ELECTRNICA DIGITAL. UN LIBRO PARA SU ESTUDIOToms Polln Santamara Departamento de Ingeniera Electrnica y Comunicaciones Universidad de Zaragoza. tpollan@unizar.es

RESUMEN Prensas Universitarias de Zaragoza ha publicado un texto de electrnica digital, distribuido (por razones de tamao, precio y utilizacin) en tres partes: Sistemas combinacionales, Sistemas secuenciales y Microelectrnica digital. Pretende ser un libro para el estudio, para el esfuerzo individual que cada 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 procura recorrer todo el camino que lleva desde los conceptos y mtodos bsicos hasta los sistemas complejos, situndose en una perspectiva de diseo digital actual (en que los circuitos se realizan, en tamao micro, sobre dispositivos programables o ASICs). Particular inters tienen captulos no habituales, como los referentes al problema del ruido, al significado y requisitos del sincronismo, a la 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 Textos Docentes, la primera edicin de esta ELECTRNICA DIGITAL que, desde el ao 1982 y en sucesivas versiones, haba sido impresa en forma de apuntes por captulos. Habindose agotado la primera edicin, abord la tarea de escribir un nuevo texto con la finalidad de actualizar sus contenidos (tal como requiere el acelerado y constante ritmo de 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, con el de sistemas secuenciales el segundo y el ltimo relativo a la microelectrnica digital. No es que esta divisin sea realmente operativa en cuanto al diseo digital; de hecho todo sistema digital de una cierta complejidad es secuencial y todo diseo digital actual es microelectrnico. Pero de alguna forma haba que dividir la materia y la 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 las personas interesadas en ellas. Para facilitar su utilizacin por parte de quienes se encuentren interesados en los sistemas lgicos, pero no en su realizacin electrnica, se ha procurado separar en captulos distintos dichos aspectos. No es un libro de consulta; existe un gran nmero y una amplia diversidad de libros de consulta disponibles, algunos de los cuales vienen reseados en la bibliografa, al final del texto. Ni tampoco pretende ser una gua para la preparacin de las clases por parte del profesor, aunque seguramente pueda proporcionar una ayuda eficaz en tal sentido.

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El texto ha sido elaborado y contrastado con la intencin de configurar un libro para el estudio personal, para el esfuerzo individual que cada estudiante ha de realizar para aprehender, es decir, para hacer suyos los conocimientos y la forma de razonar propios de una materia o disciplina: [ aprender aprehendere apropiarse aduearse ser dueo de ] Desde tal perspectiva se han ordenado los diversos conceptos y se ha desarrollado la exposicin de los mismos, intercalando en dicha exposicin numerosos ejemplos que 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 el fin de insistir en su comprensin y asimilacin; el detalle con que se analizan los ejemplos que sirven de introduccin a algunos temas; la propia presentacin del texto, destacando con negrita expresiones, variables y valores booleanos,... La primera pgina de cada captulo, adems del ndice, contiene un breve resumen y 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. En las secciones 5, 6 y 7 de esta comunicacin se describe, con un cierto detalle, 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 mismo sentido, las secciones 3 y 4 inciden en dicho manejo de la informacin en su perspectiva histrica y en su perspectiva simblica. Material complementario para el estudio y utilizacin de este texto se encontrar en la pgina www.unizar.es/euitiz/digital.htm: en ella se dispondr de copia actualizada de los captulos; ampliaciones, comentarios, observaciones y erratas; hojas de ejercicios clasificadas por temas; colecciones de transparencias; etc., que pueden ser utilizadas, copiadas y distribuidas libremente en los trminos de la licencia de Documentacin Libre GNU (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 Un punto de referencia bsico en la redaccin del texto lo constituye el concepto de informacin y de su manejo, la consideracin finalista de los sistemas lgicos como herramienta conceptual para el procesamiento de la informacin y de la electrnica como tcnica eficaz para el tratamiento de la informacin. Ha sido escrito con el deseo expreso de transmitir al conjunto del texto tal referencia bsica a la informacin y a su procesamiento, como objeto y objetivo propio de la electrnica digital. La electrnica es la tcnica de manejo de la informacin ms eficaz que, hoy por hoy, posee el hombre; la electrnica maneja la informacin codificada en seales elctricas y utiliza, para ello, dispositivos que aprovechan las propiedades de los electrones. Desde la perspectiva del desarrollo histrico de la electrnica, podemos identificar 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).

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Automatizacin: utilizar la informacin para controlar procesos; para ello, aparte de las propias operaciones a efectuar sobre la informacin, se necesitan sensores (capaces de convertir en seales elctricas las magnitudes fsicas que afectan al proceso) y efectores (capaces de traducir las seales en acciones, en definitiva en otro tipo de magnitudes fsicas). Informatizacin: procesar la informacin en s misma para darle una nueva forma o para obtener nueva informacin a travs de combinar varias informaciones. Estos tres mbitos de actuacin sobre la informacin coinciden con las tareas que la electrnica ha ido abordando, sucesivamente, en su desarrollo a lo largo del siglo XX. 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? La informacin es una componente de la actividad humana; es, probablemente, la componente ms intrnseca de la actividad del hombre. Junto con los materiales y la energa, la informacin est presente, como parte integrante y necesaria, en las diversas acciones de los humanos (incluso podemos distinguir actuaciones en las que no intervengan, externamente, los otros dos componentes, materia y energa, como es la simple reflexin o pensamiento). Pero, adems, materiales, energa e informacin representan escalones sucesivos en 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 le permitieran sobrevivir y vivir cada vez mejor, que le aportaran comodidades y, tambin, que le sirvieran para confeccionar tiles e instrumentos 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 diversas fuentes de energa y disponer de mecanismos que permitieran utilizar la energa externa para obtener los productos y servicios que le interesaban. Un hito relevante de este proceso de aprovechamiento de la energa lo constituye la mquina de vapor, que da lugar a un perodo histrico conocido como revolucin industrial (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 manejar la informacin, para transmitirla, recogerla y ampliarla y, tambin, para utilizar, en lugar del propio hombre, la informacin. Lo que hasta hace poco pareca patrimonio especfico del hombre, la captacin, el procesamiento y la utilizacin eficaz de informaciones complejas en forma verstil, ha pasado a ser tambin dominio de las mquinas y de las tcnicas. Por ello nos encontramos en un nuevo perodo de mudanza en el estado de las cosas que podemos nombrar como revolucin informacional. Precisamente, porque la informacin se ha externalizado del hombre, la hemos descubierto como concepto significativo. Hasta ahora haba pasado desapercibida como parte intrnseca y consustancial a la actividad humana. La informacin, como otros conceptos 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.

