COMPUERTAS LÓGICAS Y CIRCUITOS INTEGRADOS

Área de Tecnologías de la Información

Programa académico de Tronco Común

Materia: Desarrollo de Habilidades del Pensamiento Lógico

Título: Compuertas lógicas y circuitos integrados

Profesor(a): Miguel Ángel Arias Gutiérrez

Alumno(a): Fátima Abigail Porras Noriega

Grupo: TI112

León, Guanajuato. 28 de octubre de 2018

Objetivo El objetivo del presente ensayo pretende explicar el uso de las compuertas lógicas y los circuitos integrados, conocer qué son, cómo funcionan, sus tipos y sus características, entre algunas otras cosas importantes.

Así pues, se busca que de una manera más clara estos temas puedan ser comprendidos de la manera más fácil posible, además de entender la importancia que tienen estos.

Introducción Siendo dispositivos electrónicos conformados con componentes electrónicos discretos que utilizan las funciones booleanas para su funcionamiento, la historia de las compuertas lógicas comienza en 1854, cuando el matemático británico George Boole, a través de la obra intitulada An Investigation of the Laws of Thought, presentó un sistema matemático de análisis lógico conocido como álgebra de Boole.

En el inicio de la era de la electrónica, todos los problemas eran resueltos por sistemas analógicos, es decir, sistemas lineares.

Sólo en 1938, el ingeniero americano Claude Elwood Shannon utilizó las teorías del álgebra de Boole para la solución de problemas de circuitos de telefonía con relés, prácticamente introduciendo en el área tecnológica el campo de la electrónica digital.

Ese ramo de la electrónica emplea en sus sistemas un pequeño grupo de circuitos básicos padronizados conocidos como compuertas lógicas.

Es de gran importancia tener en cuenta dichas compuertas dentro de la electrónica para el funcionamiento de los circuitos integrados, que, como se dará a conocer en el siguiente ensayo, son unas pastillas o chips muy delgados en los que se encuentran una cantidad enorme de dispositivos microelectrónicos interactuados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores.

El primer circuito integrado fue desarrollado en 1958 por el Ingeniero Jack St. Clair Kilby, justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments.

Los elementos más comunes de los equipos electrónicos de la época eran los llamados “tubos de vacío”, las lámparas usadas en radio y televisión y el transistor de germanio (Ge). En el verano de 1958 Jack Kilby se propuso cambiar las cosas.

Entonces concibió el primer circuito electrónico cuyos componentes, tanto los activos como los pasivos, estuviesen dispuestos en un solo pedazo de material, semiconductor, que ocupaba la mitad de espacio de un clip para sujetar papeles.

El 12 de septiembre de 1958, el invento de Jack Kilby se probó con éxito, así que en la presente investigación vamos a entender por qué son tan importantes y de qué manera llegaron a cambiar las cosas en la vida.

Desarrollo ¿Qué son las Compuertas Lógicas?

Las compuertas lógicas son circuitos electrónicos conformados internamente por transistores que se encuentran con arreglos especiales con los que otorgan señales de voltaje como resultado o una salida de forma booleana, están obtenidos por operaciones lógicas binarias (suma, multiplicación). También niegan, afirman, incluyen o excluyen según sus propiedades lógicas. Estas compuertas se pueden aplicar en otras áreas de la ciencia como mecánica, hidráulica o neumática.

Existen diferentes tipos de compuertas y algunas de estas son más complejas, con la posibilidad de ser simuladas por compuertas más sencillas. Para representar todas las posibles combinaciones entre la(s) entrada(s) y la salida se usan las “tablas de verdad”, que no son más que una lista de todas las combinaciones posibles de los valores en las entradas y el valor de la salida.

Trabajan en dos estados, "1" o "0", los cuales pueden asignarse a la lógica positiva o lógica negativa. El estado 1 tiene un valor de 5v como máximo y el estado 0 tiene un valor de 0v como mínimo y existiendo un umbral entre estos dos estados donde el resultado puede variar sin saber con exactitud la salida que nos entregara. Las lógicas se pueden explicar de la siguiente manera: • La lógica positiva es aquella que con una señal en alto se acciona, representando un 1 binario y con una señal en bajo se desactiva. representado un 0 binario.

