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[MICROELECTRONICA LA ELECTRONICA DIGITAL][UPAC - 2015]

MICROELECTRNICA

1. LA ELECTRONICA DIGITAL

1.1. INTRODUCCION A LA ELECTRONICA DIGITALLa electrnica digital ha sido una de las revoluciones tecnolgicas ms importantes y decisivas de las ltimas dcadas. Su evolucin vertiginosa ha cambiado el ritmo de nuestro tiempo y representa el liderazgo tecnolgico de la vida moderna.Los avances alcanzados en el campo de la electrnica digital han permitido el desarrollo y la fabricacin masiva, a bajo costo, de calculadoras de bolsillo, relojes digitales, computadores personales, robots, y toda una generacin de aparatos y sistemas inteligentes de uso domstico, comercial industrial, automotriz, cientfico, mdico, etc. (figura 1).

En gran parte, todo este desarrollo ha sido posible gracias al milagro de la microelectrnica. Esta tecnologa le ha permitido al hombre fabricar, sobre diminutas pastillas de silicio llamadas chips o circuitos integrados, sistemas completos que contienen miles de componentes electrnicos (figura 2).

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

La electrnica digital tuvo un desarrollo incipiente durante la era de los tubos de vaco. Despus, con la invencin del transistor, se facilit su progreso y avance.Pero, definitivamente, el gran salto se logr cuando aparecieron los circuitos integrados y revolucionaron el panorama tecnolgico existente, relegando los transistores a labores secundarias.La introduccin de los circuitos integrados hizo posible la miniaturizacin de los sistemas digitales, diversific sus aplicaciones y masific la produccin de aparatos con tecnologa digital.Actualmente, la electrnica digital est en pleno desarrollo y los logros en este campo son cada vez ms sorprendentes. As mismo, la tendencia de los fabricantes es obtener circuitos integrados ms complejos, ms pequeos, con menos consum de energa y a un menor costo para el usuario.

La electrnica digital es muy importante para todas las personas que estn relacionadas de una u otra forma con el mundo de la electrnica, ya sea como hobby o como parte de su profesin o de su formacin acadmica.Incluso los tcnicos de productos tradicionalmente "anlogos" como televisores, equipos de sonido y de comunicaciones se encontrarn cada da con ms circuitos digitales en su trabajo diario.

Conceptualmente, la electrnica digital es, en la teora y en la prctica, ms sencilla que la electrnica anloga. Esto se debe a que los dispositivos digitales trabajan solamente en dos condiciones o estados, comportndose en forma similar a los swiches o interruptores.1.2. QU ES LA ELECTRNICA DIGITALLa electrnica digital puede definirse como la parte de la electrnica que estudia los dispositivos, circuitos y sistemas digitales, binarios o lgicos.

A diferencia de la electrnica lineal o anloga, que trabaja con seales que pueden adoptar una amplia gama de valores de voltaje, los voltajes en electrnica digital estn restringidos a adoptar uno de dos valores llamados niveles lgicos alto y bajo o estados 1 y 0.

Generalmente, un nivel lgico alto 1, corresponde a la presencia de voltaje y un nivel lgico bajo 0 corresponde a la ausencia del mismo.

Para comprender mejor el concepto de sistema digital tomemos como ejemplo un circuito elctrico simple formado por una batera, una lmpara y un interruptor (figura 3).En este caso, el nivel alto 1 lgico representa la situacin cuando se cierra el interruptor y se enciende la lmpara, (figura 3A). El nivel bajo 0 se presenta cuando el interruptor est abierto y la lmpara est apagada, (figura 3B).

En la realidad, los circuitos digitales no son ms que una combinacin de muchos interruptores, extremadamente rpidos, que se cierran o abren en un momento dado, formando determinados patrones de unos (1's) y ceros (0's) que se utilizan para muchos propsitos dentro de los aparatos electrnicos.

En los circuitos digitales prcticos, los estados lgicos 1 y 0 corresponden a dos niveles o rangos de voltaje claramente definidos. La salida de un circuito digital asume nicamente uno de estos dos valores en respuesta a una o ms entradas que pueden estar indistintamente en alto o en bajo.

