Comportamiento de Compuertas Logicas

Julian CantorUniversidad Nacional de Colombia

Facultad de IngenierıaEmail:jrcantorl@unal.edu.co

Alejandro ZabalaUniversidad Nacional de Colombia

Facultad de IngenierıaEmail:azabalac@unal.edu.co

Resumen—Se comprobo el funcionamiento de tres compuertaslogicas OR, AND y NAND basadas en tecnologıa CMOS, pormedio de led´s se verifico la salida de la tabla de verdad decada compuerta, sus entradas se cambiaron inicialmente deforma manual por medio de dip-switch posteriormente para lacompuerta NAND se realizo un barrido en frecuencia dejandodos de sus entradas en 1 y la tercera entrada se alimento conuna senal cuadrada de 5vpp y un offset de 2,5v. Se encontro quela tabla de verdad se cumple para estas tres compuertas y quetienen limites de respuesta no solo por la compuerta si no porlos instrumentos que se usaron en el laboratorio. Abstract

I. INTRODUCCION

El auge tecnologico de la sociedad actual tiene sus orıgenesen el avance de la electronica en el siglo pasado. Dicho avancetrajo novedades como el transistor que permitio disenos mascompactos de dispositivos como la radio, y que tambien hizoposible el desarrollo de operadores logicos. Gracias a esto,es posible el tratamiento de senales discretas y de sistemasdigitales. Estos sistemas son importantes ya que presentanuna amplia ventaja en cuanto a seguridad, almacenamiento yprocesamiento de la informacion.

II. RESULTADOS

En la primera parte se comprobo el funcionamiento de 3compuertas logicas en el siguiente orden: compuerta OR conun integrado CD4071, compuerta AND CD4081 y compuertaNAND 4023. Para verificar la logica de la compuerta OR, serealizo el montaje de la figura 1 con ayuda de la hoja de datosque provee el fabricante.

Figura 1. Montaje para la compuerta logica OR.

Este circuito esta compuesto por dos interruptores quepermiten realizar un uno logico (5 voltios) en las entradas (IN1e IN2) cuando se cierra el interruptor. Las resistencias de 10KΩlimitan la corriente para proteger la compuerta, mientras que enla salida hay una resistencia de 1KΩ que limita la corriente delLED que esta conectado en serie. Cuando el LED enciende espor que a la salida hay un voltaje superior a los 2,3 Voltios y seasume como un uno logico. Se tomo registro de la combinacion

de las entradas que tenia el circuito y del estado del LED enla salida, estos resultados se consignaron en la tabla I.

IN1 IN2 OUT0 0 00 1 11 0 11 1 1

Tabla I. FUNCIONAMIENTO DE LA COMPUERTA OR

De manera analoga, se realizo el montaje de la figura 2 paraverificar el comportamiento de la compuerta AND CD4081.

Figura 2. Montaje para la compuerta logica AND.

Los resultados del funcionamiento logico de este disposi-tivo estan registrados en la tabla II.

IN1 IN2 OUT0 0 00 1 01 0 01 1 1

Tabla II. FUNCIONAMIENTO DE LA COMPUERTA AND.

Finalmente, para concluir la primera parte se ensambloen la protoboard el circuito de la figura 3 . En este caso severifico el funcionamiento logico de una compuerta NANDde 2 entradas , sin embargo, la referencia CD4023 es de unacompuerta de 3 entradas por lo que una de las entradas seenvio directo a 5 voltios para garantizar un uno logico conesta conexion. Los resultados del funcionamiento logico deeste dispositivo estan registrados en la tabla III.

IN1 IN2 OUT0 0 10 1 11 0 11 1 0

Tabla III. FUNCIONAMIENTO DE LA COMPUERTA NAND.

En la segunda parte se realizo por medio del montajeque se muestra en la figura 4, se configuro el generador deondas con una senal cuadrada de 5vpp y un nivel DC de 2,5v,

Figura 3. Montaje para la compuerta logica NAND.

estos valores se mantuvieron fijos y se hizo un barrido defrecuencia iniciando en 100hz los resultados obtenidos paraeste valor inicial de frecuencia se muestran en la figura 5.Como se puede observar la forma de onda entre la entrada yla salida es bastante similar y cumple con la tabla de verdadque se mostro en la primera parte, este caso corresponde ados entradas en 1 y la tercera variando entre 0 y 1, cuandola entrada esta en 1 la salida es 0 y viceversa. Es importantedenotar que un cambio en la entrada se ve representado en lasalida de forma inmediata, a pesar de que sabemos que existeun tiempo de retraso este no se hace perceptible con este rangode tiempo en el osciloscopio.

Figura 4. Montaje para barrido de frecuencia.

Figura 5. Comportamiento de compuerta AND ante una senal cuadrada de100 Hz

Posteriormente se se vario la frecuencia de la senal deentrada hasta encontrar un valor donde la salida se deformaba yel retraso era evidente y perceptible, es decir se busco el valorlimite de respuesta en frecuencia para la compuerta NAND.Este proceso permitio ver que a partir de aproximadamentelos 2,1Mhz la senal de salida deforma los estados logicos ys pierde el nivel de tension que los representa esto se puedeevidenciar en la figura 6.

Finalmente se muestra el comportamiento de la compuertaa 5Mhz es claro como los niveles logico se pierden totalmente,es decir la respuesta de la compuerta no solo tiene un retrasomarcado si no que el nivel de tension que indica un 1 logico yano es de 5v si no aproximadamente de la mitad. Es importante

Figura 6. Lımite de respuesta en frecuencia para compuerta NAND

aclarar que a estas frecuencias no solo falla el dispositivologico, si no que adicionalmente el generador de senalestambien deforma la onda y no entrega una forma cuadradapues a estas frecuencias es muy difıcil hacer un cambio tanabrupto. Ademas para un analisis mas exhaustivo se debetener en cuenta las sondas con las que se mide y tambienel osciloscopio, pues para estas altas frecuencias se produceun efecto marcado de capacitancia parasita.

Figura 7. Respuesta ante una senal de 5Mhz para compuerta NAND

III. CONCLUSIONES

Para altas frecuencias es importante tener precaucioncon el analisis en tiempo es decir cuanto se demoraen surtir efecto en la salida un cambio en la entrada,es por esto que se debe verificar la especificacionesdel fabricante antes de realizar un diseno.

Con el desarrollo de esta practica se pudo comprobarlos niveles de abstraccion utiles para el diseno desistemas digitales. Aca no importo la construccioninterna de la compuertas o el comportamiento delos portadores en el material. Se trabajo en base alos datos que proporciona el fabricante para conectarapropiadamente las entradas y la salida.

Los instrumentos de medida y alimentacion afectande una forma amplia los resultados, un claro ejemploes lo que sucede con la senal cuadrada la cual a altasfrecuencias es mas similar a un diente de sierra, todoesto se debe tener en cuenta para un buen analisis deun diseno.

REFERENCIAS

[1] David Money Harris, Sarah L. Harris. ”Digital Design and ComputerArchitecture”, 2013.