Puertas y señales digitales

Si bien el sistema de numeración binaria es una abstracción matemática interesante, aún no hemos visto su aplicación práctica a la electrónica. Este capítulo está dedicado precisamente a eso:aplicar prácticamente el concepto de bits binarios a los circuitos.

Lo que hace que la numeración binaria sea tan importante para la aplicación de la electrónica digital es la facilidad con la que los bits se pueden representar en términos físicos. Debido a que un bit binario solo puede tener uno de dos valores diferentes, 0 o 1, cualquier medio físico capaz de cambiar entre dos estados saturados puede usarse para representar un bit.

En consecuencia, cualquier sistema físico capaz de representar bits binarios puede representar cantidades numéricas y potencialmente tiene la capacidad de manipular esos números. Este es el concepto básico que subyace a la computación digital.

Circuitos binarios y electrónicos

Operación binaria del transistor

Los circuitos electrónicos son sistemas físicos que se prestan bien a la representación de números binarios. Los transistores, cuando se operan en sus límites de polarización, pueden estar en uno de dos estados diferentes:corte (sin corriente controlada) o saturación (corriente máxima controlada). Si un circuito de transistor está diseñado para maximizar la probabilidad de caer en uno de estos estados (y no operar en el modo lineal o activo), puede servir como una representación física de un bit binario.

Entrada de transistor en "Alto"

Una señal de voltaje medida en la salida de dicho circuito también puede servir como representación de un solo bit, un voltaje bajo representa un "0" binario y un voltaje (relativamente) alto representa un "1" binario. Tenga en cuenta el siguiente circuito de transistor:

En este circuito, el transistor está en un estado de saturación en virtud del voltaje de entrada aplicado (5 voltios) a través del interruptor de dos posiciones. Debido a que está saturado, el transistor cae muy poco voltaje entre el colector y el emisor, lo que da como resultado un voltaje de salida de (prácticamente) 0 voltios.

Si estuviéramos usando este circuito para representar bits binarios, diríamos que la señal de entrada es un "1" binario y que la señal de salida es un "0" binario. Cualquier voltaje cercano al voltaje de suministro total (medido en referencia a tierra, por supuesto) se considera un "1" y una falta de voltaje se considera un "0".

Los términos alternativos para estos niveles de voltaje son alto (igual que un "1" binario) y bajo (igual que un "0" binario). Un término general para la representación de un bit binario por un voltaje de circuito es lógica nivel.

Entrada de transistor en "baja"

Moviendo el interruptor a la otra posición, aplicamos un "0" binario a la entrada y recibimos un "1" binario en la salida:

¿Qué son las puertas lógicas?

Lo que hemos creado aquí con un solo transistor es un circuito conocido generalmente como puerta lógica o simplemente puerta . Una puerta es un tipo especial de circuito amplificador diseñado para aceptar y generar señales de voltaje correspondientes a unos y ceros binarios.

Como tal, las compuertas no están diseñadas para ser utilizadas para amplificar señales analógicas (señales de voltaje entre 0 y voltaje total). Si se usan juntas, se pueden aplicar múltiples puertas a la tarea de almacenamiento de números binarios (circuitos de memoria) o manipulación (circuitos de computación), la salida de cada puerta representa un bit de un número binario de múltiples bits.

Cómo se hace esto es un tema para un capítulo posterior. En este momento, es importante centrarse en el funcionamiento de las puertas individuales.

Inversor o puerta NOT

La puerta que se muestra aquí con el transistor único se conoce como inversor , o NOT gate porque emite la señal digital exactamente opuesta a la entrada. Por conveniencia, los circuitos de puerta se representan generalmente por sus propios símbolos en lugar de por sus transistores y resistencias constituyentes. El siguiente es el símbolo de un inversor:

Aquí se muestra un símbolo alternativo para un inversor:

NO Símbolo esquemático de puerta

Observe la forma triangular del símbolo de la puerta, muy parecida a la de un amplificador operacional. Como se dijo antes, los circuitos de compuerta son en realidad amplificadores.

El pequeño círculo o "burbuja" que se muestra en la terminal de entrada o salida es estándar para representar la función de inversión. Como puede sospechar, si elimináramos la burbuja del símbolo de la puerta, dejando solo un triángulo, el símbolo resultante ya no indicaría inversión, sino simplemente amplificación directa.

