Puertas lógicas digitales

Las Puertas lógicas digitales pueden tener más de una entrada, por ejemplo, entradas a, B, C, D, etc., pero generalmente solo tienen una salida digital, (Q). Las puertas lógicas individuales se pueden conectar o conectar en cascada para formar una función de puerta lógica con cualquier número deseado de entradas, o para formar circuitos de tipo combinacional y secuencial, o para producir funciones de puerta lógica diferentes de las puertas estándar.,

Las Puertas lógicas digitales estándar comercialmente disponibles están disponibles en dos familias o formas básicas, TTL que significa lógica Transistor-Transistor como la serie 7400, y CMOS Que significa metal-óxido-silicio complementario que es la serie 4000 de chips. Esta notación de TTL o CMOS se refiere a la tecnología lógica utilizada para fabricar el circuito integrado, (IC) o un «chip» como se le llama más comúnmente.,

en términos generales, los CI lógicos TTL utilizan transistores de unión bipolares de tipo NPN y PNP, mientras que los CI lógicos CMOS utilizan transistores de efecto de campo de tipo MOSFET o JFET complementarios para sus circuitos de entrada y salida.,

además de la tecnología TTL y CMOS, las puertas lógicas digitales simples también se pueden hacer conectando diodos, transistores y resistencias para producir RTL, puertas lógicas de Resistencia-Transistor, DTL, puertas lógicas de diodo-Transistor o ECL, puertas lógicas acopladas al emisor, pero estas son menos comunes ahora en comparación con la Popular familia CMOS.

Los circuitos integrados o circuitos integrados, como se les llama más comúnmente, se pueden agrupar en familias de acuerdo con el número de transistores o «puertas» que contienen., Por ejemplo, un simple y puerta mi contienen solo unos pocos transistores individuales, fueron como un microprocesador más complejo puede contener muchos miles de puertas de transistores individuales. Los circuitos integrados se clasifican de acuerdo con el número de puertas lógicas o la complejidad de los circuitos dentro de un solo chip con la clasificación general para el número de puertas individuales dadas como:

clasificación de circuitos integrados

• Integración a pequeña escala o (SSI) – contienen hasta 10 transistores o unas pocas puertas dentro de un solo paquete como puertas AND, OR, NOT.,
• Integración de mediana escala o (MSI)-entre 10 y 100 transistores o decenas de puertas dentro de un solo paquete y realizar operaciones digitales tales como adders, decoders, contadores, flip-flops y multiplexores.
• Integración a gran escala o (LSI): entre 100 y 1.000 transistores o cientos de puertas y realizan operaciones digitales específicas, como chips de E/S, unidades de memoria, aritmética y lógica.,
• Integración a gran escala o (VLSI) – entre 1.000 y 10.000 transistores o miles de puertas y realizar operaciones computacionales como procesadores, grandes matrices de memoria y dispositivos lógicos programables.
• Integración a gran escala o (SLSI): entre 10.000 y 100.000 transistores dentro de un solo paquete y realizan operaciones computacionales como chips de microprocesador, microcontroladores, PICs básicos y calculadoras.,
• Ultra-Large Scale Integration or (ULSI) – más de 1 millón de transistores – los grandes que se utilizan en computadoras CPU, GPU, procesadores de video, microcontroladores, FPGAs y fotos complejas.

mientras que la clasificación ULSI de «ultra gran escala» se usa menos, otro nivel de integración que representa la complejidad del circuito integrado se conoce como System-on-Chip o (SOC) para abreviar., Aquí los componentes individuales, como el microprocesador, la memoria, los periféricos, la lógica de E/S, etc., se producen en una sola pieza de silicio y que representa un sistema electrónico completo dentro de un solo chip, literalmente poniendo la palabra «integrado» en el circuito integrado.

estos chips integrados completos que pueden contener hasta 100 millones de puertas de transistores CMOS de silicio individuales dentro de un solo paquete se utilizan generalmente en teléfonos móviles, cámaras digitales, microcontroladores, PIC y aplicaciones de tipo robótico.,

La Ley de Moore

en 1965, Gordon Moore, cofundador de Intel corporation, predijo que «el número de transistores y resistencias en un solo chip se duplicará cada 18 meses» con respecto al desarrollo de la tecnología de puertas de semiconductores. Cuando Gordon Moore hizo su famoso comentario en 1965, había aproximadamente solo 60 puertas de transistores individuales en un solo chip de silicio o matriz.

el primer microprocesador del mundo en 1971 fue el Intel 4004 que tenía un bus de datos de 4 bits y contenía unos 2.300 transistores en un solo chip, operando a unos 600 kHz., Hoy en día, Intel Corporation ha colocado un asombroso 1.2 mil millones de puertas de transistores individuales en su nuevo chip de microprocesador i7-2700K Sandy Bridge de 64 bits que funciona a casi 4GHz, y el número de transistores en el chip sigue aumentando, a medida que se desarrollan nuevos microprocesadores y microcontroladores más rápidos.

