Función de puerta básica

Piezas y materiales

• 4011 puerta NAND cuádruple (catálogo de Radio Shack n. ° 276-2411)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (catálogo de Radio Shack n. ° 275-1301)
• LED de gráfico de barras de diez segmentos (catálogo de Radio Shack n. ° 276-081)
• Una batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Tres resistencias de 470 Ω

¡Precaución! El 4011 IC es CMOS y, por lo tanto, ¡sensible a la electricidad estática!

Lecturas adicionales

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 4, capítulo 3:"Puertas lógicas"

Objetivos de aprendizaje

• Propósito de una resistencia "desplegable"
• Cómo determinar experimentalmente la tabla de verdad de una puerta
• Cómo conectar puertas lógicas juntas
• Cómo crear diferentes funciones lógicas mediante el uso de puertas NAND

Diagrama esquemático de la función básica de la puerta

Ilustración de la función básica de la puerta

Instrucciones del experimento

Para comenzar, conecte una sola puerta NAND a dos interruptores de entrada y un LED, como se muestra. Al principio, el uso de un interruptor de 8 posiciones y un gráfico de barras LED de 10 segmentos puede parecer excesivo, ya que solo se necesitan dos interruptores y un LED para mostrar el funcionamiento de una sola puerta NAND. Sin embargo, la presencia de esos interruptores y LED adicionales hace que sea muy conveniente expandir el circuito y ayudar a que el diseño del circuito sea limpio y compacto.

Se recomienda que tenga una hoja de datos para el 4011 chip disponible cuando construye su circuito. ¡No se limite a seguir la ilustración que se muestra arriba! Es importante que desarrolle la habilidad de leer hojas de datos, especialmente diagramas de “distribución de pines” al conectar terminales IC a otros elementos del circuito. El diagrama de conexión de la hoja de datos es un dato esencial. Aquí se muestra mi propia interpretación de lo que cualquier 4011 muestra la hoja de datos:

En la ilustración de la placa de pruebas, he mostrado el circuito construido usando la puerta NAND inferior izquierda:los pines 1 y 2 son las entradas, y el pin n. ° 3 es la salida. Los pines 14 y 7 conducen la alimentación de CC a los cuatro circuitos de puerta dentro del chip IC, "V _DD ”Representa el lado positivo de la fuente de alimentación (+ V) y“ Gnd ”representa el lado negativo de la fuente de alimentación (-V), o tierra. A veces, el terminal negativo de la fuente de alimentación se etiquetará como "V _SS "En lugar de" Gnd "en una hoja de datos, pero significa lo mismo.

Los circuitos lógicos digitales no utilizan fuentes de alimentación divididas como lo hacen los amplificadores operacionales. Sin embargo, al igual que los circuitos de amplificador operacional, la tierra sigue siendo el punto de referencia implícito para todas las mediciones de voltaje. Si hablara de una señal "alta" presente en un determinado pin del chip, me refiero a que hay voltaje total entre ese pin y el lado negativo de la fuente de alimentación (tierra).

Observe cómo todas las entradas de las puertas no utilizadas dentro del 4011 el chip está conectado a V _DD o tierra. Esto no es un error, sino un acto de diseño intencional. Desde el 4011 es un circuito integrado CMOS y las entradas del circuito CMOS se dejan desconectadas ( flotante ) puede asumir cualquier nivel de voltaje simplemente por interceptar una carga eléctrica estática de un objeto cercano, dejando las entradas flotando significa que esas puertas no utilizadas pueden recibir cualquier combinación aleatoria de señales "altas" y "bajas".

¿Por qué es esto indeseable, si no estamos usando esas puertas? ¿A quién le importa qué señales reciben, si no estamos haciendo nada con sus salidas? El problema es que si aparecen señales de voltaje estático en las entradas de la puerta que no son completamente “altas” o completamente “bajas”, los transistores internos de las puertas pueden comenzar a encenderse de tal manera que consuman una corriente excesiva. En el peor de los casos, esto podría dañar el chip.

