Una guía completa para construir circuitos digitales

Los circuitos digitales o electrónica digital son dispositivos electrónicos que utilizan señales digitales. Se diferencian de los circuitos analógicos en que los circuitos analógicos funcionan con señales analógicas cuya operación está mucho más sujeta a la atenuación de la señal, la tolerancia de fabricación y el ruido. Por lo general, los diseñadores usan grandes conjuntos de puertas lógicas en circuitos integrados para hacer circuitos digitales.

En esta guía amigable, le informamos todo sobre los circuitos digitales. Siga leyendo para obtener más información.

Una breve historia de los circuitos digitales

En 1705, Gottfried Wilhelm Leibniz perfeccionó el sistema numérico binario. Leibniz estableció que utilizando el sistema binario era posible unir los principios de la aritmética y la lógica. A mediados del siglo XIX, George Boole concibió la filosofía digital tal como la conocemos hoy. Más tarde, en 1886, Charles Sanders Peirce explicó cómo los científicos podían realizar operaciones lógicas cambiando circuitos de conmutación eléctrica. Luego, en lugar de relés para operaciones lógicas, los diseñadores comenzaron a usar tubos de vacío.

Con el desarrollo de las computadoras digitales después de la Segunda Guerra Mundial, el cálculo numérico reemplazó al analógico. Pronto, los elementos de circuitos puramente electrónicos reemplazaron a sus contrapartes mecánicas y electromecánicas.

En 1959, Mohamed Atalla y Dawon Kahng inventaron el transistor MOSFET, que revolucionó drásticamente la industria electrónica. Desde finales del siglo XX, el transistor MOSFET desempeñó un papel integral en la construcción de circuitos digitales. Actualmente, es el dispositivo semiconductor más popular a nivel mundial.

Inicialmente, cada chip de circuito integrado tenía solo unos pocos transistores. A medida que avanzaba la tecnología, se hizo posible colocar millones de transistores MOSFET en un solo chip. Hoy en día, los diseñadores pueden colocar miles de millones de transistores MOSFET en un solo chip. Es evidencia de cuánto han progresado los circuitos digitales desde sus inicios.

2. Propiedades de los Circuitos Digitales

Una de las principales razones por las que los circuitos digitales son muy accesibles, como mencionamos anteriormente, es que es fácil representarlos digitalmente sin que el ruido los degrade. Por ejemplo, siempre que el sonido captado durante la transmisión no sea suficiente para evitar que se identifique la ruta, las señales de audio sucesivas se pueden reconstruir en el orden de 1 s y 0 s sin ningún error.

Para obtener una representación más precisa en un sistema digital, puede representar la señal usando más dígitos binarios. Por supuesto, eso requiere más circuitos digitales, pero dado que el mismo tipo de hardware maneja cada número, el sistema es fácilmente escalable. Las cosas son diferentes con un sistema analógico que necesita mejoras fundamentales en las características de ruido y la linealidad para producir una nueva resolución.

Cuando utilice sistemas digitales controlados por computadora, es posible agregar muchas más funciones mediante la revisión de software. En otras palabras, no necesita ningún cambio de hardware. Además, puede introducir cualquier mejora en su sistema digital fuera de fábrica simplemente actualizando el software.

Otra propiedad de los circuitos digitales es que permiten un almacenamiento de información más accesible. Esto se debe a que los sistemas digitales son inmunes a las interferencias y pueden almacenar y recuperar datos sin degradar el rendimiento.

Muchos de los últimos sistemas digitales suelen traducir sistemas analógicos continuos a señales digitales. Esto puede causar errores de cuantificación. Para mantener estos errores al mínimo, asegúrese de que el sistema digital pueda almacenar datos digitales adecuados para representar la señal con un grado deseable de fidelidad.

3. Construcción de Circuitos Digitales

Los ingenieros utilizan varias formas de construir puertas lógicas. Investigaremos algunos de ellos a continuación.

