Primeros pasos con la electrónica: Puertas Lógicas

Publicado por Loli Diéguez en

Las puertas lógicas son la base de la toma de decisiones para los dispositivos electrónicos. Una puerta lógica toma decisiones lógicas basadas en la combinación de señales digitales presentes en sus entradas. Estos componentes son los bloques de construcción de circuitos más avanzados.

Cuando unes un montón de transistores, obtienes lo que se llama una puerta lógica, que te permite manipular números binarios de cualquier forma imaginable. La mayoría de las puertas lógicas tienen dos o más entradas y una salida.

Entrada: Todas las puertas lógicas requieren algún tipo de valores de entrada para que puedan comparar numeros. Las condiciones binarias altas o bajas están representadas por diferentes niveles de voltaje. En la mayoría de las puertas lógicas, el estado bajo es aproximadamente de cero voltios (0 V), mientras que el estado alto es aproximadamente de cinco voltios (5 V).

Salida: Una vez que una puerta lógica tiene la oportunidad de procesar su entrada, puede tomar una decisión sobre si debe abrir su puerta o mantenerla cerrada. Esta salida está completamente determinada por el tipo de puerta lógica que está utilizando, y algunas solo se abrirán si tienen dos voltajes altos como entrada, mientras que otras solo se abrirán si tienen dos voltajes bajos como entradas.

Mediante el uso de combinaciones de puertas lógicas, se pueden realizar operaciones complejas y se pueden construir circuitos lógicos más avanzados, como multiplexores, registros, unidades lógicas aritméticas (ALU) y memoria de ordenadores, hasta llegar a microprocesadores completos, que pueden contener más de 100 millones de puertas. 

En la práctica moderna, la mayoría de las puertas están hechas de transistores de efecto de campo (FET), particularmente transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET).

En teoría, no hay límite para la cantidad de puertas que se pueden agrupar en un solo dispositivo. Pero en la práctica, existe un límite en la cantidad de puertas que se pueden empaquetar en un espacio físico dado.

Las matrices de puertas lógicas se encuentran en circuitos integrados digitales. A medida que avanza la tecnología IC, el volumen físico requerido para cada puerta lógica individual disminuye y los dispositivos digitales del mismo tamaño o más pequeños se vuelven capaces de realizar operaciones cada vez más complicadas a velocidades cada vez mayores.

 

Diagrama de circuito lógico

Un diagrama de circuito lógico utiliza la representación gráfica o la descripción de puertas lógicas para representar una expresión lógica. Un ejemplo de diagrama de circuito lógico, se muestra a continuación con tres entradas (A, B y C) y una salida (Y).

 

 

Tabla de la verdad

Las puertas lógicas implementan la lógica booleana, que se puede representar mediante una tabla de verdad. 

Una tabla de verdad es una representación tabular de las entradas y la salida de una operación lógica. En el lado izquierdo, se escriben todas las combinaciones posibles de las entradas y en el lado derecho, se escribe la salida de la operación booleana realizada en las entradas dadas. 

Aquí está la tabla de verdad de la puerta AND.

Puertas logicas AND (Y)

Una de las puertas más fáciles de entender es la puerta AND, llamada así porque la salida de esta puerta será "verdadera" si y solo si todas las entradas (primera entrada y segunda entrada) son "verdaderas" . De lo contrario, la salida es "falsa".

Se utiliza un punto (.) para mostrar la operación AND (AB). Ten en cuenta que este punto a veces se omite. La siguiente ilustración muestra el símbolo del circuito, la tabla de verdad y la expresión booleana. En caso de que te lo hayas preguntado, las puertas AND pueden tener más de dos entradas.

Puertas logicas OR (O)

Nuestra próxima puerta para investigar es la puerta OR, llamada así porque la salida de esta puerta será "verdadera" si una o ambas entradas son "verdaderas" . Si ambas entradas son "falsas", entonces la salida es "falsa". 

Se utiliza un signo más (+) para mostrar la operación OR.