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3. RECONOCER COMO HEMOS LLEGADO HASTA AQU Conviene resaltar tres aspectos que, desde el principio, distinguen a la electrnica: su carcter aplicado (no es una disciplina terica o de investigacin bsica sino de manejo 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. Con el transistor (a mitad del siglo XX) comienza un proceso continuo de reduccin de la electrnica: todo se hace ms pequeo, ms corto, ms rpido: se reduce no slo el tamao, 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. A la electrnica la minimizacin le viene de familia (el electrn es diminuto y muy veloz, en cuanto a sus efectos) y el resultado es que, al hacerse tan pequea y tan rpida, la electrnica se ha metido por todos los rincones de nuestra vida y de nuestra sociedad y ha promovido esa mudanza en el estado de las cosas que caracteriza nuestro presente: la revolucin informacional. La electrnica de la primera mitad del siglo XX se dedic a la telecomunicacin, en su doble aspecto: espacial y temporal; desarroll la radiodifusin y la grabacin del 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. La penetracin en la industria de los sistemas de control electrnicos se ve favorecida por la introduccin de dispositivos electrnicos de control de energa y por la posibilidad de abordar tareas complejas gracias a los circuitos integrados; de forma que, a partir de los aos 70, 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. A la vez, en esta segunda mitad del siglo XX, muy poquito a poco al principio pero de 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 la lgica proposicional (la forma de combinar proposiciones), a travs de una estructura matemtica que, andando el tiempo, sera conocida como lgebra de Boole (Una investigacin de las leyes del pensamiento, publicado en 1854).[1] Claude E. Shannon, ingeniero norteamericano, que, al desarrollar un modelo matemtico para tratar con las redes de mltiples conmutadores propias de la telefona, identifica la interconexin de conmutadores como lgebra booleana y pone de manifiesto que tambin lo es el sistema binario de numeracin (Un anlisis simblico de los rels y circuitos de conmutadores, publicado en 1938).[2]

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Sobre las bases conceptuales que establecen Boole y Shannon se edifica la electrnica digital (soporte instrumental del procesamiento de la informacin), que alcanza su mayora de edad en los aos 70, cuando los circuitos integrados permiten 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 a la configuracin de sistemas propiamente informticos sino que, desde sus inicios, se dedica tambin al control de procesos y, en buena medida, desplaza a la electrnica anterior (analgica). El microprocesador resuelve muy eficazmente el control de procesos industriales y la integracin de circuitos de aplicacin especfica (ASICs) permite miniaturizar controles sumamente sofisticados para el interior de los productos fabricados en tales procesos. Asimismo, hoy en da, la electrnica digital ha invadido y renovado el mbito de las comunicaciones y los sistemas digitales han abierto nuevas alternativas (con extraordinarias prestaciones) en cuanto a almacenamiento de sonido e imagen, en cuanto a telefona por microondas y, tambin, en radio y televisin. 4. LO SIMBOLICO FRENTE A LO ANLOGO Las seales elctricas son el soporte material de la informacin; segn la manera de codificar la informacin (de representarla en forma de seales elctricas) aparecen dos tipos de electrnica: la analgica y la digital. La analgica representa las cantidades por analoga cuantitativa (a mayor cantidad, mayor tensin) segn una relacin de proporcionalidad directa, mientras que la digital utiliza smbolos a travs de un proceso de codificacin abstracta. El nombre de analgica deriva de que la representacin se hace por analoga: los valores de la seal elctrica son anlogos en cantidad a los de la magnitud fsica: hay una relacin directa en trminos de cantidad, una relacin de proporcionalidad. El nombre de digital le viene de que utiliza dgitos: representa la informacin mediante palabras formadas por varios dgitos, a travs de una codificacin: es una representacin simblica que requiere un proceso de abstraccin. Un sensor adecuado transforma directamente la correspondiente magnitud fsica en tensin elctrica analgica, pero se requiere una codificacin posterior para que la seal resultante de la medida sea trasladada a la palabra binaria (al conjunto de seales) que corresponde a su representacin digital. Por medio hay un cdigo que establece la relacin entre cada smbolo y la cantidad de tensin analgica que representa, cantidad que, adems, depende de la posicin (valor relativo) del smbolo en la palabra binaria. Es indudable que se asume una complicacin, un esfuerzo adicional, al pasar de la representacin analgica a la digital. En la utilizacin digital de smbolos hay un esfuerzo intermedio importante que no resulta obvio: la representacin en dgitos requiere una transformacin cualitativa, una conversin abstracta en smbolos que, segn el lugar que 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 de valores de tensin, dos valores prximos tendrn dificultades para diferenciarse mientras que, en el caso digital, correspondern a dos palabras binarias diferentes (y su expresin en tensiones emplear para cada dgito dos valores distantes).

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b) Fortaleza frente a perturbaciones (frente al ruido electromagntico): las tensiones digitales utilizadas correspondern a dos valores distantes mientras que las analgicas recorren todo el rango de valores, de forma que la ms mnima perturbacin modificar el valor 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 un 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 clculo propios del correspondiente sistema de numeracin (en el caso digital, el clculo en el sistema binario). e) Capacidad de razonamiento (de combinar proposiciones): el razonamiento es propio de la representacin simblica y de la combinacin de smbolos (a travs de las reglas de la lgica). La electrnica digital, al trasladarnos al mundo de los smbolos, aporta precisin y fortaleza y nos transfiere al plano de lo abstracto que es el mbito del clculo y del razonamiento. En tal sentido importa reiterar que todo esto (es decir, el procesamiento de la 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 un modelo para expresar matemticamente el pensamiento humano, esto es, la forma en que el hombre razona, Georges Boole nos leg un lenguaje formal (la lgica proposicional) que permite combinar proposiciones y una estructura matemtica (el lgebra de Boole) que soporta dicho lenguaje. Claude E. Shannon nos mostr que dicha estructura matemtica tambin soporta los clculos numricos en sistema binario y, 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; en las tres secciones siguientes se relata el detalle de su contenido. 5. PRIMER VOLMEN: I. SISTEMAS COMBINACIONALES [3] 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). Todo ello con referencia a las tres lgebras de Boole de dos elementos cuyo 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 de conmutadores (componentes fsicos para construir las operaciones booleanas). La diversidad de representaciones de una funcin booleana (cap. 2) es la base para su construccin circuital, siendo sumamente tiles los procedimientos de simplificacin de la funcin para reducir el tamao del circuito.

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Las funciones booleanas pueden agruparse en bloques o mdulos que realizan operaciones globales de inters genrico: bloques combinacionales. De un lado (cap. 3), interesan los bloques que efectan operaciones aritmticas entre dos nmeros binarios y, dentro de esta 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. Por otra parte (cap. 4), son tiles los bloques que facilitan la distribucin de la informacin y la seleccin de posibilidades (multiplexores, demultiplexores y decodificadores) y, tambin, los que simplemente trasladan la misma informacin de un 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. 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. Se trata siempre de construir conjuntos de funciones booleanas, lo cual se complica cuando el nmero de sus entradas es alto: las estructuras matriciales (cap. 5) permiten abordar tal complejidad. Existen tres estructuras conceptualmente simples ROM, PAL y PLA, que facilitan la descripcin y construccin de bloques combinacionales de muchas entradas; tales configuraciones sirven, adems, para conformar circuitos integrados programables, 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. Una vez recorridos los cimientos y el almacn de piezas de los sistemas lgicos combinacionales (las funciones y los mdulos que hacen viable su diseo), conviene recordar que la materia sobre la que trabajan es la informacin y que sta se encuentra codificada en palabras binarias de ceros y unos, existiendo mltiples posibilidades de codificacin (cap. 6). Conviene, asimismo, tomar conciencia de la posibilidad de error (principalmente en la transmisin y en la conservacin de la informacin) y conocer la 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 la 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 la siguiente, ya que lo que se transmite es una tensin elctrica). Por otra parte, las puertas lgicas habituales son de tipo inversor, construidas con interruptores segn el lgebra de conmutadores, y el transistor NMOS es un excelente interruptor. La combinacin de interruptores de los dos tipos complementarios, utilizando transistores NMOS y PMOS, permite anular el consumo esttico de las puertas lgicas y reducir su resistencia de salida, configurando puertas de caractersticas cuasi-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), tanto en variedad de puertas complementarias como en otros tipos de puertas para aplicaciones especficas: las puertas de transmisin facilitan la configuracin de multiplexores y la desconexin (estado de alta impedancia) y las puertas seudoNMOS permiten construir estructuras matriciales de muchas entradas y, tambin, bloques programables tipo ROM, PAL y PLA.

