Introducción a Sistemas Digitales

La Electrónica Digital es la parte de la Electrónica que trabaja con variables discretas. Este hecho implica que un pequeño cambio en alguna de las variables del circuito (siempre que no cambie su valor discreto) no producirá un cambio apreciable en el comportamiento del circuito. Es decir, el comportamiento del circuito no depende del valor exacto de la señal.

La Electrónica Analógica es la parte de la Electrónica que trabaja con variables continuas de tal forma que un pequeño cambio en alguna variable puede producir un gran cambio en el comportamiento del circuito. Por lo tanto, las variables serán números reales.

Un mismo circuito electrónico, dependiendo de la zona de operación que interese, tiene su operación analógica y digital. Por ejemplo, en la figura se muestra la forma de operación de un sistema electrónico típico. En esta forma de operación, podemos observar que en los extremos apenas existe un cambio en la señal de salida independientemente de la magnitud del cambio en la señal de entrada; estas son las zonas que le interesan a la rama digital de la Electrónica, ya que sin conocer el valor exacto de la señal de entrada podemos dar un valor de salida. En cambio, la parte central se produce el caso contrario, es decir, para un pequeño cambio de la señal de entrada existe un gran cambio en la señal de salida; esta es la zona donde se interesa la rama analógica de la Electrónica, ya que debemos conocer exactamente el valor de la señal de entrada (su valor continuo) para poder dar un valor a la señal de salida.

Una vez llegados a este punto, nos preguntamos por qué estudiar los circuitos digitales. La razón básica radica en el aumento de fiabilidad en el procesamiento y transmisión de la información ya que una pequeña degradación de la señal no influirá en su valor (o en su influencia como entrada en un circuito digital). A este motivo se le pueden añadir otros más, como pueden ser: se dispone de un soporte matemático adecuado, como son las álgebras discretas; existen tecnologías de fabricación adecuadas; contamos con una amplia distribución comercial debido a su amplia aplicación en múltiples campos, etc.

Dentro de los circuitos digitales, existe una división en dos grandes grupos: circuitos combinacionales y circuitos secuenciales. Los circuitos combinacionales se caracterizan por el hecho de que las salidas únicamente dependen de la combinación de entradas y no de la historia anterior del circuito; por lo tanto, no tienen memoria y el orden de la secuencia de entradas no es significativo. Los circuitos secuenciales se caracterizan por el hecho de que las salidas dependen de la historia anterior del circuito además de la combinación de entradas; por lo que estos circuitos sí disponen de memoria y el orden de la secuencia de entradas sí es significativo.

ESTADOS LOGICOS

Lo que comúnmente en logica es falso o verdadero, en la lógica digital lo vemos representado mediante dígitos utilizando exclusivamente los valores 0 y 1, números que de por sí no tienen un valor numérico de tipo real, sino más bien de tipo discreto, es decir , 0 y 1 representan distintos estados del objeto de estudio, determinado por cada persona a la hora de poder desarrollar un circuito digital.

Los circuitos digitales funcionan generalmente bajo tensiones de 5 voltios en corriente continua, Generalmente, el estado lógico 0 representa una ausencia de tensión, un nivel bajo; y el estado lógico 1 representa una existencia de tensión, un nivel alto. Mediante la combinación de estos valores es posible generar una serie de datos convertible a cualquier código utilizando la normativa aplicable en cada caso, es decir, están bien identificadas, razón por la cual a un determinado nivel de tensión se lo llama estado alto (High) o Uno lógico; y a otro, estado bajo (Low) o Cero lógico, por lo que las señales eléctricas con que trabaja un sistema digital son 0V y 5V. Las señales digitales se regulan por las magnitudes o valores discretos, para nuestro trabajo, representados tales valores por dos niveles el cero y el uno. Cada uno de estos valores recibe el nombre de BIT(binary digit). Cada dígito del número binario, encendido o apagado, se conoce como bit. Una serie de varios bits en sucesión se conoce comúnmente como palabra binaria o simplemente palabra.

FAMILIAS Y SERIES DE DISPOSITIVOS DIGITALES

Las funciones lógicas básicas se han manejado como niveles de voltaje con los cuales se define tanto el cero ("0") como el uno ("1"), se hará un resumen breve sobre cómo se implementan algunas funciones lógicas, usando para ello diagramas esquemáticos elementales sin llevar a cabo un análisis técnico que involucre fórmulas en los cuales se hable de parámetros técnicos. Posiblemente la manera más sencilla de implementar funciones lógicas sea mediante el uso de diodos, los cuales permiten el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección más no en la dirección contraria. Esta manera de construir funciones lógicas es conocida de varias maneras tales como "Diode Logic", "Diode-Diode Logic" o inclusive como "Diode-Resistor Logic.

El funcionamiento es: si las entradas a los diodos D1 y D2 en las terminales 3 y 4 son "0" (cero voltaje aplicado en ellas) entonces no llegará voltaje alguno a la terminal 1. Cuando ambas entradas son "0" la salida será "0". Si aplicamos un voltaje (un "1") a la terminal 3 y mantenemos la entrada a la terminal 4 en "0", entonces la corriente eléctrica podrá fluir directamente de la terminal 3 a la terminal 1 poniendo un "1" (el voltaje aplicado en la entrada del diodo D1) en la salida. Esta corriente eléctrica no puede fluir por el diodo D2 aunque su entrada sea "0" porque el diodo solo es capaz de conducir corriente eléctrica en la dirección indicada por la flecha en su símbolo. Si la entrada en la terminal 3 es "1" y la entrada en la terminal 4 es "0", la salida será "1". Lo mismo ocurrirá cuando la entrada en la terminal 3 sea "0" y la entrada en la terminal 4 sea "1". En pocas palabras, cuando cualquiera de las entradas es "1" la salida será también "1". Y si ambas entradas son "1" la salida será "1".

