Diseño y Verificación de un Circuito Básico Puerta NAND con IC 4011

Partes y Materiales

• Puerta NAND cuádruple 4011 (Radio Shack catálogo # 276‑2411)
• Interruptor DIP de 8 posiciones (Radio Shack catálogo # 275‑1301)
• Barra gráfica LED de 10 segmentos (Radio Shack catálogo # 276‑081)
• Una batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Tres resistencias de 470 Ω

¡Precaución! El IC 4011 es CMOS y es altamente sensible a descarga estática. Manipula con precauciones antiestáticas.

Lectura Adicional

Lessons In Electric Circuits, Volumen 4, capítulo 3: "Puertas Lógicas".

Objetivos de Aprendizaje

• Comprender el papel de una resistencia pull-down.
• Determinar la tabla de verdad de una puerta mediante experimento.
• Aprender cómo interconectar puertas lógicas.
• Diseñar varias funciones lógicas usando puertas NAND.

Diagrama Esquemático de Función Básica de Puerta

Ilustración de Función Básica de Puerta

Instrucciones del Experimento

Comienza cableando una sola puerta NAND a dos interruptores de entrada y un LED, como se muestra en el esquema. El interruptor de 8 posiciones y la barra LED de 10 segmentos pueden parecer excesivos al principio, pero permiten una fácil expansión y mantienen el diseño ordenado.

Mantén siempre a mano una hoja de datos del 4011. Leer el diagrama de pinout es esencial para conexiones correctas. A continuación se muestra una referencia de pinout simplificada derivada de la hoja de datos oficial:

En la ilustración del protoboard, usamos la puerta NAND inferior izquierda: pines 1 y 2 son las entradas, y el pin 3 es la salida. Pines 14 y 7 suministran V_DD (voltaje positivo) y GND (tierra). Algunas hojas de datos etiquetan el riel negativo como V_SS; es funcionalmente idéntico.

A diferencia de los op-amps, los CI de lógica digital usan una sola referencia de tierra. Una señal "alta" significa que el pin está en V_DD relativo a tierra, mientras que una señal "baja" está en GND.

Todas las entradas de puertas no usadas se atan a V_DD o GND. Dejarlas flotando puede permitir que cargas estáticas aleatorias fuercen los transistores internos a un estado indefinido, potencialmente causando consumo excesivo de corriente o daño. Poner a tierra o pull-up es suficiente; la elección depende de qué riel sea más accesible en el protoboard.

No ates las salidas de puertas no usadas a ningún riel de alimentación. Forzar una salida a un nivel fijo cortocircuitaría la puerta y podría destruir el chip. Las salidas son autogeneradas y deben permanecer libres para oscilar.

Las dos resistencias de 10 kΩ sirven como dispositivos pull-down. Cuando un interruptor está abierto, la resistencia lleva la entrada a GND, asegurando un estado "bajo" limpio. Cuando el interruptor cierra, la entrada es impulsada directamente a V_DD, dando un estado "alto". Esto previene que la entrada flote debido a estática aleatoria.

Con el circuito ensamblado, ahora puedes mapear la tabla de verdad de la puerta NAND experimentalmente. Coloca los interruptores en cada estado posible y anota si el LED se ilumina. Registra los resultados en una hoja como sigue:

Las columnas etiquetadas "A" y "B" representan los dos interruptores de entrada; un interruptor cerrado indica un "1" lógico, y un interruptor abierto (pull-down) indica un "0" lógico. El estado del LED muestra la salida de la puerta. Después de completar las cuatro combinaciones, compara tu tabla con la tabla de verdad NAND estándar.

Aunque esta configuración está adaptada para la puerta NAND 4011, el mismo esquema de dos interruptores, dos pull-downs y LED funciona para cualquier CI lógico cuádruple, siempre que consultes el diagrama de pinout correcto. Recuerda que las asignaciones de pines difieren entre familias de CI.

Mejora Adicional

Para mejorar la claridad, agrega LEDs para mostrar los niveles de entrada reales. Así puedes verificar que un interruptor está correctamente cerrado o abierto sin inferirlo de su posición:

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de Trabajo de Puertas Lógicas Básicas