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Como puede apreciarse el texto opta por los transistores MOS y, en concreto, por la tecnologa CMOS como forma de realizacin fsica de los circuitos digitales; tal opcin se fundamenta en dos razones: - los transistores MOS se corresponden, casi idealmente, con los interruptores propios del lgebra de conmutadores, base conceptual para construir fsicamente los sistemas digitales - y, adems, la integracin CMOS es actualmente la forma habitual de realizacin de circuitos integrados digitales. A partir de los aos 80, la tecnologa CMOS releg a un 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 lgicas con transistores bipolares y las caractersticas propias de la familia TTL; y el apartado 10.1 describe la evolucin de los circuitos integrados digitales y la situacin 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 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 (cuando se encuentra en polarizacin negativa) y se desarrolla un modelo operativo de funcionamiento de los transistores MOS. Es un captulo auxiliar muy til para quienes no dominen (o, simplemente, necesiten repasar) la teora de semiconductores. En el segundo (cap. T2), se presenta el proceso de fabricacin de circuitos integrados CMOS: las etapas bsicas de dicho proceso, las diversas operaciones fsico-qumicas que se 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 precisa de la configuracin atmica y de las propiedades elctricas de cada zona semiconductora, conductora o aislante. Asimismo, dentro de los aspectos tecnolgicos, se analiza con mayor detenimiento el problema del ruido en los circuitos digitales (cap. T3), detallando las causas fsicas de las interferencias electromagnticas, los mecanismos que las producen y transmiten en relacin con los circuitos digitales y las formas de evitar o reducir los efectos de tales interferencias. Tres apndices describen, respectivamente, el mtodo de simplificacin QuineMcCluskey (que es la base de los algoritmos informticos de simplificacin de funciones booleanas), la propagacin rpida de acarreo (para evitar largos tiempos de respuesta en los sumadores de nmeros binarios de muchos dgitos) y las puertas lgicas con transistores bipolares (abarcando tanto las puertas discretas como la familia lgica TTL).

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6. SEGUNDO VOLMEN: II. SISTEMAS SECUENCIALES [4] Los sistemas secuenciales son sistemas digitales que incorporan memoria de su pasado; sta se consigue mediante realimentacin en las propias funciones booleanas. La memoria presenta dos aspectos (cap. 11): la necesidad de recordar la evolucin anterior del sistema y el almacenamiento de datos para su posterior utilizacin; en ambos casos, el biestable es la clula bsica capaz de almacenar un dgito. El conjunto de variables de estado contiene la informacin que el sistema secuencial necesita sobre su pasado y los grafos de estado son una herramienta adecuada para representar su comportamiento. El proceso de diseo secuencial (cap. 12), a partir del grafo de estados, de su simplificacin (si es posible) y de la asignacin de una palabra binaria a cada uno de ellos (codificacin), consiste en dedicar un biestable a cada variable de estado y establecer las funciones que controlan dichos biestables (evolucin del estado) y las funciones de las variables de salida (activacin de las salidas). El sincronismo, como divisin del tiempo en unidades discretas, facilita el diseo de los sistemas secuenciales y les confiere una gran seguridad de funcionamiento. Para ello es necesario introducir una seal de reloj, cuyos flancos sealarn el paso de una unidad de tiempo a la siguiente, y disponer de biestables sncronos que solamente cambian en dichos flancos (cap. 13); la combinacin de biestables con funciones previas en configuracin PAL da lugar a circuitos integrados programables (CPLDs), capaces de admitir la insercin (por programacin) en su interior de un sistema secuencial completo. El diseo de sistemas secuenciales con biestables sncronos (cap. 14) pasa tambin por establecer las funciones de evolucin del estado (que actan sobre los biestables que contienen las variables de estado) y las funciones de activacin de las salidas. El diseo sncrono es intrnsecamente necesario en sistemas de procesamiento o transmisin serie 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 los espurios (glitches) y errores debidos a los diferentes tiempos de propagacin. Para ello es preciso comprender en profundidad su significado conceptual y los requisitos que el sincronismo impone (cap. 15); tales requisitos se reflejan sobre los biestables, en forma de condiciones de diseo y tiempos funcionales que han de ser respetados y sobre la seal de reloj, cuya verticalidad, simultaneidad y no-contaminacin han de ser aseguradas. Un registro es un conjunto de biestables y sirve para almacenar una palabra binaria (captulos 11 y 13). Los contadores (cap. 16) son un tipo especial de registros que evolucionan entre nmeros binarios consecutivos (pasan de un nmero al siguiente o 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. Los contadores son bloques secuenciales sumamente tiles en el diseo de sistemas de 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,

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Una aplicacin ms sofisticada de los contadores, la modulacin de anchura de 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 amplitud fija. Los pulsos de anchura modulada permiten realizar con procedimientos bsicamente digitales tareas que, en principio, parecen ms propias de la electrnica analgica como el control de potencia, la conversin digital-analgica y la recproca de analgica a digital, la disponibilidad de potencimetros para controlar la amplitud de las seales,... 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) presentan aspectos novedosos relativos a la organizacin de la 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. La arquitectura basada en la utilizacin de buses permite agrupar mltiples bloques de 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, este segundo volumen incluye dos captulos complementarios dedicados a aspectos tecnolgicos, referidos a circuitos auxiliares, complementarios de los propiamente digitales y necesarios, respectivamente, para la gestin del tiempo (cap. T4) y para la relacin con el mundo exterior, bsicamente analgico (cap. T5). El primero describe los circuitos temporizadores que permiten la 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 comunicacin de los sistemas digitales con su entorno fsico analgico: conversores de informacin digital a analgica y viceversa, de tensiones analgicas a cdigos digitales. Dos pequeos apndices describen los contadores asncronos construidos directamente con biestables T en serie, y los bloques de memoria dinmica, que ofrecen amplias 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 configuracin del circuito electrnico completo, resultante de un diseo especfico, en el interior de un solo circuito integrado. Lo cual supone pasar de la interconexin de circuitos 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 el mismo esquema de desarrollo del proceso de diseo, el mismo tipo de herramientas y las mismas consideraciones metodolgicas a tener en cuenta.

