Dominando el Diseño de Circuitos Digitales: Su Guía Completa

Los circuitos digitales o electrónica digital son electrónica que usan señales digitales. Son diferentes de los circuitos analógicos en que los analógicos operan con señales analógicas cuya operación es mucho más susceptible a atenuación de señal, tolerancia de fabricación y ruido; típicamente, los diseñadores usan grandes ensamblajes de compuertas lógicas en circuitos integrados para hacer circuitos digitales.

En esta guía amigable, le contamos todo sobre circuitos digitales. Siga leyendo para aprender más.

Breve Historia de los Circuitos Digitales

En 1705, Gottfried Wilhelm Leibniz refinó el sistema numérico binario. Leibniz estableció que usando el sistema binario, era posible unir los principios de aritmética y lógica. A mediados del siglo XIX, George Boole concibió la filosofía digital como la conocemos hoy. Más tarde, en 1886, Charles Sanders Peirce explicó cómo los científicos podían realizar operaciones lógicas mediante circuitos de conmutación eléctrica. Luego, en lugar de relés para operaciones lógicas, los diseñadores empezaron a usar tubos de vacío.

Con el desarrollo de computadoras digitales tras la Segunda Guerra Mundial, el cálculo numérico reemplazó al analógico. Pronto, elementos de circuito puramente electrónicos tomaron el relevo de sus contrapartes mecánicas y electromecánicas.

En 1959, Mohamed Atalla y Dawon Kahng inventaron el transistor MOSFET, que revolucionó dramáticamente la industria electrónica. Desde finales del siglo XX, el transistor MOSFET jugó un papel integral en la construcción de circuitos digitales. Actualmente, es el dispositivo semiconductor más popular globalmente.

Inicialmente, cada chip de circuito integrado tenía solo unos pocos transistores. A medida que avanzaba la tecnología, se volvió posible colocar millones de transistores MOSFET en un solo chip. Hoy, los diseñadores pueden colocar miles de millones de transistores MOSFET en un solo chip. Es evidencia de cuánto han progresado los circuitos digitales desde sus inicios.

Propiedades de los Circuitos Digitales

Una de las mayores razones por las que los circuitos digitales son altamente accesibles, como mencionamos, es que es fácil representarlos digitalmente sin que el ruido los degrade. Por ejemplo, mientras el ruido captado durante la transmisión no sea suficiente para impedir que la ruta sea identificada, las señales de audio sucesivas pueden reconstruirse en el orden de 1s y 0s sin errores.

Para obtener una representación más precisa en un sistema digital, puede representar la señal usando más dígitos binarios. Por supuesto, eso requiere más circuitos digitales, pero como el mismo tipo de hardware maneja cada número, el sistema es fácilmente escalable. Las cosas son diferentes con un sistema analógico que necesita mejoras fundamentales en características de ruido y linealidad para producir una nueva resolución.

Cuando usa sistemas digitales controlados por computadora, es posible agregar muchas más funciones usando revisión de software. En otras palabras, no necesita cambios de hardware. Además, puede introducir mejoras en su sistema digital fuera de fábrica simplemente actualizando el software.

Otra propiedad de los circuitos digitales es que permiten un almacenamiento de información más accesible. Esto es porque los sistemas digitales son inmunes a interferencias y pueden almacenar y recuperar datos sin degradar el rendimiento.

Muchos de los últimos sistemas digitales típicamente traducen sistemas analógicos continuos a señales digitales. Esto puede causar errores de cuantización. Para mantener estos errores al mínimo, asegúrese de que el sistema digital pueda almacenar datos digitales adecuados para representar la señal a un grado deseable de fidelidad.

Construcción de Circuitos Digitales

Los ingenieros usan varias formas para construir compuertas lógicas. Investigaremos algunas a continuación.

