1. TEMA: COMPUERTAS LÓGICAS

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Conocer el funcionamiento, características básicas de las compuertas electrónicas (Y (AND), O (OR), NO (NOT), NO-Y (NAND), NO-O (NOR), O-EXCLUSIVA (OREX)) a través de la práctica correspondiente.

2.2 OBJETIVO ESPECIFICO

Realizar varios montajes básicos con cada una de estas compuertas electrónicas en la práctica.

Aprender cómo se debe trabaja cada una de las compuertas en los circuitos eléctricos.

Comprobar que la salida del circuito sea igual a la tabla de verdad de cada uno de estos integrados.

3. MARCO TEÓRICO

LÓGICA Y COMPUERTAS BINARIAS

AND

En el gráfico se muestra, en forma simbólica, una compuerta AND de dos entradas y su tabla de verdad.

La compuerta AND es un circuito que opera en forma tal que su salida es ALTA sólo cuando todas sus entradas son ALTAS. En todos los otros casos la salida de la compuerta AND es BAJA.

NAND

En el gráfico se muestra el símbolo correspondiente a una compuerta NAND de dos entradas y su correspondiente tabla de verdad. Es el mismo que el de la compuerta AND, excepto por el pequeño círculo en su salida, el cual denota la operación de inversión. De este modo, la compuerta NAND opera igual de la AND seguida de un INVERSOR.

A B SAL0 0 00 1 01 0 01 1 1

A B SAL0 0 10 1 11 0 11 1 0

a) )

OR

El gráfico muestra el símbolo correspondiente a una compuerta OR de dos entradas y su tabla de verdad. Las entradas A y B son niveles de voltaje y la salida SAL es un nivel de voltaje cuyo valor es el resultado de la operación OR de A y B.

NOR

El gráfico muestra el símbolo de una compuerta NOR de dos entradas y su tabla de verdad. Es igual al símbolo de la compuerta OR excepto que tiene un círculo pequeño en la salida, que representa la operación de inversión. De este modo, la compuerta NOR opera como una compuerta OR seguida de un INVERSOR.

XOR

En el gráfico se muestra el símbolo de una compuerta XOR de dos entradas. Las variables de entrada son A y B la salida es SAL. La salida es 1 lógico si y solo si A es diferente de B, si A y B son ambas 0 lógico o ambas son 1 lógico entonces SAL es 0 lógico.

NOT

A B SAL0 0 00 1 11 0 11 1 1

A B SAL0 0 00 1 11 0 11 1 1

A B SAL0 0 00 1 11 0 11 1 0

El gráfico muestra el símbolo de un circuito NOT, al cual se le llama más comúnmente INVERSOR. Este circuito siempre tiene una sola entrada y su nivel lógico de salida siempre es contrario al nivel lógico de esta entrada.

FAMILIAS LÓGICAS

Familia Lógica TTL

Su tensión de alimentación (Vcc) característica se halla comprendida entre los 4.75V y los 5.25V; como se ve un rango muy estrecho, debido a esto, los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0.2V y 0.8V para el estado BAJO y los 2.4V y Vcc para el estado ALTO.

La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor característica aunque esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo, motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, SL, S, etc. y últimamente los TTL: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de los 250 Mhz.

Esta familia es la primera que surge y aún todavía se utiliza en aplicaciones que requieren dispositivos SSI y MSI. El circuito lógico TTL básico es la compuerta NAND. La familia TTL utiliza como componente principal el transistor bipolar.

Principales características de la familia TTL

La familia Lógica Transistor-Transistor ha sido una de las familias de circuitos integrados (CI) más utilizadas.

Debemos tomar en cuenta ciertas características de la lógica TTL. Si dejamos una entrada sin conectar actuará exactamente como un 1 lógico aplicado a esa entrada, ya que el transistor no será polarizado en forma directa. Cuando se presenta el caso de que no utilizamos una entrada la podemos dejar desconectada para que actúe como un 1 lógico, pero lo más conveniente sería conectarlas a +5V a través de una resistencia de 1kΩ para proteger de las corrientes a las entradas de la compuerta.

Cuando dos o más entradas de una compuerta TTL se interconectan para formar una entrada común, esta tendrá un factor de carga de entrada que es la suma de los factores de carga de cada entrada.

Los CI de la serie 74 estándar ofrecen una combinación de velocidad y disipación de potencia adecuada a muchas aplicaciones. Los CI de esta serie incluyen una amplia variedad de compuertas, flip-flops y multivibradores monoestables así como registros de desplazamiento, contadores, decodificadores, memorias y circuitos aritméticos.

La familia 74 cuenta con varias series de dispositivos lógicos TTL (74, 74LS, 74S, etc.).

