ELECTRÓNICA DIGITAL

1. Introducción

La electrónica digital es la rama de la tecnología que trabaja con señales discretas, normalmente representadas por dos estados:
0 → nivel bajo
1 → nivel alto
Estos dos valores permiten representar información, realizar operaciones lógicas y construir sistemas como ordenadores, móviles, robots, calculadoras o consolas.
La electrónica digital se basa en circuitos lógicos, que procesan información mediante puertas lógicas y componentes electrónicos.

Para descargar el programa LOGISIM para simular circuitos electrónicos lógicos pincha en el siguiente enlace: https://github.com/logisim-evolution/logisim-evolution/releases

2. Tecnologías aplicadas: TTL y CMOS

2.1 Tecnología TTL (Transistor–Transistor Logic)

Basada en transistores bipolares.
Muy utilizada en los años 70–90.
Ventajas:
Alta velocidad.
Buena inmunidad al ruido.
Inconvenientes:
Consumo de energía relativamente alto.
Ocupa más espacio.
Los circuitos TTL suelen trabajar con 5 V y se identifican por la serie 74xx.

2.2 Tecnología CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor)

Basada en transistores MOSFET complementarios (NMOS y PMOS).
Es la tecnología dominante hoy en día (microprocesadores, memorias, sensores).
Ventajas:
Muy bajo consumo.
Alta densidad de integración (millones de transistores).
Menor calentamiento.
Inconvenientes:
Más sensibles a descargas electrostáticas.
Los circuitos CMOS suelen identificarse por la serie 40xx.

3. Lógica binaria

La electrónica digital utiliza el sistema binario, formado por dos cifras: 0 y 1.
3.1 Conversión de decimal a binario
Para convertir un número decimal a binario se divide entre 2 y se toman los restos.
Ejemplo:
13
10
→ dividir entre 2
13 / 2 = 6 resto 1
6 / 2 = 3 resto 0
3 / 2 = 1 resto 1
1 / 2 = 0 resto 1
Leyendo los restos al revés:
13 = 1101₂
3.2 Conversión de binario a decimal
Se multiplica cada bit por potencias de 2.
Ejemplo:

11012=1⋅23+1⋅22+0⋅21+1⋅20=8+4+0+1=13

4. Álgebra de Boole

El álgebra de Boole es un sistema matemático que trabaja con dos valores: 0 y 1.
Es la base de las operaciones lógicas.

4.1 Operaciones básicas

Suma lógica (OR)
Producto lógico (AND)
Negación (NOT)

4.2 Teoremas fundamentales
Identidad

A + 0 = A
A · 1 = A
Nulo
A + 1 = 1
A · 0 = 0
Idempotencia
A + A = A
A · A = A
Complemento
A + A’ = 1
A · A’ = 0
Conmutativa
A + B = B + A
A · B = B · A
Asociativa
(A + B) + C = A + (B + C)
(A · B) · C = A · (B · C)
Distributiva
A · (B + C) = A·B + A·C
A + (B · C) = (A + B)(A + C)
De Morgan
(A · B)’ = A’ + B’
(A + B)’ = A’ · B’

5. Puertas lógicas

Las puertas lógicas son circuitos electrónicos que realizan operaciones del álgebra de Boole.

5.1 Puerta NOT

Operación: negación
Símbolo:
Entrada →●→ Salida
Función: invierte el valor
0 → 1
1 → 0
Esquema electrónico (CMOS):
1 transistor PMOS arriba
1 transistor NMOS abajo
Ambos controlados por la misma entrada

5.2 Puerta OR

Salida es 1 si alguna entrada es 1.
Tabla:
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1 + 0 = 1
1 + 1 = 1
Esquema electrónico (CMOS):
PMOS en paralelo
NMOS en serie

5.3 Puerta AND

Salida es 1 solo si todas las entradas son 1.
Tabla:
0·0 = 0
0·1 = 0
1·0 = 0
1·1 = 1
Esquema electrónico (CMOS):
PMOS en serie
NMOS en paralelo

5.4 Puerta NAND

Es la negación de AND.
Salida es 0 solo si todas las entradas son 1.
Muy usada en electrónica digital.
Esquema CMOS:
Igual que AND pero con una puerta NOT al final.

5.5 Puerta NOR

Negación de OR.
Salida es 1 solo si todas las entradas son 0.
Esquema CMOS:
Igual que OR pero con una puerta NOT al final.

