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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América) FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

Informe Previo #1:

Compuertas lógicas básicas CURSO CIRCUITOS DIGITALES

DOCENTE Ing. Oscar Casimiro Pariasca GRUPO Y HORARIO L14 |jueves 12 pm -2 pm Alumno: Quispe Zapata Christian

JUNIO 2020

18190157

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA LABORATORIO DE CIRCUITOS DIGITALES I / CIRCUITOS DIGITALES I. CUESTIONARIO PREVIO: 1. Concepto de sistema analógico y sistema digital. Señal analógica y señal digital.  Sistema Digital Es una combinación de dispositivos diseñados para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital, es decir que solo pueden tomar valores discretos. Los sistemas digitales utilizan el sistema de numeración binaria, cuya mínima unidad tiene un valor que se especifica como una de dos posibilidades 0 o 1, ALTO o BAJO y se denomina bit. En los sistemas digitales se utiliza el sistema de numeración binario en el cual las cantidades se representan utilizando solo los números 0 y 1.  Sistema Analógico Como sabemos un Sistema Analógico está inmerso dentro de lo que conocemos como dispositivos que controlas cantidades físicas representadas de manera analógica. En este tipo de sistemas, las cantidades pueden variar dentro de un rango continuo de valores. La mayoría de las cosas que se pueden medir cuantitativamente aparecen en la naturaleza en forma analógica. Un ejemplo de ello es la temperatura: a lo largo de un día la temperatura no varía entre, por ejemplo, 20 ºC o 25 ºC de forma instantánea, sino que alcanza todos los infinitos valores que entre ese intervalo. Otros ejemplos de magnitudes analógicas son el tiempo, la presión, la distancia, el sonido.  Señal Analógica Una señal analógica es una señal que varía de forma continua a lo largo del tiempo. La mayoría de las señales que representan una magnitud física (temperatura, luminosidad, humedad, etc.) son señales analógicas. Las señales analógicas pueden tomar todos los valores posibles de un intervalo; y las digitales solo pueden tomar dos valores posibles. Las señales análogas se pueden percibir en todos los lugares, por ejemplo, la naturaleza posee un conjunto de estas señas como es la luz, la energía, el sonido, etc., estas son señales que varían constantemente.  Señal Digital Una señal digital es aquella que presenta una variación discontinua con el tiempo y que sólo puede tomar ciertos valores discretos. Su forma característica es ampliamente conocida: la señal básica es una onda cuadrada (pulsos) y las representaciones se realizan en el dominio del tiempo. Sus parámetros son:  Altura de pulso (nivel eléctrico)  Duración (ancho de pulso)  Frecuencia de repetición (velocidad pulsos por segundo) Las señales digitales no se producen en el mundo físico como tales, sino que son creadas por el hombre y tiene una técnica particular de tratamiento, y como dijimos anteriormente, la señal básica es una onda cuadrada, cuya representación se realiza necesariamente en el dominio del tiempo. 2. ¿Cómo identificas las terminales de ánodo y cátodo de un LED? La pata más larga es la positiva (A / ánodo), y la más corta es la negativa (K /cátodo). Si no podemos diferenciar la longitud de las patas, podemos fijarnos en la forma de la base del led. La parte curva es la positiva y la parte plana es la negativa. El símbolo del diodo led también nos indica la polaridad. La parte superior del triángulo invertido es la positiva y la parte de la línea es la negativa. Además, el diodo led debe llevar asociada una resistencia en serie para limitar la corriente que pase por él (sin la resistencia podría quemarse). 3. ¿De qué depende la intensidad luminosa de un LED? La intensidad luminosa de un LED se incrementará con la corriente en directa hasta que se alcanza un punto de saturación donde cualquier incremento adicional de la corriente no incrementa de forma efectiva el nivel de iluminación.

4. ¿Qué pasaría con un LED si se conecta directo a una fuente de voltaje sin su resistencia en serie Se pone una resistencia para limitar la corriente del LED. Un LED tiene una corriente máxima de funcionamiento, si se excede es posible que el LED se quemé. 5. ¿Cuál es la ecuación para determinar la corriente que pasa a través de un LED?

I =( E−V led )/ R 6. ¿Cuánto es el voltaje en terminales de la resistencia de 330 Ω del circuito de entrada cuando el ¿LED está encendido? ¿El Switch debe estar abierto o cerrado? Considerar V=5 voltios. ¿Y cuánto es el valor del voltaje Vo cuando el LED está apagado?  V o=I (330 Ω)=(5−V led)  El switch debe estar cerrado.  Cuando el led está apagado, el switch está abierto, por lo que Vo=0. 7. ¿Cuál es la finalidad de la resistencia de 330 Ω en el circuito mostrado? Se coloca una resistencia en serie al Led para protegerlo de sobrecargas de corriente. Nunca conectar un LED sin resistencia en serie ya que eventualmente se dañará o se quemará.

8. Cuáles son las tecnologías utilizadas en la fabricación de componentes digitales? Explique las características de los TTL y CMOS indicando sus ventajas y desventajas?  CMOS Es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados. que consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo PMOS y tipo NMOS configurados de forma tal que en estado de reposo el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas colocado en la placa base. En la actualidad la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnología CMOS esto incluye microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales y muchos otros tipos de circuitos integrados digitales cuyo consumo es considerablemente bajo.  Los circuitos CMOS son sencillos de diseñar.  Bajo consumo puesto que una puerta CMOS sólo consume 0,01 mW en condiciones estáticas (cuando no cambia el nivel). Si opera con frecuencias elevadas comprendidas entre 5 y 10 MHz el consumo es de 10 mW.  Los circuitos CMOS poseen una elevada inmunidad al ruido normalmente sobre el 30 y el 45 % del nivel lógico entre el estado 1 y el 0. Este margen alto sólo es comparable con el de la familia HTL.  La familia CMOS es la que se refiere al margen de tensiones de alimentación que abarca desde los 3 a los 15 V lo que permite la conexión directa de los componentes de dicha familia con los de la TTL cuando se alimenta con 5 V a los circuitos integrados CMOS.

 VOL (MAX) 0V  VOH (MIN) VDD

 VIL (MAX) 30% VDD  VIH (MIN) 70% VDD  VOL (MAX) 0V  VOH (MIN) VDD  VIL (MAX) 30% VDD  VIH (MIN) 70% VDD  VOL (MAX) 0V  VOH (MIN) VDD  VIL (MAX) 30% VDD  VIH (MIN) 70% VDD  TTL TTL significa "Tiempo de Vida" o "Time To Live", y se refiere a un límite en el periodo de tiempo o el número de iteraciones o transmisiones en computadora y tecnología de red de computadoras que una unidad de datos puede experimentar antes de ser desechada.  Características de TTL  Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los Normalmente TTL trabaja con 5V. Entre 0,0V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,2V y Vcc para el estado H (alto).  Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida  La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si

 Es una tecnología de circuitos integrados muy popular.  Su mayor ventaja reside en las grandes velocidades de conmutación.  También ofrece una enorme variedad de dispositivos.  Su compuerta básica es la NAND

 Su fabricación es con transistores bipolares multiemisores 9. ¿A qué rango de voltaje se le considera un 1 lógico en los dispositivos digitales binarios de tecnología de fabricación TTL y CMOS? Definir VIH máx, VIH min, VOH máx, VOH min. Un nivel lógico se define como un estado o voltaje específico de una señal, sabemos que 0 y 1 son los dos estados de compuertas lógicas. Los niveles lógicos 0 y 1 se conocen como BAJO y ALTO, respectivamente. En general, estos niveles lógicos se pueden entender como estados de encendido y apagado. Como se mencionó anteriormente, los niveles lógicos se introducen en la compuerta lógica mediante el voltaje de suministro.



TTL:

VIL,min

Mínima Vi para el nivel bajo o L.

VIL,max

Máxima Vi para nivel bajo o L

VIH,min

Mínima Vi para el nivel alto o H

VIH,max

Máxima Vi para nivel alto o H. VIH.max≈Vdd

VOL,min

Mínima Vo para el nivel bajo o L.

VOL,max

Máxima Vo para nivel bajo o L

VOH,min

Mínima Vo para el nivel alto o H

VOH,max

Máxima Vo para nivel H. VOH.max ≈máxima Vo para H. VOH.max≈Vdd

10. ¿A qué rango de voltaje se le considera un 0 lógico en los dispositivos digitales binarios de tecnología de fabricación TTL y CMOS? Definir VIL máx., VIL min, VOL máx., VOL min.  CMOS Cuando las salidas CMOS manejan sólo entradas CMOS, los niveles de voltaje de la salida pueden estar muy cercanos a 0V para el estado bajo, y a VDD para el estado alto. El requerimiento de voltaje en la entrada para dos estados lógicos se expresa como un porcentaje del voltaje de alimentación De esta forma, cuando un CMOS funciona con VDD = 5 V, acepta voltaje de entrada menor que VIL(máx) = 1.5 V como BAJO, y cualquier voltaje de entrada mayor que VIH (mín) = 3.5 V como ALTO.

11. Explique el funcionamiento de un transistor NPN en emisor común para que actúe como un interruptor. ¿Cuáles son los diferentes tiempos de switcheo de un transistor?



