conceptos básicos de electrónica

CONCEPTOS BÁSICOS
DE
ELECTRÓNICA DIGITAL
CAPITULO I
CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRÓNICA DIGITAL
COMPRENSION DEL CONCEPTO DIGITAL
La electrónica digital ha sido una revolución tecnológica muy importante y decisiva de las últimas
décadas. Su evolución vertiginosa ha cambiado el ritmo de nuestro tiempo y representa el liderazgo
tecnológico de la vida moderna.
Los avances alcanzados en el campo de la electrónica digital han permitido el desarrollo y la
fabricación masiva, a bajo costo, de calculadoras de bolsillo, relojes digitales, computadoras personales,
robots, y toda una generación de aparatos y sistemas inteligentes de uso doméstico, comercial, industrial,
automotriz, científico, médico, etc.
Fig. 1.1 Sistemas digitales.
En gran parte, todo este desarrollo ha sido posible gracias al milagro de la microelectrónica. Esta
tecnología ha permitido fabricar sobre pequeñas pastillas de silicio llamadas chips o circuitos integrados,
sistemas completos que contienen miles de componentes electrónicos.
En sus inicios, la electrónica digital era una ciencia exclusiva para ingenieros y unos pocos
especialistas que la hacían misteriosa e impenetrable. Por fortuna, las cosas cambiaron y la invención de
los circuitos integrados digitales la hizo accesible a todo el mundo.
La electrónica digital tuvo un desarrollo incipiente durante la era de los tubos de vacío. Después,
con la invención del transistor, se facilito su progreso y avance.
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Pero, definitivamente, el gran salto se logró cuando aparecieron los circuitos integrados y
revolucionaron el panorama tecnológico existente, relegando a los transistores a labores secundarias.
La introducción de los circuitos integrados hizo posible la miniaturización de los sistemas
digitales, diversificó sus aplicaciones y masificó la producción de aparatos con tecnología digital.
Actualmente, la electrónica digital está en pleno desarrollo y los logros en este campo son cada
vez más sorprendentes. Así mismo, la tendencia de los fabricantes es obtener circuitos integrados más
complejos, más pequeños, con menos consumo de energía y un menor costo para el usuario.
CONCEPTO DE BIT.
La electrónica digital puede definirse como la parte de la electrónica que estudia los dispositivos,
circuitos y sistemas digitales, binarios o lógicos.
A diferencia de la electrónica lineal o analógica que trabaja con señales analógicas que pueden
adoptar una amplia gama de valores de voltaje, los voltajes en electrónica digital están restringidos a
adoptar uno de dos valores llamados niveles lógicos alto y bajo o estados 1 y 0.
Generalmente, un nivel lógico alto ó 1, corresponde a la presencia de voltaje y un nivel lógico
bajo ó 0 corresponde a la ausencia del mismo.
En la realidad, los circuitos digitales no son más que una combinación de muchos interruptores,
extremadamente rápidos, que se cierran o abren en un momento dado, formando determinados patrones
de unos (1’s) y ceros (0’s) que se emplean para muchos propósitos dentro de los aparatos electrónicos.
En los circuitos digitales prácticos, los estados lógicos 1 y 0 corresponden a dos niveles de voltaje
claramente definidos. La salida de un circuito digital asume únicamente uno de estos dos valores en
respuesta a una o más entradas que pueden estar indistintamente en alto o en bajo.
En terminología digital, los niveles o estados lógicos 1 y 0 se denominan bits. La palabra bit es
una contracción de binary digit (dígito binario). Todos los sistemas digitales electrónicos manejan
información en forma de bits.
Un bit 1 ó 0 puede representar la condición prendida o apagada de una lámpara, el estado
cerrado o abierto de un interruptor, la presencia o ausencia de un agujero en una tarjeta perforada, etc.
0–1
4 BITS
8 BITS
16 BITS
BIT
NIBBLE
BYTE
WORD (PALABRA)
Tabla 1.1
El prefijo Kilo en electrónica digital es igual a 1,024, y el prefijo Mega es igual a 1,048,576 por lo
tanto 1 Kilobyte es igual a 8192 bits y el prefijo Giga es igual 1,073,741,824, por lo tanto 1 Megabyte es
igual 8 388 608 bits, y 1 Gigabyte es igual a 8,589,934,592 bits.
CIRCUITO DIGITAL
Los circuitos digitales o lógicos trabajan con señales que pueden adoptar únicamente uno de dos
valores posibles. En un instante dado, las entradas y salidas de un circuito digital están en alto o en bajo
pero no en un valor intermedio.
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Debido a su característica de adoptar solamente uno de dos valores posibles, los circuitos
digitales se utilizan con éxito en aplicaciones donde se requiere precisión y confiabilidad.
El bit es la unidad básica de información de cualquier sistema digital, desde la más simple
compuerta hasta el más sofisticado microcomputador.
Un circuito digital puede tener una o más entradas y una o más salidas. El nivel o estado lógico
de cada salida depende del estado de cada una de las entradas y de la función específica para la que ha
sido diseñado el circuito.
Los circuitos digitales se pueden implementar en la práctica mediante componentes discretos o
en forma integrada.
Los circuitos de componentes discretos son los constituidos de transistores, resistencias, diodos,
condensadores y otros dispositivos individuales interconectados sobre una tarjeta. En un circuito
integrado, todos los componentes se fabrican conjuntamente sobre una pastilla de silicio o chip.
NIVELES DE VOLTAJE Y ESTADOS LÓGICOS
En todos los circuitos digitales prácticos los estados lógicos 1 y 0 se implementan con niveles de
voltaje. Estos niveles tienen rangos muy definidos, separados por una zona de valores inválidos.
