1ELECTRNICA DIGITAL. UN LIBRO PARA SU ESTUDIO Toms Polln Santamara Departamento de Ingeniera Electrnica y Comunicaciones Universidad de Zaragoza. tpollan@unizar.es RESUMEN PrensasUniversitariasdeZaragozahapublicadountextodeelectrnicadigital,distribuido(por razones de tamao, precio y utilizacin) en tres partes: Sistemas combinacionales, Sistemas secuenciales yMicroelectrnicadigital.Pretendeserunlibroparaelestudio,paraelesfuerzoindividualquecada estudiante ha de realizar para aprehender, es decir, para hacer suyos los conocimientos y la forma de razonar propios de esta disciplina. El resultado ha sido un manual muy completo y puesto al da, que procurarecorrertodoelcaminoquellevadesdelosconceptosymtodosbsicoshastalossistemas complejos,situndoseenunaperspectivadediseodigitalactual(enqueloscircuitosserealizan,en tamaomicro,sobredispositivosprogramablesoASICs).Particularinterstienencaptulosno habituales,comolosreferentesalproblemadelruido,alsignificadoyrequisitosdelsincronismo,ala modulacin en anchura de pulsos, a VHDL, al test de fabricacin,...1. PRESENTACIN En octubre de 1994 fue publicada por Prensas Universitarias de Zaragoza, en la Coleccin de TextosDocentes,laprimeraedicindeestaELECTRNICADIGITALque,desdeelao 1982yensucesivasversiones,habasidoimpresaenformadeapuntesporcaptulos. Habindoseagotadolaprimeraedicin,abordlatareadeescribirunnuevotextoconla finalidaddeactualizarsuscontenidos(talcomorequiereelaceleradoyconstanteritmode evolucin de esta materia y, en particular, de sus componentes electrnicos) y de mejorar en lo posible la organizacin y el tratamiento de los mismos. La presente edicin, por motivo de nmero de pginas (y, tambin, por razones de precio y de secuencia de utilizacin), se ofrece en tres tomos: el primero con el subttulo de sistemas combinacionales,coneldesistemassecuencialeselsegundoyelltimorelativoala microelectrnica digital. No es que esta divisin sea realmente operativa en cuanto al diseo digital;dehechotodosistemadigitaldeunaciertacomplejidadessecuencialytododiseo digitalactualesmicroelectrnico.Perodealgunaformahabaquedividirlamateriayla divisin adoptada es til en relacin con la progresin en el estudio de la misma. Este texto pretende ser un libro para el estudio tanto de la Electrnica Digital como de los Sistemas Lgicos (en el caso de los dos primeros volmenes, el tercero es ms especifico de microelectrnica), que se pone a disposicin de los estudiantes de tales asignaturas y de todas laspersonasinteresadasenellas.Parafacilitarsuutilizacinporpartedequienesse encuentreninteresadosenlossistemaslgicos,peronoensurealizacinelectrnica,seha procurado separar en captulos distintos dichos aspectos.Noesunlibrodeconsulta;existeungrannmeroyunaampliadiversidaddelibrosde consultadisponibles,algunosdeloscualesvienenreseadosenlabibliografa,alfinaldel texto.Nitampocopretendeserunaguaparalapreparacindelasclasesporpartedel profesor, aunque seguramente pueda proporcionar una ayuda eficaz en tal sentido. 2Eltextohasidoelaboradoycontrastadoconlaintencindeconfigurarunlibroparael estudiopersonal,paraelesfuerzoindividualquecadaestudiantehaderealizarpara aprehender,esdecir,parahacersuyoslosconocimientosylaformaderazonarpropios de una materia o disciplina: [aprenderaprehendereapropiarse aduearseser dueo de] Desdetalperspectivasehanordenadolosdiversosconceptosysehadesarrolladola exposicindelosmismos,intercalandoendichaexposicinnumerososejemplosque permitanintroducir,aclararoaplicarloscorrespondientesconceptos.Deah,tambin,la reiteracin, casi repetitiva, de algunos conceptos e ideas en diversos lugares del texto, con el findeinsistirensucomprensinyasimilacin;eldetalleconqueseanalizanlosejemplos que sirven de introduccin a algunos temas; la propia presentacin del texto, destacando con negrita expresiones, variables y valores booleanos,... Laprimerapginadecadacaptulo,ademsdelndice,contieneunbreveresumeny justificacin de su contenido, a modo de invitacin a su estudio y, tambin, para establecer la perspectiva y finalidad del captulo en el contexto global de los sistemas digitales. Enlassecciones5,6y7deestacomunicacinsedescribe,conunciertodetalle,el contenido de cada uno de los volmenes. Adems, aprovechando la disponibilidad de espacio, en la seccin 2 se afirma, a modo de declaracin de principios, la informacin como concepto referencial de todo el texto: la electrnica como tcnica de manejo de la informacin; y, en el mismosentido,lassecciones3y4incidenendichomanejodelainformacinensu perspectiva histrica y en su perspectiva simblica. Materialcomplementarioparaelestudioyutilizacindeestetextoseencontrarenla pginawww.unizar.es/euitiz/digital.htm:enellasedispondrdecopiaactualizadadelos captulos; ampliaciones, comentarios, observaciones y erratas; hojas de ejercicios clasificadas portemas;coleccionesdetransparencias;etc.,quepuedenserutilizadas,copiadasy distribuidaslibrementeenlostrminosdelalicenciadeDocumentacinLibreGNU (referencia http://gugs.sindominio.net/licencias/fdl-es.html). La pgina WEB de Prensas Universitarias de Zaragoza (editorial propia de la Universidad de Zaragoza) es: http://puz.unizar.es/index.html. 2. LA INFORMACIN COMO PIEDRA ANGULAR Unpuntodereferenciabsicoenlaredaccindeltextoloconstituyeelconceptode informacinydesumanejo,laconsideracinfinalistadelossistemaslgicoscomo herramientaconceptualparaelprocesamientodelainformacinydelaelectrnicacomo tcnica eficaz para el tratamiento de la informacin. Ha sido escrito con el deseo expreso detransmitiralconjuntodeltextotalreferenciabsicaalainformacinyasuprocesamiento, como objeto y objetivo propio de la electrnica digital. Laelectrnicaeslatcnicademanejodelainformacinmseficazque,hoyporhoy, poseeelhombre;laelectrnicamanejalainformacincodificadaensealeselctricasy utiliza, para ello, dispositivos que aprovechan las propiedades de los electrones. Desdelaperspectivadeldesarrollohistricodelaelectrnica,podemosidentificartres grandes reas de aplicacin en el manejo de la informacin: Telecomunicacin:enviarlainformacinlejos,tantoenelespacio(comunicacinpor ondas)comoeneltiempo(almacenamientodelainformacinenunsoportematerialpara reproducirla posteriormente). 3Automatizacin:utilizarlainformacinparacontrolarprocesos;paraello,apartedelas propiasoperacionesaefectuarsobrelainformacin,senecesitansensores(capacesde convertirensealeselctricaslasmagnitudesfsicasqueafectanalproceso)yefectores (capaces de traducir las seales en acciones, en definitiva en otro tipo de magnitudes fsicas). Informatizacin:procesarlainformacinensmismaparadarleunanuevaformaoparaobtener nueva informacin a travs de combinar varias informaciones. Estostresmbitosdeactuacinsobrelainformacincoincidenconlastareasquelaelectrnicahaidoabordando,sucesivamente,ensudesarrolloalolargodelsigloXX. Tambincoincidenconlastresespecialidadesdelaingenieradedicadasalaelectrnica: telecomunicaciones, electrnica industrial (control de procesos) e informtica. Por qu la informacin? Qu inters tiene para nosotros la informacin? Lainformacinesunacomponentedelaactividadhumana;es,probablemente,la componente ms intrnseca de la actividad del hombre. Junto con los materiales y la energa, lainformacinestpresente,comoparteintegranteynecesaria,enlasdiversasaccionesde loshumanos(inclusopodemosdistinguiractuacionesenlasquenointervengan, externamente,losotrosdoscomponentes,materiayenerga,comoeslasimplereflexino pensamiento). Pero,adems,materiales,energaeinformacinrepresentanescalonessucesivosenla macrohistoria socio-econmica del hombre. Durante el proceso histrico del devenir humano, el hombre tuvo que ocuparse, en un primer y muy prolongado perodo, de los materiales que satisficieransusnecesidades,quelepermitieransobreviviryvivircadavezmejor,quele aportarancomodidadesy,tambin,quelesirvieranparaconfeccionartileseinstrumentos que facilitasen y aumentasen la eficacia de sus acciones. En segundo lugar, el hombre se preocup de que otros trabajasen por l, de desarrollar formas de complementar y de suplir su trabajo y su esfuerzo, hasta poder aprovechar las ms diversasfuentesdeenergaydisponerdemecanismosquepermitieranutilizarlaenerga externaparaobtenerlosproductosyserviciosqueleinteresaban.Unhitorelevantedeeste proceso de aprovechamiento de la energa lo constituye la mquina de vapor, que da lugar a unperodohistricoconocidocomorevolucinindustrial(mudanzaenelestadodelas cosas producida por la utilizacin eficaz de la energa en los procesos de produccin). Hoyda,elhombreseencuentraconlaposibilidaddeutilizarrecursosexternospara manejarlainformacin,paratransmitirla,recogerlayampliarlay,tambin,parautilizar,en lugardelpropiohombre,lainformacin.Loquehastahacepocoparecapatrimonio especfico del hombre, la captacin, el procesamiento y la utilizacin eficaz de informaciones complejasenformaverstil,hapasadoasertambindominiodelasmquinasydelas tcnicas.Porellonosencontramosenunnuevoperododemudanzaenelestadodelas cosas que podemos nombrar como revolucin informacional. Precisamente,porquelainformacinsehaexternalizadodelhombre,lahemos descubierto como concepto significativo. Hasta ahora haba pasado desapercibida como parte intrnsecayconsustancialalaactividadhumana.Lainformacin,comootrosconceptos inherentes a la actividad del hombre (el tiempo y la energa), se pone de manifiesto cuando se exterioriza, cuando el hombre la ve fuera de s, cuando la manejan las mquinas. 4 3. RECONOCER COMO HEMOS LLEGADO HASTA AQU Convieneresaltartresaspectosque,desdeelprincipio,distinguenalaelectrnica:su carcteraplicado(noesunadisciplinatericaodeinvestigacinbsicasinodemanejo efectivodelainformacin),larpidadifusindesusproductos,surelacindirectaconla gente (con las personas comunes, ms all de los profesionales o especialistas) y, con ello, su influencia en la vida cotidiana. Con el transistor (a mitad del siglo XX) comienza un proceso continuo de reduccin de la electrnica:todosehacemspequeo,mscorto,msrpido:sereducenosloeltamao, sino tambin el consumo y el coste; tambin se hace ms pequeo el tiempo de respuesta de los circuitos, el tiempo de desarrollo de los sistemas y el tiempo de su difusin pblica. Ello ha permitido construir y poner rpidamente en nuestras manos sistemas electrnicos cada vez ms complejos y potentes, de tamao, consumo y costes muy reducidos. Alaelectrnicalaminimizacinlevienedefamilia(elelectrnesdiminutoymuy veloz,encuantoasusefectos)yelresultadoesque,alhacersetanpequeaytanrpida,la electrnicasehametidoportodoslosrinconesdenuestravidaydenuestrasociedadyha promovidoesamudanzaenelestadodelascosasquecaracterizanuestropresente:la revolucin informacional. LaelectrnicadelaprimeramitaddelsigloXXsededicalatelecomunicacin,ensu dobleaspecto:espacialytemporal;desarrolllaradiodifusinylagrabacindelsonido(en discosmecnicos,cintasmagnticasybandaspticasdelaspelculassonoras),mejor ampliamente la telefona e inici la transmisin de imgenes (televisin). A partir de los aos 40, la electrnica aborda el control de procesos. La penetracin en la industriadelossistemasdecontrolelectrnicossevefavorecidaporlaintroduccinde dispositivoselectrnicosdecontroldeenergayporlaposibilidaddeabordartareas complejasgraciasaloscircuitosintegrados;deformaque,apartirdelosaos70,la electrnica pasa a controlar todo tipo de proceso industrial y, desde los aos 80, se incorpora masivamente dentro de los productos resultantes de la fabricacin industrial. Alavez,enestasegundamitaddelsigloXX,muypoquitoapocoalprincipioperode forma espectacular en el ltimo cuarto de siglo, la electrnica ha ido asumiendo otra vertiente ms abstracta y genrica: operar con la informacin en s misma, representarla y manejarla a travs de smbolos, lo que hoy en da entendemos por procesar la informacin. El camino hacia la informatizacin lo haban abierto dos precursores distantes entre s: Georges Boole, matemtico ingls, que tuvo xito en su empeo de construir un modelo matemtico del pensamiento humano (de la forma de razonar), estableciendo las bases de lalgicaproposicional(laforma de combinar proposiciones), a travs de una estructura matemticaque,andandoeltiempo,seraconocidacomolgebradeBoole(Una investigacin de las leyes del pensamiento, publicado en 1854).