Puertas logicas NOT (NO)

Un inversor lógico, a veces llamado puerta NOT para diferenciarlo de otros tipos de dispositivos inversores electrónicos. Tiene una sola entrada . Invierte el estado lógico. Si la entrada es 1, entonces la salida es 0. Si la entrada es 0, entonces la salida es 1. Esto también se muestra como (A '), o A con una barra en la parte superior, como se muestra a continuación.

Puerttas logicas Buffer

A veces, en los circuitos electrónicos digitales, necesitamos aislar las puertas lógicas entre sí o hacer que conduzcan o conmuten cargas más altas que las normales (como relés, solenoides y lámparas) sin necesidad de inversión. Un tipo de puerta lógica de entrada única, que nos permite hacer precisamente esto, se llama búfer digital.

Puertas logicas NAND

Una variación de la idea de la puerta AND se llama puerta NAND. La palabra "NAND" es una contracción verbal de las palabras NOT y AND. La salida es "verdadera" si alguna de las entradas es "falsa" .

El símbolo es una puerta Y con un pequeño círculo en la salida para ilustrar esta inversión de la señal de salida. Esto también se muestra como (AB) con una barra en la parte superior. La tabla de verdad para una puerta NAND es, como cabría esperar, exactamente opuesta a la de una puerta AND.

Puertas logicas NOR

Como puedes haber sospechado, la puerta NOR es una puerta OR con su salida invertida. Su salida es "verdadera" si ambas entradas son "falsas" . De lo contrario, la salida es "falsa".

El símbolo es una puerta OR con un pequeño círculo en la salida. El pequeño círculo representa la inversión. Esto también se muestra como (A + B) con una barra en la parte superior.

Puertas logicas XOR

Las puertas anteriores son todas variaciones bastante directas de tres funciones básicas: Y, O y NO. La puerta XOR, sin embargo, es algo diferente.

La salida de la puerta XOR (OR exclusivo) es "verdadera" si una de las entradas, pero no ambas, es "verdadera" . La salida es "falsa" si ambas entradas son "falsas" o si ambas entradas son "verdaderas". Otra forma de ver este circuito es observar que la salida es "verdadera" si las entradas son diferentes y "falsa" si las entradas son las mismas.

Se utiliza este signo (⊕) para mostrar la operación XOR.

XNOR

Finalmente, nuestra última puerta es la puerta NOR exclusiva, también conocida como puerta XNOR.

La puerta XNOR es una combinación de una puerta XOR seguida de una puerta NOT. Su salida es "verdadera" si las entradas son las mismas y "falsa" si las entradas son diferentes.

El símbolo es una puerta XOR con un pequeño círculo en la salida que representa la inversión. Esto también se muestra como (A⊕B) con una barra en la parte superior.

 

Todo lo anterior resumido seria asi:

  • Puertas AND : La salida es "verdadera" solo si todas las entradas son "verdaderas".
  • Puertas OR : La salida es "verdadera" si una o ambas entradas son "verdaderas".
  • Puertas NOT : la salida está invertida.
  • Puertas Búfer : la salida es la misma.
  • NAND : La salida es "verdadera" si una o ambas entradas son "falsas".
  • NOR : La salida es "verdadera" solo si todas las entradas son "falsas".
  • XOR : La salida es "verdadera" si las entradas son diferentes.
  • XNOR : La salida es "verdadera" si las entradas son las mismas.

Tanto la puerta NAND como la puerta NOR pueden clasificarse como puertas “universales”, ya que pueden usarse para construir cualquier otro tipo de puerta.

Circuitos combinacionales

Los circuitos combinacionales son una colección de puertas lógicas. Sus salidas dependen solo de las entradas de corriente. Los circuitos combinacionales también son independientes del tiempo. Junto con la ausencia de conceptos como entradas pasadas, los circuitos combinacionales tampoco requieren ningún reloj. El resultado de estas propiedades es un circuito simple capaz de implementar lógica compleja utilizando solo puertas lógicas.

 

Circuitos secuenciales

Los circuitos secuenciales son una colección de elementos de memoria. Estos circuitos son capaces de "recordar" datos. Por lo tanto, la salida de un circuito secuencial depende de las entradas actuales y pasadas, así como del reloj. Estos circuitos son bastante complejos. Son capaces de implementar lógica compleja con memoria. 

