Estados digitales, niveles de voltaje y familias de lógica

En los dispositivos digitales, solo hay dos estados: encendido y apagado. Usando solo estos dos estados, los dispositivos pueden comunicar una gran cantidad de datos y controlar otros dispositivos. En binario, estos estados se representan como 1 o 0. El 1 binario generalmente se considera un valor lógico alto y el 0 es un valor lógico bajo.

Niveles de voltaje

Sin embargo, los dispositivos digitales generalmente son controlados por dispositivos analógicos con un número infinito de estados. ¿Cómo se puede convertir un número infinito de estados en solo dos? La respuesta es crear niveles lógicos de voltaje, que definen el voltaje para representar un nivel lógico alto o lógico bajo.

^{Figura 1: Los niveles de voltaje definen el voltaje analógico que representa un nivel lógico alto o bajo.}

Un sistema puede definir los niveles lógicos de voltaje en cualquier valor que elija, pero muchos circuitos representan un nivel lógico alto en +5 V o +3.3 V a tierra y un nivel lógico bajo como tierra o 0 V. Este tipo de sistema se llama positivo o activo-alto. Describe cómo se activa el pin; para un pin activo-alto, usted lo conecta a su alto voltaje.

Un sistema negativo o activo-bajo es al revés. El voltaje más alto representa un nivel lógico bajo y el voltaje más bajo representa un nivel lógico alto. Para un pin activo-bajo, usted debe tirar de ese pin hacia abajo conectándolo a tierra. Las hojas de especificaciones generalmente indican que un pin está activo-bajo al poner una línea sobre el nombre del pin, como EN.

Aunque se especifican un alto y un bajo, en la mayoría de los sistemas existe realmente un rango para que sea más práctico. Por ejemplo, un valor lógico alto puede ser cualquier valor entre 2 V y 5 V y un valor bajo puede ser cualquier valor de 0 V a 1 V. Los voltajes fuera de esos rangos se consideran inválidos y ocurren solo bajo una condición de falla o durante un nivel lógico transición.

Estados Z y X

Aunque una señal digital solo puede tener dos estados, encendido y apagado, usted puede usar estados adicionales como ayuda para adquirir y generar señales digitales. Con la lógica de tres estados, hay una tercera condición posible: un estado de alta impedancia donde la salida está desconectada de la línea. Este estado no es alto o bajo, sino más bien flotante o de alta impedancia. Tiene la designación Z y a menudo se usa como una línea de habilitación.

El uso más común del estado Z es probar una o más líneas digitales que pueden ser impulsadas por múltiples transmisores. El puerto de datos en un chip de memoria es un buen ejemplo de esto. Cuando la PC escribe en el dispositivo de memoria, la PC necesita conducir los datos para ser escritos en el chip de memoria en los pines de datos del dispositivo de memoria (ya sea 0 o 1). Más tarde, cuando el procesador de la PC necesita leer el contenido de la memoria, el dispositivo de memoria debe conducir el valor de los datos previamente almacenados de regreso al procesador de la PC (generalmente un estado Z en los pines de datos). 

Un cuarto estado que puede ver es el estado de retención que se designa con una X. Al generar señales digitales, puede resultarle útil que el dispositivo simplemente mantenga el canal en su estado actual, independientemente del estado en el que se encuentre. Este estado es útil cuando se configuran estados iniciales o inactivos.

Cuando usted adquiere datos, el estado X tiene una designación diferente de no importa. Este estado es útil cuando usted está comparando una señal digital adquirida con una señal esperada. Por ejemplo, en una señal, es posible que solo le interesen los primeros cuatro valores en una señal de 10 valores. Puede usar el estado X para los últimos seis valores y comparar solo los primeros cuatro.

^{Tabla 1: Una señal digital solo puede estar en un estado alto o bajo; sin embargo, los estados Z y X pueden ayudar en aplicaciones que generan o adquieren señales digitales.}

Las familias de lógica estandarizadas permiten que sea más fácil trabajar con circuitos y componentes. Proporcionan un nivel de voltaje estandarizado que constituye un nivel lógico alto o lógico bajo. Todos los circuitos dentro de una familia lógica son compatibles con otros circuitos dentro de la misma familia porque comparten las mismas características.

Familias de lógica de una sola terminal

Las familias de lógica de una sola terminal especifican los niveles de voltaje en relación con la tierra. Los cuatro niveles se definen como:

• V_OH (voltaje de salida de alto nivel): esto también se conoce como nivel alto de voltaje de generación. Cuando se configura para la generación activa de unidades, este es el voltaje producido por el dispositivo cuando genera un nivel lógico alto. Cuando se configura para la generación de colector abierto, esto es equivalente a configurar el canal de datos en un estado de alta impedancia.
• V_OL (voltaje de salida de bajo nivel): esto también se conoce como el nivel bajo de voltaje de generación. Este es el voltaje producido por el dispositivo cuando genera un nivel bajo lógico.
• V_IH (voltaje de entrada de alto nivel): esto también se conoce como el nivel alto de voltaje de adquisición. Este es el nivel de voltaje necesario para enviar al dispositivo para que lea un nivel lógico alto.
• V_IL (voltaje de entrada de bajo nivel): esto también se conoce como el nivel bajo de voltaje de adquisición. Este es el nivel de voltaje necesario para enviar al dispositivo para que lea un nivel lógico bajo.

