OBJETIVO:

Comprobar el funcionamiento de las compuertas lógicas: función lógica y tabla de verdad.

CUESTIONARIO:

1) Consulte las características de los circuitos integrados utilizados en sistemas digitales: Tensión de alimentación, temperatura máxima de trabajo, Fan–out, margen de ruido, tiempo de propagación y disipación de potencia.

Tensión de alimentación:

En electrónica, la tensión de alimentación se refiere a los dispositivos que convierten la tensión alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta (computadores, televisores, impresoras, celulares, etc.).

Clasificación:

Las fuentes de alimentación, para dispositivos electrónicos, pueden clasificarse básicamente como fuentes de alimentación lineal y conmutada. Las lineales tienen un diseño relativamente simple, que puede llegar a ser más complejo cuanto mayor es la corriente que deben suministrar, sin embargo su regulación de tensión es poco eficiente. Una fuente conmutada, de la misma potencia que una lineal, será más pequeña y normalmente más eficiente pero será más compleja y por tanto más susceptible a daños.

Niveles de Voltaje:

Margen Del Cero: Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un cero lógico:VIL Máxima: Tensión máxima que se admite como cero lógico. VIL Mínima: Tensión mínima que se admite como cero lógico.Margen Del Uno: Es el rango de tensiones de entrada en que se considera un uno lógico:VIH Máxima: Tensión máxima que se admite como uno lógico. VIH Mínima: Tensión mínima que se admite como uno lógico.Margen De Transición: Corresponde con el rango de tensiones en que la entrada es indeterminada y puede ser tomada como un “uno” o un “cero”. Esta zona no debe ser empleada nunca, ya que la puerta se comporta de forma incorrecta.

MT=V IHmín−V ILmáx

Margen de Ruido:

El ruido es el elemento más común que puede hacer que un circuito no funcione habiendo sido diseñado perfectamente. El ruido puede ser inherente al propio circuito (como consecuencia de proximidad entre pistas o capacidades internas) o también como consecuencia de ruido exterior (el propio de un ambiente industrial).

Si trabajamos muy cerca de los límites impuestos por V IH y V IL puede que el ruido impida el correcto funcionamiento de un circuito. Por ello se debe trabajar teniendo en cuenta un margen de ruido:

V MH (Margen de ruido a nivel alto) = V OH mín−V IH mín

V ML (Margen de ruido a nivel bajo) = V ILmáx−V OLmáx

Donde V OH y V OL son los niveles de tensión del uno y el cero respectivamente para la salida de la puerta lógica.

Disipación de Potencia:

Para determinar la potencia consumida (disipación de potencia) por un circuito digital hay que evaluar las potencias consumidas en régimen estático para los dos posibles estados de su salida (H (alto) y L (bajo)) y en régimen dinámico. Es evidente que la potencia consumida por un determinado circuito en régimen estático vendrá dada por: P=V CC× ICC, donde V CC es la tensión de alimentación e ICC es la corriente por la fuente. Si ICCH e ICCL son las corrientes que circulan por la fuente de alimentación en régimen estático para los estados de salida H (alto) y L (bajo), respectivamente, las potencias consumidas en cada uno de los estados son: PDH=ICCH ×V CC, para el nivel alto y PDL=ICCL×V CC, para el nivel bajo. La potencia media disipada en régimen estático será:

A esta potencia habrá que sumarle la que se disipa en el circuito debido a las conmutaciones entre estados. En los circuitos realizados con tecnología TTL la potencia predominante es la de régimen estático, mientras que en los circuitos CMOS la potencia disipada en régimen estático es prácticamente nula, siendo la de régimen dinámico la única que se debe considerar. Su expresión es la siguiente:

PD=V CC2×C L×f

Dónde:

CL: Capacidad de carga

f : Frecuencia de conmutación a la que se somete el circuito

Por lo tanto, la potencia disipada por estos circuitos está estrechamente ligada a la frecuencia de conmutación.

Fan-Out:

Este tipo de parámetros hacen referencia al número de entradas de puertas que se pueden conectar a la salida de otra. Su valor puede estar condicionado por las corrientes de entrada y salida o por los tiempos de propagación.

Cuando a la salida de una puerta lógica (puerta excitadora) se conectan varias entradas de otras puertas (cargas), se debe garantizar que el conjunto funcione correctamente tanto en régimen estático como dinámico. El máximo número de entradas de diferentes puertas de carga que se pueden conectar a la salida de la puerta excitadora (cumpliéndose las condiciones de funcionamiento estáticas y dinámicas) se denomina fan-out. Una entrada de la misma familia lógica que la puerta excitadora se suele llamar unidad de carga.

