Electrónica Digital: Conceptos Fundamentales y Componentes Esenciales

Fundamentos de la Electrónica

La Electrónica es una disciplina que estudia los sistemas eléctricos desde el punto de vista del electrón.

Tipos de Electrónica

• Electrónica Analógica: Se fundamenta en el tratamiento de señales eléctricas de tipo analógico.
• Electrónica Digital: Se basa en el tratamiento y manejo de señales eléctricas de tipo digital. Son más simples, ya que procesan y codifican información en dos únicos estados: 0 y 1.

Señal Eléctrica

Una señal eléctrica es la variación de una magnitud (como la intensidad y la tensión) a medida que pasa el tiempo.

Ventajas de la Electrónica Digital

La electrónica digital ofrece múltiples beneficios, entre los que destacan:

• Mayor inmunidad al ruido.
• Proporciona una elevada densidad de integración en chips semiconductores.
• Permite un diseño más sistemático.
• Garantiza un comportamiento totalmente predecible.
• Codificación sencilla.

Tipos de Circuitos Digitales

Los circuitos digitales se clasifican principalmente en:

• Circuitos Combinacionales: Aquellos cuya salida depende únicamente de la combinación actual de sus entradas. Ejemplos: Sumadores, Codificadores, Decodificadores, Multiplexores.
• Circuitos Secuenciales: Aquellos cuya salida depende tanto de la combinación actual de sus entradas como de su estado interno previo. Ejemplos: Registros y Contadores.

Sistemas de Numeración

Un sistema de numeración es un conjunto de símbolos y reglas que permiten representar cantidades numéricas.

Bases de los Sistemas de Numeración

La base de un sistema de numeración es la cantidad de símbolos distintos que se utilizan para representar las cantidades.

Tipos de Sistemas de Numeración

• Decimal: Es un sistema de numeración posicional en el que se representan las cantidades utilizando como base las potencias del número 10. Cada dígito se multiplica por la potencia correspondiente de la base.
• Binario: Utiliza solamente las cifras 0 y 1. Es fundamental en electrónica digital.
• Octal: Utiliza las potencias del número 8.
• Hexadecimal: Utiliza las potencias del número 16, empleando como dígitos del 0 al 9 y las letras de la A hasta la F, que equivalen a números del 10 al 15.

Códigos Especiales

• BCD Natural (Binary-Coded Decimal): Consiste en representar cada uno de los dígitos decimales por su equivalente binario expresado con 4 bits.
• Código ASCII (American Standard Code for Information Interchange): Es un código alfanumérico que utiliza 7 bits para codificar números, letras, símbolos especiales e instrucciones de control para periféricos.

Lógica Digital y Puertas Lógicas

Tabla de Verdad

Una tabla de verdad es una forma de describir el funcionamiento de un sistema digital. En ella se representan el estado de las entradas y las salidas para cada una de las posibles combinaciones que se pueden dar en el circuito.

Puertas Lógicas

Las puertas lógicas son los elementos o componentes básicos que se utilizan en la electrónica digital. Su implementación se consigue gracias a los circuitos integrados y constan de diferentes entradas y una o varias salidas.

Tipos de Puertas Lógicas

• Básicas:
  • AND: Salida alta solo si todas las entradas son altas.
  • OR: Salida alta si al menos una entrada es alta.
  • NOT: Invierte la entrada (también conocida como inversor).
• Otras Puertas:
  • NAND: NOT AND (AND negada).
  • NOR: NOT OR (OR negada).
  • XOR: OR Exclusiva.
  • XNOR: NOR Exclusiva.

Puertas Universales

Las puertas NAND y NOR son consideradas puertas universales, ya que con ellas se puede implementar cualquier operación lógica.

Circuitos Integrados (CI)

Los Circuitos Integrados (CI) están formados por un conjunto de componentes electrónicos (como resistencias, diodos y transistores) integrados en una sola pieza de material semiconductor a base de silicio e insertados en el interior de un encapsulado.

Tipos de Encapsulados

Algunos tipos comunes de encapsulados para circuitos integrados incluyen:

• DIP (Dual In-line Package): Consta de dos hileras paralelas de patillas que se conectan al circuito de forma sencilla, a menudo a través de un zócalo de conexión.
• PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
• SOIC (Small Outline Integrated Circuit)
• SSOP (Shrink Small Outline Package)

Familias Lógicas

Una familia lógica es un conjunto de todos los componentes lógicos fabricados con la misma tecnología.

Métodos de Clasificación de Familias Lógicas

Las familias lógicas se clasifican principalmente por:

• Escala de Integración: Se refiere a la cantidad de componentes que se pueden integrar en un circuito integrado por milímetro cuadrado (mm²).
• Tecnología Utilizada: El tipo de tecnología semiconductora empleada en la fabricación del CI.

Tecnologías Utilizadas en CI

• Bipolar: Utilizada para crear puertas lógicas y transistores bipolares. Son muy rápidos, pero tienen un consumo de energía elevado.
  • Tipos: TTL (Transistor-Transistor Logic), ECL (Emitter-Coupled Logic), I²L (Integrated Injection Logic).
• MOS (Metal-Oxide-Semiconductor): Es más lenta que la bipolar, pero su consumo de energía es mucho menor, lo que permite aumentar la escala de integración.
  • Tipos: pMOS, nMOS y CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).
• BiCMOS: Es un híbrido de las tecnologías bipolar y MOS, consiguiendo un buen balance entre velocidad y consumo.

Características de las Familias Lógicas

Al seleccionar una familia lógica, se deben considerar las siguientes características:

• Tensión de Alimentación (Vcc): El voltaje requerido para su funcionamiento.
• Niveles de Tensión de Entrada y Salida: Los rangos de voltaje que representan los estados lógicos (0 y 1).
• Inmunidad al Ruido: La capacidad del circuito para operar correctamente a pesar de las interferencias eléctricas.
• Disipación de Potencia: La cantidad de energía que el circuito consume y disipa en forma de calor.
• Capacidad de Carga (Fan-out): El número máximo de entradas de otras puertas lógicas que una salida puede controlar sin degradar su rendimiento.
• Retardo de Propagación: El tiempo que tarda una señal en viajar desde la entrada hasta la salida de una puerta lógica.

Tecnologías de Familias Lógicas Más Utilizadas

Las tecnologías de familias lógicas más utilizadas en la actualidad son TTL y CMOS.