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7/29/2019 Curso Modulo 10
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MODULO 10
Introduccin a los
circuitos digitales
Los avances en el campo de la electrnica digital, apoyados por el
milagro de la microelectrnica (la ciencia de fabricar circuitos
integrados), han permitido el desarrollo y la fabricacin masiva de
relojes, computadoras, telfonos celulares, robots, juegos,
instrumentos y toda una nueva generacin de aparatos y sistemas
"digitales" empleados en todos los campos de la actividad humana. En
este modulo estudiaremos los principios bsicos de las compuertas, los
flip-flops y otros circuitos bsicos que constituyen el ncleo de la
electrnica digital, una de las reas de especializacin de la electrnica
de mayor progreso en los ltimos tiempos.
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MODULO 10Qu son los circuitos digitales?
Prcticamente todos los circuitos examinados hasta el
momento son anlogos, lo cual implica que trabajan
con seales que varan en forma gradual o continua
sobre un amplio rango de valores de voltaje y/ocorriente, figura 10.1 a. Tambin existen situaciones
en las cuales es necesario operar con seales de
voltaje o de corriente que slo adoptan un nmero
discreto o finito de valores, figura 10.1b. Este tipo de
seales se denominan seales digitales o lgicas y
los circuitos que trabajan las mismas, circuitos
digitales o lgicos. El estudio de los circuitos digitales
es el marco de accin de la electrnica digital.
La electrnica digital es conceptualmente ms
sencilla que la electrnica anloga porque trabaja con
componentes y seales de naturaleza binaria, es decir,
que slo pueden adoptar uno de dos valores, niveles o
estados posibles. En la electrnica digital, estos pa-
rmetros se designan, respectivamente, como 1 (uno)
o alto y 0 (cero) o bajo. En la figura 10.2 se comparan
estos conceptos. En la figura 10.2a se muestra un
ejemplo sencillo de circuito elctrico de naturaleza
digital. En este caso, el interruptor S1 acta como un
componente digital porque slo puede estar abierto
(0) o cerrado (1). Asimismo, el voltaje
aplicado a la lmpara (RL) es una seal digital porque
slo puede ser 0V (0) cuando S1 est abierto, +9V
(1) cuando S1 est cerrado. Una asignacin similar de
valores lgicos puede ser hecha a la corriente I a
travs del circuito (presente, ausente) o al estado de la
lmpara (encendida o apagada).
En la figura 10.2b se muestra un ejemplo sencillo
de circuito anlogo. En este caso, el interruptor ha sido
sustituido por un potencimetro (P1), el cual acta
como un componente anlogo cuya resistencia puede
adoptar un nmero infinito de valores entre un mnimo
y un mximo. Del mismo modo,el voltaje, la corriente y
el nivel de brillo de la lmpara son cantidades
anlogas.
En la terminologa digital, los niveles o estados l-
gicos 0 y 1 se denominan comnmente bits. Un bit oun grupo de bits pueden representar muchos niveles
diferentes de informacin en los circuitos y sistemas
digitales, incluyendo nmeros, datos y decisiones. Los
nmeros, en particular, se representan y manipulan
utilizando el sistema binario o de base 2; los datos
(letras, instrucciones, msica, etc.), utilizando diversos
tipos de cdigos; y las decisiones, utilizando las reglas
de la lgica digital, agrupadas bajo lo que se conoce
como el lgebra Booleana.
Conceptos bsicos de lgicadigital y lgebra Booleana
Los unos (1) y ceros (0) utilizados para representar
nmeros y construir cdigos pueden tambin ser
utilizados para representar conceptos lgicos del tipo
falso/verdadero, si/no, abierto/cerrado, alto/bajo,
arriba/abajo, etc., as como para tomar decisiones del
tipo "si, entonces", es decir, si una serie de cir-
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MODULO 10cunstancias particulares ocurre, entonces una accin
particular resulta. En el caso del circuito de la figura
10.2a, por ejemplo, si el interruptor S1 est cerrado,
entonces la lmpara RL ilumina. En otras palabras, si
S1 es 1, entonces RL es 1.
El estudio de estos procesos de razonamiento
constituye el ncleo de una disciplina filosfica co-
nocida como lgica, una de cuyas ramas ms im-
portantes es el lgebra Booleana, la cual utiliza
nicamente conceptos del tipo falso/verdadero. La
aplicacin de este mtodo de razonamiento mate-
mtico al anlisis y diseo de circuitos digitales, recibe
el nombre de lgica digital. El lgebra Booleana se
denomina as en honor de su creador, el matemtico
ingls Georg Simn Boole (1815-1846).
