3.2: La Puerta NO

El circuito inversor de un solo transistor ilustrado anteriormente es en realidad demasiado crudo para ser de uso práctico como puerta. Los circuitos inversores reales contienen más de un transistor para maximizar la ganancia de voltaje (para garantizar que el transistor de salida final esté en corte completo o saturación completa), y otros componentes diseñados para reducir la posibilidad de daños accidentales.

Aquí se muestra un diagrama esquemático de un circuito inversor real, completo con todos los componentes necesarios para un funcionamiento eficiente y confiable:

Este circuito está compuesto exclusivamente por resistencias, diodos y transistores bipolares. Tenga en cuenta que otros diseños de circuitos son capaces de realizar la función de puerta NOT, incluyendo diseños que sustituyen transistores de efecto de campo por bipolar (discutido más adelante en este capítulo).

Analicemos este circuito para la condición en la que la entrada es “alta”, o en un estado binario “1". Podemos simular esto mostrando el terminal de entrada conectado a V _cc a través de un switch:

En este caso, el diodo D ₁ tendrá polarización inversa y, por lo tanto, no conducirá ninguna corriente. De hecho, el único propósito de tener _D1 en el circuito es evitar daños en el transistor en el caso de que se imprima una tensión negativa en la entrada (una tensión que es negativa, en lugar de positiva, con respecto a tierra). Sin voltaje entre la base y el emisor del transistor _Q1, tampoco esperaríamos corriente a través de él. Sin embargo, por extraño que pueda parecer, el transistor Q ₁ no se está utilizando como es habitual para un transistor. En realidad, Q ₁ se está utilizando en este circuito como nada más que un par de diodos espalda con espalda. El siguiente esquema muestra la función real de Q ₁:

El propósito de estos diodos es “dirigir” la corriente hacia o lejos de la base del transistor Q ₂, dependiendo del nivel lógico de la entrada. Exactamente cómo estos dos diodos son capaces de “dirigir” la corriente no es exactamente obvio en la primera inspección, por lo que un breve ejemplo puede ser necesario para comprender. Supongamos que teníamos el siguiente circuito diodo/resistor, que representa las uniones base-emisor de los transistores Q ₂ y Q ₄ como diodos individuales, eliminando todas las demás partes del circuito para que podamos concentrarnos en la corriente “dirigida” a través de los dos diodos espalda con espalda:

_{Con el interruptor de entrada en la posición “arriba” (conectado a V cc), debería ser obvio que no habrá corriente a través del diodo de dirección izquierdo de Q 1, porque no hay ningún voltaje en el bucle Switch-diodo-R 1-switch para motivar a los electrones a fluir.} Sin embargo, habrá corriente a través del diodo de dirección derecho de Q ₁, así como a través de la unión de diodo base-emisor de Q ₂ y la unión de diodo emisor base de Q ₄:

Esto nos dice que en el circuito de puerta real, los transistores Q ₂ y Q ₄ tendrán corriente base, lo que los encenderá para conducir la corriente del colector. El voltaje total caído entre la base de Q ₁ (el nodo que une los dos diodos de dirección espalda con espalda) y tierra será de aproximadamente 2.1 voltios, igual a las caídas de voltaje combinadas de tres uniones PN: el diodo de dirección derecho, el diodo base-emisor de Q ₂ y el base-emisor de Q ₄ diodo.

Ahora, movamos el interruptor de entrada a la posición “abajo” y veamos qué sucede:

Si tuviéramos que medir la corriente en este circuito, encontraríamos que toda la corriente pasa por el diodo de dirección izquierdo de Q ₁ y ninguna de ella a través del diodo derecho. ¿Por qué es esto? Todavía aparece como si hubiera una trayectoria completa para la corriente a través del diodo Q ₄, el diodo Q ₂, el diodo derecho del par, y _R1, entonces ¿por qué no habrá corriente a través de esa ruta?

Recuerde que los diodos de unión PN son dispositivos muy no lineales: ni siquiera comienzan a conducir corriente hasta que el voltaje directo aplicado a través de ellos alcanza una cierta cantidad mínima, aproximadamente 0.7 voltios para silicio y 0.3 voltios para germanio. Y entonces cuando comiencen a conducir corriente, no bajarán sustancialmente más de 0.7 voltios. Cuando el interruptor en este circuito está en la posición “abajo”, el diodo izquierdo del par de diodos de dirección está completamente conductor, y así cae alrededor de 0.7 voltios a través de él y no más.

