EIE SISTEMAS DIGITALES Tema 3: Puertas Lógicas. Nombre del curso: Sistemas Digitales Nombre del docente: Héctor Vargas

Transcripción

1 EIE SISTEMS DIGITLES Tema 3: Puertas Lógicas Nombre del curso: Sistemas Digitales Nombre del docente: Héctor Vargas

2 OJETIVOS DE L UNIDD Describir el funcionamiento del inversor y de las puertas ND y OR. Describir el funcionamiento de las puertas NND y NOR. Expresar las operaciones de las puertas NOT, ND, OR, NND y NOR mediante el álgebra de oole. Describir el funcionamiento de las puertas OR-exclusiva y NOR-exclusiva. Reconocer y utilizar los símbolos distintivos y los símbolos rectangulares de las puertas lógicas según el estándar NSI/IEEE Elaborar diagramas temporales para ver la relación entrada/salida de las diferentes puertas lógicas.

3 OJETIVOS DE L UNIDD Establecer comparaciones básicas entre las principales tecnologías de circuitos integrados: TTL y CMOS. Definir: tiempo de retardo de propagación, disipación de potencia, producto velocidad-potencia y fan-out. Enumerar circuitos integrados de función fija que contengan varias puertas lógicas. Utilizar cada puerta lógica en aplicaciones sencillas.

4 EL INVERSOR El inversor (circuito NOT) realiza la operación denominada inversión o complementación. El inversor cambia un nivel lógico al nivel opuesto. En términos de bits, cambia un por un 0, y un 0 por un. Input Output JO (0) LTO () LTO () JO (0) La operación NOT (o complemento) se indica con una barra sobre la variable de entrada. De esta manera, la expresión booleana para un inversor es =.

5 EL INVERSOR Diagrama de tiempos de un inversor: Un grupo de inversores puede ser usado para formar el complemento a de un número binario. Número binario Complemento a

6 L PUERT ND & La puerta ND genera un nivel LTO sólo cuando todas las entradas están a nivel LTO. Cuando cualquiera de sus entradas está a nivel JO, la salida se pone a nivel JO. TL DE VERDD DE L PUERT ND La operación lógica de una puerta puede expresarse mediante una tabla de verdad, en la que se enumeran todas las combinaciones de entrada con las correspondientes salidas, como muestra la tabla siguiente. Inputs Output

7 L PUERT ND & La operación ND se representa usualmente con un punto entre las variables de entrada aunque, eventualmente, podrían los puntos no estar. De esta manera, la operación ND se escribe como = o =. Diagrama de tiempos de una puerta ND: La operación ND es utilizada en programación como una máscara selectiva. Si se quiere retener ciertos bits de un número binario pero a la vez resetear los otros bits a 0, se podría configurar una máscara con s en la posición de los bits retenidos.

8 L PUERT ND & Si el número binario 0000 es pasado a través de una puerta ND con máscara 0000, cuál es el resultado?

9 L PUERT ND & Sistema de alarma para el cinturón de seguridad.

10 L PUERT OR La puerta OR genera un nivel LTO a la salida cuando cualquiera de sus entradas está a nivel LTO. La salida se pone a nivel JO sólo cuando todas las entradas están a nivel JO. TL DE VERDD DE L PUERT OR La tabla de verdad siguiente describe el funcionamiento lógico de una puerta OR de dos entradas. Esta tabla puede extenderse a cualquier número de entradas e, independientemente del número de entradas, la salida es un nivel LTO cuando una o más entradas están a nivel LTO. Inputs Output

11 L PUERT OR La operación OR se representa con un signo mas (+) entre las variables. De esta manera, la operación OR se escribe como = +. Diagrama de tiempos de la puerta OR: La operación OR se puede utilizar en programación para llevar ciertos bits de un número binario a.

12 L PUERT OR Las letras en SCII tienen un en el bit de la posición 5 para las letras minúsculas y un 0 en esta posición para las mayúsculas. (Las posiciones de it se enumeran de derecha a izquierda empezando con 0.) Cual será el resultado si realizas la operación OR a una letra SCII con la máscara de 8-bit ? La letra resultante será minúscula.

13 L PUERT OR Sistema de intrusión simplificado.

14 L PUERT NND La puerta NND genera una salida a nivel JO sólo cuando todas las entradas están a nivel LTO. Cuando cualquiera de las entradas está a nivel JO, la salida se pondrá a nivel LTO. Inputs Output & La operación NND se representa con un punto entre las variables y una barra superior que los cubre. De esta manera, la operación NND se escribe como = (lternativamente, = )

15 L PUERT NND & Diagrama de tiempos de la puerta NND. La puerta NND es particularmente útil porque es una puerta universal todas las otras puertas básicas se pueden construir desde puertas NND. Cómo conectaría una puerta NND de 2 entradas para formar un inversor?

16 L PUERT NND & Monitoreo de nivel de líquido.

17 L PUERT NOR La puerta NOR genera una salida a nivel JO cuando cualquiera de sus entradas está a nivel LTO. Solo cuando todas sus entradas estén a nivel JO, la salida se pondrá a nivel LTO. Inputs Output La operación NOR se representa con un signo mas (+) entre las variables y una barra superior que las cubre. De esta manera, la operación NOR se escribe como = +.

18 L PUERT NOR Diagrama de tiempos de la puerta NOR. La operación NOR producirá un nivel JO si cualquier entrada es LT. Cuándo está el LED en ON para el circuito mostrado? El LED estará encendido (ON) cuando cualquiera de las cuatro entradas esté en LTO. C D +5.0 V 330 W

19 L PUERT OR (OR-exclusiva) La salida de la puerta OR-exclusiva (OR) se pone a nivel LTO sólo cuando las dos entradas están a niveles lógicos opuestos. Esta operación se puede expresar, en función de dos entradas y y una salida con la siguiente tabla de verdad: Inputs Output La operación OR se puede expresar de la forma = +. lternativamente, se puede escribir con un signo más encerrado en un círculo entre las variables = =

20 L PUERT OR (OR-exclusiva) = Diagrama de tiempos de la puerta OR. Observe que la puerta OR producirá un nivel LTO solamente cuando exactamente una entrada esté a nivel LTO. Si las formas de onda y son ambas invertidas, como se afecta la salida? No hay cambio en la salida.

21 L PUERT NOR La salida de la puerta NOR (NOR-exclusiva) se pone a nivel JO cuando dos niveles lógicos de entrada son opuestos. Esta función se puede expresar, en función de dos entradas y y una salida con la siguiente tabla de verdad: Inputs Output = La operación NOR se representa como = +. lternativamente, la operación NOR se puede representar con un punto encerrado por un circulo entre las variables. De esta manera, se puede escribir como =.

22 L PUERT NOR = Diagrama de tiempos de la puerta NOR. Observe que la puerta NOR producirá un nivel LTO cuando ambas entradas sean iguales. Esto la hace útil para funciones de comparación. Si la forma de onda se invierte pero permanece igual, cómo se afecta a la salida? La salida será invertida.

23 LÓGIC DE FUNCIÓN FIJ Las dos grandes familias de lógica de función fija son TTL y CMOS. Una tercera tecnología es icmos, que combina las dos primeras. Las operaciones NOT, ND, OR, NND, NOR y OR-exclusiva son las mismas, independientemente de la tecnología de circuitos integrados que se utilice; es decir, una puerta ND tiene la misma función lógica se implemente con la tecnología CMOS o TTL. La tecnología CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) se implementa con un tipo de transistor de efecto de campo. La tecnología TTL (Transistor-Transistor Logic) se implementa mediante transistores bipolares. CMOS y TTL sólo difieren en el tipo de componente de circuito y los valores de sus parámetros, y no en las operaciones lógicas básicas.

24 LÓGIC DE FUNCIÓN FIJ Encapsulados de los circuitos integrados. Todos los CMOS de la serie 74 son compatibles en su patillaje con respecto a los mismos tipos de dispositivos en la tecnología TTL. bajo se muestra el encapsulado de la lógica de función fija in in ± 0.00 in in Pin no. identifiers 4 Lead no. identifier Encapsulado DIP Montaje de inserción Encapsulado SOIC Montaje superficial

25 LÓGIC DE FUNCIÓN FIJ lgunas configuraciones de puertas comunes se muestra a continuación: V CC V CC V CC V CC ' GND ' GND ' GND ' GND V CC V CC V CC V CC ' GND ' GND ' GND ' GND V CC V CC V CC V CC ' GND ' GND ' GND ' GND

26 LÓGIC DE FUNCIÓN FIJ Los símbolos lógicos muestran las puertas y números de pin asociados. () (2) (4) (5) (9) (0) (2) (3) V CC (4) (3) (6) (8) () () & (3) (2) (4) (6) (5) (9) (0) (8) (2) (3) () (7) GND

27 Características y parámetros de funcionamiento Existen varios parámetros que definen el funcionamiento de un circuito o puerta lógica. Las características de funcionamiento son: La velocidad de conmutación medida en términos del retardo de propagación. La disipación de potencia. El fan-out o capacidad de excitación. El producto velocidad-potencia. La tensión de alimentación continua y los niveles lógicos de entrada salida.

28 Características y parámetros de funcionamiento Tiempo de retardo de propagación. El tiempo de retardo de propagación t p de una puerta lógica es el intervalo de tiempo entre la aplicación de un impulso de entrada y la aparición del impulso de salida resultante. Existen dos tipos de medidas diferentes del tiempo de retardo de propagación que se aplican a todas las puertas: t PHL : Es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel LTO al nivel JO. t PLH : Es el tiempo entre un punto de referencia especificado en el impulso de entrada y el correspondiente punto de referencia en el impulso de salida, cuando la salida cambia del nivel JO al nivel LTO.