Construcción Usando Compuertas Lógicas

Los fabricantes de circuitos digitales típicamente usan pequeños circuitos electrónicos conocidos como compuertas lógicas para crear circuitos digitales. Con estas compuertas, es posible crear lógica combinacional. Cada compuerta actúa sobre señales lógicas para realizar una función de lógica booleana. Generalmente, los diseñadores usan interruptores controlados electrónicamente para crear compuertas lógicas. Usualmente, estos interruptores son transistores. Las válvulas termiónicas también pueden ayudar a hacer el mismo trabajo. La salida de una compuerta puede alimentar a otras compuertas o controlarlas.

Construcción Usando Tablas de Búsqueda

El segundo tipo de circuitos digitales presenta construcción desde tablas de búsqueda. Típicamente, las tablas de búsqueda realizan funciones similares a los circuitos basados en compuertas lógicas. Un beneficio significativo de los canales digitales basados en tablas de búsqueda es que los diseñadores pueden reprogramarlos fácilmente sin hacer cambios en el cableado. En otras palabras, es fácil reparar errores de diseño sin necesidad de cambiar la disposición de los cables. Al tratar con productos de bajo volumen, los diseñadores prefieren dispositivos lógicos programables a otros tipos de circuitos digitales. En el diseño de estos dispositivos, los ingenieros típicamente usan software de automatización de diseño.

Circuitos Integrados

En la construcción de circuitos integrados, los ingenieros usan múltiples transistores en un chip de silicio. Esta es la forma más asequible de crear un gran volumen de compuertas lógicas interconectadas. Usualmente, los diseñadores interconectan circuitos integrados en una placa de circuito impreso (PCB), que es una placa que sostiene varios componentes eléctricos y los conecta con pistas de cobre.

Diseño de Circuitos Digitales

En el diseño de circuitos digitales, los ingenieros usan varias formas para reducir la redundancia lógica, manteniendo la complejidad del circuito al mínimo. Pero, ¿por qué es esencial mantener la complejidad baja? Bien, la complejidad mínima reduce la cuenta de componentes y evita errores potenciales, lo que a su vez mantiene los costes bajos. Algunas de las técnicas más comunes para reducir redundancia lógica incluyen álgebra booleana, diagramas de decisión binaria, algoritmo Quine-McCluskey, mapas de Karnaugh y método heurístico computacional. Los ingenieros de software típicamente usan métodos heurísticos computacionales para realizar estas operaciones.

Representación

La representación es una parte esencial en el diseño de circuitos digitales. La forma clásica en que los ingenieros representan circuitos digitales es usando un conjunto equivalente de compuertas lógicas donde los diseñadores usan una forma diferente para representar cada símbolo lógico. Los ingenieros también pueden construir un sistema equivalente de interruptores electrónicos para representar circuitos digitales. Las representaciones usualmente tienen formatos de archivo numéricos para análisis automatizado.

Combinacional vs. Secuencial

Al elegir imágenes, los diseñadores típicamente consideran varios tipos de sistemas digitales. Los dos grupos comunes son sistemas combinacionales y secuenciales. Los sistemas combinacionales presentan las mismas salidas para las mismas entradas. Los sistemas secuenciales, por otro lado, son sistemas combinacionales que realimentan algunas salidas como entradas.

Hay dos subcategories adicionales de sistemas secuenciales: sistemas secuenciales síncronos que cambian de estado todos a la vez y sistemas secuenciales asíncronos que cambian cada vez que las entradas cambian.

Diseño de Computadoras

Una computadora es el equipo de lógica de transferencia de registro de propósito general más ordinario. La máquina es un ábaco binario automático. Un micro-secuenciador ejecuta la unidad de control de la red, que es en sí un micro-programa. La gran mayoría de computadoras son síncronas, aunque también ha habido computadoras asíncronas en el mercado.

Preocupaciones de Diseño en Circuitos Digitales

Como los ingenieros usan componentes analógicos en circuitos digitales, la naturaleza analógica de tales componentes puede interferir con el comportamiento digital deseado. El diseño de canales digitales necesita gestionar temas como márgenes de temporización, ruido, capacitancia e inductancias parásitas.

