viernes, 15 de octubre de 2010

CIRCUITOS LOGICOS
Circuito lógico es aquel que maneja la información en forma de "1" y "0", dos niveles lógicos de voltaje fijos.
"1" nivel alto o "high" y "0" nivel bajo o "low".
Los circuitos lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO)......
y combinaciones poco o muy complejas de los circuitos antes mencionados.
Estas combinaciones dan lugar a otros tipos de elementos digitales como los compuertas, entre otros.
- compuerta nand (No Y)
-
compuerta nor (No O)
-
compuerta or exclusiva (O exclusiva)
-
mutiplexores o multiplexadores
- demultiplexores o demultiplexadores
-
decodificadores
- codificadores
- memorias
- flip-flops
- microprocesadores
- microcontroladores
- etc.
La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones.
Aunque los circuitos electrónicos podrían parecer muy complejos, en realidad se construyen de un número muy grande de circuitos muy simples.
En un circuito lógico digital se transmite información binaria (ceros y unos) entre estos circuitos y se consigue un circuito complejo con la combinación de bloques de circuitos simples.
La información binaria se representa en la forma de: (ver gráficos arriba)
- "0" ó "1",
- "abierto" ó "cerrado" (interruptor),
- "On" y "Off",
- "falso" o "verdadero", etc.
Los circuitos lógicos se pueden representar de muchas maneras. En los circuitos de los gráficos anteriores la lámpara puede estar encendida o apagada ("on" o "off"), dependiendo de la posición del interruptor. (apagado o encendido)
Los posibles estados del interruptor o interruptores que afectan un circuito se pueden representar en una tabla de verdad.



Los componentes de los circuitos lógicos
Los circuitos cuyos componentes realizan operaciones análogas a las que indican los operadores lógicos se llaman "circuitos lógicos" o "circuitos digitales".
Los operadores lógicos básicos son "Y", "O" y "N", los cuales se representan respectivamente con los símbolos: , y . Por eso, los componentes que realizan operaciones análogas se llaman "componentes básicos" [*]. Los componentes que resultan de la combinación de dos o más componentes básicos se llaman "componentes combinados" [**].
Todos los componentes arrojan una señal de salida, pero pueden recibir una o dos señales de entrada. En general, se los llama "compuertas" (en inglés, gates) [***]. Las compuertas se construyen con resistores, transistores, diodos, etc., conectados de manera que se obtengan ciertas salidas cuando las entradas adoptan determinados valores. Los circuitos integrados actuales tienen miles de compuertas lógicas.
En el cuadro siguiente se presenta la lista completa de los componentes de los circuitos lógicos. (En letras negritas están los nombres en castellano y en letras normales los nombres en inglés.

CONECTOR/COMPUERTA,
ENTRADA(S), SALIDA

CONNECTOR/GATE,
INPUT(S), OUTPUT
NOMBRE
NAME
TABLA DE VERDAD
TRUTH TABLE
AMORTIGUADOR
BUFFER
A
Z
0
0
1
1
Y
AND
A
B
Z
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
O (O, en sentido inclusivo)
OR
A
B
Z
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
OE (O, en sentido exclusivo)
XOR (EXCLUSIVE-OR)
A
B
Z
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
N, NEG o INVERSOR
NOT or INVERTER
A
Z
0
1
1
0
NY (N Y)
NAND (NOT AND)
A
B
Z
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
NO (N O)
NOR (NOT OR)
A
B
Z
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
NOE (N OE)
NXOR (NOT EXCLUSIVE-OR)
A
B
Z
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1



De la asociación de componentes resultan elementos más complejos que ya no se llaman "componentes" sino, por ejemplo: "sumadores" (adders); "decodificadores" (decoders); "multiplexores" (multiplexers); "memorias" (memories); "microprocesadores" (microprocessors). Para representar un circuito lógico se pueden emplear símbolos para componentes (básicos y combinados) y elementos complejos, pero siempre esa representación se puede reducir a otra que sólo incluya los componentes básicos.
A continuación se presenta un applet de Java creado por C. E. Efstathiou, del Departamento de Química de la Universidad de Atenas (Grecia), con el cual el lector puede:
(1) comprobar la validez de las tablas de verdad de los componentes presentada en el cuadro anterior, y
(2) experimentar el uso de elementos más complejos.
Para usarlo se debe hacer clic sobre las señales de entrada (inputs). El resultado (output) se obtendrá inmediatamente.
Este applet permite estudiar componentes aislados o arreglos de componentes predeterminados. En otro artículo se presenta un applet para construir un circuito y probarlo.

