Capitulo i Conceptos Basicos

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CONCEPTOS BÁSICOS CONCEPTOS BÁSICOS DE DE ELECTRÓNICA DIGITAL ELECTRÓNICA DIGITAL

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Conceptos Basico PLC

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CAPITULO I

CONCEPTOS BSICOS

DE

ELECTRNICA DIGITAL

CAPITULO I

CONCEPTOS BSICOS DE ELECTRNICA DIGITAL

COMPRENSION DEL CONCEPTO DIGITAL

La electrnica digital ha sido una revolucin tecnolgica muy importante y decisiva de las ltimas dcadas. Su evolucin vertiginosa ha cambiado el ritmo de nuestro tiempo y representa el liderazgo tecnolgico de la vida moderna.

Los avances alcanzados en el campo de la electrnica digital han permitido el desarrollo y la fabricacin masiva, a bajo costo, de calculadoras de bolsillo, relojes digitales, computadoras personales, robots, y toda una generacin de aparatos y sistemas inteligentes de uso domstico, comercial, industrial, automotriz, cientfico, mdico, etc.

Fig. 1.1 Sistemas digitales.

En gran parte, todo este desarrollo ha sido posible gracias al milagro de la microelectrnica. Esta tecnologa ha permitido fabricar sobre pequeas pastillas de silicio llamadas chips o circuitos integrados, sistemas completos que contienen miles de componentes electrnicos.

En sus inicios, la electrnica digital era una ciencia exclusiva para ingenieros y unos pocos especialistas que la hacan misteriosa e impenetrable. Por fortuna, las cosas cambiaron y la invencin de los circuitos integrados digitales la hizo accesible a todo el mundo.

La electrnica digital tuvo un desarrollo incipiente durante la era de los tubos de vaco. Despus, con la invencin del transistor, se facilito su progreso y avance.

Pero, definitivamente, el gran salto se logr cuando aparecieron los circuitos integrados y revolucionaron el panorama tecnolgico existente, relegando a los transistores a labores secundarias.

La introduccin de los circuitos integrados hizo posible la miniaturizacin de los sistemas digitales, diversific sus aplicaciones y masific la produccin de aparatos con tecnologa digital.

Actualmente, la electrnica digital est en pleno desarrollo y los logros en este campo son cada vez ms sorprendentes. As mismo, la tendencia de los fabricantes es obtener circuitos integrados ms complejos, ms pequeos, con menos consumo de energa y un menor costo para el usuario.

CONCEPTO DE BIT.

La electrnica digital puede definirse como la parte de la electrnica que estudia los dispositivos, circuitos y sistemas digitales, binarios o lgicos.

A diferencia de la electrnica lineal o analgica que trabaja con seales analgicas que pueden adoptar una amplia gama de valores de voltaje, los voltajes en electrnica digital estn restringidos a adoptar uno de dos valores llamados niveles lgicos alto y bajo o estados 1 y 0.

Generalmente, un nivel lgico alto 1, corresponde a la presencia de voltaje y un nivel lgico bajo 0 corresponde a la ausencia del mismo.

En la realidad, los circuitos digitales no son ms que una combinacin de muchos interruptores, extremadamente rpidos, que se cierran o abren en un momento dado, formando determinados patrones de unos (1s) y ceros (0s) que se emplean para muchos propsitos dentro de los aparatos electrnicos.

En los circuitos digitales prcticos, los estados lgicos 1 y 0 corresponden a dos niveles de voltaje claramente definidos. La salida de un circuito digital asume nicamente uno de estos dos valores en respuesta a una o ms entradas que pueden estar indistintamente en alto o en bajo.

En terminologa digital, los niveles o estados lgicos 1 y 0 se denominan bits. La palabra bit es una contraccin de binary digit (dgito binario). Todos los sistemas digitales electrnicos manejan informacin en forma de bits.

Un bit 1 0 puede representar la condicin prendida o apagada de una lmpara, el estado cerrado o abierto de un interruptor, la presencia o ausencia de un agujero en una tarjeta perforada, etc.

BIT0 1

NIBBLE4 BITS

BYTE8 BITS

WORD (PALABRA)16 BITS

Tabla 1.1

El prefijo Kilo en electrnica digital es igual a 1,024, y el prefijo Mega es igual a 1,048,576 por lo tanto 1 Kilobyte es igual a 8192 bits y el prefijo Giga es igual 1,073,741,824, por lo tanto 1 Megabyte es igual 8 388 608 bits, y 1 Gigabyte es igual a 8,589,934,592 bits.

CIRCUITO DIGITAL

Los circuitos digitales o lgicos trabajan con seales que pueden adoptar nicamente uno de dos valores posibles. En un instante dado, las entradas y salidas de un circuito digital estn en alto o en bajo pero no en un valor intermedio.

Debido a su caracterstica de adoptar solamente uno de dos valores posibles, los circuitos digitales se utilizan con xito en aplicaciones donde se requiere precisin y confiabilidad.

El bit es la unidad bsica de informacin de cualquier sistema digital, desde la ms simple compuerta hasta el ms sofisticado microcomputador.

Un circuito digital puede tener una o ms entradas y una o ms salidas. El nivel o estado lgico de cada salida depende del estado de cada una de las entradas y de la funcin especfica para la que ha sido diseado el circuito.

Los circuitos digitales se pueden implementar en la prctica mediante componentes discretos o en forma integrada.

Los circuitos de componentes discretos son los constituidos de transistores, resistencias, diodos, condensadores y otros dispositivos individuales interconectados sobre una tarjeta. En un circuito integrado, todos los componentes se fabrican conjuntamente sobre una pastilla de silicio o chip.

