7.2: Función básica de puerta

Partes y Materiales

• 4011 cuádruple puerta NAND (Radio Shack catálogo # 276-2411)
• Interruptor DIP de ocho posiciones (Radio Shack catálogo # 275-1301)
• Gráfico de barras LED de diez segmentos (Radio Shack catálogo # 276-081)
• Una batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 10 kΩ
• Tres resistencias de 470 Ω

¡Precaución! El 4011 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Lectura adicional

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, Capítulo 3: “Puertas Lógicas”

Objetivos de aprendizaje

• Propósito de una resistencia “pulldown”
• Cómo determinar experimentalmente la tabla de verdad de una puerta
• Cómo conectar puertas lógicas juntas
• Cómo crear diferentes funciones lógicas mediante el uso de puertas NAND

Diagrama esquemático de la función de puerta básica

Ilustración básica de la función de puerta

Instrucciones del experimento

Para comenzar, conecte una sola puerta NAND a dos interruptores de entrada y un LED, como se muestra. Al principio, el uso de un interruptor de 8 posiciones y un gráfico de barras LED de 10 segmentos puede parecer excesivo ya que solo se necesitan dos interruptores y un LED para mostrar el funcionamiento de una sola puerta NAND. Sin embargo, la presencia de esos interruptores y LEDs adicionales hacen que sea muy conveniente expandir el circuito y ayudar a que el diseño del circuito sea limpio y compacto.

Es muy recomendable que tenga disponible una hoja de datos para el chip 4011 cuando construya su circuito. ¡No solo sigas la ilustración que se muestra arriba! Es importante que desarrolles la habilidad de leer hojas de datos, especialmente diagramas de “pinout” al conectar terminales IC a otros elementos del circuito. El diagrama de conexión de la hoja de datos es una pieza esencial de información para tener. Aquí se muestra mi propia versión de lo que muestra cualquier hoja de datos 4011:

En la ilustración de la placa de pruebas, he mostrado el circuito construido usando la puerta NAND inferior izquierda: los pines # 1 y 2 son las entradas, y el pin #3 es la salida. Los pines # 14 y 7 conducen la alimentación de CC a los cuatro circuitos de puerta dentro del chip IC, “V _DD” que representa el lado positivo de la fuente de alimentación (+V) y “Gnd” representa el lado negativo de la fuente de alimentación (-V), o tierra. A veces el terminal negativo de la fuente de alimentación se etiquetará como “V _SS” en lugar de “Gnd” en una hoja de datos, pero significa lo mismo.

El circuito lógico digital no hace uso de fuentes de alimentación divididas como lo hacen los amplificadores operacionales. Sin embargo, al igual que los circuitos de amplificador operacional, la tierra sigue siendo el punto de referencia implícito para todas las mediciones de voltaje. Si hablara de que una señal “alta” estuviera presente en cierto pin del chip, significaría que había voltaje completo entre ese pin y el lado negativo de la fuente de alimentación (tierra).

Observe cómo todas las entradas de las puertas no utilizadas dentro del chip 4011 están conectadas a V _DD o a tierra. Esto no es un error, sino un acto de diseño intencional. Dado que el 4011 es un circuito integrado CMOS, y las entradas del circuito CMOS dejadas desconectadas (flotantes) pueden asumir cualquier nivel de voltaje simplemente por interceptar una carga eléctrica estática de un objeto cercano, dejando entradas flotantes significa que esas puertas no utilizadas pueden recibir cualquier combinación aleatoria de “alta” y señales “bajas”.