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El primer captulo (cap. 21) presenta las diversas posibilidades de programacin y fabricacin que permiten obtener un circuito integrado con un diseo especfico completo; 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. El segundo (cap. 21) repasa la configuracin de macroceldas y CPLDs (dispositivos programables ya introducidos en el 2 volumen) y describe, en detalle, la configuracin y posibilidades de los circuitos integrados programables de tipo avanzado (FPGAs). El diseo microelectrnico se desarrolla habitualmente con la ayuda de un lenguaje de descripcin circuital, de los cuales el ms utilizado es el VHDL (cap. 23). VHDL es un lenguaje de descripcin y simulacin de sistemas en general y, desde el punto de vista de la microelectrnica, interesa la parte que puede ser sintetizada por compiladores digitales, es decir, que puede ser traducida a un conjunto de puertas y biestables para configurar un circuito digital. La microelectrnica permite abordar sistemas digitales muy complejos y resulta conveniente considerar las pautas o formas de actuar que orienten y faciliten el diseo complejo (cap. 24); frente a lo grande y complicado la estrategia ms eficaz de los limitados cerebros humanos es la divisin en partes, una divisin que no ha de perder la visin de globalidad: fraccionar con estructura. Adems, la microelectrnica exige plantear el problema del test de fabricacin (cap. 25); los vectores o mtodos de comprobacin de que un circuito integrado se ha fabricado bien son responsabilidad del diseador, aunque su aplicacin efectiva corresponda al fabricante. Tambin es necesario conocer el soporte material que permite la programacin o fabricacin de un circuito especfico, estudiar con un poco de detalle la tecnologa que 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 presentar un modelo bsico conceptual y operativo de la tecnologa, que facilite la comprensin de sus posibilidades, sus prestaciones, sus limitaciones y sus exigencias (los requisitos que la tecnologa impone sobre el diseo). El captulo T6 desarrolla un modelo funcional del comportamiento de los transistores MOS que permite una representacin grfica de la distribucin de carga en el canal de dichos transistores y, sobre ella, efectuar clculos relativos a tensiones, intensidades, tiempos y consumos. A partir de dicho modelo, se estudian en detalle las caractersticas del inversor CMOS (cap. T7), como prototipo de las puertas inversoras, y se analizan las puertas seudoNMOS y las puertas de transmisin (cap. T8), como alternativas de inters para 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.

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8. RUEGOS Y AGRADECIMIENTOS El autor agradece a todos los compaeros del departamento de ingeniera electrnica y 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 su labor como profesor; asimismo, agradece a los profesores y estudiantes de la especialidad de Electrnica Industrial de la Escuela Universitaria de Ingeniera Tcnica Industrial de Zaragoza la amistad, colaboracin, ilusin y esfuerzo que comparten da a da. Tambin agradecer efusivamente cualquier sugerencia o propuesta que contribuya a 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, An investigation of the laws of thought, Walton and Maberley, London, 1854. (Reprinted by Dover Books, New York, 1954). Hay traduccin espaola: Investigacin sobre las leyes del pensamiento, 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, Electrnica Digital. I. Sistemas Combinacionales, Coleccin Textos Docentes n 97, Universidad de Zaragoza, 2003. Prensas Universitarias de Zaragoza,

[4] T. Polln, Electrnica Digital. II. Sistemas Secuenciales, Prensas Universitarias de Zaragoza, Coleccin Textos Docentes n 102, Universidad de Zaragoza, 2004. [5] T. Polln, Electrnica Digital. III. Microelectrnica, Prensas Universitarias de Zaragoza, Coleccin Textos Docentes n 105, Universidad de Zaragoza, 2004.

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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. No es un libro de consulta; existe gran nmero y amplia diversidad de libros de consulta disponibles, algunos de los cuales vienen reseados en la bibliografa (al final del 2 volumen). Tampoco pretende ser una gua para la preparacin de clases por parte 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 libro para el estudio personal, para el esfuerzo individual que cada estudiante ha de realizar para aprehender, es decir, para hacer suyos los conocimientos y la forma de razonar propios de una materia o disciplina. [ aprender apprehendere apropiarse aduearse ser dueo de ] [ comprender comprehendere abarcar tener dentro hacer suyo ] Desde tal perspectiva se han ordenado los diversos conceptos y se ha desarrollado la exposicin de los mismos, intercalando en dicha exposicin numerosos ejemplos que 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 el fin de insistir en su comprensin y asimilacin; el detalle con que se analizan los ejemplos que sirven de introduccin a algunos temas; la propia presentacin del texto, destacando con negrita expresiones, variables y valores booleanos, ... Un punto de referencia bsico en mi actividad como profesor de Tecnologa Electrnica lo constituye el concepto de informacin y de su manejo, la consideracin finalista de los sistemas lgicos como herramienta conceptual para el procesamiento de la informacin y de la electrnica como la tcnica ms eficaz de que disponemos para el tratamiento de la informacin. Deseo y espero haber logrado transmitir al conjunto del texto tal referencia bsica a la informacin y a su procesamiento, como objeto y objetivo propio de la electrnica digital. En tal sentido importa destacar que todo esto (es decir, el procesamiento de la 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). En su bsqueda, junto a muchos otros investigadores de su poca, de un modelo para expresar matemticamente el pensamiento humano, esto es, la forma en que el hombre razona, Georges Boole nos leg un lenguaje formal (la lgica proposiciomal) que permite combinar proposiciones y una estructura matemtica (el lgebra de Boole) que soporta dicho lenguaje. Claude E. Shannon nos mostr que dicha estructura matemtica tambin soporta los clculos numricos en sistema binario y, 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.

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Electrnica Digital

En octubre de 1994 fue publicada por Prensas Universitarias de Zaragoza, en la Coleccin de Textos Docentes, la primera edicin de esta ELECTRNICA DIGITAL 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 texto con la finalidad de actualizar sus contenidos (tal como requiere el acelerado y constante ritmo de 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, se ofrece en tres tomos: este primero con el subttulo de sistemas combinacionales, sistemas secuenciales el segundo y microelectrnica el tercero de ellos. No es que esta divisin sea realmente operativa en cuanto al diseo digital; de hecho todo sistema digital de una cierta complejidad es secuencial y su realizacin microelectrnica es la forma de construirlo conforme a la tecnologa actual. Pero de alguna forma haba que dividir la materia y la divisin adoptada es til en relacin con la progresin en el estudio de la misma Para facilitar su utilizacin por parte de quienes se encuentren interesados en los sistemas lgicos, pero no en su realizacin electrnica, he procurado separar en captulos distintos dichos aspectos. En tal sentido, los seis primeros captulos de este volumen se dedican a los sistemas lgicos como tales, sin incluir ningn concepto electrnico y 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 encuentra una descripcin resumida de los contenidos de los diversos captulos; he considerado que era el lugar adecuado para comentar el esquema conceptual de la 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 la pgina www.unizar.es/euitiz/digital.htm: en ella se dispondr de copia actualizada de los captulos; ampliaciones, comentarios, observaciones y erratas; hojas de ejercicios clasificadas por temas; colecciones de transparencias; etc., que pueden ser utilizadas, copiadas y distribuidas libremente en los trminos de la licencia de Documentacin Libre GNU (referencia http://gugs.sindominio.net/licencias/fdl-es.html). Agradezco a todos los compaeros del departamento de ingeniera electrnica y 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 texto y, sobre todo, agradecer efusivamente cualquier sugerencia o propuesta que contribuya a mejorarlo, a clarificar las ideas que expresa o a facilitar su estudio.

tpollan@unizar.es Toms Polln Santamara Profesor de tecnologa electrnica en la EUITIZ Departamento de ing. electrnica y comunicacionesUniversidad de Zaragoza.