^{Figura 2: Los niveles lógicos de una sola terminal se especifican para salida y entrada.}

Para comunicarse con precisión con un dispositivo, asegúrese de configurar el dispositivo digital de modo que se cumplan las siguientes condiciones:

• V_OH ≥ DUT V_IH
• V_OL ≤ DUT V_IL
• V_IH ≤ DUT V_OH
• V_IL ≥ DUT V_OL
• V_IH > V_IL

Por lo general, existe un colchón entre el voltaje de salida de un dispositivo y la entrada de otro. Esto se conoce como margen de ruido o nivel de inmunidad al ruido (NIM). Si se encuentra en un entorno ruidoso y tiene dificultades con los bits de datos incorrectos, considere aumentar este valor.

Hay varias familias de lógica de una sola terminal. La lógica de transistor-transistor (TTL) es muy común para los circuitos integrados y se usa en muchas aplicaciones como PCs, electrónica de consumo y equipos de pruebas. Los circuitos construidos a partir de transistores bipolares logran conmutar y mantener estados lógicos. Un TTL también debe cumplir con especificaciones de corriente específicas y tiempos de subida/bajada, sobre los cuales puede leer más en ¿Cuál es la definición de una señal compatible con TTL?.

^{Figura 3: Niveles de voltaje TTL estándar de 5 V}

Otra familia de CI común es CMOS. Estos dispositivos tienen alta inmunidad al ruido, requieren menor consumo de energía y tienen un voltaje base más bajo. La mayoría de los niveles de voltaje son similares a los de los dispositivos TTL para una mayor compatibilidad. Esto facilita el cambio de un dispositivo TTL a CMOS, pero ir en la otra dirección puede ser más complicado. Un voltaje demasiado alto para un CMOS podría dañar el chip. En este caso, usted puede usar un divisor de voltaje para reducir el voltaje.

^{Figura 4: Niveles de voltaje CMOS estándar}

Familias de lógica diferencial

Las familias de lógica de una sola terminal utilizan un nivel de voltaje establecido en relación con la tierra; sin embargo, las familias de lógica diferencial usan la diferencia entre dos valores y no una referencia a tierra. Para que la señal diferencial se interprete como un nivel lógico bajo, la señal debe ser menor que su señal complementaria en más de un valor particular conocido como valor de umbral (VTH). Debido a que las señales se referencian y transmiten juntas, usted puede lograr una mayor inmunidad al ruido en sus señales que utilizando familias de lógica de una sola terminal. Los niveles de voltaje para las familias de lógica diferencial por lo general se especifican a partir de un voltaje diferencial en lugar de uno absoluto. Los cuatro niveles se definen como:

• V_OD (voltaje diferencial de salida): esta es la diferencia de voltaje entre las señales.
• V_OS (voltaje de compensación): este es el modo común de la señal diferencial. Piense en esto como el promedio de las dos señales. Es una referencia a tierra.
• V_TH (voltaje de umbral): esta es la diferencia de voltaje necesaria para que el dispositivo registre un estado lógico válido.
• _RANGO V (rango de voltaje de entrada) - Este es el voltaje absoluto referenciado desde tierra permitido por el dispositivo. 

• Un nivel lógico de voltaje define el voltaje para representar un nivel lógico alto o un nivel lógico bajo. 
• Muchos circuitos representan una lógica alta en +5 V o +3.3 V a tierra y una lógica baja como tierra o 0 V. Este tipo de sistema se llama positivo o activo-alto. 
• En la lógica de tres estados, el estado Z es un estado de alta impedancia y a menudo se usa como una línea de habilitación. 
• En la generación digital, el estado X mantiene el nivel lógico actual. En la adquisición digital, indica un estado no importa. 
• Las familias de lógica proporcionan un nivel de voltaje estandarizado que constituye un nivel lógico alto o lógico bajo. 
• TTL se basa en V_CC = 5 V.
• CMOS se basa en V_CC = 3.3 V
• Las familias de lógica diferencial usan la diferencia entre dos valores y no una referencia a tierra.
• LVDS es un método diferencial de bajo ruido, baja potencia y baja amplitud con V_CC = 3.3 V.
• Los circuitos LVPECL son un tipo de circuito ECL que requieren un par de líneas de señal para cada canal (V_CC = 3 o 3.3 V).

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