¿Qué es una compuerta lógica?
Una compuerta lógica o puerta lógica, es un dispositivo que actúa como bloque de construcción para circuitos digitales. Realizan funciones lógicas básicas que son fundamentales para los circuitos digitales. La mayoría de los dispositivos electrónicos que utilizamos hoy en día tienen algún tipo de compuerta lógica. Por ejemplo, las compuertas lógicas se pueden utilizar en electrónica digital, como smartphones y tablets, o en dispositivos de memoria.
En un circuito, las compuertas lógicas funcionan a partir de una combinación de señales digitales procedentes de sus entradas. La mayoría de las compuertas lógicas tienen dos entradas y una salida, y se basan en el álgebra booleana. En un momento dado, cada terminal está en una de las dos condiciones binarias: verdadero o falso. Falso representa 0, y verdadero representa 1.
Dependiendo del tipo de compuerta lógica que se utilice y de la combinación de entradas, la salida binaria será diferente. Una compuerta lógica puede considerarse como un interruptor de luz, donde en una posición la salida está apagada (0) y en otra, está encendida (1). Las compuertas lógicas se utilizan comúnmente en circuitos integrados (IC).
Tipos de compuertas lógicas
Una puerta lógica es una compuerta digital que permite manipular datos. Las puertas lógicas, utilizan la lógica para determinar el paso o no de una señal. Las puertas lógicas, por otro lado, gobiernan el flujo de información basándose en un conjunto de reglas.
Las puertas lógicas se pueden clasificar en los siguientes tipos principales:
Compuertas lógicas básicas
Existen tres compuertas lógicas básicas:
- Compuerta AND
- Compuerta OR
- Compuerta NOT
Compuertas lógicas universales
En electrónica digital, las dos compuertas lógicas siguientes se consideran compuertas lógicas universales:
- Compuerta NOR
- Compuerta NAND
Compuertas lógicas derivadas
Las dos siguientes son las compuertas lógicas derivadas utilizadas en los sistemas digitales:
- Compuerta XOR
- Compuerta XNOR
Analicemos detalladamente cada uno de estos tipos de compuertas lógicas.
Compuertas lógicas
Existen siete compuertas lógicas básicas: AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR y XNOR.
La compuerta AND se denomina así porque, si 0 es falso y 1 es verdadero, la compuerta actúa del mismo modo que el operador lógico «y». La siguiente ilustración y tabla muestran el símbolo del circuito y las combinaciones lógicas de una compuerta AND. (En el símbolo, los terminales de entrada están a la izquierda y el terminal de salida a la derecha). La salida es «verdadero» cuando ambas entradas son «verdadero». En caso contrario, la salida es «falso». En otras palabras, la salida es 1 sólo cuando ambas entradas son 1.
La compuerta OR recibe su nombre por comportarse como la «o» lógica inclusiva. La salida es verdadera si una o ambas entradas son verdaderas. Si ambas entradas son falsas, la salida es falsa. En otras palabras, para que la salida sea 1, al menos una entrada debe ser 1.
La compuerta XOR (OR exclusivo) actúa del mismo modo que la lógica «o lo uno o lo otro». La salida es verdadera si una de las entradas, pero no ambas, es verdadera. La salida es falsa si ambas entradas son «falsas» o si ambas entradas son verdaderas. Del mismo modo, la salida es 1 si las entradas son diferentes, pero 0 si las entradas son iguales.
Un inversor lógico, a veces llamado compuerta NOT para diferenciarlo de otros tipos de dispositivos inversores electrónicos, sólo tiene una entrada. Una compuerta NOT invierte el estado lógico. Si la entrada es 1, la salida es 0. Si la entrada es 0, la salida es 1.
La compuerta NAND (AND negada) funciona como una compuerta AND seguida de una compuerta NOT. Actúa como la operación lógica «y» seguida de negación. La salida es falsa si ambas entradas son verdaderas. En caso contrario, la salida es verdadera. Otra forma de visualizarlo es que una compuerta NAND invierte la salida de una compuerta AND. El símbolo de la compuerta NAND es una compuerta AND con el círculo de una compuerta NOT a la salida.
La compuerta NOR (NOT OR) es una compuerta OR combinada seguida de un inversor. Su salida es verdadera si ambas entradas son falsas. En caso contrario, la salida es falsa.
La compuerta XNOR (NOR exclusiva) es una combinación de una compuerta XOR seguida de un inversor. Su salida es verdadera si las entradas son iguales y falsa si las entradas son diferentes.
Las combinaciones de estas compuertas lógicas permiten realizar operaciones complejas. En teoría, no hay límite al número de compuertas que se pueden agrupar en un mismo dispositivo. Pero en la práctica, el número de compuertas que se pueden colocar en un espacio físico determinado es limitado.
Las matrices de compuertas lógicas se encuentran en los circuitos integrados digitales. A medida que avanza la tecnología de los circuitos integrados, el volumen físico necesario para cada compuerta lógica disminuye y los dispositivos digitales son capaces de realizar operaciones más complejas a velocidades cada vez mayores.
Las computadoras cuánticas también tienen su propia versión de compuertas lógicas, llamadas compuertas lógicas cuánticas, o puertas cuánticas qutrit, que es un circuito cuántico que funciona utilizando un pequeño número de qutrits, que son qubits que tienen una dimensión añadida. Al igual que las compuertas lógicas son los componentes básicos de los circuitos digitales, las puertas cuánticas qutrit son los componentes básicos de los circuitos cuánticos.
Composición de puertas lógicas
Las condiciones binarias altas o bajas están representadas por diferentes niveles de voltaje. El estado lógico de un terminal puede cambiar, y generalmente lo hace, a medida que el circuito procesa datos. En la mayoría de las puertas lógicas, el estado bajo es aproximadamente cero voltios (0 V), mientras que el estado alto es aproximadamente cinco voltios positivos (+5 V).
Las puertas lógicas pueden estar formadas por resistores, transistores o diodos. Estos componentes se conectan entre sí en configuraciones específicas para garantizar que transforman las entradas de la forma esperada. Los resistores, por ejemplo, se pueden utilizar comúnmente como resistores pull-up o pull-down. Los resistores pull-up y pull-down se utilizan cuando hay alguna entrada de puerta lógica no utilizada para conectar a un nivel lógico 1 o 0. Esto evita cualquier falsa conmutación de la puerta. Los resistores pull-up se conectan a Vcc (+5 V) y los resistores pull-down están conectados a tierra (0 V).
Del mismo modo, los transistores se encargan de la conmutación (activación o desactivación en respuesta a las señales de entrada), mientras que los diodos garantizan que la corriente fluya en una sola dirección para estabilizar el circuito.
Las puertas lógicas más utilizadas son la lógica de transistor-transistor (TTL) y el semiconductor complementario de óxido-metálico (CMOS). Los circuitos integrados TTL utilizan transistores de unión bipolar negativos-positivos-negativos y positivos-negativos-positivos. Los circuitos integrados CMOS se construyen con transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor o de puerta-unión. Los circuitos integrados TTL suelen denominarse chips de la serie 7400, mientras que los circuitos integrados CMOS suelen denominarse chips de la serie 4000.