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Electrnica D igital A qu se dedica la electrnica? Cul es el objeto de esta disciplina?

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LA ELECTRNICA COMO TCNICA DE LA INFORMACIN CODIFICACIN DIGITAL REPRESENTACIN ANALGICA0.1. 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.

0.1. Objeto de la electrnica

La denominacin de electrnica resulta equvoca, ya que no expresa ni la finalidad ni el objeto propios de esta materia, sino que alude a lo que utiliza: dispositivos basados en el comportamiento del electrn. Es, pues, una nominacin instrumental, pero no funcional ni finalista: dice lo que la electrnica usa pero no indica lo que hace, ni sus objetivos propios. La palabra electrnica pone de manifiesto el aprovechamiento de las propiedades de los electrones: estas partculas son diminutas (10-12 cm), sus efectos son muy rpidos (300.000 Km/s) y llevan carga elctrica (capaces, por tanto, de ser portadores de seales elctricas). Aprovechando tales propiedades, la electrnica utiliza dispositivos (llamados electrnicos) conectados formando circuitos que operan con seales elctricas. Tambin las seales elctricas presentan, de por s, buenas propiedades: son fciles 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). La electrnica emplea dispositivos electrnicos, los cuales actan sobre seales elctricas. Pero eso no explica la finalidad propia de la electrnica, ni tampoco aclara el 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. Lo que realmente maneja la electrnica es informacin: las seales elctricas 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 electrnica es una tcnica de manejo de la informacin, codificada en seales elctricas, utilizando dispositivos que aprovechan las propiedades de los electrones. Cmo se maneja la informacin? Qu tareas interesa hacer con ella?

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?

Por qu dos electrnicas: analgica y digital? Cules son las formas, mtodos y 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.

Desde la perspectiva del desarrollo histrico de la electrnica, podemos identificar 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).

[Esta primera pgina en cada captulo pretende ser una introduccin, justificacin y resumen del propio captulo; en este caso, no tiene mucho sentido escribir una introduccin de la introduccin y, por ello, ha quedado reducida a un conjunto de preguntas.]

Automatizacin: utilizar la informacin para controlar procesos; para ello, aparte de las propias operaciones a efectuar sobre la informacin, se necesitan sensores (capaces de convertir en seales elctricas las magnitudes fsicas que afectan al proceso) y efectores (capaces de traducir las seales elctricas en acciones, en definitiva en otro tipo de magnitudes fsicas). Informatizacin: procesar la informacin en s misma para darle una nueva forma o para obtener nueva informacin a travs de combinar varias informaciones.

Toms Polln Santamara. Tecnologa Electrnica. E.U.I.T.I.Z. Universidad de Zaragoza. tpollan@posta.unizar.es

0. Introduccin

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Electrnica D igital

Estos tres mbitos de actuacin sobre la informacin coinciden con las tareas que la electrnica ha ido abordando, sucesivamente, en su desarrollo a lo largo del siglo XX. 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? La informacin es una componente de la actividad humana; es, probablemente, la componente ms intrnseca de la actividad del hombre. Junto con los materiales y la energa, la informacin est presente, como parte integrante y necesaria, en las diversas acciones de los humanos (incluso podemos distinguir actuaciones en las que no intervengan, externamente, los otros dos componentes, materia y energa, como es la simple reflexin o pensamiento). Pero, adems, materiales, energa e informacin representan escalones sucesivos en 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 le permitieran sobrevivir y vivir cada vez mejor, que le aportaran comodidades y, tambin, que le sirvieran para confeccionar tiles e instrumentos 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 diversas fuentes de energa y disponer de mecanismos que permitieran utilizar la energa externa para obtener los productos y servicios que le interesaban. Un hito relevante de este proceso de aprovechamiento de la energa lo constituye la mquina de vapor, que da lugar a un perodo histrico conocido como revolucin industrial (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 manejar la informacin, para transmitirla, recogerla y ampliarla y, tambin, para utilizar, en lugar del propio hombre, la informacin. Lo que hasta hace poco pareca patrimonio especfico del hombre, la captacin, el procesamiento y la utilizacin eficaz de informaciones complejas en forma verstil, ha pasado a ser tambin dominio de las mquinas y de las tcnicas. Por ello nos encontramos en un nuevo perodo de mudanza en el estado de las cosas que podemos nombrar como revolucin informacional. Precisamente, porque la informacin se ha externalizado del hombre, la hemos descubierto como concepto significativo. Hasta ahora haba pasado desapercibida como parte intrnseca y consustancial a la actividad humana. La informacin, como otros conceptos 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.

La 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 buenas caractersticas de las seales elctricas: por ello, manejamos la informacin en forma de seales elctricas y utilizamos para ello dispositivos electrnicos.

0.2. Un breve paseo por la historia La electrnica ha ido abordando sucesivamente los tres grandes mbitos de tareas de manejo de la informacin antes descritos (telecomunicacin, automatizacin e 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 del siglo XIX. Los precursores del mundo elctrico (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. A partir de estos conocimientos dispersos, Maxwell realiza una gran sntesis unificadora, el electromagnetismo (1868), en la cual, al entrelazar la electricidad con el magnetismo, aparece un fenmeno novedoso: las ondas electromagnticas. Dieciocho aos ms tarde (1886), Herz logra producir y detectar dichas ondas en su laboratorio y, muy pronto, Marconi las aprovecha para la comunicacin sin cable. Son tiempos en que ya se haba desarrollado la comunicacin a distancia (telgrafo: Morse, 1837, y telfono: Bell, 1876) y la conservacin del sonido en soporte material (gramfono: Edison, 1877). La electricidad haba ofrecido tres tipos de recursos tecnolgicos: una energa fcilmente transportable, nuevas y mejores mquinas y la comunicacin a gran distancia a travs de cable. La bsqueda de comunicacin a distancia sin cable condujo a la electrnica; en los albores del siglo XX (1901) Marconi logra que sus mensajes de puntos y rayas (cdigo morse) crucen el atlntico y Auvrey (1906) consigue modular las ondas, de forma que el sonido cabalgue sobre ellas. La electrnica aparece cuando Lee de Forest introduce el primer dispositivo amplificador: el trodo (1907). Las experiencias anteriores de telecomunicacin (relacionadas con el telgrafo inalmbrico) estaban pidiendo a gritos un buen amplificador de seales: de la energa que el emisor lanza en todas las direcciones (ya de por s pequea) la parte que recoge un receptor lejano es mnima; poder amplificar la energa recibida modifica cualitativamente la eficiencia de la transmisin. Lee de Forest aporta un dispositivo que, aprovechando el comportamiento de los electrones, sirve para amplificar seales elctricas, iniciando la electrnica de vlvulas cuya aplicacin y desarrollo ocupa la primera mitad del siglo XX. Una dcada despus (Pittsburg 1921), la radiodifusin comienza sus primeros pasos y pronto proliferaran las emisoras de radio y los receptores radiofnicos seran de uso comn en los pases desarrollados.