Tiempos de conmutación del transistor

Tiempo de retardo: td (delay time): Intervalo de tiempo entre el punto correspondiente al instante de aplicación de la señal de entrada y el punto en que la señal de salida toma el 10% de su valor final. Este tiempo de retraso se debe, principalmente a dos factores: 1.- Cuando un transistor actúa como conmutador, se lo polariza inversamente para llevarlo al corte, con lo cual la capacidad de la juntura base-emisor se carga a ese valor de tensión negativa; por tal razón para pasarlo a la conducción (saturación) se necesita de cierto tiempo para descargar y cargar ese condensador. A mayor valor de polarización inversa mayor será ese retardo. 2.- Se requiere de cierto tiempo para que la corriente de emisor se difunda a través de la región de la base.

VE

+V 0

tensión de entrada

to

t1

t

corriente de colector

Figura 2: Tiempos de conmutación del transistor Tiempo de subida o crecimiento: tr (rise time): Intervalo de tiempo entre los puntos

correspondientes al 10 y 90% de la forma de onda ascendente de la corriente de colector. El tiempo de crecimiento es una función de la frecuencia de corte alfa, f; y también depende inversamente de la cantidad de corriente de apertura; mientras mayor sea la corriente de apertura, menor será el tiempo de crecimiento. Tiempo de almacenamiento: ts (storage time): Intervalo de tiempo entre el instante en que la tensión de entrada comienza el descenso y el punto correspondiente al 90% de la forma de onda descendente de la corriente de colector. El tiempo de almacenamiento es una función de hfe, y de las corrientes de apertura y cierre. La no respuesta del transistor durante el tiempo ts a la anulación de la excitación, se debe a que el transistor en saturación tiene una carga en exceso de portadores minoritarios almacenados en la base. El transistor no puede responder hasta que ese exceso de carga de saturación se haya eliminado. En el caso extremo este tiempo ts puede ser de dos a tres veces el tiempo de subida o de bajada a través de la región activa. Al emplear transistores de conmutación donde la velocidad resulta de verdadero interés, la mayor ventaja se obtiene cuando se reduce el tiempo de almacenamiento. Tiempo de caída tf (fall time): Intervalo de tiempo entre los puntos correspondientes al 90 y 10% de la forma de onda descendente de la corriente de colector. Tiempo de conexión o encendido TON = td + tr: Resulta de la suma de los tiempos de retardo td y de subida tr . Es el tiempo total para pasar del corte a la saturación. Tiempo de desconexión o apagado TOFF = ts + tf

12. Funciones y circuitos lógicos básicos. Tabla de verdad de una función lógica. Dibujar el símbolo lógico y la tabla de verdad para cada uno de los circuitos lógicos básicos: NOT, OR, AND, NOR, NAND, XOR. ¿Cuáles son los códigos en TTL para estas compuertas? La función de la puerta lógica AND es la multiplicación, y viene representada de la siguiente manera:

La función de la puerta lógica OR es la suma, y viene representada de la siguiente manera:

La función de la puerta lógica NOT es la inversa, es decir, lo que aparece en la salida es lo contrario de lo que aparece en la entrada. Se representa de la siguiente manera:  

La función de la puerta lógica NOR, es la función complementaria de la OR, de manera que sólo valdrá uno la salida cuando todas las entradas estén a cero.

La función de la puerta lógica NAND, es la complementaria de la AND, de manera que sólo cuando todas las entradas valen uno la salida es cero.

13. Habilitación/inhabilitación para el control de datos: Uno de los usos más comunes de las compuertas básicas está en el control del flujo de datos de la entrada a la salida. En este modo de operación se emplea una entrada como control, mientras que la otra lleva los datos que serán transferidos a la salida. Si se permite el paso de estos, se dice entonces que la compuerta está habilitada. Si no se permite el paso de los datos, entonces la compuerta está inhabilitada. Muestre para cada una de las compuertas básicas, las condiciones necesarias para la habilitación/inhabilitación de éstas, analizando la tabla de verdad.

14. ¿Qué valor lógico se considera cuando una señal de entrada no está conectada a la entrada del circuito integrado?  TTL Entradas no conectadas: cualquier entrada de un circuito TTL que se deja desconectada actúa como un 1 lógico aplicado a esa entrada, debido a que en cualquier caso la unión o diodo base-emisor de la entrada no será polarizado en sentido directo. 15. ¿Cuáles son los valores máximo y mínimo de voltaje de alimentación para que funcione correctamente un circuito típico TTL? (consulte los datos en un manual de TTL o la hoja del fabricante por lo menos dos circuitos diferentes por ejemplo SN7408 y SN74LS86).  Mínimo: 4.5-4.75  Maximo:5.25-5.5 volts