ns, temperatura de trabajo de 0ºC a 70ºC, fan-out de 10, margen de ruido en estado 0 y en 1 de 400 mV, una potencia de disipación de 10 mW or puerta y una frecuencia maxima para los flip-flop de 35 MHz. Corresponde a la serie SN 54174 de Texas, conocida y utilizada mundialmente.

TTL de baja potencia " LPTTL, serie 54174 L)

Tiene un retraso de propagación típico de 33 ns, una potencia de consumo por puerta de 1 mW y una frecuencia máxima de 3 MHz de funcionamiento para los flip-flop. Su empleo se especializa en aplicaciones de bajo consumo y mínima disipación.

TTL de alta velocidad (HTTL, Serie SN 54 H174 H)

Los parámetros típicos de esta subfamilia son: retraso en la propagación por puerta de 6 ns, consumo de 22 mW por puerta y frecuencia operativa máxima de flip-flop de 50 MHz.

TTL Schottky" (STTL, Serie SN 54 S/74/S)

El circuito TTI, Schottky ha sido uno de los más recientes desarrollos y constituye el más rápido de las subfamilias TTL, aproximándose su velocidad a la familia lógica ECL. Se caracterizan por su rapidez, ya que no almacenan cargas y porque son muy sencillos de fabricar.

El circuito es similar al TTL de alta velocidad, pero la base de cada transistor está conectada al colector a través de un diodo de Schottky. El diodo actúa como desviador de] exceso de corriente de base cuando el transistor se activa, y guarda una carga almacenada, evitando la saturación de los transistores. La ausencia de-una carga almacenada reduce el tiempo del cambio del transistor y aumenta la velocidad del circuito. La subfamilia Schottky tiene una propagación típica de 3 ns, un consumo de 19 mW y una frecuencia máxima de flip-flop de 125 MHz.

TTL Schottky de baja potencia- (LSTTL, Serie 54 LS174 LS)

El circuito TTL Schottky de baja potencia es el Uiás reciente de la familia TTL y con él se ha intentado llegar a un compromiso entre la velocidad y la potencia consumida..

Tiene una propagación típica de 10 ns (igual que la TTL estándar) y un consumo por puerta de sólo 2 mW, con una frecuencia máxima de flip-flop de 35 MHz.


-TECNOGIA TTL

La tecnología TTL se caracteriza por tener tres etapas, siendo la primera la que le nombre:

• Etapa de entrada por emisor. Se utiliza un transistor multiemisor en lugar de la matriz de diodos de DTL.

• Separador de fase. Es un transistor conectado en emisor común que produce en su colector y emisor señales en contrafase.

• Driver. Está formada por varios transistores, separados en dos grupos. El primero va conectado al emisor del separador de fase y drenan la corriente para producir el nivel bajo a la salida. El segundo grupo va conectado al colector del divisor de fase y produce el nivel alto.

Esta configuración general varía ligeramente entre dispositivos de cada familia, principalmente la etapa de salida, que depende de si son búferes o no y si son de colector abierto, tres estados (ThreeState), etc. Mayores variaciones se encuentran entre las distintas familias: 74N, 74L y 74H difieren principalmente en el valor de las resistencias de polarización, pero la mayoría de los 74LS (y no 74S) carecen del transistor multiemisor característico de TTL. En su lugar llevan una matriz de diodos Schottky (como DTL). Esto les permite aceptar un margen más amplio de tensiones de entrada, hasta 15V en algunos dispositivos, para facilitar su interface con CMOS. También es bastante común, en circuitos conectados a buses, colocar un transistor pnp a la entrada de cada línea, para disminuir la corriente de entrada y así la cargar menos el bus. Existen dispositivos de interfase que integran impedancias de adaptación al bus para disminuir la reflexión u aumentar la velocidad.

Aplicaciones

Además de los circuitos LSI y MSI descritos aquí, las tecnologías LS y S también se han empleado en:

• Microprocesadores, como el 8X300, de Signetics, la familia 2900 de AMD y otros.

• Memorias RAM

• Memorias PROM

• PAL, Programmable Array Logic, consistente en una PROM que interconecta las entradas y cierto número de puertas lógicas.

2. Familias Lógicas

Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales puedenalbergar puertas lógicas o circuitos lógicos más complejos.

Estos componentes están estandarizados, para que haya una compatibilidadentre fabricantes, de forma que las características más importantes seancomunes. De forma global los componentes lógicos se engloban dentro de una delas dos familias siguientes:

TTL: diseñada para una alta velocidad.

CMOS: diseñada para un bajo consumo.

Actualmente dentro de estas dos familias se han creado otras, que intentanconseguir lo mejor de ambas: un bajo consumo y una alta velocidad.

La familia lógica ECL se encuentra a caballo entre la TTL y la CMOS. Estafamilia nació como un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumode CMOS, pero en raras ocasiones se emplea.