29 Características y parámetros de funcionamiento

30 Características y parámetros de funcionamiento Tensión de alimentación continua (V cc ). La tensión de alimentación continua típica para CMOS puede ser 5 V; 3.3 V; 2.5 V o.8 V, dependiendo de la categoría. Una ventaja de CMOS es que la tensión de alimentación puede variar en un rango más amplio que los dispositivos TTL. Disipación de potencia. La disipación de potencia P D de una puerta lógica es el producto de la tensión de alimentación continua y de la corriente media de alimentación. P D V CC I CCH I 2 Donde: V CC = Tensión de alimentación. I CCL = Corriente de alimentación para el estado de salida JO. I CCH = Corriente de alimentación para el estado de salida LTO. CCL

31 Características y parámetros de funcionamiento Niveles lógicos de entrada y salida. V IL es la tensión del nivel de entrada JO para una puerta lógica y V IH es la tensión de entrada del nivel LTO. V OL es la tensión de salida para el nivel JO y V OH es la tensión de salida para el nivel LTO. Ejemplo. Los dispositivos CMOS de 5 V aceptan una tensión máxima de.5 para V IL y una tensión mínima de 3.5 V para V IH. Los dispositivos TTL aceptan una tensión máxima de 0.8 V para V IL y una tensión mínima de 2 V para V IH. Producto velocidad-potencia. El parámetro SPP (Speed-Power Product) puede utilizarse como una medida del funcionamiento del circuito lógico que tiene en cuenta el retardo de propagación y la disipación de potencia. SPP t p P D

32 Características y parámetros de funcionamiento Fan-out y carga. El fan-out de una puerta lógica es el número máximo de entradas de la familia de circuitos integrados de la misma serie que la puerta puede excitar, manteniendo a la vez los niveles de salida dentro de los límites especificados. Nota: El fan-out es un parámetro importante sólo en la tecnología TTL. Dado que los circuitos CMOS se asocian impedancias muy altas, el fan-out es muy alto, aunque depende de la frecuencia debido a los efectos capacitivos. El fan-out se especifica en términos de cargas unidad. Una carga unidad para una puerta lógica es igual a una entrada de un circuito similar. Por ejemplo, una carga unidad para una puerta NND 74LS00 es igual a una entrada a una puerta lógica en la serie 74LS. Puesto que la corriente para una entrada a nivel JO (I IL ) de una puerta 74LS00 es de 0.4 m y la corriente que una salida a nivel JO (I IL ) puede aceptar es de 8.0 m, el número de cargas unidad que una puerta 74LS00 puede excitar en el estado JO es: IOL 8m Cargas unidad 20 I 0.4 m IL

33 Características y parámetros de funcionamiento La salida de la puerta NND LS TTL admite como carga máxima la entrada de 20 puertas LS TTL.

34 Hoja de características El Datasheet incluye límites y condiciones indicados por el fabricante así como características de continua y alterna DC y C. continuación se muestran algunas características de ejemplo para el CI 74HC00: V CC MIMUM RTINGS Symbol Parameter Value Unit DC Supply Voltage (Referenced to GND) 0.5 to V V V in DC Input Voltage (Referenced to GND) 0.5 to V CC +0.5 V V V out DC Output Voltage (Referenced to GND) 0.5 to V CC +0.5 V V I in DC Input Current, per pin ± 20 m DC Output Current, per pin ± 25 m I CC DC Supply Current, V CC and GND pins ± 50 m P D Power Dissipation in Still ir, Plastic or Ceramic DIP 750 mw T stg SOIC Package TSSOP Package Storage Temperature to + 50 C T L Lead Temperature, mm from Case for 0 Seconds C Plastic DIP, SOIC, or TSSOP Package 260 Ceramic DIP 300

35 PLRS CLVES DE L UNIDD Inversor Tabla de verdad Diagrama de tiempos lgebra booleana Puerta ND Un circuito lógico que invierte o complementa sus entradas. Una tabla que muestra las entradas y salidas correspondientes de un circuito lógico. Un diagrama de formas de onda que muestra las propiedades y relaciones de tiempo de todas las formas de onda. La matemática de los circuitos lógicos. Una puerta lógica que produce un nivel de salida LTO solamente cuando todas sus entradas son altas.

36 PLRS CLVES DE L UNIDD Puerta OR Una puerta lógica que produce un LTO en su salida cuando uno o más entradas son LTS. Puerta NND Puerta NOR Puerta ORexclusiva Puerta NOR exclusiva Una puerta lógica que produce una salida J solamente cuando todas sus entradas son LTS. Una puerta lógica que produce una salida J cuando una o más de sus entradas son LTS. Una puerta lógica que produce una salida LT solamente cuando sus dos entradas están en los niveles opuestos. Una puerta lógica que produce una salida J solamente cuando sus dos entradas están en los niveles opuestos.

37 ILIOGRFÍ Libro base: Fundamentos de Sistemas Digitales. utor: Tomas L. Floyd. Libro complemento: Principios de Diseño Digital. utor: Daniel D. Gaski.