En general, el número de puertas que se pueden conectar a la salida de otra está condicionado por las corrientes de entrada y salida en régimen estático y por el tiempo de propagación en régimen dinámico. Siempre se deberían comprobar ambas condiciones, y elegir la más restrictiva, aunque, sin entrar por el momento en detalles, diremos que en las tecnologías bipolares el fan-out viene determinado por corrientes, mientras que en las tecnologías MOS la condición más restrictiva es el tiempo de propagación (ya que las corrientes de entrada son prácticamente nulas, y, por tanto, el fan-out impuesto por las corrientes es un valor extremadamente elevado). El fan-out para el caso de que sean las corrientes de entrada y salida las que lo limitan (este es el caso de los circuitos integrados realizados con tecnología bipolar, como las diferentes subfamilias TTL) viene dado por:

fan−out=mín {parte entera(|IOHmáx||I IHmáx| ) , parte entera(|IOLmáx||I ILmáx| )}Es decir, en este caso, el fan-out es la menor de las partes enteras (el número de entradas tiene que ser un número entero) que resulten de los cocientes, tanto en nivel alto como bajo, entre las corrientes máximas de salida de la puerta excitadora y las de entrada de las puertas que actúan como carga. En el caso de las familias realizadas con transistores unipolares: NMOS, PMOS, CMOS, se supone que las corrientes de entrada son nulas, por lo que la limitación viene dada por los tiempos de propagación. En estas familias el consumo tiene lugar fundamentalmente en las transiciones de la salida. Si esa transición dura mucho tiempo, la potencia generada puede ser demasiado grande como para que el circuito la disipe, pudiendo llegarse a la destrucción del mismo. Para evitar esta situación, se debe asegurar que la duración de la transición no supere un tiempo máximo.

Tiempo de Propagación:

En un elemento lógico, es el requerido para que un cambio en la señal de entrada, se manifieste en la salida.

Definimos como tiempo de propagación el tiempo transcurrido desde que la señal de entrada pasa por un determinado valor hasta que la salida reacciona a dicho valor. Vamos a tener dos tiempos de propagación:

tpHL=¿ Tiempo de propagación para un cambio en la salida de alto a bajo

t pLH=¿ Ídem de bajo a alto

Como norma se suele emplear el tiempo medio de propagación, que se calcula como:

Tpd=(TpHL+TpLH)/2

2) Consultar acerca de la capacidad de operación de los circuitos integrados TTL (LS, AS, etc.) y CMOS (4000B, 74C, etc.).

TTL:

VELOCIDAD DE OPERACIÓN:

Cuando se presenta un cambio de estado en la entrada de un dispositivo digital, debido a su circuitería interna, este se demora un cierto tiempo antes de dar una respuesta a la salida. A este tiempo se le denomina retardo de propagación.

Este retardo puede ser distinto en la transición de alto a bajo (H-L) y de bajo a alto (L-H).

La familia TTL se caracteriza por su alta velocidad, es decir bajo retardo de propagación, mientras que la familia CMOS es de baja velocidad, sin embargo la subfamilia de CI CMOS HC de alta velocidad reduce considerablemente los retardos de propagación.

FAMILIA CMOS:

Series 4000/14000:

Las primeras series CMOS fueron la serie 4000, que fue introducida por “RCA” y la serie 14000 por “Motorola”. La serie original es la 4000A; la 4000B representa mejora con respecto a la primera y tiene mayor capacidad de corriente en sus salidas. A pesar de la aparición de la nueva serie CMOS, las series 4000 siguen teniendo uso muy difundido. La serie 4000A es la línea más usada de Circuitos Integrados digitales CMOS, contiene

algunas funciones disponibles en la serie TTL 7400 y está en expansión constante. Algunas características más importantes de esta familia lógica son:

a) La disipación de potencia de estado estático de los circuitos lógicos CMOS es muy baja.

b) Los niveles lógicos de voltaje CMOS son 0 V para 0 lógico y V DD para 1 lógico. El suministro V DD puede estar en el rango 3 V a 15 V para la serie 4000. La velocidad de conmutación de la familia CMOS 4000A varía con el voltaje de la fuente.

c) Todas las entradas CMOS deben estar conectadas a algún nivel de voltaje.