NIVELES DE VOLTAJE Y ESTADOS LGICOS

En todos los circuitos digitales prcticos los estados lgicos 1 y 0 se implementan con niveles de voltaje. Estos niveles tienen rangos muy definidos, separados por una zona de valores invlidos.

Fig. 1.2 Niveles de voltaje.

En la figura anterior, el nivel bajo vlido es el rango de voltajes entre V0 y V1, mientras que el nivel alto vlido es el rango de voltajes entre V2 y V3.

Los voltajes superiores a V3 o inferiores a V0 son generalmente dainos para los dispositivos digitales y deben evitarse. Generalmente, V0 corresponde a un nivel de 0 V. y V3 al valor del voltaje de alimentacin.

La zona de niveles invlidos entre V1 y V2 es crtica. En esta rea, los circuitos digitales trabajan en forma errtica porque no saben que hacer. Un voltaje en ese rango o puede ser interpretado como un 1 lgico o como un 0 lgico o no producir efecto alguno.

Los niveles de voltaje en los circuitos integrados digitales vara de acuerdo con la familia lgica (TTL o CMOS) a la que pertenece el dispositivo.

CIRCUITOS INTEGRADOS

La principal razn por la que los sistemas digitales hayan adquirido tanta popularidad y sean cada vez ms sofisticados, compactos y econmicos ha sido el alto grado de perfeccionamiento logrado en el desarrollo en masa de circuitos integrados.

Prcticamente, todos los equipos digitales modernos se fabrican usando circuitos integrados.

Un circuito integrado o C.I. es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexin, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio.

Una vez procesado, el chip se encierra en una cpsula plstica o de cermica que contiene los pines de conexin a los circuitos externos.

Las cpsulas plsticas son ms livianas pero las cermicas son ms resistentes y pueden trabajar a ms altas temperaturas.

Una pastilla tpica tiene aproximadamente de 2.5 a 6.5 mm. de lado y 0.5 mm. de espesor. Los chips digitales ms pequeos contienen varios componentes sencillos como compuertas, inversores y flip-flops. Los ms grandes contienen circuitos y sistemas completos como contadores, memorias, microprocesadores, etc.

La mayora de los circuitos integrados digitales vienen en presentacin tipo DIP (Dual In-line Package) o de doble hilera. El pin nmero 1 se identifica mediante una ranura o un punto grabado en la parte superior de la cpsula. La enumeracin de los pines se realiza en sentido contrario al de las manecillas del reloj.

Fig. 1.3 Circuito integrado.

Las configuraciones ms comunes de los circuitos integrados digitales tipo DIP son las de 8, 14, 16, 24, 40 y 64 pines. Las dos ltimas contienen generalmente microprocesadores y otras funciones digitales relativamente complejas.

Fig. 1.4 Configuracin de los circuitos integrados.

La cpsula trae impresa la informacin respecto al fabricante, la referencia del dispositivo y la fecha de fabricacin. Cada fabricante de circuitos integrados se identifica mediante un logotipo distintivo. La referencia designa especficamente al dispositivo.

Serie 74Numero de unidad por tipo funcional

J Empaque de cermica

W Empaque simple

N Empaque de plstico

FabricanteCaracterstica

SN Texas Instrument

MC Motorola

DM National

IM Intersil

N Signetics

MM Monolithic Memories

P Intel

H Harries

F FairchildH (Alta potencia)

LS (Baja potencia)

Sin letras (estndar)

S (Schottky de alta velocidad)

L (Baja potencia)

HC (CMOS de alta velocidad)

Fig. 1.5 Descripcin de un circuito integrado.

El cdigo de la fecha informa cuando fue manufacturado el chip. Las dos primeras cifras indican el ao y las dos ltimas se refieren al mes o semana de fabricacin.

En la presentacin tipo DIP, los pines de acceso se encuentran espaciados entre s 2.5 mm. Para efectos de montaje experimental los circuitos integrados pueden insertarse en un protoboard o tablero sin soldaduras.

Fig. 1.6 Encapsulado tipo DIP.

Para los montajes definitivos en circuito impreso pueden estar soldados directamente al cobre o montados sobre una base. La utilizacin de bases simplifica la instalacin durante el ensamble y el reemplazo en caso de dao.

Adems del tipo DIP, existen otras presentaciones comunes de los circuitos integrados digitales como la cpsula metlica (TO-5), la plana y el chip carrier". La TO-5, aunque es muy resistente, est siendo reemplazada en muchos casos por empaques plsticos, que son ms livianos.

Actualmente se dispone de una gran variedad de circuitos integrados digitales que utilizan cpsulas SMT (Surface Mount Technology) o de montaje superficial. Los chips SMT son casi 4 veces ms pequeos que los DIP equivalentes y no requieren de perforaciones para su instalacin.

Fig. 1.7 Encapsulado tipo SMT.

La miniaturizacin introducida por la tecnologa de montaje superficial o SMT es la que ha permitido por ejemplo, obtener calculadoras del tamao de una tarjeta de crdito.

Este tipo de encapsulado es cada vez ms popular y en el futuro ser uno de los ms empleados por su sencillez de manufactura y otras ventajas especialmente econmicas.

TECNOLOGAS DE FABRICACIN

Los circuitos integrados digitales se pueden clasificar en dos grandes grupos de acuerdo al tipo de transistores utilizados para implementar sus funciones internas de conmutacin en bipolares y MOS.

Los circuitos integrados digitales bipolares se fabrican con transistores bipolares tipo NPN y PNP y los de tipo MOS utilizan MOSFETs (transistores de efecto de campo de compuerta aislada) tipo N y P.

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