Estados lógicos digitales

la puerta lógica Digital es el bloque de construcción básico a partir del cual se construyen todos los circuitos electrónicos digitales y sistemas basados en microprocesadores. Las puertas lógicas digitales básicas realizan operaciones lógicas de Y, O y no en números binarios.,

en el diseño lógico digital solo se permiten dos niveles o estados de voltaje y estos estados se conocen generalmente como Lógica » 1 «y lógica» 0″, o alta y baja, o verdadero y falso. Estos dos estados están representados en álgebra booleana y tablas de verdad estándar por los dígitos binarios de «1» y «0» respectivamente.

un buen ejemplo de un estado digital es un simple interruptor de luz. El interruptor puede ser » ON » o «OFF», un estado u otro, pero no ambos al mismo tiempo.,UE (T)

HIGH (H) Logic «0» FALSE (F) LOW (l)

que un nivel lógico «0» o «bajo» está representado por un voltaje cero, 0V o tierra y un nivel lógico «1» o «alto» está representado por un voltaje más alto, como +5 voltios, con el cambio de un nivel de voltaje a otro, ya sea de un nivel lógico «0» a un «1» o de un «1» a un «0» que se realiza lo más rápidamente posible para evitar cualquier operación defectuosa del circuito lógico.,

también existe un sistema complementario de «lógica negativa» en el que los valores y las reglas de una lógica «0» y una lógica «1» se invierten, pero en esta sección del tutorial sobre Puertas lógicas digitales solo nos referiremos a la Convención de lógica positiva, ya que es la más comúnmente utilizada.

en TTL estándar (transistor-transistor logic) IC’s hay un rango de voltaje predefinido para los niveles de voltaje de entrada y salida que definen exactamente qué es un nivel lógico «1» y qué es un nivel lógico «0» y estos se muestran a continuación.,

TTL Input & niveles de voltaje de salida

hay una gran variedad de tipos de puertas lógicas en las familias bipolares 7400 y CMOS 4000 de puertas lógicas digitales como 74Lxx, 74lsxx, 74alsxx, 74hcxx, 74hctxx, 74actxx etc, con cada uno que tiene sus propias ventajas y desventajas distintas comparadas con el otro. El voltaje de conmutación exacto requerido para producir una lógica » 0 «o una lógica» 1 » depende del grupo o familia lógica específica.,

sin embargo, cuando se utiliza un suministro estándar de +5 voltios, cualquier entrada de voltaje TTL entre 2.0 v y 5v se considera una lógica «1» o «alta», mientras que cualquier entrada de voltaje por debajo de 0.8 v se reconoce como una lógica «0» o «baja». La región de voltaje entre estos dos niveles de voltaje, ya sea como entrada o como salida, se llama Región indeterminada y operando dentro de esta región puede causar que la puerta lógica produzca una salida falsa.

la familia lógica CMOS 4000 utiliza diferentes niveles de voltajes en comparación con los tipos TTL, ya que están diseñados utilizando transistores de efecto de campo o FET., En la tecnología CMOS un nivel lógico » 1 «opera entre 3.0 y 18 voltios y un nivel lógico» 0 » está por debajo de 1.5 voltios. A continuación, la siguiente tabla muestra la diferencia entre los niveles lógicos de las puertas lógicas tradicionales TTL y CMOS.