3.1 Construcción usando puertas lógicas

Los fabricantes de circuitos digitales suelen utilizar pequeños circuitos electrónicos conocidos como puertas lógicas para crear cursos digitales. Con estas puertas lógicas, es posible crear una lógica combinacional. Cada puerta lógica actúa sobre señales lógicas para realizar una función de lógica booleana. Generalmente, los diseñadores usan interruptores controlados electrónicamente para crear puertas lógicas. Por lo general, estos interruptores son transistores. Las válvulas termoiónicas también pueden ayudar a hacer el mismo trabajo. La salida de una puerta lógica puede alimentar otras puertas lógicas o controlarlas.

3.2 Construcción usando tablas de búsqueda

El segundo tipo de circuitos digitales presenta la construcción a partir de tablas de búsqueda. Por lo general, las tablas de búsqueda realizan funciones similares a las de los circuitos digitales basados ​​en puertas lógicas. Un beneficio significativo de los canales digitales basados ​​en tablas de búsqueda es que los diseñadores pueden reprogramarlos fácilmente sin realizar ningún cambio en el cableado. En otras palabras, es fácil reparar errores de diseño sin necesidad de cambiar la disposición de los cables. Cuando se trata de productos de pequeño volumen, los diseñadores prefieren dispositivos lógicos programables a otros tipos de circuitos digitales. Al diseñar estos dispositivos lógicos programables, los ingenieros suelen utilizar software de automatización de diseño.

3.3 Circuitos Integrados

Al construir circuitos integrados, los ingenieros usan múltiples transistores en un chip de silicio. Esta es la forma más económica de crear un gran volumen de puertas lógicas interconectadas. Por lo general, los diseñadores interconectan circuitos integrados en una placa de circuito impreso (PCB), que es una placa que contiene varios componentes eléctricos y los conecta con pistas de cobre.

4. Diseño de Circuitos Digitales

Al diseñar circuitos digitales, los ingenieros utilizan varias formas de reducir la redundancia lógica y, por lo tanto, mantienen la complejidad del circuito al mínimo. Pero, ¿por qué es esencial mantener baja la complejidad del circuito? Bueno, la complejidad mínima reduce el número de componentes y evita posibles errores, lo que a su vez mantiene los costos bajos. Algunas de las técnicas más comunes para reducir la redundancia lógica incluyen el álgebra booleana, los diagramas de decisión binarios, el algoritmo de Quine-McCluskey, los mapas de Karnaugh y el método informático heurístico. Los ingenieros de software suelen utilizar métodos informáticos heurísticos para realizar estas operaciones.

4.1 Representación

La representación es una parte fundamental a la hora de diseñar circuitos digitales. Los ingenieros clásicos representan circuitos digitales usando un conjunto equivalente de puertas lógicas donde los diseñadores usan una forma diferente para representar cada símbolo lógico. Los ingenieros también pueden construir un sistema equivalente de interruptores electrónicos para representar circuitos digitales. Las representaciones suelen tener formatos de archivo numéricos para el análisis automatizado.

4.1.1 Combinacional vs. Secuencial

Al elegir imágenes, los diseñadores suelen considerar varios tipos de sistemas digitales. Los dos grupos comunes de sistemas digitales son los sistemas combinacionales y los sistemas secuenciales. Los sistemas combinacionales presentan las mismas salidas para las mismas entradas. Los sistemas secuenciales, por otro lado, son sistemas combinacionales que retroalimentan algunas de las salidas como entradas.

Hay otras dos subcategorías de sistemas secuenciales:sistemas secuenciales síncronos que cambian de estado a la vez y sistemas secuenciales asíncronos que cambian cada vez que cambian las entradas.

4.1.2 Diseño por ordenador

Una computadora es el equipo lógico de transferencia de registros de propósito general más común. La máquina es un ábaco binario automático. Un microsecuenciador hace funcionar la unidad de control de la red, que es en sí misma un microprograma. La gran mayoría de los ordenadores son síncronos, aunque también ha habido ordenadores asíncronos en el mercado.

4.2 Problemas de diseño en circuitos digitales

Como los ingenieros utilizan componentes analógicos en circuitos electrónicos digitales, la naturaleza analógica de dichos componentes puede interferir con el comportamiento digital deseado. Por lo tanto, el diseño de canales digitales necesita gestionar temas como los márgenes de tiempo, el ruido, la capacitancia y las inductancias parásitas.