[1] Claude E. Shannon, ingeniero norteamericano, que, al desarrollar un modelo matemtico paratratarconlasredesdemltiplesconmutadorespropiasdelatelefona,identificala interconexin de conmutadores como lgebra booleana y pone de manifiesto que tambin lo es el sistema binario de numeracin (Un anlisissimblico de los rels y circuitos de conmutadores, publicado en 1938).[2]5SobrelasbasesconceptualesqueestablecenBooleyShannonseedificalaelectrnica digital (soporte instrumental del procesamiento de la informacin), que alcanza su mayora de edadenlosaos70,cuandoloscircuitosintegradospermitenconfigurarsistemas informticos potentes y reducir su coste, hasta llegar (en los aos 80) al microprocesador que hace viables los computadores personales. Perolaelectrnicapropiadelainformatizacin(laelectrnicadigital)noselimitaala configuracindesistemaspropiamenteinformticossinoque,desdesusinicios,sededica tambinalcontroldeprocesosy,enbuenamedida,desplazaalaelectrnicaanterior (analgica). El microprocesador resuelve muy eficazmente el control de procesos industriales ylaintegracindecircuitosdeaplicacinespecfica(ASICs)permiteminiaturizarcontroles sumamente sofisticados para el interior de los productos fabricados en tales procesos. Asimismo,hoyenda,laelectrnicadigitalhainvadidoyrenovadoelmbitodelas comunicacionesylossistemasdigitaleshanabiertonuevasalternativas(conextraordinarias prestaciones)encuantoaalmacenamientodesonidoeimagen,encuantoatelefonapor microondas y, tambin, en radio y televisin. 4. LO SIMBOLICO FRENTE A LO ANLOGO Las seales elctricas son el soportematerial de la informacin; segn la manera de codificar lainformacin(derepresentarlaenformadesealeselctricas)aparecendostiposde electrnica: la analgica y la digital. Laanalgicarepresentalascantidadesporanalogacuantitativa(amayorcantidad, mayor tensin) segn una relacin de proporcionalidad directa, mientras que la digital utiliza smbolos a travs de un proceso de codificacin abstracta. Elnombredeanalgicaderivadequelarepresentacinsehaceporanaloga:los valores de la seal elctrica son anlogos en cantidad a los de la magnitud fsica: hay una relacindirectaentrminosdecantidad,unarelacindeproporcionalidad.Elnombrede digitallevienedequeutilizadgitos:representalainformacinmediantepalabras formadas por varios dgitos, a travs de una codificacin: es una representacin simblica que requiere un proceso de abstraccin. Unsensoradecuadotransformadirectamentelacorrespondientemagnitudfsicaen tensinelctricaanalgica,peroserequiereunacodificacinposteriorparaquelaseal resultantedelamedidaseatrasladadaalapalabrabinaria(alconjuntodeseales)que correspondeasurepresentacindigital.Pormediohayuncdigoqueestablecelarelacin entrecadasmboloylacantidaddetensinanalgicaquerepresenta,cantidadque,adems, depende de la posicin (valor relativo) del smbolo en la palabra binaria. Esindudablequeseasumeunacomplicacin,unesfuerzoadicional,alpasardela representacinanalgicaaladigital.Enlautilizacindigitaldesmboloshayunesfuerzo intermedioimportantequenoresultaobvio:larepresentacinendgitosrequiereuna transformacincualitativa,unaconversinabstractaensmbolosque,segnellugarque ocupan, representan cantidades diferentes. Qu ganamos con ello? a)Precisin: los valores, una vez expresados en smbolos, estn claramente identificados con absoluta precisin; en cuanto a tensiones analgicas, al utilizar stas todo el rango devaloresdetensin,dosvaloresprximostendrndificultadesparadiferenciarse mientrasque,enelcasodigital,correspondernadospalabrasbinariasdiferentes(y su expresin en tensiones emplear para cada dgito dos valores distantes). 6b)Fortalezafrenteaperturbaciones(frentealruidoelectromagntico):lastensiones digitales utilizadas correspondern a dos valores distantes mientras que las analgicas recorrentodoelrangodevalores,deformaquelamsmnimaperturbacin modificar el valor que representan. c)Fortalezafrenteaderivasofaltasdeprecisindeloscircuitos:aloperarconlas sealeselctricascualquieretapaanalgicacausarunciertogradodeerror(una mnimadesviacindetensinounpequeofallodeprecisin)que,alactuarenun rango continuo supondr un error en el valor de la magnitud resultante; la separacin entre los valores de tensin que corresponden a los smbolos digitales anula el efecto de tales desviaciones. d)Capacidad de clculo: la representacin simblica permite utilizar los mecanismos de clculopropiosdelcorrespondientesistemadenumeracin(enelcasodigital,el clculo en el sistema binario). e)Capacidadderazonamiento(decombinarproposiciones):elrazonamientoespropio de la representacin simblica y de la combinacin de smbolos (a travs de las reglas de la lgica). Laelectrnicadigital,altrasladarnosalmundodelossmbolos,aportaprecisiny fortalezaynostransfierealplanodeloabstractoqueeselmbitodelclculoydel razonamiento. Entalsentidoimportareiterarquetodoesto(esdecir,elprocesamientodela informacin, codificada en smbolos binarios) comenz con los trabajos de Georges Boole y de Claude E. Shannon. En su bsqueda, junto a muchos otros investigadores de su poca, de unmodelo paraexpresarmatemticamente el pensamiento humano, esto es, la forma en que el hombre razona, Georges Boole nos leg un lenguaje formal (la lgica proposicional) que permitecombinarproposicionesyunaestructuramatemtica(ellgebradeBoole)que soportadicholenguaje.ClaudeE.Shannonnosmostrquedichaestructuramatemtica tambin soporta los clculos numricos en sistema binario y, adems, puede ser materializada por medio de conmutadores. Deladisponibilidaddeunlenguajeydeunsistemadenumeracincapacesdeser ejecutadosporunosdispositivosfsicosydelaformadeconfiguraradecuadamentetales dispositivos para realizar las correspondientes tareas de clculo, deduccin, decisin y control trata este libro; en las tres secciones siguientes se relata el detalle de su contenido. 5. PRIMER VOLMEN: I. SISTEMAS COMBINACIONALES [3] LabasematemticadelaelectrnicadigitallaconstituyeellgebradeBoole,cuyas funcionesexpresantodaslascorrespondenciasentrelasvariablesdelossistemasdigitales.Porello,resultaadecuadocomenzarporelestudiodellgebrabooleana,susoperacionesy teoremas (cap. 1) y la forma de construir y simplificar las funciones booleanas (cap. 2).Todo ello con referencia a las tres lgebras de Boole de dos elementos cuyo isomorfismo eslabasedelaelectrnicadigital(cap.1):lalgicaproposicional(lenguajeformalpara razonar),elsistemabinario(sistemadenumeracinparacalcular)yellgebrade conmutadores(componentesfsicosparaconstruirlasoperacionesbooleanas).Ladiversidad de representaciones de una funcin booleana (cap. 2) es la base para su construccin circuital, siendosumamentetileslosprocedimientosdesimplificacindelafuncinparareducirel tamao del circuito. 7Las funciones booleanas pueden agruparse en bloques o mdulos que realizan operaciones globalesdeintersgenrico:bloquescombinacionales.Deunlado(cap.3),interesanlos bloquesqueefectanoperacionesaritmticasentredosnmerosbinariosy,dentrodeesta perspectiva numrica, interesa ampliar el cdigo binario para representar (con los nicos dos smbolos disponibles, el 0 y el 1) nmeros negativos y nmeros con parte decimal. Porotraparte(cap.4),sontileslosbloquesquefacilitanladistribucindela informacinylaseleccindeposibilidades(multiplexores,demultiplexoresy decodificadores)y,tambin,losquesimplementetrasladanlamismainformacindeun cdigo a otro (codificadores); adems, estos tipos de bloques (distribuidores y codificadores) pueden construirse mediante configuraciones reticulares de sus conexiones, lo cual simplifica en gran medida su diseo y fabricacin. Losbloquescombinacionalesconstituyenpiezasdediseoquefacilitanladivisinde un sistema digital en partes y permiten configurarlo por ensamblaje de tales mdulos. Setratasiempredeconstruirconjuntosdefuncionesbooleanas,locualsecomplica cuando el nmero de sus entradas es alto: las estructuras matriciales (cap. 5) permiten abordar talcomplejidad.ExistentresestructurasconceptualmentesimplesROM,PALyPLA,que facilitan la descripcin y construccin de bloques combinacionales de muchas entradas; tales configuracionessirven,adems,paraconformarcircuitosintegradosprogramables, disponibles para insertar (programar) en su interior el conjunto de funciones booleanas de un codificador concreto o de un bloque combinacional especfico propio de un diseo particular. Unavezrecorridosloscimientosyelalmacndepiezasdelossistemaslgicos combinacionales (las funciones y los mdulos que hacen viable su diseo), conviene recordar quelamateriasobrelaquetrabajaneslainformacinyquestaseencuentracodificadaen palabrasbinariasdecerosyunos,existiendomltiplesposibilidadesdecodificacin (cap. 6). Conviene, asimismo, tomar conciencia de la posibilidad de error (principalmente en latransmisinyenlaconservacindelainformacin)yconocerlaexistenciadecdigos capaces de detectar e, incluso, de corregir los errores. Hastaaqu(captulosdel1al6)sehatratadodelossistemaslgicossinreferenciaala electrnica que permite construirlos fsicamente; tambin es preciso conocer y comprender la tecnologa (y a ello van dedicados los captulos 7, 8, 9 y 10).Se denomina puerta lgica a la realizacin fsica de una operacin booleana. Las puertas con diodos (cap. 7), adems de su utilidad como puertas individuales, sirven para apreciar la necesidad de buen acoplo en tensin (requisito inexcusable para conectar una puerta lgica a lasiguiente,yaqueloquesetransmiteesunatensinelctrica).Porotraparte,laspuertas lgicashabitualessondetipoinversor,construidasconinterruptoressegnellgebrade conmutadores, y el transistor NMOS es un excelente interruptor. La combinacin de interruptores de los dos tipos complementarios, utilizando transistores NMOSyPMOS,permiteanularelconsumoestticodelaspuertaslgicasyreducirsu resistenciadesalida,configurandopuertasdecaractersticascuasi-ideales;esporellola tecnologa digital predominante: familia lgica CMOS (cap. 8).La tecnologa CMOS ofrece una muy amplia diversidad de configuraciones (cap. 9), tanto envariedaddepuertascomplementariascomoenotrostiposdepuertasparaaplicaciones especficas:laspuertasdetransmisinfacilitanlaconfiguracindemultiplexoresyla desconexin(estadodealtaimpedancia)ylaspuertasseudoNMOSpermitenconstruir estructuras matriciales de muchas entradas y, tambin, bloques programables tipo ROM, PAL y PLA. 8ComopuedeapreciarseeltextooptaporlostransistoresMOSy,enconcreto,porla tecnologaCMOScomoformaderealizacinfsicadeloscircuitosdigitales;talopcinse fundamenta en dos razones: -lostransistoresMOSsecorresponden,casiidealmente,conlosinterruptorespropiosdel lgebra de conmutadores, base conceptual para construir fsicamente los sistemas digitales -y,adems,laintegracinCMOSesactualmentelaformahabitualderealizacinde circuitosintegradosdigitales.Apartirdelosaos80,latecnologaCMOSrelegaun segundo plano a las tecnologas bipolares y, por sus excelentes caractersticas funcionales, se ha impuesto como la tecnologa propia de la electrnica digital (siendo previsible que su actual predominio se mantenga, al menos, en las prximas dos dcadas). No obstante, el apndice A3 presenta, en forma resumida, la configuracin de las puertas lgicascontransistoresbipolaresylascaractersticaspropiasdelafamiliaTTL;yelapartado10.1describelaevolucindeloscircuitosintegradosdigitalesylasituacin actual en cuanto a utilizacin de las diversas series. Cerrando la parte referida a la realizacin electrnica de los sistemas lgicos, se presenta (cap. 10) la evolucin histrica y el panorama general de las familias lgicas integradas, junto con las caractersticas a tener en cuenta a la hora de utilizarlas y el importante problema del ruido electromagntico que afecta a los circuitos digitales. Adems, el primer volumen incluye tres captulos complementarios dedicados a aspectos tecnolgicos (numerados como T1, T2 y T3).En el primero de ellos (cap. T1) se explica, en forma conceptual, breve y sencilla pero con adecuadaprofundidad,elcomportamientodelossemiconductores,susdostiposNyPyla uninPNconsuscaractersticasdediscriminacindepolaridadyaislamientoelctrico (cuandoseencuentraenpolarizacinnegativa)ysedesarrollaunmodelooperativode funcionamientodelostransistoresMOS.Esuncaptuloauxiliarmuytilparaquienesno dominen (o, simplemente, necesiten repasar) la teora de semiconductores. Enelsegundo(cap.T2),sepresentaelprocesodefabricacindecircuitosintegrados CMOS:lasetapasbsicasdedichoproceso,lasdiversasoperacionesfsico-qumicasquese aplican y el detalle de los sucesivos pasos que conforman el proceso de integracin. Adems, se incluye un epgrafe con los datos numricos de los parmetros fsicos de las regiones que forman parte de un circuito integrado CMOS (concentraciones de impurezas y de portadores, movilidad de los mismos, resistividad, capacidad por unidad de rea,...) para facilitar una idea precisadelaconfiguracinatmicaydelaspropiedadeselctricasdecadazona semiconductora, conductora o aislante. Asimismo,dentrodelosaspectostecnolgicos,seanalizaconmayordetenimientoel problema delruidoenloscircuitos digitales (cap. T3), detallando las causas fsicas de las interferenciaselectromagnticas,losmecanismosquelasproducenytransmitenenrelacin con los circuitos digitales y las formas de evitar o reducir los efectos de tales interferencias.Tresapndicesdescriben,respectivamente,elmtododesimplificacinQuine-McCluskey(queeslabasedelosalgoritmosinformticosdesimplificacindefunciones booleanas),lapropagacinrpidadeacarreo(paraevitarlargostiemposderespuestaenlos sumadoresdenmerosbinariosdemuchosdgitos)ylaspuertaslgicascontransistores bipolares (abarcando tanto las puertas discretas como la familia lgica TTL). 96. SEGUNDO VOLMEN: II. SISTEMAS SECUENCIALES [4] Lossistemassecuencialessonsistemasdigitalesqueincorporanmemoriadesupasado;sta se consigue mediante realimentacin en las propias funciones booleanas. Lamemoriapresentadosaspectos(cap.11):lanecesidadderecordarlaevolucin anteriordelsistemayelalmacenamientodedatosparasuposteriorutilizacin;enambos casos, el biestable es la clula bsica capaz de almacenar un dgito. El conjunto de variables deestadocontienelainformacinqueelsistemasecuencialnecesitasobresupasadoylos grafos de estado son una herramienta adecuada para representar su comportamiento. Elprocesodediseosecuencial(cap.12),apartirdelgrafodeestados,desu simplificacin(siesposible)ydelaasignacindeunapalabrabinariaacadaunodeellos (codificacin),consisteendedicarunbiestableacadavariabledeestadoyestablecerlas funcionesquecontrolandichosbiestables(evolucindelestado)ylasfuncionesdelas variables de salida (activacin de las salidas). Elsincronismo,comodivisindeltiempoenunidadesdiscretas,facilitaeldiseodelos sistemassecuencialesylesconfiereunagranseguridaddefuncionamiento.Paraelloes necesariointroducirunasealdereloj,cuyosflancossealarnelpasodeunaunidadde tiempoalasiguiente,ydisponerdebiestablessncronosquesolamentecambianendichos flancos(cap.13);lacombinacindebiestables con funciones previas en configuracinPAL dalugaracircuitosintegradosprogramables(CPLDs),capacesdeadmitirlainsercin(por programacin) en su interior de un sistema secuencial completo. Eldiseodesistemassecuencialesconbiestablessncronos(cap.14)pasatambinpor establecerlasfuncionesdeevolucindelestado(queactansobrelosbiestablesque contienenlasvariablesdeestado)ylasfuncionesdeactivacindelassalidas.Eldiseo sncronoes intrnsecamentenecesarioen sistemas de procesamiento o transmisin serie y es altamente conveniente en todo tipo de diseo digital de una cierta complejidad. Elsincronismoofrecefacilidaddediseoalreferirloaunidadesdetiempodiscretasy numeradas pero, sobre todo, seguridad de funcionamiento para evitar los espurios (glitches) y erroresdebidosalosdiferentestiemposdepropagacin.Paraelloesprecisocomprenderen profundidadsusignificadoconceptualylosrequisitosqueelsincronismoimpone(cap. 15); tales requisitos se reflejan sobre los biestables, en forma de condiciones de diseo y tiemposfuncionalesquehandeserrespetadosysobrelasealdereloj,cuyaverticalidad, simultaneidad y no-contaminacin han de ser aseguradas. Unregistroesunconjuntodebiestablesysirveparaalmacenarunapalabrabinaria (captulos11y13).Loscontadores(cap.16)sonuntipoespecialderegistrosque evolucionanentrenmerosbinariosconsecutivos(pasandeunnmeroalsiguienteo viceversa)yquesirvenparacontarpulsosyparadividirfrecuencias;aunquesoncircuitos secuenciales,debidoaquesuelentener muchos estados (si bien muy ordenados entre s), su diseo requiere una metodologa propia. Loscontadoressonbloquessecuencialessumamentetileseneldiseodesistemasde medida y de control, debido a la gran variedad de aplicaciones que ofrecen (cap. 17): contaje y control de nmero de objetos y de sucesos, medida de tiempos (herramienta especfica para manejar el tiempo), medida de frecuencias y de nmero de revoluciones, 10Unaaplicacinmssofisticadadeloscontadores,lamodulacindeanchuradepulsos, merece particular atencin (cap. 18); la informacin reflejada sobre amplitudes de tensin no resultaapropiadaparalosmtodosdigitalesy,encambio,hayprocedimientosdigitalesque facilitan un buen manejo de informacin expresada en anchura de pulsos de amplitud fija. Los pulsosdeanchuramoduladapermitenrealizarconprocedimientosbsicamentedigitales tareasque,enprincipio,parecenmspropiasdelaelectrnicaanalgicacomoelcontrolde potencia,laconversindigital-analgicaylarecprocadeanalgicaadigital,la disponibilidad de potencimetros para controlar la amplitud de las seales,... Algunossistemasdigitalesnecesitanalmacenarensumemoriagrandescantidadesde datos,paraellolosregistrosseagrupanenampliosbloques,denominadosmemorias(cap. 19);talesbloques(RAM)presentanaspectosnovedososrelativosalaorganizacindela transferencia de la informacin por medio de buses (de datos, de direcciones y de control). El bus de direcciones genera un amplio campo de posiciones numeradas para situar los registros de los bloques de memoria: mapa de memoria. Laarquitecturabasadaenlautilizacindebusespermiteagruparmltiplesbloquesde memoria (algunos de ellos de solo lectura ROM) y, tambin, incorporar dentro de la memoria los perifricos de entrada y de salida (cap. 20); para ello, es preciso situar circuitalmente cada bloque en un segmento del mapa de memoria y dotar de adecuada fuerza a las seales que son transmitidas por los buses. Adems,estesegundovolumenincluyedoscaptuloscomplementariosdedicadosa aspectostecnolgicos,referidosacircuitosauxiliares,complementariosdelospropiamente digitales y necesarios, respectivamente, para la gestin del tiempo (cap. T4)y para la relacin conelmundoexterior,bsicamenteanalgico(cap.T5).Elprimerodescribeloscircuitos temporizadoresquepermitenladeterminacindeintervalosdeduracindada:osciladores para producir ondas de reloj y monostables para pulsos de anchura dada. El segundo trata de loscircuitosquefacilitanlacomunicacindelossistemasdigitalesconsuentornofsico analgico:conversoresdeinformacindigitalaanalgicayviceversa,detensiones analgicas a cdigos digitales. Dospequeosapndicesdescribenloscontadoresasncronosconstruidosdirectamente conbiestablesTenserie,ylosbloquesdememoriadinmica,queofrecenamplias capacidades de memoria pero necesitan refrescar continuamente la informacin almacenada. 7. TERCER VOLMEN: III. MICROELECTRNICA DIGITAL [5] El diseo digital actual se desarrolla en forma micro: la microelectrnica digital alude a la configuracindelcircuitoelectrnicocompleto,resultantedeundiseoespecfico,enel interiordeunsolocircuitointegrado.Locualsuponepasardelainterconexindecircuitos integrados estndar a la construccin de un circuito integrado especfico. Se trata de insertar nuestro propio diseo completo en un nico circuito integrado y para ello disponemos de dos alternativas: -programar nuestro diseo sobre un circuito integrado programable -o, fabricar dicho diseo como circuito integrado especfico, ASIC. Cinco captulos desarrollan el proceso de diseo y construccin circuital de un sistema digital en forma microelectrnica (que es la forma actual de llevar a cabo tal diseo). Los dos primeros tratan de las dos opciones antes indicadas para obtener un circuito integrado con un diseo especfico completo (programacin o fabricacin del diseo); ambas opciones utilizan elmismoesquemadedesarrollodelprocesodediseo,elmismotipodeherramientasylas mismas consideraciones metodolgicas a tener en cuenta. 11Elprimercaptulo(cap.21)presentalasdiversasposibilidadesdeprogramaciny fabricacinquepermitenobteneruncircuitointegradoconundiseoespecficocompleto; ambas opciones utilizan el mismo esquema de desarrollo del proceso de diseo, el mismo tipo de herramientas y las mismas consideraciones metodolgicas a tener en cuenta. Elsegundo(cap.21)repasalaconfiguracindemacroceldasyCPLDs(dispositivos programablesyaintroducidosenel2volumen)ydescribe,endetalle,laconfiguraciny posibilidades de los circuitos integrados programables de tipo avanzado (FPGAs).Eldiseomicroelectrnicosedesarrollahabitualmenteconlaayudadeunlenguajede descripcincircuital,deloscualeselmsutilizadoeselVHDL(cap.23).VHDLesun lenguaje dedescripcin ysimulacin de sistemas en general y, desde el punto de vista de la microelectrnica,interesalapartequepuedesersintetizadaporcompiladoresdigitales,es decir,quepuedesertraducidaaunconjuntodepuertasybiestablesparaconfigurarun circuito digital. Lamicroelectrnicapermiteabordarsistemasdigitalesmuycomplejosyresulta convenienteconsiderarlaspautasoformasdeactuarqueorientenyfaciliteneldiseo complejo (cap. 24); frente a lo grande y complicado la estrategia ms eficaz de los limitados cerebroshumanosesladivisinenpartes,unadivisinquenohadeperderlavisinde globalidad: fraccionar con estructura. Adems,lamicroelectrnicaexigeplantearelproblemadeltestdefabricacin(cap.25);losvectoresomtodosdecomprobacindequeuncircuitointegradoseha fabricadobiensonresponsabilidaddeldiseador,aunquesuaplicacinefectivacorresponda al fabricante. Tambinesnecesarioconocerelsoportematerialquepermitelaprogramacino fabricacindeuncircuitoespecfico,estudiarconunpocodedetallelatecnologaque permite materializar un diseo particular. Los cuatro captulos que (al igual que en los dos volmenes anteriores) se agrupan bajo la denominacin de aspectos tecnolgicos pretenden presentarunmodelobsicoconceptualyoperativodelatecnologa,quefacilitela comprensindesusposibilidades,susprestaciones,suslimitacionesysusexigencias(los requisitos que la tecnologa impone sobre el diseo). ElcaptuloT6desarrollaunmodelofuncionaldelcomportamientodelostransistores MOS que permite una representacin grfica de la distribucin de carga en el canal de dichos transistoresy,sobreella,efectuarclculosrelativosatensiones,intensidades,tiemposy consumos.Apartirdedichomodelo,seestudianendetallelascaractersticasdelinversor CMOS(cap.T7),comoprototipodelaspuertasinversoras,yseanalizanlaspuertas seudoNMOSylaspuertasdetransmisin(cap.T8),comoalternativasdeinterspara determinadas configuraciones; asimismo, se introduce la lgica dinmica. El captulo T9 se dedica a cuestiones diversas que completan el panorama de un circuito integrado global: entradas y salidas, densidad de integracin, reglas de diseo fsico,...Tres apndices incluyen, respectivamente, algunos ejemplos de diseo VHDL de sistemas de control, la presentacin del simulador SPICE como herramienta de simulacin elctrica del comportamiento y caractersticas de las puertas o mdulos digitales y la posibilidad de incluir etapas analgicas complementarias dentro del mismo integrado digital: ASIC mixto. 