0. Introduccin

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Conviene resaltar estos aspectos que, desde el principio, distinguen a la electrnica: su carcter aplicado (no es una disciplina terica o de investigacin sino de manejo 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. Un nuevo rasgo entra en escena y acelera el desarrollo y la utilidad de la electrnica en la segunda mitad del siglo XX: un continuado proceso de miniaturizacin. En 1949 los trabajos del equipo cientfico de la Bell Telephone condujeron a la fabricacin del primer transistor, reduciendo el tamao del dispositivo amplificador en un factor cercano a 100. Con el transistor comienza un proceso continuo de reduccin de la electrnica: todo se hace ms pequeo, ms corto, ms rpido: Se reduce no slo el tamao, sino tambin el consumo y el coste; tambin se hace ms pequeo el tiempo de respuesta de 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). Este proceso de miniaturizacin ha continuado en la dcada de los 60 con el desarrollo de los circuitos integrados, cuya densidad de integracin ha ido progresivamente en aumento. 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. A la electrnica la minimizacin le viene de familia (el electrn es diminuto y muy veloz, en cuanto a sus efectos) y el resultado es que, al hacerse tan pequea y tan rpida, la electrnica se ha metido por todos los rincones de nuestra vida y de nuestra sociedad y ha promovido esa mudanza en el estado de las cosas que caracteriza nuestro presente: la revolucin informacional. La electrnica de la primera mitad del siglo XX se dedic a la telecomunicacin, en su doble aspecto: espacial y temporal; desarroll la radiodifusin y la grabacin del 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 sistemas electrnicos de control (para control de tiro y, tambin, para localizacin de aviones por medio del radar). La penetracin en la industria de los sistemas de control electrnicos se ve favorecida por la introduccin de dispositivos electrnicos de control de energa (tiristores y triacs) y por la posibilidad de abordar tareas complejas gracias a los circuitos integrados; de forma que, a partir de los aos 70, 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.

A la vez, en esta segunda mitad del siglo XX, muy poquito a poco al principio pero de 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 la lgica proposicional (la forma de combinar proposiciones), a travs de una estructura matemtica que, andando el tiempo, sera conocida como lgebra de Boole (Una investigacin de las leyes del pensamiento, publicado en 1854). Claude E. Shannon, ingeniero norteamericano, que, al desarrollar un modelo matemtico para tratar con las redes de mltiples conmutadores propias de la telefona, identifica la interconexin de conmutadores como lgebra booleana y pone de manifiesto que tambin lo es el sistema binario de numeracin (Un anlisis simblico de los rels y circuitos de conmutadores, publicado en 1938). Sobre las bases conceptuales que establecen Boole y Shannon se edifica la electrnica digital (soporte instrumental del procesamiento de la informacin), que alcanzar su mayora de edad en los aos 70, cuando los circuitos integrados permitan 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 a la configuracin de sistemas propiamente informticos sino que, desde sus inicios, se dedica tambin al control de procesos y, en buena medida, desplaza a la electrnica anterior (analgica). El microprocesador resuelve muy eficazmente el control de procesos industriales y la integracin de circuitos de aplicacin especfica (ASICs) permite miniaturizar controles sumamente sofisticados para el interior de los productos fabricados en tales procesos. Asimismo, hoy en da, la electrnica digital ha invadido y renovado el mbito de las comunicaciones y los sistemas digitales han abierto nuevas alternativas (con extraordinarias prestaciones) en cuanto a almacenamiento de sonido e imagen, en cuanto a telefona por microondas y, tambin, en radio y televisin.

0. Introduccin 0.3. Lo anlogo y lo simblico: dos electrnicas diferentes

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Electrnica D igital

Las seales elctricas son el soporte material de la informacin; segn la manera de codificar la informacin (de representarla en forma de seales elctricas) aparecen dos tipos de electrnica: la analgica y la digital. La analgica representa las cantidades por analoga cuantitativa (a mayor cantidad, mayor tensin) segn una relacin de proporcionalidad directa, mientras que la digital utiliza smbolos a travs de un proceso de codificacin abstracta. Tomemos el ejemplo de un termmetro analgico y otro digital; el primero 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 preciso interpretar por referencia a un determinado cdigo). Si observamos que la columna de mercurio ha aumentado, sabemos que ha subido la temperatura; en cambio, entre una indicacin digital de 19 y otra de 23 no es obvio cul de ellas indica mayor temperatura (solamente la interpretacin de los smbolos, a travs del cdigo numrico, permite resolver la comparacin). 0.3.1. Electrnica analgica La electrnica analgica representa los valores de una magnitud fsica mediante una tensin, a travs de una relacin de proporcionalidad V(t) = k.M(t); se utiliza una sola 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. Para trasladar el valor de la magnitud fsica 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.+Vcc

Pueden disearse muy diversas etapas amplificadoras (de tensin, de intensidad o de ambas) y, con ellas, puede construirse un amplificador de muy alta ganancia y caractersticas ideales, el amplificador operacional, que permite configurar bloques correspondientes a operaciones aritmticas (sumadores, restadores, comparadores, integradores, derivadores,); tales bloques constituyen los mdulos bsicos para el control de procesos (automatizacin). Asimismo, razonando en el espectro de frecuencias, con la correspondiente ayuda de condensadores y bobinas, las etapas amplificadoras pueden transformarse en filtros, sintonizadores, demoduladores, moduladores, amplificadores de antena, que son los mdulos bsicos para la comunicacin por ondas (telecomunicacin). Las matemticas propias de la electrnica analgica son las que corresponden a la proporcionalidad, las operaciones lineales (suma, resta, producto por una constante, derivada, integral). Ms especficamente, el control de procesos se basa conceptualmente en la realimentacin y en la teora derivada de ella que recibe el nombre de regulacin automtica, mientras que la telecomunicacin utiliza el dominio de la frecuencia, apoyndose en la descomposicin en serie de Fourier (espectro de frecuencias). 0.3.2. Electrnica digital Los sistemas digitales representan cada valor de una magnitud fsica mediante un conjunto de dgitos o cifras, cada uno de los cuales admite varias posibilidades o smbolos. Por ejemplo, en el sistema de numeracin decimal, cada dgito tiene diez posibilidades (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9). La electrnica digital es binaria, es decir, cada dgito admite solamente dos posibilidades, que solemos expresar con los smbolos 0 y 1 (tambin, con los smbolos L y H), de forma que el sistema de numeracin que le es propio es el sistema de base 2 (binario). La electrnica digital representa los valores de una magnitud fsica mediante m seales elctricas, cada una de las cuales admite solamente dos valores de tensin que corresponden a los smbolos 0 y 1; para expresar un solo valor de la magnitud se necesitan m seales, la relacin se establece mediante un proceso abstracto de codificacin y el rango de cada seal es discontinuo, reducido a dos nicos valores Vmx y Vmn (por ejemplo, 0V y 5V). Para trasladar el valor de la magnitud a la correspondiente representacin digital es preciso utilizar el sensor que transforma la magnitud en tensin analgica, seguido de un conversor analgico-digital que aplique el correspondiente cdigo. Por ejemplo, un sensor de temperatura aplicado a una temperatura de 17 puede proporcionar una tensin de 4,25 V (factor de proporcionalidad 1/4) y el conversor analgico-digital debe transformar dicha tensin en 10001 (que corresponde al nmero 17 en binario), que, en realidad, sern cinco tensiones en los terminales de salida del conversor: 5V 0V 0V 0V 5V.

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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).

