Conceptos Fundamentales de Electrónica Digital: Circuitos y Lógica

Fundamentos de Lógica Digital

1. ¿Cuál es la diferencia entre un circuito combinacional y uno secuencial?

• Un circuito combinacional es aquel cuya salida depende únicamente de los valores de sus entradas en el momento actual.

• Un circuito secuencial es aquel cuya salida depende de los valores de sus entradas actuales y de su estado interno (memoria), es decir, de eventos pasados.

2. ¿Cómo funcionan las principales puertas lógicas?

• AND: La salida es 1 (verdadero) solo si todas sus entradas son 1.

• OR: La salida es 1 si al menos una de sus entradas es 1.

• NOT: La salida es el complemento o inverso de su única entrada (0 si la entrada es 1, y 1 si la entrada es 0).

• XOR (OR Exclusiva): La salida es 1 si sus entradas son diferentes entre sí.

• NAND: Es la negación de la puerta AND; su salida es 0 solo si todas sus entradas son 1.

• NOR: Es la negación de la puerta OR; su salida es 1 solo si todas sus entradas son 0.

3. ¿Qué es una tabla de verdad?

• Una tabla de verdad es una representación tabular que muestra todas las posibles combinaciones de valores de entrada de una función lógica y el valor de salida correspondiente para cada combinación.

4. ¿Qué es la minimización de funciones booleanas?

• La minimización de funciones booleanas es el proceso de simplificar una expresión lógica a su forma más concisa, lo que resulta en un circuito digital con menos componentes y, por ende, más eficiente, económico y fácil de implementar o depurar.

5. ¿Cuál es la diferencia entre álgebra booleana y tablas de verdad?

• El Álgebra de Boole es un sistema matemático que utiliza variables y operadores lógicos (AND, OR, NOT) para representar y manipular expresiones lógicas de forma simbólica.

• Una tabla de verdad, por otro lado, es una representación tabular que enumera explícitamente todas las posibles combinaciones de entradas y sus correspondientes salidas para una función lógica.

🔌 Circuitos Combinacionales

6. ¿Qué es un multiplexor (MUX) y para qué sirve?

• Un multiplexor (MUX) es un dispositivo combinacional que selecciona una de varias líneas de entrada de datos y la dirige a una única línea de salida. Su función principal es la selección de datos.

7. ¿Qué hace un decodificador?

• Un decodificador es un circuito combinacional que convierte un código binario de entrada (N bits) en una única salida activa de entre 2^N posibles salidas. Se utiliza para activar una línea específica basada en un código de entrada.

8. ¿Qué hace un codificador y en qué se diferencia?

• Un codificador es un circuito combinacional que realiza la operación inversa a la de un decodificador: convierte una de varias entradas activas en un código binario de salida. Por ejemplo, si se activa la entrada 3, la salida binaria será "011".

9. ¿Para qué sirve un sumador completo (Full Adder)?

• Un sumador completo (Full Adder) es un circuito combinacional que suma tres bits de entrada: dos bits de datos (A y B) y un bit de acarreo de entrada (Cin), produciendo una suma (S) y un acarreo de salida (Cout). Es fundamental para la suma binaria de números de múltiples bits.

10. ¿Qué es un comparador?

• Un comparador es un circuito combinacional que toma dos números binarios como entrada y determina su relación, indicando si son iguales, si uno es mayor que el otro, o si uno es menor que el otro.

11. ¿Cómo se diseñaría un codificador para un teclado de 12 teclas?

• Para diseñar un codificador para un teclado de 12 teclas (por ejemplo, 0-9, *, #), se necesitarían 12 líneas de entrada, una por cada tecla. Dado que 2^3 = 8 y 2^4 = 16, se requerirían 4 bits de salida para representar de forma única cada una de las 12 teclas en formato binario. Cada vez que se presiona una tecla, el codificador genera el código binario correspondiente.

12. ¿Cuál es la diferencia entre un decodificador y un desmultiplexor (DEMUX)?

• Un decodificador convierte una entrada binaria en una única salida activa de entre varias posibles.

• Un desmultiplexor (DEMUX) toma una única entrada de datos y la dirige a una de varias líneas de salida, seleccionada por un conjunto de entradas de control. Aunque conceptualmente similares, el decodificador se enfoca en la interpretación de un código, mientras que el desmultiplexor se centra en la distribución de datos.

13. ¿Es posible implementar cualquier función lógica utilizando multiplexores, desmultiplexores, codificadores o decodificadores?