Cuadro Comparativo De Las Familias

PARAMETRO	TTL estándar	TTL 74L	TTL Schottky de baja potencia (LS)	Fairchild 4000B CMOS (con Vcc=5V)	Fairchild 4000B CMOS (con Vcc=10V)
Tiempo de propagación de puerta	10 ns	33 ns	5 ns	40 ns	20 ns
Frecuencia máxima de funcionamiento	35 MHz	3 MHz	45 MHz	8 MHz	16 MHz
Potencia disipada por puerta	10 mW	1 mW	2 mW	10 nW	10 nW
Margen de ruido admisible	1 V	1 V	0'8 V	2 V	4 V
Fan out	10	10	20	50 (*)	50 (*)

(*) O lo que permita el tiempo de propagación admisible

Dentro de la familia TTL encontramos las siguiente sub-familias:

1. L: Low power = dsipación de potencia muy baja
2. LS: Low power Schottky = disipación y tiempo de propagación pequeño.
3. S: Schottky = disipación normal y tiempo de propagación pequeño.
4. AS: Advanced Schottky = disipación normal y tiempo de propagación extremadamente pequeño.

Tension De Alimentacion

CMOS: 5 a 15 V (dependiendo de la tensión tendremos un tiempo de propagación).

TTL : 5 V.

• ► CMOS
  
  - Tecnología de transistor a transistor
  - El 0 (cero) lógico es de 0 V a 1.5 V
  - El margen de seguridad es de 1.5 V a 3.5 V
  - El 1 (uno) lógico es de 3.5 V a 5 V
  -
  
  ► TTL
  
  - tecnología metal óxido semiconductor
  - El 0 (cero) lógico es de 0 V a 0.8 V
  - El margen de seguridad es de 0.8 V a 2 V
  - El 1 (uno) lógico es de 2 V a 5 V

Parámetros de puerta

Las puertas lógicas no son dispositivos ideales, por lo que vamos a tener unaserie de limitaciones impuestas por el propio diseño interno de losdispositivos lógicos. Internamente la familia TTL emplea transistores bipolares(de aquí su alto consumo), mientras que la familia CMOS emplea transistores MOS(a lo que debe su bajo consumo).

1. Margen Del Cero
   Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un cero lógico:
   
   
   VIL máx: tensión máxima que se admite como cero lógico.
   VIL mín: tensión mínima que se admite como cero lógico.
2. Margen Del Uno
   Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un uno lógico:
   
   
   VIH máx: tensión máxima que se admite como uno lógico.
   VIH mín: tensión mínima que se admite como uno lógico.
3. Margen De Transicion
   Se corresponde con el rango de tensiones en que la entrada es indeterminada y puede ser tomada como un uno o un cero. Esta zona no debe ser empleada nunca, ya que la puerta se comporta de forma incorrecta.
   MT = VIH mín - VIL máx
4. Amplitud Logica
   Debido a que dos puertas de la misma familia no suelen tener las mismas características debemos emplear los valores extremos que tengamos, utilizando el valor de VIL máx más bajo y el valor de VIH mín más alto.
   
   
   AL máx: VH máx - VL mín
   AL mín : VH mín - VL máx
5. Ruido
   El ruido es el elemento más común que puede hacer que nuestro circuito no funcione habiendo sido diseñado perfectamente. El ruido puede ser inherente al propio circuito (como consecuencia de proximidad entre pistas o capacidades internas) o también como consecuencia de ruido exterior (el propio de un ambiente industrial).
   Si trabajamos muy cerca de los límites impuestos por VIH y VIL puede que el ruido impida el correcto funcionamiento del circuito. Por ello debemos trabajar teniendo en cuenta un margen de ruido:
   
   
   VMH (margen de ruido a nivel alto) = VOH mín - VIH mín
   VML (margen de ruido a nivel bajo) = VIL máx - VOL máx
   
   
   VOH y VOL son los niveles de tensión del uno y el cero respectivamente para la salida de la puerta lógica.
   Supongamos que trabajamos a un nivel bajo de VOL = 0'4 V con VIL máx = 0'8 V. En estas condiciones tendremos un margen de ruido para nivel bajo de: VML = 0'8 - 0'4 = 0'4 V
6. Fan Out
   Es el máximo número de puertas que podemos excitar sin salirnos de los márgenes garantizados por el fabricante. Nos asegura que en la entrada de las puertas excitadas:
   
   
   VOH es mayor que VOH mín
   VOL es menor que VOL mín
   
   
   Para el caso en que el FAN OUT sea diferente a nivel bajo y a nivel alto, escogeremos el FAN OUT más bajo para nuestros diseños.
   Si además nos encontramos con que el fabricante no nos proporciona el FAN OUT podemos calcularlo como:
   FAN OUT = IOL máx / IIL máx
   Donde IOL e IIL son las corrientes de salida y entrada mínimas de puerta.
7. Potencia Disipada
   Es la media de potencia disipada a nivel alto y bajo. Se traduce en la potencia media que la puerta va a consumir.
8. Tiempos De Propagacion
   Definimos como tiempo de propagación el tiempo transcurrido desde que la señal de entrada pasa por un determinado valor hasta que la salida reacciona a dicho valor.
   vamos a tener dos tiempos de propagación:
   
   
   Tphl = tiempo de paso de nivel alto a bajo.
   Tplh = tiempo de paso de nivel bajo a alto.
   
