En los primeros días de la era digital, las puertas lógicas estaban hechas solo de transistores y componentes discretos. La aparente gran ocupación de espacio y la mayor disipación de calor han impulsado la tecnología de encapsular circuitos en circuitos integrados compactos para contener cientos o miles de circuitos lógicos. Este artículo describe los más importantes con uso práctico.
Tabla de contenido
prólogo
Los circuitos integrados (CI) han revolucionado la electrónica digital, permitiendo la aparición de dispositivos compactos, potentes y fiables. Estos circuitos integrados ofrecen una amplia gama de funciones lógicas y circuitos especializados agrupados en familias lógicas y han contribuido significativamente al crecimiento de la electrónica digital. Una familia lógica es un conjunto de circuitos integrados que implementan una función lógica. Los circuitos lógicos generalmente consisten en puertas lógicas interconectadas para realizar operaciones lógicas como AND, OR, NOT, XOR, NAND y NOR.
En lugar de venderse como componentes discretos, las puertas lógicas están contenidas en circuitos integrados más o menos avanzados. Las familias lógicas se caracterizan por especificaciones técnicas como el voltaje de suministro, la velocidad de conmutación, el consumo de energía y las características de ruido. Cada familia lógica tiene sus propias características y se puede utilizar en diferentes contextos según las necesidades de su proyecto.
Las familias lógicas más utilizadas son TTL (lógica transistor-transistor) y CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario). Por supuesto, hay algunos que no están cubiertos aquí. El primero se llama TTL porque tiene transistores tanto en la etapa de entrada como en la de salida. El segundo se llama CMOS porque usa MOSFET. Estas dos familias lógicas difieren según la tecnología de fabricación. La familia TTL tiene un voltaje de suministro de 5V, mientras que CMOS tiene un voltaje de suministro de 3V a 18V. El nivel de voltaje de reconocimiento para cada valor lógico (verdadero o falso) también difiere entre las dos familias. En cualquier caso, siempre es prudente evitar las áreas de incertidumbre analizadas en el artículo anterior.
característica
Las dos familias lógicas tienen características diferentes que los diseñadores deben estudiar por adelantado para cumplir con las especificaciones de sus circuitos. La siguiente tabla destaca las diferentes características de las dos familias, pero en ambos casos, consulte cuidadosamente las hojas de datos oficiales correspondientes.
algunos ejemplos de circuito
Hay muchos modelos de circuitos integrados. Es imposible enumerarlos en la lista estéril. Tenga en cuenta que los diferentes circuitos integrados contienen puertas como NAND, NOR, NO encapsuladas dentro de un solo chip. Como ejemplo muy general, la figura 1 muestra varias puertas AND con varias entradas según el siguiente catálogo.
- TTL
- 7408: entrada Y puerta cuádruple 2
- 7411: Entrada triple 3 Y puerta
- 7421: Puerta doble AND de 4 entradas
- CMOS
- CD4081: Cuádruple 2 entradas Y puerta
- CD4073: Puerta AND triple de 3 entradas
- CD4082: Puerta AND doble de 4 entradas.
Figura 1: Varias puertas AND en las familias TTL (7408, 7411, 7421) y CMOS (4081, 4073, 4082)
Algunas configuraciones tienen pinouts incompatibles, por lo que los diseñadores siempre deben seguir los diagramas de uso oficiales.
ejemplo común
Como circuito, no es necesario utilizar todas las puertas lógicas en el IC integrado. Los circuitos integrados lógicos están diseñados con múltiples compuertas lógicas, como compuertas AND cuádruples de 2 entradas y compuertas OR duales de 4 entradas, pero esto no significa que todas las compuertas deban usarse al mismo tiempo. Durante el diseño del circuito, solo se utilizan las puertas lógicas necesarias para implementar la funcionalidad deseada. Por ejemplo, si necesita implementar una operación lógica AND de dos entradas, puede usar una puerta AND en el IC y dejar la otra puerta sin usar. Las entradas no utilizadas se pueden conectar a tierra. Esto nos da la posibilidad de usar las puertas lógicas restantes para otras funciones sin agregar componentes externos al circuito si es necesario en el futuro. Para comprender el comportamiento general de los circuitos integrados lógicos, considere el siguiente sistema dadas las suposiciones anteriores. La puerta de entrada de una casa equipada con una cerradura electrónica solo se puede abrir si se activan tres transpondedores de acuerdo con el diagrama lógico de la Figura 2. Esta puerta consta de los siguientes bloques:
- tres NFC Tantos decodificadores como etiquetas hay
- Un circuito lógico que procesa tres entradas.
- rock electrónico.