Recordemos que con el interruptor en la posición “arriba” (transistores Q ₂ y Q ₄ conductores), hubo alrededor de 2.1 voltios caídos entre esos mismos dos puntos (_Q1's base y tierra), que también pasa a ser el voltaje mínimo necesario para polarizar hacia adelante tres series- conectó uniones PN de silicio en un estado de conducción. Los 0.7 voltios proporcionados por la caída de voltaje directo del diodo izquierdo son simplemente insuficientes para permitir que cualquier flujo de electrones a través de la cadena en serie del diodo derecho, el diodo Q ₂ y el subcircuito paralelo de diodos R ₃ //Q ₄, y así no fluyen electrones a través de esa trayectoria. Sin corriente a través de las bases de ninguno de los transistores Q ₂ o Q ₄, ninguno podrá conducir corriente de colector: los transistores Q ₂ y Q ₄ estarán ambos en estado de corte.

En consecuencia, esta configuración de circuito permite la conmutación del 100 por ciento de la corriente base Q ₂ (y por lo tanto el control sobre el resto del circuito de puerta, incluida la tensión en la salida) mediante la desviación de corriente a través del diodo de dirección izquierdo.

En el caso de nuestro ejemplo de circuito de puerta, la entrada se mantiene “alta” por el interruptor (conectado a V _cc), haciendo el diodo de dirección izquierdo (voltaje cero caído a través de él). Sin embargo, el diodo de dirección derecho está conduciendo corriente a través de la base de Q ₂, a través de la resistencia _R1:

Con la corriente de base proporcionada, el transistor Q ₂ se encenderá. Más específicamente, se saturará en virtud de la corriente más que adecuada permitida por _R1 a través de la base. Con Q ₂ saturado, la resistencia R ₃ caerá suficiente voltaje para polarizar hacia adelante la unión base-emisor del transistor _Q4, saturándola así también:

Con Q ₄ saturado, el terminal de salida se cortocircuitará casi directamente a tierra, dejando el terminal de salida a un voltaje (en referencia a tierra) de casi 0 voltios, o un nivel lógico binario “0” (“bajo”). Debido a la presencia del diodo D ₂, no habrá suficiente voltaje entre la base de Q ₃ y su emisor para encenderlo, por lo que permanece en corte.

Veamos ahora qué pasa si invertimos el nivel lógico de la entrada a un “0” binario accionando el interruptor de entrada:

Ahora habrá corriente a través del diodo de dirección izquierdo de _Q1 y ninguna corriente a través del diodo de dirección derecho. Esto elimina la corriente a través de la base de Q ₂, apagándola así. Con Q ₂ desactivado, ya no hay una ruta para la corriente base Q ₄, por lo que Q ₄ entra en corte también. Q ₃, por otro lado, ahora tiene suficiente voltaje caído entre su base y tierra para polarizar hacia adelante su unión base-emisor y saturarla, elevando así el voltaje del terminal de salida a un estado “alto”. En la actualidad, el voltaje de salida estará en algún lugar alrededor de 4 voltios dependiendo del grado de saturación y cualquier corriente de carga, pero aún lo suficientemente alto como para ser considerado un nivel lógico “alto” (1).

Con esto, nuestra simulación del circuito inversor está completa: un “1" in da un “0” out, y viceversa.

El observador astuto notará que la entrada de este circuito inversor asumirá un estado “alto” de flotación izquierda (no conectado a V _cc ni a tierra). _{Con el terminal de entrada dejado desconectado, no habrá corriente a través del diodo de dirección izquierdo de Q1, dejando que toda la corriente de R1 pase por la base de Q 2, saturando así Q 2 y conduciendo la salida del circuito a un estado “bajo”:}

La tendencia de dicho circuito a asumir un estado de entrada alto si se deja flotante es uno compartido por todos los circuitos de puerta basados en este tipo de diseño, conocido como T ransistor-a-T ransistor L ogic, o TTL. Esta característica puede aprovecharse para simplificar el diseño de los circuitos de salida de una puerta, sabiendo que las salidas de las puertas típicamente accionan las entradas de otras puertas. Si la entrada de un circuito de puerta TTL asume un estado alto cuando flota, entonces la salida de cualquier puerta que controle una entrada TTL solo necesita proporcionar una ruta a tierra para un estado bajo y estar flotante para un estado alto. Este concepto puede requerir una mayor elaboración para una comprensión completa, así que lo exploraré en detalle aquí.