¿Por qué esto es indeseable, si no estamos usando esas puertas? ¿A quién le importa qué señales reciben, si no estamos haciendo nada con sus salidas? El problema es que si aparecen señales de voltaje estático en las entradas de la puerta que no son completamente “altas” o completamente “bajas”, los transistores internos de las puertas pueden comenzar a encenderse de tal manera que consuma corriente excesiva. En el peor de los casos, esto podría ocasionar daños en el chip. En el mejor de los casos significa un consumo excesivo de energía. Poco importa si elegimos conectar estas entradas de puerta no utilizadas “alta” (V _DD) o “baja” (tierra), siempre y cuando las conectemos a uno de esos dos lugares. En la ilustración de la placa de pruebas, muestro todas las entradas superiores conectadas a V _DD, y todas las entradas inferiores (de las compuertas no utilizadas) conectadas a tierra. ¡Esto se hizo simplemente porque esos orificios del riel de la fuente de alimentación estaban más cerca y no requerían cables de puente largos!

Tenga en cuenta que ninguna de las salidas de puerta no utilizadas se ha conectado a V _DD o tierra, ¡y por una buena razón! Si tuviera que hacer eso, podría estar forzando una puerta a asumir el estado de salida opuesto que está tratando de lograr, lo cual es una forma complicada de decir que habría creado un cortocircuito. Imagine una puerta que se supone que genera un nivel lógico “alto” (para una puerta NAND, esto sería cierto si alguna de sus entradas fuera “baja”). Si dicha puerta tuviera su terminal de salida directamente conectado a tierra, nunca podría alcanzar un estado “alto” (siendo hecho eléctricamente común a tierra a través de la conexión del cable puente). En cambio, su transistor de salida superior (canal P) se encendería en vano, abasteciendo la corriente máxima a una carga inexistente. ¡Esto muy probablemente dañaría la puerta! Los terminales de salida de puerta, por su propia naturaleza, generan sus propios niveles lógicos y nunca “flotan” de la misma manera que lo hacen las entradas de puerta CMOS.

Las dos resistencias de 10 kΩ se colocan en el circuito para evitar condiciones de entrada flotante en la puerta usada. Con un interruptor cerrado, la entrada respectiva se conectará directamente a V _DD y por lo tanto será “alta”. Con un interruptor abierto, la resistencia “pulldown” de 10 kΩ proporciona una conexión resistiva a tierra, asegurando un estado seguro “bajo” en el terminal de entrada de la puerta. De esta manera, la entrada no será susceptible a tensiones estáticas parásitas.

Con la puerta NAND conectada a los dos interruptores y un LED como se muestra, está listo para desarrollar una “tabla de verdad” para la puerta NAND. Aunque ya sepas cómo es una mesa de verdad de puerta NAND, este es un buen ejercicio de experimentación: descubrir los principios conductuales de un circuito por inducción. Dibuja una tabla de la verdad en una hoja de papel como esta:

Las columnas “A” y “B” representan los dos interruptores de entrada, respectivamente. Cuando el interruptor está encendido, su estado es “alto” o 1. Cuando el interruptor está apagado, su estado es “bajo” o 0, como lo asegura su resistencia de pulldown. La salida de la puerta, por supuesto, está representada por el LED: ya sea encendida (1) o apagada (0). Después de colocar los interruptores en todas las combinaciones posibles de estados y registrar el estado del LED, compare la tabla de verdad resultante con lo que debería ser la tabla de verdad de una puerta NAND.

Como se puede imaginar, este circuito de placa de pruebas no se limita a probar puertas NAND. Cualquier tipo de puerta puede probarse con dos interruptores, dos resistencias desplegables y un LED para indicar el estado de salida. Solo asegúrate de verificar el diagrama de “pinout” del chip antes de sustituirlo pin por pin en lugar del 4011. ¡No todos los chips de puerta “cuádruple” tienen las mismas asignaciones de pines!

Mejora Adicional

Una mejora que quizás quieras hacer a este circuito es asignar un par de LEDs para indicar el estado de entrada, además del LED asignado para indicar la salida. Esto hace que la operación sea un poco más interesante de observar, y tiene el beneficio adicional de indicar si un interruptor no se cierra (o abre) mostrando la señal de entrada verdadera a la puerta, en lugar de obligarlo a inferir el estado de entrada desde la posición del interruptor: