Símbolos, tipos y características de las puertas lógicas.

Símbolos, tipos y características de las puertas lógicas.

El mundo actual ha estado dominado por los sistemas digitales: ordenadores, teléfonos inteligentes, pero también refrigeradores inteligentes, sistemas de automatización del hogar que nos facilitan la vida. Ni siquiera es necesario mencionar sistemas industriales extensos. Todos estos dispositivos necesitan una electrónica debidamente diseñada, equipada con procesadores, memorias y sistemas de procesamiento de datos. Cada uno de estos elementos se puede representar como un componente electrónico separado, pero en realidad estos chips consisten en una gran cantidad de componentes más pequeños, que son puertas lógicas. Estos, por otro lado, están hechos de componentes aún más pequeños, es decir, transistores. En este artículo, sin embargo, no bajaremos a un nivel tan bajo y nos quedaremos con las puertas lógicas.

Funciones lógicas y álgebra booleana

¿Cómo funcionan realmente los ordenadores? Cada tarea, ya sea que busquemos en Internet o usemos programas, realizada por la unidad central se reduce finalmente a cálculos matemáticos y transferencia de datos.

Sin embargo, los ordenadores cuentan de una manera ligeramente diferente de lo que podría pensar. Como humanos, nos hemos acostumbrado a la aritmética decimal, es decir, aquella en la que tenemos a nuestra disposición diez dígitos del 0 al 9. Gracias a ellos, podemos construir números más grandes. Sin embargo, el ordenador funciona un poco diferente, opera en un sistema binario. Esto significa que tiene solo dos dígitos, 0 y 1, y se deben crear otros números sobre ellos. En los sistemas digitales, los ceros y unos se denominan estados lógicos (0 - estado bajo, 1 - estado alto) y están estrechamente relacionados con los niveles de tensión. En pocas palabras, cero, sin voltaje, uno lógico, hay voltaje.

Así como el sistema decimal se rige por ciertas leyes, también lo es la aritmética binaria. En este caso, usamos álgebra booleana, que da como resultado algunas funciones lógicas. En ellos se basan las puertas lógicas antes mencionadas. Cada puerta realiza una de las funciones lógicas básicas. Al combinarlos en estructuras más grandes, podemos construir sistemas muy avanzados, como procesadores.

¿Dónde podemos encontrar puertas lógicas?

Inicialmente, las puertas lógicas se producían como simples circuitos integrados, que podrían tener varias estructuras de este tipo en su interior. En ese momento, los ingenieros, que querían construir un dispositivo más grande, tenían que diseñar circuitos bastante grandes, equipados con muchos circuitos integrados individuales. Un ejemplo aquí puede ser la construcción de los primeros ordenadores, que ocupaban varias habitaciones. Inicialmente, se construyeron sobre sistemas realizados en tecnología TTL, es decir, basados ​​en transistores bipolares. Gracias a los chips TTL se creó el primer estándar lógico, en el que los sistemas se alimentaban con 5V, mientras que los rangos de tensión para alta y baja eran 2V - 5V y 0,4V - 0,8V, respectivamente. Después de un tiempo, también se desarrollaron sistemas basados ​​en transistores de efecto de campo (los llamamos CMOS). Hay varias diferencias entre TTL y CMOS, pero las más importantes son el voltaje de suministro y el consumo de energía. Los sistemas CMOS, en comparación con los diseños anteriores, pueden funcionar con un voltaje mucho más alto (hasta aproximadamente 15 V) y consumir mucha menos corriente, lo que es especialmente útil en los diseños que funcionan con baterías.

Con el desarrollo de la tecnología, todo se ha miniaturizado. Este proceso también involucró puertas lógicas (por supuesto, todavía podemos encontrarlas en forma de circuitos individuales), que se han convertido en una parte inseparable de los núcleos de silicio de los circuitos integrados. Recientemente, las puertas lógicas simples, colocadas en pequeñas carcasas SMD, también han ganado popularidad. Esta es una solución muy conveniente, considerando que los fabricantes de equipos electrónicos están constantemente tratando de reducir costos.