128. RUEGOS Y AGRADECIMIENTOS Elautoragradeceatodosloscompaerosdeldepartamentodeingenieraelectrnicay comunicacionesdelaUniversidaddeZaragozasusaportacionesysuayudacotidiana,ya quienutiliceestelibroparasupersonalesfuerzodeestudiolaconfianzaquedepositaensu labor como profesor; asimismo, agradece a los profesores y estudiantes de la especialidad de ElectrnicaIndustrialdelaEscuelaUniversitariadeIngenieraTcnicaIndustrialde Zaragoza la amistad, colaboracin, ilusin y esfuerzo que comparten da a da. Tambinagradecerefusivamentecualquiersugerenciaopropuestaquecontribuyaa mejorar el texto, a clarificar las ideas que expresa o a facilitar su estudio y, a la vez, ruega que se le avise de cualquier error, errata o incorreccin que se detecte. 9. BIBLIOGRAFA [1]G.Boole,Aninvestigationofthelawsofthought,WaltonandMaberley,London,1854.(Reprintedby DoverBooks,NewYork,1954).Haytraduccinespaola:Investigacinsobrelasleyesdelpensamiento,Editorial Paraninfo, Madrid, 1982. [2] Claude E. Shanon, A symbolic analysis of relay and switching circuits,Transactions American Institute of Electrical Engineers, vol. 57, pp. 713-723, March 1938. [3]T.Polln,ElectrnicaDigital.I.SistemasCombinacionales,PrensasUniversitariasdeZaragoza, Coleccin Textos Docentes n 97, Universidad de Zaragoza, 2003. [4]T.Polln,ElectrnicaDigital.II.SistemasSecuenciales,PrensasUniversitariasdeZaragoza,Coleccin Textos Docentes n 102, Universidad de Zaragoza, 2004. [5]T.Polln,ElectrnicaDigital.III.Microelectrnica,PrensasUniversitariasdeZaragoza,Coleccin Textos Docentes n 105, Universidad de Zaragoza, 2004. Este texto pretende ser un libro para el estudio tanto de la Electrnica Digital como de los Sistemas Lgicos, que se pone a disposicin de los estudiantes de tales asignaturas y de todas las personas interesadas en ellas.Noesunlibrodeconsulta;existegrannmeroyampliadiversidaddelibrosde consultadisponibles,algunosdeloscualesvienenreseadosenlabibliografa(alfinal del2volumen).Tampocopretendeserunaguaparalapreparacindeclasesporparte del profesor, aunque seguramente pueda proporcionar una ayuda eficaz en tal sentido. El presente texto ha sido elaborado y contrastado con la intencin de configurar un libroparaelestudiopersonal,paraelesfuerzoindividualquecadaestudiantehade realizar para aprehender, es decir, para hacer suyos los conocimientos y la forma de razonar propios de una materia o disciplina.[aprenderapprehendereapropiarse aduearseser dueo de] [ comprendercomprehendereabarcar tener dentrohacer suyo ] Desde tal perspectiva se han ordenado los diversos conceptos y se ha desarrollado laexposicindelosmismos,intercalandoendichaexposicinnumerososejemplosque permitan introducir, aclarar o aplicar los correspondientes conceptos. De ah, tambin, la reiteracin, casi repetitiva, de algunos conceptos e ideas en diversos lugares del texto, con elfindeinsistirensucomprensinyasimilacin;eldetalleconqueseanalizanlos ejemplosquesirvendeintroduccinaalgunostemas;lapropiapresentacindeltexto, destacando con negrita expresiones, variables y valores booleanos, ... UnpuntodereferenciabsicoenmiactividadcomoprofesordeTecnologa Electrnicaloconstituyeelconceptodeinformacinydesumanejo,laconsideracin finalista de los sistemas lgicos como herramienta conceptual para el procesamiento de la informacinydelaelectrnicacomolatcnicamseficazdequedisponemosparael tratamientodelainformacin.Deseoyesperohaberlogradotransmitiralconjuntodel texto tal referencia bsica a la informacin y a su procesamiento, como objeto y objetivo propio de la electrnica digital. Entalsentidoimportadestacarquetodoesto(esdecir,elprocesamientodela informacin, codificada en smbolos binarios, a que se dedica este libro) comenz con los trabajos de Georges Boole (An investigation of the laws of thought, 1854) y de Claude E. Shannon (A symbolic analysis of relay and switching circuits, 1938). Ensubsqueda,juntoamuchosotrosinvestigadoresdesupoca,deunmodelo paraexpresarmatemticamenteelpensamientohumano,estoes,laformaenqueel hombrerazona,GeorgesBoolenoslegunlenguajeformal(lalgicaproposiciomal) quepermitecombinarproposicionesyunaestructuramatemtica(ellgebradeBoole) quesoportadicholenguaje.ClaudeE.Shannonnosmostrquedichaestructura matemticatambinsoportalosclculosnumricosensistemabinarioy,adems, puede ser materializada por medio de conmutadores. De la disponibilidad de un lenguaje y de un sistema de numeracin capaces de ser ejecutados por unos dispositivos fsicos y de la forma de configurar adecuadamente tales dispositivos para realizar las correspondientes tareas de clculo, deduccin, decisin y control trata este libro. 2El ect rni caDi gi t alEnoctubrede1994fuepublicadaporPrensasUniversitariasdeZaragoza,enla ColeccindeTextosDocentes,laprimeraedicindeestaELECTRNICADIGITAL que, desde el ao 1982 y en sucesivas versiones, haba sido impresa en forma de apuntes por captulos. Habindose agotado esta edicin, he abordado la tarea de escribir un nuevo textoconlafinalidaddeactualizarsuscontenidos(talcomorequiereelaceleradoy constanteritmodeevolucindeestamateriay,enparticular,desuscomponentes electrnicos) y de mejorar en lo posible la organizacin y el tratamiento de los mismos. Lapresenteedicin,pormotivodenmerodepginas,seofreceentrestomos:esteprimeroconelsubttulodesistemascombinacionales,sistemassecuencialesel segundoymicroelectrnicaeltercerodeellos.Noesqueestadivisinsearealmente operativaencuantoaldiseodigital;dehechotodosistemadigitaldeunacierta complejidadessecuencialysurealizacinmicroelectrnicaeslaformadeconstruirlo conformealatecnologaactual.Perodealgunaformahabaquedividirlamateriayla divisin adoptada es til en relacin con la progresin en el estudio de la misma Parafacilitarsuutilizacinporpartedequienesseencuentreninteresadosenlos sistemas lgicos, pero no en su realizacin electrnica, he procurado separar en captulos distintosdichosaspectos.Entalsentido,losseisprimeroscaptulosdeestevolumense dedicanalossistemaslgicoscomotales,sinincluirningnconceptoelectrnicoy pueden ser estudiados independientemente del resto de los captulos. Al final del captulo inicial (captulo 0), en las pginas que van de la 21 a la 26, se encuentraunadescripcinresumidadeloscontenidosdelosdiversoscaptulos;he consideradoqueeraellugaradecuadoparacomentarelesquemaconceptualdela Electrnica Digital tal como lo trata este texto, una vez que el lector se ha hecho cmplice (eso espero) de mi visin de la electrnica como tcnica de la informacin y ha asumido la distincin entre electrnica analgica y electrnica digital. Material complementario para el estudio y utilizacin de este texto se encontrar en lapginawww.unizar.es/euitiz/digital.htm:enellasedispondrdecopiaactualizadade loscaptulos;ampliaciones,comentarios,observacionesyerratas;hojasdeejercicios clasificadasportemas;coleccionesdetransparencias;etc.,quepuedenserutilizadas, copiadas y distribuidas libremente en los trminos de la licencia de Documentacin Libre GNU (referencia http://gugs.sindominio.net/licencias/fdl-es.html). Agradezcoatodosloscompaerosdeldepartamentodeingenieraelectrnicay comunicaciones de la Universidad de Zaragoza sus aportaciones y su ayuda cotidiana, y a quien utilice este libro para su personal esfuerzo de estudio la confianza que deposita en mi labor de profesor. Ruego que se me avise de cualquier error, errata o incorreccin que se detecte en el textoy,sobretodo,agradecerefusivamentecualquiersugerenciaopropuestaque contribuya a mejorarlo, a clarificar las ideas que expresa o a facilitar su estudio.Toms Polln Santamara tpollan@unizar.es Profesor de tecnologa electrnica en la EUITIZ Departamento de ing. electrnica y comunicaciones Universidad de Zaragoza. Toms Polln Santamara. Tecnologa Electrnica. E.U.I.T.I.Z. Universidad de Zaragoza.tpollan@posta.unizar.es 0LA ELECTRNICA COMO TCNICA DE LA INFORMACIN CODIFICACIN DIGITAL REPRESENTACIN ANALGICA 0.1. Objeto de la electrnica 0.2. Un breve paseo por la historia 0.3. Lo anlogo y lo simblico: dos electrnicas diferentes 0.4. Panorama general de la electrnica digital La historia de las cosas ayuda mucho en la comprensin de las cosas mismas, ayuda a entrar en la esencia misma de las cosas, a no quedarnos en la superficie, a formular su porqu y para qu, sus relaciones y sus limitaciones. A qu se dedica la electrnica? Cul es su objeto propio? Cmo ha sido el desarrollo histrico de la electrnica? Qu tareas ha desempeado a lo largo del mismo? Qu aspectos caracterizan a la electrnica? Porqudoselectrnicas:analgicaydigital?Culessonlasformas,mtodosy maneras de cada una de ellas? Qu contenidos conforman la electrnica digital? Cmo estn organizados en este texto y por qu?. stas son las preguntas que intenta responder esta introduccin, los aspectos que desea dejar claros este captulo previo. [Estaprimerapginaencadacaptulopretendeserunaintroduccin, justificacin y resumen del propio captulo; en este caso, no tiene mucho sentido escribir una introduccin de la introduccin y, por ello, ha quedado reducidaa un conjunto de preguntas.] 12El ect rni caDi gi t al0. 