+V
V3
Nivel Alto
V2
Zona de Transición
V1
Nivel Bajo
V0
t
Fig. 1.2 Niveles de voltaje.
En la figura anterior, el nivel bajo válido es el rango de voltajes entre V 0 y V1, mientras que el nivel
alto válido es el rango de voltajes entre V2 y V3.
Los voltajes superiores a V3 o inferiores a V0 son generalmente dañinos para los dispositivos
digitales y deben evitarse. Generalmente, V0 corresponde a un nivel de 0 V. y V3 al valor del voltaje de
alimentación.
La zona de niveles inválidos entre V1 y V2 es crítica. En esta área, los circuitos digitales trabajan
en forma errática porque no saben que hacer. Un voltaje en ese rango o puede ser interpretado como un
1 lógico o como un 0 lógico o no producir efecto alguno.
Los niveles de voltaje en los circuitos integrados digitales varía de acuerdo con la familia lógica
(TTL o CMOS) a la que pertenece el dispositivo.
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CIRCUITOS INTEGRADOS
La principal razón por la que los sistemas digitales hayan adquirido tanta popularidad y sean cada
vez más sofisticados, compactos y económicos ha sido el alto grado de perfeccionamiento logrado en el
desarrollo en masa de circuitos integrados.
Prácticamente, todos los equipos digitales modernos se fabrican usando circuitos integrados.
Un circuito integrado o C.I. es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores,
diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente
sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio.
Una vez procesado, el chip se encierra en una cápsula plástica o de cerámica que contiene los
pines de conexión a los circuitos externos.
Las cápsulas plásticas son más livianas pero las cerámicas son más resistentes y pueden
trabajar a más altas temperaturas.
Una pastilla típica tiene aproximadamente de 2.5 a 6.5 mm. de lado y 0.5 mm. de espesor. Los
chips digitales más pequeños contienen varios componentes sencillos como compuertas, inversores y
flip-flops. Los más grandes contienen circuitos y sistemas completos como contadores, memorias,
microprocesadores, etc.
La mayoría de los circuitos integrados digitales vienen en presentación tipo DIP (Dual
In-line Package) o de doble hilera. El pin número 1 se identifica mediante una ranura o un punto grabado
en la parte superior de la cápsula. La enumeración de los pines se realiza en sentido contrario al de las
manecillas del reloj.
14
13
12
11
10
9
8
6
7
M8228
DM74LS08N
1
2
3
4
5
Fig. 1.3 Circuito integrado.
Las configuraciones más comunes de los circuitos integrados digitales tipo DIP son las de 8, 14,
16, 24, 40 y 64 pines. Las dos últimas contienen generalmente microprocesadores y otras funciones
digitales relativamente complejas.
5
14
13
12
11
10
9
8
M8228
8 pines
DM74LS08N
14 pines
1
2
3
4
5
6
7
16 pines
40 pines
24 pines
Fig. 1.4 Configuración de los circuitos integrados.
La cápsula trae impresa la información respecto al fabricante, la referencia del dispositivo y la
fecha de fabricación. Cada fabricante de circuitos integrados se identifica mediante un logotipo distintivo.
La referencia designa específicamente al dispositivo.
Serie 74
Numero de unidad por tipo funcional
M
8
2
2
8
D
M
7
4
L
S
0
8
N
Fabricante
SN Texas Instrument
MC Motorola
DM National
IM Intersil
N Signetics
MM Monolithic Memories
P Intel
H Harries
F Fairchild
J Empaque de cerámica
W Empaque simple
N Empaque de plástico
Característica
H (Alta potencia)
LS (Baja potencia)
Sin letras (estándar)
S (Schottky de alta velocidad)
L (Baja potencia)
HC (CMOS de alta velocidad)
Fig. 1.5 Descripción de un circuito integrado.
El código de la fecha informa cuando fue manufacturado el chip. Las dos primeras cifras indican
el año y las dos últimas se refieren al mes o semana de fabricación.
En la presentación tipo DIP, los pines de acceso se encuentran espaciados entre sí 2.5 mm.
Para efectos de montaje experimental los circuitos integrados pueden insertarse en un protoboard o
tablero sin soldaduras.
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Fig. 1.6 Encapsulado tipo DIP.
Para los montajes definitivos en circuito impreso pueden estar soldados directamente al cobre o
montados sobre una base. La utilización de bases simplifica la instalación durante el ensamble y el
reemplazo en caso de daño.
Además del tipo DIP, existen otras presentaciones comunes de los circuitos integrados digitales
como la cápsula metálica (TO-5), la plana y el “chip carrier". La TO-5, aunque es muy resistente, está
siendo reemplazada en muchos casos por empaques plásticos, que son más livianos.
Actualmente se dispone de una gran variedad de circuitos integrados digitales que utilizan
cápsulas SMT (Surface Mount Technology) o de montaje superficial. Los chips SMT son casi 4 veces
más pequeños que los DIP equivalentes y no requieren de perforaciones para su instalación.
Fig. 1.7 Encapsulado tipo SMT.
La miniaturización introducida por la tecnología de montaje superficial o SMT es la que ha
permitido por ejemplo, obtener calculadoras del tamaño de una tarjeta de crédito.
Este tipo de encapsulado es cada vez más popular y en el futuro será uno de los más empleados
por su sencillez de manufactura y otras ventajas especialmente económicas.
TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN
Los circuitos integrados digitales se pueden clasificar en dos grandes grupos de acuerdo al tipo
de transistores utilizados para implementar sus funciones internas de conmutación en bipolares y MOS.
Los circuitos integrados digitales bipolares se fabrican con transistores bipolares tipo NPN y PNP
y los de tipo MOS utilizan MOSFET´s (transistores de efecto de campo de compuerta aislada) tipo N y P.
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