Circuito integrado 7411

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Álgebras

Si nos propusiéramos inventar un nuevo juego, tendríamos que elegir un conjunto de elementos y definir una serie de reglas coherentes entre sí. En función de cómo hiciéramos esta elección, nuestro juego sería; más o menos divertido. Los juegos matemáticos que consisten en elegir un conjunto de números e inventarse una serie de operaciones con ellos se llaman álgebras o estructuras algebraicas. Desde pequeños estamos familiarizados con un álgebra que consta de:

•             10 elementos: los números naturales (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9).

•             Las operaciones de suma, resta, multiplicación y división.

•             Una serie de propiedades: conmutativa, asociativa, distributiva...

Tú mismo puedes inventarte un álgebra. Muchos matemáticos disfru tan creando álgebras y, después, deduciendo nuevas reglas (teoremas a partir de las propiedades definidas inicialmente, dejando para má tarde la cuestión sobre la utilidad del álgebra creada.

Álgebra DE BOOLE

El álgebra creada por el matemático inglés George Boole (1815-18(5— consta únicamente de dos elementos, llamados dígitos binarios o bits di inglés, binary digits): el 0 y el 1. Boole nunca conocíó las tremendas repercusiones de su álgebra, cuyo éxito reside en lo siguiente:

1.            Muchos problemas tecnológicos pueden traducirse de nuestro sistema numérico decimal a un sistema de dos números (lenguaje binario

2.            Podemos identificar los dígitos 0 y 1 con dos estados físicos diferentes; por ejemplo, un interruptor abierto (0) y un interruptor abierto (1); una bombilla apagada (0) y una bombilla encendida (1)

3.            Las operaciones booleanas de suma, multiplicación y negación pueden realizar físicamente con circuitos electrónicos, neumáticos hidráulicos, etc. Pero la implementación electrónica tiene importantes ventajas respecto a las demás: es más fiable, más rápida, mas rata y, además, miniaturizable hasta niveles microscópicos.

PLANTEAMIENTO DIGITAL DE PROBLEMAS Tecnológicos

Imagina que deseamos que un motor eléctrico M funcione solo cuando rstén cerrados simultáneamente dos interruptores, A y B. La solución es sencilla: conectar dos interruptores en serie con el motor.

Para traducir este problema al lenguaje de la lógica digital, debemos seguir las siguientes instrucciones:

1 Identificar cada elemento de maniobra (control) con una variable: Esta variable solo puede tomar los valores 0 (abierto) y 1 (cerrado). En nuestro caso, A y B son interruptores.

2.            Identificar cada actuador con una función: Esta función también tomará únicamente dos valores dependiendo de los que tomen las variables. En nuestro caso, los valores 0 y 1 de la función corresponderán, respectivamente, a los estados «parado» y «en movimiento» del motor. Las variables y las funciones que solo pueden tornar dos valores se llaman variables y funciones lógicas.

3.            Elaborar la tabla de verdad de los actuadores: Dicha tabla recoge todos los valores que puede tomar una función lógica según los valores que tomen las variables lógicas de las que depende.


4. Expresar algebraicamente las funciones lógicas:En nuestro circuito, los valores que toma la función M pueden obtenerse multiplicando «booleanamente» los valores que toman las variables lógicas A y B. Por tanto, la función M puede expresarse así: M = A • B.

Por muy complicada que sea una función lógica, siempre podrá expresarse como suma de productos de sus variables, negadas o no. A esta forma de expresión algebraica se le llama primera forma canónica (FC1).

5.            Implementar las funciones lógicas utilizando circuitos digitales elementales

Implementar una función lógica significa generar la función empleando circuitos digitales

6.            Acondicionar las entradas y las salidas digitales

Las puertas lógicas necesitan estar conectadas a una fuente de alimentación para realizar su función. A veces, se representan con sus terminales de alimentación, si bien lo habitual es omitirlos. El terminal alimentación (+VCc) corresponde al polo positivo de la pila (Corriente Continua) y el terminal masa (también llamado GND o Ground) con el polo negativo (0 V).

Los valores lógicos (0 y 1) que pueden tomar sus entradas y su salida se corresponden físicamente con intervalos de voltaje. Por ejemplo, cuando ciertas puertas lógicas (serie 74HC de la familia
CMOS) se alimentan a Vcc = 5 y realizan la asignación que figura en la siguiente tabla.

Para estas puertas, los valores 1,5 y 3,5 V constituyen los umbrales de voltaje. Si el voltaje de alguna entrada permanece entre esos umbrales, la puerta procesará dicha entrada de forma impredecible (como 0, como 1, o bien causar problemas). Para un funcionamiento correcto, el voltaje en las entradas debe estar entre los umbrales solo el tiempo necesario para pasar de nivel bajo a alto, y viceversa.

En general, todas las puertas lógicas están diseñadas para que la corriente en sus entradas sea muy pequeña (en torno a 1 mA). El circuito final con las entradas y la salida acondicionadas es el de la figura de la izquierda

En él pueden distinguirse:

•             El bloque de entrada (sombreado rosado).

•             El bloque de proceso o de control (sombreado verde).

•             El bloque de salida (sombreado amarillo).

Observa las entradas de la puerta lógica AND: cada terminal digital ha sido sustituido por un conmutador que puede conectar la entrada de la puerta a alimentación (+5 V) o a masa (0 V).

Cuando se alimentan a 5 V, los voltajes que las puertas de la serie “4HC ofrecen a su salida son muy próximos a alimentación y masa, como muestra la tabla adjunta.

DRIVER O BUFFER

Las puertas lógicas proporcionan a su salida una intensidad de corriente bastante pequeña (< 50="" ma)="" que,="" en="" general,="" es="" insuficiente="" para="" activar="" bombillas,="" motores="" y="" otros="" actuadores.="" para="" solucionar="" esto="" es="" necesario="" emplear="" circuitos="" amplificadores="" de="" corriente="" llamados="" buffers="" o="">

El driver más sencillo está compuesto por un transistor bipolar NPN en montaje en emisor común. El resistor de 1 kIlohmio limita la intensidad de corriente para que ni la salida de la puerta ni la base del transistor sufran daños. En la simulación de los siguientes esquemas, con Crocodile Technology 3D, se ha utilizado el modelo BC108 con beta = 165.

Ciertamente, nuestro circuito digital es mucho más complicado que el sencillo circuito inicial, con solo dos interruptores conectados en serie con el motor. El tratamiento digital de los problemas tecnológicos solo es rentable si los problemas son suficientemente complicados.

CIRCUITOS INTEGRADOS

Carácterísticas de los circuitos integrados

Los circuitos integrados o microchips son circuitos electrónicos miniaturizados en los que se pueden acumular miles de componentes electrónicos encapsulados, como transistores o diodos.

Son dispositivos de proceso porque generan una respuesta eléctrica cuando reciben señales también eléctricas.

Hay circuitos integrados que están diseñados para realizar una determinada función. Otros, en cambio, pueden ser programados por ordenador y adaptarse para realizar una gran variedad de tareas.

Los circuitos integrados se caracterizan porque:

1.            Realizan operaciones lógicas («piensan»); son como las neuronas de nuestro cerebro: reciben y envían impulsos eléctricos.

2.            Tienen patillas, que son los terminales de los distintos dispositivos electrónicos que tienen integrados.

3.            Necesitan ser alimentados con tensión para funcionar

4.            Se identifican con un número grabado y con una muesca que permite diferenciar a cada terminal

Ejemplo de circuitos integrados

Entre los circuitos integrados más usados se encuentran:

•             Los reguladores de tensión.

•             El 555, que se usa para realizar temporizadores.

•             Los amplificadores operacionales, con multitud de aplicaciones.

•             El par Darlington, con el que se aumenta considerablemente la ganancia de los transistores.

•             El L293B, que permite amplificar las señales procedentes de un mi-crocontrolador para activar un motor eléctrico.

•             Las puertas lógicas, que realizan la toma de decisiones en el control de un proceso.

Evolución DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS(1923-2005)

El circuito integrado o chip significó el avance en el mundo de la electrónica y permitíó la miniaturización de los componentes electrónicos. En un chip se agrupan sobre una lámina de material semiconductor varios componentes electrónicos que cumplen una función determinada, como amplificar una señal.

El primer circuito integrado fue desarrollado en el año 1958 por Jack Kilby para la compañía Texas Instruments. Supuso un avance tan importante que, al igual que había sucedido con los inventores del transistor, se le concedíó el premio Nobel de Física, aunque con cierto retraso, en el año 2000.

Este circuito integrado tenía un único transistor junto a otros componentes pasivos, con un tamaño similar al de una moneda de euro. Sin embargo, los chips que se fabrican actualmente incorporan millones de transistores en un tamaño similar. Y se prevé que, en un futuro, tengan más componentes y sean más pequeños. Gracias a ellos se dispone cada día de objetos electrónicos de menor tamaño y con mejores prestaciones. Piensa, por ejemplo, en la evolución de la telefonía móvil o cómo cada año aparecen ordenadores con mejores carácterísticas.

