Las compuertas digitales son los bloques básicos de cualquier circuito digital. Todos los
aparatos digitales, desde el más simple dispositivo, hasta la más sofisticada computadora, están formados por compuertas conectadas en una gran variedad de configuraciones.
Una compuerta digital es un circuito electrónico con dos o más líneas de entrada y una línea de salida, que tiene la capacidad de tomar decisiones.
La decisión tomada por una compuerta consiste en situar su salida en 0 ó en 1, dependiendo del estado de sus entradas y de la función lógica para la cuál ha sido diseñada.
En electrónica digital existen ocho compuertas lógicas, designadas como AND, OR, NOT,
YES, NAND, NOR, XOR y XNOR.
Como describir la operación de una compuerta.
La operación de una compuerta lógica se puede expresar mediante una tabla de verdad,
una ecuación lógica o un diagrama de temporización.
Una tabla de verdad representa ordenadamente todas las posibles combinaciones de estados lógicos que pueden existir en las entradas y el valor que toma la salida en cada caso.
La ecuación lógica relaciona matemáticamente la salida con las entradas.
Un diagrama de temporización representa gráficamente el comportamiento de una compuerta con señales variables en el tiempo.
Comportamiento:
♦ Si todas sus entradas son uno, su salida será uno.
♦ Si al menos una de sus entradas es cero, su salida será cero.
Comportamiento:
♦ Si al menos una de sus entradas es uno, su salida será uno.
♦ Si todas sus entradas son cero, su salida será cero.
Comportamiento:
♦ Si su entrada es cero, su salida será uno.
♦ Si su entrada es uno, su salida será cero.
Comportamiento:
♦ Si su entrada es cero, su salida es cero.
♦ Si su entrada es uno, su salida es uno.
Comportamiento:
♦ Si al menos una de sus entradas es cero, su salida será uno.
♦ Si todas sus entradas son uno, su salida será cero.
Comportamiento:
♦ Si sus entradas son cero, su salida será uno.
♦ Si al menos una de sus entradas es uno, su salida será cero.
Comportamiento:
♦ Si el número de entradas en alto es impar, la salida será alta. De otra manera será
baja.
Comportamiento:
♦ Si el número de entradas en alto es par, la salida será alta.
♦ Si el número de entradas en alto es impar, la salida será baja.
TIPOS DE COMPUERTAS
Schmitt – Trigger
Las compuertas Schmitt-Trigger son dispositivos que se utilizan para convertir señales imperfectas, lentas o con ruido en señales digitales bien definidas, rápidas y sin ruido. Realizan las mismas funciones lógicas de las compuertas comunes pero poseen ciertas características distintivas especiales.
Símbolo de dispositivos Schmitt-Trigger
Las características de las compuertas Schmitt-trigger las hacen muy útiles en numerosas aplicaciones donde se presentan problemas con señales mal definidas, distorsionadas o ruidosas.
Las compuertas Schmitt-trigger operan como compuertas comunes, pero se caracterizan por poseer una propiedad llamada histéresis que las hace inmunes al ruido y les permite trabajar con señales digitales no ideales. Una compuerta Schmitt-trigger entrega siempre una onda cuadrada a la salida, sin importar la forma de onda de la señal de entrada.
La característica de histéresis significa que los dispositivos Schmitt-trigger solo responden cuando los voltajes aplicados a sus entradas superan unos valores límites preestablecidos, llamados umbrales.
Buffer.
Los buffers o separadores son esencialmente compuertas con una alta capacidad de corriente de salida. Estas características les permite manejar directamente LED’s, relevadores de estado sólido, relevadores electromecánicos y otras cargas que no pueden ser impulsadas directamente por compuertas comunes.
Los buffers se utilizan principalmente como amplificadores de corriente. Un buffer a la salida de un circuito integrado digital aumenta su fan-out, es decir, la máxima corriente de salida que este puede suministrar.
Existen básicamente dos clases de buffers: inversores y no inversores.
Desde el punto de vista lógico, los buffers inversores operan como inversores
convencionales.
Los buffers no inversores entregan el mismo nivel lógico que reciben.
Un buffer se puede conectar a una carga de dos formas: como disipador de corriente (modo sink) o como fuente de corriente (modo source). En el modo sink la carga se conecta entre la salida y el positivo de la fuente; y en el modo source la carga se conecta entre la salida y tierra.
Clases de buffers
Compuertas de colector abierto.
En las compuertas de salida de colector abierto debe conectarse una resistencia externa
entre la salida de esta y + Vcc.
Símbolo de una compuerta de colector abierto.
Las compuertas de colector abierto TTL pueden operar sin la resistencia externa cuando se conecta a las entradas de otras compuertas TTL, aunque esto no se recomienda debido a la baja inmunidad al ruido encontrada. Sin una resistencia externa, la salida de la compuerta será un circuito abierto cuando la salida este en estado bajo
Las compuertas de colector abierto TTL se emplean básicamente en tres aplicaciones principales que son: impulsar una lámpara o relevador, realizar lógica alambrada y para la construcción de un sistema de bus común.
Impulsar lampara o relevador.
Una salida de colector abierto puede impulsar una lámpara colocada en su salida a travésde una resistencia limitadora.
Lógica alambrada.
Si las salidas de varias compuertas de colector abierto TTL se ligan con una sola resistencia externa, se realiza una lógica AND alambrada.
Alambrado en lógica AND de dos compuertas NAND de colector abierto.
Bus común.
Las compuertas de colector abierto pueden ligarse para formar un bus común. En cualquier momento, todas las salidas de compuerta ligadas al bus, excepto una, deben mantenerse en su estado alto. La compuerta seleccionada puede estar ya sea en el estado alto o bajo, dependiendo de si se desea transmitir un 1 ó un 0 en el bus.
Compuertas de colector abierto que forman una línea de bus común.
Compuertas de tres estados.
La lógica digital es binaria porque responde solamente a dos estados de entrada: el alto (1) y el bajo (0). En un dispositivo TTL, por ejemplo, una salida determinada solo podrá estar a un nivel alto o a un nivel bajo. Cualquier otro nivel de voltaje es invalido.
Existen situaciones donde es deseable desconectar o aislar el terminal de salida del resto de la circuitería interna con el fin de lograr que ese punto quede libre o flotando, es decir, que no este ni en alto ni en bajo. La solución a ese problema es lo que se ha dado en llamar lógica de tres estados, o lógica tri.state®. Los dispositivos lógicos de tres estados tienen tres niveles de salida llamados alto, bajo y flotante. A este último se le denomina más exactamente estado de alta impedancia o estado Hi-Z.
Compuertas de tres estados
Las compuertas de tres estados sustituyen de manera eficiente al arreglo de línea de bus común con compuertas de colector abierto.
IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES CON COMPUERTAS BASICAS
- Un diagrama lógico o logigrama se obtiene a partir de una función o expresión lógica.
- Un diagrama lógico es la representación en forma de símbolos de las funciones lógicas.
- La implementación de funciones consiste en desarrollar el diagrama lógico de una funcióno expresión lógica dada con compuertas lógicas básicas o con lógica NAND o lógica NOR.
- La tabla de verdad nos representa el comportamiento del circuito para cada una de susposibles combinaciones de entrada. Para determinar el número de combinaciones se aplica la formula 2 n, donde “n” es el número de entradas.
1.- Realizar el diagrama lógico de la siguiente función y obtener su tabla de verdad:
Logigrama de la función F
La función lógica requiere para su implementación de tres inversores, tres compuertas
AND y dos compuerta OR.
Tabla de verdad de la función F
Para obtener la tabla de verdad de una función o diagrama lógico:
1. Determinar el número de entradas para poder obtener el número de posibles combinaciones con la formula 2 n, donde “n” es el número de entradas (en este caso n=3, por lo tanto hay 8 posibles combinaciones de entrada).
2. En la segunda columna se escriben cada una de las posibles combinaciones de entrada con su valor complementado o negado.
3. En las siguientes columnas (AB’C’, A’BC’, B’C’) se va colocando el resultado de cada
uno de los términos de la expresión lógica de acuerdo a la combinación de entrada.
4. En la última columna (F) se obtiene el estado de la salida de la función que corresponde a cada combinación de entrada.
2.- Realizar el diagrama lógico de la siguiente función y obtener su tabla de verdad:
Logigrama de la función F2
La función lógica requiere para su implementación de tres inversores, tres compuertas
AND y tres compuerta OR.
Su tabla de verdad queda de la siguiente manera:
Tabla de verdad de la función F2