   
   Como norma se suele emplear el tiempo medio de propagación, que se calcula como:
   Tpd = (Tphl Tplh)/2
9. Frecuencia Maxima De Funcionamiento

Se define como:

Fmáx = 1 / (4 * Tpd)

Familias Lógicas Del Ti

• ABT
  Advanced BiCMOS Technology (Tecnología Avanzada De BiCMOS
  
  
  3. Características Importantes
  TTL
  La familia TTL usa transistores del tipo bipolar por lo que está dentro de lasfamilias lógicas bipolares.
  Las familias TTL estándar.-
  Texas Instruments (1964) introdujo la primera línea estándar de productoscircuitales TTL. La serie 5400/7400 ha sido una de las familias lógicas deCircuitos Integrados más usadas.
  La diferencia entre las versiones 5400 y 7400 es que la primera es de usomilitar, operable sobre rangos mayores de temperatura (de –55 a 125ºC) ysuministro de alimentación (cuya variación en el suministro de voltaje va de4,5 a 5,5 V). La serie 7400 opera sobre el rango de temperatura 0 – 70ºC ycon una tensión de alimentación de 4,75 a 5,75 V. Ambas tienen un fan-out típicode 10, por lo que pueden manejar otras 10 entradas.
  TTL de baja potencia, serie 74L00:
  Tienen menor consumo de energía, al costo de mayores retardos en propagación,esta serie es ideal para aplicaciones en las cuales la disipación de potenciaes más crítica que la velocidad. Circuitos de baja frecuencia operados porbatería tales como calculadoras son apropiados para la serie TTL.
  TTL de alta velocidad, serie 74H00:
  Poseen una velocidad de conmutación mucho más rápida con un retardo promediode propagación de 6ns. Pero la velocidad aumentada se logra a expensas de unadisipación mayor de potencia.
  TTL Schotty, serie 74S00:
  Tiene la mayor velocidad disponible en la línea TTL.
  Otras propiedades de los TTL son:
  -En cualquier Circuito Integrado TTL, todas las entradas son 1 a menos que esténconectadas con alguna señal lógica.
  -No todas las entradas en un Circuito Integrado TTL se usan en una aplicaciónparticular.
  -Se presentan situaciones en que una entrada TTL debe mantenerse normalmenteBAJA y luego hecha pasar a ALTA por la actuación de un suiche mecánico.
  -Las señales de entrada que manejan circuitos TTL deben tener transicionesrelativamente rápidas para una operación confiable. Si los tiempos de subida ode caída son mayores que 1 µs, hay posibilidad de ocurrencia de oscilacionesen la
  salida.
  CMOS
  Acrónimo de Complementary Metal Oxide Semiconductor (SemiconductorComplementario de Óxido Metálico).
  Utilizados por lo general para fabricar memoria RAM y aplicaciones de conmutación,estos dispositivos se caracterizan por una alta velocidad de acceso y un bajoconsumo de electricidad. Pueden resultar dañados fácilmente por laelectricidad estática.
  La lógica CMOS ha emprendido un crecimiento constante en el área MSI,mayormente a expensas de TTL, con la cual es de directa competencia.
  El proceso de fabricación del CMOS es más simple que TTL y tiene una densidadde empaque mayor, permitiendo por consiguiente más circuitería en un áreadada y reduciendo el costo por función.
  CMOS usa sólo una fracción de la potencia que se necesita para la serie TTL debaja potencia (74L00) y es así apropiada idealmente para aplicaciones que usanpotencia de batería o potencia con batería de respaldo. La velocidad deoperación de CMOS no es comparable aún con las series TTL más rápidas, perose espera mejorar en este respecto.
  La serie 4000A es la línea más usada de Circuitos Integrados digitales CMOS.Contiene algunas funciones disponibles en la serie TTL 7400 y está en expansiónconstante. Algunas características más importantes de esta familia lógicason:
  -La disipación de potencia de estado estático de los circuitos lógicos CMOSes muy baja.
  -Los niveles lógicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lógico y V_DD para1 lógico. El suministro V_DD puede estar en el rango 3 V a 15 Vpara la serie 4000A, por lo que la regulación de la fuente no es unaconsideración seria para CMOS. Cuando se usa CMOS con TTL, el voltaje de lafuente se hace 5 V, siendo los niveles de voltaje de las dos familias losmismos.
  -La velocidad de conmutación de la familia CMOS 4000A varía con el voltaje dela fuente.
  -Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algún nivel de voltaje,preferiblemente tierra o V_DD. Entradas no usadas no pueden dejarseflotado (desconectadas), porque estas entradas serían susceptibles al ruido.Estas entradas no usadas pueden también ser conectadas a una de las entradasusadas, siempre y cuando no se exceda el fan-out de la fuente de señal. Esto esaltamente improbable debido al alto fan-out del CMOS.
  Diferencias mas importantes:
  
