Puertas lógicas: qué son y para que sirven

Las puertas lógicas son un tipo de circuito digital elemental que funciona basado en la lógica booleana. Un circuito digital es aquel que procesa la información como un dígito binario (ya sea 0 o 1) para hacer algo útil con ella. La lógica booleana es el conjunto de reglas utilizadas para manipular estos bits y crear representaciones lógicas más complejas de la información. Intuitivamente, se puede pensar en las puertas lógicas como interruptores virtuales de encendido y apagado.

Toman señales de entrada y emiten una señal de «encendido» o de «apagado» dependiendo de si la entrada cumple ciertas condiciones. Estas condiciones suelen basarse en cosas como si la señal de entrada es mayor que algún umbral, o si dos entradas combinadas tienen una relación lógica particular entre sí. Estas operaciones se conocen como operadores lógicos, y a continuación exploraremos cada uno de ellas en detalle.

¿Qué es la electrónica digital?

La electrónica digital es una electrónica que utiliza tensiones discretas (a diferencia de la electrónica analógica, que utiliza tensiones continuas). El tipo más común de electrónica digital es la electrónica digital binaria, que utiliza tensiones discretas que son altas (por encima de un determinado umbral) o bajas (por debajo de un determinado umbral) o dígitos binarios (0 o 1). La electrónica digital tiene muchas aplicaciones, como los ordenadores, los teléfonos móviles y otros aparatos digitales.

¿De qué se componen las puertas lógicas?

Una puerta lógica no es un elemento electrónico o componente, sino que están hechas de componentes electrónicos elementales (resistencias, transistores, condensadores,…). Dependiendo de la familia lógica (TTL, RTL, CMOS,…) se pueden formar de unos u otro componentes. Por ejemplo, en la TTL se emplean transistores bipolares, en la RTL se usa una combinación de resistencias y transistores, mientras que en la CMOS se usan transistores unipolares de tipo MOS para componer cada una de las puertas lógicas.

Familias lógicas

Hay una gran variedad de familias lógicas entre las que elegir a la hora de construir un circuito electrónico. Cada familia lógica tiene propiedades diferentes, lo que las hace útiles para aplicaciones específicas. Entender los pros y los contras de cada familia lógica es esencial para conseguir el mejor diseño para tu circuito.

Los términos familia lógica, nivel lógico y voltaje lógico se refieren al mismo concepto: cómo de digital es algo. Hay muchas familias lógicas, pero en general se pueden dividir en CMOS, TTL, ECL, etc. Aunque puede haber otras formas de categorizar estos circuitos, este artículo se centrará en estos cinco tipos populares.

TTL

TTL significa lógica de transistores. Se refiere a cualquier circuito lógico digital que utilice transistores (dispositivos electrónicos que pueden utilizarse como interruptores) controlados por tensiones entre 0 V y 5 V. El transistor se inventó en la década de 1950 y su objetivo era sustituir a los tubos de vacío. Desde entonces se ha convertido en un dispositivo electrónico omnipresente e importante, presente en los circuitos electrónicos analógicos y digitales.

La principal ventaja del TTL es que se puede fabricar con transistores que funcionan con voltajes muy bajos. Esto es importante porque los transistores son baratos y fáciles de fabricar. El TTL tiene un requisito de alto voltaje: tanto la fuente de alimentación como las señales deben estar entre 0 V y 5 V. Esto hace que los circuitos TTL sean caros de construir en aplicaciones a gran escala porque requieren fuentes de alimentación especiales. La familia TTL también es difícil de diseñar porque los voltajes son muy específicos.

CMOS

CMOS son las siglas de complementary metal-oxide-semiconductor. Se trata de una familia de circuitos digitales que utilizan transistores y condensadores para crear una tensión entre 0 V y V (donde V es aproximadamente 5 V). Al igual que los TTL, los circuitos CMOS se utilizan ampliamente en los dispositivos digitales porque son fáciles de fabricar y baratos.

El CMOS es también un circuito de bajo consumo, lo que significa que puede utilizar menos electricidad que otros tipos de circuitos. También tiene poco ruido, lo que significa que no produce mucha estática ni otros tipos de interferencias. El CMOS tiene una alta resistencia de entrada, lo que significa que es fácil de conectar a otros dispositivos como los sensores. También es muy inmune al ruido, ya que su baja resistencia de entrada dificulta la entrada de ruido en el circuito.

