Implementación TTL de compuertas NAND y AND con circuitos de transistor colector abierto

Al añadir una segunda entrada a un inversor TTL estándar de colector abierto, obtenemos un circuito que implementa naturalmente una función NAND. En este artículo recorremos el análisis, explicamos el comportamiento subyacente del transistor y mostramos cómo un inversor simple puede convertirse en compuerta AND añadiendo una etapa inversora más.

De inversor a dispositivo de dos entradas

Nuestro punto de partida es un inversor TTL convencional de colector abierto. El circuito se extiende conectando un segundo terminal de entrada a la base del segundo transistor, Q2, exactamente como la primera entrada. El esquemático resultante se ve así:

Aunque el diagrama es simple, el dispositivo no funciona como un «inversor de dos entradas». Mediante análisis lógico determinaremos su tabla de verdad y le daremos la designación adecuada.

Estructura del transistor

El grupo de diodos de «dirección» marcado Q1 es efectivamente un transistor que no se usa para amplificación. Un transistor NPN estándar no puede proporcionar las tres uniones PN necesarias en esta red, así que usamos un transistor con un colector, una base y dos emisores. En el circuito se dibuja así:

Estados de entrada y comportamiento de salida

Con una sola entrada, conectar a tierra la entrada fuerza la salida alta (flotante), mientras que dejar la entrada flotante o conectada a Vcc tira la salida baja. Al añadir dos entradas, cada una se comporta idénticamente. Si cualquiera de las entradas está a tierra, el transistor Q2 se corta, Q3 permanece apagado y la salida flota alta. Solo cuando ambas entradas son altas, Q2 satura, Q3 conduce y la salida tira baja.

Ilustraciones de los tres estados clave:

En cada caso, una entrada a tierra garantiza salida alta. El único escenario donde la salida va baja es cuando ambas entradas son altas, lo que fuerza a Q2 a saturación y Q3 a conducir.

Compuerta NAND

Tabulando estos resultados se obtiene la tabla de verdad NAND estándar:

Así, una compuerta NAND TTL es la función más simple y natural de este diseño de colector abierto. En secciones anteriores describimos una NAND como una AND seguida de un inversor. Aquí vemos que el mismo circuito ya encarna el comportamiento NAND sin complejidad extra.

Crear una compuerta AND

Para obtener función AND simplemente añadimos una etapa inversora a la salida del circuito NAND, igual que añadimos una etapa de transistor a un inversor TTL para hacer un buffer:

La tabla de verdad y esquemático resultantes se muestran a continuación:

Tanto las compuertas NAND como AND también pueden implementarse con salidas tótem en lugar de colector abierto. Por simplicidad, presentamos aquí las versiones de colector abierto.

Conclusiones clave

• Añadir una segunda entrada a un inversor TTL produce una compuerta NAND.
• Una compuerta AND se obtiene insertando un inversor tras la salida NAND.

Recursos relacionados

• Hoja de trabajo de compuertas lógicas TTL