• La lógica negativa proporciona los resultados inversamente, una señal en alto se representa con un 0 binario y una señal en bajo se representa con un 1 binario.

Tipos de compuertas lógicas 1. Compuerta “AND” Esta compuerta es representada por una multiplicación en el Álgebra de Boole.

Indica que es necesario que en todas sus entradas se tenga un estado binario 1 para que la salida otorgue un 1 binario. En caso contrario de que falte alguna de sus entradas con este estado o no tenga si quiera una accionada, la salida no podrá cambiar de estado y permanecerá en 0. Esta puede ser simbolizada por dos o más interruptores en serie de los cuales todos deben estar activos para que ésta permita el flujo de la corriente.

Ejemplo: A

B

Y

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

A Y

Y= A*B B

2. Compuerta “OR” En el Álgebra de Boole ésta es una suma. Esta compuerta permite que con cualquiera de sus entradas que este en estado binario 1, su salida pasará a un estado 1 también. No es necesario que todas sus entradas estén accionadas para conseguir un estado 1 a la salida, pero tampoco causa algún inconveniente. Para lograr un estado 0 a la salida, todas sus entradas deben estar en el mismo valor de 0. Se puede interpretar como dos interruptores en paralelo, que sin importar cuál se accione, será posible el paso de la corriente.

Ejemplo: A

B

Y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

A Y

Y= A+B B

3. Compuerta “NOT” En este caso esta compuerta sólo tiene una entrada y una salida y ésta actúa como un inversor. Para esta situación en la entrada se colocará un 1 y en la salida otorgará un 0 y en el caso contrario esta recibirá un 0 y mostrará un 1. Por lo cual todo lo que llegue a su entrada, será inverso en su salida.

Ejemplo:

A

Y A

0

1

1

0

Y Q

Y= Á

4. Compuerta “NAND” También denominada como AND negada, esta compuerta trabaja al contrario de una AND ya que al no tener entradas en 1 o solamente alguna de ellas, ésta concede un 1 en su salida, pero si ésta tiene todas sus entradas en 1 la salida se presenta con un 0.

Ejemplo: A

B

Y

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

A

Y

B

Y= A*B

5. Compuerta “NOR” Así como vimos anteriormente, la compuerta OR también tiene su versión inversa.

Esta compuerta cuando tiene sus entradas en estado 0 su salida estará en 1, pero si alguna de sus entradas pasa a un estado 1 sin importar en qué posición, su salida será un estado 0.

Ejemplo: A

B

Y

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

A

Y

B

Y= A+B

6. Compuerta “XOR” También llamada OR exclusiva, ésta actúa como una suma binaria de un dígito cada uno y el resultado de la suma sería la salida. Otra manera de verlo es que con valores de entrada igual el estado de salida es 0 y con valores de entrada diferente, la salida será 1.

Ejemplo: A

B

Y

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

A

Y

B

Y= A*B + A*B

7. Compuerta “XNOR” Ésta es todo lo contrario a la compuerta XOR, ya que cuando las entradas sean iguales se presentará una salida en estado 1 y si son diferentes la salida será un estado 0.

Ejemplo: A

B

Y

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

1

A

Y

B

Y= A*B + A*B

8. Compuerta “IF” o “YES” Esta compuerta no es una muy utilizada o reconocida ya que su funcionamiento en estados lógicos es parecido a si sólo hubiera un cable conectado porque exactamente lo que se le coloque en la entrada, se encontrará en la salida. Pero también es conocido como un buffer, en la práctica se utiliza como amplificador de corriente o como seguidor de tensión para adaptar impedancias.