FIGURA 2: ESQUEMA LÓGICO DE UNA CERRADURA DE 3 ENTRADAS
Un hecho interesante es que no necesita usar un microcontrolador para crear este circuito. Sin embargo, esta última es sin duda una solución más avanzada. Dado que se inventaron después de las puertas lógicas, los circuitos integrados lógicos son la opción más natural para los circuitos simples. Existen varias soluciones para el diseño. Una buena solución es el circuito integrado 7411 (triple puerta AND de 3 entradas) o CD4073 (triple puerta AND de 3 entradas). Este sistema utiliza solo una compuerta AND del IC y no las otras dos (consulte el esquema principal en la Figura 3). Como se mencionó anteriormente, siempre se recomienda conectar a tierra las entradas no utilizadas. Una tabla de verdad para un puerto AND de 3 entradas predice que producirá una señal de salida de 1 solo si las tres entradas tienen un valor lógico de 1. Por lo tanto, todos los TAG de acceso deben activar sus cerraduras electrónicas al mismo tiempo. Cada decodificador NFC debe poder enviar una señal lógica baja si la tarjeta no es reconocida y una señal lógica alta si la TAG es reconocida y verificada correctamente. También se propone una posible solución de realización de PCB solo para la lógica del sistema, como se muestra en la figura.
Figura 3: Diagrama de cableado principal y tabla de verdad para bloqueo de 3 entradas
Otro ejemplo de un dispositivo de alarma de seguridad
La lista de circuitos integrados relacionados con puertas lógicas es muy larga. Dejando a un lado los modelos más antiguos, existen puertas lógicas muy rápidas y de alto rendimiento en el mercado hoy en día, tanto del tipo TTL como CMOS. Sería muy sencillo enumerar y describir aquí todos los tipos existentes en el mercado. También se clasifican por su nivel de integración y los componentes internos que componen las distintas puertas lógicas. Los diseñadores deben documentar cuidadosamente los diversos modelos existentes y sus familias de componentes.
El siguiente ejemplo (ver Figura 4) contiene una alarma antirrobo simple con cuatro zonas. Un sensor puede describirse como un dispositivo que detecta la presencia de calor, luz, ruido, etc. Al menos la activación de un sensor es suficiente para activar una alarma. Solo se puede utilizar un circuito integrado en el sistema. Por ejemplo, CD4071 (Quad 2-Input OR Gate), un chip CMOS con 4 puertas OR con 2 entradas cada una.
Figura 4: Alarma antirrobo simple con circuito integrado CD4071 (o equivalente)
La siguiente tabla de verdad muestra todos los estados lógicos posibles de los puertos en el circuito. Además, este proyecto lo ayudará a comprender cómo se pueden lograr puertas lógicas complejas utilizando puertas lógicas más simples.
La siguiente lista de fuentes está escrita en PARI/GP pero se puede modificar fácilmente para otros lenguajes de programación y produce 16 combinaciones (2^4=16) de 4 entradas digitales.
Esta figura incluye un diagrama de cableado típico (arriba) y un diagrama de cableado creado al ver todo el circuito integrado 4071. Una red eléctrica que consta de diodos, resistencias de bajo valor y capacitores electrolíticos de alta capacidad (consulte la Figura 5) garantiza señales de alarma de luz LED de larga duración, incluso con pulsos de excitación cortos. Esta señal es analógica, pero se puede hacer digital usando un cuarto puerto OR no conectado y disponiéndolo apropiadamente.
FIGURA 5: UN DIODO Y UN CONDENSADOR PUEDEN PERMITIR UNA SEÑAL DE ALARMA MÁS LARGA
Conclusión
Los circuitos integrados para electrónica digital son la base para el funcionamiento de los dispositivos y sistemas digitales modernos. La familia Logic ofrece una amplia gama de soluciones para satisfacer las diversas necesidades de la electrónica digital y continúa impulsando la innovación en el campo de la electrónica digital, lo que permite la creación de dispositivos cada vez más potentes, sofisticados y, lo que es más importante, miniaturizados. Si el sistema es simple, el diseñador no necesita un microcontrolador. Un circuito integrado lógico es suficiente.
Lea también:
Curso de Electrónica Digital — Parte 1: Lógica Binaria y Señales
Curso de Electrónica Digital – Parte 2: Digital vs. Analógico
Curso de Electrónica Digital – Parte 3: Funciones de Numeración
Curso de Electrónica Digital – Parte 4: Álgebra Booleana y Funciones Booleanas
Curso de Electrónica Digital – Parte 5: Puertas Lógicas
Curso de Electrónica Digital – Parte 6: Otras Puertas Lógicas
Curso de Electrónica Digital – Parte 7: Incertidumbre Digital