Tal símbolo y tal puerta realmente existen, y se llama búfer , el tema de la siguiente sección.

Como un símbolo de amplificador operacional, las conexiones de entrada y salida se muestran como cables individuales, el punto de referencia implícito para cada señal de voltaje es "tierra". En los circuitos de puertas digitales, la tierra es casi siempre la conexión negativa de una sola fuente de voltaje (fuente de alimentación).

Las fuentes de alimentación dobles o "divididas" rara vez se utilizan en los circuitos de las puertas. Debido a que los circuitos de puerta son amplificadores, requieren una fuente de energía para funcionar. Al igual que los amplificadores operacionales, las conexiones de la fuente de alimentación para puertas digitales a menudo se omiten del símbolo por simplicidad.

NO puerta en circuitos

Si tuviéramos que mostrar todo las conexiones necesarias para operar esta puerta, el esquema se vería así:

Los conductores de la fuente de alimentación rara vez se muestran en los esquemas del circuito de la puerta, incluso si las conexiones de la fuente de alimentación en cada puerta lo son. Minimizando líneas en nuestro esquema, obtenemos esto:

“Vcc” representa el voltaje constante suministrado al colector de un circuito de transistor de unión bipolar, en referencia a tierra. Esos puntos en un circuito de puerta marcados con la etiqueta "Vcc" están todos conectados al mismo punto, y ese punto es el terminal positivo de una fuente de voltaje de CC, generalmente de 5 voltios.

Como veremos en otras secciones de este capítulo, existen bastantes tipos diferentes de puertas lógicas, la mayoría de las cuales tienen múltiples terminales de entrada para aceptar más de una señal. La salida de cualquier puerta depende del estado de su (s) entrada (s) y su función lógica.

Expresar funciones de circuito de puerta con tablas de verdad

Una forma común de expresar la función particular de un circuito de puerta se llama tabla de verdad. Las tablas de verdad muestran todas las combinaciones de condiciones de entrada en términos de estados de nivel lógico (ya sea "alto" o "bajo", "1" o "0" para cada terminal de entrada de la puerta), junto con el nivel lógico de salida correspondiente, ya sea "alto o bajo." Para el circuito inversor, o NO, que se acaba de ilustrar, la tabla de verdad es muy simple:

Las tablas de verdad para puertas más complejas son, por supuesto, más grandes que la que se muestra para la puerta NOT. La tabla de verdad de una puerta debe tener tantas filas como posibilidades haya para combinaciones de entrada únicas.

Para una puerta de entrada única como la puerta NOT, solo hay dos posibilidades, 0 y 1. Para una puerta de dos entradas, hay cuatro posibilidades (00, 01, 10 y 11) y, por lo tanto, cuatro filas para la verdad correspondiente mesa.

Para una puerta de tres entradas, hay ocho posibilidades (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111) y, por lo tanto, se necesita una tabla de verdad con ocho filas. Los inclinados a las matemáticas se darán cuenta de que el número de filas de la tabla de verdad necesarias para una puerta es igual a 2 elevado a la potencia del número de terminales de entrada.

REVISAR:

• En los circuitos digitales, los valores de bits binarios de 0 y 1 están representados por señales de voltaje medidas en referencia a un punto de circuito común llamado tierra. La ausencia de voltaje representa un "0" binario y la presencia de voltaje de suministro de CC completo representa un "1" binario.
• Una puerta lógica, o simplemente una puerta, es una forma especial de circuito amplificador diseñado para entrar y salir voltajes de nivel lógico (voltajes destinados a representar bits binarios). Los circuitos de puerta se representan más comúnmente en un esquema por sus propios símbolos únicos en lugar de por sus transistores y resistencias constituyentes.
• Al igual que con los amplificadores operacionales, las conexiones de la fuente de alimentación a las puertas a menudo se omiten en los diagramas esquemáticos en aras de la simplicidad.
• Una tabla de verdad es una forma estándar de representar las relaciones de entrada / salida de un circuito de puerta, enumerando todas las posibles combinaciones de niveles lógicos de entrada con sus respectivos niveles lógicos de salida.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de señales lógicas digitales

• Hoja de trabajo de puertas lógicas básicas

• Hoja de trabajo de álgebra booleana