Electrónica Digital

3.4 Electrónica Digital

Comenzando con el electrón, y a base de aumentar el nivel de abstracción, se ha mostrado la evolución pasando por voltajes/corrientes hasta llegar a bits, ‘1’s y ‘0’s. La electrónica digital resuelve problemas y necesidades reales operando únicamente con dichos bits. En este apartado se resume la teoría básica de la electrónica digital y los circuitos digitales, y se presentan los dispositivos de más alto nivel que surgen de ella, concretamente la lógica programable y los microprocesadores y microcontroladores. 

3.4.1 Fundamentos de Circuitos Digitales

Como se ha explicado, la electrónica analógica se construye sobre leyes fundamentales que se aplican a cualquier distribución de componentes activos y pasivos, de forma que se pueden calcular voltajes/corrientes en cualquier nodo/rama de un circuito. De forma semejante, la electrónica digital se articula en componentes y normas que permiten conocer el estado binario (‘1’ o ‘0’) en cualquier punto del circuito digital.

La teoría fundamental que define estos componentes y este comportamiento binario o digital es el Álgebra de Boole. Adicionalmente, la dimensión temporal de las señales digitales se realiza añadiendo componentes que permiten una evolución basada en ciclos. Finalmente, cada uno de los componentes básicos booleanos se implementan de forma analógica con transistores, lo que permite construir circuitos digitales reales. Todos los conceptos mencionados en este párrafo se explican a continuación.

3.4.1.1 Álgebra de Boole

Los componentes digitales sobre los que se articula la electrónica digital se denominan puertas lógicas. Son elementos que tienen un número cualquiera de entradas binarias y un número cualquiera de salidas binarias, que son una función de las entradas. La Tabla 4 muestras las puertas lógicas más fundamentales, para el caso de una o dos entradas y una salida. Cualquier puerta con otro número de entradas y salidas se podría extrapolar o conseguir en función de las presentadas. Asimismo, la Tabla 4 también detalla el funcionamiento o “tabla de verdad” de cada puerta.

Nombre

NOT (NO)

OR (O)

AND (Y)

XOR (O exclusiva)

Símbolo

Tabla de Verdad

X

Z

X

Y

Z

X

Y

Z

X

Y

Z

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

0

1

1

 

1

0

1

1

0

0

1

0

1

 

1

1

1

1

1

1

1

1

0

Tabla 4: Puertas Lógicas Fundamentales

 

Una vez que la información se ha digitalizado, cualquier operación necesaria (multiplicación, suma, resta, división, retardo, etc) se puede realizar con una combinación más o menos complicada de puertas lógicas. De esta forma se puede realizar cualquier procesamiento con operaciones digitales.

Sin perder generalidad, la Figura 8 (a) muestra un circuito digital de ejemplo. A partir de ahora, y para continuar con las explicaciones del texto, un circuito digital genérico compuesto de cualquier combinación de puertas lógicas se representará como en la Figura 8 (b).

Electrónica Digital: ejemplo de circuito booleano y representación genérica
Figura 8: (a) Ejemplo Circuito Booleano y (b) representación de circuito genérico.
3.4.1.2 Frecuencia de Conmutación

Hasta este punto ha quedado patente que un circuito digital cualquiera está o puede estar compuesto por múltiples puertas lógicas. Cada vez que una de las entradas al circuito cambie o conmute (de ‘1’ a ‘0’ o de ‘0’ a ‘1’), la salida o salidas responderán al cambio de acuerdo a la tabla de verdad de dicho circuito completo. Si una salida tiene que conmutar, esté cambio será visible en la salida una vez que el cambio en la entrada se haya propagado a través de todas las puertas lógicas. Cuantos más niveles existen en un circuito digital, más tiempo hay que esperar a que una conmutación en las entradas tenga efecto en las salidas.

Sin embargo, muchas aplicaciones requieren cumplir criterios temporales que no permitirían al circuito digital esperar a propagar una conmutación de entrada a salida. Aparte, en cualquier aplicación compleja, puede haber múltiples circuitos digitales, relacionados o no entre sí, que no pueden trabajar de forma asíncrona, de forma que es necesario un reloj que marque los tiempos, una especie de director de orquesta que establezca sincronización entre todas las partes.

En práctica la sincronización se consigue añadiendo un elemento fundamental denominado “flip-flop” (que también se puede implementar con puertas lógicas). Los circuitos digitales están divididos en múltiples secciones entre flip-flops como se muestra en la Figura 9. Cada vez que el reloj (CLK en la imagen en sintonía con la palabra reloj en inglés, “clock”) marca el inicio de un nuevo ciclo, el flip-flop pone el valor del bit de su entrada en la salida, y lo mantiene constante hasta el nuevo cambio de ciclo marcado por el reloj. Obviamente, durante el tiempo de ciclo es necesario que todos los circuitos digitales sean capaces de propagar sus cambios de entrada a salida. De hecho el tiempo de ciclo mínimo estará determinado por el circuito más lento. Notar que, sin perder generalidad, la Figura 9 considera un número n de entradas y salidas a todos los niveles.

Electrónica Digital: circuito digital genérico añadiendo flip-flops
Figura 9: Circuito Digital genérico añadiendo Flip-Flops.

El tiempo de ciclo de un circuito digital determina la frecuencia de conmutación, que es el número de veces que el circuito conmuta por segundo. A más frecuencia de conmutación, mayor velocidad de procesado y mayor capacidad de cómputo de la aplicación digital.

3.4.1.3 Implementación Física

Las puertas lógicas mostradas hasta ahora son componentes conceptuales, teóricos, del mismo modo que los ‘1’s y ‘0’s puros son también conceptos teóricos. En analogía con lo explicado para la Figura 3 (b), cualquier puerta lógica se puede implementar con transistores. Las voltajes/corrientes a la entrada/salida de dichos transistores se interpretan como ‘1’s y ‘0’s en función de un umbral, como se ha explicado en el apartado 3.3.

La relevancia de la implementación con transistores estriba en que, usando las tecnologías adecuadas, las puertas lógicas solo consumen potencia durante la conmutación entre estados, no todo el tiempo. Esto permite la creación de circuitos compuestos por millones de transistores y trabajando a frecuencias elevadas. En estos casos nos referimos a circuito integrados específicos donde, aparte del diseño digital, también se requiere diseño analógico puro para la implementación óptima de las puertas lógicas, e incluso diseño físico a bajísimo nivel, como se ha explicado en la sección 3.1, para obtener el mayor grado de integración posible.

En algunos casos es necesario realizar diseños digitales más sencillos, que forman parte o no de diseños o dispositivos más complejos. Para estos casos se pueden emplear directamente transistores discretos junto a componentes como los mostrados en la sección 3.2.2. También se pueden usar puertas lógicas discretas. Éstas se suministran típicamente en encapsulados habituales de circuitos integrados simples, como se muestra en la Figura 10. Para este tipo de diseños digitales, aparte de los ‘1’s y ‘0’s, también es necesario considerar cuestiones puramente “analógicas” y la temporización entre puertas para cumplir los requerimientos de cada componente y sus interfaces. En claro contraste, los dispositivos que se explican en las siguientes secciones permiten abstraerse casi completamente de cuestiones analógicas y diseñar a nivel digital pensando puramente en bits o incluso a nivel superior.

Electrónica Digital: Puertas Lógicas Discretas
Figura 10: Puertas Lógicas Discretas.

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