TTL y CMOS Niveles lógicos

Tipo de Dispositivo	lógico 0	Lógica 1
TTL	0 a 0.8 v	2.0 a 5v (VCC)
CMOS	0 a 1.5 v	3.,0 a 18V (vdd)

luego de las observaciones anteriores, podemos definir la puerta lógica digital TTL ideal como una que tiene una lógica de nivel «bajo» «0» de 0 voltios (tierra) y una lógica de nivel «alto» «1» de +5 voltios y se puede demostrar como:

ideal TTL digital logic gate voltage levels

donde la apertura o cierre del interruptor produce un nivel lógico «1» o un nivel lógico «0» con la resistencia R conocida como resistencia «pull-up».,

ruido lógico digital

Sin embargo, entre estos valores altos y bajos definidos se encuentra lo que generalmente se llama una «tierra de nadie» (el área azul está arriba) y si aplicamos un voltaje de señal de un valor dentro de esta área de tierra de nadie no sabemos si la puerta lógica responderá a ella como un nivel «0» o como un nivel «1», y la salida se volverá impredecible.,

ruido es el nombre dado a un voltaje aleatorio e indeseado que es inducido en los circuitos electrónicos por interferencia externa, como por interruptores cercanos, fluctuaciones de la fuente de alimentación o por cables y otros conductores que captan la radiación electromagnética perdida. Entonces, para que una puerta lógica no sea influenciada por el ruido, debe tener una cierta cantidad de margen de ruido o inmunidad al ruido.,

inmunidad al ruido de la puerta lógica digital

en el ejemplo anterior, la señal de ruido se superpone a la tensión de alimentación Vcc y mientras se mantenga por encima del nivel mínimo (VON(min)) la entrada y salida correspondiente de la puerta lógica no se ven afectadas. Pero cuando el nivel de ruido se vuelve lo suficientemente grande y un pico de ruido hace que el nivel de alto voltaje caiga por debajo de este nivel mínimo, la puerta lógica puede interpretar este pico como una entrada de bajo nivel y cambiar la salida produciendo una conmutación de salida falsa., Entonces, para que la puerta lógica no se vea afectada por el ruido, debe ser capaz de tolerar una cierta cantidad de ruido no deseado en su entrada sin cambiar el estado de su salida.

simples puertas lógicas digitales básicas

Las Puertas lógicas digitales simples se pueden hacer combinando transistores, diodos y resistencias con un ejemplo simple de una lógica de diodo-resistencia (DRL) y una puerta y una puerta NAND lógica de diodo-Transistor (DTL) que se muestra a continuación.,

Diode-Resistor Circuit	Diode-Transistor circuit
2-input AND Gate	2-input NAND Gate

The simple 2-input Diode-Resistor AND gate can be converted into a NAND gate by the addition of a single transistor inverting (NOT) stage., El uso de componentes discretos como diodos, resistencias y transistores para hacer circuitos de compuerta lógica digital no se utilizan en los circuitos lógicos prácticos comercialmente disponibles, ya que estos circuitos sufren de retardo de propagación o retardo de compuerta y también pérdida de potencia debido a las resistencias pull-up.

otra desventaja de la lógica de diodo-resistencia es que no hay una instalación de «Fan-out» que es la capacidad de una sola salida para conducir muchas entradas de las siguientes etapas. Además, este tipo de diseño no se «apaga» completamente, ya que una lógica «0» produce una tensión de salida de 0.,6V (caída de voltaje de diodo), por lo que se utilizan los siguientes diseños de circuitos TTL y CMOS en su lugar.

compuertas lógicas TTL básicas

la resistencia de diodos simple y la compuerta de arriba utilizan diodos separados para sus entradas, uno para cada entrada., Como un transistor bipolar es efectivamente dos uniones de diodos conectadas entre sí, representando un dispositivo NPN (Negativo-Positivo-Negativo) o un dispositivo PNP (Positivo-Negativo-Positivo), los diodos de entrada del circuito de lógica diodo-transistor (DTL) pueden ser reemplazados por un solo transistor NPN con múltiples entradas de emisor para formar otro tipo de circuito lógico llamado lógica transistor-transistor o TTL como se muestra.,

Este circuito de puerta NAND simplificado consiste en un transistor de entrada, TR1 que tiene dos (o más) terminales emisores y un circuito de transistor de conmutación NPN invertida de una sola etapa de TR2.