Agrega un elemento de memoria y retroalimentación a un circuito combinacional y obtendrás un circuito secuencial.

 

Circuitos lógicos combinacionales

Es posible hacer cualquier cálculo que se te ocurra combinando un patrón diferente de puertas lógicas. Las puertas comparan y combinan dos series de números binarios, correspondientes a los números decimales en su cálculo, y producen una nueva serie de números binarios igual al resultado. La suma se lleva a cabo mediante circuitos denominados semisumadores y sumadores completos (que pueden continuar con los resultados de una adición anterior). 

Los sustractores funcionan de manera muy similar. Los multiplicadores usan una colección de puertas Y para multiplicar dos números con una serie de sumas. 

Estos son algunos de los circuitos lógicos combinacionales más comunes:

Media víbora

El medio sumador es un circuito lógico combinacional con dos entradas y dos salidas, está diseñado para sumar dos números binarios A y B de un solo bit. Es el bloque de construcción básico para la suma de dos números de un solo bit. 

 

Sumador completo

El sumador completo está desarrollado para superar el inconveniente del circuito de medio sumador. Puede agregar dos números de un bit (A y B) y llevar C. El sumador completo es un circuito combinacional de tres entradas y dos salidas.

Medio sustractor

El medio restador es un circuito combinacional con dos entradas y dos salidas (diferencia y préstamo). Produce la diferencia entre los dos bits binarios en la entrada y también produce una salida (Borrow) para indicar si se tomó prestado un 1.

Sustractor completo

La desventaja de un medio restador se supera con el restador completo. El restador completo es un circuito combinacional con tres entradas y dos salidas. X e Y son los dos bits a restar, y (B in) es el préstamo producido por la etapa anterior, D es la diferencia y (B out) es la salida del préstamo.

Comparador

Los comparadores comparan las señales digitales presentes en sus terminales de entrada y determinan si el valor de la primera entrada es mayor, menor o igual que el valor de la segunda entrada.

Multiplexor

Los multiplexores tienen varias señales de entrada de datos (D0 a D3), así como una entrada de control (A y B). La salida (Y) es idéntica a una de las entradas. El valor de la señal de control determina qué entrada hay que tener en cuenta.

Demultiplexor

Los demultiplexores tienen una señal de entrada de datos (X), entradas de control (A y B) y varias señales de salida (D0 a D3). Todas las señales de salida son falsas excepto la seleccionada por la entrada de control. La salida seleccionada es idéntica a la entrada de datos (X).

Circuitos lógicos secuenciales

Flip-Flop

El bloque de construcción básico de un circuito secuencial es un flip-flop. La razón por la que se llaman flip-flops es que se mueven entre dos estados estables a la manera de un balancín que se detiene en un extremo o en el otro. Es un dispositivo de almacenamiento capaz de almacenar un bit de datos. 

Flip flop tiene dos entradas y dos salidas etiquetadas como Q y Q '. Los flip-flops se encuentran en registros de desplazamiento, contadores y dispositivos de memoria.

Registros

Los registros son circuitos secuenciales sincronizados. Un registro es una colección de flip-flop. Cada flip-flop es capaz de almacenar un bit de información. Un registro de n bits consta de n flip-flops y es capaz de almacenar n bits de información.

Contadores

Un contador es un dispositivo que almacena el número de veces que ha ocurrido un evento o proceso en particular, a menudo en relación con una señal de reloj. 

Generalmente, los contadores consisten en una disposición de flip-flop que puede ser con un contador síncrono o con un contador asíncrono.

 

Conclusión

Si bien las puertas lógicas individuales en su superficie son todas relativamente simples y directas, es la combinación de estas puertas lo que realmente saca a relucir sus superpoderes. Al usar una combinación de puertas lógicas juntas en un circuito integrado, puede realizar algunos cálculos increíblemente complejos. Y cuantas más puertas lógicas coloques en el mismo espacio físico, más rápido podrá calcular.

Donde quiera que mires en el mundo de la electrónica digital, tienes puertas lógicas en juego, haciendo todo el trabajo matemático pesado para que sucedan cosas increíbles. 


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