Comprender la compuerta NOT (inversor) en circuitos TTL

Un inversor de un solo transistor, aunque ilustrativo, carece del rendimiento requerido para lógica digital real. Las compuertas NOT prácticas emplean múltiples transistores para lograr alta ganancia de voltaje, asegurando que el transistor de salida opere limpiamente en corte total o saturación total, e incorporan elementos protectores contra daños accidentales.

Diagrama esquemático de inversor práctico

A continuación se muestra un esquemático completo de una compuerta NOT TTL funcional, que incorpora todos los componentes esenciales para operación confiable y de alta ganancia:

El diseño se basa únicamente en resistores, diodos y transistores de unión bipolar (BJT). Topologías alternativas, como las que usan transistores de efecto de campo (FET), también pueden realizar la operación NOT y se tratan más adelante en esta guía.

Análisis de operación del circuito NOT

Entrada alta

Primero, consideremos el caso donde el nivel lógico de entrada es alto (binario «1»). Este escenario puede modelarse conectando el pin de entrada al voltaje de alimentación Vcc mediante un interruptor:

Con la entrada alta, el diodo D1 se polariza inversamente y no conduce corriente. Su único propósito es proteger el transistor de voltajes negativos accidentales en la entrada.

Bajo estas condiciones, la unión base-emisor del transistor Q1 permanece no conductiva. Sin embargo, Q1 no se usa en el sentido convencional; funciona como un par de diodos en serie opuesta. El esquemático simplificado a continuación ilustra este rol:

Los dos diodos en Q1 dirigen corriente hacia o desde la base de Q2, según el nivel lógico de entrada. Para entender esta acción de dirección, imagina un circuito simplificado que solo consiste en las uniones base-emisor de Q2 y Q4 representadas como diodos simples, con el resto del circuito eliminado:

Cuando el interruptor de entrada está en posición «arriba» (conectado a Vcc), no fluye corriente a través del diodo de dirección izquierdo de Q1 porque no hay bucle de voltaje que impulse electrones. Sin embargo, sí fluye corriente a través del diodo de dirección derecho, el diodo base-emisor de Q2 y el diodo base-emisor de Q4:

Esto significa que en el inversor real, Q2 y Q4 reciben corriente de base y se encienden, permitiendo flujo de corriente de colector. El voltaje caído desde el nodo en la unión de los dos diodos de dirección a tierra es aproximadamente 2,1 V —la suma de tres uniones PN de silicio (el diodo de dirección derecho, la unión base-emisor de Q2 y la de Q4).

Entrada baja

Ahora, mueve el interruptor de entrada a la posición «abajo» y observa el comportamiento resultante:

En este estado, toda la corriente fluye a través del diodo de dirección izquierdo de Q1 y ninguna por el derecho. Aunque parece existir un camino completo para corriente a través del diodo derecho y la serie de Q4 y Q2, el voltaje directo del diodo izquierdo (~0,7 V para silicio) es insuficiente para polarizar directamente la cadena en serie de los otros dos diodos, impidiendo cualquier corriente de base en Q2 o Q4. Consecuentemente, ambos transistores permanecen en corte.

Cuando la entrada es alta, el diodo de dirección izquierdo no presenta caída de voltaje, permitiendo que el diodo derecho conduzca corriente de base a Q2 a través del resistor R1:

Con suficiente polarización de base, Q2 satura, bajando R3 lo suficiente para polarizar directamente la unión base-emisor de Q4, que también satura. El nodo de salida se cortocircuita efectivamente a tierra, produciendo un «0» lógico. El diodo D2 evita que Q3 se encienda, manteniéndolo en corte.

Análisis de salida con entrada baja

Por el contrario, cuando la entrada es baja, la corriente fluye a través del diodo de dirección izquierdo de Q1, apagando Q2 y Q4. La base de Q3 recibe voltaje suficiente para polarizar directamente su unión base-emisor, llevándola a saturación. La salida sube a nivel alto (típicamente alrededor de 4 V, según carga y saturación), satisfaciendo el «1» lógico. Así, el inversor entrega una inversión lógica perfecta: una entrada «1» produce salida «0» y viceversa.

Observaciones del circuito

Una característica notable de este inversor TTL es que la entrada por defecto asume nivel alto cuando queda flotante. En ese caso, no fluye corriente por el diodo de dirección izquierdo, y toda la polarización de R1 se aplica a la base de Q2, encendiéndolo y llevando la salida a bajo:

Lógica Transistor-Transistor (TTL)

La tendencia de las compuertas TTL a asumir estado alto cuando flotan es una característica fundamental de la familia Lógica Transistor-Transistor. Este comportamiento simplifica el diseño de salidas de compuertas, especialmente cuando la salida de una compuerta impulsa la entrada de otra, porque una entrada TTL solo necesita un camino a tierra para indicar estado bajo y puede permanecer flotante para indicar alto.

Corrientes de suministro y hundido

Corrientes de suministro (Sourcing)

Una compuerta TTL puede tanto suministrar como hundir corriente mediante su etapa de salida tótem. Cuando la salida es alta, el Q3 saturado conecta el nodo de salida a Vcc, permitiendo que la corriente fluya desde la carga, a través del emisor de Q3, y de vuelta a la alimentación:

Conceptualmente, la salida puede verse como un interruptor de doble tiro: cuando la compuerta emite alto, el interruptor conecta la salida a Vcc; cuando emite bajo, conecta la salida a tierra.

Corrientes de hundido (Sinking)

Cuando la salida es baja, el transistor Q4 conecta la salida a tierra, permitiendo que la corriente fluya desde la alimentación, a través de la carga, y entre al emisor de Q4:

Estas capacidades duales —suministro en alto y hundido en bajo— son esenciales para impulsar una amplia gama de cargas digitales.

Requisitos para operación TTL

Las entradas TTL están diseñadas para aceptar solo corriente de hundido; son intrínsecamente altas cuando flotan. Por tanto, una compuerta que impulse una entrada TTL solo necesita proveer un camino de hundido para generar entrada baja. Esto elimina la necesidad de que la compuerta impulsora suministre corriente a la entrada receptora.

Salida colector abierto

Como las entradas TTL no requieren suministro de corriente, la etapa de salida puede simplificarse eliminando Q3, resultando en una configuración de colector abierto. La salida puede entonces ser elevada por un resistor externo:

El símbolo estándar para una compuerta inversora de colector abierto se muestra a continuación:

Repaso

• Una compuerta NOT (inversor) produce el nivel lógico opuesto en su salida: entrada baja da salida alta, y entrada alta da salida baja.
• Las compuertas TTL —construidas con resistores, diodos y BJT— ofrecen alta ganancia de voltaje y protección robusta. Familias alternativas, como lógica basada en FET, también están disponibles.
• Cuando una compuerta «suministra» corriente, conecta la salida al voltaje positivo de alimentación, proveyendo nivel lógico alto.
• Cuando una compuerta «hunde» corriente, conecta la salida a tierra, proveyendo nivel lógico bajo.
• Las salidas tótem pueden tanto suministrar como hundir corriente, mientras que las de colector abierto solo pueden hundir. Las compuertas de colector abierto son adecuadas para impulsar entradas TTL porque estas nunca necesitan suministrar corriente.

Hojas de trabajo relacionadas

• Hoja de trabajo de compuertas lógicas TTL
• Hoja de trabajo de compuertas lógicas básicas