ECL

ECL son las siglas en inglés de lógica acoplada a emisor. Esta familia utiliza niveles de tensión entre 15 V y 35 V. ECL se suele utilizar en aplicaciones de alta gama, como ordenadores de alta velocidad y comunicaciones de RF de alta frecuencia. ECL es una familia lógica difícil de diseñar porque las señales son de muy alta tensión.

También es un circuito bastante complicado: la lógica de emisor acoplado se realiza con una combinación de transistores, diodos y resistencias. El ECL es un circuito de bajo consumo, pero requiere fuentes de alimentación especiales para funcionar. También tiene una alta resistencia de entrada, lo que lo hace apropiado para aplicaciones de alta velocidad.

DTL

Estas dos familias lógicas son similares al CMOS en el sentido de que son circuitos de baja tensión y alta corriente. DTL significa lógica de diodo-transistor.

Dado que los circuitos DTL y DTLC requieren bajos voltajes, pueden funcionar con pilas alcalinas. También tienen una alta resistencia de entrada y son inmunes al ruido. Los circuitos DTL y DTLC también son de bajo voltaje, por lo que pueden hacerse con transistores baratos. Sin embargo, tienen una corriente de entrada baja, lo que significa que consumen menos energía que otros circuitos.

Otras familias

Existen otras familias lógicas, pero son menos comunes. Las siglas incluyen PECL, HCTL, RTL, PCTL y ECL. PECL significa ECL positivo, HCTL significa ECL de alta corriente, RTL significa lógica de resistencias-transistores, PCTL significa lógica de transistores de acoplamiento positivo y ECL significa lógica de emisores acoplados.

Estas otras familias lógicas son similares a las mencionadas anteriormente. Sin embargo, tienen diferentes niveles de tensión, requisitos de potencia, resistencias de entrada y otras propiedades. Es importante entender de qué es capaz cada una de estas familias lógicas y cómo diseñar circuitos con ellas.

Ventajas de la electrónica digital

• Escalable: los sistemas digitales pueden ampliarse simplemente añadiendo más componentes. Esto es útil para cuando hay un aumento inesperado de la demanda de un sistema.
• Tolerancia a los fallos: los circuitos digitales suelen tolerar los fallos. Esto significa que si una parte del circuito falla, el resto del sistema seguirá funcionando como se espera.
• Precisión: los circuitos digitales pueden programarse para realizar tareas específicas. Esto los hace más útiles que los circuitos analógicos para tareas de precisión como el control de robots.
• Versátiles: los circuitos digitales pueden realizar diferentes funciones dependiendo de cómo estén programados.
• Bajo consumo de energía: en comparación con los circuitos analógicos, los circuitos digitales consumen menos energía.

Desventajas de la electrónica digital

• Caros: los circuitos digitales suelen ser más caros que los analógicos.
• Más difíciles de entender: los circuitos digitales son más complejos que los analógicos. Esto hace que sean más difíciles de entender, lo que puede llevar a implementaciones incorrectas.

La importancia de las puertas lógicas

Las puertas lógicas son los bloques de construcción de todos los ordenadores modernos: los ordenadores que dirigen nuestro mundo, almacenan información y procesan datos. El auge de los ordenadores en el siglo pasado ha tenido un profundo impacto en nuestra sociedad y en nuestra vida cotidiana, y es difícil imaginar cómo sería nuestro mundo hoy en día sin ordenadores.

Aunque los ordenadores han tenido un gran impacto en nuestro mundo, las puertas lógicas son los componentes esenciales de todos los ordenadores, desde los primeros ordenadores basados en tubos de vacío en la década de 1950 hasta los modernos ordenadores basados en silicio de hoy en día. Los ordenadores basados en el silicio están presentes en casi todos nuestros dispositivos informáticos modernos, desde los ordenadores, las tabletas y los teléfonos inteligentes hasta los coches, los dispositivos médicos e incluso los electrodomésticos.

Señales digitales

Una señal digital es una señal que está encendida (un 1) o apagada (un 0). Las señales digitales no tienen la misma amplitud que una señal analógica (es decir, tienen un valor finito, que puede ser 0 o 1). Como tienen un valor finito, son una forma cómoda de representar información, como letras y números. Un ejemplo sería un ordenador que muestra la imagen de una flor. Si un humano pudiera ver los datos que salen del ordenador, vería una serie de 0s y 1s. Los 0 representarían los píxeles negros y los 1 los blancos.