Características de la serie TTL estándar (74)

Rango de voltajes de alimentación y temperatura

A SAL0 11 0

Estas series utilizan una fuente de alimentación (Vcc) con voltaje nominal de 5 V. Funcionan de manera adecuada en temperaturas ambientales que van de 0° a 70°C.

Los niveles de voltaje de salida de la familia 74 estándar son:

Voltajes nominales máximos

Los voltajes aplicados a cualquier entrada de un circuito integrado de este tipo no deben exceder los 5.25V. Existe también un máximo para el voltaje negativo que se puede aplicar a una entrada TTL, que es de -0.5V. Esto se debe al uso de diodos de protección en paralelo en cada entrada de los CI TTL.

Retardo de propagación

La compuerta NAND TTL estándar tiene retardos de propagación característicos de tPLH = 11 ns y tPHL = 7 ns, con lo que el retardo promedio es de tPD(prom) = 9 ns.

Dentro de la familia TTL, existen otras series que ofrecen alternativas de características de velocidad y potencia. Dentro de ellas, están:

Serie 74L, TTL de bajo consumo de potencia Serie 74H, TTL de alta velocidad Serie 74S, TTL Schottky Serie 74LS (LS-TTL), TTL Schottky de bajo consumo de potencia Serie 74AS (AS-TTL), TTL Schottky avanzada Serie 74ALS, TTL avanzada Schottky de bajo consumo de potencia

La serie TTL también puede caracterizarse por el tipo de salida con que cuenta:

Salida TTL de colector abierto Salida TTL de tres estados

En general, nosotros podemos esperar una compuerta LS para consumir alrededor de un cuarto el power/current de una compuerta 74 del mismo tipo. Las compuertas LS son una opción buena si nosotros estamos usando una batería o queremos ahorrar en el costo de suministro de poder. Las compuertas 54 pueden operar en un rango de temperatura muy ancho (-55 Celsius a +125 Celsius) que los 74/74LS (0 a 70 Celsius). La familia 54 es mejor si nosotros tenemos que construir circuitos para ‘los ambientes' extremos.

TTL todavía se usa mucho para construir circuitos ya que las compuertas son baratas y bastante robustas (es decir no es probable que se dañe al construir el circuito). Sin embargo, los sistemas comerciales e industriales usan lógica CMOS para los circuitos digitales.

La desventaja principal de CMOS es que es sensible a la estática, se puede destruir fácil la lógica CMOS simplemente sacándolo descuidadamente de su paquete.

Familia Lógica CMOS

Existen varias series en la familia CMOS de circuitos integrados digitales. La serie 4000 que fue introducida por RCA y la serie 14000 por Motorola fueron las primeras series CMOS. También existe la serie 74C que su característica principal es que es compatible terminal por terminal y función por función con los dispositivos TTL. Esto hace posible remplazar algunos circuitos TTL por un diseño equivalente CMOS. 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.

Los voltajes de alimentación en la familia CMOS tiene un rango muy amplio, estos valores van de 3 a 15 V para los 4000 y los 74C. de 2 a 6 V para los 74HC y 74HCT.

Los requerimientos de voltaje en la entrada para los dos estados lógicos se expresa como un porcentaje del voltaje de alimentación. Tenemos entonces:

VOL(max) = 0 VVOH(min) = VDDVIL(max) = 30%VDDVIH(min) = 70% VDD

Por lo tanto los márgenes de ruido se pueden determinar a partir de los valores anteriores y tenemos que es de 1.5 V. Esto es mucho mejor que los TTL ya que los CMOS pueden ser utilizados en medios con mucho más ruido. Los márgenes de ruido pueden hacerse todavía mejores si aumentamos el valor de VDD ya que es un porcentaje de este.

En lo que a la disipación de potencia concierne tenemos un consumo de potencia de sólo 2.5 nW cuando VDD = 5 V y cuando VDD = 10 V la potencia consumida aumenta a sólo 10 nW. Sin embargo tenemos que la disipación de potencia será baja mientras estemos trabajando con corriente directa. La potencia crece en proporción con la frecuencia. Una compuerta CMOS tiene la misma potencia de disipación en promedio con un 74LS en frecuencia alrededor de 2 a 3 Mhz.

Ya que los CMOS tienen una resistencia de entrada extremadamente grande (1012 Ω), casi no consumen corriente. Pero debido a su capacitancia de entrada se limita el número de entradas CMOS que se pueden manejar con una sola salida CMOS. Así pues, el factor de carga de CMOS depende del máximo retardo permisible en la propagación. Comúnmente este factor de carga es de 50 para bajas frecuencias, para altas frecuencias el factor de carga disminuye.

