LAS FAMILIAS LÓGICAS ( I )

Las funciones lógicas básicas se han manejado como "cajas negras" cuya construcción interior es un asunto que no debe preocupar ni al técnico ni al diseñista de sistemas digitales, para quienes su principal interés son más bien los niveles de voltaje con los cuales se define tanto el cero ("0") como el uno ("1") así como la velocidad máxima a la cual se garantiza que pueda trabajar cierto circuito integrado con el cual se está construyendo el sistema. Sin embargo, para aquellos con curiosidad técnica, aunque no posean un título universitario en ingeniería electrónica, tal vez les haya quedado la curiosidad por saber qué es lo que hay detrás de esas "cajas negras". Para satisfacer en parte dicha curiosidad, aquí se dará un resumen breve sobre cómo se implementan algunas funciones lógicas, usando para ello diagramas esquemáticos elementales sin llevar a cabo un análisis técnico que involucre fórmulas en los cuales se hable de parámetros técnicos tales como la ganancia de corriente beta de un transistor bipolar o la curva de característica de operación del mismo.

Posiblemente la manera más sencilla de implementar funciones lógicas sea mediante el uso de diodos, los cuales permiten el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección más no en la dirección contraria. Esta manera de construír funciones lógicas es conocida de varias maneras tales como "Diode Logic", "Diode-Diode Logic" o inclusive como "Diode-Resistor Logic".

En el siguiente diagrama esquemático tenemos la función OR implementada con diodos:

El funcionamiento de este circuito es extremadamente sencillo. Si las entradas a los diodos D1 y D2 en las terminales 3 y 4 son "0" (cero voltaje aplicado en ellas) entonces no llegará voltaje alguno a la terminal 1. En pocas palabras, cuando ambas entradas son "0" la salida será "0". Si aplicamos un voltaje (un "1") a la terminal 3 y mantenemos la entrada a la terminal 4 en "0", entonces la corriente eléctrica podrá fluír directamente de la terminal 3 a la terminal 1 poniendo un "1" (el voltaje aplicado en la entrada del diodo D1) en la salida. Esta corriente eléctrica no puede fluír por el diodo D2 aunque su entrada sea "0" porque el diodo solo es capaz de conducir corriente eléctrica en la dirección indicada por la flecha en su símbolo. Con esto, si la entrada en la terminal 3 es "1" y la entrada en la terminal 4 es "0", la salida será "1". Y lo mismo ocurrirá cuando la entrada en la terminal 3 sea "0" y la entrada en la terminal 4 sea "1". En pocas palabras, cuando cualquiera de las entradas es "1" la salida será también "1". Y si ambas entradas son "1" la salida será "1". Esta es precisamente la acción de un OR.

En el siguiente diagrama esquemático tenemos la función AND implementada con diodos:

Este circuito también tiene una explicación sencilla.

Si las entradas a los diodos D1 y D2 en las terminales 4 y 5 son "1", entonces al estar ambos lados de cada diodo al mismo potencial eléctrico ninguno de ellos conducirá corriente eléctrica alguna (la corriente eléctrica sólo puede fluír de un "1" a un "0") y la terminal 1 se mantendrá al mismo nivel del voltaje al cual está conectada a través de la resistencia R1. En pocas palabras, cuando ambas entradas son "1" la salida será "1". Si aplicamos un "0" a la terminal 4 y mantenemos la entrada a la terminal 5 en "1", entonces la corriente eléctrica podrá fluír directamente a través del diodo D1 de la fuente de voltaje a la terminal 4 siguiendo la flecha simbólica del diodo D1, con lo cual el voltaje en la terminal 1 se desplomará al nivel de "tierra eléctrica", o sea a "0". Con esto, si la entrada en la terminal 4 es "0" y la entrada en la terminal 5 es "1", la salida será "0". Y lo mismo ocurrirá cuando la entrada en la terminal 4 sea "1" y la entrada en la terminal 5 sea "0". En pocas palabras, cuando una de las entradas es "0" la salida será "0". Y si ambas entradas son "0" la salida será "0". Esta es precisamente la acción de un AND.

La principal desventaja de utilizar únicamente diodos para implementar funciones lógicas es que no hay manera alguna de implementar la función NOT, los diodos no proporcionan manera alguna de poder invertir un "1" lógico convirtiéndolo en un "0", o viceversa. Por otro lado, como los diodos no proporcionan amplificación alguna (en el sentido eléctrico) de la potencia de la señal digital, la señal se va deteriorando rápidamente por las pérdidas cumulativas de voltaje a través de los diodos.