Sin embargo, esto nos obliga a trabajar cada vez con medidas más pequeñas, actualmente incluso inferiores a 1 milésima de milímetro (unas veinte veces más delgado que un cabello), por lo que para fabricarlos son necesarios unos equipos y unas condiciones especiales. ¿Imaginas cuántas pistas podrían quedar cortocircuitadas por una mota de polvo?

Fabricación DE CHIPS

1. Diseño del circuito integrado

2. Proceso fotolitográfico para copiar el diseño del circuito sobre una oblea de silicio

3.Transferencia del circuito sobre la oblea. Caben muchos circuitos sobre la misma oblea

El primer circuito integrado fue desarrollado en el año 1958 por Jack Kilby para la compañía Texas Instruments. Supuso un avance tan importante que, al igual que había sucedido con los inventores del transistor, se le concedíó el premio Nobel de Física, aunque con cierto retraso, en el año 2000.

Este circuito integrado tenía un único transistor junto a otros componentes pasivos, con un tamaño similar al de una moneda de euro. Sin embargo, los chips que se fabrican actualmente incorporan millones de transistores en un tamaño similar. Y se prevé que, en un futuro, tengan más componentes y sean más pequeños. Gracias a ellos se dispone cada día de objetos electrónicos de menor tamaño y con mejores prestaciones. Piensa, por ejemplo, en la evolución de la telefonía móvil o cómo cada año aparecen ordenadores con mejores carácterísticas.

Sin embargo, esto nos obliga a trabajar cada vez con medidas más pequeñas, actualmente incluso inferiores a 1 milésima de milímetro (unas veinte veces más delgado que un cabello), por lo que para fabricarlos son necesarios unos equipos y unas condiciones especiales. ¿Imaginas cuántas pistas podrían quedar cortocircuitadas por una mota de polvo?

Fabricación DE CHIPS

1. Diseño del circuito integrado

2. Proceso fotolitográfico para copiar el diseño del circuito sobre una oblea de silicio

3.Transferencia del circuito sobre la oblea. Caben muchos circuitos sobre la misma oblea

4.Corte de los circuitos integrados

5. Soldadura de los terminales del circuito

6. Montaje sobre un encapsulado de protección

PUERTAS Lógicas

Tipos de puertas lógicas

Como hemos visto, las puertas lógicas son circuitos electrónicos especializados en realizar operaciones booleanas. Las puertas lógicas básicas son las tres correspondientes á las operaciones definidas en el álgebra de Boole: se llaman AND, OR y NOT. Corresponden, respectivamente, a las siguientes operaciones.

•             Multiplicación —» AND.

•             Suma —> OR.

•             Negación —» NOT.

Además de estas, existen otras puertas lógicas. La siguiente tabla recoge las más usadas, la operación booleana que realizan, su simbología y sus modelos comerciales más populares:


FAMILIAS Lógicas

Históricamente, las primeras puertas lógicas se hicieron con relés. Des-con válvulas de vacío (ya en desuso) y, finalmente, con transistores. Actualmente, dependiendo del tipo de transistores y de otros componentes, las puertas lógicas se clasifican en familias lógicas.

Familia RTL (Resistor-Transitor Logic). Sus puertas están fabricadas con transistores bipolares y resistores. Son muy lentas. Observa la siguiente puerta NOT realizada con tecnología RTL:

Familia DTL (Diode-Transistor Logic). En esta familia muchos de los resistores presentes en la familia RTL fueron sustituidos por diodos.

Familia TTL (Transistor-Transistor Logic). Aparecíó al descubrirse que las carácterísticas de los circuitos DTL podían mejorarse utilizando los llamados transistores bipolares de emisor múltiple. Sus puertas deben alimentarse a + 5 V (con una tolerancia del ± 5 %). Las de mayor éxito fueron las de la serie 74.

Familia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Surgíó al sustituir los transistores bipolares de la familia TTL, que producían un elevado calentamiento, por los llamados transistores de efecto campo (FET), especialmente los del tipo MOS (semiconductor de óxido metálico). Su alimentación puede ser de +3 a +15 V Su consumo es reducido, y sus posibilidades de miniaturización son asombrosas. Los CMOS de la serie 4000 son lentos y delicados, mientras que los de la serie 74HC (High-speed CMOS) son más rápidos y robustos.

Las puertas lógicas no se comercializan individualmente, sino que se presentan empaquetadas en un circuito integrado cuyo aspecto y tamaño es similar al de una cucaracha. Los integrados de la familia CMOS pueden llegar a contener millones de transistores.

Los procesos de fabricación mejoran a un ritmo vertiginoso. Las puertas lógicas pueden hacerse cada vez más pequeñas y, por tanto, los circuitos integrados pueden contener un mayor número de ellas.

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