Los valores de velocidad de conmutación dependen del voltaje de alimentación que se emplee, por ejemplo en una 4000 el tiempo de propagación es de 50ns para VDD = 5 V y 25ns para VDD = 10 V. Como podemos ver mientras VDD sea mayor podemos operar en frecuencias más elevadas.

Hay otras características muy importantes que tenemos que considerar siempre, las entradas CMOS nunca deben dejarse desconectadas, todas tienen que estar conectadas a un nivel fijo de voltaje,

esto es porque los CMOS son, al igual que los MOS muy susceptibles a cargas electrostáticas y ruido que podrían dañar los dispositivos.

Características de la familia CMOS

La tecnología MOS (Metal Oxido Semiconductor) deriva su nombre de la estructura básica MOS de un electrodo metálico montado en un aislador de óxido sobre un substrato semiconductor. Los transistores de la tecnología MOS son transistores de campo denominados MOSFET. La mayoría de los circuitos integrados digitales MOS se construyen exclusivamente con MOSFET.

Niveles de voltaje de salida

Cuando las salidas CMOS manejan solo entradas CMOS, los niveles de voltaje de la salida pueden estar muy cercanos a 0V para el estado bajo, y a VDD para el estado alto.

Velocidad de operación

Una compuerta NAND N-MOS común tiene un tiempo de retardo de 50 ns. Esto se debe principalmente a la resistencia de salida relativamente alta (100KΩ) y la carga capacitiva representada por las entradas de los circuitos lógicos manejados.

Margen de ruido

Normalmente, los márgenes de ruido N-MOS están alrededor de 1.5V cuando operan desde VDD = 5 V, y serán proporcionalmente mayores para valores más grandes de VDD.

Factor de carga

Para circuitos operando en DC o de baja frecuencia, las capacidades del factor de carga son virtualmente ilimitadas. Sin embrago, para frecuencias mayores de 100 kHz, se observa un deterioro del factor de carga - siendo del orden de 50, lo que es un tanto mejor que en las familias TTL.

Susceptibilidad a la carga estática

Las familias lógicas MOS son especialmente susceptibles a daños por carga electrostática. Esto es consecuencia directa de la alta impedancia de entrada de estos CI. Una pequeña carga electrostática que circule por estas altas impedancias puede dar origen a voltajes peligrosos. La mayoría de los nuevos dispositivos CMOS están protegidos contra daño por carga estática mediante la inclusión en sus entradas de un diodo zener de protección. Estos diodos están diseñados para conducir y limitar la magnitud del voltaje de entrada a niveles muy inferiores a los necesarios para hacer daño.

Las principales series CMOS son:

Serie 4000/14000 Serie 74C Serie 74HC (CMOS de alta velocidad) Serie 74HCT

Diferencias entre las familias TTL y CMOS

En comparación con las familias lógicas TTL, las familias lógicas MOS son más lentas en cuanto a velocidad de operación; requieren de mucho menos potencia; tienen un mejor manejo del ruido; un mayor intervalo de suministro de voltaje; un factor de carga más elevado y requieren de mucho menos espacio (área en el CI) debido a lo compacto de los transistores MOSFET. Además, debido a su alta densidad de integración, los CI MOS están superando a los CI bipolares en el área de integración a gran escala. (LSI - memorias grandes, CI de calculadora, microprocesadores, así como VLSI).

Por otro lado, la velocidad de operación de los CI TTL los hace dominar las categorías SSI o MSI (compuertas, Flip-Flop’s y contadores).

Familia Lógica ECL

La familia ECL, lo que quiere decir Lógica Acoplada en Emisor (Emmiter-Coupled Logic), son unos circuitos integrados digitales los cuales usan transistores bipolares, pero a diferencia de los TTL en los ECL se evita la saturación de los transistores, esto da lugar a un incremento en la velocidad total de conmutación. La familia ECL opera bajo el principio de la conmutación de corriente, por el cual una corriente de polarización fija menor que la corriente del colector de saturación es conmutada del colector de un transistor al otro. Este tipo de configuraciones se les conoce también como la lógica de modo de corriente (CML: Current-Mode Logic).

