7.3: Pestillo S-R de puerta NOR

PARTES Y MATERIALES

• 4001 cuádruple puerta NOR (Radio Shack catálogo # 276-2401)
• 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
• Dos resistencias de 470 Ω
• Dos resistencias de 100 Ω

¡Precaución! El 4001 IC es CMOS, ¡y por lo tanto sensible a la electricidad estática!

Referencias cruzadas

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

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 4, capítulo 10: “Multivibradores”

Objetivos de aprendizaje

• Los efectos de la retroalimentación positiva en un circuito digital
• ¿Qué se entiende por el estado “inválido” de un circuito de pestillo
• Qué condición de carrera es en un circuito digital
• La importancia de los niveles de voltaje de señal CMOS “altos” válidos

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

El circuito integrado 4001 es una puerta NOR cuádruple CMOS, idéntica en asignaciones de pines de entrada, salida y fuente de alimentación a la puerta NAND cuádruple 4011. Su diagrama de “pinout” o “conexión” es como tal:

Cuando dos puertas NOR están interconectadas como se muestra en el diagrama esquemático, habrá retroalimentación positiva de salida a entrada. Es decir, la señal de salida tiende a mantener la puerta en su último estado de salida. Al igual que en los circuitos de amplificador operacional, la retroalimentación positiva crea histéresis. Esta tendencia para que el circuito permanezca en su último estado de salida le da una especie de “memoria”. De hecho, ¡existen tecnologías de memoria de computadora de estado sólido basadas en circuitos como este!

Si designamos el interruptor izquierdo como la entrada “Set” y el interruptor derecho como el “Reset”, el LED izquierdo será la salida “Q” y el LED derecho la salida “Q-not”. Con la entrada Set “high” (switch on) y la entrada Reset “low”, Q irá “high” y Q-not irá “low”. Esto se conoce como el estado establecido del circuito. Hacer la entrada Reset “alta” y la entrada Set “baja” invierte el estado de salida del circuito de pestillo: Q “bajo” y Q-no “alto”. Esto se conoce como el estado de reinicio del circuito. Si ambas entradas se colocan en el estado “bajo”, las salidas Q y Q-not del circuito permanecerán en sus últimos estados, “recordando” sus ajustes anteriores. Esto se conoce como el estado enclavado del circuito.

Debido a que las salidas han sido designadas “Q” y “Q-not”, se da a entender que sus estados siempre serán complementarios (opuestos). Así, si ocurriera algo que obligara a ambas salidas al mismo estado, estaríamos inclinados a llamar a ese modo del circuito “inválido”. Esto es exactamente lo que sucederá si hacemos que tanto las entradas Set como Reset sean “altas”: tanto las salidas Q como Q-not serán forzadas al mismo estado lógico “bajo”. Esto se conoce como el estado inválido o ilegal del circuito, no porque algo haya salido mal, sino porque las salidas no han cumplido con las expectativas establecidas por sus etiquetas.

Dado que el estado “enganchado” es una condición histerética mediante la cual los últimos estados de salida son “recordados”, uno podría preguntarse qué pasará si el circuito se enciende de esta manera, sin estado previo que mantener. Para experimentar, coloque ambos interruptores en sus posiciones de apagado, haciendo que las entradas Set y Reset sean bajas, luego desconecte uno de los cables de la batería de la placa de pruebas. Luego, haga y rompa rápidamente el contacto entre ese cable de la batería y su punto de conexión adecuado en la placa de pruebas, señalando el estado de los dos LED a medida que el circuito se enciende una y otra vez:

Cuando un circuito de pestillo como este se alimenta a su estado “enganchado”, las puertas compiten entre sí para el control. Dadas las entradas “bajas”, ambas puertas intentan emitir señales “altas”. Si una de las puertas alcanza su estado de salida “alta” antes que la otra, ese estado “alto” se retroalimentará a la entrada de la otra puerta para forzar su salida “baja”, y la carrera es ganada por la puerta más rápida.