  

  • Los voltajes de alimentación son de 5V para los circuitos TTL y de 3 V a 15 V para los circuitos CMOS.
  • En la fabricación de los circuitos integrados se usan transistores bipolares par el TTL y transistores MOSFET para La tecnología CMOS.
  • El circuito integrado CMOS es de menor consumo de energía pero de menor velocidad que los TTL.

  FUNCIONES LÓGICAS BÁSICAS ( I I )

  
  

  
  

  Existe una excepción importante a la prohibición de conectar directamente a un mismo punto las salidas de dos o más bloques lógicos, y ello ocurre cuando se están utilizando circuitos integrados capaces de implementar algo que se conoce como la lógica alambrada (wired logic), también conocida como la lógica de colector abierto (open collector logic), lo cual tiene que ver con el hecho de que tales circuitos, construídos a base de transistores bipolares (un transistor bipolar básico tiene tres terminales, la base, el emisor y el colector), utilizan la terminal denominada "colector" del transistor bipolar en modo "abierto" (sin conexión previa) para llevar a cabo esta función, estando por ello diseñados para conectarse a un mismo punto al cual además hay que agregar una resistencia conectada al polo positivo del voltaje de la fuente de poder, como se muestra en el siguiente esquema en el que se han conectado las salidas de dos bloques NOT:
  
  

  

  
  Por regla general, al utilizarse la lógica alambrada ó "lógica de colector abierto", en el punto de unión se lleva a cabo la función AND; esta es la razón por la cual en el dibujo anterior se bosquejó un AND alrededor del punto de unión de las salidas de los NOTs. Si ponemos un "0" a la entrada de ambos NOTs, la salida de los dos será "1", y por la acción del AND en el punto de juntura la salida Y del circuito tendrá un valor de "1". Si cualquiera de las entradas A ó B a los NOTs es de "1", el cual será invertido a "0", entonces por la acción AND sobre la salida de ambos la salida común Y tendrá un valor de "0". Y si ambas entradas son "1", entonces la salida Y será "0". Tenemos entonces un circuito en el cual la salida será "1" únicamente cuando ambas entradas son "0", lo cual es en efecto la acción de un circuito NOR. El símbolo A·B puesto en el dibujo para representar el valor lógico de la salida Y representa esta acción AND en la simbología del álgebra Boleana, cuya discusión será postpuesta y aclarada en el siguiente capítulo.
  
  No cualquier familia de circuitos lógicos integrados puede conectarse de esta manera. Obsérvese que dentro de los bloques NOTs se dibujó el símbolo de un pequeño diamante con una barra horizontal puesta debajo del mismo. Este es el símbolo utilizado para indicar en los diagramas esquemáticos que se están usando componentes trabajando bajo lógica alambrada, lo cual está especificado por la convención técnica IEEE/ANSI-1984 que indica que cualquier componente cuya salida pueda ser alambrada a otro componente bajo lógica alambrada deberá destacarse dibujando dentro del bloque lógico cerca de la salida del mismo el símbolo del diamante con la barra horizontal puesta debajo del diamante:
  
  

  

  
  Como muestra de esta simbología, a continuación tenemos dos ANDs de colector abierto, de tres entradas cada uno, con sus salidas conectadas directamente dándonos el equivalente de un AND de seis entradas en total:
  
  

  

  
  Para el ejemplo que vimos en donde conectamos directamente las salidas de dos inversores lógicos NOT, posiblemente utilizaríamos como NOTs con lógica de colector abierto los que proporciona un circuito integrado como el 7405, el cual incluye seis inversores NOT y cuya relación de terminales "pins" es la que se muestra a continuación:
  
  

  

  
  A continuación se muestran las salidas de tres NOTs de este circuito integrado conectadas al mismo punto bajo el esquema del "colector abierto":
  
  

  

  
  Algunos otros circuitos integrados cuyo funcionamiento se basa en la "lógica del colector abierto" son el 7403 (el cual proporciona compuertas NAND empleando la misma relación de terminales "pins" que el circuito integrado 7400 que no es de "colector abierto"), el 7409 (el cual proporciona compuertas AND con la misma relación de terminales "pins" que el 7408) y el 7433 (el cual consiste de bloques NOR y tiene la misma relación de terminales "pins" que el 7402).
  