1. Obj et odel ael ect rni ca A qu se dedica la electrnica? Cul es el objeto de esta disciplina? La denominacin de electrnica resulta equvoca, ya que no expresa ni la finalidad ni el objeto propios de esta materia, sino quealude a lo que utiliza: dispositivos basados enelcomportamientodelelectrn.Es,pues,unanominacininstrumental,perono funcionalnifinalista:diceloquelaelectrnicausaperonoindicaloquehace,nisus objetivos propios. La palabra electrnica pone de manifiesto el aprovechamiento de las propiedades de loselectrones:estaspartculassondiminutas(10-12cm),susefectossonmuyrpidos (300.000Km/s)yllevan carga elctrica (capaces, por tanto, de ser portadores de seales elctricas).Aprovechandotalespropiedades,laelectrnicautilizadispositivos(llamados electrnicos) conectados formando circuitos que operan con seales elctricas. Tambinlassealeselctricaspresentan,depors,buenaspropiedades:sonfciles de transmitir,de detectar y medir, de amplificar, de transformar, de combinar entre s, Existe, adems, una amplia diversidad de transductores que realizan la transferencia entre otras magnitudes fsicas y tensiones elctricas (sensores) y viceversa (efectores). Laelectrnicaempleadispositivoselectrnicos,loscualesactansobreseales elctricas.Peroesonoexplicalafinalidadpropiadelaelectrnica,nitampocoaclarael inters y la importancia de esta disciplina ni su utilidad: pocas personas y pocas entidades adquiriran o usaran equipos electrnicos con el simple objetivo o por el mero placer de manipular seales elctricas. Loquerealmentemanejalaelectrnicaesinformacin:lassealeselctricas interesan como portadoras de informacin y la electrnica opera eficientemente con ellas en su finalidad propia de manejar la informacin. Una definicin adecuada, a la vez finalista e instrumental, podra ser la siguiente: la electrnicaesunatcnicademanejodelainformacin,codificadaensealeselctricas, utilizando dispositivos que aprovechan las propiedades de los electrones. Cmo se maneja la informacin? Qu tareas interesa hacer con ella? Desdelaperspectivadeldesarrollohistricodelaelectrnica,podemosidentificar tres grandes reas de aplicacin en el manejo de la informacin: Telecomunicacin: enviar la informacin lejos, tanto en el espacio (comunicacin por ondas) como en el tiempo (almacenamiento de la informacin en un soporte material para reproducirla posteriormente). Automatizacin: utilizar la informacin para controlar procesos; para ello, aparte de las propiasoperacionesaefectuarsobrelainformacin,senecesitansensores(capacesde convertirensealeselctricaslasmagnitudesfsicasqueafectanalproceso)yefectores (capacesdetraducirlassealeselctricasenacciones,endefinitivaenotrotipode magnitudes fsicas). Informatizacin:procesarlainformacinensmismaparadarleunanuevaformao paraobtener nueva informacin a travs de combinar varias informaciones. 0. Int roducci n13 Estos tres mbitos de actuacin sobre la informacin coinciden con las tareas que laelectrnicahaidoabordando,sucesivamente,ensudesarrolloalolargodelsigloXX. Tambin coinciden con las tres especialidades de la ingeniera dedicadas a la electrnica: telecomunicaciones, electrnica industrial (control de procesos) e informtica. Por qu la informacin? Qu inters tiene para nosotros la informacin? Lainformacinesunacomponentedelaactividadhumana;es,probablemente,la componentemsintrnsecadelaactividaddelhombre.Juntoconlosmaterialesyla energa,lainformacinestpresente,comoparteintegranteynecesaria,enlasdiversas accionesdeloshumanos(inclusopodemosdistinguiractuacionesenlasqueno intervengan,externamente,losotrosdoscomponentes,materiayenerga,comoesla simple reflexin o pensamiento). Pero,adems,materiales,energaeinformacinrepresentanescalonessucesivosen la macrohistoria socio-econmica del hombre. Durante el proceso histrico del devenir humano, el hombre tuvo que ocuparse, en un primer y muy prolongado perodo, de los materiales que satisficieran sus necesidades, que lepermitieransobreviviryvivircadavezmejor,queleaportarancomodidadesy, tambin,quelesirvieranparaconfeccionartileseinstrumentosquefacilitaseny aumentasen la eficacia de sus acciones. Ensegundolugar,elhombresepreocupdequeotrostrabajasenporl,de desarrollarformasdecomplementarydesuplirsutrabajoysuesfuerzo,hastapoder aprovechar las ms diversas fuentes de energa y disponer de mecanismos que permitieran utilizarlaenergaexternaparaobtenerlosproductosyserviciosqueleinteresaban.Un hito relevante de este proceso de aprovechamiento de la energa lo constituye la mquina devapor,quedalugaraunperodohistricoconocidocomorevolucinindustrial (mudanza en el estado de las cosas producida por la utilizacin eficaz de la energa en los procesos de produccin). Hoy da, el hombre se encuentra con la posibilidad de utilizar recursos externos para manejarla informacin, para transmitirla, recogerla y ampliarla y, tambin, para utilizar, enlugardelpropiohombre,lainformacin.Loquehastahacepocoparecapatrimonio especficodelhombre,lacaptacin,elprocesamientoylautilizacineficazde informacionescomplejasenformaverstil,hapasadoasertambindominiodelas mquinas y de las tcnicas. Porellonosencontramosenunnuevoperododemudanzaenelestadodelas cosas que podemos nombrar como revolucin informacional. Precisamente,porquelainformacinsehaexternalizadodelhombre,lahemos descubiertocomoconceptosignificativo.Hastaahorahabapasadodesapercibidacomo parte intrnseca y consustancial a la actividad humana.Lainformacin,comootrosconceptosinherentesalaactividaddelhombre(el tiempo y la energa), se pone de manifiesto cuando se exterioriza, cuando el hombre la ve fuera de s, cuando la manejan las mquinas. 14El ect rni caDi gi t alLa electrnica es, hoy por hoy, la base tcnica ms eficaz que dispone el hombre para manejar la informacin y tal eficacia le viene de las propiedades de los electrones y de las buenascaractersticasdelassealeselctricas:porello,manejamoslainformacinen forma de seales elctricas y utilizamos para ello dispositivos electrnicos. 0. 2. Unbrevepaseoporl ahi st ori a Laelectrnicahaidoabordandosucesivamentelostresgrandesmbitosdetareas demanejodelainformacinantesdescritos(telecomunicacin,automatizacine informatizacin) y lo ha hecho en el mismo orden en que los hemos enumerado.La electrnica emerge desde la electricidad que fue la gran protagonista de la fsica delsigloXIX.Losprecursoresdelmundoelctrico(Ampere,Coulomb,Faraday,Gauss, Henry, Kirckoff, Ohm, Volta,), muchos de ellos a caballo entre los siglos XVIII y XIX, fueron sentando las bases de la electricidad y el magnetismo y las tradujeron en multitud de leyes parciales. Apartirdeestosconocimientosdispersos,Maxwellrealizaunagransntesis unificadora,elelectromagnetismo(1868),enlacual,alentrelazarlaelectricidadconel magnetismo,apareceunfenmenonovedoso:lasondaselectromagnticas.Dieciocho aosmstarde(1886),Herzlograproducirydetectardichasondasensulaboratorioy, muy pronto, Marconi las aprovecha para la comunicacin sin cable. Sontiemposenqueyasehabadesarrolladolacomunicacinadistancia (telgrafo:Morse,1837,ytelfono:Bell,1876)ylaconservacindelsonidoensoporte material (gramfono: Edison, 1877). Laelectricidadhabaofrecidotrestiposderecursostecnolgicos:unaenerga fcilmente transportable, nuevas y mejores mquinasy la comunicacin a gran distancia atravsdecable.Labsquedadecomunicacinadistanciasincablecondujoala electrnica; en los albores del siglo XX (1901) Marconi logra que sus mensajes de puntos yrayas(cdigomorse)crucenel atlntico y Auvrey (1906) consigue modular las ondas, de forma que el sonido cabalgue sobre ellas. LaelectrnicaaparececuandoLeedeForestintroduceelprimerdispositivo amplificador:eltrodo(1907).Lasexperienciasanterioresdetelecomunicacin (relacionadasconeltelgrafoinalmbrico)estabanpidiendoagritosunbuen amplificador de seales: de la energa que el emisor lanza en todas las direcciones (ya de porspequea)lapartequerecogeunreceptorlejanoesmnima;poderamplificarla energa recibida modifica cualitativamente la eficiencia de la transmisin.LeedeForestaportaundispositivoque,aprovechandoelcomportamientodelos electrones,sirveparaamplificarsealeselctricas,iniciandolaelectrnicadevlvulas cuyaaplicacinydesarrolloocupalaprimeramitaddelsigloXX.Unadcadadespus (Pittsburg 1921), laradiodifusin comienza sus primeros pasos yprontoproliferaran las emisorasderadioylosreceptoresradiofnicosserandeusocomnenlospases desarrollados. 0. Int roducci n15 Conviene resaltar estos aspectos que, desde el principio, distinguen a la electrnica: sucarcteraplicado(noesunadisciplinatericaodeinvestigacinsinodemanejo efectivo de la informacin), la rpida difusin de sus productos, su relacin directa con la gente (con las personas comunes, ms all de los profesionales o especialistas) y, con ello, su influencia en la vida cotidiana. Unnuevorasgoentraenescenayaceleraeldesarrolloylautilidaddela electrnica en la segundamitaddel siglo XX: un continuado proceso de miniaturizacin. En1949lostrabajosdelequipocientficodelaBellTelephonecondujeronala fabricacin del primer transistor, reduciendo el tamao del dispositivo amplificador en un factor cercano a 100. Coneltransistorcomienzaunprocesocontinuodereduccindelaelectrnica: todosehacemspequeo,mscorto,msrpido:Sereducenosloeltamao,sino tambinelconsumoyelcoste;tambinsehacemspequeoeltiempoderespuestade los circuitos (con lo cual trabajan mucho ms rpido y mejor), el tiempo de desarrollo de los sistemas (desde que se tiene una idea funcional hasta que el equipo est disponible) y el tiempo de su difusin pblica(de su utilizacin por la gente). Esteprocesodeminiaturizacinhacontinuadoenladcadadelos60conel desarrollodeloscircuitosintegrados,cuyadensidaddeintegracinhaido progresivamente en aumento. Ello ha permitido construir y poner rpidamente en nuestras manossistemaselectrnicoscadavezmscomplejosypotentes,detamao,consumoy costes muy reducidos. Alaelectrnicalaminimizacinlevienedefamilia(elelectrnesdiminutoy muyveloz,encuantoasusefectos)yelresultadoesque,alhacersetanpequeaytan rpida,laelectrnicasehametidoportodoslosrinconesdenuestravidaydenuestra sociedad y ha promovido esa mudanza en el estado de las cosas que caracteriza nuestro presente: la revolucin informacional. LaelectrnicadelaprimeramitaddelsigloXXsededicalatelecomunicacin, ensudobleaspecto:espacialytemporal;desarrolllaradiodifusinylagrabacindel sonido (en discos mecnicos, cintas magnticas y bandas pticas de las pelculas sonoras), mejor ampliamente la telefona e inici la transmisin de imgenes (televisin). A partir de los aos 40, la electrnica aborda el control de procesos. Los intereses blicos, en torno a la segunda guerra mundial impulsaron la investigacin y desarrollo de sistemaselectrnicosdecontrol(paracontroldetiroy,tambin,paralocalizacinde aviones por medio del radar). Lapenetracinenlaindustriadelossistemasdecontrolelectrnicosseve favorecida por la introduccin de dispositivos electrnicos de control de energa (tiristores ytriacs)yporlaposibilidaddeabordartareascomplejasgraciasaloscircuitos integrados; de forma que, a partir de los aos 70, la electrnica pasa a controlar todo tipo deprocesoindustrialy,desdelosaos80,seincorporamasivamentedentrodelos productos resultantes de la fabricacin industrial. 16El ect rni caDi gi t alA la vez, en esta segunda mitad del siglo XX, muy poquito a poco al principio pero deformaespectacularenelltimocuartodesiglo,laelectrnicahaidoasumiendootra vertiente ms abstracta y genrica: operar con la informacin en s misma, representarla y manejarlaatravsdesmbolos,loquehoyendaentendemosporprocesarla informacin. El camino hacia la informatizacin lo haban abierto dos precursores distantes entre s: GeorgesBoole,matemticoingls,quetuvoxitoensuempeodeconstruirun modelo matemtico del pensamiento humano (de la forma de razonar), estableciendo las bases de la lgica proposicional (la forma de combinar proposiciones), a travs de unaestructuramatemticaque,andandoeltiempo,seraconocidacomolgebrade Boole (Una investigacin de las leyes del pensamiento, publicado en 1854). ClaudeE.Shannon,ingenieronorteamericano,que,aldesarrollarunmodelo matemticoparatratarconlasredesdemltiplesconmutadorespropiasdela telefona, identifica la interconexin de conmutadores como lgebra booleana y pone demanifiestoquetambinloeselsistemabinariodenumeracin(Unanlisissimblico de los rels y circuitos de conmutadores, publicado en 1938). SobrelasbasesconceptualesqueestablecenBooleyShannonseedificala electrnicadigital(soporteinstrumentaldelprocesamientodelainformacin),que alcanzarsumayoradeedadenlosaos70,cuandoloscircuitosintegradospermitan configurar sistemas informticos potentes y reducir su coste, hasta llegar (en los aos 80) al microprocesador que hace viables los computadores personales. Pero la electrnica propia de la informatizacin (la electrnica digital) no se limita alaconfiguracindesistemaspropiamenteinformticossinoque,desdesusinicios,se dedicatambinalcontroldeprocesosy,enbuenamedida,desplazaalaelectrnica anterior (analgica). El microprocesador resuelve muy eficazmente el control de procesos industrialesylaintegracindecircuitosdeaplicacinespecfica(ASICs)permite miniaturizar controles sumamente sofisticados para el interior de los productos fabricados en tales procesos. Asimismo,hoyenda,laelectrnicadigitalhainvadidoyrenovadoelmbitode lascomunicacionesylossistemasdigitaleshanabiertonuevasalternativas(con extraordinarias prestaciones) en cuanto a almacenamiento de sonido e imagen, en cuanto a telefona por microondas y, tambin, en radio y televisin. 