• Sí, es posible. Los multiplexores son especialmente versátiles y pueden implementar cualquier función lógica booleana de N variables utilizando un MUX de 2^N a 1. Los decodificadores, combinados con puertas OR, también pueden generar cualquier función lógica.

🔁 Circuitos Secuenciales

14. ¿Qué es un biestable (Flip-Flop) y para qué sirve?

• Un biestable o Flip-Flop es el elemento de memoria fundamental en la electrónica digital. Es un circuito secuencial capaz de almacenar un bit de información (0 o 1) y mantenerlo hasta que una señal de reloj o de control lo cambie. Son la base para construir registros, contadores y memorias.

15. ¿Cuáles son las diferencias entre los tipos de Flip-Flops (SR, D, JK, T)?

• Flip-Flop SR: Tiene dos entradas de control, Set (S) y Reset (R). Set pone la salida en 1, y Reset la pone en 0. Presenta un estado no válido (indeterminado) cuando S y R son 1 simultáneamente.

• Flip-Flop D (Data): Almacena el valor presente en su entrada de datos (D) cuando se activa la señal de reloj. Es ideal para almacenar datos y construir registros de desplazamiento.

• Flip-Flop JK: Es una versión mejorada del SR que resuelve el estado indeterminado. Cuando J y K son 1, la salida conmuta (cambia a su estado opuesto) con cada pulso de reloj.

• Flip-Flop T (Toggle): Conmuta su estado (cambia de 0 a 1 o de 1 a 0) cada vez que su entrada T es 1 y se activa el pulso de reloj. Es útil para construir contadores y divisores de frecuencia.

16. ¿Cómo funciona un registro de desplazamiento?

• Un registro de desplazamiento es un circuito secuencial compuesto por una serie de Flip-Flops conectados en cascada. Su función principal es almacenar datos binarios y permitir su desplazamiento bit a bit hacia la izquierda o la derecha con cada pulso de reloj. Se utilizan para conversiones serie-paralelo, paralelo-serie, y para operaciones aritméticas.

17. ¿Qué es un contador y qué tipos existen?

• Un contador es un circuito secuencial diseñado para contar el número de pulsos de reloj que recibe, produciendo una secuencia de estados binarios. Pueden ser ascendentes (incrementan la cuenta), descendentes (decrementan la cuenta) o bidireccionales.

18. ¿Cómo funciona un contador síncrono y uno asíncrono?

• En un contador síncrono, todos los Flip-Flops que lo componen reciben el pulso de reloj simultáneamente, lo que garantiza que los cambios de estado ocurren al mismo tiempo y reduce los problemas de retardo de propagación.

• En un contador asíncrono (o de rizado), la salida de un Flip-Flop actúa como la entrada de reloj del siguiente. Esto provoca que los cambios de estado se propaguen secuencialmente a través de los Flip-Flops, generando un retardo acumulativo que puede limitar la velocidad máxima de operación.

19. ¿Por qué los registros son componentes importantes en los sistemas digitales?

• Los registros son cruciales porque proporcionan una capacidad de almacenamiento temporal de datos dentro de los sistemas digitales, como microprocesadores y microcontroladores. Permiten guardar resultados intermedios, direcciones de memoria o datos de control, facilitando el procesamiento y la manipulación de la información a alta velocidad.

20. ¿Cuál es la diferencia entre la memoria RAM y los registros?

• La memoria RAM (Random Access Memory) es un tipo de memoria volátil que almacena grandes cantidades de datos y programas que están siendo utilizados activamente por el sistema. Es más lenta que los registros pero ofrece mucha mayor capacidad.

• Los registros son pequeñas unidades de almacenamiento de alta velocidad ubicadas directamente dentro de la CPU o de otros circuitos lógicos. Almacenan una cantidad muy limitada de datos (generalmente unos pocos bits o bytes) que son necesarios para las operaciones inmediatas, siendo significativamente más rápidos que la RAM.

21. ¿Qué es un autómata de Mealy y de Moore?

• Un autómata de Mealy es un tipo de máquina de estados finitos donde las salidas dependen tanto del estado actual del sistema como de las entradas actuales.

• Un autómata de Moore es otro tipo de máquina de estados finitos donde las salidas dependen únicamente del estado actual del sistema, sin depender directamente de las entradas.

⚙️ Aspectos Técnicos y Prácticos

22. ¿Cuáles son las principales familias lógicas de circuitos integrados digitales?

• Las dos familias lógicas más predominantes son TTL (Transistor-Transistor Logic) y CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor).

