Compuertas lógicas y circuitos

Principio de compuertas lógicas

El principio de las compuertas lógicas es fundamental en el diseño y funcionamiento de los circuitos electrónicos. Las compuertas lógicas son dispositivos electrónicos que operan de acuerdo a los principios de la lógica booleana y realizan operaciones lógicas en una o más entradas y producen una única salida. Lo que nos dice que las compuertas lógicas se pueden ver como bloques de construcción fundamentales de los circuitos digitales. De manera física se implementan mediante el uso de transistores y otros componentes eléctricos.

Las compuertas lógicas son circuitos electrónicos diseñados para obtener resultados boleeanos o binarios (ceros o unos) los cuales podemos obtener de las operaciones lógicas binarias (suma, resta, multiplicación y división) los cuales podemos obtener de las tablas de verdad de las que se forman. Existen varios tipos de compuertas lógicas, entre las más comunes se encuentran: AND, OR y NOT. La compuerta AND es una operación lógica que devuelve un valor de TRUE si todas las entradas son TRUE. De manera similar, la compuerta OR devuelve un valor de TRUE si al menos una de las entradas es TRUE. Por otro lado, la compuerta NOT es una operación lógica que invierte el valor de entrada. Estas compuertas lógicas se utilizan para construir circuitos lógicos más complejos. Por ejemplo, mediante la combinación de compuertas AND, OR y NOT se pueden construir circuitos lógicos que realicen funciones más avanzadas, como las compuertas NOR, NAND y OR. La formación de circuitos lógicos utilizando compuertas lógicas implica conectar las salidas de una compuerta a las entradas de otra compuerta para obtener la funcionalidad deseada. A continuación, se describen las características principales de las compuertas lógicas más utilizadas:

• And: se caracteriza por hacer una multiplicación lógica, esta compuerta puede tener más de dos entradas (minimo debe tener 2 entradas) las entradas se pueden visualizar en el lado izquierdo de la imagen y por ende solo debe de tener una salida la cual también se puede visualizar de lado derecho también.

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• Not: también llamada inversor lógico, en el caso de esta compuerta solo debe tener una sola entrada la cual como respuesta dará la misma variable, pero de manera invertida.

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• Or: también conocida como suma lógica, en esta compuerta de igual manera que con la compuerta “and” puede tener varias entradas (como mínimas 2) y solo contara con una salida.

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• Nand: también conocida como negativa and, se le llama además puerta universal ya que con ella se pueden hacer las combinaciones para implementar la operación lógica de las and, or y not de igual manera que las compuertas anteriores deben tener mino 2 entradas, aunque también puede tener mas de 2. Esta compuerta contara con una única salida.

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• Nor: también conocida como negativa or, de igual manera que la compuerta anterior esta es conocida como una compuerta universal ya que a partir de ella se puede implementar o combinar las compuertas and, or e inversor (not) al igual que el resto de compuertas como mínimo debe contar con 2 entradas, aunque puede tener mas de 2 y solo una salida.

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• Xor: también conocida como or exclusiva esta compuerta debe tener como mínimo 2 entradas pero solo se tendrá 1 salida y se puede representar mediante 2 simbologías.

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• Xnor: también llamada nor exclusiva debe tener mínimo 2 entradas y tendrá una única salida.

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Usualmente las compuertas lógicas tienen entradas, la mayoría tienen mas de una y cuentan con salidas (solo una) la idea principal es que puede tener muchas entradas, pero por mas entradas que tenga debe de dar solo una salida se debe tener en cuenta que las compuertas lógicas solo manejan 2 valores 1 y 0 considerando que el cero seria apagado, sin energía o con el nivel de energía más bajo y el uno seria encendido, con energía o con el nivel mas alto.

Esto se puede interpretar de igual manera que en electrónica el cero equivale a 0 volts y el 1 equivale a 5 volts que es el lenguaje que maneja nuestro ordenador de manera interna.

Las tablas de la verdad de las compuertas lógicas son las siguientes:

• And

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• Not

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• Or

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• Nand

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• Nor

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• Xor

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• Xnor

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Se debe tomar en cuenta que entre mas cantidad de entradas existirá un a mayor cantidad de combinaciones para cada una de las compuertas.

¿Como se construye un circuito con compuertas lógicas?

El proceso para poder implementar un circuito de compuertas lógicas es sencillo pues el primer paso es definir la función que se implementara. Esta función se puede representar de 3 maneras diferentes.

• Tabla de la verdad

• En este método se muestran los valores de salida de una función logica para cada combinación posible de valores en la entrada.

• Ecuación lógica

•  En una ecuación lógica se describe mediante una expresión matemática que describe la relación entre las entradas y las salidas de la función.

• Diagrama de bloques

Es un diagrama que representa la función lógica de un circuito mediante bloques de símbolos.

En segundo lugar debemos de sustituir o seleccionar las operaciones de algebra de Boole o compuertas lógicas necesarias.

• And: produce una salida lógica alta solo y solo si todas las entradas son lógicas altas.
• Or: produce una salida lógica alta si al menos una de las entradas es lógica alta.
• Not: la puerta no invierte en nada
• Nand: es una combinación de las compuertas and y not la cual produce una salida lógica alta solo si todas las entradas son lógicas bajas.
• Nor: es una combinación de las puertas or y not la cual produce una salida lógica alta si todas las entradas son lógicas bajas.
• Xor produce una salida lógica alta si las entradas son diferentes.
• Xnor produce una salida lógica alta si las entradas son iguales.

 En compuertas lógicas una de las acciones recomendadas para poder comenzar con la representación y/o formación del circuito es comenzar de derecha a izquierda o lo que es lo mismo desde el punto final hasta el punto de inicio.

El tercer paso es comenzar a diseñar el circuito conectando las compuertas de acuerdo a la función que se desea implementar. Esto solo tiene 2 reglas:

• Cada entrada de puerta lógica debe esta conectada a una fuente de entrada o a la salida de otra puerta lógica.
• La salida de una puerta lógica solo puede estar conectada a una entrada de otra puerta lógica o a una fuente de salida.

El cuarto y ultimo paso es realizar el montaje del circuito en una placa de prototipo o de circuito integrado.

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