  Para poder llevar a cabo experimentos con circuitos lógicos básicos que hayamos diseñado o cuyo comportamiento queramos verificar, tenemos dos alternativas. La primera es construír algún prototipo experimental usando circuitos integrados que se puedan procurar en el mercado. En el mercado han aparecido (y siguen apareciendo) muchos "kits" de bajo costo para facilitarle la labor a los experimentadores. A continuación se muestra uno de los primeros en aparecer en los años setenta gracias al abaratamiento de los circuitos electrónicos integrados, el Digital Logic Microlab, el cual fue vendido por Southwest Technical Products y el cual fue popularizado por algún tiempo por la revista Popular Electronics:
  
  
  
  

  

  
  
  El simulador lógico arriba mostrado implementa su electrónica con una tecnología ya obsoleta que los ingenieros llaman RTL (Resistor Transistor Logic), la cual terminó siendo desplazada por otra tecnología mucho más veloz, llamada TTL (Transistor Transistor Logic). La tecnología RTL usada por este simulador no implementa directamente ninguna de las funciones lógicas básicas aquí estudiadas, ya que su bloque fundamental es el bloque NOR. Si nos fijamos bien en la parte media del simulador, hay cuatro bloques NOR, los cuales son obtenidos de un circuito integrado, el circuito integrado básico de la familia RTL, el 4001. Obsérvese que el NOR es representado en el simulador con un símbolo triangular y "la burbuja de negación lógica" puesta en la punta del símbolo triangular, de acuerdo con lo que se acostumbraba en aquellos días. Si tuviéramos uno de esos simuladores a la mano y lo viéramos en su interior, encontraríamos que los cuatro bloques NOR accesibles para interconexión mediante los postes en la carátula provienen de un circuito integrado que tiene el siguiente aspecto:
  
  
  

  

  
  
  Una inspección al diagrama esquemático de este circuito integrado nos muestra en su relación de terminales que efectivamente tiene cuatro bloques NOR en su interior:
  
  

  

  
  
  A continuación tenemos otro "laboratorio" casero cuyo propósito es ir introduciendo a las nuevas generaciones de técnicos e ingenieros al mundo de la lógica digital, en el cual podemos ver algunas de las funciones lógicas cubiertas dentro de este capítulo así como otras funciones lógicas un poco más elaboradas cuyo estudio se dejará para capítulos posteriores:
  
  
  

  

  
  
  Gracias a la potencia de las computadoras de escritorio, existe una alternativa mucho más económica y mucho más rápida para "construír" un prototipo utilizando varias combinaciones de circuitos lógicos, y esta consiste en usar un simulador de "software", o sea un programa corriendo en la computadora que permita tomar los símbolos lógicos convencionales de un catálogo para irlos "conectando" en el monitor de la computadora. Lo que aquí se hace es llevar a cabo una simulación de un experimento virtual en donde no hay un solo alambre a la vista, todo se lleva a cabo esquemáticamente desde el teclado. Uno de tales simuladores es el simulador lógico Digital Works, el cual tiene un costo aproximado de ochenta dólares:
  
  

  

  
  Existen también simuladores gratuitos de alta potencia que pueden ser descargados gratuitamente de Internet. Uno de ellos es el simulador lógico Logisim, desarrollado en 2002 por Carl Burch, el cual puede correr en cualquier computadora casera que tenga implementada la plataforma Java (hoy la gran mayoría la tiene, y las que no la tienen la pueden obtener también gratuitamente de Internet):
  
  
  

  

  
  
  El simulador lógico Logisim se puede descargar gratuitamente del siguiente enlace:
  
  http://ozark.hendrix.edu/~burch/logisim/index_es.html
  
  Otro programa gratuito es el Digital Simulator, desarrollado en 1996 por Iwan van Rienen, , el cual no es un programa ejecutable en el estricto sentido de la palabra, sino que se trata de un applet de la plataforma Java, la cual tiene que ser instalada en la computadora antes de que el Digital Simulator pueda correr. La carpeta fuente conteniendo todos lo necesario para correr el simulador se puede descargar gratuitamente como un archivo comprimido ZIP generalmente titulado DigSim.zip, el cual al ser descomprimido en una carpeta no muestra archivo ejecutable alguno desde donde se pueda "lanzar" el Digital Simulator, ya que lo único que aparecen son las famosas "clases" con las que opera Java. De cualquier modo, suponiendo que la computadora tenga ya instalada la plataforma Java, se puede pulsar rápidamente con el "mouse" de la computadora sobre cualquiera de los archivos que terminen con extensión ".html". Esto hará que se invoque el navegador que tenga instalado la computadora (por ejemplo, Internet Explorer), y al ser invocado el navegador la plataforma Java será invocada por el contenido mismo del archivo ".html" seleccionado, tras lo cual deberá aparecer una ventana como la siguiente (en este caso, se ha escogido la ventana que aparece al pulsar un archivo titulado "sim_and.html", la cual muestra la acción de la función AND con dos interruptores conectados en serie, y la acción del bloque lógico AND):
  