La expresin verbal de un juicio acerca de algo que
puede ser falso o verdadero, por ejemplo, "est
lloviendo", se denomina en lgica pura una proposi-
cin y corresponde en el marco del lgebra Booleana
a una variable lgica. Las variables lgicas se iden-
tifican generalmente mediante caracteres alfabticos o
alfanumricos (A, D3, CLR, etc.). En electrnica digital,
las variables lgicas se utilizan para representar
seales o condiciones que slo pueden adoptar uno dedos estados posibles (0=falso, 1 =verdadero). Las
variables lgicas y sus relaciones se representan, ma-
nipulan y expresan mediante tablas de la ver-
dad, ecuaciones lgicas, smbolos lgicos y
operaciones lgicas.
Una tabla de la verdad es una repre-
sentacin grfica que contiene todas las
posibles combinaciones de estados de las
variables de entrada y los estados de la
variable de salida resultantes de cada una. Una
ecuacin lgica es una expresin matemtica
que describe analticamente la relacin de cada
variable de salida con las variables de entrada.
Las ecuaciones lgicas se representan
grficamente mediante la combinacin de uno
o ms smbolos lgicos, cada uno de los
cuales describe una operacin lgica entre un
cierto nmero de variables de entrada.
Las operaciones lgicas bsicas del lgebra
Booleana son: el producto, la suma y el comple-
mento o inversin, denominadas respectivamente
operaciones AND.OR y NOT. En la figura 10.3 se
muestran los smbolos, las ecuaciones y las tablas de
la verdad que describen estas operaciones fun-
damentales. En adicin a estas operaciones bsicas
existen otras auxiliares, derivadas de las primeras, que
se utilizan con frecuencia en el diseo de circuitos
digitales. Las ms importantes son la AND negada
(NAND), la OR negada (OR), la OR exclusiva
(XOR).la OR exclusiva negada (XNOR) y la NOT
negada (YES). En la figura 10.4 se describen estas
operaciones auxiliares.
Tanto las operaciones fundamentales como lasderivadas son ejecutadas en la prctica por circuitos
electrnicos especializados llamados compuertas. Las
compuertas son los bloques constructivos bsicos de
todos los circuitos y sistemas digitales. Las
compuertas, as como muchas funciones espe-
cializadas construidas a base de las mismas (flip-flops,
decodificadores, contadores, memorias,
micropro-cesadores, etc.), estn corrientemente
disponibles como circuitos integrados digitales.
Dependiendo del nmero de compuertas utilizadas ensu construccin, estos ltimos pueden ser de pequea,
mediada, alta, o muy alta escala de integracin.
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MODULO 10El transistor como interruptor
Los circuitos digitales estn basados en el uso de
transistores, bipolares o de efecto de campo, operando
como interruptores, es decir, entre el corte y la
saturacin. En la figura 10.5a se muestra comoejemplo la estructura de un interruptor bsico con
transistor NPN. En este caso, cuando se abre el
interruptor S1 ,no hay corriente de base y por tanto no
hay corriente de colector. Como resultado, el transistor
est cortado (off) y la lmpara permanece apagada.
Asimismo, cuando el interruptor se cierra, circulan una
corriente de base (9,4mA) y una corriente de colector
(100mA) y la lmpara se ilumina. En el primer caso, el
punto de trabajo coincide con el de corte, mientras que
en el segundo coincide con el de saturacin.
Para la conmutacin de cargas inductivas, por
ejemplo, rels y motores, el transistor debe ser pro-
tegido mediante un diodo inversamente polarizado,
conectado en paralelo con la carga, como se indica en
la figura 10.5b. Sin el diodo, la corriente almacenada
en la bobina tendera a seguir circulando a travs del
transistor, con lo cual se producira un voltaje muy alto
entre el colector y el emisor del mismo, capaz de
destruirlo. El diodo evita que esto suceda,
proporcionando un camino de baja resistencia para la
circulacin de esta corriente.
En la figura 10.6a se muestra el circuito bsico deun interruptor con MOSFET. En este caso, con el
interruptor en la posicin superior, la compuerta recibe
un voltaje alto (10V) y el MOSFET conduce,
energizando la carga. Asimismo, con el interruptor en
la posicin inferior, la compuerta recibe un voltaje bajo
(0V) y el MOSFET deja de conducir, desenergizando la
carga. En el primer caso, el transisor est en el estado
de saturacin, mientras que en el segundo est en el
estado de corte.