Cuando uno o ambos emisores de tr1 que representan entradas » a «y» B «están conectados al nivel lógico» 0 » (bajo), la corriente base de TR1 pasa a través de su unión base/Emisor a tierra (0V), TR1 satura y su terminal colector sigue., Esta acción da como resultado que la base de TR2 se conecte a tierra (0V), por lo tanto, TR2 está «apagado» y la salida en Q es alta.

con ambas entradas «a» y «B» altas en el nivel lógico «1», El transistor de entrada TR1 se apaga, la base del transistor de conmutación TR2 se vuelve alta y se enciende, por lo que la salida en Q es baja debido a la acción de conmutación del transistor. Los múltiples emisores de TR1 están conectados como entradas produciendo así una función de puerta NAND.,

puerta lógica digital acoplada al emisor

la lógica acoplada al emisor o simplemente ECL, es otro tipo de puerta lógica digital que utiliza la lógica de transistores bipolares donde los transistores no se operan en la región de saturación, como lo son con la puerta lógica digital TTL estándar. En cambio, los circuitos de entrada y salida son transistores conectados push-pull con la tensión de alimentación negativa con respecto a tierra.,

esto tiene el efecto de aumentar la velocidad de operación de las puertas lógicas acopladas al emisor hasta el rango de gigahercios en comparación con los tipos TTL estándar, pero el ruido tiene un mayor efecto en la lógica ECL, porque los transistores insaturados operan dentro de su región activa y amplifican así como las señales de conmutación.,

las Subfamiliares » 74 «de circuitos integrados

con mejoras en el diseño del circuito para tener en cuenta los retrasos de propagación, el consumo de corriente, los requisitos de fan-in y fan-out, etc., este tipo de tecnología de transistor bipolar TTL forma la base de la familia prefijada» 74 «de circuitos integrados lógicos digitales, como la puerta NAND» 7400 «Quad de 2 entradas, o la puerta NOR» 7402 » Quad de 2 entradas, etc.,

las subfamilias de los circuitos integrados de la serie 74xxx están disponibles en relación con las diferentes tecnologías utilizadas para fabricar las puertas y se indican con las letras entre la designación 74 y el número de dispositivo. Hay una serie de subfamiliares TTL disponibles que proporcionan una amplia gama de velocidades de conmutación y consumo de energía, como la puerta NAND 74L00 o 74ALS00, donde la «L» significa «TTL de baja potencia» y la «ALS» significa «TTL Schottky avanzado de baja potencia» y estos se enumeran a continuación.,

• * 74XX o 74Nxx: TTL estándar: estos dispositivos son la familia TTL original de puertas lógicas introducidas a principios de los 70. tienen un retraso de propagación de aproximadamente 10ns y un consumo de energía de aproximadamente 10mW. Rango de voltaje de alimentación: 4.75 a 5.25 voltios

i • * 74Lxx: TTL de baja potencia: el consumo de energía se mejoró sobre los tipos estándar al aumentar el número de resistencias internas, pero a costa de una reducción en la velocidad de conmutación. Rango de voltaje de alimentación: 4.75 a 5.25 voltios i • * 74Hxx: la velocidad de conmutación TTL de alta velocidad se mejoró al reducir el número de resistencias internas., Esto también aumentó el consumo de energía. Rango de voltaje de alimentación: 4.75 a 5.25 voltios

• • 74sxx: Schottky TTL – la tecnología Schottky se utiliza para mejorar la impedancia de entrada, la velocidad de conmutación y el consumo de energía (2mW) en comparación con los tipos 74Lxx y 74Hxx. Rango de voltaje de alimentación: 4.75 a 5.25 voltios
• • 74LSxx: baja potencia Schottky TTL – igual que los tipos 74Sxx pero con mayores resistencias internas para mejorar el consumo de energía. Rango de voltaje de alimentación: 4.75 a 5.,25 voltios

i • * 74asxx: Advanced Schottky TTL – diseño mejorado sobre los tipos Schottky 74sxx optimizados para aumentar la velocidad de conmutación a expensas del consumo de energía de aproximadamente 22mW. Rango de voltaje de alimentación: 4.5 a 5.5 voltios i • * 74ALSxx: avanzado Schottky TTL de baja potencia: menor consumo de energía de aproximadamente 1 MW y mayor velocidad de conmutación de 4nS en comparación con los tipos 74LSxx. Rango de voltaje de alimentación: 4.5 a 5.5 voltios i • * 74HCxx: tecnología cmos – cmos de alta velocidad y transistores para reducir el consumo de energía de menos de 1UA con entradas compatibles con CMOS. Rango de voltaje de alimentación: 4.5 a 5.,5 voltios i • * 74HCTxx: tecnología cmos – cmos de alta velocidad y transistores para reducir el consumo de energía de menos de 1UA pero ha aumentado el retraso de propagación de aproximadamente 16nS debido a las entradas compatibles con TTL. Rango de voltaje de alimentación: 4.5 a 5.5 voltios

compuerta lógica digital básica CMOS

una de las principales desventajas de la serie de compuertas lógicas digitales TTL es que las compuertas lógicas se basan en la Tecnología Lógica de transistores bipolares y, como los transistores son dispositivos operados por corriente, consumen grandes cantidades de energía de una fuente de alimentación fija de +5 voltios.,