Fue precisamente la invención del transistor bipolar lo que abrió el camino para la miniaturización electrónica y la dramática reducción de costos que permitieron la construcción de circuitos lógicos cada vez más complejos a precios accesibles al consumidor general. En su esencia más básica el transistor, además de su capacidad para poder amplificar señales analógicas tales como señales de audio y video cuyos voltajes pueden tomar cualquier valor dentro de ciertos rangos, tenía inherentemente la capacidad para poder actuar como un inversor lógico, esto es, como un bloque NOT:

En este diagrama esquemático, podemos ver que si aplicamos un voltaje V_in de +5 volts a la base del transistor, el transistor se "encenderá" conduciendo corriente eléctrica, y al hacer tal cosa el transistor se comportará como un "corto circuito" con lo cual el voltaje V_out entre sus otras dos terminales, el colector (la terminal superior) y el emisor (la terminal inferior) será prácticamente de cero. Si el interruptor eléctrico a la izquierda del circuito es bajado de modo tal que a la base del transistor ya no le llegue ningún voltaje, entonces el transistor se comportará como un circuito "abierto", y el voltaje de salida V_out será el mismo que hay entre su colector y su emisor, o sea +5 volts. Si designamos al voltaje de +5 volts como un "1" lógico y al voltaje de cero volts como un "0" lógico, lo que tenemos en esencia es un circuito que con un "1" a la entrada nos produce un "0" a la salida, y con un "0" a la entrada nos produce un "1" a la salida. Esta es precisamente la acción de un inversor NOT. Con la adición de algunos cuantos componentes adicionales, podemos irle agregando al transistor básico más terminales de entrada con las cuales podemos construír otros bloques lógicos, además de proporcionarle al diseño básico un funcionamiento eléctrico más estable que el que puede proporcionar el circuito anterior.

Tras la invención del transistor, con la invención del circuito integrado se abrió el camino hacia lo que prometió ser una miniturización aún más dramática de componentes electrónicos que prometía reducir enormemente el espacio ocupado por cualquier aparato electrónico, reducir enormemente el consumo de energía para poder tenerlo operando, y reducir el costo de los componentes usados para construír un equipo electrónico. Es así como empezaron a surgir diseños óptimos que por su simpleza y bajo costo comenzaron a utilizarse como "ladrillos" básicos para la integración a gran escala que estaba por llegar. Las familias lógicas de circuitos integrados en un principio fueron identificadas casi todas ellas por tres letras como RTL, TTL, DTL, MOS; o por cuatro letras como DCTL y CMOS, una costumbre que todavía prevalece hasta nuestros días. A continuación tenemos un resumen de lo que hay detrás de estos acrónimos.


La lógica DTL (Diode-Transistor-Logic)

Aquí el diseño básico está centralizado en torno a un transistor bipolar en cuya entrada se han añadido varios diodos, como lo muestra el siguiente diagrama esquemático:

La forma en la que trabaja este circuito es la siguiente: supóngase que todas las tres entradas A, B y C están conectadas al nivel de voltaje alto (en este caso, V_cc), que identificaremos aquí de la manera usual como un "1" lógico. Siendo así, habrá una señal de entrada en la base del transistor que ocasionará que dicho transistor conduzca corriente eléctrica, lo cual hará que la salida del transistor caiga prácticamente al nivel de "0". Ahora bien, si cualquiera de las tres entradas A, B y C recibe una señal de "0", o sea si cualquiera de los diodos a la entrada es "aterrizado" a tierra eléctrica con una señal de "cero", el voltaje a la entrada de la base del transistor será prácticamente de cero, con lo cual el transistor no conducirá corriente eléctrica alguna y por lo tanto el voltaje de salida del mismo será igual a V_cc o a "1". Este comportamiento lo podemos resumir de la manera siguiente: si cualquiera de las entradas A, B ó C toma un valor de "0", la salida será "1". Unicamente cuando todas las entradas tienen un valor de "0" podremos tener una salida de "0". Si recordamos bien lo que vimos en los capítulos anteriores, esta es precisamente la función NAND, como lo indica la función Boleana puesta a la derecha a la salida del colector del transistor. Es así como el bloque fundamental de la lógica DTL viene siendo precisamente la función NAND.


La lógica DCTL (Direct-Coupled Transistor Logic)

A diferencia del diseño anterior que requiere un diodo para implementar cada entrada, la lógica DCTL requiere del uso de un transistor para implementar cada entrada de la compuerta lógica, lo cual naturalmente aumenta el costo y la complejidad del circuito. El diagrama esquemático para el componente esencial de esta clase de lógica es el siguiente:

La forma en la cual trabaja este circuito es la siguiente: supóngase que ambas entradas A y B no están recibiendo voltaje alguno, estando ambas conectadas a "tierra eléctrica" (que viene siendo el equivalente de una señal de "cero"). En tal caso, ninguno de los dos transistores estará conduciendo corriente eléctrica alguna, y la salida será igual al voltaje V_cc, o sea un "1" lógico. Si aplicamos un voltaje a cualquiera de los dos transistores (o sea una señal de "1") o a ambos, entonces la salida unida de ambos colectores caerá a un voltaje prácticamente de cero. Puesto de otra manera, si cualquiera de las dos entradas A y/o B toma un valor de "uno", la salida caerá a "cero". Se requiere que ambas entradas sean "0" para que la salida sea "1". Esta es precisamente la función lógica NOR, como lo indica la expresión Boleana puesta a la derecha a la salida conjunta de los colectores de ambos transistores.