Los MOSFET posibilitan tambin la conmutacin
de seales anlogas, lo cual no es posible con transis-
tores BJT Esta situacin se ilustra en la figura 10.6b.
Figura 10.4. Operaciones lgicas derivadas. Las operaciones NAND, OR, XOR v XNOR se aplican a dos o ms variables, v la YES a
una sola variable.
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La idea bsica es conmutar el MOSFET del estado
de circuito abierto al de cortocircuito, y viceversa,
mediante la aplicacin de un voltaje de nivel bajo (0V)
o alto (+15V) en la compuerta. As se consi-gue bloquear o dejar pasar la seal
anloga desde la entrada hasta la
salida. En el primer caso (VG=0V),
el MOSFET no conduce y el voltaje
sobre la carga es 0V, mientras que
en el segundo, el MOSFET conduce
y sobre la carga aparece el voltaje
de entrada.
Operaciones lgicascon transistores y
diodos
Los transistores, junto con los
diodos, pueden ser utilizados paraefectuar fcilmente las operaciones
lgicas, bsicas y derivadas,
descritas anteriormente. En la
figura 10.7 se muestra, como
ejemplo, la forma de llevar a cabo
las operaciones NOT, AND. NAND
y OR utilizando exclusivamente
diodos, transistores y resistencias.
En todos los
casos, las variables de entrada (A y B) y de salida (Q)
representan niveles de voltaje, correspondiendo un
nivel bajo (0) a 0V y un nivel alto (1) a 5V.
En el caso del inversor, figura 10.7a, por ejemplo,
la aplicacin de un nivel alto en la entrada A causaque circule una corriente de base y el transistor se
sature, con lo cual el voltaje en la salida Q es
prcticamente 0V, correspondiente a un nivel bajo.
Asimismo, la aplicacin de un nivel bajo en la entrada
no produce corriente de base, con lo cual el transistor
se bloquea, producindose en la salida Q un voltaje de
+5V, correspondiente a un nivel alto. Del mismo modo
se analizan los otros circuitos.
Tenga en cuenta que un diodo conduce cuandoest directamente polarizado, es decir el nodo es
positivo con respecto al ctodo, y no conduce cuando
est inversamente polarizado. En el primer caso, la
cada de voltaje entre sus terminales es muy baja, del
orden de 0,6V, asimilable a un nivel lgico bajo (0).
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Familias lgicas de circuitosintegrados digitales
Los circuitos integrados digitales modernos pueden ser
bipolares o MOS, dependiendo del tipo de transistores
utilizados como interruptores en su manufactura.
Especficamente, los circuitos bipolares estn basados
en el uso de transistores bipolares (BJT) y los circuitos
MOS en el uso de transistores MOS-FET. Dentro de
cada una de estas tecnologas existen diferentes tipos
de familias. Una familia lgica es un grupo dedispositivos lgicos integrados que comparten una
tecnologa comn de fabricacin y son elctricamente
compatibles entre s. En el cuadro de la figura 10.8 se
relacionan las familias bipolares y las familias MOS
ms comunes.
La familia bipolar ms conocida y utilizada, en sus
distintas versiones, es la TTL (Transistor-Transistor
Logic), introducida originalmente por Texas Instruments
en 1964. Las familias R.TL (Resistor-Transistor Logic) y
DTL (D/ode-Transistor Logic) son prcticamente
obsoletas en la actualidad, pero fueron muy populares
en el pasado. La tecnologa ECL (Emitter-Coupled
Logic), introducida por Motorola en 1962, se utiliza
principalmente en tareas de muy alta frecuencia. La
tecnologa l2L (Integrated Injec-tion Logic), por su
parte, se utiliza en tareas de alta integracin, como
relojes, sintetizadores de sonido, microprocesadores,
etc., combinada generalmente con circuitos anlogos.
La familia MOS ms conocida, y una de las ms
populares.es la MOS complementaria o CMOS
(com-plementary metal-oxide-semiconductor),
introducida originalmente por RCA en 1963 y que
utiliza tanto transistores NMOS como PMOS. Las
familias PMOS (basadas en el uso de MOSFET decanal P) y NMOS (idem. de canal N), se utilizan
principalmente en tareas de alta integracin, como
memorias, calculadoras, etc. Existen tambin algunas
variaciones estructurales de estas familias, como
VMOS, DMOS y HMOS, tendientes a mejorar la
velocidad de conmutacin. En esta leccin nos
referiremos exclusivamente a los circuitos integrados
TTL y CMOS.