Ejemplo:

A

Y

0

0

1

1

A

Y Q

Y= A

De manera más precisa podemos decir que las compuertas lógicas son circuitos electrónicos diseñados para obtener resultados booleanos (0,1), los cuales se obtienen de operaciones lógicas binarias (suma, multiplicación). Dichas compuertas son AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR. Además, se pueden conectar entre sí para obtener nuevas funciones.

¿Qué son los circuitos integrados?

Los circuitos integrados, también llamados chips, son pastillas semiconductoras de silicio en las cuales se hallan miles o millones de dispositivos electrónicos, como transistores, resistencias, diodos y capacitores, interconectados entre sí para formar un circuito electrónico específico.

Estos circuitos electrónicos se encuentran dentro de un encapsulado de plástico o cerámica, el cual posee, en su exterior, conductores metálicos llamados pines, que se hallan conectados a la pastilla interna.

Clasificación de los circuitos integrados

Según el número de componentes que posean, podemos clasificarlos según su nivel de integración; entre ellos encontramos: • SSI (Small Scale Integration) Integración a pequeña escala: es la escala de integración más pequeña de todas y comprende todos aquellos integrados que contienen hasta diez componentes.

• MSI (Medium Scale Integration) Integración a media escala: a esta escala pertenecen todos los integrados que contienen entre 10 y 100 componentes.

Son muy comunes en los sumadores y multiplexores, y eran muy utilizados en las primeras computadoras.

• LSI (Large Scale Integration) Integración a gran escala: comprende todos los integrados que contienen de 100 a 1000 componentes. La aparición de esta escala de integración dio lugar a la construcción de microprocesadores, ya que pueden realizar operaciones básicas de una calculadora o almacenar una cierta cantidad de bits.

• VLSI (Very Large Scale Integration) Integración a muy gran escala: estos integrados poseen de 1000 a 10000 componentes. Con su aparición, dan inicio a una gran era de compresión de los dispositivos, haciendo cada vez más común el uso de equipos portátiles.

En cuanto a las funciones integradas, existen dos clasificaciones fundamentales de circuitos integrados (IC):

• Circuitos integrados analógicos: pueden contener un número determinado de transistores sin conexión alguna entre ellos, o circuitos complejos y funcionales, como amplificadores, osciladores e, incluso, receptores de audio.

• Circuitos integrados digitales: pueden ser compuertas lógicas básicas, AND, OR, NOT, o aún más complejos, microprocesadores o microcontroladores.

Limitaciones de los circuitos integrados:

Existen ciertos límites físicos y económicos al desarrollo de los circuitos integrados.

Son barreras que se van alejando al mejorar la tecnología, pero no desaparecen.

Las principales son: • Disipación de potencia-Evacuación del calor: Los circuitos electrónicos disipan potencia.

• Capacidades y autoinducciones parásitas: Este efecto se refiere principalmente a las conexiones eléctricas entre el chip, la cápsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento.

• Límites en los componentes.

• Densidad de integración.

Reflexión personal Al terminar la investigación sobre las compuertas lógicas pude darme cuenta de que están sumamente relacionadas con las tablas de verdad, esto dentro de un circuito, por lo que los circuitos integrados van también estrechamente de la mano con estas compuertas.

Me pareció un tema muy interesante debido a que creo que es muy importante conocerlo porque esto nos ayuda a tener una respuesta lógica a lo que estamos llevando a cabo.

Gracias a que ahora sé cómo funcionan, en qué momento y para qué podría ocuparlos, creo que el trabajo se facilitará al momento de desarrollar prácticas más complejas, pero le hecho de que se parezca tanto a las tablas de verdad, podría ser de mucha ayuda.

Bibliografía http://www.logicbus.com.mx/compuertas-logicas.php https://es.scribd.com/document/211532819/INTRODUCCION-A-LASCOMPUERTAS-LOGICAS http://www.mundodigital.net/la-historia-de-los-circuitos-integrados/ https://www.ecured.cu/Circuito_integrado http://www.redusers.com/noticias/tecnico-en-electronica-circuitos-integrados/