Serie 74C:

Esta serie CMOS tiene como característica principal ser compatible terminal por terminal y función por función, con los dispositivos TTL que tienen el mismo número (muchas de las funciones TTL, aunque no todas, también se encuentran en esta serie CMOS). Esto hace posible remplazar algunos circuitos TTL por un diseño equivalente CMOS.

Serie 74HC (CMOS de alta velocidad):

Esta es una versión mejorada de la serie 74C. La principal mejora radica en un aumento de diez veces en la velocidad de conmutación (comparable con la de los dispositivos de la serie 74LS de TIL). Otra mejora es una mayor capacidad de corriente en las salidas. La serie 74HC son los CMOS de “alta velocidad”, tienen un aumento de “10” veces la velocidad de conmutación. La serie 74HCT es también de “alta velocidad”, y también es compatible en lo que respecta a los voltajes con los dispositivos TTL.

Serie 74HCT:

Esta serie también es una serie CMOS de alta velocidad, y está diseñada para ser compatible en lo que respecta a los voltajes con los dispositivos TTL, es decir, las entradas pueden provenir de salidas TTL.

3) En base a lo consultado en la parte 1. Resolver el siguiente ejercicio:

Dos familias lógicas tienen las siguientes características:

Familia A:

V CC=5V ,V OH=2.7V ,V IH=1.9V ,V OL=0.7V ,V IL=0.9V , I IH=15 μA ,

I IL=−0.2mA , IOH=−1.4mA , IOL=7m AFamilia B:

V CC=5V ,V OH=3.5V ,V IH=5.1V ,V OL=0.2V ,V IL=0.6V , I IH=25 μA ,

I IL=−120 μA , IOH=−6mA , IOL=5m A

a) Calcular los márgenes de ruido para cada una de las familias.

Familia A:

V MH (Margen de ruido a nivel alto) = V OH mín−V IH mín=2.7V−1.9V=0.8V

V ML (Margen de ruido a nivel bajo) = V ILmáx – V OLmáx=0.9V−0.7V=0.2V

Familia B:

V MH = V OH mín−V IH mín=3.5V−5.1V=−1.6V

V ML = V ILmáx – V OLmáx=0.6V−0.2V=0.4V

b) Calcular el fan-out de cada una de las familias.

fan−out=mín {parte entera(|IOHmáx||I IHmáx| ) , parte entera(|IOLmáx||I ILmáx| )}Familia A:

fan−out=mín {parte entera(|−1.4mA||15 μA| ), parte entera( |7mA||−0.2mA|)}

fan−out=mín { parte entera (93.33 ) , parte entera (35 ) }

Familia B:

fan−out=mín {parte entera(|−6mA||25 μA| ) , parte entera( |5mA||−120mA|)}

fan−out=mín { parte entera (240 ) , parte entera (0.042 ) }

c) ¿Se puede interconectar una puerta de familia A a la salida de otra puerta de la familia B? En caso afirmativo, ¿Cuántas puertas de la familia A pueden conectarse a la salida de una puerta de la familia B?

Si es posible interconectar debido que el voltaje a la salida de B tiene un valor de 3.5 [V], que es el voltaje a la salida de TTL, entonces se puede interconectar con una puerta de la familia A cuyos voltajes son menores que 3.5V. Debido a esto se pueden conectar en total “4” puertas de la familia A.

4) Al utilizar compuertas digitales se debe tomar en cuenta que se pueden conectar varias entradas a la salida de una compuerta, pero, ¿Se pueden conectar dos o más salidas entre sí? Explique su respuesta.

No se recomienda conectar dos o más salidas entre sí debido a que en la mayoría de los casos no se tendrán los mismos estados lógicos o combinación de entradas y al tener estados diferentes el funcionamiento del sistema se podría dañar. Para solucionar este tipo de casos se dispone de sumas y productos lógicos con sus negaciones para usarlas de la mejor manera.

5) Mediante simulación en el Software Proteus 7 Professional, desarrolle la Tabla de Verdad del siguiente circuito, y compruébela de acuerdo al comportamiento de cada compuerta:

0000

1 2

U1:A

7404

1

23

U3:A

7432

3 4

U1:B

7404

4

56

U2:B

7408

?