0. Int roducci n17 0. 3. Loanl ogoyl osi mbl i co:dosel ect rni casdi ferent es Las seales elctricas son el soportematerial de la informacin; segn la manera de codificarlainformacin(derepresentarlaenformadesealeselctricas)aparecendos tipos de electrnica: la analgica y la digital. La analgica representa las cantidades por analoga cuantitativa (a mayor cantidad, mayortensin)segnunarelacindeproporcionalidaddirecta,mientrasqueladigital utiliza smbolos a travs de un proceso de codificacin abstracta. Tomemoselejemplodeuntermmetroanalgicoyotrodigital;elprimero representa la temperatura mediante una columna de mercurio (a mayor temperatura mayor longitud de la columna), en cambio el digital proporciona unos signos numricos (que es precisointerpretarporreferenciaaundeterminadocdigo).Siobservamosquela columnademercuriohaaumentado,sabemosquehasubidolatemperatura;encambio, entreunaindicacindigitalde19yotrade23noesobvioculdeellasindicamayor temperatura(solamentelainterpretacindelossmbolos,atravsdelcdigonumrico, permite resolver la comparacin). 0.3.1.Electrnica analgica La electrnica analgica representa los valores de una magnitud fsica mediante una tensin,atravsdeunarelacindeproporcionalidadV(t)=k.M(t);seutilizaunasola tensin, una constante de proporcionalidad relaciona la tensin con el valor que representa y el rango de valores de la tensin es continuo, entre dos valores extremos Vmx y Vmn. Paratrasladar el valorde la magnitudfsica a la correspondiente tensin se necesita un sensor adecuado (transductor magnitud fsica -> seal elctrica). El dispositivo bsico de la electrnica analgica es el amplificador, el cual suministra una tensin de salida proporcional a la tensin de entrada Vo = a.Vi, a expensas de recibir una energa elctrica desde una fuente de alimentacin VCC. +Vcca El amplificador se construye con dispositivos amplificadores (triodos o transistores), enmarcados en un circuito de polarizacin (ubicacin en el punto de operacin adecuado para que reciban la energa de la fuente de alimentacin).18El ect rni caDi gi t alPueden disearse muy diversas etapas amplificadoras (de tensin, de intensidad o de ambas)y,conellas,puedeconstruirseunamplificadordemuyaltagananciay caractersticasideales,elamplificadoroperacional,quepermiteconfigurarbloques correspondientesaoperacionesaritmticas(sumadores,restadores,comparadores, integradores,derivadores,);talesbloquesconstituyenlosmdulosbsicosparael control de procesos (automatizacin). Asimismo, razonando en el espectro de frecuencias, con la correspondiente ayuda de condensadoresybobinas,lasetapasamplificadoraspuedentransformarseenfiltros, sintonizadores,demoduladores,moduladores,amplificadoresdeantena,quesonlos mdulos bsicos para la comunicacin por ondas (telecomunicacin). Lasmatemticaspropiasdelaelectrnicaanalgicasonlasquecorrespondenala proporcionalidad,lasoperacioneslineales(suma,resta,productoporunaconstante, derivada, integral). Ms especficamente, el control de procesos se basa conceptualmente enlarealimentacinyenlateoraderivadadeellaquerecibeelnombrederegulacin automtica,mientrasquelatelecomunicacinutilizaeldominiodelafrecuencia, apoyndose en la descomposicin en serie de Fourier (espectro de frecuencias). 0.3.2.Electrnica digital Lossistemasdigitalesrepresentancadavalordeunamagnitudfsicamedianteun conjuntodedgitosocifras,cadaunodeloscualesadmitevariasposibilidadeso smbolos.Porejemplo,enelsistemadenumeracindecimal,cadadgitotienediez posibilidades (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9). Laelectrnicadigitalesbinaria,esdecir,cadadgitoadmitesolamentedos posibilidades, que solemos expresar con los smbolos 0 y 1 (tambin, con los smbolos L yH),deformaqueelsistemadenumeracinqueleespropioeselsistemadebase2 (binario). Laelectrnicadigitalrepresentalosvaloresdeunamagnitudfsicamediantem sealeselctricas,cadaunadelascualesadmitesolamentedosvaloresdetensinque corresponden a los smbolos 0 y 1; para expresar un solo valor de la magnitud se necesitan mseales,larelacinseestablecemedianteunprocesoabstractodecodificacinyel rangodecadasealesdiscontinuo,reducidoadosnicosvaloresVmxyVmn(por ejemplo, 0V y 5V).Paratrasladarelvalordelamagnitudalacorrespondienterepresentacindigitales preciso utilizar el sensor que transforma la magnitud en tensin analgica, seguido de un conversor analgico-digital que aplique el correspondiente cdigo. Porejemplo,unsensordetemperaturaaplicadoaunatemperaturade17puede proporcionarunatensinde4,25V(factordeproporcionalidad1/4)yelconversor analgico-digital debe transformar dicha tensin en 10001 (que corresponde al nmero 17 enbinario),que,enrealidad,serncincotensionesenlosterminalesdesalidadel conversor: 5V0V0V0V 5V. 0. Int roducci n19 El dispositivo bsico de la electrnica digital es el conmutador o interruptor (con dos estados: abierto no conduce y cerrado conduce). abierto = no conducecerradoI Aligualqueenelcasodelamplificador,elinterruptorpuedeconstruirsecon transistores(tambinpodrahacersecontriodos);paraamplificadoresseutilizalazona lineal de operacin del transistor mientras que para interruptores se emplean los extremos de dicha zona: corte (I = 0) y saturacin (V = 0). Coninterruptores(transistores)seconstruyenpuertaslgicas(capacesdeefectuar operacionesbooleanasindividuales)yagrupandodichaspuertasseconfiguranfunciones booleanas que son la base relacional de las variables digitales. Determinados conjuntos de funciones booleanas de utilidad general se agrupan en bloques combinacionales que, junto con los bloques con memoria (biestables, registros y contadores) constituyen los mdulos bsicosparaeldiseodigital.Losbiestablesprovienendeestablecerrealimentacin dentrodeunafuncinbooleanayconellosseconfiguranlosregistrosyloscontadores. Endefinitiva,todoenlossistemasdigitalessonfuncionesboleanas,lascualesse componen de conjuntos de puertas lgicas, construidas con interruptores. Porello,lamatemticapropiadelaelectrnicadigitalesellgebradeBoole:las funciones booleanas expresadas como combinacin de operaciones del lgebra booleana. Complementariamente,losgrafosdeestadosonunaherramientaauxiliarapropiadapara describir el comportamiento de los circuitos digitales con memoria. 0.3.3.Lo anlogo frente a lo simblico Elnombredeanalgicaderivadequelarepresentacin(dela magnitud fsica en tensinelctrica)sehaceporanaloga:losvaloresdelasealelctricasonanlogos en cantidad a los de la magnitud fsica: hay una relacin directa en trminos de cantidad, unarelacindeproporcionalidad.Elnombrededigitallevienedequeutilizadgitos: representalainformacinmediantepalabrasformadasporvariosdgitos,atravsde una codificacin: es una representacin simblica que requiere un proceso de abstraccin. Unsensoradecuadotransformadirectamentelacorrespondientemagnitudfsicaen tensinelctricaanalgica,peroserequiereunacodificacinposteriorparaquelaseal resultantedelamedidaseatrasladadaalapalabrabinaria(alconjuntodeseales)que corresponde a su representacin digital. Por medio hay un cdigo que establece la relacin entrecadasmboloylacantidaddetensinanalgicaquerepresenta,cantidadque, adems,dependedelaposicindelsmboloenlapalabrabinaria(cadadgitopresenta diferente valor relativo). 20El ect rni caDi gi t alEsindudablequeseasumeunacomplicacin,unesfuerzoadicional,alpasardela representacin analgica a la digital. En la utilizacin digital de smbolos hay un esfuerzo intermedioimportantequenoresultaobvio:larepresentacinendgitosrequiereuna transformacincualitativa,unaconversinabstractaensmbolosque, segnel lugar que ocupan, representan cantidades diferentes. Qu ganamos con ello? a)Precisin:losvalores,unavezexpresadosensmbolos,estnclaramente identificados con absoluta precisin; en cuanto a tensiones analgicas, al utilizar stastodoelrangodevaloresdetensin(entredosextremos),dosvalores prximos tendrn dificultades para diferenciarse mientras que, en el caso digital, correspondernadospalabrasbinariasdiferentes(ysuexpresinentensiones emplear para cada dgito dos valores distantes). Porejemplo,utilizandoelintervalode0a5Vpararepresentaranalgicamentelas temperaturasde0a 100, sendas temperaturas de 19 y 20 correspondern a valores de tensin de 0,95 V y 1,00 V, que resultan muy prximos entre s, mientras que sus palabras digitalessern10011y10100,claramentediferentes,yelconjuntodetensionesque corresponde a su representacin digital sern, respectivamente:5V 0V0V5V5Vy5V0V5V0V0V. b)Fortalezafrenteaperturbaciones(frentealruidoelectromagntico):las tensiones digitales utilizadas correspondern a dos valores distantes (por ejemplo 0V y 5V) mientras que las tensiones analgicas recorren todo el rango de valores (entre0Vy5V),deformaquelamsmnimaperturbacinmodificarelvalor que representan. c)Fortaleza frente a derivas o faltas de precisin de los circuitos: al operar con las seales elctricas cualquier etapa analgica causar un cierto grado de error (una mnima desviacin de tensin o un pequeo fallo de precisin) que, al actuar en unrangocontinuosupondrunerrorenelvalordelamagnitudresultante;la separacinentrelosvaloresdetensinquecorrespondenal0yal1digitales anula el efecto de tales desviaciones. d)Capacidaddeclculo:larepresentacinsimblicapermiteutilizarlos mecanismos de clculo propios del correspondiente sistema de numeracin (en el caso digital, el clculo en el sistema binario). e)Capacidadderazonamiento(decombinarproposiciones):elrazonamientoes propio de la representacin simblica y de la combinacin de smbolos (a travs de las reglas de la lgica). Laelectrnicadigital,altrasladarnosalmundodelossmbolos,aportaprecisiny fortalezaynostransfierealplanodeloabstractoqueeselmbitodelclculoydel razonamiento. 0. Int roducci n21 0. 4. Panoramageneral del ael ect rni cadi gi t alElestudiodelossistemasdigitalessueledividirseendosgrandespartesdedicadas, respectivamente, a los sistemas combinacionalesy a los sistemas secuenciales; ambos se diferencianentresporlaexistenciadememoriaenlossegundos,mientrasqueenlos primeros las salidas son funcin directa de los valores presentes en sus entradas. 