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El dispositivo bsico de la electrnica digital es el conmutador o interruptor (con dos estados: abierto no conduce y cerrado conduce).abierto = no conduce

Es indudable que se asume una complicacin, un esfuerzo adicional, al pasar de la representacin analgica a la digital. En la utilizacin digital de smbolos hay un esfuerzo intermedio importante que no resulta obvio: la representacin en dgitos requiere una transformacin cualitativa, una conversin abstracta en smbolos que, segn el lugar que ocupan, representan cantidades diferentes. Qu ganamos con ello?

cerrado

I

Al igual que en el caso del amplificador, el interruptor puede construirse con transistores (tambin podra hacerse con triodos); para amplificadores se utiliza la zona lineal de operacin del transistor mientras que para interruptores se emplean los extremos de dicha zona: corte (I = 0) y saturacin (V = 0). Con interruptores (transistores) se construyen puertas lgicas (capaces de efectuar operaciones booleanas individuales) y agrupando dichas puertas se configuran funciones 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 bsicos para el diseo digital. Los biestables provienen de establecer realimentacin dentro de una funcin booleana y con ellos se configuran los registros y los contadores. En definitiva, todo en los sistemas digitales son funciones boleanas, las cuales se componen de conjuntos de puertas lgicas, construidas con interruptores. Por ello, la matemtica propia de la electrnica digital es el lgebra de Boole: las funciones booleanas expresadas como combinacin de operaciones del lgebra booleana. Complementariamente, los grafos de estado son una herramienta auxiliar apropiada para describir el comportamiento de los circuitos digitales con memoria. 0.3.3. Lo anlogo frente a lo simblico El nombre de analgica deriva de que la representacin (de la magnitud fsica en tensin elctrica) se hace por analoga: los valores de la seal elctrica son anlogos en cantidad a los de la magnitud fsica: hay una relacin directa en trminos de cantidad, una relacin de proporcionalidad. El nombre de digital le viene de que utiliza dgitos: representa la informacin mediante palabras formadas por varios dgitos, a travs de una codificacin: es una representacin simblica que requiere un proceso de abstraccin. Un sensor adecuado transforma directamente la correspondiente magnitud fsica en tensin elctrica analgica, pero se requiere una codificacin posterior para que la seal resultante de la medida sea trasladada a la palabra binaria (al conjunto de seales) que corresponde a su representacin digital. Por medio hay un cdigo que establece la relacin entre cada smbolo y la cantidad de tensin analgica que representa, cantidad que, adems, depende de la posicin del smbolo en la palabra binaria (cada dgito presenta diferente valor relativo).

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 de valores de tensin (entre dos extremos), dos valores prximos tendrn dificultades para diferenciarse mientras que, en el caso digital, correspondern a dos palabras binarias diferentes (y su expresin en tensiones emplear para cada dgito dos valores distantes). Por ejemplo, utilizando el intervalo de 0 a 5 V para representar analgicamente las temperaturas de 0 a 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 digitales sern 10011 y 10100, claramente diferentes, y el conjunto de tensiones que corresponde a su representacin digital sern, respectivamente: 5V 0V 0V 5V 5V y 5V 0V 5V 0V 0V. b) Fortaleza frente a perturbaciones (frente al ruido electromagntico): 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 (entre 0V y 5V), de forma que la ms mnima perturbacin modificar el valor 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 un rango continuo supondr un error en el valor de la magnitud resultante; la separacin entre los valores de tensin que corresponden al 0 y al 1 digitales anula el efecto de tales desviaciones. d) Capacidad de clculo: la representacin simblica permite utilizar los mecanismos de clculo propios del correspondiente sistema de numeracin (en el caso digital, el clculo en el sistema binario). e) Capacidad de razonamiento (de combinar proposiciones): el razonamiento es propio de la representacin simblica y de la combinacin de smbolos (a travs de las reglas de la lgica). La electrnica digital, al trasladarnos al mundo de los smbolos, aporta precisin y fortaleza y nos transfiere al plano de lo abstracto que es el mbito del clculo y del razonamiento.

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0.4. Panorama general de la electrnica digital El estudio de los sistemas digitales suele dividirse en dos grandes partes dedicadas, respectivamente, a los sistemas combinacionales y a los sistemas secuenciales; ambos se diferencian entre s por la existencia de memoria en los segundos, mientras que en los 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). Todo ello con referencia a las tres lgebras de Boole de dos elementos cuyo 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 de conmutadores (componentes fsicos para construir las operaciones booleanas). La diversidad de representaciones de una funcin booleana (cap. 2) es la base para su construccin circuital, siendo sumamente tiles los procedimientos de simplificacin de la funcin para reducir el tamao del circuito. Las funciones booleanas pueden agruparse en bloques o mdulos que realizan operaciones globales de inters genrico: bloques combinacionales. De un lado (cap. 3), interesan los bloques que efectan operaciones aritmticas entre dos nmeros binarios y, dentro de esta 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. Por otra parte (cap. 4), son tiles los bloques que facilitan la distribucin de la informacin y la seleccin de posibilidades (multiplexores, demultiplexores y decodificadores) y, tambin, los que simplemente trasladan la misma informacin de un 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. 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. Se trata siempre de construir conjuntos de funciones booleanas, lo cual se complica cuando el nmero de sus entradas es alto: las estructuras matriciales (cap. 5) permiten abordar tal complejidad. Existen tres estructuras conceptualmente simples ROM, PAL y PLA, que facilitan la descripcin y construccin de bloques combinacionales de muchas entradas; tales configuraciones sirven, adems, para conformar circuitos integrados programables, 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.

Una vez recorridos los cimientos y el almacn de piezas de los sistemas lgicos combinacionales (las funciones y los mdulos que hacen viable su diseo), conviene recordar que la materia sobre la que trabajan es la informacin y que sta se encuentra codificada en palabras binarias de ceros y unos, existiendo mltiples posibilidades de codificacin (cap. 6). Conviene, asimismo, tomar conciencia de la posibilidad de error (principalmente en la transmisin y en la conservacin de la informacin) y conocer la 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 la 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 la siguiente, ya que lo que se transmite es una tensin elctrica). Por otra parte, las puertas lgicas habituales son de tipo inversor, construidas con interruptores segn el lgebra de conmutadores, y el transistor NMOS es un excelente interruptor. La combinacin de interruptores de los dos tipos complementarios, utilizando transistores NMOS y PMOS, permite anular el consumo esttico de las puertas lgicas y reducir su resistencia de salida, configurando puertas de caractersticas cuasi-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), tanto en variedad de puertas complementarias como en otros tipos de puertas para aplicaciones especficas: las puertas de transmisin facilitan la configuracin de multiplexores y la desconexin (estado de alta impedancia) y las puertas seudoNMOS permiten construir estructuras matriciales de muchas entradas y, tambin, los bloques programables tipo ROM, PAL y PLA. Como puede apreciarse este texto opta por los transistores MOS y, en concreto, por la tecnologa CMOS como forma de realizacin fsica de los circuitos digitales; tal opcin se fundamenta en dos razones: - los transistores MOS se corresponden, casi idealmente, con los interruptores propios del lgebra de conmutadores, que es la base conceptual para construir fsicamente los sistemas digitales - y, adems, la integracin CMOS es, actualmente, la forma habitual de realizacin de circuitos integrados digitales. A partir de los aos 80, la CMOS releg a un 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 lgicas con transistores bipolares y las caractersticas propias de la familia TTL; 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.