¿Qué es una puerta lógica?

Las puertas lógicas son el núcleo de todos los circuitos digitales. Reciben un conjunto de señales de entrada y emiten una señal de «encendido» o «apagado» en función de alguna regla que se puede especificar. Por ejemplo, una puerta «AND» recibe dos entradas, y si ambas están «encendidas», la salida está «encendida». Si una o ambas entradas están «apagadas», la salida está «apagada». Esto parece bastante sencillo, pero se vuelve más interesante cuando se considera que se pueden combinar estas puertas para crear lo que se llama circuitos.

Un circuito digital es un conjunto de puertas lógicas conectadas entre sí de forma que la salida de una puerta se convierta en la entrada de otra. Por ejemplo, el siguiente circuito utiliza dos puertas AND, una puerta OR y un inversor para realizar una función muy sencilla: Cuando el interruptor está encendido y ambos sensores detectan movimiento, el LED se enciende. Cuando el interruptor está apagado o cualquiera de los sensores detecta movimiento, el LED se apaga.

La lógica booleana y sus implicaciones

Antes de entrar en cómo solucionar los problemas con las puertas lógicas, primero tenemos que saber qué es realmente la Lógica Booleana. El concepto más importante en los fundamentos de los circuitos digitales es la Lógica Booleana.

La lógica booleana es el lenguaje utilizado para describir cómo manipular los bits (un solo dígito 1 o 0) y crear representaciones lógicas más complejas de la información. En la lógica booleana, se puede describir el estado de un circuito digital utilizando dos valores: verdadero y falso. Un solo bit sólo puede tener uno de los dos valores: 1 o 0, verdadero o falso. También se puede utilizar la lógica booleana para representar el estado de todo un sistema, como el estado de todo un programa informático. La lógica booleana es una herramienta útil porque nos permite representar sistemas muy complicados con sólo unos pocos valores simples, que pueden ser fácilmente manipulados e interactuados.

¿Cómo funcionan las puertas lógicas?

Para entender cómo funcionan las puertas lógicas, empecemos con un ejemplo. Digamos que queremos hacer un circuito que emita un «0» (bajo voltaje) si se pulsa una determinada entrada/interruptor, o un «1» (alto voltaje) si no se pulsa esa entrada. Para ello, utilizaremos una puerta lógica «NOT». Una puerta NOT tiene una entrada y una salida. Cuando la entrada está «encendida», la salida está «apagada» y viceversa.

Podemos decidir qué utilizar como entrada pensando en lo que queremos que haga el circuito cuando se pulse la entrada. Si la entrada está pulsada, queremos que el circuito emita una tensión baja. Si la entrada no está pulsada, queremos que el circuito emita una tensión alta. Así que para poner esto en práctica, tenemos una entrada conectada a un botón. Cuando se pulsa el botón, la entrada está «encendida», y si no se pulsa el botón, la entrada está «apagada». Entonces tenemos una puerta NOT conectada a la entrada, con la salida de la puerta NOT conectada a una fuente de tensión. Cuando la entrada está «encendida», la salida de la puerta NOT está «apagada» y viceversa. Así, cuando se pulsa el botón, la fuente de tensión se conecta a tierra a través del botón, y cuando no se pulsa el botón, la fuente de tensión se conecta a una tensión alta a través de la puerta NOT.

Símbolos de las puertas lógicas y cómo leerlos

Los símbolos de las puertas lógicas son una representación pictórica de cómo funciona una puerta lógica específica. Echemos un vistazo a una puerta NOT y veamos cómo leer su símbolo. Este símbolo consta de tres partes:

• Entradas: siempre se muestra en el lado izquierdo del símbolo.
• Salida: la salida de la puerta se muestra siempre en la parte derecha del símbolo.
• Puerta (puente): se muestra en el centro del símbolo.

Evidentemente, existen varias nomenclaturas, por lo que los símbolos varían de una a otra dependiendo de cuál se use.

Tipos de puertas lógicas

Hay varios tipos diferentes de puertas lógicas, cada una de las cuales toma dos entradas y produce un resultado.

Buffer o puerta lógica directa

Se trata de lo contrario a la puerta NOT o inversor, es decir, una puerta directa o buffer. Si su entrada es 0 la salida será 0, y si la entrada es 1 la salida será 1. Este tipo de puertas se usan bastante, como en algunos pads de conexión, etc.

Inversor o NOT

Un inversor es una puerta lógica básica con una sola entrada y una salida. Un inversor toma una entrada de alto voltaje y da una salida de bajo voltaje, y toma una entrada de bajo voltaje y da una salida de alto voltaje. Dicho de otro modo, siempre invierte. Si la entrada es 1 la salida es 0 y si la entrada es 0 la salida es 1.

AND

Una puerta AND es una puerta lógica que produce una alta tensión cuando todas sus entradas son de alta tensión. La salida de una puerta AND es de alta tensión cuando todas las entradas son de alta tensión o cuando se aplica una entrada de baja tensión a través de una puerta NOT.

OR

Una puerta OR emite un alto voltaje cuando cualquiera de sus entradas es de alto voltaje. Una entrada de alta tensión a través de una puerta NOT se convierte en una salida de baja tensión, por lo que la salida de una puerta OR es de alta tensión cuando cualquiera de sus entradas es de alta tensión.

NAND

Una puerta NAND produce una baja tensión cuando todas sus entradas son de alta tensión. Una entrada de alta tensión a través de una puerta NOT se convierte en una salida de baja tensión, por lo que la salida de una puerta NAND es de baja tensión cuando todas las entradas son de alta tensión o cuando se aplica una entrada de baja tensión a través de una puerta NOT. Es decir, es el resultado de la combinación de una puerta AND + NOT.

NOR

Una puerta NOR emite una tensión alta cuando todas sus entradas son de baja tensión. Una entrada de baja tensión a través de una puerta NOT se convierte en una salida de alta tensión, por lo que la salida de una puerta NOR es de alta tensión cuando todas las entradas son de baja tensión o cuando se aplica una entrada de baja tensión a través de una puerta NOT.  Es decir, es la combinación de una puerta OR + NOT.

Tanto la puerta NAND como la puerta NOR se consideran puertas universales. Y eso es así porque cualquier otra puerta se puede representar con ellas. Por ejemplo, para crear un inversor bastaría con puentear sus entradas. De este modo, cualquier circuito de múltiples puertas lógicas diferentes se puede implementar solo con puertas NOR o solo con puertas NAND.

OR exclusivas (XOR)

Una puerta OR exclusiva emite una tensión alta cuando cualquiera de sus entradas es de alta tensión, pero una tensión baja cuando ambas entradas son de baja tensión. Una entrada de alta tensión a través de una puerta NOT se convierte en una salida de baja tensión, por lo que la salida de una puerta OR exclusiva es de alta tensión cuando cualquiera de sus entradas es de alta tensión o cuando se aplica una entrada de baja tensión a través de una puerta NOT.

XNOR

XNOR es la abreviatura de «exclusive-NOR», y se refiere a un tipo de puerta lógica que emite un 1 sólo cuando las dos entradas son diferentes. En otras palabras, XNOR sería la inversa de la XOR. Las puertas lógicas XNOR se utilizan habitualmente en el diseño de ordenadores para comprobar si dos datos son iguales o si son diferentes entre sí. También se utilizan en el procesamiento de señales digitales para invertirlas. Es decir, las puertas lógicas XNOR son especialmente útiles cuando se necesita asegurar que dos entradas son diferentes.

Puertas lógicas cuánticas

Los ordenadores cuánticos se basan en puertas lógicas cuánticas que pueden manipular bits cuánticos individuales (qubits) en lugar de bits binarios. Las puertas lógicas cuánticas se diferencian de las tradicionales en que emplean la superposición y el entrelazamiento en lugar de los estados de encendido y apagado.

Principales diferencias entre la lógica cuántica y la digital

La computación cuántica se diferencia de la digital en tres aspectos:

• Los datos se procesan en bits frente a qubits.
• Los datos se procesan de forma secuencial frente a los paralelos.
• El estado del sistema se mide en relativo frente a absoluto.

Por tanto, las puertas lógicas y la lógica digital de la computación cuántica no sirve para el paradigma de la computación cuántica.

Diferencias en las leyes de la física

La diferencia más importante entre la lógica cuántica y la lógica digital es que los ordenadores cuánticos se basan en leyes físicas diferentes. Los ordenadores cuánticos utilizan las reglas de la física cuántica, mientras que los ordenadores digitales utilizan las reglas de la física clásica. Estas diferencias van más allá de la forma en que los ordenadores almacenan la información. Afectan a todo lo demás, incluida la forma de diseñar y programar los ordenadores.