Invariablemente, una puerta gana la carrera, debido a variaciones internas entre compuertas en el chip, y/o resistencias y capacitancias externas que actúan para retrasar una puerta más que la otra. Lo que esto suele significar es que el circuito tiende a encenderse en el mismo modo, una y otra vez. Sin embargo, si eres persistente en tus ciclos de encendido/apagado, deberías ver al menos algunas veces donde el circuito de pestillo se enciende enganchado en el estado opuesto al normal.

Las condiciones de carrera son generalmente indeseables en cualquier tipo de sistema, ya que conducen a una operación impredecible. Pueden ser particularmente problemáticos de localizar, como muestra este experimento, debido a la imprevisibilidad que crean. Imagínese un escenario, por ejemplo, donde una de las dos puertas NOR fuera excepcionalmente lenta, debido a un defecto en el chip. Este hándicap provocaría que la otra puerta ganara cada vez la carrera de power-up. Es decir, el circuito será muy predecible en el encendido con ambas entradas “bajas”. Sin embargo, supongamos que el chip inusual iba a ser reemplazado por uno con puertas más igualadas, o por un chip donde la otra puerta NOR fuera consistentemente más lenta. No se supone que el comportamiento normal del circuito cambie cuando se reemplaza un componente, pero si las condiciones de carrera están presentes, un cambio de componentes muy bien puede hacer precisamente eso.

Debido a la tendencia inherente de carrera de un pestillo S-R, no se debe diseñar un circuito con la expectativa de un estado de encendido consistente, sino usar medios externos para “forzar” la carrera de modo que la puerta deseada siempre “gane”.

Una modificación interesante para probar en este circuito es reemplazar una de las resistencias de “caída” LED de 470 Ω por una unidad de menor valor, como 100 Ω. El efecto obvio de esta alteración será el aumento del brillo del LED, ya que se permita el paso de más corriente. También resultará un efecto no tan obvio, y es este efecto el que tiene un gran valor de aprendizaje. Intente reemplazar una de las resistencias de 470 Ω por una resistencia de 100 Ω, y opere los interruptores de señal de entrada a través de las cuatro combinaciones de ajustes posibles, observando el comportamiento del circuito.

Debe tener en cuenta que el circuito se niega a enclavarse en uno de sus estados (ya sea Set o Reset), pero sólo en el otro estado, cuando los interruptores de entrada están ambos establecidos “bajo” (el modo “latch”). ¿Por qué es esto? Toma un voltímetro y mide el voltaje de salida de la puerta cuya salida es “alta” cuando ambas entradas son “bajas”. Observe esta indicación de voltaje, luego configure los interruptores de entrada de tal manera que el otro estado (ya sea Reset o Set) sea forzado, y mida el voltaje de salida de la otra puerta cuando su salida sea “alta”. Observe la diferencia entre los dos niveles de voltaje de salida de puerta, una puerta cargada por un LED con una resistencia de 470 Ω y la otra cargada por un LED con una resistencia de 100 Ω. El cargado por la carga “más pesada” (resistencia de 100 Ω) será mucho menor: ¡mucho menos que este voltaje no será interpretado por la entrada de la otra puerta NOR como una señal “alta” en absoluto ya que se retroalimenta! Todas las puertas lógicas tienen rangos permisibles de voltaje de señal de entrada “alto” y “bajo”, y si el voltaje de una señal digital cae fuera de este rango permisible, es posible que la puerta receptora no la interprete correctamente. En un circuito de cierre como este, que depende de una señal sólida “alta” realimentada desde la salida de una puerta a la entrada de la otra, una señal “débil” no podrá mantener la retroalimentación positiva necesaria para mantener el circuito enclavado en uno de sus estados.

Esta es una razón por la que estoy a favor del uso de un voltímetro como “sonda” lógica para determinar los niveles de señal digital, en lugar de una sonda lógica real con luces “altas” y “bajas”. Una sonda lógica puede no indicar la presencia de una señal “débil”, mientras que un voltímetro definitivamente lo hará por medio de su indicación cuantitativa. Este tipo de problema, común en circuitos donde se mezclan diferentes “familias” de circuitos integrados (TTL y CMOS, por ejemplo), solo se puede encontrar con equipos de prueba que proporcionan mediciones cuantitativas de nivel de señal.