Puertas lógicas: definición, tipos, usos

La conductividad eléctrica de un material semiconductor se encuentra entre la de un conductor, como el cobre metálico, y la de un aislante, como el vidrio. A medida que aumenta la temperatura, su resistividad se reduce, mientras que los metales tienen el efecto contrario. La conductividad de una estructura cristalina se puede modificar de forma favorable introduciéndole impurezas (dopaje). Cuando existen dos regiones dopadas separadas en el mismo cristal, se genera una unión semiconductora. El comportamiento de los portadores de carga como electrones, iones y huecos de electrones en estas uniones es la base de los diodos, los transistores y la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos.

Los semiconductores incluyen silicio, germanio, arseniuro de galio y elementos de la llamada escalera metaloide de la tabla periódica. Después del silicio, el arseniuro de galio es el segundo semiconductor más común y se usa en diodos láser, células solares, circuitos integrados de frecuencia de microondas y otras cosas. El silicio es un componente crítico en la fabricación de casi todos los circuitos eléctricos.

Puertas lógicas

Una puerta lógica es un circuito de conmutación simple que determina si un pulso de entrada puede pasar a la salida en circuitos digitales. 

Los componentes básicos de un circuito digital son las puertas lógicas, que ejecutan numerosas operaciones lógicas que requiere cualquier circuito digital. Estos pueden tomar dos o más entradas pero solo producen una salida. 

La combinación de entradas aplicadas a través de una puerta lógica determina su salida. Las puertas lógicas utilizan álgebra booleana para ejecutar procesos lógicos. Las puertas lógicas se encuentran en casi todos los dispositivos digitales que usamos regularmente. Las puertas lógicas se utilizan en la arquitectura de nuestros teléfonos, computadoras portátiles, tabletas y dispositivos de memoria.

Álgebra de Boole

El álgebra booleana es un tipo de álgebra lógica en la que los símbolos representan niveles lógicos. 

Los dígitos (o símbolos) 1 y 0 están relacionados con los niveles lógicos en esta álgebra; en los circuitos eléctricos, el 1 lógico representará un interruptor cerrado, un alto voltaje o el estado «encendido» de un dispositivo. Un interruptor abierto, bajo voltaje o estado «apagado» del dispositivo se representará con un 0 lógico. 

En cualquier momento, un dispositivo digital estará en una de estas dos situaciones binarias. Se puede usar una bombilla para demostrar el funcionamiento de una puerta lógica. Cuando se suministra un 0 lógico al interruptor, se apaga y la bombilla no se enciende. El interruptor está en estado ON cuando se aplica la lógica 1 y la bombilla se encendería. En los circuitos integrados (IC), las puertas lógicas se emplean ampliamente.

Tabla de verdad: Las salidas para todas las combinaciones imaginables de entradas que pueden aplicarse a una puerta lógica o circuito se enumeran en una tabla de verdad. Cuando ingresamos valores en una tabla de verdad, generalmente los expresamos como 1 o 0, donde 1 denota lógica verdadera y 0 denota lógica falsa.

Tipos de puertas lógicas

Una puerta lógica es una puerta digital que permite transferir datos. Puertas lógicas, usan la lógica para determinar si pasar o no una señal. Las puertas lógicas, por otro lado, gobiernan el flujo de información en base a un conjunto de reglas. Los siguientes tipos de puertas lógicas se utilizan comúnmente:

1. Y
2. O
3. NO
4. NI
5. NAND
6. XOR
7. XNOR

Puertas lógicas básicas

• Y puerta

Una puerta AND tiene una sola salida y dos o más entradas.

1. Cuando todas las entradas son 1, la salida de esta puerta es 1.
2. La lógica booleana de la puerta AND es Y=AB si hay dos entradas A y B.

El símbolo y la tabla de verdad de una puerta AND son los siguientes:

Aporte		Producción
A	B	A Y B
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Por lo tanto, en la puerta And, la salida es alta cuando todas las entradas son altas.

• O puerta

Se pueden usar dos o más entradas y una salida en una puerta OR.

1. La lógica de esta puerta es que si al menos una de las entradas es 1, la salida será 1.
2. La salida de la puerta OR vendrá dada por el siguiente procedimiento matemático si hay dos entradas A y B: Y=A+B

Aporte		Producción
A	B	A O B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Por lo tanto, en la puerta OR la ​​salida es alta cuando alguna de las entradas es alta.

• NO puerta

La puerta NOT es una puerta básica de una entrada y una salida.

1. Cuando la entrada es 1, la salida es 0 y viceversa. Una puerta NOT a veces se denomina inversor debido a su característica.
2. Si solo hay una entrada A, la salida puede calcularse utilizando la ecuación booleana Y=A’.

Aporte	Producción
A	No un
0	1
1	0

Una puerta NOT, como muestra su tabla de verdad, invierte la señal de entrada.