  

  

  
  Una vez que aparece la ventana, es asunto fácil ir seleccionando desde la línea del menú los componentes que queramos ir agregando a un circuito nuevo que queramos "construír" después de haber borrado todo seleccionando desde el menú la opción "File -> New". En la opción titulada "Passive" podemos seleccionar alambres conectores (Wire), un punto de conexión de dos alambres que se cruzan (Junction) para unirlos eléctricamente, el polo positivo de la fuente de poder Vcc (equivalente a nuestro "1" lógico) que aparecerá en el extremo superior izquierdo de la ventana de trabajo, el polo negativo o "tierra" eléctrica (equivalente a nuestro "0" lógico) que también aparecerá en el extremo superior izquierdo, un interruptor (Switch) y un interruptor de botón (Push button) los cuales se pueden "arrastrar" hacia al interior de la ventana manteniendo oprimido el "mouse" de la computadora. En la opción titulada "Ports" podemos seleccionar una de varias compuertas lógicas que también irán apareciendo en el extremo superior izquierdo de la ventana, ya sea un NOT (Inverter), un AND, un OR, o cualquiera de otros bloques. En "bi-stable" podemos seleccionar componentes secuenciales que serán tratados posteriormente en este libro. En la opción "Display" podemos seleccionar diodos emisores de luz LED para poder obtener confirmación visual "lumínica" sobre la presencia de un "0" o de un "1", y en la opción "Special" podemos seleccionar otros componentes más sofisticados tales como un generador de "pulsos" (Oscilator) e inclusive una "punta de prueba lógica" para medir en algún punto de un circuito y saber si tenemos un "0" ó un "1". La acción del simulador puede ser puesta en marcha presionando el "botón" con un relámpago amarillo dibujado dentro del mismo. Y si antes de construír un circuito lógico por cuenta propia el usuario no está seguro de cómo trabaja esta ventana "applet" de Java, puede seleccionar alguno de varios ejemplos incluídos en el paquete con la opción de la línea del menú "File -> Open example". Una cosa que no puede hacer el programa es guardar en la computadora archivos de circuitos diseñados, debido a las medidas de seguridad implementadas por Java.
  
  El Digital Simulator desarrollado por Iwan van Rienen fue actualizado posteriormente con algunas mejoras llevadas a cabo por Deborah E. Lynch y Phil White, y rebautizado con el nombre de Digital WorkShop. En una de sus versiones más comunes, el archivo DigiSim.zip -en el cual esta puesto el Digital Workshop- al ser desempacado produce varias carpetas y un archivo ejecutable, el archivo Java Digisim.jar. Para echar a andar el Digital Workshop, basta con pulsar con el mouse el ícono que representa al archivo Digisim.jar, con lo cual el usuario puede comenzar a "ensamblar" de inmediato circuitos lógicos de todo tipo. Una cosa que descubrirá el usuario es que el Digital Workshop, a diferencia del Digital Simulator, no requiere activar el navegador de la computadora para poder funcionar, puede andar por sí solo (esta es precisamente una de las ventajas de los archivos ejecutables con extensión ".jar"). Puesto que el modo de funcionamiento del Digital Workshop es casi idéntico al modo de funcionamiento del Digital Simulator que se acaba de describir, no será necesario repetir aquí los detalles.
  
  Aún otro programa que se puede descargar gratuitamente, el cual por cierto era algo costoso pero que hoy sus creadores han hecho accesible públicamente al mundo entero de manera gratuita a través de Internet, es el programa MultiMedia Logic, cuya interfaz visual presenta el siguiente aspecto:
  
  

  

  
  
  Este programa se puede descargar sin costo alguno de varios sitios como el siguiente:
  
  http://www.softronix.com/logic.html
  
  Otra opción extremadamente buena para "construír" circuitos lógicos (simulados) en el monitor de una computadora es la versión estudiantil del programa PSpice, la cual se puede descargar sin costo alguno de la siguiente dirección:
  
  http://www.electronics-lab.com/downloads/schematic/013/
  
  Este programa aún en su versión estudiantil es un programa tan completo y tan sofisticado que el archivo de descarga tiene un tamaño de 28 Megabytes, de modo que la descarga del mismo no es recomendable a través de una conexión Internet de baja velocidad.
  