4.3 Herramientas de diseño de circuitos digitales

A lo largo de los años, los ingenieros han diseñado máquinas lógicas considerables que tienen como objetivo minimizar el costoso esfuerzo de ingeniería. Actualmente, existen programas informáticos conocidos como herramientas de automatización de diseño electrónico (EDA) que existen para este propósito. Por ejemplo, hay un software de fabricabilidad que brinda una excelente asistencia a los diseñadores de circuitos digitales.

4.4 Prueba de un circuito lógico

La razón principal por la que los ingenieros prueban un circuito lógico es para verificar si el diseño cumple con las especificaciones funcionales y de tiempo. Es crucial examinar cada copia del canal digital para asegurarse de que el proceso de fabricación no haya introducido fallas.

5. Consideraciones de diseño de circuitos digitales

La progresión del diseño de circuitos digitales ha sido lenta pero constante. Trazamos este viaje observando las diversas familias lógicas a continuación.

5.1 Relés

El primer diseño de canales digitales presentaba lógica de retransmisión. Este diseño era confiable y económico. Sin embargo, fue lento y hubo fallas mecánicas ocasionales. Por lo general, había diez fanouts que se arqueaban en los contactos.

5.2 Aspiradoras

La lógica de vacío siguió inmediatamente a la lógica del relé. El principal beneficio de las aspiradoras era que eran rápidas. Sin embargo, las aspiradoras generaban mucho calor y los filamentos se quemaban con frecuencia. El desarrollo de los tubos de computadora en la década de 1950 fue una mejora significativa en los vacíos, ya que estos tubos de computadora podían funcionar durante cientos de miles de horas.

5.3 Lógica de resistencia-transistor

Esta fue la primera familia lógica de semiconductores. La lógica del transistor de resistencia era miles de veces más confiable que los tubos. Usaba mucha menos energía y funcionaba más frío. Sin embargo, su fan-out fue muy bajo:3 en total. Más tarde, la lógica del transistor de diodo aumentó la distribución a 7 y redujo aún más la potencia.

5.4 Lógica transistor-transistor

Una mejora espectacular con respecto a las lógicas anteriores, la lógica transistor-transistor tenía una distribución de 10. Más tarde, esa distribución mejoró a 20. Esta lógica también fue notablemente rápida. La lógica todavía se usa hoy en día en diseños de circuitos digitales específicos.

5.5 Lógica acoplada de emisores

El modelo acoplado por emisor es increíblemente rápido. Sin embargo, esta lógica usa mucho poder. Las computadoras de alto rendimiento con componentes de escala media utilizan esta lógica de forma generalizada.

5.6 Lógica CMOS

La lógica CMOS es, con mucho, la lógica más popular para los circuitos integrados en la actualidad. La lógica es rápida, proporciona alta densidad de circuito y baja potencia por puerta lógica. Incluso las computadoras grandes y rápidas usan esta lógica.

Los últimos avances en el campo de los circuitos digitales

Recientemente, los investigadores en el campo de los circuitos digitales han logrado avances significativos. A continuación se muestran algunos ejemplos:

6.1 Uso de Memristores

En 2009, por ejemplo, los investigadores descubrieron que los memristores pueden ayudar a implementar el almacenamiento de estado booleano. Esto proporciona una familia lógica completa que presenta pequeñas cantidades de energía y espacio con el uso de procesos CMOS simples.

6.2 El descubrimiento de RSFQ

Los investigadores también han descubierto la superconductividad. Este descubrimiento hace posible que los ingenieros desarrollen una tecnología de circuito cuántico de flujo único rápido (RSFQ) que utiliza uniones Josephson en lugar de transistores. Recientemente, los ingenieros han intentado construir sistemas informáticos puramente ópticos que puedan procesar información digital utilizando elementos visuales no lineales.

Resumen

Los circuitos digitales están en el centro de la electrónica digital y el procesamiento informático actuales. Con su baja susceptibilidad al ruido y la degradación de la calidad, estos circuitos son mucho más preferibles a los circuitos analógicos. Y con ingenieros e investigadores dedicándose al progreso del campo de los canales digitales, el diseño y el rendimiento de estos dispositivos solo mejorarán.

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