0.4.1.Sistemas combinacionales La base matemtica de la electrnica digital la constituye el lgebra de Boole, cuyas funciones expresan todas las correspondencias entre las variables de los sistemas digitales.Por ello, resulta adecuado comenzar por el estudio del lgebra booleana, sus operaciones y teoremas (cap. 1) y la forma de construir y simplificar las funciones booleanas (cap. 2).TodoelloconreferenciaalastreslgebrasdeBoolededoselementoscuyo isomorfismo es la base de la electrnica digital (cap. 1): la lgica proposicional (lenguaje formal para razonar), el sistema binario (sistema de numeracin para calcular) y el lgebra deconmutadores(componentesfsicosparaconstruirlasoperacionesbooleanas).La diversidadderepresentacionesdeunafuncinbooleana(cap.2)eslabaseparasu construccin circuital, siendo sumamente tiles los procedimientos de simplificacin de la funcin para reducir el tamao del circuito. Lasfuncionesbooleanaspuedenagruparseenbloquesomdulosquerealizan operacionesglobalesdeintersgenrico:bloquescombinacionales.Deunlado(cap.3), interesanlos bloques que efectan operaciones aritmticas entre dos nmeros binarios y, dentrodeestaperspectivanumrica,interesaampliarelcdigobinariopararepresentar (conlosnicosdossmbolosdisponibles,el0yel1)nmerosnegativosynmeroscon parte decimal. Porotraparte(cap.4),sontileslosbloquesquefacilitanladistribucindela informacinylaseleccindeposibilidades(multiplexores,demultiplexoresy decodificadores)y,tambin,losquesimplementetrasladanlamismainformacindeun cdigoaotro(codificadores);adems,estostiposdebloques(distribuidoresy codificadores) pueden construirse mediante configuraciones reticulares de sus conexiones, lo cual simplifica en gran medida su diseo y fabricacin. Los bloques combinacionales constituyen piezas de diseo que facilitan la divisin de un sistema digital en partes y permiten configurarlo por ensamblaje de tales mdulos. Setratasiempredeconstruirconjuntosdefuncionesbooleanas,locualsecomplica cuandoelnmerodesusentradasesalto:lasestructurasmatriciales(cap.5)permiten abordartalcomplejidad.ExistentresestructurasconceptualmentesimplesROM,PALy PLA,quefacilitanladescripcinyconstruccindebloquescombinacionalesdemuchas entradas;talesconfiguracionessirven,adems,paraconformarcircuitosintegrados programables,disponiblesparainsertar(programar)ensuinteriorelconjuntode funciones booleanas de un codificador concreto o de un bloque combinacional especfico propio de un diseo particular. 22El ect rni caDi gi t alUnavezrecorridosloscimientosyelalmacndepiezasdelossistemaslgicos combinacionales(lasfuncionesylosmdulosquehacenviablesudiseo),conviene recordarquelamateriasobrelaquetrabajaneslainformacinyquestaseencuentra codificada en palabras binarias de ceros y unos, existiendo mltiples posibilidades de codificacin(cap.6).Conviene,asimismo,tomarconcienciadelaposibilidaddeerror (principalmenteenlatransmisinyenlaconservacindelainformacin)yconocerla existencia de cdigos capaces de detectar e, incluso, de corregir los errores. Hasta aqu (captulos del 1 al 6) se ha tratado de los sistemas lgicos sin referencia a laelectrnicaquepermiteconstruirlosfsicamente;tambinesprecisoconocery comprender la tecnologa (y a ello van dedicados los captulos 7, 8, 9 y 10).Sedenominapuertalgicaalarealizacinfsicadeunaoperacinbooleana.Las puertas con diodos (cap. 7), adems de su utilidad como puertas individuales, sirven para apreciarla necesidad debuen acoploen tensin (requisito inexcusable paraconectar una puerta lgica a la siguiente, ya que lo que se transmite es una tensin elctrica). Por otra parte,laspuertaslgicashabitualessondetipoinversor,construidasconinterruptores segn el lgebra de conmutadores, y el transistor NMOS es un excelente interruptor. Lacombinacindeinterruptoresdelosdostiposcomplementarios,utilizando transistores NMOS y PMOS, permite anular el consumo esttico de las puertas lgicas y reducirsuresistenciadesalida,configurandopuertasdecaractersticascuasi-ideales;es por ello la tecnologa digital predominante: familia lgica CMOS (cap. 8).La tecnologa CMOS ofrece una muy amplia diversidad de configuraciones (cap. 9), tantoenvariedaddepuertascomplementariascomoenotrostiposdepuertaspara aplicacionesespecficas:laspuertasdetransmisinfacilitanlaconfiguracinde multiplexoresyladesconexin(estadodealtaimpedancia)ylaspuertasseudoNMOS permitenconstruirestructurasmatricialesdemuchasentradasy,tambin,losbloques programables tipo ROM, PAL y PLA. Comopuede apreciarse este textoopta por los transistores MOSy,en concreto, por la tecnologa CMOS como forma de realizacin fsica de los circuitos digitales; tal opcin se fundamenta en dos razones: -lostransistoresMOSsecorresponden,casiidealmente,conlosinterruptorespropios dellgebra de conmutadores, que es la base conceptual para construir fsicamente los sistemas digitales -y,adems,laintegracinCMOSes,actualmente,laformahabitualderealizacinde circuitosintegradosdigitales.Apartirdelosaos80,laCMOSrelegaunsegundo plano a las tecnologas bipolares y, por sus excelentes caractersticas funcionales, se ha impuesto como la tecnologa propia de la electrnica digital (siendo previsible que su actual predominio se mantenga, al menos, en las prximas dos dcadas). Noobstante,elapndiceA3presenta,enformaresumida,laconfiguracindelas puertaslgicascontransistoresbipolaresylascaractersticaspropiasdelafamiliaTTL;y el apartado 10.3 describe la evolucin de los circuitos integrados digitales y la situacin actual en cuanto a utilizacin de las diversas series. 0. Int roducci n23 Cerrandolapartereferidaalarealizacinelectrnicadelossistemaslgicos,se presenta(cap.10)laevolucinhistricayelpanoramageneraldelasfamiliaslgicas integradas,juntoconlascaractersticasatenerencuentaalahoradeutilizarlasyel importante problema del ruido electromagntico que afecta a los circuitos digitales. Adems,esteprimervolumenincluyetrescaptuloscomplementariosdedicadosa aspectos tecnolgicos (numerados como T1, T2 y T3).Enelprimerodeellos(cap.T1)seexplica,enformaconceptual,breveysencilla pero con adecuada profundidad, el comportamiento de los semiconductores, sus dos tipos N y P y la unin PN con sus caractersticas de discriminacin de polaridad y aislamiento elctrico(cuandoseencuentraenpolarizacinnegativa)ysedesarrollaunmodelo operativo de funcionamiento de los transistores MOS. Despusdelateoradesemiconductores,sepresentaelprocesodefabricacinde circuitosintegradosCMOS(cap.T2):lasetapasbsicasdedichoproceso,lasdiversas operacionesfsico-qumicasqueseaplicanyeldetalledelossucesivospasosque conformanelprocesodeintegracin.Adems,seincluyeunepgrafeconlosdatos numricosdelosparmetrosfsicosdelasregionesqueformanpartedeuncircuito integradoCMOS(concentracionesdeimpurezasydeportadores,movilidaddelos mismos, resistividad, capacidad por unidad de rea,...) para facilitar una idea precisa de la configuracinatmicaydelaspropiedadeselctricasdecadazonasemiconductora, conductora o aislante. Asimismo,dentrodelosaspectostecnolgicos,seanalizacondetenimientoel problema del ruido en los sistemas digitales (cap. T3), detallando las causas fsicas de las interferenciaselectromagnticas,losmecanismosquelasproducenytransmitenen relacin con los circuitos digitales y las formas de evitar o reducir sus efectos. 0.4.2.Sistemas secuenciales Lossistemassecuencialessonsistemasdigitalesqueincorporanmemoriadesu pasado; sta se consigue mediante realimentacin en las propias funciones booleanas. Lamemoriapresentadosaspectos(cap.11):lanecesidadderecordarlaevolucin anterior del sistema y el almacenamiento de datos para su posterior utilizacin; en ambos casos,elbiestableeslaclulabsicacapazdealmacenarundgito.Elconjuntode variablesdeestadocontienelainformacinqueelsistemasecuencialnecesitasobresu pasadoylosgrafosdeestadosonunaherramientaadecuadapararepresentarel comportamiento del sistema (la evolucin del estado). Elprocesodediseosecuencial(cap.12),apartirdelgrafodeestadosydela asignacindeunapalabrabinariaacadaunodeellos(codificacin),consisteendedicar unbiestableacadavariabledeestadoyestablecerlasfuncionesquecontrolandichos biestables (evolucin del estado) y las variables de salida (activacin de las salidas). 24El ect rni caDi gi t alEl sincronismo, como divisin del tiempo en unidades discretas, facilita el diseo de lossistemassecuencialesylesconfiereunagranseguridaddefuncionamiento.Paraello es necesario introducir una seal de reloj, cuyos flancos sealarn el paso de una unidad detiempoalasiguiente,ydisponerdebiestablessncronosquesolamentecambianen dichosflancos(cap.13);lacombinacindebiestablesconfuncionespreviasen configuracinPALdalugaracircuitosintegradosprogramables,capacesdeadmitirla insercin (por programacin) en su interior de un sistema secuencial completo. Eldiseodesistemassecuencialesconbiestablessncronos(cap.14)pasatambin por establecer las funciones de evolucin del estado (que actan sobre los biestables que contienenlasvariablesdeestado)ylasfuncionesdeactivacindelassalidas.Eldiseo sncronoesintrnsecamentenecesarioensistemasdeprocesamientootransmisinserie (en los cuales a cada dgito le corresponde un intervalo de tiempo definido por el reloj) y es altamente conveniente en todo tipo de diseo digital de una cierta complejidad. El sincronismo ofrece facilidad de diseo al referirlo a unidades de tiempo discretas y numeradas pero, sobre todo, seguridad de funcionamiento para evitar las aleas y errores debidosalosdiferentestiemposdepropagacin.Paraelloesprecisocomprenderen profundidadsusignificadoconceptualylosrequisitosqueelsincronismoimpone(cap.15);talesrequisitossereflejansobrelosbiestables,enformadecondicionesde diseoytiemposfuncionalesquehandeserrespetadosysobrelasealdereloj,cuya verticalidad, simultaneidad, y no-contaminacin han de ser aseguradas. Unregistroesunconjuntodebiestablesysirveparaalmacenarunapalabrabinaria (captulos11y13).Loscontadores(cap.16)sonuntipoespecialderegistrosque evolucionanentrenmerosbinariosconsecutivos(pasandeunnmeroalsiguienteo viceversa) y que sirven para contar pulsos y para dividir frecuencias; aunque son circuitos secuenciales, debido a que suelen tener muchos estados (si bien muy ordenados entre s), su diseo requiere una metodologa propia. Loscontadoressonbloquessecuencialessumamentetileseneldiseodesistemas de medida y de control, debido a la gran variedad de aplicaciones que ofrecen (cap. 17): contajeycontroldenmerodeobjetosyde sucesos, medida de tiempos (loscontadores son la herramienta especfica para manejar el tiempo), medida de frecuencias y de nmero de revoluciones, Unaaplicacinmssofisticadadeloscontadores,lamodulacindeanchurade pulsos, merece particular atencin (cap. 18); la informacin reflejada sobre amplitudes de tensin no resulta apropiada para los mtodos digitales y, en cambio, hay procedimientos digitales que facilitan un buen manejo de informacin expresada en anchura de pulsos de amplitudfija.Lospulsosdeanchuramoduladapermitenrealizarconprocedimientos bsicamentedigitalestareasque,enprincipio,parecenmspropiasdelaelectrnica analgicacomoelcontroldepotencia,laconversindigital-analgicaylarecprocade analgicaadigital,ladisponibilidaddepotencimetrosparacontrolarlaamplitudde las seales,... 