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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, este 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 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 (cuando se encuentra en polarizacin negativa) y se desarrolla un modelo operativo de funcionamiento de los transistores MOS. Despus de la teora de semiconductores, se presenta el proceso de fabricacin de circuitos integrados CMOS (cap. T2): las etapas bsicas de dicho proceso, las diversas operaciones fsico-qumicas que se 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 precisa de la configuracin atmica y de las propiedades elctricas de cada zona semiconductora, conductora o aislante. Asimismo, dentro de los aspectos tecnolgicos, se analiza con detenimiento el problema del ruido en los sistemas digitales (cap. T3), detallando las causas fsicas de las interferencias electromagnticas, los mecanismos que las producen y transmiten en relacin con los circuitos digitales y las formas de evitar o reducir sus efectos. 0.4.2. Sistemas secuenciales Los sistemas secuenciales son sistemas digitales que incorporan memoria de su pasado; sta se consigue mediante realimentacin en las propias funciones booleanas. La memoria presenta dos aspectos (cap. 11): la necesidad de recordar la evolucin anterior del sistema y el almacenamiento de datos para su posterior utilizacin; en ambos casos, el biestable es la clula bsica capaz de almacenar un dgito. El conjunto de variables de estado contiene la informacin que el sistema secuencial necesita sobre su pasado y los grafos de estado son una herramienta adecuada para representar el comportamiento del sistema (la evolucin del estado). El proceso de diseo secuencial (cap. 12), a partir del grafo de estados y de la asignacin de una palabra binaria a cada uno de ellos (codificacin), consiste en dedicar un biestable a cada variable de estado y establecer las funciones que controlan dichos biestables (evolucin del estado) y las variables de salida (activacin de las salidas).

El sincronismo, como divisin del tiempo en unidades discretas, facilita el diseo de los sistemas secuenciales y les confiere una gran seguridad de funcionamiento. Para ello es necesario introducir una seal de reloj, cuyos flancos sealarn el paso de una unidad de tiempo a la siguiente, y disponer de biestables sncronos que solamente cambian en dichos flancos (cap. 13); la combinacin de biestables con funciones previas en configuracin PAL da lugar a circuitos integrados programables, capaces de admitir la insercin (por programacin) en su interior de un sistema secuencial completo. El diseo de sistemas secuenciales con biestables sncronos (cap. 14) pasa tambin por establecer las funciones de evolucin del estado (que actan sobre los biestables que contienen las variables de estado) y las funciones de activacin de las salidas. El diseo sncrono es intrnsecamente necesario en sistemas de procesamiento o transmisin serie (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 debidos a los diferentes tiempos de propagacin. Para ello es preciso comprender en profundidad su significado conceptual y los requisitos que el sincronismo impone (cap. 15); tales requisitos se reflejan sobre los biestables, en forma de condiciones de diseo y tiempos funcionales que han de ser respetados y sobre la seal de reloj, cuya verticalidad, simultaneidad, y no-contaminacin han de ser aseguradas. Un registro es un conjunto de biestables y sirve para almacenar una palabra binaria (captulos 11 y 13). Los contadores (cap. 16) son un tipo especial de registros que evolucionan entre nmeros binarios consecutivos (pasan de un nmero al siguiente o 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. Los contadores son bloques secuenciales sumamente tiles en el diseo de sistemas de 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 (los contadores son la herramienta especfica para manejar el tiempo), medida de frecuencias y de nmero de revoluciones, Una aplicacin ms sofisticada de los contadores, la modulacin de anchura de 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 amplitud fija. Los pulsos de anchura modulada permiten realizar con procedimientos bsicamente digitales tareas que, en principio, parecen ms propias de la electrnica analgica como el control de potencia, la conversin digital-analgica y la recproca de analgica a digital, la disponibilidad de potencimetros para controlar la amplitud de las seales,...

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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) presentan aspectos novedosos relativos a la organizacin de la 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. La arquitectura basada en la utilizacin de buses permite agrupar mltiples bloques de 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. Dos captulos, dedicados a aspectos tecnolgicos, se refieren a circuitos auxiliares, complementarios de los propiamente digitales y necesarios, respectivamente, para la gestin del tiempo (cap. T4) y para la relacin con el mundo exterior, bsicamente analgico (cap. T5). El primero describe los circuitos temporizadores que permiten la 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 comunicacin de los sistemas digitales con su entorno fsico analgico: conversores de informacin digital a analgica y viceversa, de tensiones analgicas a cdigos digitales. 0.4.3. Microelectrnica El diseo digital actual se desarrolla en forma micro: la microelectrnica digital alude a la configuracin del circuito electrnico completo, resultante de un diseo especfico, en el interior de un solo integrado. Lo cual supone pasar de la interconexin de circuitos integrados estndar a la construccin de un circuito integrado especfico. Se trata de insertar nuestro propio diseo completo en un nico circuito integrado (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: - por un lado, el proceso de diseo de un circuito particular (para una aplicacin especfica) y las posibilidades de programacin o de fabricacin del mismo, - y, de otro, la tecnologa como soporte material sobre el cual se va a configurar el circuito resultante de nuestro diseo. En primer lugar, se ha de conocer cmo llevar a cabo el proceso de diseo de un sistema digital para conseguir configurarlo, en el interior de un circuito integrado: insertarlo sobre un dispositivo programable o fabricarlo como integrado especfico. Las dos opciones (programacin o fabricacin del diseo) utilizan el mismo esquema de desarrollo del proceso de diseo, el mismo tipo de herramientas y las mismas consideraciones metodolgicas a tener en cuenta.

Es razonable comenzar estudiando (cap. 21) las diversas posibilidades de programacin y fabricacin que permiten obtener un circuito integrado con un diseo especfico completo; y considerar luego, en mayor detalle (cap. 22), la configuracin y prestaciones de los circuitos integrados programables de tipo avanzado (FPGAs). El diseo microelectrnico se desarrolla habitualmente con la ayuda de un lenguaje de descripcin circuital, de los cuales el ms utilizado es el VHDL (cap. 23). VHDL es un lenguaje de descripcin y simulacin de sistemas en general y, desde el punto de vista de la microelectrnica, interesa la parte que puede ser sintetizada por compiladores digitales, es decir, que puede ser traducida a un conjunto de puertas y biestables para configurar un circuito digital. Complementariamente, se detallan en un apndice (ap. A6) diez ejemplos de diseo VHDL de sistemas de control, incluyendo en ellos mquinas algortmicas (dedicadas a clculos numricos) y diseos amplios de sistemas habituales. La microelectrnica permite abordar sistemas digitales muy complejos y resulta muy adecuado considerar las pautas o formas de actuar que orienten y faciliten el diseo complejo (cap. 24); frente a lo grande y complicado la estrategia ms eficaz de los limitados cerebros humanos es la divisin en partes, una divisin que no ha de perder la visin de globalidad: fraccionar con estructura. Adems, la microelectrnica exige plantear el problema del test de fabricacin (cap. 25); los vectores o mtodos de comprobacin de que un circuito integrado se ha fabricado bien son responsabilidad del diseador, aunque su aplicacin efectiva corresponda al fabricante. Tambin es necesario conoc