1213

12

U4:A

7411

A

B

C

D

R

0000

1 2

U1:A

7404

1

23

U3:A

7432

3 4

U1:B

7404

4

56

U2:B

7408

0

1213

12

U4:A

7411

A

B

C

D

R

1111

1 2

U1:A

7404

1

23

U3:A

7432

3 4

U1:B

7404

4

56

U2:B

7408

0

1213

12

U4:A

7411

A

B

C

D

R

0110

1 2

U1:A

7404

1

23

U3:A

7432

3 4

U1:B

7404

4

56

U2:B

7408

1

1213

12

U4:A

7411

A

B

C

D

R

TABLA DE VERDAD:

A B C D R

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0

0 0 1 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 0 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 0

1 0 0 1 0

1 0 1 0 0

1 0 1 1 0

1 1 0 0 0

1 1 0 1 0

1 1 1 0 0

1 1 1 1 0

6) Qué efecto tiene la conversión de lógica positiva a lógica negativa en el comportamiento de todas las compuertas lógicas antes mencionadas.

El efecto sería que los resultados de cada una de las compuertas cambien dependiendo del nivelativo que se haya escogido, ya sea alto o bajo, es decir los “ceros” cambiaran a “unos”.

Las compuertas digitales en hardware se definen en términos de valores de señal como H y L.

Corresponde al usuario decidir si la polaridad de la lógica va a ser positiva o negativa, por lo que los resultados que se obtienen serían los mismos, lo que cambiaría sería que si antes para nosotros que el foco se encienda era un 1L, ahora que el foco se encienda significará un OL. Si trabajamos normalmente con 1L en Vcc y 0L GND entonces el problema sería en las salidas pues cambiarían los 0s por 1s y entonces variaría el resultado.

CONCLUSIONES:

FELIPE ANDINO:

En la práctica se debe tomar en cuenta muchos factores que pueden hacer que nuestros circuitos no funciones correctamente a pesar de que el diseño y el circuito se encuentre correctamente armado.

Debemos saber con qué tipo de lógica trabaja nuestro diseño ya que depende de suma importancia para los resultados que se desean obtener.

Debemos saber con prioridad las características y funcionamiento de cada uno de los circuitos digitales, compuertas lógicas, etc., de manera que se pueda trabajar en las mejores condiciones al rato de diseñar un circuito.

MILENA OVIEDO:

Las compuertas lógicas son dispositivos que nos permiten realizar operaciones lógicas básicas y combinadas para la obtención de un resultado deseado, estas operaciones se representan con los operadores AND, OR, NOT, XOR, NAN, NOR, XNOR, que son los elementos básicos para la implementación de cualquier circuito digital, inclusive los más complejos que existan.

Las universalidades de las compuertas lógicas consiste en el poder implementar todos los circuitos lógicos posibles, con ciertas compuertas básicas, estas constan de un grupo formado por AND, OR, NOT, otro grupo solo de NAND, y otro solo de NOR, con cada uno de estos grupos se pueden implementar las compuertas de los otros grupos de universalidad.

Todas las tecnológicas de integración de compuertas dentro de una sola pieza están conformadas por compuertas básicas desde el circuito más simple hasta el procesador más avanzado.

JUAN LOYA:

Las compuertas digitales constituyen los elementos más básicos dentro de la lógica digital, los mismos que siguen siendo utilizados dentro de la resolución de problemas digitales que impliquen el álgebra de Boole, la cual es de gran utilidad al momento de simplificar los circuitos digitales.

Las compuertas AND, OR y NOT, son las tres compuertas básicas dentro de los circuitos y sistemas digitales; constituyen un conjunto universal pues con las tres se puede implementar cualquier circuito digital, además las compuertas NAND y NOR, son dos conjuntos universales adicionales, reduciendo el uso de circuitos integrados.

La aplicación de los conocimientos obtenidos nos permite resolver problemas o dudas en la implementación de los circuitos, ya que en esta práctica utilizamos una punta lógica armada por mi compañero y nos ayudó a encontrar el error que habíamos cometido.

RECOMENDACIONES:

Tener en cuenta la lógica con la que se está trabajando en nuestros circuitos.

Conocer, tanto el funcionamiento y características de cada uno de los elementos con los que se trabaja ya sean elementos pasivos, como circuitos integrados.

Diseñar los circuitos de manera ordenada, para evitar errores al momento de implementarlo.

BIBLIOGRAFÍA:

http://www.gestialba.com/public/electronica/eletacast003.htm

http://www.forosdeelectronica.com/f25/familia-circuitos-integrados-ttl-13119/

http://es.wikipedia.org/wiki/CMOS

http://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADaJTTL