Sistemas Digitales: Lógica Combinacional, Secuencial, Familias TTL y CMOS, Flip-Flops y Más

Sistemas Digitales: Lógica Combinacional y Secuencial

Combinacional: Se denomina sistema combinacional o lógica combinacional a todo sistema digital en el que sus salidas son función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso estados anteriores de las entradas o de las salidas. Las funciones (OR, AND, NAND, XOR) son booleanas (de Boole) donde cada función se puede representar en una tabla de la verdad. Por tanto, carecen de memoria y de retroalimentación.

• La salida depende de las entradas actuales.
• La salida cambia si la entrada cambia.
• Circuito sin retroalimentación.

Secuencial: Los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también dependen del estado anterior o estado interno. El sistema secuencial más simple es el biestable, de los cuales, el de tipo D (o cerrojo) es el más utilizado actualmente.

La mayoría de los sistemas secuenciales están gobernados por señales de reloj. A estos se les denomina "síncronos" o "sincrónicos", a diferencia de los "asíncronos" o "asincrónicos" que son aquellos que no son controlados por señales de reloj.

• La salida depende de las entradas actuales y las salidas pasadas.
• Circuito de memoria y combinacional.
• La salida puede cambiar aunque las entradas no se modifiquen.
• Tiene señal de reloj.

Familias Lógicas: TTL y CMOS

Familia TTL (Lógica de Transistor-Transistor)

Esta fue la primera familia de éxito comercial, se utilizó entre 1965 y 1985. Los circuitos TTL utilizan transistores bipolares y algunas resistencias de polarización. La tensión nominal de alimentación de los circuitos TTL es 5 V DC.

Niveles Lógicos TTL

En el estudio de los circuitos lógicos, existen 4 especificaciones lógicas diferentes: V_IL, V_IH, V_OL y V_OH.

En los circuitos TTL, V_IL es la tensión de entrada válida para el rango 0 a 0.8 V que representa un nivel lógico 0 (bajo). El rango de tensión V_IH representa las tensiones válidas de un 1 lógico entre 2 y 5 V. El rango de valores 0.8 a 2 V determinan un funcionamiento no predecible, por lo tanto, estos valores no son permitidos. El rango de tensiones de salida V_OL, V_OH.

Tipos de TTL:

• TTL Estándar
• TTL de Baja Potencia o Bajo Consumo
• TTL de Alta Velocidad
• TTL Schottky
• TTL Schottky de Baja Potencia

Ventajas de los TTL:

• Rapidez
• Bajo consumo
• Alta densidad de integración

Circuitos Lógicos CMOS (Metal Óxido Semiconductor Complementario)

La tecnología CMOS es la más utilizada actualmente para la construcción de circuitos integrados digitales, como las compuertas, hasta los circuitos como las memorias y los microprocesadores. La tensión nominal de alimentación de los circuitos CMOS es +5 V y +3,3 V.

Niveles Lógicos CMOS

En la figura 9.1.5 se muestran las tensiones V_IL, V_IH, V_OL, V_OH válidas para los dispositivos CMOS de nivel +5 VDC.

Algunos inconvenientes de los CMOS:

• Debido al carácter capacitivo de los transistores MOSFET, y al hecho de que estos son empleados por duplicado en parejas NMOS-PMOS, la velocidad de los circuitos CMOS es comparativamente menor que la de otras familias lógicas.
• Son vulnerables al latch-up: consiste en la existencia de un tiristor parásito en la estructura CMOS que entra en conducción cuando la salida supera la alimentación. Esto se produce con relativa facilidad debido a la componente inductiva de la red de alimentación de los circuitos integrados. El latch-up produce un camino de baja resistencia a la corriente de alimentación que acarrea la destrucción del dispositivo. Siguiendo las técnicas de diseño adecuadas este riesgo es prácticamente nulo. Generalmente es suficiente con espaciar contactos de sustrato y pozos de difusión con suficiente regularidad, para asegurarse de que está sólidamente conectado a masa o alimentación.
• Según se va reduciendo el tamaño de los transistores, las corrientes parásitas empiezan a ser comparables a las corrientes dinámicas (debidas a la conmutación de los dispositivos).

Flip-Flops

Un biestable (flip-flop o latch en inglés), es un multivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones.¹ Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables se dividen en:

• Asíncronos: solo tienen entradas de control. El más empleado es el biestable RS.
• Síncronos: además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por lo general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las síncronas.

La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK, T y D.

Los biestables síncronos activos por flanco (flip-flop) se crearon para eliminar las deficiencias de los latches (biestables asíncronos o sincronizados por nivel).

Tipos de Flip-Flops

RS: Dispositivo de almacenamiento temporal de 2 estados (alto y bajo), cuyas entradas principales permiten al ser activadas:

• R: el borrado (reset en inglés), puesta a 0 o nivel bajo de la salida.
• S: el grabado (set en inglés), puesta a 1 o nivel alto de la salida.

Si no se activa ninguna de las entradas, el biestable permanece en el estado que poseía tras la última operación de borrado o grabado. En ningún caso deberían activarse ambas entradas a la vez, ya que esto provoca que las salidas directa (Q) y negada (Q') queden con el mismo valor: a bajo, si el flip-flop está construido con puertas NOR, o a alto, si está construido con puertas NAND. El problema de que ambas salidas queden al mismo estado está en que al desactivar ambas entradas no se podrá determinar el estado en el que quedaría la salida. Por eso, en las tablas de verdad, la activación de ambas entradas se contempla como caso no deseado (n.d.).

El flip-flop D resulta muy útil cuando se necesita almacenar un único bit de datos (1 o 0). Si se añade un inversor a un flip-flop S-R obtenemos un flip-flop D básico. El funcionamiento de un dispositivo activado por el flanco negativo es, por supuesto, idéntico, excepto que el disparo tiene lugar en el flanco de bajada del impulso del reloj. Recuerde que Q sigue a D en cada flanco del impulso de reloj.

Para ello, el dispositivo de almacenamiento temporal es de 2 estados (alto y bajo), cuya salida adquiere el valor de la entrada D cuando se activa la entrada de sincronismo, C. En función del modo de activación de dicha entrada de sincronismo, existen 2 tipos:

• Activo por nivel (alto o bajo), también denominado registro o cerrojo (latch en inglés).
• Activo por flanco (de subida o de bajada).

Biestable T (Toggle)

Biestable T activo por flanco de subida.

Dispositivo de almacenamiento temporal de 2 estados (alto y bajo). El biestable T cambia de estado ("toggle" en inglés) cada vez que la entrada de sincronismo o de reloj se dispara mientras la entrada T está a nivel alto. Si la entrada T está a nivel bajo, el biestable retiene el nivel previo. Puede obtenerse al unir las entradas de control de un biestable JK, unión que se corresponde a la entrada T. No están disponibles comercialmente.

JK

Es versátil y es uno de los tipos de flip-flop más usados. Su funcionamiento es idéntico al del flip-flop S-R en las condiciones set, reset y de permanencia de estado. La diferencia está en que el flip-flop J-K no tiene condiciones no válidas como ocurre en el S-R.

Este dispositivo de almacenamiento es temporal que se encuentra en 2 estados (alto y bajo), cuyas entradas principales, J y K, a las que debe el nombre, permiten al ser activadas:

• J: el grabado (set en inglés), puesta a 1 o nivel alto de la salida.
• K: el borrado (reset en inglés), puesta a 0 o nivel bajo de la salida.

Si no se activa ninguna de las entradas, el biestable permanece en el estado que poseía tras la última operación de borrado o grabado. A diferencia del biestable RS, en el caso de activarse ambas entradas a la vez, la salida adquirirá el estado contrario al que tenía.

Escalas de Integración de Circuitos Lógicos: SSI, MSI, LSI y VLSI

La rapidez del desarrollo tecnológico ha dado lugar a que se puedan integrar simultáneamente en un mismo dispositivo un número determinado de puertas entre sí, que realizan una función concreta, así a principio de los años sesenta llegó la aparición del circuito integrado.

A partir de entonces se han ido mejorando las técnicas de fabricación de forma espectacular, hasta llegar a la actualidad, donde es posible encontrar en una superficie de algo más de 1 cm cuadrado cientos de miles de puertas lógicas.

Dependiendo del número de elementos puertas que se encuentren integrados en el chip se dice que ese circuito está dentro de una determinada escala de integración.