Los niveles lógicos para la familia ECL son los siguientes:

0 lógico -1.7 V1 lógico -0.8 V

Características de la familia ECL

La familia TTL utiliza transistores que operan en el modo saturado. Como resultado, su velocidad de conmutación está limitada por el retardo en el tiempo de almacenamiento asociado con un transistor que se conduce a saturación. En cambio con el desarrollo de la ECL se ha logrado mejorar las velocidades de conmutación. La familia ECL no se usa tan comúnmente como las familias TTL y MOS, excepto en aplicaciones de muy alta frecuencia donde su velocidad es superior. Sus márgenes de ruido son relativamente bajos y tiene un elevado consumo de potencia, son desventajas en comparación con las otras familias lógicas.En la familia ECL los transistores nunca se saturan, esto hace que la velocidad de conmutación sea muy alta, el tiempo común de retardo es de 2ns. Los márgenes de ruido en el peor de los casos son de 250 mV. Esto hace a los ECL un poco inseguros para utilizarse en medios industriales de mucho trabajo.

También tenemos que tomar en cuenta la disipación de potencia de una compuerta ECL que es de 40 mW, muy alta en comparación a las otras familias. Otra desventaja es su voltaje de alimentación negativo y niveles lógicos, que no son compatibles con las demás familias y esto dificulta el uso de las ECL en conjunción con los circuitos TTL y MOS.

El flujo de corriente total en el circuito ECL permanece constante, no importa su estado lógico esto ayuda a mantener un consumo de corriente invariable en el suministro de potencia del circuito.

REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

4. MATERIALES Y EQUIPOS

Compuertas lógicas (AND, NAND, OR, NOR, NOT, O-EXCLUSIVA). Protoboard Resistencia de 220 ¼ Watt Fuente de cc regulable 1 punta lógica 1 diodo LED 1 Manual ECG Cables de conexión

5. PROCEDIMIENTO

1. Armar los siguientes circuitos para comprobar las diferentes compuertas lógicas:

Nota: Los circuitos eléctricos mostrados en las figuras tendrán en sus entradas ceros lógicos siempre y cuando se cierren los switch, ya que mientras no estén conectadas a nada cualquiera de las dos entradas por default tienen un uno lógico.

“Y” (AND)

Tabla de verdad

A B Salida0 0 00 1 01 0 01 1 1

Circuito Eléctrico

“Ó” (OR)

Tabla de verdad

A B SALIDA0 0 00 1 11 0 11 1 1

Circuito eléctrico

“NO” (NOT)

Tabla de verdad

A Salida0 11 0

Circuito eléctrico

“O EXCLUSIVA” (XOR)

Tabla de verdad

A B SALIDA0 0 00 1 11 0 11 1 0

Circuito eléctrico

“No Y” (NAND)

Tabla de verdad

A B SALIDA0 0 10 1 11 0 11 1 0

Circuito eléctrico

“NO O” (NOR)

Tabla de verdad

A B SALIDA0 0 10 1 01 0 01 1 0

Circuito eléctrico

RESULTADOS DE LA PRÁCTICA

Tabla de verdad HD74LS08

Circuito Eléctrico

1 1 = 1 1 0 = 0

“Ó” (OR)

Tabla de verdad HD74LS32P

Circuito eléctrico

0 1 = 1 0 0 = 0

“NO” (NOT)

Tabla de verdad HD74LS04P

Circuito eléctrico

“Y” (AND)

A B Salida0 0 00 1 0 1 0 01 1 1

A B SALIDA0 0 00 1 11 0 11 1 1

A Salida0 11 0

“O EXCLUSIVA” (XOR) 0 = 1 1 = 0

“O EXCLUSIVA (XOR)”

Tabla de verdad HD74LS86P

Circuito eléctrico

0 1 = 1 1 1 = 0

“No Y” (NAND)

Tabla de verdad HD74LS00P

Circuito eléctrico

A B SALIDA0 0 00 1 11 0 11 1 0

A B SALIDA

0 0 1

0 1 11 0 11 1 0

“NO O” (NOR)

0 0 = 1 1 1 = 0

“NO O” (NOR)

Tabla de verdad HD74LS02P

Circuito eléctrico

0 0 = 1 1 0 = 0

6. CONCLUSIONES

Se puede concluir que el funcionamiento de cada compuerta lógica es distinto a pesar de tener la misma apariencia física.

La punta lógica nos permite comprobar el paso de voltaje hacia el integrado tanto en las entradas y salidas de las compuertas.

Los pines de polarización son importantes para el correcto funcionamiento de cada compuerta lógica ya que de eso depende la polarización adecuada de cada integrado.

7. RECOMENDACIONES

Conocer la tabla de verdad de cada compuerta lógica. Tener una noción previa de cómo trabajar con la punta lógica. Utilizar el manual ECG para distinguir como funciona cada integrado.

8. BIBLIOGRAFIA

Guía para la práctica Nº7 http://www.electronicafacil.net/circuitos/punta-logica-ttl.html http://es.wikipedia.org/wiki/tecnolog%c3%ada_ttl

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

A B SALIDA0 0 10 1 01 0 01 1 0

ANEXOS