La lógica RTL (Resistor-Transistor-Logic)

Esta clase de circuitos integrados fue la primera que proporcionó en el mercado componentes lógicos discretos a bajo costo con los cuales se empezaron a implementar muchas funciones lógicas básicas. Aunque todavía no había alguna "estandarización" llevada a cabo por las empresas que iniciaron la fabricación de circuitos integrados RTL, por vez primera se empezaron a fabricar muchos tipos de circuitos que además de funciones lógicas básicas implementaban algunas funciones algo más sofisticadas, como contadores binarios o registros de transferencia.

Por la forma en la cual está integrada la electrónica interna, el "bloque fundamental" de la familia RTL no es ninguna de nuestras funciones lógicas básicas (OR, AND, NOT), sino la función NOR. El bloque NOR es el "caballito de batalla" de la familia RTL.

Los circuitos integrados RTL siempre se destacaron por ser una familia de componentes muy resistentes a cualquier tipo de falla. Inclusive en la literatura promocional de los mismos se afirmaba que no había forma posible de dañarlos aunque al construír un prototipo usando circuitos RTL se cometiesen errores al hacer las conexiones eléctricas. Quizá uno de los libros que más contribuyeron a popularizar el uso de los circuitos integrados de la familia RTL fue el libro "RTL Cookbook" de Don Lancaster, un personaje tan pintoresco como prolífico que tuvo la virtud de hacer accesibles en sus libros conocimientos que anteriormente sólo estaban al alcance de estudiantes de la carrera de ingeniería eléctrica en universidades de prestigio.

Entre algunos de los circuitos integrados construídos con tecnología RTL podemos mencionar como ejemplos los siguientes, construídos por la empresa Motorola:

MC789P -- Hex inverter (seis inversores NOT)

MC724P -- Quad two input gate (cuatro NORs de dos entradas)

MC790P -- Dual J-K Flip-Flop (dos flip-flops J-K)

Además de estos componentes podemos mencionar el ul914 (Dual two input NOR, dos NOR de dos entradas) construído por varios fabricantes.

Para quienes tienen nociones básicas de electrónica elemental, a continuación se reproduce el diagrama esquemático que muestra la manera en la cual opera un circuito RTL esencial, un NOR de tres entradas A, B y C, en cuya construcción se utilizan tres transistores y cuatro resistencias:

La forma en la que trabaja este circuito es la siguiente: cuando las tres entradas están "aterrizadas a tierra" (el símbolo que aparece en la parte más inferior del diagrama), lo cual equivale a un cero (0) lógico, los tres transistores permanecen desactivados, no conducen ninuna corriente, con lo cual a la salida de los mismos será igual al voltaje Vcc que equivale al uno (1) lógico. En otras palabras, cuando todas las entradas son (0), la salida es (1). Pero cuando una de las entradas A, B o C recibe un voltaje, un (1), entonces el transistor al cual le llega la señal empieza a conducir, con lo cual se desploma el voltaje de salida. En otras palabras, si cualquiera de las entradas tiene un valor de (1), la salida caerá a (0). La salida será (1) únicamente cuando todas las entradas sean (0). Esta es precisamente la función NOR.

La familia RTL quedó descontinuada del mercado cuando hizo su aparición una nueva familia de circuitos integrados basada en otra tecnología que veremos a continuación.


La familia TTL (Transistor-Transistor-Logic)

Aquí podemos hablar ya de toda una verdadera familia de circuitos lógicos basada en la tecnología TTL, la cual fue creada por la compañía Texas Instruments (la misma compañía que dió el primer impulso fuerte al desarrollo de los circuitos con un nivel elevado de integración)

Por la forma en la cual está integrada la electrónica interna, el "bloque fundamental" de la familia TTL tampoco es ninguna de nuestras funciones lógicas básicas (OR, AND, NOT), sino la función NAND, lo cual se concluye al apreciar el diagrama esquemático del siguiente circuito TTL de dos entradas:

El par de transistores mostrados en el lado derecho del diagrama esquemático en conjunto recibe el nombre de configuración totem-pole, a semejanza de los totems indios, y actúan como par inseparable para proporcionar la eficiencia máxima de velocidad que es característica de la familia TTL. Como puede apreciarse en el transistor de entrada, este es un transistor especial de dos colectores que requiere un proceso más cuidadoso de fabricación. Cuando se ensambla un circuito de esta naturaleza a través de componentes individuales discretos, es frecuente agregarle un diodo entre los dos transistores que forman el conjunto totem-pole que ayuda a impedir que los transistores a la salida conduzcan simultáneamente: