Curso de electrónica digital. básica I

Introducción
LA ELECTRÓNICA DIGITAL

La revolución en la electrónica 
Qué es la electrónica digital. Concepto de bit .Circuitos análogos y circuitos digitales .Circuitos combinatorios y circuitos secuenciales 

La revolución en la electrónica

La electrónica digital ha sido una de las revoluciones tecnológicas más importantes y decisivas de las últimas décadas. Su evolución vertiginosa ha cambiado el ritmo de nuestro tiempo y representa el liderazgo tecnológico de la vida moderna.

Los avances alcanzados en el campo de la elec trónica digital han permitido el desarrollo y la fabricación masiva, a bajo costo, de calculadoras de bolsillo, relojes digitales, computadores personales, robots, y toda una generación de aparatos y sistemas inteligentes de uso doméstico, comercial, industrial, automotriz, científico, médico, etc. (figura 1).

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En gran parte, todo este desarrollo ha sido posible gracias al milagro de la microelectrónica. Esta tecnología le ha permitido al hombre fabricar, sobre diminutas pastillas de silicio llamadas chipso circuitos integrados, sistemas completos que con tienen miles de componentes electrónicos (figura 2). Los circuitos integrados se estudian en la lección 1.

En sus comienzos, la electrónica digital era una ciencia exclusiva para ingenieros y unos pocos especialistas que la hacían misteriosa e impenetrable. Por fortuna, las cosas cambiaron y la invención de los circuitos integrados digitales la hizo accesible a todo el mundo.

La electrónica digital tuvo un desarrollo incipiente durante la era de los tubos de vacío. Después, con la invención del transistor, se facilitó su progreso y avance.

Pero, definitivamente, el gran salto se logró cuando aparecieron los circuitos integrados y revolucionaron el panorama tecnológico existente, relegando los transistores a labores secundarias.

La introducción de los circuitos integrados hizo posible la miniaturización de los sistemas digitales, diversificó sus aplicaciones y masificó la producción de aparatos con tecnología digital.

Actualmente, la electrónica digital está en pleno desarrollo y los logros en este campo son cada vez más sorprendentes. Así mismo, la tendencia de los fabricantes es obtener circuitos integrados más complejos, más pequeños, con menos consumo de energía y a un menor costo para el usuario. '

La electrónica digital es muy importante para todas las personas que están relacionadas de una u otra forma con el mundo de la electrónica, ya sea como hobby o como parte de su profesión o de su formación académica.

Incluso los técnicos de productos tradicional mente "análogos" como televisores, equipos de so nido y de comunicaciones se encontrarán cada día con más circuitos digitales en su trabajo diario.

Conceptualmente, la electrónica digital es, en la teoría y en la práctica, más sencilla que la electrónica análoga, como veremos a continuación. Esto se debe a que los dispositivos digitales trabajan so lamente en dos condiciones o estados, comportándose en forma similar a los suiches o interruptores.

Qué es la electrónica digital. Concepto de bit.

La electrónica digital puede definirse como la parte de la electrónica que estudia los dispositivos, circuitos y sistemas digitales, bina nos o lógicos.

A diferencia de la electrónica lineal o análoga, que trabaja con señales que pueden adoptar una amplia gama de valores de voltaje, los voltajes en electrónica digital están restringidos a adoptar uno de dos valores llamados niveles lógicos alto y bajo o estados 1 y O.

Generalmente, un nivel lógico alto ó 1, corresponde a la presencia de voltaje y un nivel lógico bajo ó O corresponde a la ausencia del mismo.

Para comprender mejor el concepto de sistema digital tomemos como ejemplo un circuito eléctrico simple formado por una batería, una lámpara y un interruptor (figura 3).

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En este caso, el nivel alto ó 1 lógico representa la situación cuando se cierra el interruptor y se enciende la lámpara. (figura 3A). El nivel bajo ó O se presenta cuando el interruptor está abierto y la lámpara está apagada. (figura 3B).

En la realidad, los circuitos digitales no son más que una combinación de muchos interruptores, extremadamente rápidos; que se cierran o abren en un momento dado, formando determinados patrones de unos (l's) y ceros (O'S) que se utilizan para muchos propósitos dentro de los aparatos electrónicos.

En los circuitos digitales prácticos, los estados lógicos 1 y O corresponden a dos niveles o rangos de voltaje claramente definidos. La salida de un circuito digital asume únicamente uno de estos dos va lores en respuesta a una o más entradas que pueden estar indistintamente en alto o en bajo.

El tema de los niveles lógicos de voltaje, tal como se interpreta en los circuitos digitales, se analiza en detalle en la lección 1.

En terminología digital, los niveles o estados lógicos 1 y O se denominan bits. La palabra bit es una contracción de binary digit (dígito binario). Todos los sistemas digitales electrónicos manejan información en forma de bits, es decir, de 1 's y O's.

Un bit 1 ó O puede representar  la condición prendida o apagada de una lámpara, el estado cerrado o abierto de un interruptor, la presencia o ausencia de un agujero en una tarjeta perforada, una marca o un espacio en una comunicación telegráfica, el valor (1 ó O) de un número binario, etc. (figura 4).

Circuitos análogos y circuitos digitales

Los circuitos electrónicos en general se dividen en dos grandes categorías: circuitos análogos y circuitos digitales. Esta división se establece de acuerdo con la forma como controlan las señales que circulan por ellos.

Los circuitos análogos trabajan con una amplia variedad de señales que varían en forma continua dentro de valores (figura 5A). Los circuitos análogos se denominan también circuitos lineales.

Los circuitos digitales o lógicos trabajan con señales que pueden adoptar únicamente uno de dos valores posibles (figura 5B). En un instante dado, las entradas y salidas de un circuito digital están en alto o en bajo, pero no en un valor internodio.

Utilizando otra vez el circuito de la figura 3 como ejemplo para aclarar estas ideas, podemos afirmar que se trata de un sistema digital porque el interruptor sólo puede estar abierto o cerrado y la lámpara sólo puede estar prendida o apagada.

Si en cambio remplazamos el interruptor por un regulador de luminosidad como se muestra en la fi gura 6, este circuito deja de ser digital y se tras forma en un circuito lineal o análogo.

Esto se debe a que al girar la perilla lentamente podemos obtener una variación continua en la iluminación, llevándola desde un valor mínimo hasta un valor máximo. Ejemplos de aparatos electrónicos análogos son los radios, los televisores, los equipos de sonido y de comunicaciones.

Debido a su característica de adoptar solamente uno de dos posibles valores, los circuitos digitales se utilizan con éxito en aplicaciones donde se requiere precisión y con fiabilidad.

Entre los principales aparatos digitales tenemos relojes, calculadoras, computadoras e instrumentos de medida. Estos sistemas entregan procesos y/o reciben señales exactas, ya que una señal digital está o no está y no admite posiciones intermedias.

En general, los circuitos digitales se caracterizan por manejar información en forma de bits. Como sabemos, un bit o dígito binario representa el estado o condición (1 ó O, alto o bajo) de una señal digital.

El bit es la unidad básica de información de cualquier sistema digital, desde la más simple compuerta hasta el más sofisticado microcomputador.

Un circuito digital puede tener una o más entra... das y una o más salidas (figura 7). El nivelo estado lógico de cada salida depende del estado de cada una de las entradas y de la función específica para la que ha sido diseñado el circuito.

Tanto los circuitos análogos como los digitales se pueden implementar en la práctica mediante componentes discretos o en forma integrada.

Los circuitos de componentes discretos son los constituidos de transistores, resistencias, diodos, condensadores y otros dispositivos individuales interconectados sobre una tarjeta de circuito impreso (figura 8). En un circuito integrado, todos los componentes se fabrican conjuntamente sobre una pastilla de silicio o chip.

Independientemente de su construcción, discreta o integrada, la diferencia fundamental entre un circuito análogo y uno digital radica en la forma como cada uno utiliza o procesa la corriente eléctrica.

Mientras los circuitos análogos básicamente amplifican la corriente, los circuitos digitales simple mente la conmutan entre un valor y otro. Esto les permite realizar funciones increíblemente complejas, con toda confiabilidad, muy rápidamente y sin costos altos.

Muchos sistemas actuales son híbridos, esto es, manejan simultáneamente señales análogas y señales digitales y deben procesarlas tanto análoga como digitalmente para obtener información de entra da y salida.

Los sistemas híbrido s más conocidos son los que se utilizan para el control de procesos industriales, en los cuales se miden y controlan canti dades análogas como la temperatura, la velocidad, el tiempo, etc.

Una vez obtenida esta información, que es análoga, se convierte en una información digital para facilitar su proceso mediante circuitos digitales como contadores, comparadores, microprocesadores, etc.

Otros sistemas electrónicos muy populares actualmente que trabajan con señales digitales y análogas al mismo tiempo son los equipos de reproducción de discos por láser o "Compact Disc" que se .describen en la página de tecnología al [mal de esta lección 1.

También en las videograbadoras y televisores modernos se han incorporado técnicas y circuitos digitales que permiten procesar imágenes y crear efectos visuales y de video muy interesantes.