Las escalas que aquí vamos a tratar son las siguientes:

• SSI (Small Scale Integration): Es la escala de integración más pequeña de todas, y comprende a todos aquellos integrados compuestos por menos de 12 puertas.
• MSI (Medium Scale Integration): Esta escala comprende todos aquellos integrados cuyo número de puertas oscila entre 12 y 100 puertas. Es común en sumadores, multiplexores,... Estos integrados son los que se usaban en los primeros ordenadores aparecidos hacia 1970.
• LSI (Large Scale Integration): A esta escala pertenecen todos aquellos integrados que contienen más de 100 puertas lógicas (lo cual conlleva miles de componentes integrados individualmente), hasta las mil puertas. Estos integrados realizan una función completa, como es el caso de las operaciones esenciales de una calculadora o el almacenamiento de una gran cantidad de bits. La aparición de los circuitos integrados a gran escala, dio paso a la construcción del microprocesador. Los primeros funcionaban con 4 bits (1971) e integraban unos 2.300 transistores; rápidamente se pasó a los de 8 bits (1974) y se integraban hasta 8.000 transistores. Posteriormente aparecieron los microprocesadores de circuitos integrados VLSI.
• VLSI: (Very Large Scale Integration) De mil a miles de puertas por circuito integrado, los cuales aparecen para consolidar la industria de los integrados y para desplazar definitivamente la tecnología de los componentes aislados y dan inicio a la era de la miniaturización de los equipos apareciendo y haciendo cada vez más común la manufactura y el uso de los equipos portátiles.

Multiplexores

Los multiplexores son circuitos combinacionales con varias entradas y una única salida de datos, están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y solo una, de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada hacia dicha salida.

En el campo de la electrónica el multiplexor se utiliza como dispositivo que puede recibir varias entradas y transmitirlas por un medio de transmisión compartido. Para ello lo que hace es dividir el medio de transmisión en múltiples canales, para que varios nodos puedan comunicarse al mismo tiempo.

Una señal que está multiplexada debe demultiplexarse en el otro extremo.

Según la forma en que se realice esta división del medio de transmisión, existen varias clases de multiplexación:

• Multiplexación por división de frecuencia
• Multiplexación por división de tiempo
• Multiplexación por división de código
• Multiplexación por división de longitud de onda

La función de un multiplexor da lugar a diversas aplicaciones:

1. Selector de entradas.
2. Serializador: convierte datos desde el formato paralelo al formato serie.
3. Transmisión multiplexada: utilizando las mismas líneas de conexión, se transmiten diferentes datos de distinta procedencia.
4. Realización de funciones lógicas: utilizando inversores y conectando a 0 o 1 las entradas según interese, se consigue diseñar funciones complejas, de un modo más compacto que con las tradicionales puertas lógicas.

Contadores

Los contadores son un circuito secuencial construido a partir de biestables y puertas lógicas capaz de realizar el cómputo de los impulsos que recibe en la entrada destinada a tal efecto, almacenar datos o actuar como divisor de frecuencia. Habitualmente, el cómputo se realiza en un código binario, que con frecuencia será el binario natural o el BCD natural (contador de décadas).

Clasificación de los Contadores

• Según la forma en que conmutan los biestables, podemos hablar de contadores síncronos (todos los biestables conmutan a la vez, con una señal de reloj común) o asíncronos (el reloj no es común y los biestables conmutan uno tras otro).
• Según el sentido de la cuenta, se distinguen en ascendentes, descendentes y up-down (ascendentes o descendentes según la señal de control).

• Según la cantidad de números que pueden contar, se puede hablar de contadores binarios de n bits (cuentan todos los números posibles de n bits, desde 0 hasta

  ), contadores BCD (cuentan del 0 al 9) y contadores módulo n (cuentan desde el 0 hasta el n-1).

El número máximo de estados por los que pasa un contador se denomina módulo del contador. Este número viene determinado por la expresión 2^n donde n indica el número de bits del contador. Ejemplo, un contador de módulo 4 pasa por 4 estados, y contaría del 0 al 3. Si necesitamos un contador con un módulo distinto de 2^n, lo que haremos es añadir un circuito combinacional.