Latch SR con Puerta NOR: Construcción y Comprensión de Memoria Digital

Partes y Materiales

• Puerta NOR cuádruple 4001 (Radio Shack catálogo # 276-2401)
• 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
• Dos resistencias de 470 Ω
• Dos resistencias de 100 Ω

¡Precaución! El IC 4001 CMOS es altamente sensible a descarga estática. Manipula con cuidado.

REFERENCIAS CRUZADAS

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

Lessons In Electric Circuits, Volumen 4, capítulo 10: "Multivibradores"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Comprender el impacto de la realimentación positiva en un circuito digital.
• Definir el estado "inválido" de un latch SR.
• Explicar una condición de carrera (race condition) y sus implicaciones.
• Reconocer la importancia de niveles de señal CMOS altos válidos.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

El 4001 es una puerta NOR cuádruple CMOS con asignaciones de pines idénticas al 4011 cuádruple NAND. Su pinout se muestra a continuación:

Cuando dos puertas NOR se cruzan como se ilustra, la salida se realimenta a la entrada, creando realimentación positiva e histéresis. Esta realimentación dota al circuito de una forma simple de memoria: una vez establecido, retendrá su estado hasta que una nueva entrada fuerce un cambio.

Etiqueta el interruptor izquierdo como Set y el derecho como Reset. El LED izquierdo representa la salida Q; el LED derecho representa Q‑not. Un Set alto y Reset bajo fuerza Q alto y Q‑not bajo (el estado set). Inversamente, un Reset alto y Set bajo fuerza Q bajo y Q‑not alto (el estado reset). Cuando ambas entradas están bajas, el latch retiene su estado previo —el estado latched. Si ambas entradas están altas, las salidas se fuerzan al mismo nivel lógico, lo que viola el requisito complementario y se denomina el estado inválido.

Para observar el comportamiento del latch al encendido, pon ambos interruptores en posición off (entradas bajas), desconecta un terminal de la batería, luego reconéctalo rápidamente mientras observas los LEDs. El circuito hará carrera: cada puerta intenta llevar a la otra alta; la puerta más rápida gana, y su estado se traba. Debido a asimetrías inherentes, el estado de encendido a menudo es consistente, pero ciclos repetidos pueden revelar estados opuestos ocasionales, ilustrando la impredecibilidad de las condiciones de carrera.

Las condiciones de carrera pueden ser problemáticas en sistemas reales, especialmente cuando una puerta defectuosa o más lenta gana consistentemente la carrera, causando un estado estable pero incorrecto. Cambiar componentes puede alterar el resultado de la carrera, llevando a bugs sutiles difíciles de rastrear.

Para eliminar la dependencia de un estado de encendido impredecible, los diseñadores típicamente usan un mecanismo externo de reset o set para forzar el latch a un estado conocido durante el arranque.

Una modificación instructiva es reemplazar una resistencia de 470 Ω de caída del LED con un valor menor, como 100 Ω. Esto aumenta el brillo del LED e introduce una asimetría de carga que afecta la capacidad del latch para mantener su estado. Al operar los interruptores a través de las cuatro combinaciones de entrada, notarás que el latch falla en mantener uno de los estados cuando ambas entradas están bajas. Medir el voltaje de salida de la puerta alta con un voltímetro muestra que la puerta con la carga de 100 Ω produce un nivel alto más débil que cae por debajo del umbral requerido para impulsar la entrada de la otra puerta NOR. En contraste, la puerta de 470 Ω mantiene un nivel alto más fuerte que traba exitosamente el circuito.

Estas observaciones subrayan por qué es preferible usar un voltímetro como sonda lógica: un voltímetro da una lectura de voltaje cuantitativa, revelando señales débiles que una sonda lógica simple podría pasar por alto. Esto es especialmente importante al mezclar diferentes familias lógicas (ej. TTL vs. CMOS), donde los umbrales de voltaje pueden diferir significativamente.