Circuitos Lógicos Digitales 3Ed
Javier Vázquez Del Real
Si quiere tener a su alcance una colección de casos de estudio sobre diseño lógico digital, expuestos en capítulos individuales a modo de sesiones prácticas, ha llegado al libro indicado. En él se recurre a una versión gratuita del versátil programa PSpice para simular un amplio abanico de diseños digitales como paso previo a la verificación experimental de su funcionamiento, ...
Si quiere tener a su alcance una colección de casos de estudio sobre diseño lógico digital, expuestos en capítulos individuales a modo de sesiones prácticas, ha llegado al libro indicado. En él se recurre a una versión gratuita del versátil programa PSpice para simular un amplio abanico de diseños digitales como paso previo a la verificación experimental de su funcionamiento, que se realizará mediante el cableado manual sobre placas de prototipos de circuitos integrados digitales de pequeña y mediana escala de integración. Gracias a los dispositivos lógicos de función fija y bajo coste, que integran desde simples puertas lógicas y biestables hasta decodificadores, multiplexores, sumadores, contadores y registros de desplazamiento, es posible experimentar con todos los diseños propuestos en el libro sin necesidad de contar con sofisticados recursos. El presente texto constituye, por tanto, un complemento formativo orientado a afianzar el aprendizaje de los fundamentos de la disciplina mediante un enfoque práctico que, además, le facilitará el abordaje del diseño de sistemas digitales mediante lenguajes de descripción hardware en una etapa adicional del aprendizaje. En esta tercera edición el material se ha agrupado en cinco partes. La primera de ellas persigue una primera toma de contacto con los circuitos integrados digitales a partir de sencillos montajes orientados a la caracterización eléctrica y temporal de puertas lógicas. La segunda parte incide en cuestiones de lógica puramente combinacional mediante diseños implementados tanto con puertas lógicas como con dispositivos modulares. En la tercera y cuarta parte se aborda el estudio de la lógica secuencial síncrona y asíncrona, respectivamente. La quinta y última parte comprende una variada selección de aplicaciones de las funciones lógicas de uso común que complementan el material previo y abren la puerta al estudio de una serie de áreas temáticas enraizadas en los fundamentos de las tecnologías electrónicas digitales, entre las que destacan los computadores y su estructura, los sistemas electrónicos de comunicaciones, el desarrollo de sistemas empotrados basados en microcontrolador y la implementación de diseños digitales empleando lógica configurable. Sin duda, este libro le será de gran utilidad si desea profundizar en la electrónica digital o si es un estudiante universitario que cursa asignaturas sobre dicha materia. Javier Vázquez del Real es profesor titular del área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Castilla-La Mancha.
Reseña del Editor
Presentación ...................................................................................................... xxiii
PARTE 1 Familias lógicas ........................................................................ 1
1 Puertas lógicas TTL ........................................................................................... 3
1.1 Introducción ............................................................................................................... 3
1.2 Estructura de una puerta TTL NAND de dos entradas .............................................. 4
1.3 Cargabilidad de salida de una puerta inversora TTL ................................................. 7
1.3.1 Estimación analítica .......................................................................................... 7
1.3.2 Análisis mediante PSpice ................................................................................. 9
1.4 Características de transferencia .............................................................................. 13
1.4.1 Puerta inversora TTL estándar ....................................................................... 13
1.4.2 Puerta inversora (CI 7404) ............................................................................. 16
1.4.3 Puerta NAND (CI 7400) .................................................................................. 17
1.5 Entradas flotantes en puertas TTL .......................................................................... 19
1.5.1 El riesgo potencial de las entradas flotantes ................................................. 19
1.5.2 ¿Qué hacer con las entradas no utilizadas? ................................................... 20
1.6 Caracterización temporal ........................................................................................ 21
1.6.1 Parámetros característicos ............................................................................. 21
1.6.2 Oscilador en anillo .......................................................................................... 25
1.7 Componentes .......................................................................................................... 27
1.8 Verificación experimental ........................................................................................ 27
1.8.1 Obtención de las tablas de verdad ................................................................. 27
1.8.1.1 Función lógica NOT (inversión) .............................................................. 28
1.8.1.2 Función lógica NAND ............................................................................. 28
1.8.1.3 Función lógica NOR ............................................................................... 29
1.8.2 Cargabilidad de salida .................................................................................... 30
1.8.2.1 Estimación de la resistencia de salida de un dispositivo ....................... 30
1.8.3 Características de transferencia de un inversor .............................................. 31
1.8.3.1 Característica de transferencia vs(ve) ..................................................... 31
1.8.3.2 Característica de transferencia ie(ve) ...................................................... 32
1.8.4 Entradas flotantes en una puerta NAND (CI 74x00) ....................................... 33
1.8.5 Caracterización temporal: oscilador en anillo ................................................. 33
1.9 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ......................................................................... 34
2 Puertas lógicas CMOS ..................................................................................... 35
2.1 Introducción ............................................................................................................. 35
2.2 Estructura de una puerta CMOS NAND de dos entradas ........................................ 38
2.3 Cargabilidad de salida de una puerta CMOS NAND .................................................... 39