0. Int roducci n25 Algunos sistemas digitales necesitan almacenar en su memoria grandes cantidades de datos, para ello los registros se agrupan en amplios bloques, denominados memorias (cap. 19);tales bloques (RAM) presentanaspectos novedosos relativos a la organizacin de la transferencia de la informacin por medio de buses (de datos, de direcciones y de control). Elbusdedireccionesgeneraunampliocampodeposicionesnumeradasparasituarlos registros de los bloques de memoria: mapa de memoria. Laarquitecturabasadaenlautilizacindebusespermiteagruparmltiplesbloques dememoria(algunosdeellosdesololecturaROM)y,tambin,incorporardentrodela memorialosperifricosdeentradaydesalida(cap.20);paraello,esprecisosituar circuitalmentecadabloqueenunsegmentodelmapadememoriaydotardeadecuada fuerza a las seales que son transmitidas por los buses. Doscaptulos,dedicadosaaspectostecnolgicos,serefierenacircuitosauxiliares, complementariosdelospropiamentedigitalesynecesarios,respectivamente,parala gestindeltiempo(cap.T4)yparalarelacinconelmundoexterior,bsicamente analgico(cap.T5).Elprimerodescribeloscircuitostemporizadoresquepermitenla determinacin de intervalos de duracin dada: osciladores para producir ondas de reloj y monostables para pulsos de anchura dada. El segundo trata de los circuitos que facilitan la comunicacindelossistemasdigitalesconsuentornofsicoanalgico:conversoresde informacin digital a analgica y viceversa, de tensiones analgicas a cdigos digitales. 0.4.3.Microelectrnica Eldiseodigitalactualsedesarrollaenformamicro:lamicroelectrnicadigital aludealaconfiguracindelcircuitoelectrnicocompleto,resultantedeundiseo especfico,enelinteriorde un solo integrado. Lo cual suponepasar dela interconexin de circuitos integrados estndar a la construccin de un circuito integrado especfico. Setratadeinsertarnuestropropiodiseocompletoenunnicocircuitointegrado (que no ser de tipo estndar, disponible en catlogo, sino de aplicacin especfica)y para ello disponemos de dos alternativas: -programar nuestro diseo sobre un circuito integrado programable -o, fabricar dicho diseo como circuito integrado especfico, ASIC. El estudio de la microelectrnica debe atender a dos aspectos diferenciados:-porunlado,elprocesodediseodeuncircuitoparticular(paraunaaplicacin especfica) y las posibilidades de programacin o de fabricacin del mismo,-y,deotro,latecnologacomosoportematerialsobre el cualse vaa configurarel circuito resultante de nuestro diseo. Enprimerlugar,sehadeconocercmollevaracaboelprocesodediseodeun sistemadigitalparaconseguirconfigurarlo,enelinteriordeuncircuitointegrado: insertarlosobreundispositivoprogramableofabricarlocomointegradoespecfico.Las dosopciones(programacinofabricacindeldiseo)utilizanelmismoesquemade desarrollodelprocesodediseo,elmismotipodeherramientasylasmismas consideraciones metodolgicas a tener en cuenta. 26El ect rni caDi gi t alEsrazonablecomenzarestudiando(cap.21)lasdiversasposibilidadesde programacinyfabricacinquepermitenobteneruncircuitointegradoconundiseo especficocompleto;yconsiderarluego,enmayordetalle(cap.22),laconfiguraciny prestaciones de los circuitos integrados programables de tipo avanzado (FPGAs).El diseo microelectrnico se desarrolla habitualmente con la ayuda de un lenguaje dedescripcincircuital,deloscualeselmsutilizadoeselVHDL(cap.23).VHDLes un lenguaje de descripcin y simulacin de sistemas en general y, desde el punto de vista delamicroelectrnica,interesalapartequepuedesersintetizadaporcompiladores digitales,esdecir,quepuedesertraducidaaunconjuntodepuertasybiestablespara configurar un circuito digital. Complementariamente, se detallan en un apndice (ap. A6) diezejemplosdediseoVHDLdesistemasdecontrol,incluyendoenellosmquinas algortmicas(dedicadasaclculosnumricos)ydiseosampliosdesistemas habituales. La microelectrnica permite abordar sistemas digitales muy complejos y resulta muy adecuadoconsiderarlaspautasoformasdeactuarqueorientenyfaciliteneldiseo complejo(cap.24);frentealograndeycomplicadolaestrategiamseficazdelos limitados cerebros humanos es la divisin en partes, una divisin que no ha de perder la visin de globalidad: fraccionar con estructura. Adems,lamicroelectrnicaexigeplantearelproblemadeltestdefabricacin(cap.25);losvectoresomtodosdecomprobacindequeuncircuitointegradoseha fabricadobiensonresponsabilidaddeldiseador,aunquesuaplicacinefectiva corresponda al fabricante. Tambinesnecesarioconocerelsoportematerialquepermitelaprogramacino fabricacindeuncircuitoespecfico,estudiarconunpocodedetallelatecnologaque permitematerializarundiseoparticular.Cuatrocaptulos,delosetiquetadoscomo aspectostecnolgicos,presentanunmodelobsicoconceptualyoperativodela tecnologa,quefacilitalacomprensindesusposibilidades,susprestaciones,sus limitaciones y sus exigencias (los requisitos que la tecnologa impone sobre el diseo). El primero de ellos (cap. T6) desarrolla un modelo funcional del comportamiento de lostransistoresMOSquepermiteunarepresentacingrficadeladistribucindecarga enelcanaldedichostransistoresy,sobreella,efectuarclculosrelativosatensiones, intensidades, tiempos y consumos.Apartirdedichomodelo,seestudianendetallelascaractersticasdelinversor CMOS(cap.T7),comoprototipodelaspuertasinversoras,yseanalizanlaspuertas seudoNMOSylaspuertasdetransmisin(cap.T8),comoalternativasdeinterspara determinadas configuraciones; asimismo, se introduce la lgica dinmica. Porltimo(cap.T9),seconsiderancuestionesdiversasquecompletanelpanorama deuncircuitointegradoglobal:entradasysalidas,densidaddeintegracin,reglasde diseofsico,...,ascomo(ap.A7),laposibilidaddeincluiretapasanalgicas complementariasdentrodelmismointegradodigital(ASICsmixtos)yelsimulador SPICE(ap.A8)comoeficazherramientadesimulacinelctricadelcomportamientoy caractersticas de las puertas o mdulos digitales. Toms Polln Santamara. Tecnologa Electrnica. E.U.I.T.I.Z. Universidad de Zaragoza.tpollan@posta.unizar.es 1LGEBRASDEBOOLEDE2ELEMENTOS OPERACIONESBOOLEANASYPUERTASLGICAS 1.1. Estructura de lgebra de Boole 1.2. Casos de inters de lgebras de Boole binarias 1.3. Representacin grfica de las operaciones booleanas: puertas lgicas 1.4. Operaciones unitarias 1.5. Las operaciones booleanas en lenguaje de descripcin circuital: VHDL La finalidad de la Electrnica Digital es procesar la informacin. Para ello utiliza las operacionesdefinidasporGeorgeBooleensuinvestigacinsobrelasleyesdel pensamiento, publicada en 1854. En una poca de triunfo de las matemticas en la tarea demodelizarelmundofsico,GeorgeBoolediotambinformamatemticaala combinacindeproposiciones;Booleintrodujo,alavez,unlenguajeformal(lalgica proposicional) y una estructura matemtica (el lgebra de Boole) capaz de representar y de validar tal lenguaje. Casiunsiglodespus,en1938,alestudiarloscomplejoscircuitosderelsquese utilizaban en la comunicacin telefnica, Claude E. Shannon demostr que las operaciones booleanassonaptasparadescribirloscircuitosconconmutadoresy,tambin,para expresar clculos en el sistema de numeracin de base 2. Shannon estableci la posibilidad deutilizarlamismaestructuramatemtica(ellgebradeBoole)comosoportedeun sistemadenumeracinyclculo(elsistemabinario)yproporcionunaformade construirlasoperacionesdellgebrabooleanamediantelaconexindedispositivos fsicos (los conmutadores). Boole y Shannon fijaron los cimientos conceptuales para el procesamiento digital de la informacin. Gracias a ellos disponemos de un lenguaje formalizado capaz de expresar la combinacin de proposiciones, deun sistema de numeracin capaz de soportar clculos aritmticos y de una forma de materializar (es decir, de construir mquinas capaces de ejecutar) tanto el lenguaje como el sistema de numeracin. Labasematemticaquesoportatodoestocorrespondealaestructuradelgebrade Boole de dos elementos (el 0 y el 1): lgebra booleana binaria. Las mquinas digitales, aunquesolamentesabentrabajarconel0yel1(unalgicadualmuylimitada),son capacesdemanejar,amsaltonivel(porprogramacin),lalgicadifusa,lasredes neuronales, la inferencia matemtica, la inteligencia artificial,...Estetemapresentaunresumengeneraldelosconceptosfundamentalesdellgebrade Boole y de sus operaciones, considerando en particular las tres lgebras binarias citadas: la lgica proposicional, el sistema de numeracin con base 2 y el lgebra de conmutadores. Adems,seexponelarepresentacingrficadelasoperacionesbooleanasmediante puertas lgicas, como esquema para describir (y forma de construir) los circuitos digitales, yseintroducenlasoperacionesunitariasquepermitenexpresar,conslounadeellas, todo el lgebra booleana y,por lo mismo, permitenconstruir cualquier circuito digital con un solo tipo de puertas.28El ect rni caDi gi t al 1. 1. Est ruct uradel gebradeBool e EllgebradeBooleesunaestructuramatemticadefinidasobreunconjuntode elementos a, b, c,... por tres operaciones con las propiedades siguientes: la complementacin o negacin,a , con propiedad de involucin,a = a la operacin "o",b + a , asociativa y conmutativa la operacin"y",a.b , tambin asociativa y conmutativa siendo estas dos ltimas operaciones distributivas entre s c) . (a + b) . (a = c) + (b . ac) + (a . b) + (a = c) . (b + a y existiendo dos elementos nicos, 0 y 1, tales que 0=10 = 1y a + 0=a a +1=1a + a=1 a . 0=0 a . 1=a a . a=0 Un ejemplo caracterstico de lgebra booleana lo constituye el conjunto partes de un conjuntodado(conjuntodetodossussubconjuntos)conlasoperacionesdecomplemen-tacin,unineinterseccin;talesoperacionespuedenrepresentarsegrficamente mediante los diagramas de Venn. A A B U

A B I Enrelacinconelcuerpodelosnmerosreales,contrastandosusoperaciones aritmticas de suma y resta con las operaciones "o" e "y" booleanas, el lgebra de Boole presenta las siguientes diferencias: Lapropiedaddistributivaesdoble;noslode.respectoa+,sinotambinde+ respecto a .. Noexistenelementosinversosrespectoalasoperaciones"o"e"y"yporellono estn definidas las operaciones inversas (como son la resta y divisin aritmticas). Existe, en cambio, el elemento complementario. [Considreseeldiferentepapelquedesempeaelelementocomplementarioen relacin con los elementos inversos:- complementario1 =a+ a 0 = a. a- inversos0 = (-a) + a 1 = .(1/a) a ]. 1. l gebrasdeBool e29 ApartirdelosaxiomasquedefinenellgebradeBoolepuedendeducirsedirectamente, los siguientes teoremas operativos: Dualidad:todaexpresinbooleanasiguesiendovlidasiseefectan,alavez,los siguientes cambios:a a + (operacin "o") . (operacin "y")0 1 Idempotencia: a + a=a a . a=a Absorcin:a + a.b=a a + a.b =a + b a.(a + b)=a a.(a + b)=a.b de Morgan:a + b= a .ba . b= a + b de Consenso:a.b + a.c + b.c=a.b + a.c(a + b).(a + c).(b+ c)=(a + b).(a + c) Comosimpleejemplodedemostracindeteoremas,seincluyeacontinuacinla correspondiente a los teoremas de idempotencia: a + a=a.1+ a.1=a.(1+1)=a.1=aa.a=(a + 0).(a + 0)=a + 0.0=a + 0=a [En el primer paso, se hace uso de los axiomas a.1=a, a+0=a; en el segundo, se aplica lapropiedaddistributiva;eneltercerpaso,seutilizanlosaxiomasa+1=1,a.0=0yenel cuarto, se emplean los mismos axiomas que en el primer paso.] El teorema de Dualidad se deduce de que todos los axiomas siguen siendo vlidos si se aplican sobre ellos dichos cambios (los tres a la vez) y, por tanto, tales cambios pueden generalizarse a cualquier expresin booleana. [Debe tenerse en cuenta que la Dualidad ha de ser aplicada a ambos miembros de una expresin booleana y no solamente a uno de ellos: sea la funciny=a + c.b no es vlido hacer)" b + .(c a = " .b c + a = ysinoy= a.(c + b) . ] El lgebra booleana ms simple y de mayor inters prctico es la definida sobre un conjunto de slo dos elementos, que necesariamente han de ser el 0 y el 1: negacin operacin "o" a+boperacin "y" a.b 0=10 + 000 . 00 0 + 110 . 10 1=01 + 011 . 00 1 + 111 . 11 En la operacin "o"predomina el valor1,en el sentido de que si un operando tiene dichovalor1,