Curso Modulo 10

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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MODULO 10

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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MODULO 10

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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MODULO 10

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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MODULO 10

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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MODULO 10

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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MODULO 10

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:[email protected] .


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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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