En el mejor de los casos, significa un consumo de energía excesivo. Importa poco si elegimos conectar estas entradas de puerta no utilizadas "altas" (V _DD ) o "bajo" (tierra), siempre que los conectemos a uno de esos dos lugares. En la ilustración del tablero, muestro todas las entradas superiores conectadas a V _DD , y todas las entradas inferiores (de las puertas no utilizadas) conectadas a tierra. ¡Esto se hizo simplemente porque los orificios del riel de la fuente de alimentación estaban más cerca y no requerían cables de puente largos!

Tenga en cuenta que ninguna de las salidas de la puerta no utilizada se han conectado a V _DD o suelo, ¡y por una buena razón! Si hiciera eso, podría estar forzando a una puerta a asumir el estado de salida opuesto al que está tratando de lograr, lo cual es una forma complicada de decir que habría creado un cortocircuito. Imagine una puerta que se supone que genera un nivel lógico "alto" (para una puerta NAND, esto sería cierto si alguna de sus entradas fuera "baja").

Si dicha puerta tuviera su terminal de salida directamente conectado a tierra, nunca podría alcanzar un estado "alto" (siendo eléctricamente común a tierra a través de la conexión del cable de puente). En cambio, su transistor de salida superior (canal P) se encendería en vano, generando la corriente máxima a una carga inexistente. ¡Esto probablemente dañaría la puerta! Los terminales de salida de compuerta, por su propia naturaleza, generan sus propios niveles lógicos y nunca "flotan" de la misma manera que lo hacen las entradas de compuerta CMOS.

Las dos resistencias de 10 kΩ se colocan en el circuito para evitar condiciones de entrada flotante en la puerta utilizada. Con un interruptor cerrado, la entrada respectiva se conectará directamente a V _DD y por lo tanto ser "alto". Con un interruptor abierto, el " pulldown de 10 kΩ "La resistencia proporciona una conexión resistiva a tierra, lo que garantiza un estado" bajo "seguro en el terminal de entrada de la puerta. De esta manera, la entrada no será susceptible a voltajes estáticos parásitos.

Con la puerta NAND conectada a los dos interruptores y un LED como se muestra, está listo para desarrollar una "tabla de verdad" para la puerta NAND. Incluso si ya sabe cómo es una tabla de verdad de puerta NAND, este es un buen ejercicio de experimentación:descubrir los principios de comportamiento de un circuito por inducción. Dibuja una tabla de verdad en una hoja de papel como esta:

La "A" y "B" las columnas representan los dos interruptores de entrada, respectivamente. Cuando el interruptor está encendido, su estado es "alto" o 1. Cuando el interruptor está apagado, su estado es "bajo", o 0, como lo garantiza su resistencia pulldown. La salida de la puerta, por supuesto, está representada por el LED:si está encendido (1) o apagado (0). Después de colocar los interruptores en todas las combinaciones posibles de estados y registrar el estado del LED, compare la tabla de verdad resultante con lo que debería ser la tabla de verdad de una puerta NAND.

Como puede imaginar, este circuito de tablero no se limita a probar puertas NAND. Cualquier tipo de puerta se puede probar con dos interruptores, dos resistencias de extracción y un LED para indicar el estado de la salida. Solo asegúrate de comprobar el diagrama de "distribución de pines" del chip antes de sustituirlo pin-por-pin en lugar del 4011 . ¡No todos los chips de puerta "cuádruples" tienen las mismas asignaciones de pines!

Mejora adicional

Una mejora que quizás desee hacer en este circuito es asignar un par de LED para indicar el estado de la entrada, además del LED asignado para indicar la salida. Esto hace que la operación sea un poco más interesante de observar y tiene la ventaja adicional de indicar si un interruptor no se cierra (o abre) mostrando el verdadero señal de entrada a la puerta, en lugar de forzarlo a inferir el estado de entrada desde la posición del interruptor:

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de puertas lógicas básicas