En todos los circuitos integrados digitales, losestados lgicos 0 (bajo) y alto (1) corresponden a
valores de voltaje, los cuales tienen rangos de validez
definidos, separados por una zona de valores
invlidos. Esta situacin se ilustra en la figura 10.9. En
este caso, el nivel bajo (0) vlido corrresponde a
cualquier voltaje entre Vo y V1, y el nivel alto (1)
vlido, a cualquier voltaje entreV2 y V3.Tpicamente,
Vo corresponde a OV y V3 al voltaje de alimenta-
cin,digamos +5V.Los voltajes entreVI yV2 se con-
sideran invlidos y deben evitarse porque provocan un
funcionamiento errtico.Tambn deben evitarse los
voltajes superiores aV3 o inferiores aVo, porque
pueden producir daos irreversibles.
La mayor parte de los dispositivos TTL se identi-
fican mediante una referencia de la forma AA74xxyy,
donde AA es el cdigo que identifica al fabricante
(DM,SN,MM,TC,etc),xx un cdigo que identifica la
subfamilia del dispositivo y yy un nmero de dos o
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tres cifras que identifica la funcin del mismo. Ejem-
plos: 74LS00, 7493. 74S279, etc. Los dispositivos
CMOS, por su parte, se identifican principalmente
mediante referencias de las formas AA4xxxB,
AA74Cxx,AA74HCxx y AA74HCTxx. Ejemplos:
CD4011B, DM74C925, SN74HCT134. etc.
Tanto la familiaTTL como la CMOS comprenden
varias subfamilias que representan distintos grados
de compromiso entre la velocidad de operacin y el
consumo de potencia. En general, los circuitos
inte-gradosTTL se caracterizan por su alta velocidad y
los CMOS por su bajo consumo de potencia
Las subfamilias TTL ms importantes son la estn-
dar (74), la de baja potencia (74L), la de alta velocidad(74H), la Schottky (74S). la Schottky de bajo consumo
(74LS) y las Schottky avanzadas (74AS y 74ALS). En la
figura 10.10 se muestra, como ejemplo, la estructura
interna de una compuerta NANDTTL estndar.
Las subfamilias CMOS ms importantes son la 40
(estndar), la 74C (equivalente TTL), la 74HC (alta
velocidad) y la 74HCT (alta velocidad con entradas
TTL). En la figura 10.11 se muestra como ejemplo la
estructura de una compuerta OR CMOS estndar.Actualmente, las subfamilias TTL y CMOS ms
utilizadas son la 74LS, la 40 y la 74HC, siendo esta
ltima la que ofrece el mejor desempeo.
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Todas las subfamilias TTL trabajan con una tensin
de alimentacin de +5V e interpretan los unos y los
ceros de la misma forma. Especficamente, cualquiervoltaje entre 0V y 0.8V corresponde a un nivel o
estado bajo (0) y cualquier voltaje entre 2.0V y 5,0V a
un nivel o estado alto (1). Los voltajes entre 0.8V y
2,0V se consideran invlidos.
La subfamilia CMOS estndar, por su parte,opera
con tensiones de alimentacin (VDD) desde 3V hasta
18V. Utiliza niveles de voltaje de entrada desde 0
hasta 0.3VDD para el estado bajo (0) y desde 0.7VDD
hasta VDD para el estado alto (1). Las otras
subfamilias (74HC, 74C y 74HCT) operan tpicamente
con +5V e interpretan los unos y los ceros de una
forma similar.
Compuertas lgicas y flip-flops
Las compuertas son, junto con los f l ip- f lops, los
bloques constructivos bsicos de todos los circuitos y
sistemas digitales. Las primeras efectan decisiones u
operaciones lgicas simples, mientras que los segun-dos almacenan b/ts o estados lgicos. Los principales
tipos de compuertas lgicas disponibles como circuitos
integrados TTL o CMOS, son la AND, la OR, la
NAND.Ia OR. la XOR y la XNOR, denominadas asi
de acuerdo a la operacin lgica que efectan. Un ejem-
plo representativo es el 4011B, figura 10.12, el cual
incluye 4 compuertas NAND convencionales de dos
entradas (NAND-2) en una cpsula de 14 pines.