Además, las puertas de transistores bipolares TTL tienen una velocidad de operación limitada cuando se cambia de un estado » OFF «a un estado» ON «y viceversa llamado» gate «o»propagation delay». Para superar estas limitaciones se desarrollaron mos complementarios llamados «CMOS» (complementary Metal Oxide Semiconductor) puertas lógicas que utilizan «transistores de efecto de campo» o FET.,

Como estas puertas utilizan MOSFET de canal P y canal N como su dispositivo de entrada, en condiciones de reposo sin conmutación, el consumo de energía de las puertas CMOS es casi cero, (1 a 2µa) lo que las hace ideales para su uso en circuitos de batería de baja potencia y con velocidades de conmutación superiores a 100MHz para su uso en circuitos de sincronización de alta frecuencia y de computadora.,

este ejemplo básico de puerta CMOS contiene tres MOSFET de mejora de canal N normalmente apagado, uno para cada entrada que consiste en FET1 y FET2, y un MOSFET de conmutación adicional, FET3 que está sesgado permanentemente «ON» a través de su puerta.

Cuando una o ambas entradas «a» y «B» se conectan a tierra a nivel lógico «0», la entrada correspondiente MOSFET, FET1 o FET2 se desactivan produciendo una condición de salida Lógica «1» (alta) desde el terminal fuente de FET3.,

solo cuando ambas entradas » a «y» B «se mantienen altas en el nivel lógico» 1″, la corriente fluye a través del MOSFET correspondiente cambiándolo» ON «produciendo un estado de salida en Q equivalente a un nivel lógico» 0 » mientras ambos MOSFET, FET1 y FET2 están conduciendo. Por lo tanto produciendo la acción de conmutación representativa de una función de puerta NAND.

Las mejoras en el diseño del circuito con respecto a la velocidad de conmutación, el bajo consumo de energía y los retrasos de propagación mejorados han dado como resultado el desarrollo de la familia estándar CMOS 4000 «CD» de IC lógicos que complementan la gama TTL.,

al igual que con las puertas lógicas digitales TTL estándar, todas las principales puertas y dispositivos lógicos digitales están disponibles en el paquete CMOS, como el CD4011, una puerta NAND Quad de 2 entradas, o el CD4001, una puerta NOR Quad de 2 entradas junto con todas sus subfamiliares.

al igual que la lógica TTL, los circuitos complementarios MOS (CMOS) aprovechan el hecho de que tanto los dispositivos de canal N como de canal P se pueden fabricar juntos en el mismo material de sustrato para formar varias funciones lógicas.,

una de las principales desventajas con la gama CMOS de CI en comparación con sus tipos TTL equivalentes es que son fácilmente dañados por la electricidad estática. También a diferencia de las puertas lógicas TTL que operan con voltajes simples de + 5V tanto para sus niveles de entrada como de salida, las puertas lógicas digitales CMOS operan con un solo voltaje de alimentación de entre +3 y +18 voltios.

las subfamilias CMOS comunes incluyen:

• * serie 4000B: CMOS estándar: estos dispositivos son la familia CMOS con búfer original de puertas lógicas introducidas a principios de los años 70 y operan desde una tensión de alimentación de 3.0 a 18V DC.,
• * serie 74C: CMOS de 5v: estos dispositivos son compatibles con pines con dispositivos TTL de 5V estándar, ya que su conmutación lógica se implementa en CMOS pero con entradas compatibles con TTL. Funcionan desde una tensión de alimentación de 3.0 a 18V d. c.

tenga en cuenta que las puertas lógicas CMOS y los dispositivos son sensibles a la estática, por lo que siempre tome las precauciones adecuadas de trabajar en esteras antiestáticas o bancos de trabajo conectados a tierra, usar una pulsera antiestática y no retirar una pieza de su embalaje antiestático hasta que sea necesario.,

en el siguiente tutorial sobre Puertas lógicas digitales, veremos la lógica digital y la función de puerta como se usa en los circuitos lógicos TTL y CMOS, así como su definición de álgebra booleana y tablas de verdad.