2.3.1 Consideraciones preliminares ......................................................................... 39
2.3.2 Análisis mediante PSpice ................................................................................ 42
2.3.2.1 Caso de estudio 1 ................................................................................... 44
2.3.2.2 Caso de estudio 2 ................................................................................... 46
2.3.2.3 Caso de estudio 3 ................................................................................... 48
2.3.2.4 Cargabilidad del CI 4011B ...................................................................... 50
2.4 Características de transferencia .............................................................................. 51
2.5 Entradas flotantes en puertas CMOS ...................................................................... 57
2.6 Componentes .......................................................................................................... 58
2.7 Verificación experimental ......................................................................................... 58
2.7.1 Cargabilidad de salida ..................................................................................... 58
2.7.2 Características de transferencia de un inversor CMOS .................................. 59
2.7.2.1 Característica de transferencia vs(ve) ..................................................... 60
2.7.2.2 Característica de transferencia ie(ve) ...................................................... 60
2.7.3 Entradas flotantes en una puerta NAND (CI 4011B) ....................................... 61
2.8 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ......................................................................... 62
PARTE 2 Lógica combinacional ............................................................ 65
3 Decodificador binario básico de 2 a 4 ............................................................ 67
3.1 Introducción ............................................................................................................. 65
3.2 Decodificador binario básico de 2 a 4 ...................................................................... 71
3.2.1 Decodificación con salidas activas a nivel alto ................................................ 71
3.2.2 Decodificación con salidas activas a nivel bajo ............................................... 72
3.3 Simulación ............................................................................................................... 75
3.3.1 Decodificación con salidas activas a nivel alto ................................................ 75
3.3.2 Decodificación con salidas activas a nivel bajo ............................................... 76
3.4 Componentes .......................................................................................................... 77
3.5 Verificación experimental ......................................................................................... 78
3.5.1 Decodificación con salidas activas a nivel alto ................................................ 78
3.5.2 Decodificación con salidas activas a nivel bajo ............................................... 79
3.6 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ......................................................................... 79
4 Síntesis óptima de circuitos combinacionales ............................................. 81
4.1 Introducción ............................................................................................................. 81
4.2 Síntesis en forma de suma de productos (AND-OR) ............................................... 83
4.3 Síntesis en forma de producto de sumas (OR-AND) ............................................... 86
4.4 Síntesis de dos niveles NAND-NAND ...................................................................... 89
4.5 Síntesis de dos niveles NOR-NOR .......................................................................... 90
4.6 Síntesis multinivel con puertas NAND de dos entradas ........................................... 90
4.7 Análisis transitorio: fenómenos aleatorios ................................................................ 94
4.7.1 Tipos de fenómenos aleatorios ....................................................................... 95
4.7.2 Fenómenos aleatorios de función ................................................................... 96
4.7.3 Eliminación de fenómenos aleatorios .............................................................. 99
4.8 Simulación ............................................................................................................. 100
4.8.2 Análisis transitorio ......................................................................................... 101
4.9 Componentes ........................................................................................................ 106
4.10 Verificación experimental .................................................................................... 106
4.11 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 108
5 Codificador binario básico de 4 a 2 .............................................................. 109
5.1 Introducción ........................................................................................................... 109
5.2 Codificador binario básico de 4 a 2 sin prioridad ................................................... 111
5.2.1 Codificación con entradas activas a nivel alto .............................................. 111
5.2.2 Codificación con entradas activas a nivel bajo ............................................. 112
5.3 Codificador binario básico de 4 a 2 con prioridad .................................................. 113
5.3.1 Codificación con entradas activas a nivel alto .............................................. 113
5.3.2 Codificación con entradas activas a nivel bajo ............................................. 116
5.4 Simulación ............................................................................................................. 117
5.4.1 Circuitos codificadores de 4 a 2 sin prioridad ............................................... 118
5.4.1.1 Codificación con entradas activas a nivel alto ...................................... 118
5.4.1.2 Codificación con entradas activas a nivel bajo ..................................... 118
5.4.2 Circuitos codificadores de 4 a 2 con prioridad .............................................. 119
5.4.2.1 Codificación con entradas activas a nivel alto ...................................... 119
5.4.2.2 Codificación con entradas activas a nivel bajo ..................................... 120
5.5 Componentes ........................................................................................................ 121
5.6 Verificación experimental ...................................................................................... 122
5.6.1 Codificación sin prioridad y entradas activas a nivel bajo ............................. 122
5.6.2 Codificación con prioridad y entradas activas a nivel bajo ............................ 122
5.7 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ....................................................................... 123
6 Circuitos comparadores, de paridad y conversores de código ................ 125
6.1 Introducción ........................................................................................................... 125
6.2 Circuitos aritméticos comparadores ...................................................................... 127
6.3 Circuito generador y circuito detector de paridad .................................................. 129
6.4 Circuitos conversores de código ........................................................................... 131
6.5 Simulación ............................................................................................................. 135
6.5.1 Circuito comparador ..................................................................................... 135
6.5.2 Circuito generador de paridad ...................................................................... 136
6.5.3 Circuitos conversores de código ................................................................... 137
6.6 Componentes ........................................................................................................ 139
6.7 Verificación experimental ...................................................................................... 139
6.7.1 Circuito comparador ..................................................................................... 139
6.7.2 Circuito generador de paridad ...................................................................... 139
6.7.3 Circuitos conversores de código ................................................................... 140
6.8 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ....................................................................... 140
7 Decodificador binario de 2 a 4 con control de polaridad ........................... 143
7.1 Introducción ........................................................................................................... 143
7.2 Decodificador binario básico de 2 a 4 con control de polaridad ............................ 144
7.2.1 Tres síntesis distintas con puertas NAND de dos entradas .......................... 145
7.2.2 Síntesis con puertas NAND de cualquier número de entradas ..................... 147
7.2.3 Síntesis basada en puertas XOR .................................................................. 150
7.3 Simulación ............................................................................................................. 151
7.4 Componentes ........................................................................................................ 152
7.5 Verificación experimental ....................................................................................... 153
7.6 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ....................................................................... 153
8 Detección de números primos con multiplexores .................................... 155
8.1 Introducción ........................................................................................................... 155
8.2 Diseño de un detector BCD de números primos .................................................... 158
8.2.1 Síntesis mediante puertas lógicas ................................................................. 158
8.2.2 Síntesis mediante un multiplexor 16:1........................................................... 159
8.2.3 Síntesis mediante un multiplexor 8:1............................................................. 160
8.2.4 Síntesis alternativa mediante un multiplexor 8:1 ........................................... 161
8.3 Diseño de un detector de números primos de 4 bits .............................................. 163
8.3.1 Síntesis mediante puertas lógicas ................................................................. 163
8.3.2 Síntesis mediante un multiplexor 16:1........................................................... 164
8.3.3 Síntesis mediante dos multiplexores 8:1 ....................................................... 165
8.3.4 Síntesis alternativa mediante un multiplexor 8:1 ........................................... 166
8.4 Simulación ............................................................................................................. 167
8.4.1 Detectores BCD de números primos con multiplexor .................................... 167
8.4.1.1 Síntesis mediante un multiplexor 16:1 .................................................. 167
8.4.1.2 Síntesis mediante un multiplexor 8:1 .................................................... 168
8.4.1.3 Síntesis alternativa mediante un multiplexor 8:1 .................................. 169
8.4.2 Detectores de números primos de 4 bits con multiplexor .............................. 169
8.4.2.1 Síntesis mediante un multiplexor 16:1 .................................................. 169
8.4.2.2 Síntesis mediante dos multiplexores 8:1 .............................................. 170
8.4.2.3 Síntesis alternativa mediante un multiplexor 8:1 .................................. 171
8.5 Componentes ........................................................................................................ 172
8.6 Verificación experimental ....................................................................................... 172
8.7 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ....................................................................... 173
9 Sumador completo y sumador binario en paralelo ..................................... 175
9.1 Introducción ........................................................................................................... 175
9.2 Circuito semisumador ............................................................................................ 176
9.3 Circuito sumador completo .................................................................................... 177
9.4 Implementaciones de un sumador completo ......................................................... 179
9.4.1 Síntesis de dos niveles AND-OR mediante PAL ........................................... 179
9.4.2 Síntesis de dos niveles NAND-NAND ........................................................... 180
9.4.3 Dos síntesis de seis niveles con puertas básicas ......................................... 182
9.4.4 Síntesis de cuatro niveles con puertas NAND de tres entradas .................... 184
9.4.5 Síntesis de dos niveles basada en puertas XOR y NAND ............................ 184
9.4.6 Síntesis de tres niveles basada en puertas XOR y NAND ............................ 185
9.5 Sumador binario en paralelo con acarreo serie ..................................................... 187
9.6 Simulación ............................................................................................................. 189
9.6.1 Semisumador ............................................................................................... 189
9.6.2 Sumador completo ........................................................................................ 190
9.6.3 Sumador binario de 4 bits con acarreo en serie ............................................ 191
9.6.3.1 Propagación del acarreo y retardo asociado ........................................ 191
9.7 Componentes ........................................................................................................ 193
9.8 Verificación experimental ...................................................................................... 193
9.8.1 Semisumador ................................................................................................ 193
9.8.2 Sumador completo ........................................................................................ 194
9.8.3 Sumador binario de 2 bits con acarreo en serie ........................................... 194
9.9 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ....................................................................... 195
10 Unidad aritmética de 4 bits en complemento a dos ................................ 197
10.1 Introducción ......................................................................................................... 197
10.2 Diseño de una unidad aritmética de 4 bits en C2 ................................................. 198
10.2.1 El sumador 74x283 ..................................................................................... 198
10.2.2 La puerta XOR como solución para implementar la resta .......................... 199
10.2.3 El detector de desbordamiento ................................................................... 201
10.2.4 Unidad aritmética completa ........................................................................ 202
10.3 Simulación ........................................................................................................... 203
10.3.1 Módulo sumador ......................................................................................... 203
10.3.2 Módulo sumador/restador ........................................................................... 205
10.3.3 Unidad aritmética con detector de desbordamiento .................................... 206
10.4 Componentes ...................................................................................................... 208
10.5 Verificación experimental .................................................................................... 208
10.5.1 Módulo sumador ......................................................................................... 208
10.5.2 Módulo sumador/restador ........................................................................... 208
10.5.3 Unidad aritmética con detector de desbordamiento .................................... 209
10.6 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 209
PARTE 3 Lógica secuencial síncrona ................................................. 211
11 Generación de señal de reloj con circuitos astables .............................. 215
11.1 Introducción ......................................................................................................... 215
11.2 Diseño de un multivibrador astable con puertas lógicas ..................................... 216
11.3 Diseño de un multivibrador astable con el 555 .................................................... 218
11.4 Simulación ........................................................................................................... 221
11.5 Componentes ...................................................................................................... 222
11.6 Verificación experimental .................................................................................... 223
11.7 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 224
12 Contador de rizo módulo 8 con biestables T ............................................ 225
12.1 Introducción ......................................................................................................... 225
12.2 Dos implementaciones de un contador de rizo ................................................... 228
12.2.1 Contador módulo 8 diseñado con biestables J ? K .................................... 228
12.2.2 Contador módulo 8 diseñado con biestables D .......................................... 229
12.3 La problemática de los estados espurios ............................................................ 229
12.4 Simulación ........................................................................................................... 231
12.4.1 Respuesta del contador diseñado con biestables J ? K ............................ 231
12.4.1.1 Filtrado de los estados espurios mediante registro ............................ 233
12.4.2 Respuesta del contador diseñado con biestables D ................................... 235
Componentes ...................................................................................................... 238
12.6 Verificación experimental ..................................................................................... 238
12.7 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 239
13 Contador de rizo módulo 8 con el 74x90 .................................................... 241
13.1 Introducción ......................................................................................................... 241
13.2 Diseño de un contador módulo 8 con el 74x90 .................................................... 247
13.3 La problemática de los estados espurios ............................................................. 250
13.4 Simulación ........................................................................................................... 251
13.4.1 Secuencia de estados del contador módulo 8 ............................................. 251
13.4.2 Filtrado de los estados espurios mediante registro .................................... 253
13.4.3 Decodificación de estados con el 7448 ...................................................... 254
13.5 Componentes ...................................................................................................... 255
13.6 Verificación experimental ..................................................................................... 256
13.7 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 256
14 Contador síncrono reversible módulo 4 con biestables J ? K ............... 257
14.1 Introducción ......................................................................................................... 257
14.2 Diseño de un contador síncrono reversible módulo 4 ......................................... 261
14.3 Simulación ........................................................................................................... 265
14.3.1 Implementación del diseño con el CI 7473 .................................................. 265
14.3.1.1 Entrada de control S constante .......................................................... 266
14.3.1.2 Cambio de nivel lógico de S con señal de reloj en estado bajo .......... 267
14.3.1.3 Cambio de nivel lógico de S con señal de reloj en estado alto ........... 269
14.3.1.4 Conclusiones ...................................................................................... 272
14.3.2 Implementación del diseño con el CI 74LS73A ........................................... 273
14.4 Componentes ...................................................................................................... 274
14.5 Verificación experimental ..................................................................................... 275
14.6 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 276
15 Contadores síncronos con el 74x163 ......................................................... 277
15.1 Introducción ......................................................................................................... 277
15.2 Diseño de contadores con el 74x163 ................................................................... 280
15.2.1 Contador en modo de carrera libre (módulo 16) ......................................... 280
15.2.2 Contador módulo 13 con la secuencia 0,1,?,12 ......................................... 281
15.2.3 Contador módulo 12 con la secuencia 3,4,?,14 ......................................... 281
15.2.4 Contador módulo 146 con la secuencia 0,1,?,145 ..................................... 282
15.3 Simulación ........................................................................................................... 283
15.3.1 Contador en modo de carrera libre (módulo 16) ......................................... 283
15.3.2 Contador módulo 13 con la secuencia 0,1,?,12 ......................................... 284
15.3.3 Contador módulo 12 con la secuencia 3,4,?,14 ......................................... 285
15.3.4 Contador módulo 146 con la secuencia 0,1,?,145 ..................................... 286
15.4 Componentes ...................................................................................................... 288
15.5 Verificación experimental ..................................................................................... 289
15.6 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 289
16 Segundero digital con contadores modulares .......................................... 291
16.1 Introducción ......................................................................................................... 291
16.2 Tres diseños de un segundero con contadores síncronos .................................. 292
16.2.1 Combinación de dos 74x163 ..................................................................... 292
16.2.2 Combinación de un 74x162 y un 74x163 ................................................... 293
16.2.3 Combinación de un 74x162 y un 74x161 ................................................... 294
16.3 Simulación ........................................................................................................... 295
16.4 Componentes ...................................................................................................... 300
16.5 Verificación experimental .................................................................................... 300
16.5.1 Contador módulo 10 (unidades del segundero) ......................................... 301
16.5.2 Contador módulo 6 (decenas del segundero) ............................................ 301
16.5.3 Segundero digital completo ....................................................................... 301
16.6 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 303
17 Decodificación de los estados de un contador ........................................ 305
17.1 Introducción ......................................................................................................... 305
17.2 Decodificación de contadores modulares ............................................................ 306
17.2.1 Decodificación de un contador asíncrono .................................................. 306
17.2.2 Decodificación de un contador síncrono .................................................... 307
17.3 Riesgo de interferencias en las líneas decodificadas .......................................... 308
17.3.1 Eliminación del riesgo de interferencias en la decodificación .................... 309
17.3.1.1 Habilitación desfasada del decodificador ........................................... 309
17.3.1.2 Filtrado mediante registro .................................................................. 310
17.3.1.3 Decodificación directa con un contador en anillo ............................... 311
17.4 Simulación ........................................................................................................... 311
17.4.1 Decodificación de contadores 74x90 con dispositivos 74x138 ................. 312
17.4.2 Decodificación de contadores 74x163 con dispositivos 74x42 ................. 316
17.4.3 Eliminación del riesgo de interferencias en la decodificación .................... 319
17.4.3.1 Habilitación desfasada del decodificador ........................................... 319
17.4.3.2 Filtrado mediante registro .................................................................. 320
17.5 Componentes ...................................................................................................... 321
17.6 Verificación experimental .................................................................................... 322
17.7 Ejercicios y cuestiones de refuerzo ..................................................................... 322
18 Registro de desplazamiento de 4 bits con biestables D .......................... 325
18.1 Introducción ......................................................................................................... 325
18.2 Diseño de un registro de desplazamiento de 4 bits ............................................. 326
18.3 Simulación ........................................................................................................... 327
18.3.1 Entrada serie y salida en paralelo ............................................................... 327
18.3.2 Entrada en paralelo y salida en paralelo ..................................................... 328
18.4 Componentes ...................................................................................................... 329
18.5 Verificación experimental .................................................................................... 330
18.6 Ejercicios y cuestiones de refuerzo .............................................
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