6. Esquemas electrónicos básicos de cada puerta (resumen)

Puerta PMOS NMOS Conexión
NOT 1 1 Inversor simple
OR Paralelo Serie OR
AND Serie Paralelo AND
NAND Serie + NOT Paralelo + NOT AND negada
NOR Paralelo + NOT Serie + NOT OR negada

1. Actividades de lógica binaria

1.1 Conversión decimal ↔ binario

Convierte los siguientes números decimales a binario:

Convierte los siguientes números binarios a decimal:

1010₂

11001₂

11111₂

100101₂

101011₂

2. Actividades de álgebra de Boole

2.1 Simplificación de expresiones

Simplifica usando teoremas del álgebra de Boole:

$A + A \cdot B$

$A \cdot (A + B)$

$(A + B) \cdot (A + C)$

$A + A^{'} \cdot B$

$(A \cdot B)^{'}$ (aplica De Morgan)

2.2 Completa las tablas de verdad

Completa las tablas para las siguientes expresiones:

$A + B$

$A \cdot B$

$A^{'} + B$

$(A + B)^{'}$

$A \cdot B^{'} + A^{'} \cdot B$ (XOR)

3. Actividades sobre puertas lógicas

3.1 Identificación

Indica qué puerta lógica realiza cada función:

Salida = 1 solo cuando todas las entradas son 1

Salida = 0 solo cuando todas las entradas son 1

Salida = 1 cuando alguna entrada es 1

Salida = 1 solo cuando todas las entradas son 0

Salida = 1 cuando las entradas son diferentes

3.2 Dibujar símbolos

Dibuja los símbolos de las siguientes puertas:

NOT

AND

NAND

NOR

XOR

4. Actividades de aplicación

4.1 Diseña un circuito

Diseña un circuito digital que cumpla estas funciones:

Encender una luz cuando al menos uno de dos sensores detecte movimiento.

¿Qué puerta necesitas?

Activar una alarma solo cuando dos interruptores estén activados a la vez.

¿Qué puerta necesitas?

Encender un LED cuando solo uno de los dos botones esté pulsado.

¿Qué puerta necesitas?

Apagar un motor cuando un sensor de seguridad se active.

¿Qué puerta necesitas?

5. Actividades de razonamiento

5.1 Relaciona cada tecnología con su característica

Relaciona TTL o CMOS con:

Bajo consumo

Alta velocidad

Sensible a descargas electrostáticas

Mayor calentamiento

Tecnología dominante en microprocesadores actuales

5.2 Preguntas cortas

¿Por qué la electrónica digital usa solo dos niveles de tensión?

¿Qué ventaja tiene CMOS frente a TTL?

¿Qué es una tabla de verdad?

¿Qué significa que una puerta NAND es “universal”?

¿Qué diferencia hay entre una señal analógica y una digital?

6. Problema de puertas lógicas.

A) Un sistema de seguridad tiene dos sensores:

A: Sensor de movimiento

B: Sensor de puerta abierta

La alarma debe activarse (Salida = 1) cuando:

Hay movimiento y la puerta está abierta

Hay movimiento, aunque la puerta esté cerrada

La puerta está abierta, aunque no haya movimiento

En cualquier otro caso, la alarma estará apagada (Salida = 0).

B) En un taller hay dos interruptores de seguridad:

A: Interruptor de protección del motor

B: Interruptor de protección de la herramienta

El motor solo puede funcionar (Salida = 1) cuando los dos interruptores están activados al mismo tiempo.

En cualquier otro caso, el motor debe permanecer apagado (Salida = 0).

C)Enunciado del ejercicio

Diseña y analiza un circuito lógico de tres entradas $A$ , $B$ y $C$ cuya salida $F$ viene dada por la expresión:

F=A⋅B+A⋅C

donde:

$\cdot$ es la operación AND
$+$ es la operación OR

Dibuja el circuito lógico correspondiente.
Elabora la tabla de verdad completa.

D) Enunciado del ejercicio

Una máquina dispone de un sistema de seguridad formado por:

Sensor S1: puerta de protección cerrada
- S1 = 1 → la puerta está cerrada
- S1 = 0 → la puerta está abierta
Sensor S2: barrera de luz de seguridad libre
- S2 = 1 → no hay nada bloqueando la barrera
- S2 = 0 → algo la está bloqueando (mano, objeto, etc.)
Pulsador P: botón de marcha
- P = 1 → el operario pulsa el botón
- P = 0 → el botón no está pulsado

La máquina tiene una salida:

M: estado del motor
- M = 1 → el motor está encendido
- M = 0 → el motor está apagado

La máquina solo puede funcionar si:

la puerta está cerrada,
la barrera de seguridad está libre,
y el operario pulsa el botón de marcha.

S1 (puerta) │ │ [ SEGURIDAD ]───┐ │ S2 (barrera) │ │ │ └────────────┘ │ AND ───── M (motor) ▲ │ P (botón marcha)