  Además de los programas anteriormente mencionados que nos permiten diseñar y "construír" circuitos lógicos (simulados), existe otra alternativa inmediata para poder ver la acción de los circuitos lógicos "en vivo" de forma interactiva, como si se tuviese a la mano un tablero con los componentes físicos reales. A modo de ejemplo, se recomienda visitar el siguiente sitio en el cual el usuario puede "jugar" a través del "mouse" de la computadora con varias compuertas lógicas, "encendiendo" con "unos" o "apagando" con "ceros" las terminales de entrada, viendo de inmediato los efectos a la salida (o salidas) de los circuitos lógicos en los diodos emisores de luz (LED) simulados:
  
  http://www.dst-corp.com/James/LogicPrimer/Gates.html
  
  Los circuitos lógicos interactivos que aparecen en este último enlace fueron creados precisamente con el programa MultiMedia Logic ya mencionado.
  
  Otro sitio muy completo, mantenido por la Universidad de Hamburgo en Alemania, proporciona programas que le demuestran al visitante de una manera interactiva visual el comportamiento de los circuitos lógicos que acabamos de ver. En la siguiente dirección:
  
  http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades
  ______/webdemos/10-gates/00-gates/basic.html
  
  podemos "cambiar" las entradas de las compuertas lógicas y ver de inmediato cómo cambia la salida de las mismas.
  
  Aún otro sitio muy interesante de visitar, en el cual el usuario también se puede divertir "jugando" un buen rato con compuertas lógicas simuladas como las que exhibe el enlace anterior, es el siguiente sitio mantenido por el Profesor Constantinos E. Efstathiou, Director del Laboratorio de Química Analítica de la Universidad Nacional y Kapodristiana de Atenas:
  
  http://www.dst-corp.com/James/LogicPrimer/Gates.html
  
  En esta página del Profesor Efstathiou, los simuladores lógicos aparecen del lado derecho de la pantalla, en donde las opciones para simular las compuertas elementales que hemos visto son obtenidas del menú "Circuits" bajo las opciones "Gates 1" y "Gates 2" (hay otras opciones, las cuales serán tratadas en su debido momento en otros capítulos de este libro cuando el lector esté lo suficientemente familiarizado con el comportamiento de las tres funciones lógicas básicas).
  
  Los enlaces proporcionados seguían siendo válidos al momento de ser publicada esta obra en Internet a principios de 2008. Desafortunadamente, no existe enlace alguno en Internet cuya vida esté garantizada a largo plazo. De cualquier modo, en caso de que desaparezcan algunos de los enlaces arriba citados, siempre hay la posibilidad de que los programas anteriormente recomendados se puedan encontrar en otros sitios o inclusive de que se pueda encontrar programas mejores que los ya señalados. Todo es cuestión de utilizar una buena maquinaria de búsqueda como Google.
  
  Aunque no desempeña ninguna función lógica de ningún tipo, un componente que aparece con cierta frecuencia en el mundo de la lógica digital como indicador luminoso para proporcionar algún tipo de información visual al usuario es el diodo emisor de luz (light emitting diode ó LED):
  
  

  

  
  el cual no sólo es un diodo en el sentido técnico dado a la palabra (un componente en el cual la corriente eléctrica puede fluír únicamente en un sentido pero no en el sentido contrario) sino que además es capaz de emitir luz de cierto color cuando se le aplica un voltaje con la polaridad correcta (con la polaridad del voltaje invertida, el LED no conducirá corriente alguna ni emitirá luz alguna). El diodo LED generalmente se construye con una terminal más corta (denominada cátodo ó terminal -) que la otra (denominada ánodo ó terminal +). A continuación tenemos un LED junto con el símbolo con el cual se le representa en los diagramas esquemáticos:
  
  
  
  

  El diodo emisor de luz LED está disponible en varios colores, ya sea rojo, verde, azul, ó ambar como el que tenemos a continuación:
  
  

  

  
  El esquema más sencillo para "encender" un diodo emisor de luz LED con una batería común y corriente E es el siguiente, en el cual basta con aplicarle el voltaje de la batería poniendo atención en la polaridad apropiada:
  
  

  

  
  La resistencia R mostrada en el esquemático tiene como principal objetivo limitar la magnitud de la corriente eléctrica impidiendo que haya un corto circuito que dañaría al componente y al sistema, pero también tiene como objetivo fijar el valor de la corriente con la cual el LED podrá emitir su mayor brillo posible sin dañarse. Por no ser el diodo LED un diodo ideal sino un diodo real (el diodo ideal es aquél que al estar polarizado en un sentido actúa como un circuito abierto y al estar polarizado en el sentido inverso actúa como un circuito cerrado sin pérdidas de voltaje a través del mismo), cuando un diodo LED está conduciendo existe una pequeña caída de voltaje constante V_F (forward voltage) a través del mismo, la cual tiene que ser restada del voltaje de la batería E para determinar la magnitud de la corriente eléctrica que fluirá a través del mismo según la fórmula en el esquemático.
  