  • TTL: Conocida por su alta velocidad de operación y robustez, aunque con un consumo de energía relativamente mayor.

  • CMOS: Destaca por su bajo consumo de energía y alta inmunidad al ruido, siendo más lenta que TTL en sus versiones iniciales, pero con mejoras significativas en velocidad en las versiones modernas.

23. ¿Qué rangos de voltaje de alimentación utilizan las familias TTL y CMOS?

• TTL: Generalmente opera con una fuente de alimentación de +5V (Vcc). Los niveles lógicos se definen como bajo (0V a 0.8V) y alto (2V a 5V).

• CMOS: Es mucho más flexible en cuanto a voltaje de alimentación, pudiendo operar en un rango amplio, típicamente desde 1.2V hasta 15V, dependiendo del subtipo específico. Los niveles lógicos se acercan más a los voltajes de alimentación (casi 0V para bajo y casi Vcc para alto).

24. ¿Cuál es la diferencia entre las clasificaciones SSI, MSI, LSI y VLSI de circuitos integrados?

• Estas clasificaciones se refieren al nivel de integración de los circuitos integrados, es decir, la cantidad de componentes (principalmente puertas lógicas y Flip-Flops) que contiene un chip:

  • SSI (Small-Scale Integration): Contiene un número pequeño de puertas lógicas (menos de 10-20). Ejemplos: puertas lógicas individuales (AND, OR, NOT).

  • MSI (Medium-Scale Integration): Contiene entre 20 y 100 puertas lógicas. Ejemplos: multiplexores, decodificadores, contadores, registros.

  • LSI (Large-Scale Integration): Contiene entre 100 y 100,000 puertas lógicas. Ejemplos: microprocesadores de 8 bits, memorias pequeñas.

  • VLSI (Very Large-Scale Integration): Contiene más de 100,000 puertas lógicas, llegando a millones o miles de millones. Ejemplos: microprocesadores modernos, chips de memoria RAM de alta densidad, FPGAs.

25. ¿Qué es el Fan-Out en lógica digital?

• El Fan-Out de una puerta lógica es el número máximo de entradas de otras puertas lógicas que pueden ser conectadas a su salida sin que se degrade la señal o se comprometa su correcto funcionamiento. Un Fan-Out bajo puede causar problemas de carga y niveles de voltaje incorrectos.

26. ¿Qué es el tiempo de propagación en un circuito digital?

• El tiempo de propagación es el retardo de tiempo que transcurre desde que un cambio en la entrada de una puerta lógica o circuito se produce hasta que el cambio correspondiente aparece en su salida. Es un parámetro crítico que afecta la velocidad máxima de operación de un sistema digital.

27. ¿Cómo afecta el tiempo de propagación al rendimiento de un circuito digital?

• Un tiempo de propagación elevado en los componentes de un circuito digital implica que el circuito operará a una velocidad más lenta. En sistemas síncronos, si los retardos acumulados exceden el período de reloj, pueden producirse errores de temporización y un funcionamiento incorrecto.

28. ¿Cuál es la diferencia entre lógica cableada y lógica programable?

• La lógica cableada (o lógica fija) implementa funciones lógicas mediante la interconexión física de componentes discretos como puertas lógicas, Flip-Flops, etc. Una vez construida, su función es fija y no puede cambiarse sin modificar el hardware.

• La lógica programable utiliza dispositivos como FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) o microcontroladores, donde la función lógica se define mediante software o un lenguaje de descripción de hardware (HDL) y puede ser modificada sin alterar la conexión física de los componentes.

29. ¿Cómo se genera una señal de reloj en un circuito digital?

• Una señal de reloj es fundamental en los circuitos síncronos para coordinar las operaciones. Se genera típicamente utilizando un oscilador, que es un circuito electrónico que produce una señal periódica (generalmente cuadrada) con una frecuencia y ciclo de trabajo específicos. Los osciladores pueden basarse en cristales de cuarzo para mayor precisión o en componentes RC para simplicidad.

30. ¿Por qué es crucial evitar los estados metaestables en los circuitos digitales?

• Los estados metaestables ocurren cuando un Flip-Flop o elemento de memoria no logra establecerse en un estado lógico definido (0 o 1) dentro del tiempo de establecimiento requerido, quedando en un estado intermedio e inestable. Esto puede suceder cuando las entradas de datos y reloj cambian simultáneamente o violan los tiempos de setup y hold. Un estado metaestable es impredecible y puede propagarse, causando errores lógicos y fallos catastróficos en el sistema digital.