Los principales tipos de flip-flops son el D (data), elT (togg/e) y el J-K, diferenciados entre s por la forma
como almacenan un bit (0 o 1) de informacin. En la
figura 10.13 se muestran los smbolos utilizados para
representar estos dispositivos. En un fp-fop tipo D,
por ejemplo, el dato almacenado depende del estado
de la lnea de entrada D. Por tanto, si D=0, entonces
Q=0 y si D=1, entonces Q=1. La salida Q adopta el
estado complementario. La transferencia del dato la
controla una seal de pulsos aplicada a la entrada CLK
(reloj). Se dice, entonces, que se trata de un flip-flop
sincrnico. En la figura 10.14 se muestra como ejem-
plo el circuito integrado 4013B, el cual contiene dos
flip-flops D en una misma cpsula de 14 pines.
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Los circuitos desarrollados exclusivamente a base
de compuertas, sin elementos de memoria (flip-flops)
en su interior.se denominan genricamente circuitos
combinatorios o de lgica combinatoria. En ellos, el
estado de cada salida depende exclusivamente de la
combinacin de estados de las entradas. En la figura
10.15 se muestra un ejemplo de circuito combinatorio,
el cual entrega un nivel alto (1) en la salida Q cuandodos entradas cualesquiera, por ejemplo A y C son de
nivel alto (1).y un nivel bajo (0) en los dems casos.
Muchas funciones combinatorias de uso comn estn
estn corrientemente disponibles como circuitos
integrados de mediana escala (MSI). Ejemplos:
codificadores, de-codificadores, multiplexores,
sumadores, unidades aritmtico-lgicas (ALU), etc.
Circuitos de pulsos
La mayor parte de los circuitos digitales prcticos
utilizan seales que cambian de estado con el tiempo.
Estas seales se denominan genricamente pulsos.
En la figura 10.16 se muestran algunos ejemplos de
seales de pulsos. Un flanco, por ejemplo, es una
transicin de un nivel lgico a otro, mientras que un
pulso monoestable es una seal que efecta una
transicin de un estado al otro y regresa a su estado
inicial despus de un cierto tiempo.
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Los pulsos astables, tambin llamados trenes depulsos, son seales en las cuales los cambios de un
estado a otro se producen en forma continua y
peridica, es decir, pasan alternativamente de un nivel
bajo a un nivel alto, y viceversa, a intervalos regulares.
Por ltimo, los pulsos biestables son seales que no
siguen necesariamente un patrn regular.
Los pulsos monostables y astables son produci-dos por unos circuitos llamados
mul-tivibradores o timers, siendo uno
de los ms populares el circuito
integrado anlogo 555, figura
10.17.Tambin se dispone de circuitos
integrados digitales especializados en
la produccin de pulsos, como el
monoes-tableTTL 74LS123. En las
figuras 10.18 y 10.19 se muestran
algunos ejemplos circuitos prcticos de
mul-tivibradores monoestables y
astables.
Los pulsos biestables se producen generalmente apartir de las seales anteriores mediante el uso de
flip-flops. Este tipo de circuitos se conocen genrica-
mente como circuitos secuenciales y se caracterizan
porque el estado de la salida depende no solamente
de las combinaciones de estados de las entradas, sino
de la secuencia (orden en el tiempo) en la cual ocurren
estas combinaciones. En la figura 10.20 se muestra
un ejemplo de circuito secuencial. Muchas funciones
secuenciales de uso comn y especializado estn
corrientemente disponibles como circuitos integrados
de mediana y alta escala. Ejemplos: contadores,
registros de desplazamiento, codificadores de
teclados, memorias, microcontroladores, etc.
Concluimos as con el ultimo modulodel Curso de
Electrnica Bsica. Pero no todo est dicho: an falta
mucho por recorrer. Afortunamente, usted es quin
decide hasta donde quiere llegar. Cualquiera que sea
su eleccin, cuente siempre con nosotros.Consltenos
a:cursos@electroeducar.com.ar .
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MODULO 10ELECTRONICA AUTOMOTRIS
ELECTROECUCAR
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LES AGRADESEMOS A:
COORDINADORES DE ELECTROEDUCARhttp://www.electroautos.com.ar
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FINAL DEL CURSO:
ELECTROEDUCAR LES AGRADECE EL HABERSE
INSCRIPTO EN ESTE CURSO GRATUITO DEELECTRONICA GENERAL EN EL CUAL TRATAMOS
DE DARLES LO MAS IMPORTANTE DE LA
ELECTRONICA,PARA QUE PUEDAN ENTENDER EL
RITMO DE LOS CURSOS COMO :REPARACION DE
ECU Y DESINMOVILIZACION.
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