También vale la pena mencionar que las puertas lógicas son circuitos asíncronos. Esto los distingue de la mayoría de los sistemas utilizados en la actualidad, que necesitan una señal de reloj para funcionar correctamente; estos chips se denominan sincrónicos. En las puertas lógicas, la señal de salida reacciona casi instantáneamente a un cambio en el pulso de entrada. La única limitación aquí son los tiempos de propagación, es decir, nanosegundos, en los que la estructura de silicio reaccionará a un cambio de voltaje.

Puertas lógicas básicas

Como ya sabemos, cada puerta realiza una función lógica seleccionada y, a continuación, analizaremos los tipos individuales, en función de ejemplos específicos.

Puerta NOT

La puerta NOT es una de las construcciones más simples. Tiene una sola entrada y salida. Esta puerta realiza la función de negación, es decir, invertir el estado de la entrada y transferirlo a la salida. Dando un estado alto a la entrada, obtenemos un estado bajo a la salida. De manera similar, al dar un estado bajo a la entrada, aparecerá uno lógico en la salida. La descripción del funcionamiento de las puertas lógicas suele darse en forma de las denominadas tablas de verdad.

No es más que una representación gráfica de su funcionamiento. Del lado izquierdo, en la columna correspondiente a la entrada A, están todos los estados que puede tomar esta entrada, es decir, 1 y 0. Del otro lado, están los que aparecerán a la salida de la puerta marcados con la letra Y Además, la puerta NOT se puede describir mediante la ecuación, es decir, en la salida Y obtenemos la señal negada A. Denotamos la negación como una línea horizontal sobre la letra.

El símbolo de la puerta NOT es un pequeño triángulo con una entrada y una salida a cada lado. Hay un pequeño círculo en la salida.

Puerta AND

La puerta AND es una estructura de dos entradas, en la que aparecerá uno lógico en la salida solo cuando ambas entradas sean altas. En otras palabras, AND realiza la función del producto (también llamado conjunción), descrito por la fórmula Y = AB. Vale la pena saber que la puerta AND puede tener más de dos versiones de entrada, pero su funcionamiento sigue siendo el mismo.

El símbolo de la puerta AND se parece a una combinación de medio cuadrado y un círculo con entradas a la izquierda y una salida a la derecha.

Puerta NAND

Otra de las puertas lógicas básicas es la NAND, esta construcción es literalmente la inversa de la puerta AND. Su salida será alta en todos los casos, excepto en uno, cuando todas las entradas sean altas. Podemos imaginar la puerta NAND como AND, con una puerta NOT adicional (una o más) colocada en la salida. Debe recordarse que, como en la puerta AND, el número de entradas aquí es casi ilimitado.

La puerta NAND a veces se describe mediante una función lógica con la ecuación Y=\bar{AB}. El símbolo NAND es casi idéntico a la puerta AND, la única diferencia es el círculo colocado en la salida.

Puerta OR

Una de las puertas lógicas básicas es también una construcción que implementa la función de suma (alternativa). La llamamos puerta OR. Como sugiere el nombre, esta puerta agregará señales de entradas, que pueden ser muchas. En otras palabras, la salida será lógica cuando cualquiera de las entradas asuma este estado. Sin embargo, si algunas o incluso todas las entradas son altas, la salida también será alta.

La función lógica que describe la puerta OR es Y = A+B, y su símbolo difiere significativamente de las puertas mencionadas anteriormente y se asemeja a la forma de puntas de flecha.

Puerta NOR

Así como la puerta NAND es la inversa de la AND, la NOR es la inversa de la puerta OR. Las similitudes no terminan aquí, la puerta NOR también puede imaginarse como una puerta OR, con una puerta NOT (o varias) colocadas en la salida negando los estados de las entradas, que, como en las construcciones anteriores, pueden ser muy numerosas. El funcionamiento de la puerta es bastante simple, la salida será alta solo cuando todas las entradas sean cero lógico. La describe la función

El símbolo de la puerta NOR es una figura que se parece un poco a una punta de flecha (como en el caso de OR), con un círculo colocado en la salida. Del mismo modo, las entradas se colocan a la izquierda y la salida a la derecha.