Puertas lógicas universales

• Puerta NOR

Una puerta NOR, a veces conocida como puerta «NO-OR», consta de una puerta OR seguida de una puerta NOT.

1. La salida de esta puerta es 1 solo cuando todas sus entradas son 0. Alternativamente, cuando todas las entradas son bajas, la salida es alta.
2. La declaración booleana para la puerta NOR es Y=(A+B)’ si hay dos entradas A y B.

Aporte		Producción
A	B	A NI B
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Al comparar las tablas de verdad, podemos observar que las salidas de la puerta NOR son el polo opuesto de las de una puerta OR. La puerta NOR a veces se conoce como puerta universal, ya que puede usarse para implementar las puertas OR, AND y NOT.

• Puerta NAND

Una compuerta NAND, a veces conocida como compuerta ‘NO-Y’, es esencialmente una compuerta No seguida de una compuerta AND.

1. La salida de esta puerta es 1 solo si ninguna de las entradas es 1. Alternativamente, cuando todas las entradas no son altas y al menos una es baja, la salida es alta.
2. Si hay dos entradas A y B, la expresión booleana para la puerta NAND es Y=(AB)’

Aporte		Producción
A	B	A Y B
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Al comparar sus tablas de verdad, podemos observar que sus salidas son el polo opuesto de una puerta AND. La compuerta NAND se conoce como compuerta universal porque puede usarse para implementar las compuertas AND, OR y NOT.

Otras puertas lógicas

• Puerta XOR

La puerta Exclusive-OR o ‘Ex-OR’ es una puerta lógica digital que acepta más de dos entradas pero solo emite un valor.

1. Si alguna de las entradas es ‘Alta’, la salida de la puerta XOR es ‘Alta’. Si ambas entradas son ‘altas’, la salida es ‘baja’. Si ambas entradas son ‘Bajas’, la salida es ‘Baja’.
2. La ecuación booleana para la puerta XOR es Y=A’.B+A.B’ si hay dos entradas A y B.

Aporte		Producción
A	B	A X O B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Sus salidas se basan en la lógica de puerta OR, como podemos ver en la tabla de verdad.

• Puerta XNOR

La puerta Exclusive-NOR o ‘EX-NOR’ es una puerta lógica digital que acepta más de dos entradas pero solo emite una.

1. Si ambas entradas son ‘altas’, la salida de la puerta XNOR es ‘alta’. Si ambas entradas son ‘Bajas’, la salida es ‘Baja’. Si una de las entradas es ‘Baja’, la salida es ‘Baja’.
2. Si hay dos entradas A y B, entonces la ecuación booleana de la puerta XNOR es: Y=A.B+A’B’.

Aporte		Producción
A	B	A XNOR B
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

La tabla de verdad muestra que sus salidas se basan en la lógica de puerta NOR.

Usos de las puertas lógicas

1. Las puertas lógicas se utilizan en una variedad de tecnologías. Estos son componentes de chips (IC), que son componentes de computadoras, teléfonos, computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos.
2. Las puertas lógicas se pueden combinar de varias maneras, y se necesita un millón de estas combinaciones para fabricar los dispositivos, satélites e incluso robots más nuevos.
3. También se pueden encontrar combinaciones simples de puertas lógicas en alarmas antirrobo, zumbadores, interruptores y farolas. Debido a que estas puertas pueden elegir iniciar o detener según la lógica, a menudo se usan en una variedad de sectores.
4. Las puertas lógicas también son importantes en el transporte, cálculo y procesamiento de datos. Incluso la lógica transistor-transistor y los circuitos CMOS hacen un uso extensivo de las puertas lógicas.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué son las puertas lógicas?

Responder:

Las puertas lógicas son circuitos digitales que realizan operaciones lógicas en la entrada que se les proporciona y producen la salida adecuada.

Pregunta 2: ¿Qué son las puertas universales?

Responder:

Para lograr un proceso lógico específico, las puertas universales se crean fusionando dos o más puertas fundamentales. Las puertas universales son las puertas NAND y NOR.

Pregunta 3: ¿Cuál es la salida de una puerta NOT cuando se aplica la entrada 0?

Responder:

Porque NOT gate es un inversor. Como resultado, si se usa 0 como entrada, la salida será 1.

Pregunta 4: ¿Qué puerta lógica se conoce como el «inversor»?

Responder:

Un inversor también se conoce como puerta NOT. La salida obtenida es la inversa de la entrada.

Pregunta 5: ¿Cuál es la expresión booleana para la puerta OR?

Responder:

Si A y B son la entrada, entonces la salida de la compuerta OR se puede dar como Y=A+B.

Pregunta 6: ¿Cuál es la expresión booleana de la puerta XNOR?

Responder:

Si A y B son la entrada, entonces la salida de la puerta XNOR se puede dar como Y=A.B+A’B’.