Familia
Existen varias familias de circuitos integrados lógicos que se distinguen por el tipo de dispositivo semiconductor y por la manera como estos dispositivos son interconectados para la conformación de la compuertas. El circuito básico en cada familia es una compuerta NAND ó una NOR.
Hay muchas familias lógicas de circuitos integrados digitales que han sido introducidos
comercialmente, las más populares son:
TTL: Lógicas de transistores (Transistor-transistor logic)
ECL: Lógica de acoplamiento de emisor (emitter-coupled logic)
MOS: Semiconductor de óxido de metal (Metal-oxide semiconductor)
CMOS: Semiconductor de oxido de metal complementario (Complementary metal-oxide semiconductor)
Lógica de inyección integrada (Integrated-injection logic)
Tecnología
Serie
Familia de circuitos lógicos integrados con transistores bipolares
TTL
TTL estándar
TTL de baja potencia
TTL shoottky
TTL shoottky de baja potencia
TTL shoottky avanzada
ECL
Familia de circuitos lógicos integrados con transistores MOSFET
CMOS
CMOS estándar
CMOS HC
CMOS HCT
NMOS
PMOS
BiCMOS Combina transistores bipolares con transistores MOSFET


Versiones de la familia TTL
Serie
Tipo de transistor
Retardo de propagación (ns)
Disipación de potencia (mW)
Producto velocidad-potencia, pJ

54LS/74LS
Schottky, baja potencia
9.5
2
19
54L/74L
Común, baja potencia
33
1
33
54S/74S
Schottky, potencia normal
3
19
57
54/74
Común, potencia normal
10
10
100
54H/74H
Común, alta potencia
6
22
132

Debido al balance entre velocidad y potencia, la familia TTL existe en cinco series distintas, la
serie más popular es la LS por el balance entre rapidez y consumo.










Compuerta NAND en tecnología TTL estándar (N)


Características de la familia TTL (1)
Fan-out:
En el caso de TTL que una compuerta podrá accionar en su salida otras compuertas de la misma serie, la capacidad de salida será de 10 para la serie común y de alta potencia, y de 20 para la serie de baja potencia.
Cuando hay conexión entre TTL y otras familias lógicas, será necesario ir a la literatura  del fabricante para determinar la necesidad de la corriente de entrada y la disponibilidad de la corriente de salida y asegurarse de que no hay sobrecarga para la salida de la compuerta.

Características de la familia TTL (2)
Niveles de voltaje
Los siguientes son las definiciones de niveles de voltaje que define el fabricante como mínimos y máximos para los niveles altos y bajos de una compuerta
VOH: Voltaje de salida mínimo que una compuerta entrega cuando su salida está en el nivel alto.
VOL: Voltaje de salida máximo que una compuerta entrega cuando su salida está en el nivel bajo.
VIH: Voltaje mínimo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel alto.
o  VIL: Voltaje máximo que puede ser aplicado en la entrada de una compuerta y ser reconocida como nivel bajo.

Características de la familia TTL (3)
Margen de ruido
Δ0 y Δ1, son los márgenes de ruido para el nivel bajo y alto respectivamente, este margen se establece para prevenir respuestas falsas que podrían ser causada por el ruido introducido en el sistema.






ELC
Emitter  Coupled  Logic (lógica de emisores acoplados) pertenece a la familia de circuitos MSI implementada con tecnología bipolar; es la más rápida disponible dentro de los circuitos de tipo MSI.




MOS                
Estas familias, son aquellas que basan su funcionamiento en los transistores de efecto de campo o MOSFET. Estos transistores se pueden clasificar en 2 tipos, según el canal utilizado:
  1. NMOS: se basa únicamente en el empleo de transistores NMOS para obtener una función lógica. Su funcionamiento de la puerta lógica es el siguiente: cuando la entrada se encuentra en el caso de un nivel bajo, el transistor NMOS estará en su zona de corte, por lo tanto, la intensidad que circulará por el circuito será nula y la salida estará la tensión de polarización (un nivel alto); y cuando la entrada se encuentra en el caso de que está en un nivel alto, entonces el transistor estará conduciendo y se comportará como interruptor, y en la salida será un nivel bajo.
  2. PMOS:
El transistor MOS se puede identificar como un interruptor controlado por la tensión de la puerta, V_G, que es la que determinará cuándo conduce y cuando no.



CMOS (del inglés complementary metal-oxide-semiconductor, "estructuras semiconductor-óxido-metal complementarias") es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados (chips). Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas
.
En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, DSPs y muchos otros tipos de chips digitales.
  • Cuando la entrada es 1, el transistor nMOS está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a tierra (0), el valor 0 se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pMOS, por el contrario, está en estado de no conducción
  • Cuando la entrada es 0, el transistor pMOS está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a la alimentación (1), el valor 1 se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor nMOS, por el contrario, está en estado de no conducción.
Otra de las características importantes de los circuitos CMOS es que son regenerativos: una señal degradada que acometa una puerta lógica CMOS se verá restaurada a su valor lógico inicial 0 ó 1, siempre y cuando aún esté dentro de los márgenes de ruido que el circuito pueda tolerar.