1.3. CONCEPTO DE BIT

En terminologa digital, los niveles o estados lgicos 1 y 0 se denominan bits. La palabra bit es una contraccin de binary digit (dgito binario). Todos los sistemas digitales electrnicos manejan informacin en forma de bits, es decir, de 1's y 0's.

Un bit 1 0 puede representar la condicin prendida o apagada de una lmpara, 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 comunicacin telegrfica, el valor (1 0) de un numero binario, etc. (figura 4).1.4. CIRCUITOS ANLOGOS Y CIRCUITOS DIGITALESLos circuitos electrnicos en general se dividen en dos grandes categoras: circuitos anlogos y circuitos digitales. Esta divisin se establece de acuerdo con la forma como controlan las seales que circulan por ellos.Los circuitos anlogos trabajan con una amplia variedad de seales que varan en forma continua dentro de valores (figura 5A). Los circuitos anlogos se denominan tambin circuitos lineales.Los circuitos digitales o lgicos trabajan con seales que pueden adoptar nicamente uno de dos valores posibles (figura 5B). En un instante dado, las entradas y salidas de un circuito digital estn en alto o en bajo, pero no en un valor intermedio.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 slo puede estar abierto o cerrado y la lmpara slo puede estar prendida o apagada.Si en cambio remplazamos el interruptor por un regulador de luminosidad como se muestra en la figura 6, este circuito deja de ser digital y se trasforma en un circuito lineal o anlogo.Esto se debe a que al girar la perilla lentamente podemos obtener una variacin continua en la iluminacin, llevndola desde un valor mnimo hasta un valor mximo. Ejemplos de aparatos electrnicos anlogos son los radios, los televisores, los equipos de sonido y de comunicaciones.Debido a su caracterstica de adoptar solamente uno de dos posibles valores, los circuitos digitales se utilizan con xito en aplicaciones donde se requiere precisin y confiabilidad.Entre los principales aparatos digitales tenemos relojes, calculadoras, computadoras e instrumentos de medida. Estos sistemas entregan procesos y/o reciben seales exactas, ya que una seal digital est o no est y no admite posiciones intermedias.En general, los circuitos digitales se caracterizan por manejar informacin en forma de bits. Como sabemos, un bit o dgito binario representa el estado o condicin (1 0, alto o bajo) de una seal digital.

El bit es la unidad bsica de informacin de cualquier sistema digital, desde la ms simple compuerta hasta el ms sofisticado microcomputador.

Un circuito digital puede tener una o ms entradas y una o ms salidas (figura 7). El nivel o estado lgico de cada salida depende del estado de cada una de las entradas y de la funcin especfica para la que ha sido diseado el circuito.Tanto los circuitos anlogos como los digitales se pueden implementar en la prctica 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 construccin, discreta o integrada, la diferencia fundamental entre un circuito anlogo y uno digital radica en la forma como cada uno utiliza o procesa la corriente elctrica.Mientras los circuitos anlogos bsicamente amplifican la corriente, los circuitos digitales simplemente la conmutan entre un valor y otro. Esto les permite realizar funciones increblemente complejas, con toda confiabilidad, muy rpidamente y sin costos altos.Muchos sistemas actuales son hbridos, esto es, manejan simultneamente seales anlogas y seales digitales y deben procesarlas tanto anloga como digitalmente para obtener informacin de entrada y salida. Los sistemas hbridos ms conocidos son los que se utilizan para el control de procesos industriales, en los cuales se miden y controlan cantidades anlogas como la temperatura, la velocidad, el tiempo, etc.Una vez obtenida esta informacin, que es anloga, se convierte en una informacin digital para facilitar su proceso mediante circuitos digitales como contadores, comparadores, microprocesadores, etc.Otros sistemas electrnicos muy populares actualmente que trabajan con seales digitales y anlogas al mismo tiempo son los equipos de reproduccin de discos por lser o "Compact Disc". Tambin en las videograbadoras y televisores modernos se han incorporado tcnicas y circuitos digitales que permiten procesar imgenes y crear efectos visuales y de video muy interesantes.

Fig. 1

Lic. Angel Roque UPAC INGENIERIA DE SISTEMAS 5