La principal desventaja de utilizar únicamente diodos para implementar funciones lógicas es que los diodos no proporcionan manera alguna de poder invertir un "1" lógico convirtiéndolo en un "0", o viceversa. Por otro lado, como los diodos no proporcionan amplificación alguna (en el sentido eléctrico) de la potencia de la señal digital, la señal se va deteriorando rápidamente por las pérdidas cumulativas de voltaje a través de los diodos. Fue precisamente la invención del transistor bipolar lo que abrió el camino para la miniaturización electrónica y la dramática reducción de costos que permitieron la construcción de circuitos lógicos cada vez más complejos a precios accesibles al consumidor general. En su esencia más básica el transistor, además de su capacidad para poder amplificar señales analógicas tales como señales de audio y video cuyos voltajes pueden tomar cualquier valor dentro de ciertos rangos, tenía inherentemente la capacidad para poder actuar como un inversor lógico.

En el siguiente diagrama esquemático, podemos ver que si aplicamos un voltaje V_in de +5 volts a la base del transistor, el transistor se "encenderá" conduciendo corriente eléctrica, y al hacer tal cosa el transistor se comportará como un "corto circuito" con lo cual el voltaje V_out entre sus otras dos terminales, el colector (la terminal superior) y el emisor (la terminal inferior) será prácticamente de cero.

Si el interruptor eléctrico a la izquierda del circuito es bajado de modo tal que a la base del transistor ya no le llegue ningún voltaje, entonces el transistor se comportará como un circuito "abierto", y el voltaje de salida V_out será el mismo que hay entre su colector y su emisor, o sea +5 volts. Si designamos al voltaje de +5 volts como un "1" lógico y al voltaje de cero volts como un "0" lógico, lo que tenemos en esencia es un circuito que con un "1" a la entrada nos produce un "0" a la salida, y con un "0" a la entrada nos produce un "1" a la salida.

Con la adición de algunos cuantos componentes adicionales, podemos irle agregando al transistor básico más terminales de entrada con las cuales podemos construir otros bloques lógicos, además de proporcionarle al diseño básico un funcionamiento eléctrico más estable que el que puede proporcionar el circuito anterior. Tras la invención del transistor y el circuito integrado se abrió el camino a la miniaturización de componentes electrónicos que prometía reducir el espacio ocupado por cualquier aparato electrónico, el consumo de energía para poder tenerlo operando y el costo de los componentes para construir un equipo electrónico. Las familias lógicas de circuitos integrados en un principio fueron identificadas casi todas ellas por tres letras como RTL, TTL, DTL, MOS; o por cuatro letras como DCTL y CMOS, una costumbre que todavía prevalece hasta nuestros días. A continuación tenemos un resumen de lo que hay detrás de estos acrónimos.

La lógica DTL (Diode-Transistor-Logic).

Aquí el diseño básico está centralizado en torno a un transistor bipolar en cuya entrada se han añadido varios diodos, como lo muestra el siguiente diagrama esquemático:

La forma en la que trabaja este circuito es la siguiente: supóngase que todas las tres entradas A, B y C están conectadas al nivel de voltaje alto (en este caso, V_cc), que identificaremos aquí de la manera usual como un "1" lógico. Siendo así, habrá una señal de entrada en la base del transistor que ocasionará que dicho transistor conduzca corriente eléctrica, lo cual hará que la salida del transistor caiga prácticamente al nivel de "0". Ahora bien, si cualquiera de las tres entradas A, B y C recibe una señal de "0", o sea si cualquiera de los diodos a la entrada es "aterrizado" a tierra eléctrica con una señal de "cero", el voltaje a la entrada de la base del transistor será prácticamente de cero, con lo cual el transistor no conducirá corriente eléctrica alguna y por lo tanto el voltaje de salida del mismo será igual a V_cc o a "1". Este comportamiento lo podemos resumir de la manera siguiente: si cualquiera de las entradas A, B ó C toma un valor de "0", la salida será "1". Únicamente cuando todas las entradas tienen un valor de "0" podremos tener una salida de "0".

La lógica DCTL (Direct-Coupled Transistor Logic)

A diferencia del diseño DTL que requiere un diodo para implementar cada entrada, la lógica DCTL requiere del uso de un transistor para implementar cada entrada de la compuerta lógica, lo cual naturalmente aumenta el costo y la complejidad del circuito. El diagrama esquemático para el componente esencial de esta clase de lógica es el siguiente:

Supóngase que ambas entradas A y B no están recibiendo voltaje alguno, estando ambas conectadas a "tierra eléctrica" (que viene siendo el equivalente de una señal de "cero"). En tal caso, ninguno de los dos transistores estará conduciendo corriente eléctrica alguna, y la salida será igual al voltaje V_cc, o sea un "1" lógico. Si aplicamos un voltaje a cualquiera de los dos transistores (o sea una señal de "1") o a ambos, entonces la salida unida de ambos colectores caerá a un voltaje prácticamente de cero. Puesto de otra manera, si cualquiera de las dos entradas A y/o B toma un valor de "uno", la salida caerá a "cero". Se requiere que ambas entradas sean "0" para que la salida sea "1".

La lógica RTL (Resistor-Transistor-Logic)

Esta clase de circuitos integrados fue la primera que proporcionó en el mercado componentes lógicos discretos a bajo costo con los cuales se empezaron a implementar muchas funciones lógicas básicas.