Herramientas de Diseño de Circuitos Digitales

A lo largo de los años, los ingenieros han diseñado grandes máquinas lógicas que apuntan a minimizar el esfuerzo costoso de ingeniería. Actualmente, existen programas informáticos conocidos como herramientas de automatización de diseño electrónico (EDA) para este propósito. Por ejemplo, hay software de fabricabilidad que proporciona excelente asistencia a diseñadores de circuitos digitales.

Prueba de un Circuito Lógico

La razón principal por la que los ingenieros prueban un circuito lógico es verificar si el diseño cumple con las especificaciones de temporización y funcionales. Es crucial examinar cada copia del canal digital para asegurar que el proceso de fabricación no ha introducido fallos.

Consideraciones de Diseño de Circuitos Digitales

La progresión del diseño de circuitos digitales ha sido lenta pero constante. Rastreamos este viaje mirando las diversas familias lógicas a continuación.

Relés

El primer diseño de canales digitales presentaba lógica de relés. Este diseño era fiable e económico. Sin embargo, era lento, y había fallos mecánicos ocasionales. Típicamente había diez fanouts que arqueaban en los contactos.

Vacíos (Tubos de Vacío)

La lógica de vacío siguió inmediatamente a la de relés. El principal beneficio de los vacíos era que eran rápidos. Sin embargo, generaban mucho calor, y los filamentos se quemaban frecuentemente. El desarrollo de tubos de computadora en los años 50 fue una mejora significativa en vacíos, ya que estos tubos podían funcionar por cientos de miles de horas.

Lógica Resistor-Transistor

Esta fue la primera familia lógica semiconductora. La lógica resistor-transistor era miles de veces más fiable que los tubos. Usaba mucha menos energía y funcionaba más frío. Sin embargo, su fan-out era muy bajo: 3 en total. Más tarde, la lógica diodo-transistor aumentó el fan-out a 7 y redujo aún más la potencia.

Lógica Transistor-Transistor

Una mejora dramática sobre lógicas previas, la lógica transistor-transistor tenía un fan-out de 10. Más tarde, ese fan-out mejoró a 20. Esta lógica también era notablemente rápida. La lógica sigue en uso hoy en diseños específicos de circuitos digitales.

Lógica Acoplada por Emisor

El modelo acoplado por emisor es increíblemente rápido. Sin embargo, esta lógica usa mucha potencia. Computadoras de alto rendimiento con componentes de escala media usan extensivamente esta lógica.

Lógica CMOS

La lógica CMOS es, con mucho, la lógica más popular para circuitos integrados hoy. La lógica es rápida, proporciona alta densidad de circuito y baja potencia por compuerta lógica. Incluso computadoras grandes y rápidas usan esta lógica.

Los Últimos Avances en el Campo de los Circuitos Digitales

Los investigadores en el campo de los circuitos digitales han hecho recientemente progresos significativos. A continuación, algunos ejemplos:

Uso de Memristores

En 2009, por ejemplo, los investigadores descubrieron que los memristores pueden ayudar a implementar almacenamiento de estado booleano. Esto proporciona una familia lógica completa que presenta pequeñas cantidades de potencia y espacio con el uso de procesos CMOS simples.

El Descubrimiento de RSFQ

Los investigadores también han descubierto la superconductividad. Este descubrimiento hace posible que los ingenieros desarrollen tecnología de circuito de flujo cuántico único rápido (RSFQ) que usa uniones Josephson en lugar de transistores. Los ingenieros han intentado más recientemente construir sistemas de computación puramente ópticos que puedan procesar información digital usando elementos visuales no lineales.

Resumen

Los circuitos digitales están en el centro de la electrónica digital y el procesamiento informático actual. Con su baja susceptibilidad al ruido y degradación de calidad, estos circuitos son mucho más preferibles a los analógicos. Y con ingenieros e investigadores dedicándose al progreso del campo, el diseño y rendimiento de estos dispositivos solo mejorarán.

¿Busca circuitos digitales que cumplan perfectamente sus necesidades únicas? En WellPCB, nos dedicamos a ofrecer soluciones de circuitos digitales de máxima calidad a clientes en todo el mundo. Visite nuestro sitio web hoy para saber más sobre nuestros servicios.