Puerta XOR

Una de las construcciones lógicas clásicas es también la puerta XOR. Su funcionamiento es bastante interesante, ya que pondrá la salida alta solo cuando las entradas sean diferentes entre sí. En otras palabras, cuando damos 1 a una de las entradas y 0 a la otra, si todas las entradas asumen el mismo estado, aparecerá un cero lógico en la salida de la puerta. Tal función lógica se describe mediante la fórmula y se llama alternativa disjunta o suma de módulo 2.

La representación gráfica de la puerta XOR se asemeja a una punta de flecha, conocida por las puertas OR y NOR, con la diferencia de que aquí se ha colocado adicionalmente una línea paralela al lado izquierdo. Las entradas y salidas se colocan clásicamente a izquierda y derecha.

Puerta XNOR

La puerta XOR también tiene su inversa, llamada puerta XNOR. Su operación, como en otras construcciones "inversas", es la negación de la puerta base. En este caso, para obtener un estado alto en la salida, debemos dar el mismo estado a todas las entradas, no importa si será un uno lógico o un cero.

El funcionamiento de la puerta XNOR se describe mediante la fórmula , y su símbolo es casi idéntico a la puerta XOR, con un pequeño círculo adicional en la salida.

¿Una puerta que no cambia nada?

Construcciones bastante interesantes, que de alguna manera podem s incluir en el grupo de puertas lógicas, son los buffers y buffer tri-estado. Con solo mirar el símbolo gráfico, puede asociarlos con una puerta NOT, sin el círculo a la salida. Entonces, ¿el búfer es el inverso de la puerta NOT? Sí, pero ¿por qué usar el reverso de la negación, es decir, transferir el estado de la entrada a la salida, si dicha puerta no realiza ninguna función lógica? La respuesta a esta pregunta es la eficiencia actual. La salida de cada puerta lógica tiene una cierta eficiencia, es decir, podemos conectarle un cierto número de entradas de otras puertas, o, por ejemplo diodos LED. Si se supera la capacidad, dañaremos la puerta irremediablemente. En este caso, se debe utilizar un búfer cuya eficiencia de corriente de salida sea mucho mayor. No cambiará el estado de la señal, pero te permitirá conectar más receptores.

El segundo símbolo en el gráfico es el buffer triestado. Tampoco cambia el estado de la señal, pero tiene una entrada adicional marcada con la letra S. Te permite "desconectar" la salida, y para ponerlo profesionalmente, ponerla en un estado de alta impedancia definido por el letra Z. En este estado (también llamado estado indefinido) no estamos Si no puede decir qué señal hay en la salida de la puerta, puede imaginarla como un cable colgando en el aire sin nada conectado.

Si el buffer triestado se activa con un estado alto en la entrada S, solo en este caso el estado de la entrada se transferirá a la salida; de lo contrario, la salida se pondrá en un estado de alta impedancia. Este tipo de construcciones se utilizan para mejorar la eficiencia actual de la salida, pero también cuando necesitamos desconectar un circuito dado del resto del sistema. También se utilizaron búferes de tres estados junto con construcciones digitales más grandes, en las que los datos se enviaban a través de buses. Era bastante fácil desconectar un módulo dado del bus, gracias a lo cual las otras partes del sistema podían enviarse información fácilmente entre sí.

Conexión de puertas lógicas

Al discutir el tema de las puertas lógicas, es imposible no mencionar las formas y principios de su conexión. En pocas palabras, ¡las salidas de las puertas no se pueden combinar! Esta es una regla generalmente aceptada a seguir. Por ejemplo, dos puertas AND generan una señal en la salida que activa un solo LED, en este caso no puede conectar las dos salidas de la puerta y el ánodo del diodo. Uno podría preguntarse ¿por qué? La respuesta es simple, imagine lo que sucede cuando una de las puertas pasa a 1 mientras que la otra baja. Desde la perspectiva de la primera puerta, la salida de la segunda puerta simplemente será tierra, la corriente no fluirá a través del LED, sino a través de la salida de la segunda puerta, dañándola así irreversiblemente.

La solución al problema es utilizar otra tercera puerta, a cuyas entradas conectamos las salidas de las puertas AND. En este caso, si queremos que cada una de las señales active el LED, se debe utilizar una puerta OR. Independientemente de qué salida de la compuerta AND suba, la compuerta OR activa su salida, lo que permite que la corriente fluya a través del LED.