  Una gran ventaja de los diodos emisores de luz LED es que por la relativamente pequeña cantidad de corriente eléctrica que requiren para "encenderse" se pueden conectar directamente a la salida de un circuito lógico ya sea para indicar una salida de "0" ó una salida de "1". Hay dos formas en las cuales se puede llevar a cabo la conexión, indicadas en los siguientes dibujos:
  
  

  

  
  En el diagrama (1) de la izquierda, cuando la salida del NAND es "1" en realidad este componente estará poniendo un voltaje de algo así como unos +5 volts directamente a la entrada del diodo LED, y como el otro extremo del LED está conectado a través de la resistencia R al nivel de "0" ó "tierra eléctrica" (GND) estará polarizado justo en la forma correcta para "encender" indicando la presencia del "1" lógico a la salida del NAND. La resistencia R es utilizada para impedir un "corto-circuito" eléctrico y limitar la magnitud de la corriente justo a lo que requiere el diodo LED para poder encender adecuadamente. Y si la salida del NAND es "0" en realidad este componente no estará poniendo ningún voltaje a su salida que será de cero volts, con lo cual con ambos extremos del LED estará conectados a "tierra", con lo cual el LED estará apagado, indicando la presencia de un "0" lógico. En lo que respecta al diagrama (2) de la derecha, cuando la salida del NAND es "1" estará poniendo un voltaje de +5 volts en una terminal del LED, y como la otra terminal del LED también está conectada al mismo voltaje de +5 volts el LED no conducirá corriente eléctrica alguna permaneciendo apagado, ya que para poder "encender" el diodo LED tiene que tener su ánodo conectado a un "1" lógico y su cátodo conectado a un "0" lógico para que la corriente eléctrica pueda fluír en la dirección indicada por la flecha de su símbolo; no puede encender con ambas terminales conectadas a un "1" lógico. Por otro lado, cuando la salida del NAND es un "0" lógico, esto polariza al LED en la forma correcta y la corriente eléctrica puede fluír de "1" a "0" entrando por la terminal de salida del NAND. (No hay ninguna contradicción en que la terminal de salida del NAND actúe al mismo tiempo como una entrada de corriente eléctrica, ya que una cosa es el voltaje de cero volts puesto a la salida y otra cosa es la corriente eléctrica que le puede entrar a través de su terminal de salida; recuérdese siempre que los "ceros" y "unos" están definidos en función de la presencia o la ausencia de un voltaje.) La principal diferencia entre el circuito (1) de la izquierda y el circuito (2) de la derecha es que en el circuito de la izquierda el LED se enciende cuando la salida del NAND es "1" y se apaga cuando la salida del LED es "0", mientras que en el circuito de la derecha el LED se apaga cuando la salida del NAND es "1" y se enciende cuando la salida del NAND es "0".
  
  Posiblemente una de las aplicaciones más útiles que pueda tener un diodo emisor de luz LED para el técnico especializado en dar mantenimiento a sistemas digitales sea en la construcción de la herramienta fundamental utilizada por dichos técnicos: la punta de prueba lógica (logic probe), como la siguiente:
  
  
  

  

  
  
  Este tipo de puntas de prueba generalmente tienen dos diodos emisores de luz LED, uno para indicar una condición lógica de "0" (LOW ó LO) y el otro para indicar una condición lógica de "1" (HIGH ó HI). Generalmente no requieren de alguna fuente de energía interna (baterías), ya que toman su energía directamente del mismo circuito que está siendo analizado a través de unas terminales de tipo "caimán" (alligator clips). En la punta de prueba mostrada arriba, la terminal caimán de color rojo se conecta al polo positivo (+) de la fuente de poder, mientras que la terminal caimán de color negro se conecta al polo negativo (-) de la fuente. El interruptor selector en esta punta de prueba identificado como "TTL/CMOS" sirve para escoger los niveles adecuados de voltaje y corriente según sea la familia lógica a la cual pertenezca el componente que está siendo analizado, ya sea TTL ó CMOS (véase el Suplemento # 1: Las familias lógicas).
  
  Aunque en manos de un técnico experto la punta de prueba lógica arriba mostrada sirve admirablemente para el análisis, diagnóstico y reparación de la gran mayoría de los sistemas digitales en uso comercial hoy en día, para ciertas aplicaciones sumamente especializadas en donde el presupuesto no es ningún problema existen otras puntas de prueba mucho más refinadas que en realidad son puntas de prueba lógicas sólo de nombre, ya que por su complejidad se trata en realidad de instrumentos de medición de alta precisión, como la "punta de prueba lógica" LogicDart de Hewlett-Packard:
  
  
  

  

  
  
  Quizá lo más interesante de todo esto es que para la construcción de la "punta de prueba lógica" LogicDart utilizada para el mantenimiento de sistemas digitales basados ultimadamente en las tres funciones lógicas básicas se utilizaron circuitos integrados basados también ultimadamente en las tres funciones lógicas básicas.

tomado de:
http://mundoelectronics.blogspot.com/2009/03/funciones-logicas-basicas-i-i.html

TECNOLOGIA CMOS


CURSO EN LINEA UNAL