Un circuito de puerta como acabamos de analizar tiene la capacidad de manejar la corriente de salida en dos direcciones: entrada y salida. Técnicamente, esto se conoce como abastecimiento y corriente de hundimiento, respectivamente. Cuando la salida de la puerta es alta, hay continuidad desde el terminal de salida a V _cc a través del transistor de salida superior (Q ₃), permitiendo que los electrones fluyan desde tierra, a través de una carga, hacia el terminal de salida de la puerta, a través del emisor de Q ₃, y eventualmente hasta el V terminal de alimentación _cc (lado positivo de la fuente de alimentación de CC):

Para simplificar este concepto, podemos mostrar la salida de un circuito de puerta como un interruptor de doble tiro, capaz de conectar el terminal de salida ya sea a V _cc o tierra, dependiendo de su estado. Para una puerta que emite un nivel lógico “alto”, la combinación de Q ₃ saturado y Q ₄ de corte es análoga a un interruptor de doble tiro en la posición “V _cc”, proporcionando una ruta para la corriente a través de una carga puesta a tierra:

Tenga en cuenta que este interruptor de dos posiciones que se muestra dentro del símbolo de la puerta es representativo de los transistores Q ₃ y Q ₄ conectando alternativamente el terminal de salida a V _cc o tierra, ¡no del interruptor mostrado anteriormente enviando una señal de entrada a la puerta!

Por el contrario, cuando un circuito de puerta está emitiendo un nivel lógico “bajo” a una carga, es análogo al interruptor de doble tiro que se establece en la posición de “tierra”. La corriente entonces irá en otro sentido si la resistencia de carga se conecta a V _cc: desde tierra, a través del emisor de Q ₄, hacia fuera del terminal de salida, a través de la resistencia de carga, y de vuelta a V _cc. En esta condición, se dice que la puerta está hundiendo corriente:

La combinación de Q ₃ y Q ₄ que funcionan como un par de transistores “push-pull” (también conocido como salida de polo tótem) tiene la capacidad de alimentar corriente (atraer corriente a V _cc) o corriente de sumidero (corriente de salida de tierra) a una carga. Sin embargo, una entrada de puerta TTL estándar nunca necesita fuente de corriente, solo hundida. “Es decir, dado que una entrada de puerta TTL asume naturalmente un estado alto si se deja flotante, cualquier salida de puerta que controle una entrada TTL solo necesita corriente de sumidero para proporcionar una entrada “" 0"” o “" baja "”, y no necesita corriente de fuente para proporcionar un nivel lógico “" 1"” o “" alto "” en la entrada de la puerta receptora:”

Esto significa que tenemos la opción de simplificar la etapa de salida de un circuito de puerta para eliminar Q ₃ por completo. El resultado se conoce como salida de colector abierto:

Para designar circuitos de salida de colector abierto dentro de un símbolo de puerta estándar, se utiliza un marcador especial. Aquí se muestra el símbolo para una puerta de inversor con salida de colector abierto:

Tenga en cuenta que la condición predeterminada “alta” de una entrada de puerta flotante solo es cierta para los circuitos TTL, y no necesariamente para otros tipos, especialmente para puertas lógicas construidas con transistores de efecto de campo.

Revisar

• Una puerta inverter, o NOT, es aquella que emite el estado opuesto como lo que es entrada. Es decir, una entrada “baja” (0) da una salida “alta” (1), y viceversa.
• Los circuitos de puerta construidos con resistencias, diodos y transistores bipolares como se ilustra en esta sección se denominan TTL. TTL es un acrónimo que significa Lógica de transistor a transistor. Existen otras metodologías de diseño utilizadas en los circuitos de puerta, algunos que utilizan transistores de efecto de campo en lugar de transistores bipolares.
• Se dice que una puerta es fuente de corriente cuando proporciona una ruta para la corriente entre el terminal de salida y el lado positivo de la fuente de alimentación de CC (V _cc). En otras palabras, está conectando el terminal de salida a la fuente de alimentación (+V).
• Se dice que una puerta es corriente de hundimiento cuando proporciona un camino para la corriente entre el terminal de salida y tierra. En otras palabras, se trata de poner a tierra (hundir) el terminal de salida.
• Los circuitos de puerta con etapas de salida de polo tótem son capaces tanto de fuente como de sumidero de corriente. Los circuitos de compuerta con etapas de salida de colector abierto solo pueden hundir corriente, y no fuente de corriente. Las puertas de colector abierto son prácticas cuando se usan para impulsar entradas de compuerta TTL porque las entradas TTL no requieren suministro de corriente.